新疆巴里坤湖全新世湖泊沉积物稳定氮同位素的气候与环境意义研究

钟 巍， 张 进， 尹焕玲， 薛积彬， 曹家元， 唐晓宏

(1.华南师范大学地理科学学院，广东广州 510631；2. 新疆大学资源与环境学院，乌鲁木齐 830046)

新疆巴里坤湖全新世湖泊沉积物稳定氮同位素的气候与环境意义研究

钟 巍1*， 张 进2， 尹焕玲1， 薛积彬1， 曹家元1， 唐晓宏1

(1.华南师范大学地理科学学院，广东广州 510631；2. 新疆大学资源与环境学院，乌鲁木齐 830046)

选择位于西风环流显著影响的新疆巴里坤湖作为研究对象，结合对位于湖心部位的人工开挖剖面的多指标(包括有机碳同位素(δ13C)、有机质含量(OM)和碳氮比(C/N))的对比分析和验证，发现该湖泊沉积物的δ15N记录较好地响应了过去9 400年以来气候环境的变化，依据其波动变化特征划分出以下阶段：9 400～7 300 cal. a BP期间，气候状况较为干旱且不稳定；7 300～5 900 cal. a BP期间，气候相对湿润；5 900～3 100 cal. a BP期间，气候环境由湿转干；3 100～1 100 cal. a BP期间，气候特征由相对湿润转向干旱；但在1 100～0 cal. a BP期间偏高的δ15N值，可能受到了人类活动的影响．本研究表明，巴里坤湖沉积物δ15N记录对于恢复研究区全新世气候与环境变化的特征与历史等方面具有较好的应用潜力和前景．

巴里坤湖； 稳定氮同位素； 全新世； 气候指示意义

地球系统中的稳定氮同位素变化幅度较大，但大多数含氮物质的δ15N值集中于-10‰～20‰之间，而一些极端值的出现则可能是由于极端环境或环境突变造成的[1]．稳定氮同位素有独特的示踪作用，对于表生地球化学环境变化的响应非常敏感，可以用来示踪有机质和污染物的来源[2-9]，为气候环境变化的研究提供了一条新的线索[10-12]，因此，δ15N在古气候环境演变研究中日益得到普遍重视和广泛应用．然而，由于含氮物质的多源性[13]、复杂的分馏机制[14]、无机氮输入以及湖水的垂直混合等作用都会影响稳定氮同位素的变化，这无疑增加了对δ15N记录的环境指示意义解释的困难性．迄今为止，在我国利用干旱区湖泊沉积物δ15N对古气候环境演变历史的研究是非常薄弱的．本研究选择位于新疆东疆北部受西风环流影响显著的、前期已有很好研究基础的巴里坤湖[15-26]为研究对象，重点针对该湖泊沉积物δ15N记录的气候环境指示意义进行探讨．

1 研究区概况

巴里坤湖(43°36′～43°43′N，92°43′～92°51′E)(图1)是巴里坤盆地中的一个封闭性高盐度湖泊，湖内浮游植物种类少，卤虫密度大，湖泊底质大部分是结晶态茫硝．该湖泊平均海拔高度为1 580 m，流域面积约4 514 km2，现湖面面积不足90 km2，平均水深0.6 m．巴里坤盆地周围被巴里坤山、莫钦乌拉山和海西山等山脉包围．盆地西宽东窄，地势东高西低，是水汽的天然入口．区内河流主要发源于巴里坤山北坡和北山南坡，以冰川及融雪补给为主，年径流量小，流程短促，为典型的温带大陆性气候区，受西风环流影响显著．现代记录的气候资料显示巴里坤盆地的气候主要表现为暖干和冷湿的西风型水热组合模式[20](图2)．

