从新西兰Bright湖的远端高山流域推断出的全新世晚期气候变化及湖泊生产力变化

《Quaternary Science Reviews》：Late Holocene climate variability and lake productivity change inferred from the remote alpine catchment of Lake Bright, New Zealand

新西兰Fiordland地区Lake Bright湖晚全新世气候与生态系统响应研究，通过脂质生物标志物（brGDGTs和n-烷烃）、稳定氢同位素及XRF扫描等多指标重建，揭示气候与西风环流（SHWW）的关联，发现干旱期湖生产力提升，而暴雨期侵蚀增强。研究证实SHWW受ENSO和SAM调控，为预测高山湖未来响应提供依据。

　　

朱利安·埃申罗德（Julian Eschenroeder）|克里斯托弗·M·莫伊（Christopher M. Moy）|塞巴斯蒂安·奈尔（Sebastian Naeher）|马库斯·J·范德戈斯（Marcus J. Vandergoes）|奥利弗·拉赫（Oliver Rach）|迪克·萨克塞（Dirk Sachse）|里克·塔林吉（Rik Tjallingii）|杰米·D·豪沃斯（Jamie D. Howarth）|阿德莱恩·穆迪（Adelaine Moody）|李勋（Xun Li）|克莱尔·谢泼德（Claire Shepherd）|伊丽莎白·肯尼迪（Elizabeth Kennedy）|莉泽特·雷耶斯（Lizette Reyes）

新西兰奥塔哥大学地质系，达尼丁

摘要

南半球的偏远湖泊环境为研究过去的气候变化提供了难得的机会，这些变化未受到人类活动的显著影响。然而，针对晚全新世的高分辨率古环境重建仍然很少，这限制了我们对过去约4000年生态响应及区域气候动态的理解。本研究通过分析位于新西兰峡湾地区中部布赖特湖（Lake Bright）的沉积物岩芯，探讨了晚全新世的气候变化及其对生态系统的影响。

我们采用了多种代理指标方法，包括脂质生物标志物分析（brGDGTs和叶蜡n-烷烃）、X射线荧光岩芯扫描（XRF-CS）、高光谱成像（HSI）、沉积物地球化学指标（生物硅、总有机碳TOC、总氮TN、δ13C、δ15N）以及化合物特异性稳定氢（δD）同位素分析，研究对象涵盖沉积物岩芯、现代流域土壤、水体和植被样本。

研究结果表明，在晚全新世期间，布赖特湖的生产力与水文气候的变化密切相关，尤其是地表径流的变化。在这一时期，湖泊生产力较高的阶段通常对应较为干旱的气候条件，其特点是碎屑输入量较少，且与温度波动无关；相反，湖泊生产力下降则与碎屑输入量增加有关，这反映了径流的增强和流域侵蚀作用的加剧。

我们发现，在2500年至1500年前发生了气候转变，这可能标志着从百年尺度上的稳定气候向更明显的水文气候季节性变化以及南半球西风（SHWW）对该地区影响的增强。

我们的发现揭示了区域大气环流的局部影响，这种影响受到厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）和南方环状模（SAM）的调节，并为预测高山湖泊生态系统对未来气候变化的响应提供了见解。

引言

新西兰南阿尔卑斯山的偏远高山湖泊为从未受干扰的湖泊生态系统重建环境变化提供了独特的机会，从而量化全新世期间气候的变化及其对西南太平洋地区的影响。新西兰是人类最后殖民的地区之一（约750年前），但该国大部分地区已迅速转变为以农业为主的环境（Cumberland, 1941; McWethy et al., 2010）。然而，在最近几十年之前，仍有偏远地区几乎未受到人类活动的影响。由于土地利用变化导致的景观变迁主要发生在低洼地区，这些地区自上个世纪下半叶以来一直适合农业发展和人类居住，导致水质恶化和湖泊及河流的富营养化（Burns, 1991; Pearman et al., 2022; Thomson-Laing et al., 2024; Vincent et al., 1984; Wood et al., 2023）。预计未来空气和水温的升高以及夏季持续时间的延长将进一步促进水体分层和氧气耗竭，可能导致有毒藻类的大量繁殖（Friedrich et al., 2014; Meerhoff et al., 2022; Moss et al., 2011; Puddick et al., 2023; Wang et al., 2021; Woolway et al., 2021）。最近的研究集中在新西兰的湖泊恢复和管理上（Abell et al., 2020; Short et al., 2022; Wood et al., 2023）。相比之下，本研究旨在加深对气候变化对偏远水生生态系统基线环境条件影响的理解。

新西兰全新世晚期的气候重建数据相对较少，且主要集中在人口较多的北岛。北岛上的典型研究案例包括普普克湖（Lake Pupuke）、图蒂拉湖（Lake Tutira）、科普乌阿泰沼泽（Kopouatai Bog）和莫阿纳图阿图阿沼泽（Moanatuatua Bog）（Gomez et al., 2013; Newnham et al., 2019; Page et al., 2010; Striewski et al., 2013; van den Bos et al., 2018）。新西兰的气候受到南方环状模（SAM）和厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）的影响（Ummenhofer et al., 2009）。ENSO的正相位和SAM的负相位会增强南岛的西风强度，而拉尼娜现象和SAM的正相位则与北风占主导有关（Ummenhofer and England, 2007）。虽然北岛的气候可能对ENSO特别敏感，但南岛的水文气候似乎更受SAM的影响，后者会影响南半球中纬度西风的强度和纬度位置（Ummenhofer and England, 2007）。南岛的区域气候主要由西风的强度决定（Anderson et al., 2018; Hinojosa et al., 2019; McGlone and Wilmshurst, 1999; Wilmshurst et al., 2002）。来自峡湾（Hinojosa et al., 2017; Knudson et al., 2011）和湖泊沉积物（Anderson et al., 2018; Hinojosa et al., 2019）的气候记录显示，全新世期间降水量存在周期性增加，这与南半球西风（SHWW）的增强有关。通过研究直接与SHWW相关的高山环境中的水文气候变化及其对水生生态系统的影响，可以更好地理解大气环流模式演变与其对高山生态系统发展之间的关系。

