第四纪研究  2016, Vol.36 Issue (6): 1456-1465   PDF    
近期人类活动对湖泊沉积记录的影响——以托素湖为例
付霞 , 张家武 , 王林 , 崔雪莉 , 马雪洋 , 张玉枝     
( 兰州大学资源环境学院, 西部环境教育部重点实验室, 兰州 730000)
摘要: 现代湖泊沉积记录通常是定量化重建古环境气候参数时用于建立指标和气候要素定量关系必需的资料,但在人类活动较强的地区,现代湖泊沉积记录的指标受人类活动的影响程度及是否能用于建立定量关系研究缺少评估。文章选择位于德令哈的托素湖短钻岩芯(TSLC)沉积物,利用放射性核素210Pb建立年代序列,将过去129年来沉积物碳酸盐含量和碳酸盐碳氧同位素与树轮重建的该区域降水量、区域孢粉A/C值及湖区52年来器测资料进行对比,评估人类活动对沉积记录的影响。结果显示,碳酸盐含量及其氧同位素指示的区域湿度变化在1883~1975年和2004~2011年与树轮重建的区域降水量及器测实际降水量有较好的对应关系;1975~2004年代用指标指示有效湿度降低与器测降水量增加、区域孢粉A/C值和树轮重建区域降水量增加整体相矛盾:指标显示区域有效湿度减小,而同期年平均风速减弱、年日照时数减少及年均相对湿度未发生显著变化使得蒸发量减少,区域有效湿度增加。沉积记录变干的原因主要是该阶段德令哈地区农业发展、农业耗水量增加导致托素湖补给量减少;2004年之后农业耗水量减少,指标记录与器测记录又趋于一致。因此在人类活动较强的地区利用湖泊沉积物代用指标重建气候要素时需先对人类活动影响强度进行评估。
主题词湖泊沉积     代用指标     器测资料     人类活动     托素湖    
中图分类号     P941.78;P534.63+2                     文献标识码    A

湖泊沉积具有连续性好、 分辨率高和环境信息丰富等特点,是全球气候环境变化研究的重要载体[1]。在人类活动较强的地区,历史时期以来的湖泊沉积包含了自然演变和人类活动的混合信息[2-9]。如何从沉积记录代用指标中识别人类活动的影响及程度,是湖泊沉积研究的重要方向之一。有器测资料以来的沉积记录,通常是定量化重建过去更长时段环境或气候变量时用于校正转换函数或模型的资料[10, 11],因此过去几十年代用指标信息受人类活动干扰方式及程度决定了定量重建的精度。但目前针对近期湖泊沉积记录与器测资料的对比来评估人类活动对湖泊沉积记录影响的研究仍较缺乏。德令哈地区的尾闾湖泊托素湖的湖泊沉积记录研究较少,目前仅Li等[12]和Zhao等[13]做了相关研究,但未涉及近期短时间尺度人类活动对湖泊沉积记录影响方面。因此,本文选择位于青藏高原东北部柴达木盆地内的托素湖,对湖泊短钻岩芯TSLC沉积物的粒度、 碳酸盐含量、 碳酸盐碳氧同位素等指标进行分析,并对比过去52年来(1956~2007年)的湖区器测资料,识别托素湖现代沉积记录的代用指标在受区域农业耗水量变化影响下与器测资料记录之间的差异,为分析人类活动对近期湖泊沉积记录的影响提供一个实例。

