西风区湖泊沉积物中砷元素对气候环境变化的响应研究——以新疆巴里坤湖为例

陈永强，钟 巍，2* ，谭玲玲，魏志强

(1.华南师范大学地理科学学院，广州510631;2.新疆大学绿洲生态教育部重点实验室，乌鲁木齐830046)

巴里坤湖位处我国西风区与季风区的过渡地带，受现代季风和西风环流的影响强烈. 巴里坤盆地地形封闭，受人类活动影响少，是我国西风区古气候环境研究的理想区域.根据不同的代用指标，全新世以来巴里坤湖气候演变的研究已取得大量成果［1－4］.

砷是一种有毒的微量元素，在自然界中丰度排在20 位.微量的砷可促进人体新陈代谢，积累到一定量对人体会造成危害.自然界中单质砷极少，主要以化合物的形式吸附于金属矿物的氧化物或氢氧化物中.地表的砷含量比水中的砷含量要高.

本文根据已获得的巴里坤湖全新世气候演变记录，结合湖泊沉积物中砷元素的变化，探究巴里坤湖沉积物中砷元素可能的主要来源;研究砷元素变化对古气候环境演变的响应及其对全新世气候突变事件的指示作用;探究不同气候环境条件下砷元素的沉积速率的变化.

1 研究区域与方法

1.1 研究区概况

巴里坤湖(43°36'～43°43'N，92°43'～92°51'E)，古称蒲类海，位于新疆巴里坤县西北18 km 外的巴里坤盆地内(图1). 盆地位于天山东段巴里坤山与北部莫钦乌拉山之间，东部有现代砂山.巴里坤湖是一个封闭的高原咸水湖，流域面积约4 500 km2，海拔1 585 m，东西宽约9 km，南北长约13 km，大致呈椭圆形.巴里坤湖历史上最大时达到850 km2，现存湖面约116 km2，其中水域不足60 km2.东部为现存水域，水深约0.6 m;西部出露，富存芒硝.入湖河流主要发源于南北两侧的山脉，依靠冰雪融水补给为主，流程短，流量少.现代巴里坤湖地区气候干燥，年降水量为202 mm，而年蒸发量高达1 638 mm;年平均气温1.1 ℃，1月平均气温－18.6 ℃，7月平均气温16.9 ℃.

1.2 样品与方法

BLK-1 剖面为人工开挖剖面，位于巴里坤湖中部(图1).采样深度为250 cm，距离底部20 cm 处以3 cm 间距取样，其余部分以1 cm 间距取样，共得样品236个.剖面以3 ～5 cm 为间距，共采集7个14C年代样品，并由兰州大学14C 实验室进行全有机年龄测定(表1). 剖面地化元素实验数据由南京师范大学地质实验室完成.从所得的236个样品当中选出114个双号样品，先风干研磨，再用孔径为0.075 mm 的筛子筛选，最后压制成片，采用X 射线荧光光谱仪进行化学全量分析.

图1 巴里坤湖及研究剖面位置Figure 1 Study area and location of sediment core in Barkol Lake

表1 巴里坤湖BLK-1 剖面测年数据Table 1 Radiocarbon data of BLK-1 section

巴里坤湖属于我国干旱区的封闭湖泊，湖泊与外界物质、能量交换少，加上蒸发量大，湖水盐度高且呈碱性，导致沉积物的14C 测年会受碳库效应的影响，为了得到准确的真实年龄，就要对所得的14C年龄数据进行碳库效应校正.常用方法有:(1)同一测年方法下不同指标的年代对比:如同一深度陆源残体与全样有机质或水生残体的年龄差作为碳库年龄［5］.(2)不同测年方法的年代对比:如210Pb年代与14C年代和光释光测年与放射性碳年代，两者差值作为碳库年龄［6－7］.(3)对具有良好线性关系的14C 测年数据与其对应深度作线性回归，以年代轴的截距作为碳库年龄［8］. (4)将湖泊表层沉积样品的全有机测年数据作为碳库年龄［9］. BLK-1 剖面中沉积速率的变化接近于线性(图2)，假设碳库效应的影响在剖面上保持不变，利用线性回归方法计算出表层沉积物的年龄约为750年，近似看作是“碳库效应”对沉积物年龄的影响.而韩淑媞和瞿章［10］认为巴里坤湖沉积物碳库效应影响年龄约为740年，与上述结果基本符合.因此，本文以750年作为碳库效应值进行计算，得出BLK-1 剖面最底部的年龄约为9 000 cal a BP.

