柴達(dá)木盆地東部尕海短鉆巖芯記錄的過(guò)去近400 a區(qū)域環(huán)境變化*
2015-02-25 06:51馬雪洋張玉枝陽(yáng)亞平張家武
湖泊科學(xué) 2015年4期
陳 豆，馬雪洋，張玉枝，陽(yáng)亞平，張家武
(蘭州大學(xué)西部環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000)
柴達(dá)木盆地東部尕海短鉆巖芯記錄的過(guò)去近400 a區(qū)域環(huán)境變化*
陳豆，馬雪洋，張玉枝，陽(yáng)亞平，張家武**
(蘭州大學(xué)西部環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000)
摘要：干旱區(qū)湖泊沉積可以有效記錄區(qū)域濕度變化及粉塵活動(dòng)歷史，位于柴達(dá)木盆地德令哈南部的咸水封閉湖泊尕海具有恢復(fù)區(qū)域環(huán)境變化的潛力.該地區(qū)的長(zhǎng)序列環(huán)境演變研究已開(kāi)展了較多的工作，但缺乏短尺度、高分辨率的近代以來(lái)的環(huán)境變化湖泊記錄.通過(guò)對(duì)尕海深水區(qū)短鉆巖芯放射性核素210Pb和137Cs的年代測(cè)定和沉積物各指標(biāo)分析，認(rèn)為尕海沉積物碳酸鹽含量可以反映區(qū)域濕度變化；而粗顆粒組分(>66.9μm)主要由風(fēng)力搬運(yùn)入湖，其含量可以指示區(qū)域粉塵活動(dòng)歷史.區(qū)域近400 a的環(huán)境變化可劃分為3個(gè)階段：1633-1750 AD：各指標(biāo)出現(xiàn)大幅度波動(dòng)，表現(xiàn)出該時(shí)期氣候環(huán)境的不穩(wěn)定和干濕交替，其中1650-1720 AD的變化波動(dòng)尤為顯著，這與太陽(yáng)活動(dòng)進(jìn)入Maunder極小期存在一定的聯(lián)系.1750-1950 AD：區(qū)域氣候環(huán)境無(wú)明顯波動(dòng)，碳酸鹽含量逐漸降低，濕度增加.1950-2010 AD：各指標(biāo)變動(dòng)劇烈，區(qū)域雖降水增多，但由于蒸發(fā)加強(qiáng)，濕度降低；1974 AD以后粗顆粒組分含量急劇上升，表現(xiàn)出高強(qiáng)度塵暴事件.
關(guān)鍵詞：尕海；碳酸鹽；濕度；粉塵活動(dòng)；柴達(dá)木盆地
*國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41271220， 41102112)和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)(lzujbky-2013-k18)聯(lián)合資助.2014-08-11收稿；2014-10-28收修改稿. 陳豆(1990～)，女，碩士研究生；E-mail：dchen2012@lzu.edu.cn.
青藏高原東北部柴達(dá)木盆地位于中緯度西風(fēng)和亞洲夏季風(fēng)交匯帶，區(qū)域內(nèi)封閉湖泊對(duì)于氣候變化響應(yīng)敏感[1]，利用該區(qū)湖泊沉積記錄恢復(fù)區(qū)域古氣候、古環(huán)境是認(rèn)識(shí)該區(qū)過(guò)去環(huán)境變化歷史的重要手段[2].盆地內(nèi)東部德令哈附近的幾個(gè)湖泊(如尕海、克魯克湖和托素湖)近年來(lái)得到關(guān)注，如利用該區(qū)克魯克湖巖芯沉積物孢粉[3]、同位素[4]及長(zhǎng)鏈烯酮[5]等指標(biāo)恢復(fù)了區(qū)域全新世氣候環(huán)境的變化.尕海湖泊內(nèi)部目前僅有個(gè)別較長(zhǎng)序列環(huán)境變化的研究，He等[6-7]通過(guò)沉積物中有機(jī)地化指標(biāo)重建了青藏高原北部溫度和濕度的變化；湖泊北岸陸地上的鉆孔初步揭示了粒度、碳酸鹽含量等指標(biāo)的環(huán)境意義[8-10].目前已有尕海2個(gè)短鉆巖芯沉積物與氣候環(huán)境的研究，其中Zhao等[11]發(fā)現(xiàn)過(guò)去幾十年該湖沉積物碳酸鹽含量和德令哈地區(qū)濕度變化有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，具有恢復(fù)區(qū)域濕度變化的潛力.另一短鉆巖芯沉積物中介形蟲(chóng)殼體同位素與區(qū)域濕度變化也有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系[12]，表明該湖沉積物在恢復(fù)區(qū)域干濕變化方面值得深入研究.但這2個(gè)短鉆巖芯均位于尕海水深6m左右的淺水區(qū)，且長(zhǎng)度均為20cm左右，為過(guò)去100多年或幾十年的沉積，仍缺乏可與區(qū)域樹(shù)輪[13-15]、冰芯[16]對(duì)比的稍長(zhǎng)時(shí)段高分辨率的湖泊沉積記錄.本文利用在尕海西部深水區(qū)(10m)獲得的50cm短鉆沉積物的磁化率、碳酸鹽和粒度等指標(biāo)探討該地區(qū)過(guò)去400 a以來(lái)的環(huán)境變化.
