2021, Vol.41
2 云南大学生态与环境科学学院, 高原湖泊生态与污染治理研究院, 云南 昆明 650504)
青藏高原作为地球的“第三极”是气候变化的敏感区域，同时也是生态环境的脆弱区域，在我国气候环境变化研究中占有极其重要的地位[1]。青藏高原分布着众多现代湖泊沉积物及古湖相地貌遗迹，这些沉积连续、保存完好的湖泊沉积序列蕴含着丰富的环境演变和人类活动信息，是开展地质历史时期环境重建工作的可靠载体[2~5]。
黄河源区地处青藏高原腹地，通常是指青海省玛多县以上，黄河最上游谷地及其周围的高原及山地。由于其独特的地理位置和大气环流形式导致该地区气候变化和生态环境状况对我国乃至全球气候环境均有着十分重要的影响(图 1a)。近年来，受全球气候变暖及青藏高原东部日趋加剧的人类活动共同影响，该区域的生态环境持续恶化，成为青藏高原典型的生态脆弱地区。
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图 1 研究区地理位置示意图(a)及黄河源区鄂陵湖等深线(b)分布图 红色柱状图标代表采样点位置，现代夏季风界限根据文献[20] Fig. 1 Study area of Lake Ngoring on the northeastern Qinghai Tibetan Plateau(QTP) (a) and a contoured bathymetric map of Lake Ngoring where the drilling site is marked as red column (b). Summer monsoon limit is according to the reference [20] |
对黄河源区第四纪地质和环境的调查始于20世纪50年代，迄今为止已取得了许多重大的研究进展，主要包括第四纪地层的划分[6]、大湖期的确定[7]、冰川冰缘地貌[8]、气候变迁[9~11]及环境变化的生态响应[12]等。其中关于古气候重建的研究主要基于第四纪沉积剖面、泥炭沉积以及湖岸沉积，来自现代湖泊沉积岩芯的报道相对较少。
湖泊沉积物总有机碳(TOC)、总氮(TN)和碳氮比(Corg/Ntot)及其同位素值(δ13Corg和δ15Ntot)是古气候、古环境重建中的常用地球化学指标。它们已经在指示湖泊有机质来源[13]、湖泊流域内植被演变以及古气候[14~16]、古环境重建[17~18]研究中广泛应用。当湖泊水生植物、藻类及微生物贡献了大量有机物质时，沉积物中有机质来源以内源为主。由于不同类型的水生生物在生长过程中对营养元素的吸收和利用存在差异，其碳氮同位素组成特征相对复杂，特别是在叠加了人类活动之后[19]。而在沉积物有机质来源以外源输入为主的湖泊中，有机质含量反映了湖区初级生产力的状况，同时其稳定同位素值受控于陆生植物有机质稳定同位素组成，可间接指示古气候、古环境的变化[17]。
本研究以黄河源区面积最大的湖泊鄂陵湖为研究对象，利用湖泊沉积物中TOC、TN、Corg/Ntot、δ13Corg以及δ15Ntot等指标，在讨论有机质内外源贡献相对变化的基础上，重建了鄂陵湖流域近1500 a以来气候、环境的变化，并与已有的古气候、古环境以及人口数量资料进行了详细对比，以期揭示黄河源区晚全新世以来气候变化和环境演变的过程、幅度、规律以及人类活动的状况。
1 研究区域及样品采集 1.1 研究区概况鄂陵湖是青藏高原地区最大的淡水湖，同时也是黄河源区最大的构造断陷湖。鄂陵湖东西窄、南北长，湖面海拔4272 m，比我国最大的内陆湖泊青海湖高出约1000 m。湖面面积610 km2，平均水深17.6 m，湖心偏北处最深处超过30 m(图 1b)[21]。黄河自鄂陵湖西南流入，东北流出，因此属于典型的过水湖(或称为连河湖)。鄂陵湖湖水营养盐含量低，属于高原贫营养型湖泊[21]。
鄂陵湖所属的玛多县年平均气温-4 ℃左右，年降水量在200~400 mm之间，降水变率较大。鄂陵湖每年11月下旬开始封冻，平均为157 d，年最长封冻日193 d。即使在气温最高的7月、8月这两月，鄂陵湖湖区及流域凌晨的温度也会降到0 ℃以下，形成霜冻。流域植被类型为亚高山草甸，主要分布着以小嵩草(Kobresia humilis)、禾叶嵩草(Kobresia graminifolia)、发草属(Deschampsia)、早熟禾属(Poa)等为主的高寒草甸[22]。
1.2 样品采集2009年7月在鄂陵湖北部(35°02′10″N，97°42′24″E)，水深31.8 m处(图 1)利用重力采样器采得35 cm长的沉积岩芯(编号NR-1)，前20 cm以0.5 cm为间隔切割岩芯，取样40个；20~35 cm以1 cm为间隔切割岩芯，取样15个。整支岩芯岩性变化不大，为灰黑色粉砂质粘土状。图 1b所呈现的等深线由StrataBoxTM测深仪环湖航行测得。