图1 巴里坤湖区域气候背景

图2 巴里坤湖地区现代气象要素变化曲线

2 材料与方法

2004年8月，在巴里坤湖中心位置开挖了一个250 cm深的人工剖面(命名为BLK-1剖面，43°42′N，92°50′E；图3)，按照剖面底部20 cm段以3 cm间距和之上部分以1 cm间距连续取样，共取得样品236个．野外用塑料袋密封包装后运回实验室．有机碳和氮稳定氮同位素测试的样品先经10%的稀盐酸处理，以去除样品中的碳酸盐物质，之后用蒸馏水洗涤至中性，低温烘干后研磨样品过500 μm筛后，取各约2 mg样品用于有机碳和氮同位素的测定．测试采用熔封石英高温燃烧法[27]．有机碳同位素在中国科学院兰州地质所气体同位素国家重点实验室测定，分析精度为0.1‰；氮同位素在西南大学地理科学学院测定，氮同位素以δ表示，以大气氮为参考标准，分析精度为0.2‰．总有机碳(TOC)和氮(TN)运用CE Model 440 元素分析仪测定．有机质含量(OM)采用常规的重铬酸钾-硫酸氧化滴定法，测定误差小于0.2%．

图3 巴里坤湖BLK-1剖面位置

3 结果与分析

3.1 年代序列的建立

针对BLK-01剖面共采集了7个14C年代样品，兰州大学西部环境教育部重点实验室进行了全有机质年龄测定，采用半衰期5 568 a计算年代，结果见图4和表1．应用Calib 6.0程序进行年代校正，考虑了该湖泊的碳库效应(750 a)[21-22]，按沉积速率计算出该剖面底部年龄为9 400 cal. a BP(图4)．

表1 巴里坤湖BLK-1剖面测年结果Table 1 Radiocarbon dating results of BLK-1 section in Balikun Lake

图4 巴里坤湖BLK-1剖面沉积特征和年代-深度关系

3.2 δ15N的变化特征

BLK-1剖面中δ15N波动于6.0‰～22.9‰之间，变幅达16.8‰，平均值为12.0‰(图5)．整体来看，剖面中δ15N波动剧烈，且阶段性特征明显：在250～196 cm段(9 400～7 300 cal. a BP)，δ15N在平均值以下剧烈波动；197～160 cm 段(7 300～5 900 cal. a BP)，δ15N总体保持相对高值，尤其是在191 cm 处(7 100 cal. a BP)达到全剖面的最高值22.9‰；159～86 cm段(5 900～3 100 cal. a BP)，δ15N变化剧烈，其值呈现出先高、后低、再高的变化过程；85～34 cm 段(3 100～1 100 cal. a BP)，δ15N在波动中下降；34 cm以上段(1 100～0 cal. a BP)，δ15N上升态势明显．

图5 BLK-1剖面δ15N的变化曲线

4 讨论

4.1 δ15N的气候环境指示意义

稳定氮同位素的影响因素主要有：第一，有机质来源和湖泊生产率．一般来说，湖中浮游植物吸收湖水硝酸盐使δ15N升高到8.0‰，陆生植物主要利用大气中的氮气，其δ15N平均值约1.0‰，人类活动等外源输入的氮负荷使δ15N增大[28]．此外，初级生产力高的湖泊稳定氮同位素分馏相对较弱，通常δ15N从贫营养湖泊到富营养湖泊逐渐增加[28-29]．第二，稳定氮同位素分馏效应．稳定氮同位素主要有物理和化学两种分馏效应，物理分馏效应与冻结融化、蒸发凝结、吸附扩散等有关．化学分馏效应可以在无机的(氮溶解和氨挥发等)和生物化学反应过程中(如固氮、同化、矿化、硝化和反硝化作用等)发生[30]，通常固氮以及硝化作用会使得15N贫化，而同化、矿化、反硝化和挥发作用则使得重氮易于富集．需要注意的是，这些影响过程在现实中对δ15N含量的影响是较为复杂的．第三，湖泊面积变化与湖水的垂直混合作用．一般当湖水水位高，湖泊分层稳定，湖水缺氧，反硝化作用明显，湖水垂直混合弱，浮游生物无选择地吸收利用N，并同化和埋藏14N，使沉积物中δ15N值较高[31]．反之湖水水位低时δ15N下降．第四，人类活动的影响．化学合成氮肥、豆科作物以及化石燃料和废水的排放等会提升δ15N水平．除此之外，大气氮沉降、生物固氮和流域输入等无机氮也会对沉积物δ15N有重要影响[31]．在上述因素的影响下，一般在湿润期，随着入湖的有机质含量增多，湖泊生产力会提高，同时湖泊高水位会使得湖泊垂直交换减弱，湖中溶解无机氮(DIN)含量下降，在贫氧条件下生物的反硝化作用会占主导，这可以导致沉积物中较高的δ15N值；反之，在干旱环境下，湖泊周围流域植被不发育，入湖的有机质含量较少，湖泊生产力降低，同时干旱环境下增强的蒸发作用使得湖泊垂直混合作用加强，从而使湖中DIN含量上升，在这种相对富氧条件下生物的硝化作用将加强，致使沉积物中δ15N值降低．因此，δ15N的高值一般可以指示湿润环境，而低值则反映干旱气候环境．需要强调的是，由于不同区域有着不同的气候环境背景，因此对δ15N的具体影响因素必须结合特定的区域背景以及综合多气候代用指标来进行分析．