1 研究區(qū)概況
尕海(37°08′N(xiāo)，97°31′E，海拔2848m)位于青海省海西蒙古族藏族自治州德令哈市境內(nèi)(圖1)，隸屬巴音河流域.巴音河是柴達(dá)木盆地第四大內(nèi)陸河，發(fā)源于祁連山支脈野牛脊山，源頭海拔5000m.尕海呈橢圓形，總面積為32km2，平均水深為8m，最大水深為15m[17].湖區(qū)位于西風(fēng)環(huán)流帶內(nèi)，亞洲季風(fēng)氣候和西風(fēng)氣候的交匯處[18].1971-2000年間該區(qū)年均溫度為4℃，降水量為160mm，降水季節(jié)性明顯，主要集中在下半年(5-8月)，潛在蒸發(fā)量達(dá)2000mm[11]，屬于典型的荒漠半荒漠干旱氣候；寒冷、干旱、風(fēng)大是該氣候的主要特征[9].湖盆為新生代沉降盆地，盆內(nèi)沖積、湖積粉砂黏土和含沙淤泥覆蓋，邊緣為沖積、洪積平原，形成砂礫石、平坦戈壁沉積，接近湖濱為鹽堿沼澤沉積[19].
圖1 尕海研究點(diǎn)及區(qū)域古氣候記錄對(duì)比點(diǎn)(a)，尕海水深圖[20]及本文鉆孔位置(b)(GL05-2和LG06為已報(bào)道的2個(gè)短鉆巖芯位置[11-12])Fig.1 Locations of core site and compared paleoclimatic sites in the study area of Lake Gahai(a)， bathymetry map of Lake Gahai[20] and the core site(b)(GL05-2 and LG06 are the locations of two previously published short cores[11-12])
2 方法
2.1 樣品采集
2012年7月利用重力短鉆在尕海西部水深10m處獲取1根50cm的沉積巖芯(GHC1)，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)巖芯進(jìn)行1cm間隔采樣.整個(gè)巖芯巖性變化不明顯，為黑色粉砂質(zhì)黏土.樣品裝入自封袋后運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，冷凍干燥后待分析.
2.2 樣品分析
定年測(cè)試時(shí)，先將3~4g冷凍干燥后的樣品裝入特制透明塑料試管(直徑×高=14.5mm×40mm)中，密封20d以上，以求226Ra-222Rn達(dá)到長(zhǎng)期的放射性準(zhǔn)平衡狀態(tài)[21].使用堪培拉(CANBERRA)歐洲系統(tǒng)測(cè)量公司生產(chǎn)的GCW3523型高純鍺(HPGe)伽馬能譜儀測(cè)定樣品中的137Cs、210Pb及226Ra比活度.測(cè)量完成后使用Genie-2000 Gamma Option譜分析軟件分析數(shù)據(jù).
碳酸鹽含量測(cè)定樣品為湖泊沉積物過(guò)360目篩后的細(xì)粒部分，可將其作為湖相沉積物自生碳酸鹽，從而基本排除風(fēng)塵輸入碎屑及河流搬運(yùn)碳酸鹽的影響.測(cè)定使用容量法，測(cè)定前要進(jìn)行0.1mol/L NaOH和0.1mol/L HCl標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制及標(biāo)定.滴定時(shí)，用萬(wàn)分位天平稱(chēng)取0.1g左右樣品放于250ml錐形瓶中，加入10ml鹽酸溶液以及2~3滴酚酞指示劑，搖勻使碳酸鹽反應(yīng)完全后用0.1mol/L NaOH溶液滴定.每隔10個(gè)樣品，滴定1個(gè)分析純碳酸鈣(約0.1g)樣品，作為檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)誤差的標(biāo)準(zhǔn).