1 研究区概况

托素湖(37°04′~37°13′N,96°50′~97°03′E) 位于柴达木盆地东部、 距德令哈市45km处( 图 1a),为巴音河流域尾闾湖泊。湖面海拔2808m,长19.9km,最大宽17.5km,面积165.9km2,最大水深23.6m。据野外调查,湖水盐度27.8g/L,溶解氧105.64mg/L,pH值8.38。托素湖与北部3km处的克鲁克湖相连,无外流河流。滨湖为第四纪洪积、 冲积砂砾层,周边为盐碱地和风积沙丘[14]。德令哈气象资料显示,该区域年均温4℃,最热月为7月份,平均气温为16.5℃,最冷月为1月份,平均气温为-10.6℃,年降水量160~170mm,主要集中在5~9月份,年蒸发量2000mm左右[15]。区域植被主要由藜科(Chenopodiaceae)、 麻黄(Ephedra)、 白刺(Nitraria tangutorum Bobr)和菊科(Asteraceae)组成的现代荒漠植被景观[13]。德令哈水文站1957~2005年观测资料显示,巴音河径流年际间变幅小,但总体有逐年增加趋势[16]。巴音河年内径流峰值在夏季至秋初间,月径流量与月降水量基本同步( 图 1b),因此,处于巴音河尾闾的托素湖补给水源主要来源于流域降水。巴音河是德令哈地区主要供水来源,流域人类活动用水主要是农业灌溉,占该区用水量的70 % [17]。德令哈地区农业播种面积自20世纪50年代起快速增加,90年代后期达到峰值,至21世纪初逐渐减少,农业耗水量也随之减少[18]

图 1 托素湖区域概况、 钻孔位置 (a)及巴音河月径流量[16]、 德令哈月降水量(1956~2007年德令哈气象站资料) (b) TSLC为本文钻孔位置,TSLC14-1[12]和GL05-2[15]为已发表钻孔位置; 图 1a箭头指示水流方向 Fig. 1 Study area and the cores site(a)(TSLC is our core,TSLC14-1 and GL05-2 are the location of two previous cores[12, 15]),and monthly runoff of Bayin River[16]and monthly precipitation in Delingha station(data from Delingha meteorological station during 1956~2007A .D .) (b). Arrows in Fig. 1a are the direction of rivers flow
2 材料与方法

2013年8月,在托素湖水深23.6m处使用重力钻获得长35.5cm短钻岩芯TSLC(37°07′36″N,96°57′01″E),整个岩芯无扰动,岩性无明显变化,呈灰黑色,以粘土粉砂为主。样品在野外现场分样,上部20.5cm按5mm间隔分样,20.5cm以下按1cm间隔分样; 另外,在2015年1月采得托素湖入湖河流沉积物样品1个、 湖泊表层沉积物样品3个; 2016年1月采得托素湖湖滨表土样品2个。样品用塑料自封袋密封后运回实验室称重、 冷冻干燥后备用。

TSLC岩芯沉积物的年代利用 210 Pb和 137 Cs测定,将2~3g冷冻干燥后样品装入特制透明塑料试管内,静置15天以上,用堪培拉欧洲系统测量公司生产的高纯锗γ能谱仪(井型探测器)进行 210 Pb、 137 Cs和226 Ra核素比活度测定,数据用Genie-2000 Gamma Option谱分析软件分析。

碳酸盐含量测定使用容量法[19],根据公式C= ×100 % 计算碳酸盐百分含量,式中C为碳酸盐百分含量,P为当时大气压强(hPa),V为生成CO2气体体积(ml),m为反应样品质量(g),T为反应时温度(℃)。碳酸盐矿物成分及相对百分含量利用荷兰帕纳科公司生产的X-pert Pro型粉晶X射线衍射(XRD)仪测定,扫描角度(2θ)为 5°~75°,扫描速度为5°/分钟,各矿物种类的检出及相对百分含量由该仪器自带的软件X’Pert High Score Plus完成。总有机碳含量(TOC)含量用去除碳酸盐、 烘干后的样品在Flash EA1112元素分析仪完成。粒度分析采用Peng等[20]的方法,使用Malvern MS 2000型激光粒度仪进行测量,该仪器测量范围在0.02~2000.00μm,测量误差小于0.2 % 。