2 研究方法 2.1 样品分析利用Carlo Erba NA 1500元素分析仪与Thermo Finnigan Delta Plus XL连续流质谱仪连接测定有机碳、氮含量及其同位素值。具体过程为将待测样品在60 ℃干燥箱中烘干及粉碎后用锡舟紧密包裹，然后送入氧化炉中，在过氧环境下高温燃烧，将形成的混合气体在高纯氦气的运载下经还原和分离转化为CO2和N2，并依次通过分流接口进入同位素比值质谱进行检测。测试过程中使用高纯度二氧化碳气体和氮气作为参考测定碳氮同位素比值。同时，采样美国SIGMA公司生产的两种国际标样Glycine和Collagen来检测仪器状况，标样测试误差小于0.15 ‰。
2.2 沉积年代序列利用210Pb沉积计年的基本假设是大气沉降并经由湖水转入沉积物的210Pbex通量稳定。当沉积速率相对稳定条件下，沉积物中210Pbex的比活度将随沉积年代呈指数衰减[23]。如图 2e所示鄂陵湖表层沉积物210Pb的比活度基本呈现指数衰减的特征。因此，采用CFCS(Constant Flux Constant Sedimentation Model)模式计算得到表层0~10 cm的平均沉积速率约为0.25 mm/a。而137Cs也呈现出指数衰减的变化趋势，未发现高原湖泊常见的1963年核爆峰值(图 2a)。考虑到高海拔湖泊深水区沉积速率缓慢且本次研究的样品时间分辨率相对较低，导致在1963年前后应有的137Cs蓄积峰被平均至0~1 cm样品中(图 2a)，因此很难利用其来标定沉积物的年龄。同时对NR-1岩芯底部34~35 cm沉积物进行了14C年代测定，岩芯底部的14C校正年代为3692±62 a。经分析对比发现该年龄明显偏老，应当是高原湖泊碳库效应所致[24]。因此该14C年龄在本次研究中仅做参考。
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图 2 (a) 137Cs比活度随钻孔深度变化图；(b)甘肃万象洞石笋氧同位素变化曲线[25]；(c)鄂陵湖NR-1钻孔有机碳同位素值变化(空心点代表自1840年以来的Suess校正)；(d)鄂陵湖NR-1孔年代随深度变化序列；(e)210Pbexc比活度随钻孔深度变化图 Fig. 2 The age frame of the NR-1: (a)137Cs activity in dpm/g; (b)The stalagmite δ18O record from Wanxiang Cave, Northwestern China[25]; (c)δ13Corg variations in core NR-1 of Lake Ngoring under the age reference points. Open diamonds in the δ13Corg curve indicate the Suess Effect corrections since 1840 CE; . (d)The age reference points that are based on the 210Pb dating results with depth in NR-1 of Lake Ngoring; (e)excess 210Pb activity in dpm/g |
为进一步确定NR-1岩芯的年龄框架，将鄂陵湖沉积物有机碳同位素序列与经典的石笋氧同位素(δ18O)曲线进行对比，发现其与甘肃万象洞氧同位素值[25]的曲线变化形态具有可比性(见图 2b和2c)。由于洞穴石笋的年代框架精确，我们可根据万象洞石笋年龄对本次研究沉积物岩芯的年代序列进行校正。如图 2b、2c和2d所示，石笋氧同位素在1110 a和530 a的峰值分别对应鄂陵湖有机碳同位素19~20 cm和33~34 cm的峰值，结合表层沉积物0.25 mm/a的沉积速率，进而推算出鄂陵湖NR-1岩芯大致为1500 a以来的沉积序列。由于取样点位置处于高原大型构造湖泊的深水区域，沉积环境十分稳定，因此在本次研究中假定整个剖面相对稳定的沉积速率是合理的，而后文所进行的古气候对比及重建主要基于总体趋势上的讨论，不涉及精细化的年代序列比对，因此我们认为该年代框架符合本次研究的目标。
