全新世古环境反演研究的前提是环境信息记录载体的选取以及环境代用指标及其指示意义的建立.在众多全新世环境变化信息记录载体中, 泥炭因其沉积序列良好、分辨率高、易于测年、分布范围广、沉积速率较快、沉积环境与过程稳定、气候代用指标多等优点, 而受到国内外研究学者的关注^[1-3].近年来, 广大学者通过对泥炭腐殖化度、孢粉、有机质、稳定同位素、元素地球化学等多指标分析, 在重建全新世古气候环境方面取得丰硕成果^[411].其中对泥炭元素地球化学行为的研究, 特别是元素的分布特征以及迁移转化规律, 日益受到人们的重视. Damman等^[12]通过对雨养型泥炭元素的分布和迁移性研究, 发现Ca、Al、Fe、Mn是非迁移性的, 而K、Na和Mg是迁移性的. Weiss等^[13]研究森林沼泽泥炭, 发现泥炭芯中Al、Fe、Si、Ti的分布受大气尘埃中矿物质的影响, 其在剖面中的峰值意味着大气尘埃沉降量的增加.在国内, 赵红艳等^[14]通过分析长白山全新世泥炭剖面常、微量元素垂直分布规律, 结合灰分含量、pH值、总炭含量, 发现泥炭元素地球化学特征可以作为研究环境变迁的敏感指标.王国平等^[15]利用Sr/Ba、Ru/K等化学元素比值反演霍林河流域的盐碱化和气候干湿变化, 较之单个元素, 元素比值能够更有效地提供沉积环境的演变信息.

已有的研究结果表明:控制元素分布的因素不是元素性质, 而是沉积物形成的沉积环境^[16].沉积物中特征元素比值可以克服或减少沉积环境以外因素对元素分布的影响, 能够提供有效的沉积作用和沉积环境的演变信息^[17].本文以七弄沟泥炭为研究对象, 在泥炭腐殖化度以及汞含量记录研究结果的基础上, 通过分析泥炭沉积物中特征元素比值变化规律, 对比分析元素比值与腐殖化度、汞含量记录反演的环境变化过程, 探讨元素比值在泥炭地环境演变过程中的指示意义.

七弄沟泥炭(见图 1)分布区位于西藏自治区拉萨市当雄县羊八井盆地, 坐标30.09°N, 90.58°E, 海拔4 270 m.泥炭沉积连续, 厚达1.25 m.羊八井盆地紧邻念青唐古拉山, 北东—南西走向, 南北两侧的山峰发育有大量的现代冰川, 在盆地中也发现大量的古冰川遗迹.该地区的气候主要受到印度季风的影响, 由于这里海拔高, 太阳辐射充足, 周围冰川的季节性融水和降水丰富, 植物生长茂盛, 同时形成了该地区低温高湿的地表环境^[18].特殊的自然地理环境为泥炭的发育创造了优良的条件.

图 1(Fig. 1)

图 1 七弄沟(QNG)泥炭位置示意图 Fig.1 The location of QNG peat profile

于西藏自治区拉萨市当雄县羊八井镇北部七弄沟采集的泥炭沉积剖面柱样, 刨除顶部现代草根层, 泥炭柱总长125 cm.泥炭沉积层位连续, 以1 cm间隔分样, 样品共计125个.

根据泥炭沉积特征, 七弄沟泥炭自上而下分为六部分(见图 2): ①0-13 cm为黑褐色泥炭层, 植物残体较多, 含水量较高; ②13-31 cm为黑褐色草本泥炭层, 多植物残体, 含水量较少, 较紧实; ③31-56 cm呈黑棕色, 植物残体明显减少, 紧实; ④56-86 cm为含砂层泥炭, 褐色, 含钙质结核和泥沙; ⑤86-100 cm为黑褐色含草泥炭层, 植物残体明显增多; ⑥100-125 cm为黑褐色泥炭层, 含水量较低, 植物残体分解完全, 紧实.