碳、 氧同位素测试采用过360目(44μm)筛的细粒碳酸盐样品。根据碳酸盐含量称取适量样品,在微量碳酸盐自动进样系统Kiel IV 70℃下,样品与99 % 的浓磷酸反应,产生的CO2气体纯化后通过毛细管导入MAT253质谱仪中进行碳氧同位素测试。测试中GBW-04405、 NBS-18和NBS-19标准样品间隔使用,每10个样品间加两个标准样品,碳、 氧同位素误差分别在±0.05 ‰ 、 ±0.1 ‰ 范围内,数据以相对于Vienna Pee Dee Belemnite(VPDB)标准给出。由于顶部1~3cm样品量不足,该部分TOC数据缺失。以上实验均在兰州大学西部环境教育部重点实验室完成。

3 结果 3.1 年代

岩芯中 210 Pb比活度总体上随深度递减( 图 2a),呈锯齿状波动,这可能与沉积物的沉积速率随时间发生变化有关[21]210 Pb比活度在25cm以下基本处于平衡状态。采用CRS模式[22]计算整个岩芯沉积速率和各层节的年龄,TSLC底部35.5cm处的年龄为公元1883年( 图 2b)。岩芯 137 Cs比活度仅出现一个峰值,在12.5cm处( 图 2a),该层位 210 Pb的CRS模式年代为公元1982年,因此该 137 Cs的峰值很容易被认为是公元1986年前苏联切尔诺贝利事件[23, 24]。目前 137 Cs的1986年时标在新疆地区有报道(乌伦古湖[25]和博斯腾湖[26]),但在高原地区还很少使用,尽管在德令哈尕海Zhao等[15]认为存在1986年的 137 Cs峰值以及陈豆等[27]137 Cs最大峰值定为1986年,但Li等[28]在同一湖将 137 Cs最大峰值定为1963年时标。周爱锋等[29]研究柴达木盆地西北的苏干湖的 210 Pb与 137 Cs年代时也发现,137 Cs时标(公元1963年)与 210 Pb年代(公元1972年)存在差异,且不能用Cs元素的迁移来解释,提出高原上 137 Cs可能较为复杂,作为时标使用时需要注意,同时也指出 210 Pb测年与年纹层相匹配证明了 210 Pb测年的可靠性。因此本文采用 210 Pb年代,岩芯涵盖了湖泊过去129年沉积物。托素湖沉积速率波动较大( 图 2b),大致可以分为3个阶段: 0~8.5cm(2011~1997年)沉积速率为5.67mm/a,是近百年来沉积速率最快的阶段; 9~17cm(1996~1960年)沉积速率为2.43mm/a; 17.5~35.5cm(1959~1883年)沉积速率波动较大,平均为2.40mm/a。另外,整个钻孔平均沉积速率为2.75mm/a。

图 2 托素湖TSLC孔 210 Pbex137 Cs比活度 (a)以及沉积速率与年代-深度模型 (b) Fig. 2 Radioactivities of the 210 Pbex and 137 Cs (a),the average sedimentation rate
3.2 代用指标

岩芯沉积物的主要粒度组分为2~20μm细颗粒,含量超过50 % ,平均粒径在33μm附近波动( 图 3),与其他指标不同,并无明显的阶段性变化。

图 3 托素湖TSLC孔总有机碳含量、 碳酸盐含量、 碳酸盐碳氧同位素及粒度分布曲线 Fig. 3 Total organic carbon(TOC),carbonate content,carbonate δ 18 O and δ13 C,

