南极阿德雷岛湖泊沉积_企鹅粪土层识别

南极阿德雷岛湖泊沉积_企鹅粪土层识别 第12卷第2期 V o .l 12, N o. 2 极地研究 2000年6月 2000CH IN E SE JOU RN A L O F POLA R R E SEA R CH J une 研究论文 α 南极阿德雷岛湖泊沉积: 企鹅粪土层识别 孙立广 谢周清 ( )中国科技大学极地环境研究室, 合肥 230026 赵俊琳 ( )北京师范大学环境科学研究所, 北京 100875 提要 在 215考察期间, 采集了南极阿德雷岛 湖67. 5长的一支湖芯。室内分析 2CH IN A R E Y cm 测试了部分化学元素的含量, 与南极西湖沉积物、新鲜企鹅粪、阿德雷岛鸟粪土和南沙太平岛鸟 成土的元素特征进行对比后指出该湖泊沉积物为企鹅粪土。元素的聚类分析结果表明该粪土的 元素标型组合包括 、、、、、、、和 等9种元素。这为进一步解释其中所记录的气 PSS rB aC uZnSeC a F 候环境事件提供了依据。 关键词 南极 阿德雷岛 企鹅粪土 元素标型 环南极非冰川覆盖区是随着气候转暖、冰川后退而出现的, 其间发育的湖泊堆积地层 有可能完整地记录着全新世以来的冰川进退和环境演变过程。因此, 国内外许多学者开展 (了 对南极全新世湖泊沉积的研究, 特别是南设得兰群岛湖泊沉积的研究 H odg son and , 1997; . , 1995; . , 1992; 余素华等, 1992; Joh n ston A pp leby et a lX ie Youyu et a lB jo rck et . , 1993; . , 1991; 赵俊琳, 1991; 赵俊琳, 1991; . , 1990; a lB jo rck et a labSchm id t et a lZh ao ), 1990; , 1982; , 1963。从南极湖泊沉积物提取环境演化的证据时, 不 J un lin Om o toO r land ( ) 同学者采用了不同方法: 赵俊琳 1991利用生物地球化学指示法对南极菲尔德斯半岛c 乔治王岛长城站附近的西湖沉积物进行分析, 并定量恢复了该地区距今4000年以来的降 水量, 与智利南部16000年以来的环境对比分析后指出, 乔治王岛的气候受南极辐合带摆 α 年4月收到来稿, 2000年5月收到修改稿。 2000[ 收稿日期 ] ( ) 国家科技项目 攻关计划982927201204项目及中国科技大学校长基金资助。 [ 基金项目 ]孙立广, 男, 1945年生。1968年毕业于南京大学地质学系, 现为中国科技大学地球与空间科学系教 [ 作者简介 ] 授, 主要从事极地环境与资源科学研究。 210 () 动影响; 1995对采自位于南设得兰群岛的 岛的三个湖泊沉积物进行 A pp leby S igny P b137210 137 和定年, 并计算出它们的沉积速率, 根据沉积速率以及和含量证明近100C s P b C s 多年来该地区气温在升高; 另外, 除了从湖泊沉积物中提取气候环境演变信息以外, 还可 () 以提取其它重要信息, 如 分析了 岛湖泊沉积物中的海豹毛含量, 估1997H odg son S igny 算出100多年来海豹数量的变化, 指出海豹数量的变化受到人为活动的影响。本文对采自南极阿德雷岛 湖67. 5长的湖芯沉积物进行了元素地球化学研究, 识别出该湖沉积 2Y cm 物为企鹅粪土。这为进一步通过该湖芯恢复该地区全新世以来的气候演变以及其所包含 的其它环境信息的解释提供了依据。 1 区域环境概况、样品的采集与测试 1. 1 区域环境概况 南极阿德雷岛与西南极乔治王岛菲尔德斯半岛通过沙坝相连。阿德雷岛为国际南极 2 () 科学研究委员会 确定的特别生态保护区, 面积大约为2, 地势平坦而稳定, 最SCA R km 高海拔只有70, 地衣、苔藓生长茂密, 群落分布比较均匀连续, 总的植物覆盖度约占全岛 m 面积的70%, 80% 。