图2 BLK-1年代－深度变化图Figure 2 Relationship between age and depth in BLK-1 profile

2 结果与讨论

2.1 砷元素的来源探讨

上陆壳(UCC)和下陆壳(LCC)中的砷元素平均含量分别为2.0 μg/g 和1.3 μg/g［11］. 对于巴里坤湖沉积物中砷元素来源的探讨，不仅对探究湖泊沉积物的来源有重要意义，还促进对巴里坤湖古气候环境演变的研究.基于巴里坤湖独特的环境条件，湖泊沉积物中砷元素可能的主要来源如下:(1)大气沉降.巴里坤湖身居内陆，远离海洋，长距离的输送使得最终到达研究区的水汽稀少，多年平均降水量仅为202 mm.Smedley 和Kinniburgh［12］的研究表明，海水中的砷浓度通常仅为1.5 μg/L，而BLK-1 剖面中砷元素平均含量为3.4 μg/g.因此砷元素主要来自大气沉降的可能性小. (2)入湖河流对地表的侵蚀和搬运.注入巴里坤湖的河流主要发源于巴里坤山北坡和北山南坡，流程短且年径流量小，主要补给来源于山地冰川及积雪融水. 受限于河流的流程短及流量少，因此河流对陆壳的侵蚀较少且无法将可能多的碎屑物质搬运至湖泊中进行沉积. (3)风力搬运的湖泊基岩碎屑物. 巴里坤湖受西风环流影响显著.区域温度高，温差大，风力强，当地物理风化强烈，干旱期尤为突出.强烈的物理风化作用使得湖泊周边基岩破碎，大量的碎屑物质经由风力搬运进入湖泊.加上巴里坤盆地地形封闭，因此砷元素主要来源于湖泊周边基岩可能性最高.

2.2 砷元素对环境演变的响应

通过14C 测年建立了巴里坤湖沉积剖面约9 000 cal a BP 以来的时间序列. 结合湖泊沉积物中的多重代用指标，获得了近9 000年来巴里坤湖气候演变历史(表2). 在过去的9 000年巴里坤湖地区以干旱的气候环境条件为主，并呈现干湿交替的气候演变过程.

表2 巴里坤湖近9 000年来气候演变历史Table 2 9 000 years climate evolution of Barkol Lake

结合已获得的巴里坤湖气候演变历史及砷元素变化(图3)，分析可得:9.0 ～7.6 cal ka BP 气候干旱，气温较低，此阶段后期气候由干旱向湿润条件过渡.这一时期砷元素含量较高，平均含量为3.0 μg/g，后期随着气候的逐渐湿润而逐渐减少;7.6 ～6.0 cal ka BP 气候湿润，温度较上一阶段有所上升而显温凉.这一阶段内砷含量整体偏低，平均含量仅1.7 μg/g.7.1 ka BP 前后砷元素出现了显著峰值，表明这一时期内出现了百年尺度的气候突变事件;6.0 ～3.2 cal ka BP 气候环境由湿转干，气候波动频繁且剧烈.在此阶段，砷含量较前一时期有明显增加，波动变化明显，最高可达10.2 μg/g，最低仅为0.1 μg/g;3.2 ～1.4 cal ka BP 气候较为温暖湿润，后期逐渐由湿润向干旱转变. 在此阶段内，砷含量较低，出现谷值，平均含量1.9 μg/g;1.4 ～0 cal ka BP 气候持续变干，温度下降明显. 冷干的气候环境下，砷元素含量持续上升，由最低的3.0 μg/g 上升到最高的10.9 μg/g，平均含量为7.8 μg/g，远高于前一阶段气候湿润时期.近500年以来，砷元素含量出现小幅下滑，但仍处于高值，平均含量超过9 μg/g.这是由于这一时期内气候环境持续干旱，温度有所上升，气候由冷干向凉干转变.近9 000年，巴里坤湖经历了3 次干旱时期，而1.4 ka BP 以来，砷元素含量明显比之前的干旱时期高，可能与区域的人类活动有关.