图 2(Fig. 2)

图 2 七弄沟泥炭剖面及年龄深度曲线 Fig.2 The depth-age model of QNG peat profile

泥炭样品在实验室分样后, 挑选4个样品送至美国Beta放射性碳定年实验室完成剖面年代测定.按照浓硝酸、氢氟酸、高氯酸4：5：1的比例将泥炭样品消解后, 用Varian710-ES电感耦合等离子体发射光谱仪测定.实验过程进行严格的质量控制、空白对照和标样校正, 所有元素的回收率在88%~105%之间波动.

七弄沟泥炭层剖面的4个样品测年在美国Beta放射性碳同位素测年实验室完成, 利用树木年轮数据进行校正, 得到2$\sigma $校正年龄, 其结果^[19](见表 1)覆盖时段为(3 510±55)~(9 150±915) cal a BP, 测试误差范围是50~120 a.对测年样品进行进一步的年代—深度线性回归分析(见图 2), 得出0-47 cm段的沉积速率为0.267 mm·a$^{-1}$, 47-84 cm段的沉积速率为0.337 mm·a$^{-1}$, 84-125 cm段的沉积速率为0.147 mm·a$^{-1}$.可以看出该泥炭剖面在0-84 cm段沉积速率变化很小, 平均沉积速率为0.294 mm·a$^{-1}$.在84-125 cm段沉积速率急剧减小, 反映沉积环境变得恶劣, 不适合植物生长.

表 1(Tab. 1

表 1 七弄沟(QNG)泥炭位置示意图 Tab.1 The age of QNG profile 样品号 样品深度/cm $^{14}$C放射年龄/(a BP) 2$\sigma $校正年龄/(a BP) QNG-01 0-1 3 260±30 3 505±60 QNG-02 46-47 4 530±30 5 260±50 QNG-03 83-84 5 590±30 6 358±53 QNG-04 124-125 8 200±30 9 150±120

表 1 七弄沟(QNG)泥炭位置示意图 Tab.1 The age of QNG profile

地层沉积物中地球化学元素的迁移、富集程度能很好地反映区域气候环境变化.泥炭中化学元素含量及其变化不仅受到剖面物理化学性质的影响, 还会受控于沉积区域的环境条件, 特别是受到泥炭中有机质含量的影响^[20].七弄沟泥炭各元素在剖面中的含量如表 2所示, Al、Ca、K、Fe、Mn、Sr、Ba的剖面平均含量为1.85%、0.10%、1.10%、0.82%、157.37 $\mu$g·g$^{-1}$、29.20 $\mu$g·g$^{-1}$、140.50 $\mu$g·g$^{-1}$, 平均含量从高到低依次是Al＞K＞Fe＞Ca＞Mn＞Ba＞Sr.其剖面变化特征如图 3所示. Al元素化学性质不活泼, 水解性较差, 通常情况下以氧化物的形式存在于自然界, 一般不容易发生迁移转化^[21].在泥炭剖面中, Al含量变化表现出先增后减的变化趋势, 在剖面中部浅棕色含砂泥炭层出现最高值, 且波动剧烈.在此阶段, Al的含量变化与灰分含量呈现出极显著的正相关, 反映区域内大气沉降增加^[22]. K、Ca均是植物生长的必需元素^[13], 在化学风化中, K风化能力最强.二者在剖面的分布特征表现出极明显的负相关性, Ca在剖面中表现随深度增加含量减少的变化趋势, 剖面顶部含量高于底部, K正好相反. K化学性质活泼, 易随泥炭孔隙水迁移, Ca溶解度较小, 因此K在剖面底部含量较高, 而Ca呈现出在剖面顶部富集^[23]. Fe、Mn在剖面底部和顶部呈现相反的分布特征, Mn的低浓度层位对应Fe的高浓度层位.二者在剖面中部的变化趋势相同, 反映出沉积环境从暖湿到干冷的转变.其原因是:冷干气候环境下, 沉积环境中淋溶作用较弱, Fe、Mn易形成氧化物赋存在沉积剖面; 暖湿的环境中, Mn比Fe更容易与水反应, 随水溶液淋失^[24]. Sr、Ba化学性质相似, 二者剖面分布特征几乎完全一致, 总体上呈现先增(0-65 cm)后减(65-82 cm), 最后增(＞82 cm)的变化趋势, 在剖面中部的含量高于底部和顶部. Sr在水中的溶解能力较强, Ba的化学性质与Sr相似, 经化学风化作用, 溶于水淋失, 但二者均可以被黏土矿物吸附.因此剖面Ba含量增加, 反映气候较为暖湿; 反之, 含量降低, 气候较为冷干^{[21, 25]}.