结合叶蜡中化合物特异性稳定氢同位素分析和细菌膜脂质（分支甘油二烷基甘油四醚，brGDGTs）的特征分析，可以为重建温度和降水量提供有力手段。叶蜡n-烷烃能够保留降水的δD同位素组成，跨越地质时间尺度（Yang and Huang, 2003）。由于植物在叶蜡合成过程中从水中吸收氢，因此叶蜡的δD特征可以记录水分来源、降水量、相对湿度和植被的变化（Rach et al., 2017; Sachse et al., 2004, 2012）。而brGDGTs由细菌合成，对温度和pH的变化非常敏感（De Jonge et al., 2021; Zhao et al., 2023）。在过去几十年中，brGDGTs已成为重建湖泊沉积物、土壤和泥炭记录中空气和水温的可靠且定量的指标，使其逐渐被用作古温度计（De Jonge et al., 2014; Hopmans et al., 2004; Schouten et al., 2013）。尽管每种技术都能提供宝贵的古环境信息，但新西兰尚未将它们结合使用。结合这两种方法有望实现准确的水文气候重建，并揭示半球尺度气候驱动因素如何塑造区域环境。

本研究的目标是：1）确定晚全新世期间的气候变化；2）探讨这些气候变化对偏远高山湖泊中水生生态系统的影响。我们采用了非破坏性扫描技术、脂质生物标志物浓度、氢稳定同位素、有机稳定同位素及浓度以及环境代理指标，对来自新西兰最南端峡湾地区布赖特湖的沉积物岩芯进行了分析。花粉数据表明该流域未受到人为改造。湖泊内的水生生产力通过生物硅、叶绿素含量以及总有机碳和氮的浓度和稳定同位素进行了重建。过去的气温和水文气候条件则通过brGDGTs和叶蜡n-烷烃的化合物特异性稳定氢同位素进行了评估。此外，我们还利用XRF岩芯扫描数据重建了流域内的主要环境过程（如地表径流和土壤湿度）的变化。我们研究了生物地球化学指标是否能够追踪SHWW和温度对布赖特湖的影响，并探讨了峡湾地区SHWW的变化如何影响晚全新世期间的局部和区域水文状况。最后，我们旨在了解这些气候变化在过去4000年间对当地生态系统的影响，以识别当前由于气候变化导致的生态系统变化路径。

研究地点

布赖特湖（45°41′29″S, 167°8′33″E）面积约为18公顷，深度为21米，位于峡湾国家公园（Fiordland National Park）的普莱森特山脉（Pleasant Range）和梅里山脉（Merrie Range）之间的南北走向山谷中，海拔800米（图1）。流域面积约为508公顷。2019年2月进行的野外调查显示，湖水表面温度为13°C，水柱混合深度约为7米，表明该湖泊全年可能处于完全混合状态。

布赖特湖沉积物岩芯年代学

布赖特湖的沉积物岩层由富含有机物的中棕色泥质沉积物组成，偶尔夹杂着2-4厘米厚的深棕色层（图2）。放射性碳和210Pb测年结果表明，该岩芯涵盖了过去的4300年，平均沉积速率为0.4毫米/年。年龄-深度模型（图2a）显示整个沉积记录期间存在连续、线性的年代序列，没有明显的逆转或间断。

花粉层序

花粉记录（图3）显示...

湖泊流域内的植被动态

布赖特湖的沉积物花粉记录表明，过去4000年来，湖周围高大树木、灌木和草本植物的相对比例相对稳定（图3）。这种稳定性与其他新西兰偏远地区的记录一致（例如Li et al., 2008），但与低地湖泊沉积物的情况形成对比，特别是在人类到来后的750年间（McGlone and Wilmshurst, 1999; Short et al., 2022）。

结论

本研究重建了新西兰高山湖泊生态系统在晚全新世期间对气候和环境变化的响应。通过对峡湾地区布赖特湖沉积物岩芯的应用多种代理指标方法，并将其结果与其他新西兰的古环境研究进行比较，证明化合物特异性稳定氢同位素（n-烷烃和brGDGTs）能够有效追踪过去4000年的西风动态和当地气温。

CRediT作者贡献声明

朱利安·埃申罗德（Julian Eschenroeder）：概念构思、研究设计、数据分析、方法论制定、数据整理、可视化、初稿撰写及审稿编辑。克里斯托弗·M·莫伊（Christopher M. Moy）：概念构思、资金获取、资源协调、数据分析、方法论制定、数据整理、审稿编辑。塞巴斯蒂安·奈尔（Sebastian Naeher）：概念构思、资金获取、资源协调、数据分析、方法论制定、数据整理、审稿编辑。马库斯·J·范德戈斯（Marcus J. Vandergoes）：概念构思、资金获取、资源协调、数据分析、方法论制定、数据整理、审稿编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究的资金由新西兰商业、创新与就业部（MBIE）的“我们的湖泊健康：过去、现在、未来”研究计划（C05X1707）以及MBIE的战略科学投资计划（SSIF）在ESNZ气候变化与环境（CCE）项目框架下提供（C05X1702）。我们感谢奥塔哥大学地质系的克里斯蒂娜·R·里塞尔曼（Christina R. Riesselman）、鲍勃·达格（Bob Dagg）和阿米莉亚·莫里斯（Amelia Morris）在培训和实验室工作方面的支持。