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表层沉积物是现代过程的产物,对现代环境具有一定的指示意义,而现代环境的变化又是研究过去气候变化的基础,从现代环境演变过程推断过去环境变化规律是表层沉积物研究的重点内容。在表层沉积物的研究中,通过分析沉积物代用指标来反映沉积物的物质来源、形成机制、流域生态环境以及气候变化等信息,已经逐渐成为环境变化研究中的重要手段之一[1⁃8]。Contreras et al.[9]讨论了南美南部湖泊表层沉积物中有机地化指标与气候要素之间的关系,确定了指标所反映的气候梯度（温度和降水）,Blagodatskaya et al.[10]在黄土高原古土壤δ13Corg植被历史重建过程中提出需要先评估微生物和外部有机质影响；王国安[11]研究我国西北地区表层沉积物和植被δ13Corg时发现表层沉积物δ13Corg值比植被δ13C值偏正2.2‰；饶志国等[12]发现黄土有机质主要来源于当地植被,其同位素偏正（<1.7‰）。总体来说,植物转为土壤过程中同位素分馏很小,表层沉积物δ13Corg可以推测历史各时期的植被变化,还原古环境演化过程[12]。
工业革命以来,人类活动对环境的影响已扩展到整个地球系统,引发了全球变暖、水资源匮乏、森林覆盖减少、沙尘暴频发等一系列全球性环境问题[13⁃17]。人类活动受全新世气候变化强烈影响,人类在适应环境变化的同时也给周边环境造成了一定程度的影响[18]。多项研究证实全新世各种类型的沉积物中存在人类活动痕迹,其古环境代用指标可以指示人类活动,如湖泊沉积物粒度[19]、孢粉[20⁃21]、黄土沉积物磁化率（MS）和粒度[22⁃23]、冰芯同位素[24]、石笋碳氧同位素[25⁃26]、表层沉积物有机地化指标[27⁃30],但对人类活动影响沉积物的作用时间和作用方式看法不一。
祁连山位于我国东部季风区、青藏高原区和西北干旱区的交汇地带,是我国西北部重要的生态安全屏障。由于深居内陆,远离海洋,具有相对独立的地理环境,祁连山内流河地区是气候变化和人类活动的敏感区。人类活动是否会对祁连山地区表层沉积物代用指标产生影响,是我们以后利用指标反演该地区气候变化时需要考虑的问题。然而,目前我国祁连山周边地区现代表层沉积物研究相对匮乏,特别是其碳酸盐碳氧同位素组成和现代沉积过程的研究。综上所述,为明确沉积地层中古环境代用指标所包含的人类活动信息,以祁连山及周边地区表层沉积物为主要研究对象,分析并讨论了现代表层沉积物与环境要素之间的关系以及人类活动对表层沉积物的影响,进一步明确代用指标的现代环境指示意义,从而为后续利用沉积地层中古环境代用指标反演过去气候变化提供理论依据。
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位于青藏高原北缘的祁连山是由众多近似平行山脉组成的呈东西走向的巨大山体,东接秦岭,西连阿尔金山。以青海湖和哈拉湖为界线,可以将祁连山地区分成东、中、西三段,东段由大通河谷地、青海湖盆地、湟水谷地和拉脊山、大通山—达坂山、冷龙岭三列较为平行的山脉共同组成；西段由哈拉湖和疏勒河上游谷地以西的山地组成；其余为中段。由于气候单元上属于青藏高原高寒区和西北干旱区交错带,大气环流上地处东亚季风与西风区交汇区,因此祁连山受季风—西风协同作用影响明显。东段山地受季风、西风影响较大,气候较为温暖湿润；中段地区地域辽阔,冰川发育较多,有众多高山草甸；西段山地干旱寒冷,受干燥剥蚀作用植被覆盖度低,还发育雅丹地貌。
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为获取足够的表层沉积物数据,本研究组于2017年、2019年、2020年分别在祁连山及周边地区进行了三次样品采样,共采集表层沉积物样品456个。第一次在祁连山周边的四个内流河流域—石羊河流域、石油河流域、丰乐河流域和布哈河流域共采集表层沉积物样品129个,采样点位于河漫滩或河谷中,距离河流水平距离30~1 000 m,植被以草甸或混合植被为主；第二次在祁连山地区进行了为期半个月的采样,共采集表层沉积物样品317个,采样点周围地貌为山前坡地、山前平原,植被类型一般为草地或草甸,部分采样点为混合植被类型,参考我国DEM数据分别于祁连山南麓和北麓两条线路进行样品采集,并在沿线采样的基础上,在合适的区域设计了多条从流域上游地区到流域下游地区的采样路线,以涵盖祁连山地区；第三次在金塔县附近进行补充采样,采集表层沉积物样品20个。以5~10 km为间隔进行采样工作,样品采集时需刮除表面2~3 cm的杂质,采集露出的新鲜土壤,采样深度为0~10 cm,采样点如图1所示。为分析人类活动对表层沉积物古环境代用指标的影响,将区域内耕地和建设用地作为祁连山及周边地区的人类活动影响区。其他区域主要为林地、草地、灌丛、湿地、水体、裸地和冰川/积雪,人类活动影响较小,将其视为其他地区。
图 1 祁连山及周边地区表层沉积物采样点
Figure 1. Sampling sites of surface sediments in study area