3 分析结果鄂陵湖NR-1岩芯中总有机碳(TOC)含量在0.91 % ~1.84 % 之间，平均为1.24 % (图 3a)，有机碳同位素(δ13Corg)变化在-24.7 ‰ ~-27.1 ‰之间(图 3d)；总氮(TN)的含量在0.11 % ~0.24 % 之间，平均为0.16 % (图 3b)，总氮同位素(δ15Ntot)变化为6.6 ‰ ~8.1 ‰之间(图 3f)。TOC和TN指标呈现了较高的相关性(R=0.98，p < 0.001)，说明两者受相同的环境因子控制。而TOC和TN指标与δ13Corg和δ15Ntot之间的相关性并不显著，说明沉积物中有机质含量的变化和同位素值变化受控于不同的气候、环境因素。鄂陵湖沉积物中TOC的平均含量低于同样位于青藏高原东北部的青海湖[26]、希门错[17]以及更尕海[27]等湖泊，可能是由于随着海拔高度的上升，黄河源区的气候条件相对恶劣，生态系统趋于简单，湖泊初级生产力及生物量下降所导致。
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图 3 鄂陵湖NR-1孔总有机碳含量(TOC) (a)、总氮含量(TN) (b)、碳氮比(Corg/Ntot) (c)、有机碳同位素(δ13Corg) (d)、Suess校正后的有机碳同位素(corrected δ13Corg) (e)以及总氮同位素(δ15Ntot) (f)随深度变化图 Fig. 3 Vertical profiles of the bulk organic matter proxies of % TCorg (a), % TNtot (b), Corg/Ntot(atomic) (c), δ13Corg (d), Suess Effect corrected δ13Corg (e) and δ15Ntot (f) in core NR-1 from Lake Ngoring |
由于工业革命之后化石燃料的广泛使用而产生大量低δ13C值的CO2，使得大气CO2以及湖泊中可溶无机碳(DIC)的碳同位素值持续降低[28]，进而导致湖泊沉降颗粒物中有机碳同位素值明显偏轻，该现象被称为苏斯效应(Suess Effect)。根据文献[29]所提供的苏斯校正公式，我们对1840 A.D.以来的δ13Corg值进行了校正，结果如图 2c及3e所示。该方法在青藏高原其他湖泊表层沉积物有机碳同位素研究中也已经得到广泛应用[17]。
鄂陵湖NR-1岩芯中Corg/Ntot比值在8.79至9.92之间，平均值为9.35(图 3c)。由于陆生高等植物碳氮比通常为20~30，甚至高达45~50；而水生植物及藻类的碳氮比仅为5~12，通常小于10[13]。通过对鄂陵湖流域的实地勘察，我们发现该湖区水生高等植物很少，未发现大型挺水植物群落，仅在鄂陵湖湖湾浅水区发现少量的沉水和浮叶水生植物，不可能为鄂陵湖深水区沉积物提供大量的有机质。结合δ13Corg和Corg/Ntot关系坐标图可以得出鄂陵湖有机质主要来自水生藻类(图 4)。因此我们认为鄂陵湖深水区沉积物有机质主要由生长在湖泊中的藻类所贡献，可能也包括各种微生物，如细菌、真菌以及蓝藻等，而来自陆生或水生高等植物的贡献十分有限。
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图 4 利用有机碳同位素值(δ13Corg)及碳氮比(Corg/Ntot) 确定鄂陵湖沉积物有机质来源示意图 Fig. 4 δ13Corg and atomic Corg/Ntot values of Lake Ngoring sediments relative to generalized compositions of organic matter from lacustrine algae |
通过对涉及青海地区人口变化的文献资料[30]及国家统计局青海人口数据的整理(表 1)，我们绘制了自唐代以来青海地区人口数量变化的曲线(图 5g)。考虑到青海人口相对集中在其东部地区，故该曲线可以大致表征研究区内人口数量的变化。此外通过对青海农牧业相关文献的梳理，我们发现清代之前中原王朝对青海东部地区的控制程度相对较弱，当地人口主要由羌族、吐谷浑、吐蕃和蒙古族等少数民族构成，人口总量少且以游牧业为主(图 5g)。自清代以来中央政府加强了对青海东部地区的控制和开发。其中正式对青海东部草原地区进行垦殖始自清雍正年间。据史料记载雍正二年(1724 A.D.)清政府将大量士兵发往青海东部戍边，同时去的还有很多囚犯及流民，他们中相当一部分定居当地后从事农业生产[32]。而对青海东部草原真正意义上的大规模垦殖始于清光绪三十四年(1908 A.D.)，西宁办事大臣庆恕和陕甘总督升允建议设立青海垦务部门，政府派遣官员到青海黄河沿岸进行勘察，并在西宁设立垦务机构。在这两次事件之间，青海地区的人口数量曾经出现过较大的波动(图 5g)。从咸丰三年(1853年)的874418人降至光绪三十四年(1908年)的361255人(表 1)，人口数量显著下降，其主要原因是战争和自然灾害所致[33]。而随着清代初期大量汉人的迁入，青海东部地区人口组成发生了显著变化，导致原来从事游牧生产的人口比例明显降低，而进入20世纪之后，黄河源区的传统游牧业逐渐被现代畜牧业及农耕结合的生产方式所取代(图 5g)。
