湖相沉积物不同组分碳十四定年效果对比：以喜马拉雅山Deoria Tal湖为例

《Radiocarbon》：A comparative analysis of the efficacy of dating?various lake sediment-sourced materials for radiocarbon chronology development

为解决湖相沉积物定年材料选择难题，研究人员对喜马拉雅山Deoria Tal湖沉积物中的菱角种子、摇蚊头壳和全样沉积物进行了配对碳十四测年对比。研究发现，全样沉积物因混入陆源老碳导致年龄偏老，而摇蚊头壳与菱角种子定年结果更可靠。该研究强调了在古环境重建中选择合适定年材料的重要性，并为高海拔湖泊提供了可靠的定年替代方案。

　　

在古环境与古气候研究中，湖泊沉积物就像一本记录地球历史的“天书”，而碳十四测年则是解读这本天书的关键“时间标尺”。然而，这把标尺有时会“失灵”。当科学家们试图利用湖泊沉积物来重建过去的气候变化时，一个核心的挑战在于如何获得一个准确可靠的年代框架。如果时间标尺不准，那么所有关于气候变化速率和模式的解读都可能出现偏差。

那么，问题究竟出在哪里？答案在于沉积物本身。湖泊沉积物是一个复杂的混合物，它既包含在湖水中生长的生物遗骸，也包含从周边陆地冲刷而来的土壤和植物碎屑。这些从陆地带来的有机碳，可能已经在土壤中“沉睡”了数百年甚至数千年，当它们被冲刷进湖泊并沉积下来时，就会给沉积物“注入”老碳，导致测得的碳十四年龄比其真实沉积年代要老得多。这种现象被称为“老碳效应”。此外，在硬水湖泊中，水生植物会吸收含有古老碳的溶解无机碳，也会导致测年结果偏老。

因此，选择合适的测年材料至关重要。理想情况下，科学家们希望找到那些生命周期短、且直接从大气中吸收二氧化碳的生物遗骸，例如陆生植物的种子或叶片。然而，在高海拔或高纬度的湖泊中，这类理想的测年材料往往非常稀少。在这种情况下，研究人员不得不退而求其次，使用全样沉积物进行测年，但这会带来巨大的不确定性。那么，有没有一种既普遍存在、又能提供可靠年代的替代材料呢？

摇蚊的幼虫头壳进入了研究人员的视野。摇蚊是一种广泛分布的水生昆虫，其幼虫头壳由几丁质和蛋白质组成，在沉积物中能够很好地保存下来。更重要的是，摇蚊幼虫主要以水体中的有机物为食，其生命周期短，理论上能够提供接近沉积年代的年龄。然而，摇蚊的食性复杂，它们既可能摄食湖内自生的有机物，也可能摄食从陆地冲刷而来的碎屑，这给其定年结果的可靠性带来了疑问。

为了回答这个关键问题，由Binita Rimal等人组成的研究团队在《Radiocarbon》期刊上发表了一项研究。他们以印度喜马拉雅山地区的Deoria Tal湖为研究对象，开展了一项严谨的对比分析。研究人员从同一根沉积岩心中，成对地提取了三种不同的材料进行加速器质谱碳十四测年：全样沉积物、菱角种子和摇蚊头壳。通过比较这三种材料在同一深度上测得的年龄差异，他们旨在回答一个核心问题：在缺乏理想陆生植物材料的高海拔湖泊中，摇蚊头壳能否作为一种可靠的定年材料？这项研究不仅为古环境重建提供了重要的方法论指导，也揭示了该地区过去数千年间人类活动对湖泊生态系统的深刻影响。

主要技术方法

本研究主要采用了以下关键技术方法：

1. 1.
   样品采集与处理：在印度喜马拉雅山Deoria Tal湖采集了380厘米长的沉积岩心，并从中成对提取了全样沉积物、菱角种子和摇蚊头壳。
2. 2.
   加速器质谱碳十四测年：对上述三种材料进行了加速器质谱测年，并对全样沉积物进行了碳氮比分析，对三种材料进行了稳定碳同位素分析。
3. 3.
   年代模型构建：利用Bchron软件包，分别基于菱角种子、全样沉积物和摇蚊头壳的测年结果，构建了三个独立的年龄-深度模型。
4. 4.
   多指标综合分析：将测年结果与沉积物地球化学指标和花粉分析数据相结合，以解释年龄差异的原因。

