普列谢耶沃湖晚全新世沉积速率与人类活动驱动机制研究：基于岩性、同位素及微体古生物学证据的3600年重建

《Quaternary》：Subsistence Strategies in the Lower Danube During the Early First Millennium BC: Archaeozoological and Archaeobotanical Evidence from the Babadag Settlement (Southeastern Romania)

　　

本研究基于普列谢耶沃湖（Lake Pleshcheyevo）深水区底部沉积物的岩性学、地质年代学、同位素及古生物学研究，重建了该湖（位于东欧平原中部的雅罗斯拉夫尔州）过去3600年的沉积环境与沉积速率。利用碳氮比（C/N ratio）分析识别了湖底沉积物中有机碳的来源。孢粉谱中人为指标的研究为两种年龄-深度模型（age-depth model）提供了定性比较。在3600–2700 cal yr BP（公元前1600–750年）的畜牧时代，确立了深水型中营养至富营养的沉积环境，其质量堆积速率（mass accumulation rate，MAR）相对较高（可达0.04–0.05 g cm?2 year?1），对应于东欧平原河流活动的高发期。约1900 cal yr BP（公元1世纪初）以来，随着刀耕火种农业的传播，湖泊发生富营养化，与森林砍伐和土地耕作相关的沉积速率随之增加。1300–200 cal yr BP（公元7–19世纪）期间，沉积速率有所下降。自19世纪末至20世纪中叶，质量堆积速率急剧增加（可达0.07 g cm?2 year?1）。上述趋势与发达地区湖泊的普遍特征一致，并与耕地扩张密切相关。

一、研究背景与科学问题

湖泊沉积物是重建区域景观与气候历史最详尽的档案之一，具有从年到十年尺度的潜在时间分辨率。通过研究这类沉积档案，可以细化对自然环境动态变化的认识，并识别短周期节律，进而厘清影响沉积过程的自然与人为因素。普列谢耶沃湖位于伏尔加河流域西北部，是东欧平原中部地区重要的古环境档案库。该湖盆被认为形成于莫斯科（萨阿林）冰期（MIS 6）冰川退缩期间，其汇水面积相对较小、水文开放性较低、湖泊存在时间漫长，且位于末次冰期界线以南，使其沉积物成为过去14万年间宝贵的古地理信息载体。然而，已有数据尚不能全面揭示该湖的沉积速率、流域侵蚀过程以及人类活动对其产生的影响。因此，本研究旨在从邻近区域经济开发强化的视角，重建普列谢耶沃湖晚全新世的沉积条件与速率。研究采用岩性分析、硅藻分析、稳定氧碳同位素分析重建沉积环境，通过放射性碳测年和¹³⁷Cs含量确定沉积物年龄。鉴于此类重建对深度-年龄模型精度要求较高，研究人员还分析了沉积物中可能的碳来源，并对沉积物进行了孢粉分析，利用中欧俄罗斯典型古环境变化对应的孢粉地层学层位，对年代模型进行独立的定性评估。

二、研究内容与主要结论

研究人员于2019年2月和2023年2月分两阶段在普列谢耶沃湖深水区（水深23.8 m）钻取PLESH-4钻孔，总长400 cm。通过岩性、地球化学参数对比完成岩芯拼接，采用加速器质谱（AMS）和液体闪烁计数（LSC）两种方法对14个样品进行放射性碳测年，并结合¹³⁷Cs峰值（1986年切尔诺贝利事件标志）构建贝叶斯年龄-深度模型。研究排除了三个明显异常的¹⁴C年龄后，采用复合年龄-深度模型作为工作年代框架。基于岩性、烧失量（LOI）、磁化率、干密度、粒度、碳氮比（C/N）、碳酸盐稳定同位素（δ¹³C_bulk、δ¹⁸O_bulk）、扫描电镜-能谱分析（SEM-EDS）、硅藻分析及孢粉分析等多指标综合研究，重建了该湖过去3600年的沉积环境演变历史。

