劉 穎，孫惠玲**，周曉娟，段立曾，李華勇，張虎才

(1：云南師范大學旅游與地理科學學院，昆明 650500) (2：云南師范大學高原湖泊生態(tài)與全球變化重點實驗室，昆明 650500)

過去5000 a以來撫仙湖沉積物有機質碳同位素的古環(huán)境指示意義*

劉 穎1,2，孫惠玲1,2**，周曉娟1,2，段立曾1,2，李華勇1,2，張虎才1,2

(1：云南師范大學旅游與地理科學學院，昆明 650500) (2：云南師范大學高原湖泊生態(tài)與全球變化重點實驗室，昆明 650500)

通過測定撫仙湖沉積物全有機樣品的穩(wěn)定碳同位素組成(δ13Corg)、總氮、總有機碳含量指標并計算碳氮比值，對過去5000 a以來撫仙湖沉積物有機質來源、δ13Corg的影響因素及其所指示的古環(huán)境意義進行分析. 結果表明：在過去的5000 cal a BP里，撫仙湖沉積物有機質主要來源發(fā)生明顯變化，沉積物有機質輸入由內源水生生物和陸生C3植物共同輸入(5000-2300 cal a BP階段)轉變?yōu)橐詢仍闯了参?、浮游植物和藻類等輸入為?2000 cal a BP至今階段)；有機質來源發(fā)生變化是造成撫仙湖沉積物δ13Corg值變化的主要原因；2000 cal a BP以來,陸源有機質輸入的銳減與人類活動的影響密切相關;在2300-2000 cal a BP階段，撫仙湖沉積物δ13Corg值的快速變化可能指示了撫仙湖流域的古環(huán)境在這一時期經(jīng)歷了快速變化的氣候事件.

撫仙湖;穩(wěn)定碳同位素;碳氮比值;有機質來源;古環(huán)境

湖泊沉積物能夠完整記錄地質歷史時期區(qū)域氣候、植被以及人類活動的演化軌跡[1]，是古環(huán)境、古氣候變遷的良好載體，也是全球變化研究的重要地質檔案. 由于湖泊沉積物中的有機質是外源陸生植物輸入和內源水生植物輸入的集合，從而能夠間接指示歷史時期湖泊及流域內的有機質貢獻[2-7]、植被類型[7-8]和環(huán)境變遷[5,9-10]. 因此，1960s以來，湖泊沉積物全有機碳同位素(δ13Corg) 逐漸成為古環(huán)境變化研究中的一個重要指標[2-4,11]. 近些年來，諸多學者利用δ13Corg指標并結合氮、氫、鍶、鉛等同位素[12-14]、巖性特征[5-6,9,13]、孢粉含量[7,15-16]以及a纖維素碳同位素組成[15]等代用指標對我國末次冰期以來北方地區(qū)和南方地區(qū)的古環(huán)境變化進行了重建. 結果表明，δ13Corg指標除了受湖水化學性質(pH值、水的硬度等)[4,17]、湖泊有機生產(chǎn)力[5,18-19]、大氣中CO2濃度[6,20]、流域水文特征[21]、沉積環(huán)境[21]以及沉積物的后期降解[22]等因素影響外, 主要受到有機質來源[10-11,23-24]及氣候因素(主要是溫度和降水)變化[25-27]的影響. 在用湖泊沉積物有機碳同位素解釋某一地區(qū)古環(huán)境指示意義的時候，由于不同區(qū)域、不同湖泊系統(tǒng)對不同影響因子的響應差異，使得我們在利用湖泊沉積物δ13Corg指標解譯古環(huán)境變遷時存在多解性[6]. 例如，Stuiver[4]對位于全球不同緯度的12個湖泊沉積物有機質13C值的變化特征進行統(tǒng)計后認為：湖泊有機質13C值隨緯度的升高而降低. Nakai[28]對處于中低緯度的日本琵琶湖進行研究后認為有機質碳同位素變化與溫度存在相關關系. 張恩樓等[29]對我國青海湖的研究也證實了這一觀點. 劉強等[6-7]認為我國北方的湖泊有機質碳同位素受有效降水影響，可以反映有效濕度的變化. 呂厚遠等[30]對青藏高原的C3、C4類植物的δ13C值進行研究后認為緯度和海拔對湖泊沉積物中的δ13C值有影響. 因此，在利用湖泊沉積物δ13Corg指標對某一區(qū)域的古環(huán)境氣候意義進行解釋時要結合其他指標共同解譯.