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表层沉积物TOC、TN数据在兰州大学化学与化工学院分析测试中心测定。C/N数据则根据测得的实验数据,利用TOC/TN进行计算得到。具体实验步骤如下：（1）称取适量样品置于玛瑙研钵中研磨,过150目的网筛；（2）称取上述样品0.5 g置于离心管,并加入10 mL稀盐酸（1 mol/L）摇晃混匀；（3）水域震荡3 h（60 ℃）,随后静置18 h；（4）待反应完全后,将离心管置于离心机中离心5 min（4 000 rad/min）；（5）将离心管内上层清液倒出,并加入40 mL去离子水,震荡约30 min后再进行离心,重复多次上述操作,直到上层清液pH呈中性；（6）将上述样品放入恒温箱（60 ℃）,低温烘干24 h；（7）称取步骤（1）处理后的20 μg样品,使用Vario EL cube元素分析仪测定。最终样品实际的TOC、TN含量用以下公式进行计算：
(1) 式中：M0为样品元素的实际百分含量（%）,M为样品中所测元素值（%）,G0和G分别为处理前、后样品的重量（g）。
表层沉积物δ13Corg数据使用Finnigan-MAT 253 Plus同位素质谱仪进行测定。具体实验步骤如下：（1）称取适量样品放入研钵中进行研磨,并过200目的网筛；（2）称取上述处理好的样品0.2 g置于离心管,加入适量1 mol/L的稀盐酸,再用去离子水反复搅拌、洗涤,并静置一段时间,保证上层清液接近中性；（3）将处理后的样品放入60 ℃恒温箱进行24 h烘干。沉积物等样品采用B2151、B2153两种国际标准物质,标样的分析精度可达0.2‰。标样B2151,推荐值δ13CVPDB（‰）=-28.85,标样B2153,推荐值δ13CVPDB（‰）=-22.88。
表层沉积物δ13Ccarb、δ18O数据使用Finnigan-MAT 253 Plus同位素质谱仪测试,计算结果以VPDB为标准。采用色谱柱（熔硅毛细管柱：规格为Poraplot Q,25 m×0.32 mm）温度为70 ℃。具体实验步骤如下：（1）称量适量样品进行研磨,并过200目网筛以去除砂石、树根等杂质；（2）称取100 μg样品放至12 mL的反应瓶中；（3）使用流速达100 mL/min的高纯度氦气（99.999%）,每次样品均需排空处理600 s；（4）向处理后的样品中加入0.2 mL的无水H3PO4（100%）,并将反应瓶置于72 ℃的加热盘；（5）待完全反应后,气体需要通过熔硅毛细管柱（70 ℃）,从而提取CO2；（6）最后利用稳定气体同位素质谱仪测量生成的CO2,精度均高于0.1‰。使用GBW04405（δ13CVPDB=0.57‰,δ18OVPDB=-8.49‰）作为校正标样,GBW04416（δ13CVPDB=1.61‰,δ18OVPDB=-11.59‰）作为质控样,每20个样品加入一组标样,每10个样品添加一个平行样,5组标样的测试结果的δ18O和δ13C测试精度均高于0.2‰。
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本研究组共采集祁连山及周边地区表层沉积物样品456个,选取456个样品进行了TOC、TN和C/N测试,288个样品进行了δ13Corg、δ13Ccarb和δ18O测试。本文将总研究区划分为人类活动影响区和其他地区,不同区域内表层沉积物TN、TOC、C/N、δ13Corg、δ13Ccarb和δ18O的频率分布如图2所示。总研究区和其他地区表层沉积物古环境代用指标的频率分布较为相似,TOC和TN变化幅度较大,整体偏小,C/N多集中在10~20,δ13Corg多介于-25‰~-23‰,δ13Ccarb、δ18O基本在-2‰~0和-8‰~-4‰（图2）。在人类活动影响区TOC和TN在数值小的区域频率分布明显增大。C/N在10附近频率明显减小,其他区间变化不大,δ13Corg、δ13Ccarb和δ18O数值则略偏大。人类活动影响区TN、TOC含量平均值分别为0.08%,1.21%,低于其他地区和总研究区的平均值,δ13Corg、δ13Ccarb和δ18O的平均值较其他地区和总研究区偏大（表1）。
图 2 表层沉积物古环境代用指标的频率分布
Figure 2. Frequency histograms of paleoenvironmental proxies in surface sediments
表 1 表层沉积物不同区域古环境代用指标的极值和平均值
Table 1. Extreme and average values of paleoenvironmental proxy indicators in different areas of surface sediments
TN/% TOC/% C/N δ13Corg/‰ δ13Ccarb/‰ δ18O/‰ 总研究区 最小值 0.013 0.08 1.77 -27.5 -31.7 -23.00 最大值 0.920 7.13 80.12 -17.8 2.9 1.20 平均值 0.150 1.57 15.83 -24.0 -3.2 -9.00 其他地区 最小值 0.013 0.08 1.77 -27.0 -31.7 -23.00 最大值 0.920 7.13 65.07 -17.8 2.9 1.12 平均值 0.170 1.69 14.99 -24.1 -3.8 -9.20 人类活动影响区 最小值 0.014 0.17 4.68 -27.5 -8.9 -20.40 最大值 0.370 3.03 80.12 -21.3 2.6 -1.30 平均值 0.080 1.21 19.9 -24.0 -1.7 -8.60 TOC是指示沉积物中总有机质含量多少的重要指标[31]。表层沉积物TOC含量的多少不仅取决于植被类型,还受植物残体凋落和分解作用的影响[32]。祁连山地区表层沉积物TOC平均值为1.57%（表1）,远低于我国第二次土壤普查的平均值[33]。研究区土壤类型多为土壤肥力较低的草甸土、沼泽土和盐碱土等,导致植被生产力整体较弱,TOC含量较小。
