基于介形类的重建揭示了中卡拉哈里地区马卡迪克加迪盆地晚第四纪干湖系统演变过程

《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》：Ostracod-based reconstruction of Late Quaternary playa-lake system evolution within the Makgadikgadi basin, Central Kalahari

　　摘要
马卡迪卡迪盆地（MKB）是位于博茨瓦纳东北部的一个面积达37,000平方公里的复合盐沼-湖泊系统，它是古湖泊马卡迪卡迪的遗迹，地处卡拉哈里盆地的中心地带。重建该盐沼-湖泊系统的第四纪沉积和环境历史对于揭示盆地的演化过程具有重要意义。然而，由于其方法上的挑战，其沉积记录在很大程度上尚未得到研究。本研究采用了多代理方法，结合了使用AMS 14C对介形虫壳进行年代测定、岩相特征分析以及基于介形虫的生物地层学研究，对从恩特维特韦潘（Ntwetwe Pan，西部MKB）采集的四个长约1.6米的岩芯进行了分析。通过对介形虫相对丰度数据进行年龄-深度建模和主成分分析，并结合关键沉积学变量，成功识别出三个具有统计学意义的组合，从而展示了MKB的三个主要演化阶段：（1）晚更新世（约29,000–17,000年前）：湖泊从常年存在变为季节性存在，水体为高盐度至多盐度环境，以S. glabrata介形虫组合为主，同时伴有L. cf. africana；（2）中全新世（约7,600–5,200年前）：形成了盐沼边缘，这一阶段发生在约17,000至6,300年前的停顿之后；（3）中全新世至晚全新世（约5,200年前至今）。最后一个阶段进一步细分为三个子阶段：（i）约5,200–1,600年前：盐沼-湖泊系统处于半永久性状态，水体为淡水至寡盐度环境，以Potamocypris group、I. gibba和Candonopsis spp.等物种为主；（ii）约1,600年前：湖泊逐渐干涸，转变为碱性短暂盐池，以耐旱物种H. giesbrechtii为主；（iii）约1,000年前至今：形成了当前的浅水、高碱度盐湖环境，以咸水介形虫（L. inopinata）为主。这种多代理岩芯分析方法提供了高分辨率的卡拉哈里地区水文气候变化档案，揭示了从常年高盐度环境向短暂高碱度湿地环境的转变过程，这与过去29,000年来南部非洲地区的逐渐干旱趋势及水文气候的变化密切相关。

引言
由于缺乏合适的地质记录或难以建立可靠的年龄模型，对南部非洲中卡拉哈里盆地晚第四纪环境和气候变化的重建一直具有挑战性（例如，Thomas和Shaw, 2002；Thomas等人, 2002）。关于湿润气候和水体分布的证据主要来源于地貌学研究（Thomas和Shaw, 1991, Thomas和Shaw, 2002；Shaw和Thomas, 1996），以及通过海滩脊和考古分析得出的年龄估计（Burrough等人, 2009a, 2009b, 2022；Thomas和Burrough, 2012）。年代测定的不确定性仍然是阻碍准确重建卡拉哈里盆地环境动态的主要因素（Burrough和Thomas, 2008；Burrough等人, 2009a, 2009b；Riedel等人, 2014；Schmidt等人, 2017；Burrough等人, 2022；Franchi等人, 2022）。
马卡迪卡迪盆地（MKB）位于博茨瓦纳的卡拉哈里盆地中心，属于马卡迪卡迪-奥卡万戈-赞比西裂谷盆地（Burrough等人, 2009a；Riedel等人, 2014）的东部区域，其演化过程一直是争议的焦点（例如，Burrough等人, 2009a, 2009b, 2009b, 2022；Moore等人, 2012；Franchi等人, 2022；Gaudaré等人, 2024）。Burrough等人（2022）通过分析盆地内的早期石器时代文物分布和谱系地理证据，提出湖泊在更新世期间逐渐干涸，到500,000年前湖平面下降至海拔936米以下（“静止模型”；Moore等人, 2012；Gaudaré等人, 2024）。而早期的研究（参见Burrough等人, 2009a）则认为在过去200,000年中湖泊经历了多次干涸和高水位期，最后一次湖泊出现是在8,600年前，湖平面位于海拔945米（“动态模型”；Gaudaré等人, 2024）。尽管这两种模型对主要湖泊退缩的时间和事件顺序存在分歧，但都认同意古湖泊马卡迪卡迪最终演变为一个规模较小的三角洲-盐沼-湖泊系统（Chan等人, 2019）。
作为古马卡迪卡迪湖泊系统的遗迹，MKB具有悠久的环境和水文气候变化历史，这一历史可以追溯到更新世时期（Franchi等人, 2022；Lattaud 2026）。如今的MKB由广泛的盐沼-湖泊系统组成，包括恩特维特韦潘和苏阿潘（Sua Pan）。这类盐沼-湖泊系统是特有物种（如介形虫和硅藻）的生物多样性和物种形成动态的热点区域（Lorenschat等人, 2014；Schr?der等人, 2017；Franchi等人, 2022；Szwarc和Namiotko, 2022）。该地区具有丰富的湖泊地貌和岩性类型（如古湖岸线、硅藻岩层和化石三角洲），以及出色的过去水文条件的保存记录（Huntsman-Mapila等人, 2006；Schmidt等人, 2017；Franchi等人, 2022；Burrough等人, 2022）。