研究结果

1. 三种材料的年龄-深度模型对比

研究人员分别基于菱角种子、全样沉积物和摇蚊头壳的测年结果，构建了三个独立的年龄-深度模型。结果显示，基于菱角种子的模型最为可靠，其测年结果在层位上完全有序，且现代菱角种子的测年结果与现代碳水平一致，表明该湖泊不存在硬水效应。基于菱角种子的模型显示，岩心底部（380厘米）的年代约为5200 cal BP。

相比之下，全样沉积物和摇蚊头壳的测年结果在岩心中部（约89-189厘米深度）均出现了年龄倒转，表明这些材料在沉积过程中受到了扰动或混入了不同年代的碳源。

2. 不同材料间的年龄差异

通过比较同一深度上不同材料的测年结果，研究人员发现了显著的年龄差异。全样沉积物的测年结果普遍比菱角种子偏老，且这种差异在时间上呈现出明显的变化趋势。在岩心底部，两者年龄基本一致；但从约300厘米深度开始，差异逐渐增大，在约90厘米深度达到峰值，全样沉积物比菱角种子偏老了约800年。随后，这一差异在表层又减小至约100年。

摇蚊头壳的测年结果则介于全样沉积物和菱角种子之间。在岩心下部，摇蚊头壳的年龄比菱角种子偏年轻；而在岩心中上部，摇蚊头壳的年龄则变得比菱角种子偏老，最大差异约为360年。

3. 稳定碳同位素与地球化学指标的变化

为了解释上述年龄差异的原因，研究人员分析了三种材料的稳定碳同位素组成以及全样沉积物的碳氮比。结果显示，全样沉积物的稳定碳同位素值在约252厘米深度（约1500 cal BP）发生了显著变化，从约-27‰急剧偏负至约-31‰，表明陆源有机碳的输入比例增加。与此同时，沉积物的碳氮比也在此时期开始显著升高，进一步支持了陆源有机质输入增加的推断。

摇蚊头壳的稳定碳同位素值也表现出类似的变化趋势，在约1500 cal BP至900 cal BP期间，其值偏负了约3.85‰，表明摇蚊摄食了更多来自陆地的碎屑物质。

4. 人类活动对沉积记录的影响

研究人员将上述地球化学指标的变化与已有的花粉分析数据进行了对比。发现约1500 cal BP以来，沉积物中禾本科和农作物花粉的含量显著增加，这与稳定碳同位素和碳氮比的变化在时间上高度吻合。这表明，该地区在约1500 cal BP开始，人类活动（如毁林开荒、农业扩张）加剧，导致大量陆源老碳被冲刷进入湖泊，从而造成了全样沉积物和摇蚊头壳测年结果的偏老。

结论与讨论

这项研究通过严谨的对比分析，揭示了在湖泊沉积物定年中，不同材料选择所带来的显著差异。研究证实，全样沉积物由于整合了陆源老碳，其测年结果普遍偏老，且这种偏老的程度会随着人类活动导致的陆源碳输入增加而加剧。摇蚊头壳虽然比全样沉积物更接近真实年代，但其食性的复杂性使其仍然会受到陆源老碳的影响，尤其是在人类活动强烈的时期。

该研究强调了在古环境重建中，选择合适定年材料的极端重要性。菱角种子因其不受硬水效应影响，且生命周期短，被证明是Deoria Tal湖最可靠的定年材料。在缺乏理想植物大化石的高海拔湖泊中，摇蚊头壳可以作为全样沉积物的一个有效替代方案，但需要谨慎评估其潜在的陆源碳影响。

此外，这项研究还提供了一个生动的案例，展示了人类活动如何通过改变流域的碳循环，进而影响湖泊沉积物的定年结果。约1500 cal BP以来，喜马拉雅山地区人类活动的加剧，不仅改变了当地的植被景观，也深刻地改变了湖泊的沉积过程和碳源组成。这提醒我们，在解读古环境记录时，必须将自然气候变化与人类活动的影响区分开来。

总之，这项研究为湖泊沉积物定年提供了重要的方法论指导，并揭示了喜马拉雅山地区晚全新世人类活动的环境效应。通过选择可靠的定年材料，我们能够更准确地重建过去的气候变化历史，从而为预测未来的环境变化提供更坚实的科学基础。