一般来说，气候温暖湿润时期，湖泊流域周边和湖水中的生物生长旺盛，可以使较多的有机质随入湖水流进入湖泊．另外较高的湖泊水位可以导致湖水垂直交减弱，易于有机物质的保存从而沉积物中有机质含量较高，而干旱条件下则相反．δ13Corg和C/N值可用于指示有机质的来源．陆生C3植物δ13Corg值较低，约-21.0‰～-35.0‰，均值为-28‰；C4植物δ13Corg为-9.0‰～-20.0‰，均值约-14.0‰．前期已有研究表明[26]，巴里坤湖地区偏重的有机碳同位素(δ13Corg)可以指示相对干旱环境条件，而偏轻的δ13Corg则是湿润环境的体现．陆生植物C/N一般高于10，在水生植物中变化于4～10之间，而在高等植物中甚至能够大于50．但是在某些浮游生物占主导的湖泊沉积物中也发现了C/N高于10、甚至可以大于20的现象[32]，究其原因主要有：一方面由于有机质发生降解作用时N优于C矿化，从而使C/N升高；另一方面可以由于藻类的吸收利用而使得水体中氮元素减少．而本文中高的C/N(均值为32.76)可能与此有关，但详细原因仍有待深入研究．由图5可见，BLK-1剖面中OM含量随深度呈现显著的降低趋势，这说明OM受早期成岩过程中有机质降解作用较明显[33]．为了去除有机质降解对OM的影响，我们对OM指标进行了去趋势化处理(OMdetrended)，具体方法参见文献[34]．

根据δ15N变化特征，可以将近9 400年来巴里坤湖气候环境演化的历史划分为5个阶段(图6)，这种划分方案得到了δ13Corg、OMdetrended和C/N指标的支持和验证．

阶段1(9 400～7 300 cal. a BP)：δ15N显著偏负，大多都在平均值以下变化，这可能与湖泊水位下降、垂直混合作用加强、湖水中DIN含量上升和生物的硝化作用显著有关．δ15N与δ13Corg呈现较为明显的反相关关系，而与OMdetrended的波动特征基本一致．此时C/N<10，表明此时湖泊有机质主要以内源为主，δ13Corg变化幅度大并且明显偏正，OMdetrended水平较低，且出现3次较大的波动，表明气候状况并不稳定，上述都暗示了相对的干旱气候条件．尤其值得注意的是，δ13Corg所呈现的高值脉冲现象，则有可能与由于风沙活动而导致的外源有机质的输入有关．相关研究有待进一步开展．

图6 巴里坤湖BLK-1剖面δ15N、δ13Corg、OMdetrended和C/N的变化曲线及各指标的平均值

Figure 6 Variations of δ15N，δ13Corg，OMdetrended, and C/N ratio and their mean values of BLK-1 section in Balikun Lake

阶段2(7 300～5 900 cal. a BP)：δ15N保持相对较高的水平，可能与湖泊高水位、减弱的湖水垂直交换和生物的反硝化增强有关，暗示了此阶段相对湿润的气候特征．其中，在7 300～6 400 cal. a BP期间，δ15N在平均值之上波动，C/N急剧升高，说明此时有机质来源由内生转为外源输入，而逐渐上升的OMdetrended和偏负的δ13Corg值，都指示此阶段气候相对湿润．在7 100 cal. a BP前后，δ15N达到过程全剖面最高值22.9‰，OMdetrended也达到峰值，而δ13Corg却降至全剖面最低值．多指标的变化共同指示了此时期显著的湿润特征．