位于我國西南地區(qū)的撫仙湖是典型的斷陷型高原深水寡營養(yǎng)湖泊，廣布的喀斯特地質環(huán)境使得流域范圍內的生態(tài)環(huán)境極其脆弱，并且撫仙湖水位自2009年以來持續(xù)下降，加之周邊大規(guī)模的商業(yè)開發(fā)，使得湖泊長期建立起來的環(huán)境平衡遭到急劇破壞. 科學地規(guī)劃利用湖泊資源已成為迫在眉睫的一項任務，這就需要我們了解撫仙湖地質歷史時期的生態(tài)環(huán)境變化過程. 目前撫仙湖已開展的研究工作主要集中于近現(xiàn)代或百年時間尺度[31-35]，缺乏長尺度的、高分辨率的研究工作. 本文試圖在準確定年的基礎之上，利用撫仙湖沉積物δ13Corg指標和有機質含量等指標對撫仙湖流域中晚全新世以來的古環(huán)境變化進行研究，為深入理解高原湖泊演變過程及基于全球變暖背景下湖泊演化趨勢提供理論依據(jù).

圖1 撫仙湖地理位置和等深線圖Fig.1 Location and bathymetry of Lake Fuxian

1 研究區(qū)域概況

撫仙湖(24°21′28″～24°38′00″N，102°49′12″～102°57′26″E)地處云貴高原東部，屬珠江流域南盤江水系，是我國地殼斷陷形成的第二深水湖泊. 湖面海拔1721 m，跨玉溪市的澄江、江川和華寧三縣，南隔野牛大山與江川的星云湖相連，兩湖相距2.1 km[36]. 湖泊面積211 km2，最大水深155 m，平均水深89.6 m，是典型的深水、斷陷、高原湖泊. 撫仙湖流域屬中亞熱帶低緯高原季風氣候，受西南季風的影響顯著，年平均氣溫約15.6℃，年降雨量800～1100 mm，雨季旱季分明[36]. 湖泊水源主要靠降雨和四周山間小溪匯集補給，一年最高水位多出現(xiàn)在9-12月，最低水位出現(xiàn)在5、6月份[37]. 由于撫仙湖是在巖石峽谷中發(fā)育而成的南北向斷陷溶蝕湖泊，大部分的湖岸為陡峭的巖石，形如倒置葫蘆狀，兩端大、中間小，北部寬而深，南部窄而淺，中呈喉扼形. 流域植被主要分為兩大類：自然植被和人工植被. 其中自然植被又包括了半濕潤常綠闊葉林、半濕潤常綠闊葉灌叢、云南松林、華山松林、灌草叢；人工植被包括了水田栽培植被、旱地栽培植被、經(jīng)濟林等[38]. 撫仙湖的水生植物以沉水植物為主，水面基本無自然生長的大型挺水植物分布[39].

2 材料與方法

2.1 樣品采集與處理

2013年8月，使用本實驗室UWITEC 平臺鉆(奧地利)和可定位漂浮平臺在撫仙湖深水區(qū)(西南側水深約為85 m處，圖1)進行湖泊巖芯鉆取，獲得短鉆孔(FXH-6)，巖芯經(jīng)校正后總長度為245 cm. 切割樣品管之后對樣品進行1 cm間隔分樣，其中測定沉積物全有機樣品的穩(wěn)定碳同位素組成(δ13Corg)、總氮(TN)含量、總有機碳(TOC)含量指標的樣品是2 cm間隔取樣. FXH-6孔的年代測定通過AMS14C測年獲得. 7個測年樣品分別為3、56、99、149、203和244 cm處的6個全有機沉積物樣品和1個現(xiàn)代沉水植物樣品，由美國BETA實驗室測定，14C結果采用Talma等[40]的計算方法，利用INTCAL 13曲線[41]進行日歷年校正獲得.