使用Malvern Mastersizer 2000激光粒度儀進(jìn)行沉積物樣品粒度指標(biāo)測(cè)試，前處理方法采用湖泊沉積物標(biāo)準(zhǔn)處理方法[22].稱(chēng)取少量冷凍干燥過(guò)的樣品(約0.25g)放入100ml燒杯中，加入10ml 10%的雙氧水(H2O2)后置于電熱板上加熱煮沸以去除樣品中的有機(jī)質(zhì)，再加入10ml 10%的稀HCl除去碳酸鹽及有機(jī)質(zhì)膠結(jié)物，同時(shí)用蒸餾水沖洗反應(yīng)的泡沫帶至燒杯壁上的沉積物，充分反應(yīng)后取下燒杯，將燒杯注滿(mǎn)蒸餾水.靜置24h后抽去蒸餾水，測(cè)試前加10ml濃度為0.1mol/L六偏磷酸鈉((NaPO3)6)分散劑.
磁化率測(cè)試時(shí)將稱(chēng)重的已干燥樣品裝入2cm×2cm×2cm的磁學(xué)專(zhuān)用盒并壓實(shí)，使用英國(guó)Bartington公司生產(chǎn)的MS2磁化率儀測(cè)量高頻(4.7kHz)磁化率(χhf)和低頻(0.47kHz)磁化率(χlf).以上實(shí)驗(yàn)均在蘭州大學(xué)西部環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成.
3 結(jié)果與分析
3.1 年代序列的確立
尕海短鉆巖芯210Pbex比活度變化范圍為0~275Bq/kg，從頂部往下呈遞減趨勢(shì)，至25cm處為0(圖2a).通過(guò)計(jì)算210Pbex并采用CRS模式建立了巖芯頂部24cm的沉積速率和年代(圖2b).不同方法的對(duì)比是獲取準(zhǔn)確計(jì)年結(jié)果的重要保證，因此巖芯同時(shí)選用137Cs時(shí)標(biāo)法作為定年的對(duì)比.137Cs比活度處于0~80.3Bq/kg之間，并僅于8cm處達(dá)到最大蓄積峰，該處210Pbex計(jì)年為1986 AD，正好與前蘇聯(lián)切爾諾貝利電站核泄漏事故時(shí)間對(duì)應(yīng)，因此8cm處137Cs峰值應(yīng)對(duì)應(yīng)于1986年.Zhao等[11]于2005年在GHC1孔以北約700m水深6.4m處鉆取一短鉆(GL05-2)，運(yùn)用CIC模式和137Cs時(shí)標(biāo)法定年時(shí)，將該鉆孔9cm處的137Cs峰值確定為1986年核泄漏事故造成.這與GHC1鉆孔出現(xiàn)137Cs峰值的深度接近.本文與Zhao等[11]的137Cs峰值年代(1986年)相同，但與Li等[12]尕海東部短鉆(LG06)的137Cs峰值年代(定為1963年)不同.GHC1孔210Pb年代與137Cs結(jié)果的印證進(jìn)一步確認(rèn)210Pb年代的可行性.
圖2 尕海GHC1孔210Pbex、137Cs比活度(a)和年代-深度模式(b)Fig.2 210Pbex and 137Cs activity of core GHC1(a) and age-depth model(b) of core GHC1 from Lake Gahai
巖芯上部24cm平均沉積速率為2.05mm/a. 由尕海GHC1孔年代-深度圖可知，沉積速率可以GHC1-18為分界點(diǎn)，在前17cm(1950年左右)沉積速率較大，約3.2mm/a(圖2b)，可能是因?yàn)?950年以后，湖區(qū)周?chē)_(kāi)始大規(guī)模地開(kāi)墾土地而出現(xiàn)水土流失，一定數(shù)量的侵蝕物質(zhì)被帶入湖中，沉積速率增加.其后18~24cm沉積速率為1mm/a.GHC1孔沉積物含水量和孔隙度變化不大，巖性一致，壓實(shí)作用很小，故暫用18~24cm沉積速率來(lái)推算沉積巖芯的年代序列.同時(shí)，尕海其他鉆孔研究結(jié)果[7]也表明，其頂部2m平均沉積速率約為1mm/a.故最終確定鉆孔底部年齡為1633 AD，GHC1孔為過(guò)去380年來(lái)的沉積.巖芯1~17cm每個(gè)樣品年代分辨率約3 a，18~50cm為10 a.