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表 1 自唐朝以来青海地区人口数量变化* Table 1 The population variation in Qinghai area from Tang Dynasty |
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图 5 鄂陵湖有机碳(TOC)(b)、总氮(TN)含量变化(c)和Corg/Ntot指标(d)与敦德冰芯CH4浓度[31](a)、青海湖TOC(e) 和TN指标[26](f)以及青海地区人口数量变化(g)对比阴影部分代表人类活动影响较显著的时期，蓝色实线划分农业发展的不同阶段 Fig. 5 The TOC (b), TN (c) and Corg/Ntot ratios (d) in Lake Ngoring compared with the methane concentration in Dunde ice core[31] (a), TOC (e) and TN (f) in Lake Qinghai[26] and the population variation in Qinghai area (g). The shadow represents the period of significant human interference, and the blue solid lines divide different stages of agricultural development |
通过对比，我们发现鄂陵湖沉积物有机质含量指标与上述人口数量变化及农业生产方式的演变存在一定的对应关系。TOC和TN值在1724 A.D. 之前总体维持在相对较低的水平，在均值附近上下波动。清代初期(近280 a)以来TOC和TN值开始快速上升(图 5b和5c)，而类似的现象在青藏高原东北部的青海湖中也有体现[26]。青海湖沉积物中总有机碳和总氮的含量在1724 A.D. 之前也在均值附近上下波动，之后也出现了显著的上升趋势(图 5e和5f)。本研究区自清代初期以来随着当地人口数量的逐渐上升，畜牧业及农耕生产方式迅速发展，TOC和TN也呈现了相同的变化趋势。进入19世纪之后人口规模显著增长，传统的游牧业逐渐被现代畜牧业生产方式所替代，TOC和TN指标也快速上升，而Corg/Ntot出现明显下降的趋势，指示了湖泊初级生产力的增强(图 5d，纵坐标为逆序)，内源有机质在沉积物总有机质中的比重增高。说明随着研究区内人类活动对湖泊环境的影响不断加剧，特别是随着当地畜牧业生产的迅猛发展，湖泊水体营养程度不断提高，沉积物中有机质含量显著上升。
在冰芯研究中发现人类活动与大气CH4含量之间存在着密切的联系，全球大气CH4平均浓度在1750 A.D. 之后开始出现明显上升的趋势[34]。青藏高原东北部的敦德冰芯记录了近800 a以来高原地区大气CH4浓度的变化[31](图 5a)。其中近200多年以来敦德冰芯气泡中CH4浓度的升高被认为与人类活动密切相关[34], 其开始上升的时间及变化幅度均与鄂陵湖沉积物中TOC、TN及Corg/Ntot指标的变化趋势相似，也与青海地区人口数量的变化具有可比性(图 5a和5g)。进一步说明鄂陵湖沉积物中总有机碳与总氮含量的变化确实受到黄河源区人类活动的影响。
综上所述，我们认为鄂陵湖沉积物记录的TOC和TN含量上升的主要原因是黄河源区人口数量的增长所导致的农业生产活动逐渐加剧所致，特别是在地农业生产方式由传统的游牧业逐渐转变为畜牧业的过程中，牲畜数量大幅度增加，草原生态系统在一定程度上遭到破坏，进入湖泊生态系统的有机质总量上升，湖泊水体的营养水平增高。最新的研究表明近几十年以来随着青藏高原地区年均温上升，导致植物的返青期提前，生长期延长，进而生物种群数量上升，高原植被生态系统的净初级生产力和生态系统碳汇呈总体增加的态势[35]，而年均气温的上升导致黄河源区湖泊无冰期的延长，有利于湖泊中各种水生藻类及各种微生物的生长，最终导致湖泊沉积物中有机质含量增高。说明近代人类活动已经对青藏高原最大淡水湖泊生态系统产生了显著的影响。过去两百多年鄂陵湖和青海湖沉积物中TOC和TN值的升高是过去1500 a以来有机质含量增加最快的阶段，对应了流域内人口数量的快速上升。类似的现象在其他大型淡水湖泊沉积物研究中也被观察到[36]。