2.2 研究方法

所有樣品均進行預處理：樣品冷凍干燥后用瑪瑙研缽研磨粉碎，然后用過量低濃度稀鹽酸(10%)浸泡去除碳酸鹽，再用去離子純水洗至中性并低溫烘干、研磨，最后過0.125 mm(120目)篩并裝入錫箔紙袋備用. TOC、TN含量采用蘭州大學化學化工學院EA1110元素分析儀測定. δ13Corg采用蘭州大學西部環(huán)境教育部重點實驗室的Flash EA 1112型元素分析儀(Thermo Electron，USA)與Delta Plus氣體質譜儀(Thermo Finnigan，German) 聯(lián)用測定，δ13Corg值的計算公式為[42]：

δ13C(‰)=[(13C/12C)sample/(13C/12C)standard-1]×1000‰(PDB)

(1)

3 結果分析

3.1 年代標尺的建立

撫仙湖測年樣品中的6個湖泊沉積物全有機樣品和1個現(xiàn)代沉水植物樣品的測年結果如表1所示，基于課題組尚未發(fā)表的210Pb測年結果已知FXH-6巖芯鉆孔3 cm處約為1950年，我們將3 cm處沉積物樣品和湖泊內沉水植物樣品進行AMS14C測年，其14C年齡分別為160和106.7 a BP，結果表明撫仙湖碳庫效應幾乎可以不計. 通過線性內插和外延的計算方法，撫仙湖FXH-6巖芯鉆孔的年齡-深度關系如圖2所示，平均沉積速率約為0.48 mm/a，巖芯最底部245 cm處的校正年齡約為5011±30 cal a BP.

表1 撫仙湖FXH-6巖芯AMS放射性碳年代測定

圖2 撫仙湖FXH-6巖芯鉆孔的年齡-深度關系Fig.2 The age-depth curve of core FXH-6 in Lake Fuxian

3.2 沉積物代用指標重建結果

撫仙湖巖芯鉆孔樣品TOC含量、δ13Corg值、C/N比值以及TN含量指標均表現(xiàn)出自5000 cal a BP以來逐漸減少的趨勢(圖3). 其中TOC含量在0.7%～6.0%之間變化(圖3a)，平均值為2.8%；δ13Corg的變化范圍為-28.3‰～-24.4‰(圖3b)，平均值為-26.5‰；C/N比值的變化范圍為8.2～15.3(圖3c)，平均值為12.3；TN含量處于0.06%～0.44%之間(圖3d)，平均值為0.21%. 由圖3看出，撫仙湖沉積物上下兩段樣品各指標的數(shù)值相對比較穩(wěn)定；而在中間300 a里變化大. 根據(jù)沉積物的變化可將沉積序列分為5000-2300 cal a BP、2300-2000 cal a BP和2000 cal a BP至今3個階段. 每部分TOC含量、δ13Corg、C/N比值和TN含量的特征分別如下：

在5000-2300 cal a BP階段，巖芯TOC含量變化范圍為3.5%～6.0%，平均值為4.8%(圖3a)，波動相對較大，但穩(wěn)定在較高值；δ13Corg的變化范圍為-28.3‰～-27.0‰，平均值為-27.7‰，其值處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)(圖3b)；C/N比值的范圍在13.0～15.3之間，平均值為14.0(圖3c)；TN值不穩(wěn)定，但其值總體偏正，處于0.23%～0.44%之間，平均值為0.34%(圖3d).

在2300-2000 cal a BP階段的300 a時間里，各項指標在相對較短的時期內快速變化，總體上呈下降趨勢. TOC含量自4.5%降低為1.0%，下降了3.5%(圖3a)；δ13Corg由-27.3‰變化至-25.1‰，下降了2.2‰(圖3b)；C/N由14.6急劇降低為9.0，變化了5.6(圖3c)；TN含量由0.31%降低為0.09%，下降0.22%(圖3d).

2000 cal a BP至今，TOC含量偏負，沒有明顯波動，其值處于0.7%～1.5%范圍之內，平均值為1.0%(圖3a)；δ13Corg在-26.8‰～-24.4‰之間波動，平均值為-25.4‰(圖3b)；相對于5000-2300 cal a BP，該階段C/N 比值較低，變化范圍為8.2～12.7，平均值為10.3(圖3c)；TN含量與TOC含量的波動相似，變化范圍為0.06%～0.15%，平均值約為0.10%(圖3d).

