晚全新世增强人类活动影响下东欧平原中部普列谢耶沃湖沉积作用研究

《Quaternary》：Sedimentation in Lake Pleshcheyevo (Central Part of the East European Plain) in the Late Holocene Under Conditions of Increased Anthropogenic Impact

　　

基于岩性学、地质年代学、同位素学和古生物学对湖泊深水区底部沉积物的综合研究，研究人员重建了东欧平原中部雅罗斯拉夫尔地区普列谢耶沃湖过去3600年来的沉积条件和速率。通过碳氮比（C/N）分析识别了湖泊底部沉积物中有机碳的来源。花粉谱系中人为指标的研究为两种年龄-深度模型提供了定性比较。在畜牧业时代（3600–2700 cal yr BP，即公元前1600–750年），建立了深水中营养型至富营养型的沉积条件，其质量累积速率（MAR）相对较高（可达0.04–0.05 g cm?2 year?1），对应于东欧平原高河流活动期。约1900 cal yr BP（公元1世纪初期），随着刀耕火种农业的传播，湖泊发生富营养化，沉积速率因森林砍伐和土地开垦而增加。从1300到200 cal yr BP（公元7至19世纪），沉积速率下降。从19世纪末到20世纪中期，MAR急剧上升（可达0.07 g cm?2 year?1）。类似的趋势在发达地区的湖泊中较为典型，并与耕地扩张有关。

一、研究背景与科学问题

湖泊沉积物是研究景观和气候历史最详尽的信息源之一，具有从年到十年尺度的时间分辨率潜力。通过对这些沉积档案的研究，可以细化对自然环境动态变化的认识，并识别短周期节律，从而获取关于沉积条件变化及其自然和人为影响因素的高分辨率信息。普列谢耶沃湖位于伏尔加河流域西北部，其沉积物被认为是东欧平原中部地区重要的古档案。尽管已有研究利用磁学矿物和有机质分布重建了过去10–12 ka的生物生产力变化，以及利用硅藻数据分析了近5 ka的水位波动，但现有资料尚无法全面揭示该湖的沉积速率、流域侵蚀过程以及人类活动对这些过程的影响。因此，本研究的目的是在邻近区域经济开发强度加剧的背景下，重建普列谢耶沃湖在晚全新世的沉积条件和速率。

二、研究内容与主要结论

研究人员通过对普列谢耶沃湖深水区PLESH-4钻孔（水深23.8米）的底部沉积物进行岩性学、地质年代学（包括放射性碳测年和¹³⁷Cs测定）、稳定同位素地球化学、硅藻分析和孢粉分析等多指标综合研究，重建了过去3600年的沉积演化历史。研究得出以下主要结论：

1. 1.
   在过去3600年中，普列谢耶沃湖总体上表现为深水中营养型至富营养型湖泊。
2. 2.
   在人类活动影响相对较弱的时期（3600–2000 cal yr BP），沉积速率主要受气候因素控制。
3. 3.
   自约2000 cal yr BP（公元纪元开始）以来，随着刀耕火种农业的传播和土地利用强度的增加（森林砍伐和土地开垦），湖泊呈现富营养化趋势，沉积速率的演变更多地反映了不同历史时期农业方式的变化，而非单纯的气候波动。
4. 4.
   从19世纪末到20世纪中期，由于农奴制改革后的土地大规模开垦和苏联时期的集体农庄制度，沉积速率出现了急剧增加（MAR最高达0.07 g cm^?2 year^?1），这与全球范围内受农业发展影响的湖泊趋势一致。
5. 5.
   本研究的重要意义在于揭示了近2000年来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，深化了对湖泊生态系统如何响应人为干扰的理解。

三、关键技术方法

研究人员采用了多种关键技术方法，主要包括：

1. 1.
   钻探与采样：于2019年和2023年在普列谢耶沃湖深水区（N 56.78338° E 38.7529°，水深23.8米）分两阶段钻取PLESH-4钻孔，并使用冷冻技术获取表层液态沉积物柱样，以保持原始层理。
2. 2.
   粒度分析与烧失量（LOI）测定：使用激光衍射仪进行粒度分析，并通过550°C和950°C两个温度阶段的烧失量测定有机质和碳酸钙（CaCO₃）含量。
3. 3.
   磁化率（MS）测量：测量沉积物的质量磁化率。
4. 4.
   放射性碳（¹⁴C）测年与铯-137（¹³⁷Cs）测定：采用加速器质谱法（AMS）和液体闪烁计数法（LSC）对总有机碳（TOC）进行¹⁴C测年，并利用γ能谱仪测定¹³⁷Cs活度以建立现代沉积年代框架。
5. 5.
   稳定同位素分析：分析沉积物中碳酸盐的碳（δ¹³C_bulk）和氧（δ¹⁸O_bulk）稳定同位素组成，并结合现代水体样品（湖水、支流和出流河水）的同位素数据进行对比。
6. 6.
   硅藻分析：鉴定沉积物中的硅藻种类及其丰度，划分硅藻组合带（LDAZ），用于重建湖泊营养状态和水深变化。
7. 7.
   孢粉分析：分析沉积物中的孢粉组合，特别是农作物花粉（如禾本科Cerealia、荞麦属Fagopyrum）、伴人植物花粉（如车前草属Plantago、蓼科Polygonaceae等）和微炭屑颗粒，作为人类活动的独立指标。