表层沉积物C/N是判别区域内有机质来源的有效手段[3]。一般情况下,有机质主要为外源物质时,陆生植物有机质内蛋白质含量较低,纤维素含量较高,所以C/N变化范围为14~23,或者更高；有机质以内源物质为主时则与之相反,一般C/N<10[34]。研究区表层沉积物C/N变化范围大多位于陆生高等植物C/N的分布区间（图3）,表明该区域表层沉积物有机质主要来自外源物质,反映了祁连山地区陆生植物的生产力状况。前人研究指出中国土壤C/N的平均值为10~12[33],而高寒地区表层沉积物C/N的平均值为17.4[36]。经计算研究区表层沉积物C/N的均值为15.83,高于全国土壤平均水平,接近高寒地区表层沉积物的C/N值,表明表层沉积物中微生物分解矿化作用偏慢,土壤中有效态氮素会被消耗,这可能与祁连山区域的地理位置、气候变化等多种因素有关。
图 3 表层沉积物有机质C/N和δ13Corg的分布特征
Figure 3. Distribution of organic matter, C/N and δ13Corg in surface sediments
为进一步探讨研究区主要陆生植物类型,分析了δ13Corg的变化情况（图3）。不同植物的光合作用路径不同,导致碳同位素存在差异,因此δ13Corg可以用来指示植被类型和初级生产力状况[4]。陆生C3植物δ13Corg介于-34‰~-23‰,集中在-27‰附近；陆生C4植物δ13Corg介于-19‰~-9‰,集中在-13‰附近（表2）。研究区表层沉积物δ13Corg集中在陆生C3植物的变化区间内（图3）,证明该区域主要植被类型为C3植物。该结果与野外采样的实际情况一致,符合西北干旱区现代植被特征。
表 2 典型沉积物中δ13Corg、C/N和有机质来源
Table 2. Sources of δ13Corg, C/N and organic matter in typical sediments
通常认为控制土壤碳酸盐形成的主要因素是降水和温度[39⁃40],但在实际应用中δ18O的指示意义仍存在争议。对δ18O的分馏机制研究发现,土壤碳酸盐含量会随着温度和蒸发的增加而富集,从而致使δ18O偏正[41]。表层沉积物δ13Ccarb多来自土壤吸收的大气CO2和土壤生物过程,已有研究证明盐碱土可以吸碳,且在祁连山地区表层存在碳酸盐富集现象[42⁃44]。自然因素和人类活动共同作用可能是导致人类活动影响区δ13Ccarb、δ18O数值偏大的原因。
本文使用回归分析探究表层沉积物代用指标和空间因素（海拔,经纬度）的关系。其他地区表层沉积物TN、TOC与海拔呈极显著正相关关系,阴影部分表示95%置信区间（图4a,c）,C/N与海拔呈极显著负相关关系（图4e）。人类活动影响区TN、TOC与海拔呈正相关,但比其他地区显著性较弱（图4b,d）,C/N与海拔呈较弱的正相关关系（图4f）。其他地区表层沉积物δ13Corg、δ18O、δ13Ccarb与海拔呈较为显著的负相关关系（p均<0.01；图4g,i,k）,其中δ13Ccarb与海拔为极显著负相关关系（图4g）,表现为随着海拔高度的增加,同位素逐渐变重。人类活动影响区中δ13Corg、δ18O、δ13Ccarb与海拔之间的相关性不明显,且数据多集中在海拔2 000 m以下（p>0.1；图4h,j,l）。通过分析代用指标在不同海拔范围内与海拔的关系发现,在3 200 m以上区域,TN、TOC与海拔呈负相关关系（图5a~d）,可能是高海拔地区植被生长条件因海拔越高,温度降低而受到影响。海拔3 500 m以下,表层沉积物δ13Corg随海拔升高而逐渐偏轻；而海拔3 500 m以上,随海拔升高而逐渐偏重（图5e,f）
图 4 表层沉积物古环境代用指标与海拔的关系
Figure 4. Relationship between paleoenvironmental proxies of surface sediments and altitude
图 5 其他地区表层沉积物TN、TOC、δ13Corg与不同海拔的关系
Figure 5. Relationships between TN, TOC, δ13Corg and elevation in surface sediments in other areas
其他地区表层沉积物TN、TOC与纬度呈极显著负相关关系（图6a,c）,C/N与纬度呈较显著的正相关关系（图6e）。人类活动影响区TN、TOC和C/N与纬度的相关性减弱（图6b,d,f）。其他地区表层沉积物δ13Corg和δ13Ccarb与纬度呈显著的正相关关系（图6j,k）,δ18O与纬度的相关性较弱（图6i）。人类活动影响区δ13Corg、δ18O与纬度的相关性很小（图6h,j）,δ13Ccarb与纬度呈较显著的正相关关系（图6l）。