表 2(Tab. 2

表 2 七弄沟泥炭剖面元素含量 Tab.2 Content of elements in QNG peat profile Al/% Ca/% K/% Fe/% Mn/($\mu$g·g$^{-1}$) Sr/($\mu$g·g$^{-1}$) Ba/($\mu$g·g$^{-1}$) 波动范围 0.97~3.24 0.04~0.16 0.57~1.76 0.41~1.07 79.38~28.25 4.35~107.45 63.93~328.23 平均值 1.85 0.10 1.10 0.82 157.37 29.20 140.50

表 2 七弄沟泥炭剖面元素含量 Tab.2 Content of elements in QNG peat profile

图 3(Fig. 3)

图 3 七弄沟泥炭剖面地球化学元素垂直分布特征 Fig.3 Distribution of elements in the QNG Peat profile

沉积物中元素对环境变化的反映机理各不相同^[26]; 变化是基于它们在不同的氧化还原条件下的敏感性差异造成的^[27]; 由于Fe$^{2+}$比Mn$^{2+}$易于被氧化, Mn元素的氢氧化物比Fe的氧化物易被还原, 因此较高的Fe/Mn常常是还原条件导致Mn消耗所致, 可以用于指示一种不利于氧化的环境^[28].当泥炭地积水越深, 沉积的泥炭越不容易被氧化.这时较高的Fe/Mn反映泥炭地积水加深, 积水面积增大.沉积剖面中Ba/Sr的变化是基于不同环境条件下其在水中的溶解能力不同^[24].干旱环境下, Sr在水中的溶解能力随干旱程度的增强而升高, 而环境区域干旱使得水溶液中SO$_{4}^{2+}$浓度升高, 导致Ba与SO$_{4}^{2+}$结合形成絮凝沉淀析出, 环境中Ba$^{2+}$含量降低, 导致沉积剖面Sr/Ba增大^[24].沉积物中Ba/Sr与盐度呈负相关关系:低值指示沉积环境盐度较高, 反映相对干旱的沉积环境; 高值指示沉积环境盐度较低, 反映相对湿润的沉积环境^[29]. Na$^{+}$的亲水能力大于K$^{+}$, K$^{+}$的吸附能力大于Na$^{+}$, 沉积物中K$^{+}$更容易被保留下来, Na$^{+}$由于淋溶作用而淋失.另外, 沉积物中的钾含量在一定程度上可以反映其中粘土矿物的含量, 粘土矿物是风化作用最后阶段的产物, 粘土矿物含量的增加指示风化作用强烈, 气候较为湿润.因此钾钠的比值增加表明气候比较湿润, 反之, 表明气候变干旱^[30].

根据泥炭腐殖化度^[19]以及泥炭汞记录^[31]的研究成果, 羊八井晚全新世以来的环境变迁分为三个阶段: 9.1~7.6 cal ka BP温度波动上升阶段; 7.6~4.5 cal ka BP温度剧烈波动且频繁; 4.5~3.5 cal ka BP温度波动下降(见图 4).

