過去3000年南北極典型地區(qū)生態(tài)環(huán)境變化的沉積記錄及對比.pdf

1、全球變化研究一直是國際社會和科學(xué)研究關(guān)注的焦點(diǎn)。自國際地圈一生物圈計(jì)劃(IGBP)實(shí)施以來，對全球變化的研究已經(jīng)成為當(dāng)今地球科學(xué)的最前沿課題。其中，最近的一兩千年被稱為“晚全新世”，在這段時(shí)期，氣候的一些重要邊界條件（例如地球幾何軌道和全球冰物質(zhì)）保持穩(wěn)定，因此這段時(shí)間內(nèi)氣候的變化可以被認(rèn)為是沒有人類活動影響的自然狀態(tài)。輔以現(xiàn)代氣候變化，包括全球尺度的變暖，就可以重建人類驅(qū)動對于過去和未來氣候變化的重要性。目前在極地生態(tài)環(huán)境變化研究中，

2、在現(xiàn)代觀測資料積累的基礎(chǔ)上，也非常強(qiáng)調(diào)通過長時(shí)間尺度的氣候重建來研究氣候演變機(jī)制及其對生態(tài)環(huán)境的影響。氣候的變化通常會對淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響，在全球變暖的背景下，脆弱的南北極湖泊生態(tài)系統(tǒng)會產(chǎn)生怎樣的響應(yīng)？因?yàn)橹苯佑^測的數(shù)據(jù)資料有限，各國學(xué)者目前對該方面的研究報(bào)道還不多。另外，在近代人類活動的影響下，生態(tài)環(huán)境是否會發(fā)生改變，以及科學(xué)地評估氣候變化和人類活動對湖泊生態(tài)各自的影響，也是預(yù)測未來湖泊變化的重要問題。本文在時(shí)間尺度上，立足于與

3、人類活動有密切聯(lián)系的晚全新世，在空間上選取南北極典型湖泊和泥炭層進(jìn)行分析。通過收集多個(gè)典型湖泊沉積物中表層沉積物、湖藻及湖區(qū)周圍泥炭層土壤等環(huán)境介質(zhì)樣品，區(qū)分南北極湖泊生態(tài)演化過程中的自然因素和近現(xiàn)代的人為因素；在此基礎(chǔ)上，開展南北極空間范圍上的生態(tài)環(huán)境演化記錄的對比研究。涉及的主要內(nèi)容和研究結(jié)果如下：
　　 1.北極湖泊生態(tài)演變及其對氣候環(huán)境的響應(yīng)
　　 運(yùn)用多指標(biāo)分析（包括沉積色素、磁化率、硅藻組成、碳和氮穩(wěn)定同位素

4、分析等），結(jié)合其它物化指標(biāo)如碳酸鈣含量、TOC等，從歷史演化的角度重點(diǎn)探討了新奧爾松地區(qū)最近3000多年以來湖泊初級生產(chǎn)力的演化過程。結(jié)果表明，在相對寒冷的小冰期，氣候?qū)粗性孱惖纳L不利，湖泊生產(chǎn)力下降，沉積物中色素含量出現(xiàn)低值，生物硅含量降低；表層5cm（對應(yīng)約1890AD）沉積物中有機(jī)質(zhì)含量顯著升高，色素和硅藻含量明顯增加，表明進(jìn)入20世紀(jì)后，氣候的轉(zhuǎn)暖以及湖冰的減少，導(dǎo)致湖泊藻類生長迅速，湖泊生產(chǎn)力大大提高。而此時(shí)較低的生物硅

5、含量與藻類間的競爭生長有關(guān)。湖泊中藍(lán)藻含量不斷上升，暗示北極地區(qū)人類活動的增強(qiáng)導(dǎo)致了湖泊營養(yǎng)水平增加。通過對元素及比值、礦物組成變化、環(huán)境指標(biāo)因子載荷得分和化學(xué)蝕變指數(shù)(CIA)等多指標(biāo)綜合分析發(fā)現(xiàn)，新奧爾松地區(qū)在距今550年前處于長時(shí)間的氣候相對溫暖期，湖泊流域基巖化學(xué)風(fēng)化作用較強(qiáng)；在距今550-100年（即1450-1900年）期間，特別是在1700-1900年，沉積物中碳酸鹽/硅酸鹽礦物含量比值降低，石英等粗礦物增加，湖泊流域化學(xué)

