全新世气候变化在水位波动中的体现：来自波兰东北部戈德莱湖沼泽地的证据

《Quaternary International》：Holocene climate changes reflected in water level fluctuation: evidence from peatland of Lake Godle, NE Poland

综合生物与地化学指标重建了波兰Godle湖晚冰期至全新世的水位变化，识别出12,600–10,100 cal yr BP和7,700–5,900 cal yr BP两次高水位期及三次低水位期，揭示了气候变化（包括4.2 ka事件）与人类活动对湖泊生态演替的影响。

　　

埃迪塔·扎维萨（Edyta Zawisza）|乔安娜·米罗斯瓦夫-格拉博夫斯卡（Joanna Miros?aw-Grabowska）|米莱娜·奥布雷姆斯卡（Milena Obremska）|奥尔加·日穆达（Olga ?muda）|乔安娜·科瓦尔奇克（Joanna Kowalczyk）

波兰科学院地质科学研究所，华沙研究中心，Twarda 51/55，PL00818，华沙，波兰

摘要

本研究利用来自戈德尔湖（Godle Lake）泥炭地的5米长沉积物岩芯的多重代用指标，结合生物（枝角类动物、大型化石、水生植物）和地球化学（元素及同位素）数据，重建了该湖泊从晚冰期到全新世的演变过程。研究识别出两个高水位时期（12,600–10,100年前和7,700–5,900年前）以及三个低水位时期（12,600年前、8,600–7,700年前以及4,500年前之后）。枝角类动物的亚化石、大型化石和水生植物为湖泊水位的变化提供了明确的指示。第一个高水位时期（12,600–10,100年前）对应于晚冰期和早全新世，其特征是浮游枝角类动物（尤其是长刺溞属Daphnia longispina）的数量增加、冰川融化导致的水位上升，以及反映气候改善的同位素变化。第二个高水位时期（7,700–5,900年前）则表现为枝角类动物数量两次激增，这表明湖泊处于富营养化状态，同时由于降水量增加，水位也有所上升。相比之下，低水位时期（尤其是12,600年前和4,500年前之后）的特征是浮游生物种类减少、滨岸生物占主导地位、δ¹³C_carb值升高，以及湖泊植被过度生长，这些现象与干旱气候阶段相吻合。

引言

生态演替是一个自然且普遍存在的现象，发生在曾经被最后一次冰川覆盖的地区（维谢尔冰期）。这一过程涉及浅水生态系统（如湖泊）逐渐转变为陆地生态系统，尤其是湿地或泥炭地（Tobolski, 2003; Lamentowicz, 2005; Lamentowicz et al., 2010）。这些转变需要数千至数万年的时间，在塑造地貌以及植物和动物群落多样性方面起着关键作用（Galon, 1954; Kalinowska, 1961; Choiński, 1995; Szeroczyńska and G?siorowski, 2002）。

湖泊形成后，会不断堆积沉积物，导致湖泊逐渐变浅并最终演变为湿地。这一过程不仅受气候条件影响，还受地质、地貌和水文因素的制约。这些变化被记录在湖泊沉积物中，其中保存了自源性和外源性环境过程的痕迹（Tobolski, 2003）。湖泊向泥炭地转化的速度主要取决于湖泊盆地的沉积物填充程度、水位波动以及盐生植物的活动（Choiński, 1995）。水位波动受到自然因素（降水量和蒸散量、干湿季节变化、河流流态变化）和人为因素（如森林砍伐）的影响（Starkel, 1999; Ga?ka and Apolinarska, 2014）。水位下降可能导致湖泊容积减少，引发滨岸带变化，并促使植被入侵和湖泊植被过度生长。

为了追踪湖泊随时间的变化，研究人员通过多重代用指标的古湖沼学方法来重建过去的环境条件。这些方法包括分析水生和挺水植物（基于花粉或大型化石）、浮游动物（包括枝角类动物的亚化石）、沉积物的地球化学和同位素组成以及沉积物年代测定（Birks, 2000; Siitonen et al., 2011; Ga?ka and Apolinarska, 2014）。然而，这些方法的有效性不仅取决于方法的选择，还取决于研究地点的选取。位于偏远且难以到达地区的湖泊和泥炭地是追踪自然环境变化的理想对象，因为这些地方受人类干扰较小（Ga?ka and Apolinarska, 2014）。特别是那些没有水流进出的内流湖，其水位对降水量-蒸发量平衡的变化非常敏感（Magny, 2004），能够高度反映流域范围内的环境变化（Ga?ka and Apolinarska, 2014）。