该岛企鹅聚集, 1993, 1994年度繁殖期大约有9854只, 主要为金图企 鹅、帽带企鹅、阿德雷企鹅等, 另外, 还分布有其它鸟类如贼鸥、巨海燕等; 企鹅的食物主要 为磷虾、鱼类及甲壳类、软体动物, 其中磷虾是企鹅的主要食物来源; 大磷虾在阿德雷企 鹅、巴布亚企鹅和南极企鹅食物中所占比例分别为81. 79% 、86. 87% 和100% ; 每只企鹅每 3 ) (() 天排泻物大约为84. 5g 干重, 在繁殖期, 企鹅排泄物约139×10k g 吴宝铃等, 1998。 1. 2 样品的采集与测试 采样时湖底基本上处于干涸状态, 在湖床上用内径12且经过清洁处理的 塑 cm PV C 料管对湖底沉积物进行采样, 采样位置如图1所示。湖芯海拔高度大约12, 为67. 52Y m cm 14() 长的原状沉积物, 散发出浓烈的臭味。湖芯底部年龄为 2765?60。样品取得后, 冷藏 C a 保存, 带回实验室进行岩性鉴定描述, 并按1间隔分割样品。cm 采用化学法分析了样品的元素含量。为重量法, 为 容量法, 为重 S iO 2 A l2O 3 ED TA F e 铬酸钾容量法, 为燃烧2碘酸钾容量法, 为离子选择电极法, 、为 2法,S F S rB a IC P A E S 、、、、为紫外可见分光光度法, 、、为原子荧光光度法, 、、P 2O 5T iO 2C rV B A sSeH g K 2ON a2O 、、、、、、、为原子吸收分光光度法。C aOM gOM nOP bN iC uZnGa 2 结果与讨论 2. 1 化学元素聚类分析 湖沉积物的26种元素的含量如表1。2Y 采用相似系数对其中的25种元素进行 聚类分析, 结果如图2所示, 从聚类图中可以R 看出, 沉积物中的25种元素明显的分为三大类, 第一大类包括 S r、C u、P 2O 5、Zn、S、C aO、 Se、B a, 第二类包括 S iO 2、A l2O 3、M gO、N a2O、T iO 2、Ga、V 、F e2O 3、M nO、N i、F eO、A s、C r、B , 第三类包括 、、。P bH gK 2O 图1 阿德雷岛地理位置及 Y 2采样位置 . 1. 2.F igM ap fo r A rd ley P en in su la and sam lp ing loca t ion fo r Y 表1 2湖沉积物26种元素的平均含量和变异系数 Y T ab le 1. T h e m ean va lue s and th e va r ian t coeff icien t s fo r 26 e lem en t s of Y2 L ak e sed im en t. O P 元素S rB aS25SeCuZn 1005. 42 227. 84 2190 61260 10. 15 301. 34 343. 43 平均值()含量 ppm ,39. 2397,,,,,,14414016201. 4555. 20变化范围 2134279609015050040. 12910870 ( ) 变异系数 % 50. 95 16. 49 66. 21 64. 61 104. 93 74. 05 71. 79 O N aO F eO K 元素CaO2M nO2M gOF eO23 85080 6540 940 25090 22950 39030 28300 平均值()含量 ppm 6400,,,,,,,38002105500530013100600变化范围 16880039400143039600453005910060300 ( ) 变异系数 % 38. 49 107. 19 26. 60 31. 73 45. 45 25. 98 54. 81 S iO A lO T iO P b H g A s N i 元素2 23 2 437870 131880 11670 15. 69 0. 073 4. 993 9. 169 平均值()含量 ppm 276500,,,,,,,7020018007. 200. 0192. 374. 8变化范围 17. 