TSLC岩芯的TOC含量较低,在1.14 % ~2.32 % 之间( 图 3)。碳酸盐含量变化在19.6 % ~37.4 % 之间,平均含量为27.5 % 。对托素湖湖滨表土、 河流沉积物、 湖泊表层沉积物及岩芯样品的XRD分析结果( 表 1)显示,河流沉积物和湖泊沿岸表土中方解石、 白云石含量极低,无文石出现; 而湖泊表层沉积物和岩芯沉积物中,方解石含量显著增加,且文石含量很高,说明湖泊沉积物中文石和方解石来自于湖泊碳酸盐沉淀。白云石来源不易判定,但其含量极低。因此,岩芯沉积物中细粒碳酸盐主要为湖泊自生的碳酸盐,其碳氧同位素可以反映其沉淀时湖水碳氧同位素组成。岩芯碳酸盐的 δ 18 O和δ13 C值均较高,二者具有协同变化性( 图 3),与封闭湖泊中碳酸盐碳氧同位素变化特征一致[30]δ 18 O值在-0.41 ‰ ~7.84 ‰ 之间波动,平均值为4.30 ‰ ; δ13 C值在2.57 ‰ ~4.80 ‰ 之间波动,平均值为4.02 ‰ 。

表 1 托素湖现代样品及钻孔样品XRD分析结果 Table 1 XRD analysis of modern and core samples from Lake Toson
4 讨论 4.1 代用指标记录的环境变化

XRD分析揭示岩芯沉积物中的碳酸盐主要来源于湖泊自生碳酸盐,包括湖水蒸发过程中析出的碳酸盐和生物成因碳酸盐[31]。托素湖总有机质含量低,为1.14 % ~2.32 % ( 图 3),反映湖泊生产力较低[32],TOC含量与碳酸盐含量变化无明显相关性,因此生物成因的碳酸盐沉淀不显著。湖泊自生碳酸盐含量高低分别指示湖水咸化和淡化,间接反映湖区气候的干湿变化[33, 34]

湖泊沉积物粒度组成及特点直接反映了沉积时降水、 水动力搬运强度及湖面水位高低变化信息[35, 36]。托素湖以河流补给为主,而巴音河在托素湖以上经历了克鲁克湖的吞吐作用(水动力减弱,沉积物发生沉降与分选),外溢部分流入托素湖,入湖前流程短,河流携带的泥沙粒度已不是流域大范围径流和侵蚀的反映,而是经克鲁克湖分选后的细颗粒加上沿途再侵蚀的颗粒组分,以2~20μm细粉砂为主( 图 3)的特征。 在湖面波动幅度未超出能显著改变钻孔位置(深水区)与河口的距离时,沉积物粒度组成变化不大,对环境的指示意义不明确。

湖相自生碳酸盐稳定同位素作为研究古气候和古环境的有效指标并被广泛采用[37, 38],湖泊自生碳酸盐氧同位素的变化主要取决于湖水 δ 18 O的组成和碳酸盐沉淀时的温度[39]; 其他条件不变,温度增加1℃,δ 18 O降低0.24 ‰ [40]。公元1883~2011年期间,δ 18 O值变化幅度为8.25 ‰ ,对应的水体温度变化幅度为34℃,显然温度不能解释托素湖沉积物近百年 δ 18 O值变化。短时间尺度内,水汽来源无明显变化(即入湖水体同位素稳定)时,封闭湖泊的自生碳酸盐 δ 18 O的变化取决于湖水 δ 18 O的组成,湖水 δ 18 O值的变化主要取决于流域降水与蒸发比(P/E)[39, 41]: 当P/E减少时,湖水相对富集18 O,这是由于16 O相对较轻,在湖水蒸发进入大气时16 O优先逸出水面; 当区域湿度增加时则与之相反。在这种情况下,湖泊自生碳酸盐 δ 18 O的变化能够反映湖区的有效湿度。湖泊沉积物碳酸盐碳同位素组成主要和大气CO2与湖泊水体中碳的交换、 湖水的硬度、 湖泊生产力等因素有关[42]。很多研究表明[43, 44],干旱区的封闭湖泊 δ 18 O和δ13 C值都很高,并且二者出现密切的相关性,并将其用来推测湖泊水文条件随时间的变化[30],托素湖 δ 18 O和δ13 C协同变化指示了湖泊的封闭性。