3.2 尕海沉積物磁化率、碳酸鹽變化特征及其環(huán)境指示意義
湖泊沉積物的礦物磁性特征一般都與特定的源區(qū)及其作用過(guò)程有關(guān)，磁性礦物的來(lái)源主要包括自生磁性礦物和外源磁性礦物，但可以認(rèn)為湖泊沉積物中外源磁性礦物占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)[23].尕海沉積物樣品的磁化率在1633-1680 AD之間變動(dòng)幅度大(圖3)，1680-1950 AD逐漸上升，1950 AD以后波動(dòng)劇烈；磁化率介于4.61×10-8~9.65×10-8m3/kg之間，平均值為6.62×10-8m3/kg.尕海GHC1孔磁化率不僅低于濕潤(rùn)區(qū)的泥炭、沼澤以及湖泊[24-25]，而且低于同處于干旱半干旱區(qū)的青海湖和岱海[26].這主要與湖區(qū)周?chē)哪冈次镔|(zhì)、湖泊水化學(xué)條件、湖盆面積和形態(tài)以及受其控制形成的沉積物類(lèi)型有關(guān).尕海目前沒(méi)有常年性的河流輸入，2002年測(cè)得礦化度為90.6g/L[19]，是2005年岱海礦化度(4.4g/L[27])的20倍，是同一流域托素湖的礦化度的3倍(30.2g/L)[28].因此尕海徑流輸入磁性顆粒濃度低，且沉積物中的碳酸鹽含量要比岱海高得多，而僅碳酸鹽就可以大大稀釋沉積物中磁性礦物的濃度.
湖泊沉積物中自生碳酸鹽含量主要是湖泊中生物活動(dòng)或物理化學(xué)作用的結(jié)果，其含量高低的變化，一般反映湖泊的鹽度變化，從而能夠間接指示區(qū)域氣候干濕的變化[29-32].當(dāng)湖區(qū)降水增加或蒸發(fā)較弱時(shí)，因淡水注入，湖水淡化，碳酸鹽含量降低；反之升高.尕海GHC1孔碳酸鹽(圖3)平均含量為18.7%，最大值為29.0%，最小值為11.5%，變化趨勢(shì)與磁化率相反；與中值粒徑變化一致，即當(dāng)碳酸鹽含量低時(shí)，沉積物粒徑變細(xì)，中值粒徑減小，粗粒組分含量減少.指示了當(dāng)區(qū)域氣候濕潤(rùn)時(shí)，湖水淡化，湖泊沉積碳酸鹽含量降低，同時(shí)湖區(qū)土壤濕度大，植被覆蓋增加，土壤侵蝕減弱，隨徑流入湖的沉積物顆粒變細(xì)，風(fēng)沙活動(dòng)揚(yáng)起的粗顆粒減少，帶進(jìn)湖區(qū)的粗粒物質(zhì)也就會(huì)減少(見(jiàn)3.3節(jié)).
3.3 尕海沉積物粒度特征及其指示的區(qū)域風(fēng)力強(qiáng)度
粒度組成是表述碎屑類(lèi)沉積物特征的重要指標(biāo)之一，可以追溯沉積物形成的力學(xué)性質(zhì)、物質(zhì)來(lái)源、輸送介質(zhì)和沉積環(huán)境等.GHC1孔粒度分布曲線(xiàn)主要表現(xiàn)為單峰和雙峰(圖4a、b、c)，單峰反映了較為單一、比較穩(wěn)定的水動(dòng)力沉積環(huán)境；雙峰形態(tài)則反映出兩類(lèi)不同動(dòng)力機(jī)制沉積物的混合[33].“粒級(jí)-標(biāo)準(zhǔn)偏差”是一種能夠有效指示沉積物粒度敏感組分的方法，通過(guò)計(jì)算可獲得每個(gè)粒級(jí)組分的標(biāo)準(zhǔn)偏差隨粒級(jí)變化的情況.此方法已經(jīng)成功地應(yīng)用于海洋沉積[34-35]、風(fēng)成沉積[36-37]以及湖泊沉積[38]等研究中.明顯的峰值出現(xiàn)在11.9μm以及66.9μm的位置，表示處于此粒級(jí)范圍的顆粒在整個(gè)鉆孔中表現(xiàn)出巨大波動(dòng)特征，而30μm處的谷值對(duì)應(yīng)的顆粒波動(dòng)較小(圖4d).依據(jù)曲線(xiàn)上的突變點(diǎn)，將沉積物粒徑分為4個(gè)組分：超細(xì)粒組分(<1.3μm)、細(xì)粒組分(1.3~30μm)、粗粒組分(30~266μm)和超粗粒組分(>266μm).GHC1鉆孔巖芯剖面粒度組成以1.3~30μm的細(xì)粒組分為主，平均粒徑為22.3μm.本文將主要探討>66.9μm的顆粒組分所指示的環(huán)境意義.