6 5912001893001660029. 200. 29813. 13( ) 变异系数 % 18. 78 19. 71 28. 71 29. 38 84. 93 47. 23 37. 13 ƒ ƒ 元素C rVBGaF 47. 78 172. 75 6. 89 16. 65 7700 ƒƒ平均值()含量 ppm 24. 80,,,,,21. 002. 209. 002500变化范围 ƒƒ 69. 8031414. 3123. 4015200 ( )21. 70 44. 41 55. 00 23. 48 97. 18 ƒƒ变异系数 % 2. 2 生物地球化学元素属性的确定 在元素周期表中, 尽管第一类元素的 、的化学性质属于亲铜元素, 、、属 C uZn S rB aSe 于分散元素, 、为生物元素, 而 则属于造岩元素, 但是, 在 湖中均显著相关具有共2SP C a Y 性。沉积物中的 主要有两种来源: 富集 、的物质在湖底的沉积, 以及湖底生长的植, SP SP 物活体的生物富集作用。由于沉积物母岩以及其形成的土壤 、平均含量分别只有183.SP ( ) 48和702. 61赵俊琳, 1991, 远小于 湖芯沉积物中的 、含量2190和2 ppm ppm cY SP ppm 图2 南极 Y2湖沉积序列元素 R 聚类分析图 2. 2. 2 , .F igT h e R m ode clu ste r f igu re fo r sed im en ta ry sequence of Y L ak eA n ta rct ica 61260ppm 。因此, 母岩和其形成的土壤对 Y 2沉积物中 S、P 的富集贡献不大, Y 2湖芯的富 集与生物源有关。长城站火成岩和沉积岩的 含量分别为7. 94、11. 83, 而化石山 Se ppmppm () 上植物化石 含量平均为70. 46赵俊琳, 1991, 即 在植物中的含量一般高于岩Se ppm cSe 石中, 在表生作用过程中是一种生物元素。中国浅海沉积物的元素共生组合研究表明, 在渤海和黄海, 由于化学风化较弱, 钾矿物相对富集, 使得 、形成共生, 而在东海和南 S rB a 海, 化学风化使钾矿物多被分解, 主要来源于生物钙质沉积, 于是 与 形成共生组 S r S r C a ()合, 因此, 的共生组合具有环境指示意义 赵一阳, 焉明才, 1994。湖沉积物中的 2S r Y K 2O 含量变化不大, 且含量较小, 与 、、的变化不一样, 没有形成共生组合, 2湖 、S rB aC a Y S rB a 的共生与钾矿物的含量没有必然的联系, 与 一样也来自生物源, 因此, 、、在 B a S r S rC aB a 湖中表现出共性, 并指示了生物源的贡献。由于 、和 、、、、、共生, 因 2Y C uZn S rC aB aSPSe 此, 2湖芯中的 、也应来自生物源。实际上, 研究资料表明促使 在沉积物中的富 Y C uZn C u 集机制中生物和有机质的作用是一个重要原因, 不少生物软体中有明显的金属富集, 如 蚝, 其 、、平均含量为250、8700和1. 0, 这些元素与有机质形成金属有 C uZnP b ppmppm ppm 机络合物, 当生物死亡之后, 这些金属有机络合物至少有一部分能够抵抗细菌的作用, 从 而在固结的沉积物中出现生物成因的金属与含碳物质的组合, 在沉积物成岩过程中, 大多 数金属有机络合物将分解, 金属也就会释放出来, 造成沉积物比原先的活质还要富集金 属, 海洋生物含铜量高的有100, 500, 陆相有机物通常比海相有机物含铜量低, 平均 ppm ()值大约只有5刘英俊, 曹励明, 1985。南极长城站的一些植物样品如苔藓、水草的 ppm C u ( )含量较高, 分别为192和557. 1赵俊琳, 1991。因此, 这一类元素有可能为富含 ppm ppm c 、、、、、、、的植物的贡献。但是注意到沉积物中 元素含量也相当高, 最 C uZnSPS rB aC aSe F ( 高达到大约1. 