图3 BLK-1 剖面砷元素、碳酸钙、δ13C、有机碳同位素、δ18O 与腐殖化度变化Figure 3 Variations of As，CaCO3，δ13C， δ13Corg，δ18O and DH in BLK-1 profile

冷干的气候环境下，巴里坤湖沉积物中砷元素含量较高，平均达5 μg/g;温凉的环境下，砷元素含量有所降低;而湿润时期，砷元素平均含量最低，仅为1.7 μg/g.表明砷元素变化对气候演变具有良好的指示意义. 而Zhou 等［13］等对于中国东部石笋中砷元素的研究表明，在季风区，暖湿的气候条件下，强烈的地表土壤风化释放更多的砷元素，喀斯特地下水中金属氧化物对于砷的吸附也更强. 砷元素含量的低值指示冷干的气候环境，反之亦然. 因此，不同的气候环境下，砷元素的指示意义也有所不同.

2.3 砷元素指示的气候突变事件

巴里坤湖中不同的代用指标具有不同的指示意义.δ13C 和碳酸钙的含量可以反映区域的温度变化，当两者含量越高，指示温度越高，反之亦然;而有机碳同位素、δ18O 和腐殖化度则对气候的干湿程度具有良好的指示意义. 有机碳同位素、δ18O 的含量值越高，表明气候越干;而干旱的条件下，腐殖化度则会处于低值.结合巴里坤湖砷元素及其他气候代用指标，发现砷元素对近9 000年的气候突变事件具有指示意义(图3).

(1)8.2 ka BP 冷事件. 砷元素在8.2 ka BP 前后出现明显的峰值，随后呈下降趋势.表明在这一时期内巴里坤湖的气候环境干冷，并向暖湿条件过渡;沉积物中指示温度变化的δ13C 和碳酸钙均出现谷值，指示低温的气候环境. 同一时期内，艾比湖泥炭中孢粉浓度较高，而碳氧同位素及Bb/Sr 指标偏低，指示强烈的冷湿事件［14］;8.7 ～8.1 ka BP，青海湖沉积物的红度记录明显减少，表明气候干旱寒冷［15］;8.2 ka BP 前后，长江流域的宁镇山区的古洪水频率降低，表明气候寒冷［16］. 此外，8.2 ka BP 冷事件在极地冰芯和海洋沉积物也得到了验证［17－18］.

(2)7.1 ～7.3 ka BP 冷事件.8.0 ～6.2 ka BP 巴里坤湖地区属于气候湿润期，沉积物中砷元素含量总体较少，但在7.1 ～7.3 ka BP 期间砷元素含量出现了明显峰值，表明这个时期内出现了百年尺度的冷干事件;碳酸钙含量的最低值出现这一时期，指示低温环境;δ13C 的含量值则出现由低向高的递增趋势，表明这一时期虽然气温较低，但逐渐转暖.敦德冰芯的δ18O 显示在7.2 ka BP 出现强烈降温事件［19］;程捷等［20］对黄河源区的粘土矿物研究发现，粘土矿物记录了发生在约7.0 和5.0 ka BP的2 次降温事件;在7.2 ka BP 前后，蒙古北部Gun Nuur 湖泊沉积物中磁化率处于明显低值，指示寒冷的气候时期［21］.

(3)5.5 ～5.8 ka BP 干旱事件. 砷元素含量在此阶段达到新的高值，指示该时期为明显的干旱时期;有机碳同位素的变化趋势与砷元素一致，在5.6 ka BP 前后出现了明显的峰值，指示干旱的气候环境;δ18O 在此区间明显突出，并在平均值以上，表明气候干旱;此外，腐殖化度的低值也指示了干旱的气候环境.这个干旱事件与李志飞等［22］指出的中全新世干旱事件和韩淑媞［23］指出的新暖干期一致.阿拉善高原湖泊沉积物中孢粉浓度在5.5 ka BP 较低，其中95%属于耐旱生花粉［24］. 艾比湖、玛纳斯湖等地的沉积物均对这一事件有清楚记录［14，25－26］.