對(duì)柴達(dá)木盆地內(nèi)蘇干湖沉積物粒度的研究顯示[39]，>63μm組分可以指示研究區(qū)塵暴事件或者風(fēng)沙活動(dòng)的演化歷史.同樣，通過(guò)對(duì)盆地內(nèi)尕海鉆孔沉積物分析及對(duì)現(xiàn)代過(guò)程的連續(xù)跟蹤研究認(rèn)為[40]：該湖沉積物中粗顆粒組分最先是被強(qiáng)風(fēng)搬運(yùn)來(lái)的，而且冬季風(fēng)力要強(qiáng)于夏季；其砂粒組分(>63μm)可以作為該區(qū)域指示風(fēng)沙活動(dòng)的代用指標(biāo).對(duì)新疆巴里坤湖沉積物的分析[41]認(rèn)為，在干旱-半干旱地區(qū)的湖泊記錄中，粗顆粒(>60μm或>100μm)組分在一定程度上能夠反映地質(zhì)歷史時(shí)期沙塵活動(dòng).Deckker等[42]在研究澳大利亞北部的Carpentaria湖沉積物記錄的風(fēng)塵活動(dòng)時(shí)，選取>60μm組分用來(lái)指示風(fēng)沙活動(dòng)過(guò)程，認(rèn)為徑流是不能將>60μm的顆粒輸送到距湖岸60km的鉆孔位置，只有強(qiáng)風(fēng)攜帶才能使粗顆粒在湖心沉積.實(shí)際上在我國(guó)干旱區(qū)，湖泊冬季結(jié)冰后，冰面通常能發(fā)現(xiàn)大量粗顆粒沙，其隨風(fēng)力搬運(yùn)、躍移至湖泊，隨冰的融化這些粗顆粒沉積在湖底.因此湖泊沉積物中粗顆粒包含直接入湖和冰面捕獲兩個(gè)部分.
尕海為西北內(nèi)陸干旱區(qū)封閉湖泊，一方面無(wú)常年性地表徑流輸入，湖水主要依靠大氣降水和地下潛水補(bǔ)給，徑流輸入的粗顆粒物質(zhì)極少.另一方面其所處的柴達(dá)木盆地是我國(guó)強(qiáng)烈遭受風(fēng)蝕的地區(qū)之一[43]，當(dāng)發(fā)生塵暴時(shí)風(fēng)中攜帶的粗顆粒物質(zhì)在湖面上方直接沉降或被冰捕獲后沉積在湖泊內(nèi).風(fēng)力帶動(dòng)形成的湖浪也可能將岸邊的粗顆粒物質(zhì)運(yùn)送到鉆孔位置，但由于鉆孔位置距岸邊1km且水位較深，所以水動(dòng)力對(duì)沉積物粗顆粒組分貢獻(xiàn)不大.粒度組分在66.9μm處存在峰值(圖4d)，說(shuō)明該粒級(jí)范圍可能是沉積物來(lái)源的一個(gè)轉(zhuǎn)變點(diǎn)，綜合前人研究結(jié)果與尕海自身特點(diǎn)，本文認(rèn)為尕海沉積物>66.9μm的粗顆粒組分可指示當(dāng)?shù)亟?00年來(lái)風(fēng)力強(qiáng)弱的變化.即當(dāng)粗顆粒組分含量增加時(shí)，表明區(qū)域內(nèi)風(fēng)力強(qiáng)度大，有塵暴活動(dòng)；反之則風(fēng)力弱.