圖3 撫仙湖沉積物中TOC含量(a)、δ13Corg(b)、C/N比值(c)和TN含量(d)的變化特征(陰影部分為2300-2000 cal a BP階段)Fig.3 Characteristics of the sediment parameters in the Lake Fuxian: TOC content(a)， δ13Corg content(b)，C/N ratios (c) and TN content(d) (the shadow section represents 2300-2000 cal a BP)

4 討論

4.1 撫仙湖沉積物有機質來源

沉積物中TOC含量是描述沉積物中有機質輸入多少的基本參數(shù)[23]，而湖泊沉積物有機質的輸入可分為外源陸生植物輸入和內源水生生物輸入[10]. 余俊清等[24]的研究表明，C/N比值可用于判斷湖泊沉積物有機質是源于湖泊自生還是湖泊以外；通常湖泊自生植物的C/N比值僅為5～12，陸生植物的C/N比值約為20～30，甚至高達50. 撫仙湖沉積物的TOC含量(圖3a)和C/N比值(圖3c)在5000-2300 cal a BP階段明顯比2000 cal a BP至今階段的值高，二者的變化趨勢呈現(xiàn)自5000 cal a BP以來逐漸減少的趨勢，尤其是在2300-2000 cal a BP階段，TOC含量(圖3a)和C/N比值(圖3c)分別減少了3.5%和5.6. 這可能與陸生植被覆蓋度降低、陸源有機質輸入量減少有關，進而導致TOC含量減少了一半以上. 在5000-2300 cal a BP階段，C/N比值幾乎都大于12，說明湖泊沉積物有機質來源為內源水生植物和外源陸生植物混合輸入模式；而在2000 cal a BP至今這一階段，C/N平均值約為10，說明湖泊沉積物有機質來源以內源水生植物輸入為主；表明2300-2000 cal a BP階段的300 a里，湖泊沉積物有機質來源從內源水生植物和陸源的混合輸入模式迅速轉變成為內源水生植物輸入占優(yōu)勢的模式，有機質的主要來源發(fā)生了巨大變化.

4.2 撫仙湖沉積物δ13Corg指標的影響因素

4.3 撫仙湖沉積物δ13Corg值指示的古環(huán)境意義

地處低緯亞熱帶地區(qū)的撫仙湖，其沉積物δ13Corg值(-28.3‰～-24.4‰)自5000 cal a BP以來呈現(xiàn)階段性變正的趨勢，δ13Corg平均值由5000-2300 cal a BP階段的相對偏負(-27.7‰)轉變?yōu)?000-0 cal a BP階段的相對偏正(-25.4‰)，TOC含量和C/N比值結果也呈現(xiàn)快速減少的變化趨勢. 在2300-2000 cal a BP階段的300 a里撫仙湖沉積物各指標都發(fā)生了急劇變化. 沉積物有機質來源從內源水生植物和陸源C3植物混合輸入模式向內源水生植物輸入為主過渡，也間接說明在過去5000 cal a BP里撫仙湖流域內的陸生植被覆蓋度明顯降低. 通常，在中晚全新世階段，不適宜陸生植物生長的干旱少雨氣候和人類活動擾動是影響陸生植被覆蓋度減少的兩個主要因素. 那么，是什么原因造成了撫仙湖流域有機質輸入的快速變化呢？目前西南地區(qū)已經(jīng)有大量的中晚全新世以來的湖泊沉積孢粉重建記錄，諸如星云湖[45]、云南青?；鹕胶46]、天才湖[47]、瀘沽湖[48]、哈里谷[49]和洱海[50]. 雖然年代誤差的問題無法避免，但是上述湖泊的孢粉重建結果均指示各流域內晚全新世(時間節(jié)點分布在3500-2000 cal a BP之間)孢粉組合發(fā)生明顯變化，針葉樹、常綠和闊葉樹孢粉含量迅速減少，而與人類活動相關的禾本科植物孢粉含量迅速增加. 說明晚全新世以來人類活動顯著影響著流域內的地表植被. 撫仙湖與星云湖相鄰，勢必也會受到人類活動影響. 而且，位于撫仙湖西南岸的李家山遺址[51]，發(fā)掘出大量西漢至東漢時期的青銅器，也證明撫仙湖流域在約2000 a BP時期就已經(jīng)受到了滇文化的影響，即，2000-0 cal a BP階段，撫仙湖流域的陸源有機質來源銳減與人類活動密切相關. 而在2300-2000 cal a BP階段δ13Corg和TOC含量指標的快速變化尚且難以判定是人類活動還是氣候變化所致. 不過，課題組的另一溫度重建結果(尚未發(fā)表)表明該階段存在快速降溫事件. 洱海沉積記錄[52]也顯示2200 a BP是氣候變化的一個轉折點. 因此，我們初步推斷氣候快速變化是造成2300-2000 cal a BP階段撫仙湖沉積物陸源有機質來源銳減的主要原因.