图 6 表层沉积物古环境代用指标与纬度的关系
Figure 6. Relationships between the paleoenvironmental proxies of surface sediments and latitude
其他地区表层沉积物TN、TOC与经度呈极显著正相关关系（图7a,c）,C/N与经度呈显著负相关关系（图7e）。人类活动影响区TN、TOC与经度的相关性较其他地区减弱（图7b,d）,C/N与经度呈负相关关系（图7f）。其他地区表层沉积物δ13Corg,δ13Ccarb与经度呈显著负相关关系（图7g,k）,δ18O和经度的负相关关系相对较弱（图7i）。人类活动影响区δ13Corg和δ18O与经度的相关性较弱（图7h,j）,δ13Ccarb与经度呈显著负相关关系（图7l）。
图 7 表层沉积物古环境代用指标与经度的关系
Figure 7. Relationships between paleoenvironmental proxies of surface sediments and longitude
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海拔高低会通过影响植被生产力的大小和土壤类型改变表层沉积物TOC和TN含量[45⁃46]。北美洲半干旱区[47]、南美洲亚马孙森林[48]和我国祁连山[49]等地均发现了土壤有机碳含量随海拔的升高而增大；在美国亚利桑那州荒漠草原[50]、非洲肯尼亚东茂森林[51]和我国南方的星云湖[52]、鄱阳湖[53]等地均证实了土壤TN含量随海拔升高而增加,与研究区TN、TOC的变化特征类似（图4a,c）。当海拔上升到一定高度后,TN、TOC与海拔的正相关关系转变为负相关关系,相关性减弱（图5a~d）。高海拔地区土壤成土母质中含有大量的较粗残积物,养分含量不高,同时温度降低影响了植物的生长和土壤氮素的输出。因此土壤TN、TOC含量下降,我国内蒙古黄花甸子流域和甘南草地土壤TN也发现类似的情况[53⁃54]。表层沉积物C/N主要代表了土壤的氮矿化能力[55],C/N低值表示有机质矿化过程快,土壤环境有利于微生物进行有机质分解,土壤有效氮含量高。C/N随海拔的增大而减小（图4e）,表明海拔越高土壤有机质氮矿化能力越大。
祁连山及周边地区表层沉积物δ13Corg的变化与青藏高原表土有机质δ13Corg研究结果类似[56]。表层沉积物δ13Corg与植物δ13Corg密切相关,研究区植物类型分布状况显示,海拔3 500 m以下,森林、灌丛、草甸等在不同海拔区域内均有分布,多为C3植物,以禾本科为主的C4植物则多存在于低海拔地区或者干旱区域[57]。海拔3 500 m以下δ13Corg随海拔的升高而逐渐变轻的原因可能与C4、CAM植物减少,C3植物所占比例增大有关（图5e）[58]。海拔3 500 m以上,研究区C3植物占绝对优势,海拔升高而有机碳同位素逐渐变重,可能是低大气压力背景下叶片吸收利用大气CO2效率下降（图5f）[59⁃60]。除此之外,海拔变化能够影响温度、降水和光强等多种因素,对植物光合作用产生影响,祁连山区域光照强度足够满足植物的需要量[61⁃62],温度和降水可能是影响植物光合作用的决定因素。
由于受到气候因子的驱动,表层沉积物代用指标与经纬度关系密切[63]。祁连山区域由北向南土壤类型从砂黄土向黏黄土转变,土壤有机质和微生物量快速增加,有利于有机质吸收和土壤内氮素释放。研究区表层沉积物TN、TOC含量沿经度表现为东高西低,沿纬度表现为南高北低（图6a,c、图7a,c）,这在我国土壤有机质的地带性规律研究中均得到了证实[64⁃66]。我国青藏高原东部有一夏季风水汽输送通道,来自太平洋的水汽可以到达,水汽输送距离的远近造成研究区东西两地存在水分差异[67]。已有研究证明祁连山植被与降水的空间分布格局类似,并指出了水分对植被的重要性[68]。表层沉积物δ13Corg变化受植物碳同位素影响,能够反映C3/C4植物的相对丰度。C4植物丰度受控于温度大小,温度越高,C4植被状况越好[63]。研究结果显示表层沉积物δ13Corg随纬度降低而偏负（图6g）,可能由于研究区位于干旱半干旱区,主要控制因子为降水量并非温度。祁连山地区水汽以纬向输送为主,越向西水汽越少[69]。C4植物随年降水量的增多而逐渐减少,东西两段水分差异导致C4植物生物量表现为东少西多的分布格局。此外,降水的空间分布差异也与祁连山地形等因素有关[70]。碳酸盐δ18O多反映干湿变化,降水越多δ18O偏负。δ13Ccarb的变化原因与δ18O变化类似,越向西蒸发强度越大,地表碳酸盐析出,δ13Ccarb偏正。
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为了进一步明确现代表层沉积物古环境代用指标与气候因子之间的关系,分析不同代用指标中所包含的人类活动信息,为识别过去人类活动提供依据。对表层沉积物代用指标与年均降水量（Mean Annual Precipitation,MAP）和年平均温度（Mean Annual Temperature,MAT）做了线性相关分析,现代气候参数（即MAT和MAP）来自国家青藏高原科学数据中心的中国区域地面气象要素驱动数据集（1979—2018年）,该数据集包括近地面气温、近地面气压、近地面空气比湿、近地面全风速、地面向下短波辐射、地面向下长波辐射、地面降水率共7个要素,时间分辨率为3 h,水平空间分辨率为0.1°[71]。结果表明,其他地区TN、TOC与MAP呈显著正相关关系（图8a,c）,与MAT呈显著负相关关系（图8b,d）,且TN、TOC与MAP的相关性高于MAT。