4 討論
4.1 尕海近400 a氣候環(huán)境的變化
根據(jù)磁化率、碳酸鹽和粒度的曲線(xiàn)波動(dòng)情況，將剖面劃分為3個(gè)階段(圖3)：
圖3 尕海GHC1孔磁化率、碳酸鹽含量及粒度分布Fig.3 Distribution of magnetic susceptibility， carbonate content and grain size of core GHC1 from Lake Gahai
Ⅰ階段(50~38cm，約1633-1750 AD)：該階段氣候特征總體表現(xiàn)為干濕波動(dòng)，不穩(wěn)定；區(qū)域風(fēng)力強(qiáng)勁.1633-1653 AD：磁化率升高，碳酸鹽含量降低，>66.9μm粗顆粒組分含量增大；反映該時(shí)期區(qū)域降水相對(duì)增多，濕度增大，風(fēng)力增強(qiáng).1653-1683 AD，磁化率降低，碳酸鹽含量顯著上升；表明在這段期間湖區(qū)干旱，蒸發(fā)較前期增大，湖水中Ca2+出現(xiàn)飽和狀態(tài)，結(jié)晶沉淀.1683-1750 AD，區(qū)域干旱逐漸緩解；風(fēng)力強(qiáng)度也有所減弱.1650-1720 AD，氣候環(huán)境較大的波動(dòng)在我國(guó)其他地方也都有不同程度的體現(xiàn)(具體見(jiàn)4.2節(jié)).
Ⅱ階段(38~19cm，約1750-1950 AD)：該階段各指標(biāo)變化較穩(wěn)定，氣候變化波動(dòng)不大，湖區(qū)濕度逐漸增大.粗細(xì)粒徑組分含量變化小，粗粒組分含量低，風(fēng)力強(qiáng)度相對(duì)較弱；同時(shí)，該段粒度的頻率曲線(xiàn)都是單峰型僅峰值存在不同(圖4b)，表明該段沉積物多為同種營(yíng)力作用下形成，只是同一種營(yíng)力動(dòng)力強(qiáng)度存在差異，出現(xiàn)強(qiáng)弱的變化過(guò)程.
圖4 尕海GHC1孔沉積物代表性粒度分布頻率曲線(xiàn)(a、 b、 c)及粒級(jí)-標(biāo)準(zhǔn)偏差變化曲線(xiàn)(d)Fig.4 Typical grain-size frequency distributions(a， b， c) and variation curve of grain-size and standard deviation(d) of core GHC1 from Lake Gahai
Ⅲ階段(19~1cm，約1950-2010 AD)：該階段各指標(biāo)變動(dòng)劇烈，磁化率與碳酸鹽含量、平均粒徑變化趨勢(shì)相反.區(qū)域雖降水增多但由于蒸發(fā)加強(qiáng)，濕度降低；出現(xiàn)高強(qiáng)度塵暴事件.結(jié)合氣象資料[11]，在1956-2000 AD期間，德令哈地區(qū)年平均氣溫上升3℃，降水量從1956 AD的60mm波動(dòng)增加到2000 AD的200mm，然而由于區(qū)域溫度升高、蒸發(fā)加劇，有效濕度卻存在降低趨勢(shì)，碳酸鹽平均含量比Ⅱ階段高，區(qū)域環(huán)境表現(xiàn)為暖干.1974 AD以后粗粒組分含量激增，記錄高強(qiáng)度的塵暴事件.同時(shí)該時(shí)期人類(lèi)活動(dòng)活躍，對(duì)區(qū)域環(huán)境也產(chǎn)生一定影響.