2% , 而一般的安山岩和玄武岩 含量平均只有361和402刘英俊, F ppm ppm ) 曹励明, 1985, 另外, 当土壤中 含量高达0. 1%, 0. 05% 时, 会引起植物中毒, 即植物体 F 中 含量较低, 而企鹅粪的 含量可以高达大约1. 1% 。表2列出了新鲜企鹅粪、磷虾和南 F F 极西湖沉积物的部分元素含量。从表2中可以看出由于企鹅以磷虾为主食, 它们的元素含 量变化几乎一致。根据表1和表2, 富含植物残体和有机质的南极西湖沉积物中的 、、、 SPC u、的含量远低于其在 湖、新鲜企鹅粪和磷虾中的含量。综上所述植物不是导致 22 ZnC a Y Y 湖九种元素共生和高含量的主要原因。 ()表2 南极企鹅粪、磷虾和南极西湖沉积物的部分元素含量 ppm 2. 2, , T ab le T h e concen t ra t ion of e lem en t s fo r p engu ind ropp ingk r ill and W e st L ak e sed im en tA n ta rct ica ().ppm 元素 S P Zn Cu Se Ca A l K N a M g T i 中山站企鹅粪 长6900 19954 275 77. 1 12. 54 39800 13579 5311 10758 15900 1020 城站企鹅粪 长城ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ 7200 61900 314 316 13. 87 108900 站磷虾 南极西湖ƒ 2820 34154 417. 4 232. 8 80287 301. 9 941. 6 281. 4 15164 10. 54 沉积物 1297568651022880169974465918370143466324元素 ƒC r V F F e M n N i P b H g A s S r B a 中山站企鹅粪 长ƒ ƒ 17. 5 12300 7. 04 82 1757. 2 199 5. 67 21. 5 0. 11 城站企鹅粪 长城ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ 14725 ƒ ƒ 1696 58. 8 站磷虾 南极西湖9. 477 2. 645 375. 7 16. 66 2. 016 7. 553 ƒ ƒ ƒ 沉积物 35180493897831920 ƒ ƒ ƒƒƒ( ( ) ( ) 注: 1表中磷虾和南极西湖沉积物的元素含量引自赵俊琳, 1991; 2表中各项元素含量按干重计算 烘干温度为 cƒƒ)105?, 24h 表3 太平岛和南极阿德雷岛鸟粪层土壤以及南极 湖沉积物的化学性质和养分状况比较 2Y 3. T ab le Com p a ra t ive re sea rch on ch em ica l and nu t r ien t ch a racte r fo r guano so il of P acif ic Island and A rd2 , 2 .ley Island A n ta rct ica a s w e ll a s Y L ak e sed im en t s () ( )( )( )pH阳离子交换量深度 有机碳 % 全磷 % 全钾 % 剖面号 cm P 2O 5 ( )( ) 1? 5水提 [ƒ+ ƒ] CEC cm o lkg 14- 155. 5515. 346. 070. 5428. 21 24- 256. 0113. 617. 410. 5724. 21 2Y 34- 356. 3010. 394. 980. 5827. 48南极阿德雷岛 64. 5- 67. 56. 1036. 1416. 170. 3840. 57 2423210- 44. 8919. 8913. 190. 4839. 19D 2423224- 87. 1911. 5514. 110. 3683. 43D 10- 208. 467. 517. 