6、風(fēng)化能力和湖區(qū)物理傳輸作用下降，對應(yīng)氣候寒冷期，與全球發(fā)生的小冰期(LIA)一致；20世紀(jì)初，各指標(biāo)反映流域化學(xué)風(fēng)化作用強(qiáng)度和對氣候較為敏感的過程（如物理搬運(yùn)作用、流域侵蝕、地表融水徑流等）顯著增強(qiáng)，超過了過去3000年的任何時(shí)期，這與最近100年北極地區(qū)氣候顯著變暖一致。本研究所揭示的新奧爾松地區(qū)氣候變化過程與北極地區(qū)、北半球甚至全球古氣候記錄具有相似性，表明新奧爾松地區(qū)氣候變化是在全球變化背景下發(fā)生的。對比的結(jié)果表明，北極地區(qū)近30

7、00年來湖泊初級生產(chǎn)力對氣候和湖區(qū)環(huán)境變化產(chǎn)生明顯的響應(yīng)。
　　 2.重金屬污染在北極新奧爾松地區(qū)的記錄
　　 利用湖泊和泥炭層沉積物的對比研究，探討過去3000年以來重金屬分布和來源，并利用四種評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行重金屬污染評價(jià)，初步判斷了新奧爾松地區(qū)的重金屬污染水平。結(jié)果表明，As、Hg和Pb的污染程度相對高一些，可以表現(xiàn)為“輕度”或“中度”污染；而其它金屬則處于“沒有或非常低污染程度”。最近200年，汞沉積通量呈現(xiàn)3個(gè)明顯

8、峰值，分別對應(yīng)于1800年、1880年和1970年左右。對比研究區(qū)煤炭生產(chǎn)量、全球Hg產(chǎn)量和S2剖面Hg沉積通量記錄的變化，表明當(dāng)?shù)豀g的輸入主要來源于遠(yuǎn)距離大氣污染物的傳輸作用，本地煤礦的開采和關(guān)閉可能對當(dāng)?shù)毓练e通量變化造成了一定的影響，但影響較小?？偟膩砜矗聤W爾松地區(qū)的汞污染程度與瑞典、加拿大等環(huán)北極地區(qū)相當(dāng)，高于格陵蘭地區(qū)，但仍明顯低于美國等工業(yè)化較高的國家。結(jié)合生物地球化學(xué)指標(biāo)（如色素、硅藻含量等）以及有機(jī)質(zhì)類型的判別，并通

9、過定量計(jì)算，我們得出：在1970年之前，沉積物中的Hg主要來自人類源的排放，而1970年之后Hg的持續(xù)高值主要?dú)w因于湖泊藻類的“挖掘”效應(yīng)（占89.6-95.8％），人類源Hg的比例大大下降。同時(shí)，近表層樣品中甲基汞的含量顯著增加，高含量的Hg以及氧化還原環(huán)境是影響北極湖泊中Hg甲基化速率的重要因素。Pb同位素的結(jié)果表明該地區(qū)的Pb污染主要來自西歐和俄羅斯，新奧爾松當(dāng)?shù)孛旱V開采不是引起Pb污染的主要因素。泥炭層沉積物真實(shí)的反映了人類源P

10、b的大氣沉降歷史，揭示出該地區(qū)人類源Pb含量在20世紀(jì)60-70年代達(dá)到峰值，之后Pb含量與同位素比值的結(jié)果都表明人類源Pb顯著下降。然而，較長時(shí)間尺度的湖泊沉積記錄表明，表層樣品中的Pb含量仍然較高。對比分析結(jié)果表明一些對氣候變化敏感的過程（如流域侵蝕作用、地表融水徑流等）可能是引起高緯北極湖泊沉積物表層Pb污染的主要原因。
　　 3.南極湖泊生態(tài)環(huán)境對氣候變化的響應(yīng)
　　 對南北極湖泊沉積物中生物硅、有機(jī)質(zhì)等環(huán)境指標(biāo)