4.2 區(qū)域?qū)Ρ?/h2>
將本文的濕度代用指標(biāo)碳酸鹽含量(圖5a)與利用祁連圓柏樹(shù)木年輪重建的德令哈地區(qū)年降水量[13](圖5b)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者變化趨勢(shì)相反.Ⅰ階段的降水量為區(qū)域近400 a來(lái)最低值，青藏高原年均溫[44](圖5c)自1660 AD開(kāi)始上升，且至1750 AD都呈現(xiàn)高溫，而此階段碳酸鹽含量在3個(gè)階段中最高，同時(shí)反映出區(qū)域濕度低，較干旱；Ⅱ階段中1750-1880 AD處于小冰期后期，高原溫度較低，區(qū)域降水緩慢增加，碳酸鹽含量逐漸下降，濕度增大.敦德冰芯微粒含量的多少，反映氣候不同類(lèi)型組合：氣候干旱時(shí)期，微粒含量相對(duì)較高；氣候濕潤(rùn)時(shí)期，微粒濃度相對(duì)較低(圖5d).將本文的碳酸鹽含量(圖5a)與可用來(lái)反映氣候干濕的敦德冰芯微粒濃度[45](圖5d)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者變化趨勢(shì)一致.即當(dāng)碳酸鹽含量降低時(shí)，冰芯中微粒濃度也隨之下降，對(duì)應(yīng)區(qū)域降水增多，濕度升高.特別是在1680-1740 AD及1810-1860 AD，兩次微粒的主要減少期對(duì)應(yīng)明顯的碳酸鹽含量的降低，說(shuō)明區(qū)域濕度增加.由于不同海拔對(duì)濕度的影響存在差異，故巖芯碳酸鹽含量與樹(shù)輪及冰芯微粒含量進(jìn)行比對(duì)時(shí)出現(xiàn)差異.但就其整體所反映的變化趨勢(shì)而言，本文利用碳酸鹽含量所恢復(fù)區(qū)域濕度的變化比較可靠.
Zhang[46]利用歷史文獻(xiàn)資料重建我國(guó)近1700 a降塵頻數(shù)曲線(xiàn)(圖5f)，認(rèn)為近1000 a“雨土”頻發(fā)期大約有5個(gè).其中在1610-1700 AD期間降塵事件的高頻次與尕海>66.9μm組分(圖5e)記錄的強(qiáng)風(fēng)力時(shí)期具有可比性，兩個(gè)記錄均顯示出該時(shí)段為風(fēng)力強(qiáng)度大、高頻降塵時(shí)期.然而在1800-1890 AD期間，歷史資料記錄該時(shí)段為降塵頻發(fā)期，在尕海沉積物中卻沒(méi)有突出顯示，同區(qū)域的蘇干湖同樣也僅表現(xiàn)出非常弱的塵暴過(guò)程(圖略)，強(qiáng)明瑞等[39]認(rèn)為這與不同的粉塵源區(qū)有關(guān)，同時(shí)這種差異也受到觀(guān)測(cè)站點(diǎn)和人工記錄的影響[38，47].尕海沉積記錄了20世紀(jì)后半期高強(qiáng)度塵暴事件，這與現(xiàn)代氣象記錄符合.
圖5 區(qū)域?qū)Ρ?a：尕海碳酸鹽含量， b：德令哈降水量[13]， c：青藏高原年均溫[44]， d：敦德冰芯微粒濃度[45]， e：尕海>66.9μm組分， f：中國(guó)歷史雨土頻數(shù)[46]， g：太陽(yáng)輻射[55])Fig.5 Regional comparison(a： Carbonate content of Lake Gahai， b： Precipitation of Delingha[13]， c： Annual temperature of Tibet Plateau[44]， d： Microparticle concentration in Dunde ice core[45]， e：>66.9μm， f： Dust fall frequency over past 400 years[46]， g： Total solar irradiance[55])
根據(jù)重建結(jié)果，德令哈氣候環(huán)境在1650-1720 AD經(jīng)歷了一個(gè)明顯的干旱-濕潤(rùn)轉(zhuǎn)變過(guò)程，這次突變?cè)谖覈?guó)其他地區(qū)也有不同程度的表現(xiàn)，揭示該時(shí)期氣候狀態(tài)在大尺度上的不穩(wěn)定性.嚴(yán)中偉等[48]將這種大范圍的氣候突變稱(chēng)為非局地性躍變事件.在祁連山中部1000多年的降水重建中，顯示出1641年該區(qū)發(fā)生降水突變[49]，該結(jié)果同樣也得到歷史記載的驗(yàn)證[50-51]，《西北災(zāi)荒史》中記載1649年甘州地區(qū)發(fā)生水災(zāi).通過(guò)對(duì)黃河中游地區(qū)500多年旱澇歷史[52]的檢驗(yàn)判別，揭示在17世紀(jì)中期(1638-1664 AD)該區(qū)發(fā)生旱-澇的躍變；在東部6個(gè)區(qū)域近1000多年的干濕序列重建中[53]，發(fā)現(xiàn)其中的5個(gè)區(qū)域在1644年發(fā)生干濕躍變；青藏高原東北部，青海湖在小冰期中的1620-1680 AD階段，各項(xiàng)指標(biāo)出現(xiàn)高低值變化，氣候環(huán)境冷濕，相對(duì)濕度增加[54].