图 4(Fig. 4)

图 4 七弄沟泥炭K$_{2}$O/Na$_{2}$O、Fe/Mn、Ba/Sr、腐殖化度[19]、汞含量[31]与其他气候记录的对比 Fig.4 Comparisons of K$_{2}$O/Na$_{2}$O、Fe/Mn、Ba/Sr、humification[17]、Hg concentration[28] of QNG peat with other climatic records

9.1~7.6 cal ka BP温度上升阶段, Fe/Mn、Ba/Sr呈现剧烈波动的上升趋势, 表明沉积环境变得湿润, 此阶段元素比值与腐殖化度、汞含量记录反映的沉积环境变化趋势相一致.在8.8~8.5 cal ka BP左右, 泥炭汞含量处于低值波动, 泥炭腐殖化度在8.7~8.5 cal ka BP呈现降低趋势, 在约8.4 cal ka BP达到极小值, 二者均指示西藏七弄沟地区出现降温事件.在此期间, K$_{2}$O/Na$_{2}$O呈现逐渐减小的变化趋势, Fe/Mn、Ba/Sr出现波谷, 指示沉积环境较为干旱.此外, 8.1 cal ka BP左右, K$_{2}$O/Na$_{2}$O明显偏低, 指示较为冷干的沉积环境. Ba/Sr处于低值波动, 指示沉积环境干旱, 与剖面腐殖化度显示的8.0 ka降温事件相对应.同期Fe/Mn处于高值区波动, 可能是由于低温抑制氧化反应的发生造成的^[24].此次沉积剖面记录的环境变化反映广泛存在的全球性的早全新世8.2 ka降温事件. 8.2 ka降温事件一般被认为是全新世中最强的冷事件, 大多数情况出现于8.2~8.1 cal ka BP^[32].

7.6~4.5 cal ka BP温度剧烈波动阶段, K$_{2}$O/Na$_{2}$O呈现下降趋势, 波动剧烈且频繁, 表明气候趋于冷干, 同时Ba/Sr的下降趋势指示剖面含水量的减少, Fe/Mn波动下降, 反映区域沉积环境氧化性下降. Ba/Sr、Fe/Mn和K$_{2}$O/Na$_{2}$O的减少相呼应, 反映沉积环境逐渐干旱.在此期间内, Fe/Mn、Ba/Sr和K$_{2}$O/Na$_{2}$O的变化仍有次一级的波动, 在约6.1 cal ka BP和5.8 cal ka BP, K$_{2}$O/Na$_{2}$O、Fe/Mn、Ba/Sr均出现极小值, 显示在相应时期西藏羊八井地区沉积环境突然变干.相同时期, 泥炭汞含量均出现波谷, 与元素比值变化相呼应.泥炭腐殖化度在约6.03 cal ka BP和5.7 cal ka BP出现低值区, 同样表明在5.8 cal ka BP和6.1 cal ka BP左右, 羊八井地区出现突变降温事件.

4.5~3.5 cal ka BP温度波动下降阶段, K$_{2}$O/Na$_{2}$O整体处于低值震荡表明沉积环境较为冷干, 但Ba/Sr、Fe/Mn波动上升指示区域沉积环境湿度逐渐增加, 剖面氧化性逐渐增强, 与K$_{2}$O/Na$_{2}$O、泥炭腐殖化度、汞含量记录反应的环境变化正好相反.在4.2 cal ka BP以后, Fe/Mn、Ba/Sr和K$_{2}$O/Na$_{2}$O开始快速增加, 并且在3.8 cal ka BP左右达到极值, 指示沉积环境较为暖湿, 3.8之后沉积环境迅速变干.而泥炭腐殖化度和汞含量在约3.8 cal ka BP出现低值区, 指示冷干的沉积环境, 3.8 cal ka BP之后环境迅速转暖.因此, 在此阶段元素比值对环境变化的指示与泥炭腐殖化度、汞含量记录存在明显的差异.这种差异可能反映了沉积区内人类活动对沉积物化学性质的影响.