图 8 表层沉积物古环境代用指标与MAT和MAP的关系
Figure 8. Relationships between paleoenvironmental proxies of surface sediments and MAT and MAP
TN、TOC与MAP、MAT均呈极显著相关关系（p<0.000 1）,MAP的改变会引起土壤含水量和透气性变化,从而影响土壤TOC分解和有机质降解。土壤中含水量较大会使TOC矿化作用减慢,表层枯枝落叶更易腐烂,从而转化成有机质保存在土壤内,进而导致TOC含量增加。温度对表层沉积物TOC和TN的影响相对复杂,温度升高会加快有机质分解,促进生物生产,有利于增加表层沉积物中TOC和TN含量。
TN、TOC含量和温度、降水呈显著的相关关系（图8）。我国西北祁连山中段代表性土壤研究表明,影响土壤TOC含量的主要因子是归一化植被指数（NDVI）和年均降水量[72]；陕西黄土台塬表层土壤TOC密度与温度和降水的关系分别表现为<0.001和<0.05的显著相关[73]。TN、TOC与MAP的相关性高于MAT,表明研究区降水对TOC和TN的影响大于温度（图8a~d）。杨新宇等[74]在青藏高原高寒草甸土壤中进行了人工模拟实验,通过改变温度和降水证明了该地区土壤总体格局变化受降水量影响,而非温度[74]；Rui et al.[75]研究发现5~15 cm土壤TOC含量不因温度改变而发生变化。以上实验结果与本文结果相一致。表层沉积物δ13Corg、δ18O和δ13Ccarb与MAT和MAP的一元线性回归分析回归结果显示：其他地区表层沉积物δ13Corg、δ18O和δ13Ccarb均与MAT呈显著正相关关系,与MAP呈显著负相关关系（p<0.01）,且代用指标与MAT的相关系数（图8g,i,k）均低于与MAP的相关系数（图8h,j,l）。
为整体论证环境因素对代用指标的影响,对影响代用指标的环境因素（海拔、MAT、MAP）进行主成分分析,分析哪些因素对代用指标的影响更大,为了减少人类活动的影响,选取其他地区样品的环境要素进行分析。主成分分析表明（图9a）,PC1（第一主成分）占初始信息的98.1%,而PC2（第二主成分）仅占1.9%,因此PC1可以很好地表示初始信息。此外,海拔与PC1之间的相关性高达0.992,这意味着海拔可以最好地表示PC1,从而表示研究区表土代用指标的初始信息。海拔和气候因素负荷也表明（图9b）,在代用指标中起主导作用的是海拔,其次是降水。结合代用指标与环境因素的相关性分析,认为MAP是控制研究区表土的代用指标的主要因素,主要受海拔影响。
图 9 研究区环境因素的主成分分析Biplot图（a）和荷载（b）
Figure 9. Principal component analysis of environmental factors in the study area: (a) biplot; (b) loadings
Zhao et al.[76]指出在古环境和古生态重建中,生物指标比物理指标对气候变化更敏感,沉积物的有机碳同位素组成（δ13Corg）可以提供更高的分辨率记录。本研究将δ13Corg数据划分为两组,认为小于-23‰的代表纯C3植物,大于-23‰代表C3和C4混合植物,并分别与MAT和MAP进行相关性分析,讨论δ13Corg对气候因素的敏感性。在大于-23‰的数据中,表层沉积物δ13Corg与MAT存在较显著的负相关关系（图10a）,与MAP存在较弱的正相关关系（图10b）,且与MAT的相关性高于与MAP的相关性。其原因可能是位于季风边缘区的祁连山地区受西风季风协同作用影响,温度和降水的耦合变化造成该区域δ13Corg与MAT之间呈较为显著的正相关关系。在小于-23‰的数据中,表层沉积物δ13Corg与MAT表现为显著正相关关系（图10c）,与MAP呈显著负相关关系（图9d）,且δ13Corg与MAP的相关性略大于与MAT的相关性,这与前人在青藏高原东北缘石羊河流域表层土壤的δ13Corg的研究结果一致[76]。δ13Corg值在大于-23‰时与MAP和MAT的相关性同减弱也证明不同物种陆生植物受到气候影响的差异性,因此在利用δ13Corg进行降水和温度需要注意范围的选择,以C3植物为主要来源的沉积物（δ13Corg小于-23‰）可用于降水的定量重建,当以C3、C4混合植物的δ13Corg进行重建气候时,可能无法准确表达重建的降水；δ13Corg对温度的相关性相对于降水较低,这可能是由于温度对植物和土壤δ13Corg有正面和负面的双重作用。因此,若要利用δ13Corg对温度进行重建,需要把握好温度的阈值,进行具体分析。
图 10 其他地区表层沉积物δ13Corg与MAT和MAP的关系
Figure 10. Relationship between the δ13Corg of surface sediments and MAT and MAP in other areas