研究结果表明，普列谢耶沃湖在3600–2000 cal yr BP期间以深水型中营养至富营养环境为主，沉积速率主要受气候因素控制。约3550–2700 cal yr BP（公元前1600–750年）期间质量堆积速率（MAR）相对较高（0.04–0.05 g cm^?2 year^?1），与东欧平原高河流活动期对应，硅藻组合指示较冷水温和较深水体条件。2750–2000 cal yr BP（公元前800–公元0年）期间底栖和附生硅藻增加，δ¹⁸O_bulk升高，指示相对温暖条件。自2000 cal yr BP（公元1世纪初）起，随着刀耕火种农业的传播，湖泊出现富营养化趋势，碎屑物质堆积速率（CLMAR）上升与森林砍伐和土地耕作相关。2000–1900 cal yr BP期间δ¹⁸O_bulk和δ¹³C_bulk同步显著负偏，指示降水增强的水文驱动。1350–1250 cal yr BP（公元600–700年）期间δ¹⁸O_bulk富集至约?9‰ VPDB，可能反映干旱化加剧。1300–200 cal yr BP（公元7–19世纪）期间沉积速率降低，与蒙古-鞑靼入侵后人口减少、耕地缩减及18–19世纪经济向工业转型有关。自19世纪末至20世纪中叶，MAR急剧增加至0.06–0.07 g cm^?2 year^?1，与1861年农奴解放后边际土地广泛开垦及苏联时期集体化耕作相关。近几十年来MAR下降则与耕地面积大规模缩减一致。孢粉分析揭示的农业活动阶段（早期畜牧业、刀耕火种农业兴起、旧俄罗斯时期、近代农业扩张与废弃）与区域考古及孢粉学证据吻合，为复合年龄-深度模型提供了独立定性支持。

三、主要技术方法

本研究采用了多种关键技术手段：通过Nesje钻和特制冻结取样器获取连续沉积岩芯；利用激光衍射粒度仪进行粒度分析；采用烧失量法测定有机质和碳酸钙含量；使用卡帕仪测量磁化率；运用加速器质谱（AMS）和液体闪烁计数（LSC）进行放射性碳测年，结合¹³⁷Cs放射性核素测量构建年龄-深度模型；利用元素分析仪测定总有机碳和总氮含量并计算C/N比；采用气体质谱仪分析碳酸盐δ¹³C和δ¹⁸O；使用扫描电镜-能谱分析（SEM-EDS）判定碳酸盐成因；对40个样品进行硅藻分析（每个玻片鉴定500–1000个壳体）；对56个样品进行孢粉分析（每样至少统计500粒花粉），并计算微炭屑和盘星藻（Pediastrum）含量。

四、研究结果分述

4.1 岩芯拼接与年代学：通过多条参数曲线匹配确定岩芯重叠区间，总长400 cm。放射性碳测年结果显示35–95 cm深度四个TOC年龄形成约1350–1390 ¹⁴C yr BP的平台，其中三个日期与¹³⁷Cs标志矛盾且不随深度增加而增大，被排除出最终模型。¹³⁷Cs在25–30 cm处达到最大活度0.61 kBq m^?2，被解释为1986年切尔诺贝利沉降标志。复合年龄-深度模型在96 cm以上采用95%置信区间年轻边界，产生更渐进的沉积速率增加模式，与岩性特征更一致。

4.2 岩性与质量堆积速率（MAR）：中值粒径9–24 μm，砂含量0.5–17%，黏土含量7–25%。有机质含量（LOI 550°C）15–30%，CaCO₃含量5–38%，碎屑部分45–77%。磁化率在90 cm以上显著增加。3550–2700 cal yr BP期间MAR相对较高（0.04–0.05 g cm^?2 year^?1）；2700–1300 cal yr BP期间MAR降至0.02–0.03 g cm^?2 year^?1；自19世纪末起MAR急剧增加至0.06–0.07 g cm^?2 year^?1，最高值出现在20世纪初至中期。