根据沉积年代序列以及指示区域干湿变化的指标(碳酸盐的含量及其 δ 18 O,图 3)分析,可以将托素湖湖区公元1883~2011年期间的湖区环境变化分为以下3个阶段: 1883~1975年,碳酸盐含量和 δ 18 O处整个时期相对较高阶段并呈逐渐下降趋势,指示该阶段湖区有效湿度低并呈逐渐增加趋势,其中在1960~1970年阶段,碳酸盐含量和 δ 18 O存在短时间的增加后减小,指示湖区有效湿度降低后又增加; 1975~2004年,碳酸盐含量增加,δ 18 O值逐渐偏正,指示湖区有效湿度减少; 2004~2011年,碳酸盐含量与 δ 18 O降低,指示湖区有效湿度增加。

4.2 代用指标与器测记录的差异及原因

上述碳酸盐含量及其 δ 18 O指示的湖区有效湿度的变化表明,无器测资料时段(公元1883~1955年期间,见 图 4),碳酸盐含量与树轮重建区域降水量[45]变化趋势一致,碳酸盐含量与 δ 18 O处于相对高值阶段并逐渐减少,指示湖区有效湿度相对较低并有逐渐增加趋势; 有器测资料时段的1956~1975年期间,碳酸盐含量与 δ 18 O指示的湖区有效湿度变化,除1960~1970年湖区有效湿度存在短时间的降低又增加外,整体呈增加趋势,与器测资料、 树轮重建区域降水量[45]和区域孢粉A/C值指示区域有效湿度变化[15]有很好的对应关系( 图 4图 5e5f)。1925年左右碳酸盐含量较高,指示的较干旱期与1922~1932年黄河的枯水段[46]和历史资料记载西北大旱时期[47]基本相吻合。而1975~2004年期间,碳酸盐含量及 δ 18 O变化与器测记录整体出现差异( 图 4阴影部分): 德令哈气象站记录该阶段区域降水呈增加趋势,树轮重建区域降水量也与器测降水记录一致,指示降水逐渐增多。尽管该时段温度增加,但同期的器测记录( 图 5d)显示,该时段蒸发量在减少,意味着该区有效湿度是增加的。但湖泊沉积物碳酸盐含量逐渐增加、 δ 18 O逐渐偏正指示的湖区有效湿度呈降低趋势,与器测资料出现差异。2004~2011年期间,代用指标与器测记录、 树轮重建区域降水量又逐渐一致,均指示该时间段内湖区有效湿度增加。

图 4 代用指标与器测资料、 区域记录对比 (a)托素湖氧同位素,(b)托素湖碳酸盐含量,(c,d)德令哈1956年以来的温度和降水(德令哈气象站资料),(e)树轮重建区域降水量[45] Fig. 4 Comparison of proxies with observed data and regional record. (a) and (b) are the carbonate δ 18 O and carbonate content of TSLC from Lake Toson,(c)and (d) are observed temperature and precipitation in Delingha meteorological station since 1956A .D .,(e)is the reconstructed regional precipitation based on tree-ring[45]