4.2 鄂陵湖沉积物δ13Corg指标对湖泊水位变化的响应湖泊沉积物中有机碳主要有两大来源：其一来自湖泊生物(如水生植物、藻类和各种微生物等)的内源成因；其二来自湖区周围入湖水流带入的陆生植物的外源成因[13]。如果在研究某特定湖泊时，若沉积物有机质的来源相对稳定且单一，则有机碳同位素值所蕴含的气候环境意义相对明确。来自青藏高原湖泊沉积物有机碳同位素的研究已经证实δ13Corg值变化与湖泊水位波动存在一定的联系：青藏高原柴达木盆地察尔汗盐湖古湖相沉积物中δ13Corg值变化被认为与古水文环境有着密切的联系，其负偏阶段指示了陆源高等植物碎屑输入的增加，对应了高湖岸时期[37]；类似的现象在青海希门错湖泊沉积序列中也观察到，有机碳同位素值的负偏对应了相对暖湿的阶段，水位相对较高[3]；而青海湖表层沉积物中有机物质碳同位素值主要受藻类生物量的控制，而藻类的生长受到湖泊水位的影响，故青海湖沉积物中δ13Corg指标可指示湖泊水位的波动[38]。
考虑到鄂陵湖和青海湖同属于青藏高原东北部的大型构造断陷湖泊，其水文条件的变化应具有区域相似性，均受控于区内的气候变化及环境演变[21]。基于这一假设，我们将鄂陵湖沉积物δ13Corg值变化与青海湖沉积物中泉古菌醇(Crenarchaeol)含量变化、沉积物BIT指标[39]以及长链不饱和烯酮C37：4含量变化[40]进行比较，发现四者之间的变化趋势具有可对比性(图 6a、6b、6c和6d)。其中青海湖沉积物中泉古菌醇含量及BIT指标被认为主要反映湖泊水位的变化，而青海湖长链不饱和烯酮C37：4含量变化是衡量湖水盐度变化的良好指标，因此与湖泊水位波动之间也必然存在密切的联系。此外前人根据青海湖湖区内古湖相沉积物及风成堆积形成的年代[41]以及沉积序列中Sr/Ca值变化[42]重建了青海湖全新世以来湖泊水位的变化历史(图 6e和6f)。由于这两次研究的重建结果与本研究在时间分辨率上差别较大，因此无法在细节上进行比对，但是可以发现所有记录在总体变化趋势上是具有可对比性的，即在近1500 a以来湖泊水位呈波动下降的趋势。因此我们认为鄂陵湖δ13Corg值变化与湖泊水位变化之间可能也存在一定的联系。
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图 6 鄂陵湖NR-1孔有机碳同位素(δ13Corg)变化(a)与青海湖泉古菌醇含量(b)[39]、BIT指标(c)[39]、长链不饱和烯酮C37：4含量(d)[40]以及青海湖水位变化重建曲线(e和f)[41~42]对比图图中阴影部分指示中世纪暖期湖泊水位上升的阶段 Fig. 6 The δ13Corg variation in Lake Ngoring (a) compare with the crenarchaeol concentration (b)[39], BIT (c)[39] and % C37:4 record (d)[40] in Lake Qinghai as well as the lake level fluctuation in Lake Qinghai(e and f)[41~42]. The shadow indicates the high lake level stage in MWP |
正如前文所述，鄂陵湖沉积物中有机质主要来源于湖泊内源水生藻类及微生物的贡献，当整个湖区降水量增加，湖泊水位上升，湖泊藻类及微生物的生物量逐渐增多。而在高海拔及空气稀薄的高寒环境中，湖泊水体中二氧化碳分压(pCO2)普遍较低[13]。同时鄂陵湖为贫营养湖泊，且湖水呈弱碱性，有利于HCO3-的形成。当湖泊水体中碳素相对缺乏时(贫营养状态)，水生藻类及自养微生物在生长过程中会大量吸收湖水中的HCO3-(δ13C =1 ‰)[13]，而呼吸作用放出的CO2往往是相对偏轻的12 C，最终导致生物体中13 C逐渐富集，从而各种生物残体沉积时所形成的湖泊沉积物有机碳同位素往往相对偏正；相反当δ13C org值负向偏移的阶段指示了流域内降水量的减少，各种藻类及微生物的生物量逐渐降低，湖泊水位下降。而这一解释对于有机质主要为外源输入或者维管类植物贡献的湖泊并不适用[3]。
虽然察尔汗盐湖[2]、希门错[17]、青海湖[26, 41~42]以及鄂陵湖湖泊沉积物中有机碳同位素都与湖泊水位变化密切相关，但鄂陵湖湖泊沉积物有机碳同位素变化的机理与上述湖泊存在差异。如前文所述察尔汗盐湖和希门错均存在相对较高的陆源输入有机质[2, 17]。青海湖现代过程研究中发现湖泊水深与刚毛藻属藻类(Cladophora)有机碳同位素之间存在负相关性，而青海湖深水区沉积物有机质又主要来自刚毛藻属，因此湖泊沉积物有机碳同位素值与湖泊水位呈负相关关系[38]。我们推测这一对应关系可能存在某一阈值，当水深超过一定限度后时这种负相关关系会变得十分不确定。而鄂陵湖较察尔汗盐湖、希门错和青海湖海拔更高，气候条件相对更为恶劣，生态环境更加脆弱，具体表现在植被稀疏且种类单一，有机质含量低且主要来自水生藻类。同时鄂陵湖周边地势相对平坦，也不利于地表径流携带陆源有机质进入湖泊。因此我们认为鄂陵湖沉积物δ13Corg值虽然也响应了湖泊水位的变化，但是其变化机理与上述其他湖泊存在差异。