确定湖泊水位波动的精确原因是一项具有挑战性且常常不确定的任务。这种复杂性源于多种因素的相互作用，包括自然气候变化和人为活动。为了获得可靠和准确的结果，必须谨慎选择研究地点——一个在整个全新世期间都未受到人类经济活动显著影响 的湖泊/古湖泊。

戈德尔湖泥炭地是研究晚冰期和全新世湖泊水位变化及其与气候关系的理想对象。该地区位于波兰东北部，由于周围广阔的泥炭沼泽和森林的天然屏障作用，历史上人类定居活动较少。此外，湖泊和沼泽沉积物中保存了丰富的植物和浮游动物化石，为研究人员提供了重建水位变化的重要数据（Leira and Cantonati, 2008）。选择一个小而孤立的湖泊作为研究地点，且该湖泊周围有较少的人类活动影响，可以更好地追踪自然气候因素，并据此重建过去的湿度变化（Ga?ka and Apolinarska, 2014; Magny, 2004）。像戈德尔湖这样的小型水体对环境变化非常敏感，是研究过去气候变化和人类影响的宝贵指标。

本研究的主要目标是：（1）确定晚冰期和全新世期间相对水位的变化；（2）确定湖泊向泥炭地转化的时间；（3）探究人类活动对湖泊环境的可能影响；（4）评估湖泊对气候变化的敏感性。通过将戈德尔湖观测到的水位变化与其他地区的记录进行比较，本研究还有助于更全面地理解欧洲这一地区的气候驱动环境变化。

研究地点

戈德尔湖位于波兰东北部，属于马苏里亚湖区的埃尔克湖地区（E?k Lakeland，图1）。

该研究区域位于东欧平原上，结晶基底（花岗岩类）埋藏较浅，距离地表约500-600米。中生代和古近纪岩石直接覆盖在结晶基底之上。第四纪沉积物厚度约为200米，位于古近纪（始新世）岩石之上。

岩性和年代学

戈德尔湖的沉积物主要由碎屑沉积物组成（厚度503-270厘米），其中上部（270-1厘米）以泥炭为主。沉积物剖面的详细岩性信息见表1。

从戈德尔湖沉积物中提取的7个AMS ¹⁴C测年数据已进行分析（表2）。这些样本的校正年龄按地层顺序排列。基于这些数据构建了一个年龄-深度模型（图2）。

晚冰期

在区域冰川消退期间（Miros?aw-Grabowska and Grabowski, 2006；Marks, 2023），约15,000年前，气候变暖导致冰块融化，从而开始了该湖泊盆地的形成。当时主要积累的是矿物质沉积物，如粉砂和含少量砾石的沙子。

约13,000年前，随着年轻干期（Younger Dryas, LPAZ-2）的寒冷气候，灌木丛和低矮草本植物开始生长。

结论

对枝角类动物亚化石及其他古湖沼学指标的分析揭示了戈德尔湖在晚冰期和全新世的演变过程。研究结果强调了戈德尔湖在研究过去环境变化及湖泊从水生生态系统向陆地生态系统转变过程中的重要性。

戈德尔湖及其他地区的古湖沼学证据表明，在全新世期间湖泊水位经历了显著波动。

作者贡献声明

埃迪塔·扎维萨（Edyta Zawisza）： 负责撰写初稿、监督研究、方法设计及概念构建。 乔安娜·米罗斯瓦夫-格拉博夫斯卡（Joanna Miros?aw-Grabowska）： 参与研究及概念构思。 米莱娜·奥布雷姆斯卡（Milena Obremska）： 参与研究。 奥尔加·日穆达（Olga ?muda）： 参与研究。 乔安娜·科瓦尔奇克（Joanna Kowalczyk）： 负责数据可视化。

资金来源

本研究得到了波兰科学院地质科学研究所的GODLE项目和JEZIORA项目的支持。本研究未接受任何公共、商业或非营利机构的专项资助。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。