德令哈1956年以来的气象资料( 图 5a5d)显示,年蒸发量与年平均风速(r=0.794,p<0.01,n=52)和年日照时数(r=0.410,p<0.01,n=52)呈正相关,与年降水量(r=-0.558,p<0.01,n=52)和年均温度(r=-0.422,p<0.01,n=52)呈负相关。1975~2004年期间虽然年降水量和年均温度增加,但年平均风速减弱、 年日照时数减少,而年均相对湿度并未减小,因此年蒸发量逐渐降低( 图 5d),区域有效湿度增加。相关研究也表明该阶段柴达木盆地蒸发量整体下降[48, 49]。Zhao等[15]分析了尕海短钻岩芯GL05-2的孢粉A/C值( 图 5f),尕海与托素湖在同一流域,受地下水补给( 图 1a),因此沉积物中的孢粉反映了湖区自然植被变化情况,其A/C值可以作为区域有效湿度的指标。A/C值在1975年以前与 δ 18 O仍有相似之处,1975年之后除1996年前后的低值外,总体呈增加趋势; 而1975年之后湖泊沉积物碳酸盐及 δ 18 O指示湖区有效湿度降低的记录与器测记录的降水增多、 孢粉A/C值总体增加的趋势出现差异。我们对比流域内农作物播种面积(1995年之前数据来源于德令哈市志[17],1995年之后数据来源于德令哈市统计年鉴及相关研究[50, 51])、 农业耗水量[18]( 图 5g5h)后发现,代用指标指示的环境过程与器测记录的差异与上游地区用水量增加存在很大的关系。德令哈市志[17]显示,农业用水量是该区用水量主要部分(70 % ),1949年德令哈地区农业播种面积不足50公顷,1960年以后德令哈农业大发展,到20世纪70年代农业播种面积增加到1700多公顷,90年代仍在迅速增加。伴随着区域灌溉水系的完善,农业灌溉耗水量迅速增大; 90年代中后期,德令哈地区逐渐出现制毯、 食品加工、 制碱等企业,浅层地下水用量明显增加[16]( 图 5i)。在区域有效湿度增加的情况下,由于农业、 工业及生活用水的增加,巴音河下游水大量减少,导致位于巴音河尾闾的托素湖河流补给量减少,尽管粒度没有明确指示,但碳酸盐含量增加、 δ 18 O值偏正,表明湖区有效湿度降低。21世纪初,德令哈农场、 巴音河农场、 尕海农场、 怀头他拉农场及各乡镇相继完成了农业综合开发项目,改建了大部分的干支渠,节约了农业灌溉用水量,并伴随着农业播种面积逐渐减少,德令哈地区农业耗水量[18]于2004年以后也迅速减少( 图 5h)。虽然以工业和城市用水为主的浅层地下水使用量仍有增加趋势,但相对于通过渠道输送的农业耗水量,明显要低一个数量级( 图 5i),对巴音河水量的影响要小得多[16]。湖泊沉积的碳酸盐含量及 δ 18 O有一定回落,在一定程度上可以指示湖泊有效湿度,湖泊记录与器测资料又逐渐趋于一致。托素湖湖水面积自1976年的164km2逐渐降低,2004年为135km2,之后逐渐增加[52],而同期有效湿度(器测记录和孢粉A/C值[15])增加,这种情况下湖泊面积缩小不能用自然变化解释。因此,我们认为,1975~2004年托素湖湖泊沉积记录与器测资料、 树轮重建区域降水量出现的整体偏差为流域内农业发展、 耗水量增加所致。

图 5 代用指标与器测资料差异分析德令哈1956~2007年 气象站资料包括: (a)年平均风速,(b)年日照时数,(c)年均相对湿度,(d)年蒸发量; (e)托素湖TSLC孔氧同位素; (f)尕海GL05-2孔孢粉A/C值[15]; (g)德令哈地区农作物播种面积[17, 50, 51]; (h)农业耗水量[18]; (i)浅层地下水用水量[16] Fig. 5 Analysis of discrepancies with observed data and regional record. Meteorolo ̄gical data of Delingha from 1956A .D . to 2007A .D . (a)Mean annual wind speed,(b)annual sunshine hours,(c)mean annual relatively humidity,(d)annual evaporation; (e)Carbonate δ 18 O of TSLC from Lake Toson; (f) A/C ratio of GL05-2 from Gahai Lake[15]; (g)The agricultural sowing area in Delingha[17, 50, 51]; (h)Agricultural water consumption in Delingha[18]; (i)Groundwater consumption in Delingha[16]