(4)4.0 ～4.2 ka BP 干旱事件.6.0 ～3.2 ka BP属气候暖干期，但气候波动明显. 砷元素在4.0 ～4.2 ka BP 出现小峰值，表明在这个时期内出现干旱事件;4.1 ka BP 前后，沉积物的腐殖化度出现明显谷值，同样验证干旱事件的存在.4.2 ka BP 前后，西藏错鄂湖沉积物中褐腐泥层发育，硫化铁的含量较高，表明当地气候干旱［27］;而和尚洞的石笋氧同位素记录也对这一干旱事件有清楚记录［28］.结合我国的考古研究发现，这一气候突变事件对我国古文明的发展有着深刻影响［29－32］.世界范围内，非洲乞力马扎罗的冰芯记录［33］和美国西弗吉尼亚洞穴沉积物的氧同位素记录［34］在4.3 ～4.1 ka BP 均有类似干旱事件记录. Bond 等［35］对北大西洋冰漂岩屑研究发现，4.2 ka BP 存在指示干旱气候的冰筏事件.

沉积物中砷元素的变化很好地对应了全新世具有普遍意义的气候突变事件，进一步肯定了砷元素对于气候演变的指示意义.基于砷对冷、干气候事件的良好指示作用，表明在冷干的气候条件下，砷元素可能较其他元素更为敏感.

2.4 砷沉积速率突变探讨

自然界中，单质砷极少，多吸附于铁、铝等金属的氧化物和氢氧化物上. 结合巴里坤湖沉积物中铁和铝氧化物的含量与砷元素含量变化发现，砷元素的变化趋势与两者大体一致(图4)，相关系数分别达到0.413 和0.441(图5)，具有较强的相关性. 表明砷元素与其他物质一样，主要来源于湖泊基岩，经物理风化后由风力带入湖泊进行沉积.对比发现，气候暖湿时期，砷与铝、铁氧化物的沉积速率较为一致;但在冷干时期则差异较大.9.0 ～8.0 ka BP 和6.0 ～3.2 ka BP 属于冷干时期，铝、铁氧化物的沉积速率保持一致，但砷的沉积速率明显增大.导致这样的可能原因有以下2 点:(1)干冷条件下，砷比其他元素更敏感.砷沉积速率的变大均发生在气候干冷时期，这可能是由于砷在干冷条件下释放得更多更快，但这一推论还需相关的研究佐证.(2)砷元素来源增多.巴里坤湖沉积物物质主要来源于周边基岩，沉积速率应较为一致，而干旱时期砷沉积速率的突变，可能暗示着干旱时期砷除了来自周边基岩，还有其他来源，导致砷含量的增大.

巴里坤湖所处巴里坤盆地属于高砷地下水区.在干旱或半干旱区的内陆或封闭盆地，易于形成还原环境，有利于水中砷元素的释放.加上含水层水流动较弱，易于形成高砷地下水［36］.9.0 ～8.0 ka BP和6.0 ～3.2 ka BP 期间，研究区气候干冷，冰雪融水及河流补给减少，导致巴里坤湖湖面缩小.湖泊水量的减少可能导致深层的高砷地下水补给增多，进而导致砷元素沉积的异常增多. 这一推断需要对当地地下水的补给及可能的砷元素的来源进行深入研究来论证.近1 500年以来，巴里坤湖地区属于气候干旱期，但是砷元素与铝、铁氧化物的沉积速率差异并不如前2个干旱时期显著，这可能与当地人类活动对地表的改造及开矿冶炼等活动密切相关.

图4 巴里坤湖砷与铁、铝氧化物含量变化曲线Figure 4 As，Iron oxides and Aluminum oxides in Barkol Lake

图5 巴里坤湖砷与铁、铝氧化物相关性Figure 5 Correlation among arsenic， aluminum and iron oxides in Barkol Lake

3 结论

结合巴里坤湖沉积物中砷元素含量变化及其过去9 000年气候演变历史进行分析，通过与其他指标的对比和验证，表明砷元素有效地响应气候环境演变.冷干的气候环境下，砷元素含量较多;暖湿时期则相对少. 此外，砷元素的变化很好地指示了8.2、7.1 ～7.3、5.5 ～5.8 和4.0 ～4.2 ka 等4个全新世的气候突变事件.砷元素对冷、干气候突变事件的指示及其在冷干条件下沉积速率的增大，可能与在冷干条件下砷元素较其他元素更为敏感有关. 砷元素对于气候的指示意义为我国干旱区的气候演变的研究提供新的思考，但不同研究区域和不同载体的研究仍存有较大的空白.随着对砷元素的性质、来源及迁移等方面的深入研究，人类活动对于砷元素迁移的影响及对现代砷污染的防治的研究将更深入.

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