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人类活动影响区TN、TOC、C/N、δ13Corg、δ18O和δ13Ccarb分布离散程度明显增大,与空间因素和气候因子之间的相关性较其他地区明显降低（图4,6~8）。武志杰[77]通过分析人类生产活动对土壤生态系统的影响认为,人类活动的方式、程度,持续的时间通过影响土壤、水文、植被等自然要素,对土壤肥力和土壤生态系统基本生物生产能力产生重要的影响,打破自然界平衡。根据从是否维持土壤肥力或土壤生态系统基本生物生产能力的标准来看,人类生产活动对土壤生态系统有消极影响和积极影响两个方面的作用,最终表现为土壤环境代用指标的变化。韦应莉等[78]证明人类过度放牧会使土壤养分下降有机质减少,造成土壤TOC、C/N和δ13Corg含量下降。郑曼迪[30]研究发现,土壤一旦被耕作农用之后,耕作的增加导致土壤侵蚀进而使得土壤有机质含量减少,表层沉积物TOC和TN含量减小。此外,不恰当的农业灌溉方式如漫灌会使得大量多余水分进入灌区地下,导致地下水位上升引起系统次生盐渍化发展,地表碳酸盐富集δ13Ccarb、δ18O数值偏正[79]。另一方面,人类活动也会对土壤产生积极的影响,集约耕作、流域治理、水土保持、植被恢复等都可以恢复土壤的肥力。Zhu et al.[80]通过研究黄土高原自然植被恢复过程发现,植被的恢复会改善土壤的可蚀性,迅速增加土壤的TOC和TN含量。王增丽[81]通过研究秸秆还田对土壤的改良效果,发现秸秆粉碎氨化措施可以显著提高土壤TN含量。李东坡等[82]发现利用有机农业施肥方式可以使土壤微生物量,C、N含量成倍数增加。总体来看,经过长期耕种土地的土壤有机质和代用指标很大程度上受诸如耕作、轮作、施肥等农业措施的影响。
14C测量证实,早在7 000年前,我国就开始了农业利用[83],根据生产方式的不同,可以将中国农业发展划分为原始农业阶段、传统农业阶段、现代农业阶段。自新石器时代以来,刀耕火种技术被广泛用于将森林转变为农田和牧场[84]。Wang et al.[85]通过内蒙古岱海湖沉积物岩心中的黑碳重建了中国北部全新世期间发生火灾的高分辨率历史,发现中国北方约8 000年和3 000年前火灾频率的增加是因为早期农业的出现和人类土地利用的扩大。这种早期农业和广泛的土地利用模式不仅改变了表面景观,对植被覆盖下的土壤有机质也产生了深远的影响。何翔宇等[86]通过研究河南仰韶村文化遗址发现,与自然剖面相比,文化剖面土壤在古人类活动干扰下,各理化性质变异系数大,数值差异明显,反映古人类活动在一定程度上阻碍了土壤的发育。传统农业阶段,铁农具的出现使得土壤表面变得平滑和压实,在促进集约化锄耕农业形成的同时,也导致了坡面上的地表径流和土壤侵蚀[87]。从西汉时起黄土高原等北方地区农业开垦引起的水土流失已经较为明显,黄河泥沙含量高的特点已经出现[88]。桑广书[89]发现历史时期以来,黄土高原土壤侵蚀强度日趋增强,现代侵蚀强度较全新世早、中期人类影响较微弱情况下的侵蚀强度大41%~45%,主要原因是植被受到破坏。现代农业时期,新垦耕地迅速增长的同时,城市扩展对耕地的占用不断增加,化肥、农药和机械等的投入使得对耕地的利用强度达到前所未有的程度[90]。周涛等[91]发现耕地土壤与非耕地土壤有机碳储量之间存在显著差异,土地利用的改变在总体上导致了土壤碳的释放。秦景秀等[92]通过分析气候变化和人类活动对干旱区植被生产力的影响发现,人类活动在植被的恢复和退化中起主导作用。
祁连山周边内流河区域是气候变化和人类活动的敏感区,出山径流是下游绿洲农业的主要来源。汉代收复河西走廊,便在祁连山中下游绿洲区域进行屯垦,农业发展和人类文明演化有紧密的关系。李并成[93]总结了汉唐时期10块沙漠化的古绿洲,认为绿洲沙漠化的原因是人类活动和气候共同导致的植被破坏和水土流失。关于现代植被的研究显示,降水增加使得祁连山及周边地区植被覆盖率有所增加,但受人类活动干扰较大的河谷和部分山区其植被明显减少,地表侵蚀能力增强,有机质输入变少[94]。祁连山下游地区受强烈蒸发作用影响,土壤盐渍化程度加重[95],且大量人类活动对原有的土地利用方式产生了影响,现多是以灌溉农业为主的耕作农田,农耕土壤内含有大量肥料物质,造成了TN含量向人为需要的状态下发展[96]。总的来说,随着科学技术的进步和农业水平的提高,从原始农业阶段到现代农业阶段,农业区域的面积不断扩展,农业土地利用强度的不断增大,人类活动也已经从影响土壤表面植被到直接影响土壤理化性质,导致了森林破坏、水域湿地等自然景观的退缩和消失、土地退化和土壤侵蚀的加剧、动植物数量减少以至灭绝等一系列环境问题。所以,人类活动不可避免地会影响土壤代用指标,导致人类活动影响区表层沉积物代用指标的变化较其他地区存在显著差异,在一定程度上改变了其环境指示意义。
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根据研究区内其他地区和人类活动影响区的划分标准,对祁连山及周边地区456个表层沉积物中TN、TOC、C/N、δ13Corg、δ18O和δ13Ccarb指标进行了综合分析,利用相关性分析法和主成分分析法对代用指标与海拔、温度、降水等不同要素之间的关系进行了讨论,分析影响代用指标变化的主要因素,探究人类活动对古环境代用指标指示意义的影响,取得以下认识。