530. 04220. 6328A G 20- 458. 476. 423. 000. 05713. 15南沙太平岛 290- 108. 4055. 614. 500. 0481. 82A G 7- 208. 5046. 224. 980. 02420. 52213A G 20- 358. 4715. 38. 360. 0518. 68 Ξ ( ) ( ) ( ) ( ) 注: 1表中24D 2321, 24D 2322数据引自陈杰 1994; 2表中南沙太平岛数据引自龚子同等 1999 ( ) Ξ 陈杰 1994: 南极菲尔德斯半岛土壤形成特殊性的研究, 博士论文 ( 把 湖沉积物元素含量与阿德雷岛企鹅粪土和南沙太平岛鸟粪土进行比较 见表 2Y ( ) )3。尽管南极阿德雷岛与分布于我国东沙、西沙、中沙和南沙等南海诸岛地理位置 纬度有天壤之别, 且其母岩也为非石灰性岩类, 其鸟成土与南海诸岛的富磷岩性均腐土的土 壤性质明显不一样, 如南极鸟成土有机质、全磷、代换量等项均比南海诸岛的磷积石灰土 ( ( ) )高得多, 表土呈酸性。但还是有某些相似之处, 如含磷量都很高 表3。龚子同等 1999认 为之所以产生上述异同是因为两地均为鸟类参与了成土过程。从表3中可以看出 湖沉 2Y () 积物与该地的鸟粪土 242321, 242322性质几乎一样, 即全磷含量都较高且与太平岛相 D D 似, 全钾含量相似且比太平岛高出10 倍左右, 阳离子交换量比鸟粪土低但比太平岛高, 值与该地粪土都表现出酸性而太平岛则呈现出碱性。这表明 湖沉积过程中有鸟类 2pH Y 排泄物参与。鸟粪在 湖中发生沉积的途径和过程存在两种可能: 第一, 从 湖所处的 22Y Y 3 阿德雷岛的生态环境知道, 该地主要为企鹅聚集区, 在繁殖期, 企鹅将排泄出139×10k g 粪, 因此, 鸟粪可能经过冰雪融水的冲刷迁移, 部分最后在湖泊中沉积; 第二, 企鹅或其它 海鸟直接在 湖中排泄鸟粪就地沉积。在沉积过程中, 元素的活动性存在差异, 这由元 2Y 素的变异系数变化特征可以看出, 它们从大到小分别为: > > > > > >SeC u Zn S P 2O 5 S r > , 其中 最大, 最小。C aO B aSe B a 2. 3 其它两类地球化学元素组合属性的确定 第二类的 、等与基岩风化作用有关, 因此, 此类反映了基岩的化学组成特征 S iO 2A l2O 3 和风化作用过程。这一类元素的变异系数从小到大表现为: < < < < < S iA lC rGaF eO M n < < < < < < < < 。元素 和 属于造岩元素, 活动性很弱, 这表 T iN aN iV M gA sF e2O 3 BS i A l 明该地区风化程度较弱, 的变异系数较 小, 这说明沉积环境几乎为还原环境。 F eO F e2O 3 实际上活动性很强的碱金属 、的变异系数就不大, 但是, 二价的 比一价的 N aM g M g N a () 的变异系数大即活动性强, 这表明在极地环境下, 母岩风化壳的脱碱 盐基的损失过程不强烈, 不能被充分地淋失。的变异系数较大。硼在风化壳中的迁移与母岩风化程度及 N a B 风化壳的粘土矿物多少有密切关系, 沉积物中硼的含量既反映母岩风化程度也反映了其 中的粘土矿物的含量, 因此, 2湖沉积物的 含量的变异系数大表征了其粘土矿物的含 Y B 量差别较大。 第三类的 、可能反映了人类活动对极地环境的影响。P bH g 3 结论 南极阿德雷岛 湖沉积为周围高地鸟粪经地表径流冲刷、迁移、沉积形成或就地形2Y 成的企鹅粪土, 其元素标型组合为 S、P、C a、C u、Zn、Se、S r、B a、F 等9种元素。 致谢 感谢国家海洋局极地办和十五次南极科考队长城站队友的大力支持和协助。 参考文献 ( ) 刘英俊, 曹励明 1985: 元素地球化学导论, 北京, 地质出版社, 188- 192. 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