Li等[12]研究了托素湖水深12m处的短钻岩芯TSLC14-1(见 图 1a,经纬度为37°10′36″N,96°57′12″E)介形虫壳体 δ 18 O,与本文自生碳酸盐 δ 18 O记录了类似的信号(湖泊水体同位素变化),但介形虫壳体 δ 18 O在1990~2004年 降低与碳酸盐 δ 18 O有一定出入,这可能是因为钻孔位置不同,两个钻孔的年代控制差异造成的。Li等[12]认为1960年 以后介形虫 δ 18 O值偏高并非受有效湿度影响,而是与温度升高导致降水 δ 18 O偏正,进而影响了介形虫壳体的 δ 18 O。他们根据德令哈气象站月平均温度与月蒸发量的相关分析显示,蒸发量随温度升高而增加,认为温度增加导致的蒸发增强是托素湖湖泊面积自1970s至2000s缩小的主要原因[12]。这一解释与我们的认识不同,上述我们使用相同站点年平均温度和年蒸发量的相关分析显示(图 4),二者呈负相关,表明相同资料在不同时间尺度上的相关关系并不相同。考虑到钻孔代用资料的时间尺度是年际的(时间分辨率为0.36a/mm)(整个岩芯年代除以岩芯长度得到的一个平均值),因此使用气象资料时,分辨率也应尽可能与样品分辨率相匹配,使用年平均资料或许更能反映器测资料与沉积记录的对应关系。器测资料清楚地记录了温度升高、 降水增加背景下的蒸发减少,即有效湿度增加(见 图 45),也被区域内尕海GL05-2孔孢粉A/C值[15]记录到,但TSLC孔同期碳酸盐 δ 18 O与碳酸盐含量共同指示的区域变干,与器测资料不对应,我们认为人类活动(上游农业耗水量增加)导致的入湖水量减少、 湖泊面积缩小是主要原因。

综上所述,对于人类活动较强地区的近期湖泊沉积记录,其指示的环境变化过程不能单纯认为是自然演化,人类活动很可能会成为影响湖泊沉积记录的主要因素。因此对于这类地区的湖泊沉积记录,在利用湖泊沉积代用指标重建气候要素变化过程中,尤其是在利用近期沉积物代用指标验证定量化重建中的转换函数或模型时,需要注意结合多种类型指标或器测资料来评估人类活动的影响。

5 结论

通过分析托素湖129年来的沉积记录并与器测记录、 树轮重建区域降水量和尕海孢粉A/C值对比,托素湖氧同位素和碳酸盐含量变化得出以下主要结论:

(1) 在人类活动微弱或减少,上游农业发展及耗水量对托素湖补给量未产生显著影响阶段(1883~1975年和2004~2011年),碳酸盐含量、 δ 18 O变化与树轮重建区域降水量变化趋势、 器测资料和尕海孢粉A/C值有很好的对应关系,代用指标可以有效地反映托素湖区域有效湿度的变化。碳酸盐含量与 δ 18 O变化指示的湖区环境1883~1975年期间有效湿度相对较低并有逐渐增加趋势,其中1960~1970年期间,区域有效湿度存在短时间的降低又增加,2004~2011年期间湖区有效湿度增加。人类活动影响强烈阶段(1975~2004年),在区域降水量增加、 年平均风速降低和年日照时数减少使得蒸发量并未增加,进而区域有效湿度增加的情况下,由于上游人类活动强烈,农业发展、 农业耗水量增加使得托素湖补给量减少,导致碳酸盐含量增加和 δ 18 O偏正指示区域有效湿度降低与器测记录、 树轮重建区域降水量及尕海孢粉A/C值所指示的区域有效湿度增加呈现较大差异。

(2) 托素湖湖泊沉积物代用指标碳酸盐含量和 δ 18 O作为湖区有效湿度变化的指标,其变化在人类活动影响较弱或减少时可以很好的指示湖区自然环境的干湿变化,但在人类活动影响较强时无法成为湖区干湿变化的有效指标。因此在研究有人类活动影响较强烈阶段的环境变化时需结合多种类型的代用指标或器测资料来评估人类活动影响强度和代用指标的指示意义。

致谢: 兰州大学阳亚平参加了湖泊岩芯钻探工作,张平宇老师在样品测试过程中给予大力协助; 审稿专家和编辑部老师提出了建设性意见,在此一并致谢!