4.3 鄂陵湖沉积物δ15Ntot指示湖泊夏季表层水温变化在不考虑早期成岩作用的情况下，影响湖泊沉积物中δ15Ntot值的主要因素为氮素的来源，包括湖泊水生生物和湖盆周边的陆生生物[43]。本研究中的δ15Ntot变化曲线在均值附近上下波动(图 7b)，可以初步判断该指标的变化主要响应了某种环境或气候因素，而不是受单一的成岩作用影响。通过对比发现鄂陵湖沉积物δ15Ntot指标与利用长链不饱和烯酮指标(U37k′)重建的青海湖夏季表层水温变化[40]基本一致，δ15Ntot值的正偏对应青海湖夏季表层水温的高值，负偏则对应夏季表层水温的低值(图 7b和7c)。因此可以推测湖水温度变化可能对沉积物中δ15Ntot值的波动产生了重要的影响。
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图 7 利用树轮宽度重建的青藏高原中东部年均温变化[44] (a)、鄂陵湖NR-1钻孔有机氮同位素δ15Ntot (b)、利用长链不饱和烯酮重建的青海湖夏季表层湖水温度[40] (c)、利用CESM模式恢复的青藏高原年均温变化[45] (d)以及红原泥炭纤维素氧同位素值变化[46] (e)和中国地区平均气温重建[47] (f)对比图其中DACP代表黑暗冷期、MWP代表中世纪暖期、LIA代表小冰期、MW代表现代暖期 Fig. 7 The comparison among the temperature variation in mid-eastern QTP reconstructed by the tree ring width[44] (a), the δ15Ntot variation in NR-1 core of Lake Ngoring (b), the surface water temperature in summer of Lake Qinghai reconstructed by long chain alkenone[40] (c), the average temperature variation retrieved by CESM model[45] (d), the cellulose δ18O variation in Hongyuan peat sequence[46] (e)and temperature reconstructions for whole China (f)[47]. DACP represents the Dark Ages Cold Period, MWP represents the Medieval Warm Period, LIA represents the Little Ice Age and MW represent the Modern Warming |
进一步将鄂陵湖沉积物δ15Ntot变化与青藏高原中东部地区利用树轮宽度指标重建的古温度变化序列[44](图 7a)、采用地球系统模式(CESM)模拟的青藏高原地区气温变化历史[45](图 7d)、红原泥炭氧同位素指标(δ18O)[46](图 7e)以及中国地区古温度重建序列[47](图 7f)进行对比分析，发现它们之间均呈现了相似的变化趋势。特别是一些特殊的气候事件，如黑暗冷期(DACP)、中世纪暖期(MWP)、小冰期(LIA)以及现代暖期(MW)，在这些指标中均有体现。考虑到鄂陵湖冬半年大部分时间湖面处于结冰状态，湖泊内部生态系统基本与外界隔绝，气候变化信号难以被湖泊沉积过程所记录。因此我们认为鄂陵湖沉积物氮同位素响应了湖泊水体营养状态的变化，间接指示了湖泊夏季表层水温的波动。可能的机理是在湖泊水温相对较高的时期，初级生产力升高，藻类的生物量增加，而藻类的生长必须利用足够的氮元素来合成自身的有机质，在鄂陵湖这类高原湖泊中，可直接被水生生物利用的溶解态有机氮(DON)十分有限，会产生所谓的“氮素限制”现象，故各种藻类只能靠吸收溶解在水中的无机氮(DIN)来维持自身的生长[43]，而这些无机氮的氮同位素值往往相对偏正[13]，因此会导致藻类合成的有机质氮同位素偏正；相反δ15Ntot低值阶段则指示湖泊水温相对较低的时期，而藻类生长会因为低温环境而受到抑制，群落生物量减少，湖泊营养水平处于较低的阶段，从而氮同位素值总体偏低。需指出的是图 7所展示的不同记录之间气候事件发生的时间和波动程度上均存在一定的差异，这可能是由于年代误差以及不同指标对气候事件响应的机制存在差别所致。