5 結論

1)在過去的5000 cal a BP里，撫仙湖沉積物有機質主要來源發(fā)生明顯變化. 在5000-2300 cal a BP階段，撫仙湖沉積物中有機質由內源水生生物和陸生C3植物共同輸入，二者所占比例相差不大；在2300-2000 cal a BP的300 a間撫仙湖沉積物有機質來源正發(fā)生快速變化，陸源輸入量明顯減少，致使在2000 cal a BP至今撫仙湖沉積物中有機質以內源輸入的沉水植物、浮游植物和藻類為主.

2)有機質來源發(fā)生變化是造成撫仙湖沉積物δ13Corg值變化的主要因素，而大氣CO2和溫度對研究區(qū)湖泊沉積物的影響相對較小. 因此沉積物δ13Corg值的波動變化對撫仙湖沉積物有機質來源具指示意義.

3)5000 cal a BP以來，撫仙湖流域陸生植被覆蓋度在2300 cal a BP 后逐漸減少. 其中，2300-2000 cal a BP階段陸源有機質輸入的銳減可能是因為經(jīng)歷了快速氣候變化事件；而2000 cal a BP以來，陸生植被覆蓋度的減少與人類活動的影響密切相關.

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Paleoenvironmental significance of organic carbon isotope in lacustrine sediments in Lake Fuxian during the past 5 ka

LIU Ying1,2, SUN Huiling1,2**, ZHOU Xiaojuan1,2, DUAN Lizeng1,2, LI Huayong1,2& ZHANG Hucai1,2

(1：CollegeofTourismandGeographyScience,YunnanNormalUniversity,Kunming650500,P.R.China) (2：KeyLaboratoryofPlateauLakeEcology&GlobalChange,YunnanNormalUniversity,Kunming650500,P.R.China)

We measured several indexes including the stable organic carbon isotope (δ13Corg), the total nitrogen content, the total organic carbon content and the ratio of carbon and nitrogen content of bulk sediments in Lake Fuxian to exploring the sources of organic matters in sediments and the paleoenvironmental significance of δ13Corgduring the last 5 ka. The results showed the organic matter inputs from both the terrestrial C3plants and the aquatic organisms as the main source to the lake sediments have greatly changed during the period of 5000-2300 cal a BP, and changed to the only aquatic input (submerged plants, phytoplankton and algae) since 2000 cal a BP. δ13Corgvalues of bulk sediments in Lake Fuxian were mainly affected by different organic matter inputs. Rapid changes of the δ13Corgvalues during the stage of 2300-2000 cal a BP may indicate that the paleoenvironment of Lake Fuxian basin has experienced a rapid climate event.

Lake Fuxian; stable carbon isotope; carbon and nitrogen ratio; organic matter source; palaeoenvironment

; E-mail: huilingsun07@hotmail.com.

*國家自然科學基金項目(41201203)、云南省高端人才引進項目(2010CI111)和湖泊沉積與環(huán)境變化云南省創(chuàng)新團隊項目(2010CI)聯(lián)合資助. 2016-08-09收稿; 2016-09-02收修改稿. 劉穎(1992～)，女，碩士研究生; E-mail: liuying18mail@163.com.