黄河源区典型湖泊现代过程及过去近1700年的湖泊沉积记录

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在全球气候变暖背景下,湖泊现代特征(在湖泊及其流域之间的水文、物理、化学、沉积和生物过程及其相互作用)均发生着显著变化,特别是在青藏高原东北部的黄河源区,湖泊水量在现代气候变化和流域人类活动双重影响下,其变化尤为明显。研究其近几十年来在气候降水、蒸发等变化下和人类活动影响下的湖泊水资源响应规律有其重要意义;湖泊沉积过程忠实地记录了流域环境变化的各种信息,通过湖泊沉积中记录的各种环境变化因子,可揭示出流域环境变化和古气候的变化过程。本文以黄河源区四个典型湖泊(鄂陵湖、冬给措纳、苦海和希门措)为例,通过对湖泊的现代特征、水文特征及沉积岩芯的分析,内容包括湖盆深度和形态、水质、水量、粒度、有机碳、总氮、碳氮同位素、地球化学元素等的实验分析,探讨了黄河源区典型湖泊的现代过程和过去近1700年湖泊环境演化及其影响。  鄂陵湖(34°45′~35°05′N、97°31′-9755′E),是青藏高原最大淡水湖,它是黄河的源头湖和该外流区内面积最大的湖泊。冬给措纳湖(98°21′~98°43′E,35°13′~35°23′N)为青藏高原上的大型深水淡水湖。希门错(33°23′N,101°08′E)是一个半封闭的冰川侵蚀和冰碛堰塞型湖泊。苦海(35°19N′,99°10′E)是一个构造成因的封闭型内陆咸水湖。本文在大量实测资料的基础上,从湖泊的湖盆特征、热力学特征、水化学、水体氧同位素、水量波动等方面对黄河源区湖泊现代特征进行了较系统的分析,并利用湖泊沉积岩芯的样品高分辨率多环境指标对近1700年来湖泊沉积与环境演变的响应进行了分析。  首先,利用差分GPS、测深仪和YSI等仪器对鄂陵湖及其他湖泊进行实测,采集湖泊水样进行热力学特征、水化学、水体氧同位素的分析,比较全面地研究了黄河源区典型湖泊的现代特征。利用GIS绘制了典型湖泊的等深线图,采用形态指标公式和C.Д.穆拉维伊斯基湖盆形式的标志公式分析湖泊的形态特征,根据等深线、遥感资料和湖泊水位估算了湖泊的现有水量;从湖泊形态层面分析了湖泊的成因;结合资料分析,发现典型湖泊存在水位升高,蓄水量减小的变化特征。这个变化推测也许与近年降水沉积使湖泊沉积量增大和湖泊容积减小有关。  其次,根据实测资料分析湖泊pH、盐度及水化学等特征。结果显示:鄂陵湖、冬给措纳和希门错水质较好,苦海具有和青海湖相似的盐度和水质。依据湖泊盐度、水体氧同位素资料,揭示出地形、降水、陆地蒸发水汽以及冰川融水对湖泊水文过程的影响。对比历史资料,发现典型湖泊存在水质上的波动,自2003年以来,水质有趋好的态势。  再次,利用2007-2009年对黄河源区湖泊的水位考察,结合遥感资料、径流对黄河源区湖泊水资源量进行分析,揭示出黄河源区湖泊水资源量存在年内和年际的波动:年内以5-9月份降水量较为集中,使年内湖泊水量呈单峰分布;年际变化存在波动变化,在2003年之后湖泊水位趋于上升。按水量平衡计算典型湖泊的年度入湖水量,发现典型湖泊水量变化总体是增加的,从变化趋势推断未来黄河源区典型湖泊水量会有一定的增长。典型湖泊水量在某些年份突然增大具有7年左右的周期变化,与厄尔尼诺事件的出现有极强的相关性。  为了准确地了解黄河源区近千年的气候与环境演变规律,从鄂陵湖和希门错分别采集了沉积岩芯,进行年代、粒度、有机碳、总氮、碳氮同位素、化学元素等环境因子的分析。岩芯采用0.5cm进行分样,以137Cs、210Pb核素进行测年,以AMS14C进行底部年代的校核,结果揭示希门错47cm沉积岩芯代表过去1700年左右、鄂陵湖56cm的沉积岩芯代表了过去近千年的沉积环境与气候变化的过程。  根据TOC、TN和碳同位素的分析的结果,发现了希门错过去1700年存在四个明显的阶段变化,即900AD前的冷期,900-1300AD之间的暖期(相当于中世纪暖期),1300-1900AD的降温时期(相当于小冰期)和20世纪变暖;鄂陵湖近千年存在3个明显的阶段变化,即900-1300AD之间的暖期(相当于中世纪暖期),1300-1870AD的降温时期(相当于小冰期)和1870-2008AD的变暖。两个湖泊记录的变化具有一致性。也与前人研究的气候变化特征基本吻合。  从粒度、元素和其比值来看,希门措湖泊指示着流域的温度和降水存在几次大的波动:在900AD之前,该阶段δ13C上升而TOC含量波动下降,该阶段为气温变冷,湖水盐度较低表示降水量或冰川融水多;在900-1300AD期间,δ13C表现为下降趋势,而TOC含量波动上升,该阶段为气温变暖阶段,和中世纪暖期相对应,盐度降低表明水量增多,处于暖湿状态;在1300-1900AD期间,δ13C表现为波动上升趋势,而TOC含量下降,该阶段为气温变冷阶段,和小冰期较为吻合,Sr/Ca值处于升高态势表明湖水盐度增大,水量减少;1900AD至今,δ13C含量为下降趋势,而TOC波动上升,该时期为20世纪暖期,Sr/Ca值先降低后增大,表明水量呈现先增多后减少的波动。鄂陵湖在900-1300AD之间,温度波动上升,盐度降低表明降水量增加;在1300-1870AD,温度比较稳定,水体盐度增高反应该阶段降水减少;进入20世纪,气温上升较大,Sr/Ca值处于升高态势表明湖水盐度增大,降水有减少态势。两个湖泊水量和温度变化并不完全一致,有降水、地形和冰川融水等区域差异的因素。
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