（1） 结合相关性分析和主成分分析,其他地区表层沉积物TN、TOC、C/N和δ13Corg指标与MAT、MAP存在相关性,其中与MAP相关性最强,δ13Ccarb和δ18O与MAT和MAP相关性较强,表明表层沉积物对降水的敏感性大于温度。该地区沉积物古环境代用指标用于重建区域古气候时可以用来指示降水,若用来指示温度时,还需仔细鉴别。
（2） 人类活动影响区古环境代用指标波动幅度较大,相关性较其他地区明显减弱,可能因为人类活动加剧,用水量增大,土地利用方式改变,森林植被遭到破坏,造成水土流失、土壤盐渍化等一系列问题,影响了代用指标的变化。因此,在人类活动较强的地区利用表层沉积物重建气候要素时需要考虑该地区人类活动影响强度。
祁连山周边内流区人类活动对表层沉积物的影响
doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2022.115
cstr: 32268.14.cjxb.62-1038.2022.115Effects of Human Activities on Surface Sediments in the Endorheic Zone Around the Qilian Mountain
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摘要:
目的 表层沉积物代用指标可以指示现代环境要素进而推断古环境演化过程,但是在人类活动较强的地区,人类对沉积物产生作用的时间和作用方式以及这种作用是否影响表层沉积物代用指标对该地区气候进行反演的评估较少。 方法 选取祁连山及周边地区所采集的456个表层沉积物,通过总有机氮（TN）、总有机碳（TOC）、碳氮比（C/N）、有机碳同位素（δ13Corg）、碳酸盐碳同位素（δ13Ccarb）和氧同位素（δ18O）等代用指标分析,建立了代用指标与海拔、经纬度、温度、降水等要素之间的关系,探究了现代人类活动对表层沉积物古环境代用指标的影响。 结果与结论 研究发现人类活动影响区表层沉积物古环境代用指标在该区域波动明显,相较其他地区,相关性大幅降低,表明人类活动影响可以改变古环境代用指标的指示意义。通过系统分析和计算表层沉积物与环境要素之间的关系,探讨了人类活动对表层沉积物的影响,进一步明确代用指标的现代环境指示意义,从而为后续利用沉积地层中古环境代用指标反演过去气候变化和分析人类活动提供理论依据。
Abstract:Objective Surface sediment proxies indicate modern environmental elements and thus infer paleoenvironmental evolution, but few assessment have been reported on the effect of intensive human activity on sediments, and whether this affects the indication of the climate of the area by surface sediment proxies. Methods In this study, 456 surface sediments from the Qilian Mountains and surrounding areas were collected and proxies such as total organic nitrogen （TN）, total organic carbon （TOC）, carbon to nitrogen ratio （C/N）, organic carbon isotope （δ13Corg）, carbonate carbon isotope （δ13Ccarb） and oxygen isotope （δ18O） were analyzed. Relationships between proxies and elevation, latitude, longitude, temperature and precipitation were examined, and the influence of modern human activity on the paleoenvironmental proxies of surface sediments was explored. [Results and Conclusions] It was found that these proxies in the anthropogenic zone fluctuate significantly in this region and the correlation is significantly less than in other areas. This suggests that the influence of human activity has changed the indicative meaning of paleoenvironmental proxies. Systematic analysis and calculation of