综上所诉, 西藏七弄沟泥炭剖面元素比值在反演沉积区环境变化与腐殖化度、汞含量记录存在一定的联系, 在9.1~4.5 cal ka BP, 元素比值与腐殖化度、汞含量记录反演的西藏七弄沟地区的环境变化具有良好的对应关系; 4.5~3.5 cal ka BP期间, 剖面的元素比值可能受到后期人类活动的影响, 其反演的沉积环境变化与腐殖化度、汞含量记录存在较大的差异.

为了更好地认识泥炭沉积物中特征元素比值在环境演变过程中的指示意义, 将七弄沟泥炭沉积物特征元素比值与世界范围内其他气候代用指标进行对比分析(见图 4).其中8.8~8.5 cal ka BP的环境转变与敦德冰芯$\delta ^{18}$O^[33]记录的8.9~8.7 cal ka BP强低温事件相对应.同时, 此次环境转变与周卫建等^[34]对若尔盖高分辨泥炭记录的研究, 李世杰等^[35]提出的早全新世暖期的第一次冰川前进以及Sirocko^[36]提出的阿拉伯海在8.8 cal ka BP显著降温也存在非常好的相关性. 8.1 cal ka BP左右, 七弄沟泥炭地球化学指标反映的沉积环境迅速变干, 反映广泛存在的全球性的早全新世8.2 ka降温事件.此次环境转变与红原泥炭腐殖化度^[37]和董哥洞$\delta ^{18}$O记录^[38]的8.2 ka事件基本一致. 7.3 cal ka BP七弄沟泥炭地球化学指标记录的环境转变与阿拉伯海深海沉积物$\delta ^{18}$O记录^[36]和北大西洋浮冰碎屑记录^[39]存在很好的可比性.北大西洋染色赤铁矿颗粒在7.4 cal ka BP左右出现明显的高值, 表明该时间段北大西洋存在明显的降温; 阿拉伯海深海沉积物$\delta ^{18}$O记录在7300a BP表现明显的低值, 反映阿拉伯海在该时间段出现降温, 而七弄沟泥炭Fe/Mn, Ba/Sr以及K$_{2}$O/Na$_{2}$O记录均显示该地区沉积环境变得干旱.约6.1 cal ka BP, 七弄沟泥炭特征元素比值反映沉积环境变得干旱, 泥炭汞记录显示区域温度降低, 与红原泥炭明显处于低值的腐殖化度相呼应, 但与其他区域的气候变化记录存在明显的差异, 表明6.1 cal ka BP左右, 青藏高原存在一次局地性的冷干事件.七弄沟泥炭记录的5.8 cal ka BP沉积环境干旱与北大西洋浮冰碎屑记录的5.9 cal ka BP降温事件相对应.北大西洋浮冰碎屑记录显示在5.9 cal ka BP左右, 区域内出现突变降温.在青藏高原, 七弄沟5.8 cal ka BP沉积环境干旱与50a分辨率的普若冈日冰芯$\delta ^{18}$O记录^[40]5.95 cal ka BP降温事件相对应.晚全新世七弄沟泥炭剖面可能受到强烈的人类活动以及后期改造的影响, 与泥炭腐殖化度和汞含量变化差异显著, 表明元素地球化学指标在研究沉积环境演变过程中可以反映出一些其他指标反映不明显的信息.

七弄沟泥炭特征元素比值(Fe/Mn、Ba/Sr、K$_{2}$O/Na$_{2}$O)的变化特征可以反映西藏羊八井地区沉积环境的干湿变化, 可以作为反演泥炭沉积环境的气候代用指标.结合泥炭剖面腐殖化度和汞含量研究结果, 可以将全新世以来羊八井地区沉积环境分为3个阶段: 9.1~7.6 cal ka BP温度波动上升阶段, 沉积环境变得湿润; 7.6~4.5 cal ka BP温度剧烈波动阶段, 沉积环境变得干旱; 4.5~3.5 cal ka BP温度波动下降阶段, 沉积环境变得湿润.其中共记录4次沉积环境变干, 时间分别为5.8、6.1、8.2以及8.8~8.5 cal ka BP左右, 与局部乃至全球的气候变化记录存在良好的对应关系.