MKB的内流洼地湿地可分为三个主要景观区：广阔的盐沼、周围的草原以及季节性湿地（Riedel等人, 2012；Szwarc和Namiotko, 2022）。季节性湿地创造了支持淡水和咸水生态系统的动态环境（Szwarc和Namiotko, 2022）。这种环境条件使得MKB北部、东北部（苏阿潘）和西部中部（恩特维特韦潘）地区形成了临时湿地，为当地动植物提供了重要栖息地（Cooke, 1980；McCulloch等人, 2008；Riedel等人, 2012, Riedel等人, 2014；Szwarc和Namiotko, 2022）。
根据盐沼沉积物中的硅藻组合和氧同位素（δ18Odiatom）记录，Schmidt等人（2017）指出，在海洋同位素阶段5（MIS5）期间，MKB被一个浅而呈碱性的湖泊所占据。随后，从晚更新世开始，环境转变为高度变化且蒸发强烈的盐沼-湖泊环境（Franchi等人, 2022）。大约2,000–1,500年前，气候短暂变湿润，与 medieval warm period 相吻合；随后在小冰期开始的区域性干旱趋势一直持续至今（Franchi等人, 2022）。
本研究利用从恩特维特韦潘西部采集的岩芯中的介形虫组合（作为盐度和湖泊水位的指标），重建了晚更新世至全新世期间MKB的水文和古环境演化过程。具体研究了以下问题：（i）晚更新世至全新世期间恩特维特韦潘的湖泊水位和盐度如何变化？（ii）最后一次冰盛期（LGM）期间介形虫的生态响应如何？本研究结合了AMS放射性碳测年、岩相分析和四个岩芯（长约1.6米）中的介形虫组合的多变量统计分析，得出了迄今为止最详细的MKB水文和生态动态重建结果，为理解晚第四纪水文气候变化对盐沼-湖泊系统的影响提供了新见解，并有助于更好地认识卡拉哈里地区的区域气候演化。

地质背景
MKB下方的结晶基底主要被厚厚的卡鲁超群（Karoo Supergroup）和卡拉哈里群（Kalahari Group）沉积物覆盖，包括现今的盐沼-湖泊系统（Ringrose等人, 2005；Burrough等人, 2022；Franchi等人, 2022；Kahsay等人, 2024）。博茨瓦纳的卡鲁超群由晚石炭世至下侏罗世期间沉积的沉积岩和火山岩组成（图1A；Bordy等人, 2010；Franchi等人, 2021）。

恩特维特韦潘和苏阿潘的地表地质研究共进行了三个野外季节（2023年8月、2024年1月和5月）。在第二和第三个野外季节期间，沿着Franchi等人（2020）描述的扇三角洲西部边缘，采集了四个短岩芯（表1）。其中两个岩芯（NP-DC-01和NP-DC-02）使用直径7.5厘米的聚碳酸酯内衬振动钻头采集。另外两个岩芯...