11、進(jìn)行了分析，并在對比研究的基礎(chǔ)上，認(rèn)為生物硅含量的變化能有效指示湖泊古初級生產(chǎn)力的大小，是研究南極湖泊沉積生態(tài)環(huán)境記錄的理想替代性指標(biāo)。我們運(yùn)用多指標(biāo)分析（包括干酪根中C、N、S、H含量、生物硅、氨基酸以及巖石熱解分析中指示藻類生產(chǎn)力的指標(biāo)S2）對東南極莫愁湖湖泊沉積物進(jìn)行了分析，重建了最近3000年來莫愁湖湖泊初級生產(chǎn)力的變化；結(jié)果表明，莫愁湖湖泊初級生產(chǎn)力出現(xiàn)4段低值期，分別對應(yīng)于距今2400-2200年、1800-1600年、14

12、00-1200年以及800-150年。在這四段時(shí)期，莫愁湖藻類生產(chǎn)力顯著降低，生物硅以及氨基酸含量減少，有機(jī)質(zhì)積累量下降，湖泊生產(chǎn)力低下。并利用氫同位素、C/S比值和磁化率等指標(biāo)，恢復(fù)了湖泊的水動力狀況和湖區(qū)的氣候變化（如新冰期和小冰期等氣候事件），并與整個(gè)東南極地區(qū)進(jìn)行了區(qū)域?qū)Ρ取⒑瓷a(chǎn)力與氣候指標(biāo)以及文獻(xiàn)記錄的對比發(fā)現(xiàn)，莫愁湖湖泊生態(tài)對氣候和環(huán)境變化產(chǎn)生明顯的響應(yīng)。
　　 4.環(huán)南極重金屬沉積記錄及對比研究
　　

13、 對環(huán)南極地區(qū)（包括西南極阿德雷島、拜爾斯島、東南極羅斯島和拉斯曼丘陵地區(qū)）的8個(gè)沉積物剖面（包括湖泊、泥炭層和糞土沉積物）的重金屬含量進(jìn)行了初步的對比研究，并通過三種污染評價(jià)指標(biāo)（富集系數(shù)EF、地質(zhì)積累指數(shù)Igeo，和校正污染程度mCd），計(jì)算了各剖面的重金屬污染程度；與環(huán)境介質(zhì)（如土壤、巖石、生物糞和苔蘚）的對比分析，發(fā)現(xiàn)影響不同剖面重金屬污染的因素包括基巖背景、生物糞輸入和人類源大氣沉降等。利用沉積物質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(SQG)初步評價(jià)了N

14、i、Zn、Cu、Cd、As、Pb、Hg和Cr元素的生態(tài)效應(yīng)。結(jié)果表明典型生物糞土層中重金屬污染較嚴(yán)重。Zn、Hg、Pb和As沒有達(dá)到污染效應(yīng)發(fā)生的最低范圍，另外一些金屬元素如Ni、Cu、Cd和Cr等在某些剖面中已經(jīng)達(dá)到發(fā)生生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的水平，這與海鳥糞的大量輸入和當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)背景值高有關(guān)。
　　 5.晚全新世南北極生態(tài)環(huán)境演變對比研究
　　 北極高緯度地區(qū)與中國等中緯度地區(qū)的氣候變化趨勢一致，即經(jīng)歷了“暖期一冷期一暖期”。其中

15、“中世紀(jì)暖期”、“小冰期”和20世紀(jì)之后的氣候變暖表現(xiàn)的尤為突出，雖然由于緯度以及所選用的替代性指標(biāo)對氣候變化響應(yīng)的靈敏性不同，所恢復(fù)出的各個(gè)地區(qū)的氣候變化在時(shí)間和變化程度上不完全一致，但它們總體上都反映了北半球相似的氣候變化趨勢。南極和北半球的氣候變化趨勢和持續(xù)的時(shí)間并不完全一致，南極各個(gè)地區(qū)全新世以來氣候變化如放大效應(yīng)和出現(xiàn)時(shí)間有顯著的區(qū)域差異。我們對南北極湖泊沉積序列重建結(jié)果表明，南北極湖泊生態(tài)壞境（包括湖泊生產(chǎn)力、氧化還原環(huán)境等