阶段3(5 900～3 100 cal. a BP)：虽然δ15N波动和缓，却呈现出较为明显的阶段性变化特征．5 900～5 000 cal. a BP期间，δ15N平均值高于早全新世．相对较高的δ15N值指示此时期气候较湿润．而在5 000 cal. a BP前后，δ15N快速下降，暗示气候快速转干．之后，δ15N保持缓慢上升状态，直到3 100 cal. a BP前后，δ15N达到全剖面次高值17.9‰．据此推断，此阶段气候的湿润程度较全新世早期高．δ15N记录与δ13Corg、C/N和OMdetrended在此阶段中有较好的对应关系(图5)，题目共同指示了气候由湿润转干旱、再转湿润的变化过程．

阶段4(3 100～1 100 cal. a BP)：δ15N值整体较高，结合呈上升趋势的OMdetrended和偏负的δ13Corg值，反映了总体相对湿润的气候特征．较为显著的湿润期出现在3 100～2 100 cal. a BP期间．但在此阶段后期中，δ15N在波动中下降，尤其在2 100～1 100 cal. a BP期间，δ15N降到平均值以下波动，这可能与风力增强后导致的外源有机质输入增多有关．

阶段5(1 100～0 cal. a BP)：虽然δ15N较高，并保持上升状态，但是C/N处于低值，结合OMdetrended的下降趋势和显著偏正的δ13Corg值，它们都显示出干旱的环境特征，这与前人的研究结果一致[17-24]．δ15N与其他指标的不一致性，可能表明与此期间增强的人类活动致使土壤以及湖泊中氮素发生改变有关．

通过上述对比分析，我们认为巴里坤湖沉积物δ15N记录较好地响应了全新世区域气候的干湿变化，而多指标的对比和验证表明我们对δ15N气候指示意义的解译是合理的，即：相对的偏正和偏负值的δ15N分别反映了较为湿润和干旱的气候特征．

4.2 区域气候对比分析

钟巍和韩淑媞[20]通过对巴里坤湖A孔剖面进行综合分析，揭示出7 000 a BP前后为高温湿润期、5 000 a BP短暂冷期和2 310～1 200 a BP之后趋向干旱化期等气候期．李志飞等[21]认为巴里坤湖地区8 700 cal. a BP以前的全新世早期，气候干旱;8 700～2 400 cal. a BP，气候较为湿润;2 400 cal. a BP以来，气候转干．陶士臣等[22]认为巴里坤湖地区16 700～7 900 cal. a BP气候干旱，中全新世(7 900～4 300 cal. a BP)气候适宜，4 300～3 800 cal. a BP气候变干，晚全新世(3 800～530 cal. a BP)有效湿度较高，530 cal. a BP以来气候干旱．薛积彬和钟巍[23-24]研究发现：巴里坤湖地区的全新世气候环境变化大致经历了冷干(9 400～7 400 cal. a BP)——暖湿(7 400～5 900 cal. a BP)——暖干(5 900～3 100 cal. a BP)——凉湿(3 100～1 100 cal. a BP)——冷干(1 100～500 cal. a BP)——暖干(500 cal. a BP以来)的气候变化过程．蔡颖等[25]也揭示了大致相同的气候变化过程．由巴里坤湖所揭示的全新世气候环境变化的特征与新疆其他地区湖泊沉积记录的研究具有较好的一致性．南疆博斯腾湖的研究[35-36]表明，早全新世期间湖泊呈干涸状态，7 000～5 000 a BP气候暖湿，5 000～3 000 a BP气候干旱，3 000～2 000 a BP湿润，2 000 a BP以后气候干旱，其中在3 300 cal. a BP和1 500 cal. a BP气候湿润程度较高，湖水水位高．北疆玛纳斯湖[37]研究表明，9 500～6 000 cal. a BP气候偏干，中全新世早期气候温暖湿润，晚期气候转干，晚全新世湖泊过渡到盐化阶段．北疆乌伦古湖的研究[38]表明，在全新世早期约9 990～7 720 cal. a BP气候暖干，中全新世早期(7 630～5 250 cal. a BP)气候暖湿，而中全新世后期(5 250～3 640 cal. a BP)湖面有所下降；3 300～1 000 cal. a BP气候由冷干转为温湿．