综上所述，我们认为鄂陵湖沉积物中氮同位素并不是直接响应大气温度的变化，而是通过湖泊水温的变化，改变水生藻类的生长状况，使湖泊的营养条件发生了变化，进而改变了沉积物中的氮同位素值。值得注意的是由于鄂陵湖陆源输入的有机质量少，并且整个湖泊生态系统相对简单，各种干扰因素较少，因此本次研究中氮同位素变化可以反映表层湖泊水温的波动。而这一特殊的现象可能很难在有机质来源复杂、生物多样性高以及人类活动影响较大的低海拔湖泊中被观察到。
4.4 黄河源区近1500 a以来的气候环境变化历程根据上述地球化学指标变化特征，我们可将黄河源区近1500 a以来的古气候、古环境变化历程划分为以下4个阶段：
阶段Ⅰ：480~780 A.D.(35.0~28.5 cm)：鄂陵湖NR-1岩芯中δ13Corg值接近于平均值(-26.2 ‰)，而δ15Ntot值总体略低于平均值(7.3 ‰)，TOC和TN含量处于相对较低值，指示该时期气候相对寒冷，对应于历史时期的黑暗冷期(DACP)，但是降水量总体较高，湖面维持在较高的阶段，湖泊生产力相对较低。该时期的总体气候特征是温凉湿润；
阶段Ⅱ：780~1520 A.D.(28.5~11.7 cm)：鄂陵湖NR-1岩芯中δ13Corg值正偏，其中1050~1150 A.D. 之间有机碳同位素处于整个剖面的最高值，指示了降水量增加和湖泊水位的升高。δ15Ntot值总体处于高值区，TOC和TN含量有升高的趋势。表明湖区气候在经历了阶段Ⅰ的冷湿期后，随着季风活动的增强迅速转变为相对暖湿的气候条件；
阶段Ⅲ：1520~1840 A.D.(11.7~4.2 cm)：鄂陵湖NR-1岩芯中δ13Corg值逐渐偏负，低于均值，说明降水量显著减少，湖泊水位下降。δ15Ntot值显著降低，湖泊表层水温下降，对应了相对寒冷的气候条件。同时TOC和TN含量在此阶段出现了波动上升的趋势，Corg/Ntot值增高。此阶段对应了青海地区人口数量的逐渐上升时期，生产方式开始由传统游牧业向现代畜牧业转变；
阶段Ⅳ：1840 A.D.至今(4.2 cm~0)：鄂陵湖NR-1岩芯中经过苏斯校正后的δ13Corg值迅速正偏，说明湖区降水量增大，湖泊水位升高，生产力上升，δ15Ntot值总体处于高值阶段，指示了气温升高，同时TOC和TN含量在此阶段快速上升，Corg/Ntot值明显下降，指示了湖泊初级生产力增强，内源有机质在沉积物总有机质中的比重增高，与青海地区人口数量的上升有着很好的对应关系。说明人类活动对当地的自然环境已经产生了显著地影响。
通过对比图 6和7，还可以发现在中世纪暖期(MWP)鄂陵湖流域存在一次明显的高湖面时期，其湖面高度达到近1500 a以来的最高值。前人的研究表明在中世纪暖期，青藏高原的许多湖泊均观察到水位上升、湖泊初级生产力升高的现象，学术界普遍认为这与亚洲夏季风季风活动的增强有密切的关系[17]。因此可以认为黄河源区在中世纪暖期随着季风活动的不断增强，强盛的暖湿气流为黄河源区带来了充沛的降水，导致鄂陵湖湖泊水位明显上升。而代表夏季湖泊表层水温变化的氮同位素指标与青藏高原地区各种温度记录在总体趋势上存在可比性，说明晚全新世黄河源区年均温变化与区域气温背景值具有同步变化的特征。
5 结论通过对黄河源区鄂陵湖近1500 a以来的湖泊沉积物总有机质相关的指标(TOC、TN、Corg/Ntot指标以及δ13Corg和δ15Ntot指标)与已发表的数据资料进行对比研究，发现高原淡水湖湖泊沉积物中TOC、TN、Corg/Ntot是衡量流域内环境变化的良好指标。流域内人类活动在鄂陵湖沉积物有机碳(TOC)及总氮(TN)含量中留下了清晰的印记。而δ13C org指标的变化与湖泊水位的波动密切相关，间接指示了流域内降水量的变化。δ15Ntot指标与青海湖沉积物岩芯U37k′指标变化趋势相似，并与青藏高原地区温度相关的地球化学指标具有可比性。说明鄂陵湖沉积物中氮同位素极有可能响应了湖泊水体营养状态的变化，间接指示了湖泊夏季表层水温的波动。同时黄河源区在中世纪暖期(MWP)曾出现过高湖面阶段，其原因可能是相对强盛的夏季风为该区域带来了充沛的降水。
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2 Institute for Ecological Research and Pollution Control of Plateau Lakes, School of Ecology and Environmental Science, Yunnan University, Kunming 650504, Yunnan)