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Recent human impacts on sedimentary record: A case from Lake Toson
Fu Xia, Zhang Jiawu, Wang Lin, Cui Xueli, Ma Xueyang, Zhang Yuzhi     
( Key Laboratory of Western China's Environmental Systems, Ministry of Education, College of Earth Environmental Sciences, Lanzhou University, Lanzhou 730000)

Abstract

Here we present a comparison between the proxies and observational data during the past decades using a short core (TSLC) from Lake Toson.Lake Toson (37°04'~37°13'N,96°50'~97°03'E) is a closed saline lake located in Delingha,NE Tibetan Plateau.The surface area of the lake is approximately 165.9km2 with an elevation of 2808m a.s.l.The maximum water depth is 23.6m.According to data from Delingha Meteorological Station,the mean annual temperature is 4℃,and the regional annual precipitation is about 160~170mm,most of which falls as rain from May to September.The potential evapotranspiration is about 2000mm.The current salinity of the lake water is ca.27.8g/L,and the pH of the lake water is 8.38.Modern vegetation in this region is dominated by desert plant communities.The lake is fed by water from Bayin River flowing through Lake Hurleg,which is 3km to the north of Lake Toson.Such a hydrologic pattern make it sensitive to climate change and human activities,hence being an ideal site to study human activities impact on sedimentary records.Core TSLC (37°07'36"N,96°57'01"E;35.5cm in length) were recovered at the water depth of 23.6m in Lake Toson,and the resolution was 5mm and 1cm of top to 20.5cm and 20.5cm below of the sample from the cores TSLC,respectively.The short core was dated using 210Pb.Proxies including grain-size,carbonate content and carbonate oxygen isotopes (δ18Ocarb) were compared with instrumental data in Delingha in the last 52 years and the reconstructed regional precipitation by tree-ring and A/C ratio of Lake Gahai.The δ18Ocarb values were attributed to changes in precipitation/evaporation (P/E) ratios (effective humidity).High (low) authigene carbonate content indicated salinization (desalination) of Lake Toson,and carbonate content changes was consistent with δ18Ocarb,which could reveal the changes of effective humidity of lake areas.During the period of 1883~1975A.D.,proxies indicated a low effective humidity and a gradual increasing trend,but effective humidity decreased and then increased during 1960~1970A.D.Effective humidity increased during 2004~2011A.D.Results revealed that regional effective humidity indicated by proxies was consistent with the precipitation reconstructed by tree-ring and the observed precipitation during 1883~1975A.D.and 2004~2011A.D.During the period of 1975~2004A.D.,however,proxies was indicating a reduced P/E ratio,conflicting with the increased precipitation suggested by both the instrumental data,the tree-ring-based reconstruction and A/C ratio of Lake Gahai.During this period the regional evaporation decreased due to reduced wind speed and the annual sunshine hours,though the temperature was increasing.The resulted effective humidity,therefore,was increasing.The inconsistency between the reduced effective humidity recorded by proxies and the increased humidity by the observational data was caused by the regional agriculture development.Increased water consumption for irrigation during this period reduced the water supply for Lake Toson through the Bayin River.After 2004A.D.,the agricultural water consumption reduced and the climate indicated by proxies became consistent with the instrumental data again.Our result suggests that recent human impacts should be evaluated before the relationship between proxies and climate factors are used for paleoclimate reconstruction in regions with intensive human activities.Meanwhile,the resolution of observational data should be match with proxies resolution when we analyze observational data.
Key words: lake sediment     environmental proxies     instrumental data     human activities     Lake Toson