四、研究结果

4.1 年代学框架

研究人员基于11个¹⁴C测年数据和1个¹³⁷Cs峰值标记（被解释为1986年切尔诺贝利事件），使用贝叶斯模型构建了年龄-深度模型。由于三个位于35–75厘米深度的¹⁴C测年数据出现年代倒置（与¹³⁷Cs标记矛盾且彼此间无预期随深度增加的趋势），被排除在最终模型之外。研究人员最终采用了一个复合年龄-深度模型，该模型在上部96厘米使用95%置信区间的年轻边界，下部则使用中值年龄，该模型得到了孢粉数据的定性验证。

4.2 岩性与质量累积速率（MAR）

沉积物的中值粒径在9–24 μm之间波动，砂含量在0.5–17%之间。有机质含量在15–30%之间，CaCO₃含量在5–38%之间，碎屑组分占45–77%。磁化率在上部40厘米急剧升高。干容重在160–80厘米深度区间增加，但在上部80厘米显著降低。MAR的计算结果显示，在约3550–2700 cal yr BP期间相对较高（0.04–0.05 g cm^?2 year^?1），随后在2700–1300 cal yr BP期间下降。自19世纪末以来，MAR及各组分（有机质OMAR、碳酸盐CMAR、碎屑物CLMAR）均出现急剧增加，最大值出现在20世纪初。

4.3 C/N比值

原子C/N比值在9.72至11.93之间，属于中间值，表明有机碳来源为混合来源（既有内源自生也有外源输入），无法明确区分。

4.4 碳氧稳定同位素记录

δ¹⁸O_bulk值围绕-11‰ VPDB波动，其变化主要受控于降水δ¹⁸O的变化，间接反映温度和水汽来源。δ¹³C_bulk值的变化范围更大（从约-3.5‰到-0.5‰ VPDB），其富集与生物生产力（如Pediastrum藻类含量增加）增强导致的优先吸收轻碳有关。扫描电镜-能谱分析（SEM-EDS）证实碳酸盐主要为自生成因，而非来自流域的碎屑输入。

4.5 硅藻分析

基于硅藻组合的变化，划分出四个硅藻组合带（LDAZ）。LDAZ I（400–208 cm）以浮游硅藻为主（80–92%），指示深水中营养型至富营养型条件。LDAZ II（208–150 cm）浮游硅藻比例下降，附生和底栖硅藻增加，指示水位可能下降或水生植被扩展。LDAZ III（150–65 cm）浮游硅藻再次占据优势，指示深水条件恢复，且富营养型硅藻比例向上增加。LDAZ IV（65–0 cm）浮游硅藻比例下降，附生硅藻（尤其是Pseudostaurosira brevistriata）比例显著增加，指示湖泊变浅或大型水生植物繁盛。

4.6 孢粉分析

孢粉数据显示，在约3550 cal yr BP就已出现高于自然背景的非乔木花粉（NAP）和放牧指示植物（如荨麻属Urtica、酸模属Rumex），表明早期畜牧业的存在。约1950 cal yr BP（公元纪元开始时），NAP增加，谷物花粉（Cerealia）首次出现，标志刀耕火种农业的开始。在1400–1300 cal yr BP（公元6–7世纪），所有农业活动指标下降，对应“黑暗时代”的人口减少。自约1100 cal yr BP（公元9世纪）的旧俄罗斯时期起，农业活动再次加强，伴随湖泊富营养化（Pediastrum含量激增）和火灾频率增加（微炭屑含量高峰）。近现代时期，二战后的农村人口减少和1990年代的土地弃耕导致农业活动指标下降，桦树（Betula）花粉比例急剧上升，反映撂荒地的次生演替。

五、讨论与结论总结

讨论部分：研究人员详细论证了为何采用复合年龄-深度模型而非中值模型。孢粉分析揭示的人类活动阶段（如早期畜牧业、铁器时代刀耕火种农业、“黑暗时代”衰落、旧俄罗斯时期复兴、近代工业化后农业转型）与东欧平原南部针阔混交林带已知的考古和历史记录高度吻合，这为复合模型提供了独立的定性验证。此外，研究人员排除了¹⁴C测年数据异常的可能原因（老碳输入），并指出C/N比值的混合特征与此推论一致。在探讨同位素控制因素时，研究人员强调δ¹⁸O_bulk主要受控于水文气候变化（降水δ¹⁸O），而δ¹³C_bulk则与大气CO₂交换和湖泊生物生产力密切相关。δ¹³C-δ¹⁸O协方差分析被用作湖泊水文开放程度的辅助证据。

研究结论翻译：

为普列谢耶沃湖底部沉积物构建了一个年龄-深度模型。所得到的年代学（基于放射性碳和铯数据）通过孢粉学数据进行了定性评估。C/N比值结果表明，湖泊沉积物中的有机碳来源为混合来源。这种碳可能包含一个古老组分，该组分通过含碳酸盐沉积物的侵蚀从流域搬运而来。在解释该区域其他湖泊的放射性碳测年结果时，应考虑这种可能的古老碳输入。

在过去3600年间，普列谢耶沃湖一直以深水中营养型至富营养型条件为特征。在人类活动影响相对较低的时段（3600–2000 cal yr BP），沉积速率主要受气候因素控制。自2000 cal yr BP（公元纪元开始）以来，在不断增强的人为压力（森林砍伐和土地开垦）背景下，湖泊呈现出富营养化的趋势。从那时起，沉积速率的节奏在很大程度上反映了不同历史时期农业方式的变化，而非气候波动。因此，在过去2000年里，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。所识别的模式提高了研究人员对这类湖泊生态系统如何响应人为干扰的可能情景的理解。