德令哈氣候環(huán)境在1650-1720 AD發(fā)生的轉(zhuǎn)變恰好與太陽(yáng)活動(dòng)進(jìn)入Maunder極小期較為一致[55](圖5g)，說(shuō)明該區(qū)短尺度氣候環(huán)境變化與太陽(yáng)活動(dòng)有關(guān).1650 AD左右太陽(yáng)活動(dòng)進(jìn)入Maunder極小期[56]，尕海碳酸鹽含量也在1660 AD左右迅速升高，區(qū)域濕度下降；然而碳酸鹽含量在1685 AD左右達(dá)到頂峰之后便逐漸降低，顯示區(qū)域濕度開(kāi)始回升，這比Maunder極小期結(jié)束時(shí)間早約25 a.對(duì)比之下，樹(shù)輪重建的降水變化與Maunder極小期更為一致，表現(xiàn)在1710 AD左右區(qū)域降水開(kāi)始增加.
5 結(jié)論
本文通過(guò)對(duì)尕海沉積物磁化率、碳酸鹽及粒度的分析得出以下結(jié)論：
1) 1633-1750 AD：區(qū)域風(fēng)力強(qiáng)勁，氣候環(huán)境變化波動(dòng)大、不穩(wěn)定，多次出現(xiàn)干濕交替.1750-1950 AD，區(qū)域濕度逐漸增大.1950-2010 AD，總體表現(xiàn)為暖干，1974 AD以后出現(xiàn)高強(qiáng)度塵暴事件；人類(lèi)活動(dòng)對(duì)區(qū)域環(huán)境變化產(chǎn)生影響.
2) 德令哈地區(qū)在1650-1720 AD期間發(fā)生干濕環(huán)境的轉(zhuǎn)變，與太陽(yáng)活動(dòng)進(jìn)入Maunder極小期較為一致，說(shuō)明太陽(yáng)活動(dòng)的變化可能是導(dǎo)致該區(qū)短尺度氣候環(huán)境變化的原因之一.
總之，尕海沉積巖芯較好地記錄了該區(qū)近400 a來(lái)的干濕交替和粉塵活動(dòng)歷史，是重建區(qū)域環(huán)境變化的良好載體.盡管如此，本文仍受到短鉆巖芯底部沒(méi)有絕對(duì)定年控制的限制，底部年齡可能存在誤差，待將來(lái)有絕對(duì)定年后進(jìn)一步提高年代精度.
致謝：蘭州大學(xué)李暉參加湖泊巖芯的鉆探，特此致謝.
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?2015 byJournalofLakeSciences
Environmental changes during the past 400 years documented by a short core from Lake Gahai， eastern Qaidam Basin
CHEN Dou， MA Xueyang， ZHANG Yuzhi， YANG Yaping & ZHANG Jiawu
(KeyLaboratoryofWesternChina’sEnvironmentalSystems(MOE)，LanzhouUniversity，Lanzhou730000，P.R.China)
Abstract：Lake sediments in arid area can record the change of regional humidity and dust history. Lake Gahai， a saline and hydrologically-closed lake in the south of Delingha， Qinghai Province， has the potential for reconstructing the local environmental change. Although many long-term environment evolution researches have been carried out in this area， short time-scale and high-resolution records from lake sediments are still lacking. Here we present a nearly 400-year record from a short core taken form Lake Gahai. The chronology of the short core was established by210Pb and137Cs analysis. Carbonate content， magnetic susceptibility and grain size were analysed. The variation of carbonate content can be used toindicate the change of local humidity and the coarser fraction (>66.9μm) was mainly transported by winds， reflecting the dust storm events. The environmental change during the past 400 years can be divided into 3 stages.1633-1750 AD： large fluctuations of proxies indicated an unstable dry and wet climate environment， especially during the 1650-1720 AD， and this obvious change was related to the solar activity. 1750-1950 AD： the decrease of carbonate content reflected an increasing local humidity. 1950-2010 AD： strengthened evaporation led to a low humidity although the regional precipitation increased. After 1974 AD， strong dust storm events were recorded by the coarser grain fraction.
Keywords：Lake Gahai； carbonate content； humidity； dust activity； Qaidam Basin
通信作者**；E-mail：jwzhang@lzu.edu.cn.
DOI10.18307/2015.0423
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