the relationship between surface sediments and environmental elements explored the influence of human activities on surface sediments, and clarified the use of proxies as modern environmental indicators. This provides a theoretical basis for the use of paleoenvironmental proxies in sedimentary strata to infer past climatic conditions and to analyze human activities.
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Key words:
- Qilian Mountains /
- endorheic zone /
- surface sediments /
- human activity-affected area
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图 2 表层沉积物古环境代用指标的频率分布
Figure 2. Frequency histograms of paleoenvironmental proxies in surface sediments
图 3 表层沉积物有机质C/N和δ13Corg的分布特征
Figure 3. Distribution of organic matter, C/N and δ13Corg in surface sediments
图 4 表层沉积物古环境代用指标与海拔的关系
Figure 4. Relationship between paleoenvironmental proxies of surface sediments and altitude
图 5 其他地区表层沉积物TN、TOC、δ13Corg与不同海拔的关系
Figure 5. Relationships between TN, TOC, δ13Corg and elevation in surface sediments in other areas
图 6 表层沉积物古环境代用指标与纬度的关系
Figure 6. Relationships between the paleoenvironmental proxies of surface sediments and latitude
图 7 表层沉积物古环境代用指标与经度的关系
Figure 7. Relationships between paleoenvironmental proxies of surface sediments and longitude
图 8 表层沉积物古环境代用指标与MAT和MAP的关系
Figure 8. Relationships between paleoenvironmental proxies of surface sediments and MAT and MAP
图 9 研究区环境因素的主成分分析Biplot图（a）和荷载（b）
Figure 9. Principal component analysis of environmental factors in the study area: (a) biplot; (b) loadings
图 10 其他地区表层沉积物δ13Corg与MAT和MAP的关系
Figure 10. Relationship between the δ13Corg of surface sediments and MAT and MAP in other areas
表 1 表层沉积物不同区域古环境代用指标的极值和平均值
Table 1. Extreme and average values of paleoenvironmental proxy indicators in different areas of surface sediments
TN/% TOC/% C/N δ13Corg/‰ δ13Ccarb/‰ δ18O/‰ 总研究区 最小值 0.013 0.08 1.77 -27.5 -31.7 -23.00 最大值 0.920 7.13 80.12 -17.8 2.9 1.20 平均值 0.150 1.57 15.83 -24.0 -3.2 -9.00 其他地区 最小值 0.013 0.08 1.77 -27.0 -31.7 -23.00 最大值 0.920 7.13 65.07 -17.8 2.9 1.12 平均值 0.170 1.69 14.99 -24.1 -3.8 -9.20 人类活动影响区 最小值 0.014 0.17 4.68 -27.5 -8.9 -20.40 最大值 0.370 3.03 80.12 -21.3 2.6 -1.30 平均值 0.080 1.21 19.9 -24.0 -1.7 -8.60 
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