Abstract
On basis of the organic geochemical indexes including total organic carbon(TOC), total nitrogen(TN), carbon nitrogen ratio(Corg/Ntot), organic carbon isotope(δ13Corg) and total nitrogen isotope(δ15Ntot) in the sediment core(NR-1) collected from the Lake Ngoring in the source area of Yellow River(SAYR), northeastern Qinghai-Tibetan Plateau(QTP), the climatic and environmental variations during last 1500 years were reconstructed. A gravity core(NR-1) was taken at a water depth of 31.8m in Lake Ngoring at a GPS location of 35°02'10″N, 97°42'24″E in July 2009. The core was 35cm in length and 55 sedimentary samples were obtained. The results show that TOC and TN in the sediments of Lake Ngoring have increased significantly in the past 200~300 years, which is consistent with the population trend in eastern Qinghai Province. Also, the trends of TOC and TN are comparable with the variation of atmospheric CH4 concentration and the change of agricultural production pattern that the former nomadic pastoral lifestyles gradually being transformed into permanent settlements since the early eighteenth century, indicating that the sedimentary organic matter for the last 200~300a in Lake Ngoring mainly respond to the increased human activities in the SAYR. The variation of δ13Corg value in sediments is consistent with the fluctuation of water level, which indicates that the sedimentary δ13Corg values in large freshwater lakes in SAYR might be a reliable proxy to reflect the change of lake water level. In addition, the variation of δ15Ntot accords with the temperature records in the northeastern QTP. So the δ15Ntot value of sediment in Lake Ngoring might respond to the change of nutrient level of lake water and indirectly indicate the fluctuation of lake surface water temperature. This study provides a new idea for the interpretation of organic carbon and total nitrogen contents and their isotopic values in lake sediments collected from the interior region of the QTP.