介形虫丰度和岩芯分布
在四个岩芯中共鉴定出属于Podocopida目6个属12种介形虫（图2）。不同岩芯之间的介形虫总数和相对丰度存在显著差异（补充材料S1）。NP-DC-01中的介形虫总数较少（总计562个壳），其组合以Limnocythere inopinata（35%）、Potamocypris group（P. mastigophora和Potamocypris spp.）（34%）及Limnocythere cf. africana（18%）为主。

介形虫组合与环境关系
Limnocythere组的物种，包括L. inopinata和L. cf. africana，分布最广。这些物种在整个地层序列中均有出现，从晚更新世到全新世均有分布。就丰度而言，其次为H. giesbrechtii和Potamocypris group（P. mastigophora和Potamocypris spp.）（主要存在于全新世），以及S. glabrata（主要存在于晚更新世）。其他物种相对较少，主要出现在全新世期间。

结论
沿遗迹扇三角洲东西向剖面采集的四个岩芯使我们能够重建MKB中恩特维特韦潘（盐沼-湖泊系统）的古环境演化过程。基于介形虫壳的AMS 14C年代测定、岩相特征分析、介形虫生物地层学研究和硅藻层，建立了一个涵盖过去29,000年的地层模型。晚更新世期间，动物群组合以S. glabrata和L. cf. africana为主，表明湖泊为常年存在。

作者贡献声明
Trhas Hadush Kahsay：撰写初稿、可视化、软件应用、方法设计、调查、数据分析、数据管理、概念构建。Asfawossen Asrat：撰写与编辑、监督、方法设计、调查、数据管理、概念构建。Nitesh Sinha：撰写与编辑、监督、概念构建。Marta Marchegiano：撰写与编辑、监督、概念构建。Fulvio Franchi：撰写与编辑、监督、方法设计。

资助
该项目获得了泛非行星与空间科学网络（PAPSSN）的资助。PAPSSN得到了欧盟教育与文化执行机构（EACEA）的非洲内部学术流动计划（Intra-Africa Academic Mobility Scheme）的资助，项目编号为624224。放射性测年部分由Europlanet 2024 RI跨国访问计划提供支持。Europlanet 2024 RI项目得到了欧盟“地平线2020”研究创新计划（Horizon 2020 Research Innovation Programme）的资助。

未引用参考文献
Anadón等人, 2012
Bray和Curtis, 1957
Bryant等人, 2007
Dietrich等人, 2019
Folk和Ward, 1957
Franchi等人, 2025
Heiri等人, 2001
Holmgren等人, 1999
Marquez等人, 2016
Martens和Savatenalinton, 2011
Mazzini等人, 2014
Menviel等人, 2011
Nash和Shaw, 1998
Pourali等人, 2023
Ringrose等人, 2002
Shaw, 1985
Szwarc等人, 2021
Valls等人, 2016

利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的研究结果。

致谢
本研究在土地管理、水资源与卫生服务部颁发的研究许可CMLWS 1/17/4 II（28）的批准下进行。本工作得到了泛非行星与空间科学网络（PAPSSN）和Europlanet 2024研究基础设施跨国访问计划的资助。PAPSSN获得了欧盟教育与文化执行机构（EACEA）的非洲内部学术流动计划的资助，项目编号为...

作者名单
Trhas Hadush Kahsay | Asfawossen Asrat | Nitesh Sinha | Marta Marchegiano | Fulvio Franchi
博茨瓦纳国际科技大学地球科学与工程学院地质与地质工程系，帕拉皮耶，博茨瓦纳