对比表明，由湖泊沉积物δ15N记录所记录的巴里坤湖气候环境变化过程(即早全新干旱，中、晚全新世相对湿润)与上述湖泊的研究结果基本一致，也与亚洲中部干旱区全新世气候变化的一般模式[35]相吻合．本研究表明，巴里坤湖泊沉积物δ15N记录具有揭示气候环境变化过程和特征的很好潜力．

5 结论

通过对巴里坤湖BLK-1剖面沉积物的δ15N进行分析，并结合δ13Corg、TOC、C/N气候代用指标的对比和验证，对δ15N记录对过去气候环境变化的指示意义进行了探讨．研究表明，位于巴里坤湖沉积物δ15N记录对于重建全新世气候环境演变历史具有良好的应用潜力，它可以有效地指示区域干湿变化的特征与过程：其高值指示相对湿润、低值指示相对干旱的气候环境．但必须指出的是，由于影响湖泊沉积物有机质稳定氮同位素的因素众多，使得稳定氮同位素在古气候环境指示意义的解释中还存在多解性，这就要求我们在具体工作中要加强对研究区域现代沉积环境中稳定氮同位素变化机制的认识和了解，同时结合多种生物、物理和地球化学等气候指标的深入对比分析来进行更深入的研究．

致谢：常规14C测年由兰州大学西部环境教育部重点实验室完成，有机碳和氮同位素分别由中科院兰州地质研究所气体地球化学国家重点实验室和西南大学地理科学学院同位素实验室测定．对兰州大学张成君教授和曹继秀高级工程师，中科院兰州地质研究所杨辉博士和西南大学杨勋林教授、王建力教授的支持和帮助表示衷心的感谢．

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Keywords： Balikun Lake; stable nitrogen isotopes; Holocene; climatic implication

StudyontheClimaticandEnvironmentalImplicationofStableNitrogenIsotopesfromtheHoloceneLacustrineSedimentsinBalikunLakeinXinjiang

ZHONG Wei1*, ZHANG Jin2, YIN Huanling1, XUE Jibin1, CAO Jiayuan1, TANG Xiaohong1

(1.School of Geographical Sciences，South China Normal University，Guangzhou 510631，China;2.College of Resource and Environment Sciences, Xinjiang University, Urumqi 830046，China)

The significance of climatic implication of the sediments nitrogen isotopes from Balikun Lake, which is located in typically westerly-influenced northeastern Xinjiang, is studied in this paper. Values of δ15N values of a 250 cm-deep section which is located at the center of the lake, fluctuate from 6.0‰ to 22.9‰ with an average value of 12.0‰. Supported by multi-proxy records including bulk organic carbon isotopes (δ13Corg), organic matter content (OM), and the ratio of TOC and total nitrogen (C/N), higher δ15N values could reflect relatively wet conditions, whereas lower δ15N suggests relatively dry conditions is inferred. Based on the δ15N record, five climatic periods in the past 9 400 years could be identified, i.e., relatively dry conditions from 9 400 cal. a BP to 7 300 cal. a BP; relatively wet conditions between 7 300 cal. a BP and 5 900 cal. a BP; relatively dry period between 5 900 cal. a BP and 3 100 cal. a BP; a wetter period from 3 100 cal. a BP to 1 100 cal. a BP, and after 1 100 cal. a BP, strengthened human activity may exert strong influence on nitrogen isotopes. The results indicate that the nitrogen isotopes bear valuable potential to indicate past climatic changes in the westerly-influenced arid Xinjiang, NW China.

2013-09-18

国家自然科学基金项目(49761007)；新疆大学绿洲生态教育部重点实验室基金项目(XJDX0201-2008-02)；兰州大学西部环境教育部重点实验室开放基金

*通讯作者:钟巍，教授，Email:dl06@scnu.edu.cn.

1000-5463(2013)06-0182-07

P426.61+2

A

10.6054/j.jscnun.2013.09.024

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