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的的喀喀湖:树蜡揭示气候的过去和未来

作者:莫未民 发布日期:2018-05-28 11:06

  的的喀喀湖位于秘鲁和玻利维亚两国交界的科亚奥高原上,科学家最近发现该湖底的泥沙可以揭示气候变化的过去和未来。

  沿着的的喀喀湖,考古学者发现了玻利维亚早期的蒂瓦纳科文明,该文明出现于公元3世纪,包括秘鲁、玻利维亚和智利,后来发展成为印加文明。

  在这些王国出现以前,的的喀喀湖经历了过山车式的气候变化过程,强弱季风交替影响着湖泊盆地地区,出现洪涝和干旱的轮流变换。伍德霍尔海洋研究所的古气象研究专家,在湖底的泥沙中发现了湖水涨落的规律,进而发现了该地区季风变化的规律。研究人员将气候变化与湖底泥沙中古代植物的树蜡、气温变化联系起来。

  的的喀喀湖泊盆地也是揭示地球气候变化与地貌改变关系的地方。植物吸收空气中的温室气体二氧化碳,并将二氧化碳转化为有机物,以形成植物的枝叶、根和茎。有一部分有机碳被保存在土壤和泥沙中,这些土壤和泥沙可能位于河流的洪泛区,或者是湿地湖泊中。科学家研究发现,这些土壤和泥沙中的有机物碳含量是大气中含量的3倍多。

  地球的气候变化,能够改变陆地生态系统存储有机碳的速度和方式。即使是存储于土壤中的有机碳发生了一个很小的改变,也会对大气中的二氧化碳造成大的变化,还会影响地球未来的气候变化走向。

  今天,当人们正在担心化石燃料的使用会导致大气中二氧化碳增加的时候,研究碳在空气、水和陆地的循环过程,能够对预测未来气候变化提供有价值的帮助。

  这正是伍德霍尔海洋研究所科学家弗兰斯·汀的研究课题,他正在的的喀喀湖底泥沙里存留的古代植物遗迹中寻找答案,这些古代植物可能是低矮的灌木残枝,也可能是多节的腐木,研究的目标是,跟踪这些古代有机碳的踪迹,发现碳存储变化与气候变化的关系。

  的的喀喀湖

  的的喀喀湖位于玻利维亚和秘鲁之间,长达200公里,最宽处80公里,最深处150米,位于科亚奥高原上,该高原位于安第斯山脉的东西分界处。

  的的喀喀湖位于热带赤道地区,一年中大部分的降雨集中在夏季,这时南美季风在赤道南部和亚热带的低洼地区盛行。由于周围环山,的的喀喀湖盆地积聚来自季风的降雨,这里有5条主要河流流入湖泊。

  在大约2万年前的上一个冰川纪,的的喀喀湖是一个相对于今天来说比较凉爽湿润的地方,湿度非常高,以至于的的喀喀湖的蓄水太多,经常造成湖泊漫溢,漫溢的洪水淹没了南部的阿尔蒂普拉诺高原,在那儿形成了很多淡水湖,现在这些地方都变成了盐性平地。

  当地球从冰川纪进入间冰期,北半球高纬地区的气温并没有上升,但是处于暖凉交换状态,最后在1万年前处于稳定的温暖状态。尽管的的喀喀湖在南半球,但湖区盆地的降雨变化与北半球类似地区的变化相似,当北半球是温暖季节时,这里表现出少雨干旱。

  碳与气候

  研究人员搞清楚的的喀喀湖地区过去的气候变化情况后,就可以进一步弄明白气候变化是如何影响地面有机碳存储的。的的喀喀湖盆地面积相对较小,陆地生态系统受外界影响小,这为研究古生物碳存储提供了方便。

  由于未来的地貌不好研究,因此,研究过去陆地生态系统如何对极端气象事件进行反应,能够为人类提供有价值的参考。但是,这样的研究并不是百分之百的准确,因为未来气候的变化不一定会重复过去发生的情景,但是,当人们了解气候与大陆有机碳存储之间的重要关系后,对掌握未来气候变化趋势大有裨益。

  一段时间内,植物的有机碳进入泥土和湿地后,微生物会将有机碳分解,并释放出二氧化碳进入大气,然而,与此同时发生的土壤侵蚀和河流搬运作用,却似乎在与生物的降解作用进行赛跑,因为土壤的侵蚀作用和河流搬运要在生物发生完全降解之前,将生物有机碳搬运到湖底的泥沙中进行保存,以记录气候发生的变化。例如,气候变化造成的飓风和强降水,会导致洪水,能够加快陆地有机碳进入河流和海洋的速度,并被层积在那里。有机碳存储到泥沙中的过程比较复杂,牵涉生态和物理过程较多,速度也不同,有机碳能够在陆地的土壤、湿地和河流洪泛区任何一个地方存留,时间有可能是几个星期,也可能是成千上万年。

  在所有这些因素中,气候对这些变化过程的快慢起着重要作用。生物降解,不论是地面上的,还是地下的,都取决于湿度和降雨,降雨又能够促进地面侵蚀和河流搬运作用,因此,气候对陆地植物存储有机碳影响明显。

  树蜡线索

  看起来似乎不可接受,生物界碳循环最好的例证却存在于水下,因为有机碳在土壤中很难被完好保存成千上万年,但是存积在的的喀喀湖底的分层泥沙却能够完好保存成千上万年。在这些分层的泥沙中存储的有古代植物的完好标本,标本中含有来自陆地的有机碳。2001年,一个由“国际大陆钻探项目”完成的泥沙样本采集,在的的喀喀湖收集到的泥沙测管长达100多米,这为研究该区域陆地有机碳的存储变化提供了方便。

  正如人们想象的那样,泥沙样本的分析有点复杂,泥沙样本的每一段泥沙中都含有古代生物遗迹,包括水生组织、细菌、陆生植物,甚至是来自古代岩石的碳,研究人员首先要将来自陆地的有机碳与其他的碳分离开来,科学家将注意力集中到一种被称为“生物标记”的分子上,这种分子就像人类的指纹一样,通过对“生物标记”的识别,科学家能够区分哪些是来自陆地的有机碳,哪些是来自水中的,或者是来自岩石的。

  研究人员关注一种长链饱和脂肪酸,维管植物(含有纤维管的植物)会产生这种物质,科学家称之为树蜡,树蜡分泌在植物的叶片上,使每种植物有特殊的气息。每个活着的植物都能够产生这种饱和植物酸,通常是由16~18个碳原子组成的链状结构,但是,陆地植物却是唯一能够制造出32~34个碳原子长链结构的植物。陆地植物的有机碳可能呈现出不同的形式,长链饱和脂肪酸能够在新鲜的嫩叶或者土壤中古代植物遗迹中发现,这使得长链饱和脂肪酸成为植物来源于陆地有机碳的良好代表。

  陆地有机碳

  当研究人员将树蜡从样本中分离出来后,就能够使用放射性碳元素衰变技术测定其年龄。这一技术利用了天然碳-14的衰变规律,在特殊情况下,科学家要搞清楚这些分子在沉入湖底以前暴露在陆地上的时间。为了搞清楚树蜡存在于陆地上的时间,科学家需要将树蜡的年龄与发现树蜡的泥沙年龄进行对比。

  科学家还对气候变化影响有机碳存储于泥水中的快慢进行判断,这取决于有机碳通过植物进入土壤、湿地和河流湖泊的速度,样品可能非常古老,或者相对年轻,如果气候变化增加或者减少存储于泥沙中有机碳,就可以从较古老一些和较年轻一些的泥沙中找到答案。■

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来源:水与中国杂志 编辑:李楠