4.3 碳氮比（C/N）：原子C/N比变化于9.72–11.93之间，属于中间值，不能明确区分内源与外源有机质贡献，可能反映混合来源。

4.4 碳酸盐稳定同位素：δ¹⁸O_bulk围绕?11‰ VPDB波动，在2000–1900 cal yr BP期间降至?12.5‰ VPDB以下。δ¹³C_bulk在395–315 cm深度约?3‰ VPDB，210–170 cm升至约?2‰ VPDB，160–145 cm骤降至?3.5‰ VPDB，145–90 cm升至?0.5‰ VPDB，80–0 cm快速下降至?2‰ VPDB。SEM-EDS证实碳酸盐主要为自生树枝状结构，碎屑组分以硅质矿物为主，表明同位素信号主要反映自生湖相碳酸盐。

4.5 硅藻分析：共鉴定116种硅藻，划分四个硅藻组合带（LDAZ）。LDAZ I（400–208 cm）以浮游种占绝对优势（80–92%），富营养种含量30–70%；LDAZ II（208–150 cm）浮游种降至40–80%，附生种增至12–30%；LDAZ III（150–65 cm）浮游种回升至80–90%，富营养种增至60–80%；LDAZ IV（65–0 cm）浮游种降至40–50%，附生种增至40–50%，富营养种降至30%。

4.6 孢粉分析：3550–3500 cal yr BP期间花粉谱中非乔木花粉（NAP）和放牧指示植物含量已高于无人类干扰的天然水平。2650–1950 cal yr BP期间云杉林广泛分布，NAP含量为全剖面最低。约1950 cal yr BP起NAP增加，谷类作物（Cerealia）花粉出现。115–100 cm深度NAP达30–35%，荞麦（Fagopyrum）和大麻（Cannabis）花粉出现。90 cm以上NAP稳定在30–35%，Cerealia达7–10%，盘星藻含量急剧增加至150%，微炭屑（>5 μm）含量约70%。80–70 cm深度细粒炭屑形成峰值，约为花粉孢子总和的三倍。45–0 cm区间NAP和人为指标持续下降，桦木和松树花粉增加，反映农业废弃地的桦木再生过程。

五、讨论与结论

在讨论部分，研究人员论证了复合年龄-深度模型的合理性。孢粉学揭示的农业发展阶段与中欧俄罗斯针阔混交林带广泛孢粉记录吻合，支持复合模型而非中值模型。¹³⁷Cs的1986年归属得到磁化率突变和总库存量（3.11 kBq m^?2）的支持。被排除的三个¹⁴C年龄可能反映了流域古老碳输入，这在利用总有机碳测年的湖泊研究中并不罕见。δ¹³C_bulk主要受大气CO₂交换控制，其次受湖泊生物生产力影响；δ¹⁸O_bulk主要反映降水δ¹⁸O的变化，受控于凝结温度和水汽来源。δ¹³C-δ¹⁸O协方差分析表明湖泊水文开放性在不同阶段有所变化。

研究结论指出：过去3600年间，普列谢耶沃湖以深水型中营养至富营养环境为特征。在人类影响相对较低的时期（3600–2000 cal yr BP），沉积速率主要受气候因素控制。自2000 cal yr BP（公元纪年开始）以来，在日益增强的人类压力（森林砍伐和耕作）背景下，湖泊呈现富营养化趋势。此后，沉积速率的变化节律更多反映不同历史时期农业活动方式的改变，而非气候波动。因此，在过去2000年中，人类经济活动已成为控制普列谢耶沃湖沉积条件的主导因素之一。该研究识别的模式增进了对湖泊生态系统响应人类影响的可能情景的理解，同时提示区域其他湖泊在解释放射性碳测年结果时需考虑古老碳输入的潜在影响。