中 国 科 学 D 辑 : 地 球 科 学 2008 年 第 38 卷 第 9 期 : 1078 ~ 1091 www.scichina.com earth.scichina.com SCIENCE IN CHINA PRESS 中 国 东 部 山 地 泥 炭 高 分 辨 率 腐 殖 化 度 记 录 的 晚 冰 期 以 来 气 候 变 化 马 春 梅 1*, 朱 诚 1, 郑 朝 贵 23, 尹 茜 1 1, 赵 志 平 1 南 京 大 学 地 理 与 海 洋 科 学 学 院, 南 京 210093; 2 安 徽 省 滁 州 学 院 国 土 信 息 工 程 系, 滁 州 239012; 3 中 国 科 学 院 南 京 地 理 与 湖 泊 研 究 所, 南 京 210008 * E-mail: chunmeima@nju.edu.cn 收 稿 日 期 : 2008-04-16; 接 受 日 期 : 2008-07-04 国 家 科 技 支 撑 计 划 项 目 ( 编 号 : 2006BAK21B02) 国 家 自 然 科 学 基 金 ( 批 准 号 : 40701190) 国 家 自 然 科 学 基 金 重 大 研 究 计 划 项 目 ( 批 准 号 : 90411015), 教 育 部 博 士 点 新 教 师 基 金 ( 批 准 号 : 20070284067) 和 南 京 大 学 现 代 分 析 中 心 测 试 基 金 项 目 资 助 摘 要 对 中 国 东 部 中 纬 度 季 风 区 内 的 两 处 山 地 泥 炭 神 农 架 大 九 湖 泥 炭 和 天 目 山 千 亩 田 泥 炭 腐 殖 化 度 进 行 了 研 究, 并 对 两 剖 面 的 孢 粉 记 录 有 机 质 含 量 TOC 和 Rb/Sr 对 比 分 析, 结 果 表 明 在 东 亚 季 风 区 山 间 盆 地, 气 候 越 干 冷 时 泥 炭 的 分 解 就 越 强 烈, 以 吸 光 度 表 征 的 腐 殖 化 度 就 越 高 ; 相 反, 当 气 候 较 温 暖 潮 湿 时 泥 炭 主 要 处 于 还 原 状 态, 分 解 较 慢, 腐 殖 化 度 较 低. 大 九 湖 剖 面 的 腐 殖 化 度 记 录 了 晚 冰 期 ( 约 16.0~11.4 cal ka BP) 中 的 新 仙 女 木 (YD)( 约 11.4~12.6 cal ka BP) 冷 干 事 件 博 令 - 阿 勒 罗 德 暖 湿 期 (B-A 暖 期, 约 12.6~15.2 cal ka BP) 最 老 仙 女 木 冷 干 事 件 (OD, 约 15.2~16.0 cal ka BP) 早 全 新 世 的 湿 润 期 ( 约 11.4~9.4 cal ka BP) 8.2 cal ka BP 前 后 的 冷 干 事 件 和 约 7.0~4.2 cal ka BP 之 间 的 全 新 世 最 佳 适 宜 期. 神 农 架 大 九 湖 和 天 目 山 千 亩 田 近 5000 a 以 来 的 泥 炭 腐 殖 化 度 记 录 有 着 很 好 的 一 致 性, 表 明 相 近 纬 度 不 同 经 度 的 山 地 泥 炭 对 东 亚 季 风 降 水 变 化 的 响 应 是 同 步 的. 近 5000 a 来 的 气 候 变 化 在 两 个 山 地 泥 剖 面 中 几 乎 同 步 记 录 有 3 大 阶 段 : 4.9~3.5 cal ka BP, 季 风 降 水 整 体 处 于 高 值, 但 波 动 剧 烈, 其 中, 在 约 4.2 cal ka BP 前 后, 季 风 降 水 急 剧 下 降, 在 3.7 cal ka BP 前 后 达 到 最 干 旱 的 峰 值 后 又 快 速 回 升 ; 3.5~0.9 cal ka BP, 季 风 降 水 强 度 整 体 较 弱, 但 也 存 在 明 显 的 次 级 干 湿 波 动 ; 0.9 cal ka BP 以 来, 吸 光 度 值 逐 渐 降 低, 表 明 季 风 降 水 增 多. 与 中 国 东 部 季 风 区 其 他 高 分 辨 率 沉 积 记 录 对 比, 文 中 亚 高 山 泥 炭 记 录 的 约 1.6 万 年 以 来 的 气 候 变 化 响 应 了 北 半 球 夏 季 太 阳 辐 射 的 统 一 驱 动. 关 键 词 山 地 泥 炭 晚 冰 期 全 新 世 腐 殖 化 度 神 农 架 大 九 湖 天 目 山 千 亩 田 气 候 变 化 晚 冰 期 以 来 气 候 变 化 很 复 杂, 由 于 存 在 几 十 或 几 百 年 重 复 发 生 的 突 变 事 件 而 成 为 全 球 变 化 研 究 的 热 点 [1~6]. 该 时 段 内 高 分 辨 率 气 候 与 环 境 的 重 建 及 其 变 化 机 制 和 表 现 形 式 等 问 题 的 研 究, 有 可 能 为 研 究 近 现 代 气 候 变 化 机 制 几 年 至 千 年 一 遇 的 突 变 事 件 以 及 预 测 数 十 年 至 百 年 地 球 系 统 的 区 域 至 全 球 尺 度 的 变 化 速 率 幅 度 持 续 时 间 及 趋 势 提 供 重 要 的 科 学 依 据. 然 而, 总 结 近 些 年 研 究 成 果 可 知, 学 术 界 对 晚 冰 期 以 来 特 别 是 全 新 世 的 全 球 气 候 变 化 已 经 有 了 初 步 的 认 识, 但 由 于 地 域 特 点, 还 没 彻 底 弄 清 楚 期 间 一 些 重 要 气 候 事 件 和 气 候 阶 段 是 否 具 全 球 性, 如 : 是 否 存 在 全 新 世 大 暖 期 和 最 宜 期? 如 果 存 在 的 话, 它 们 是 1078
中 国 科 学 D 辑 : 地 球 科 学 2008 年 第 38 卷 第 9 期 否 具 有 空 间 一 致 性? 亚 洲 季 风 是 否 存 在 一 致 变 化? 若 存 在 气 候 变 化 模 式 的 空 间 差 异, 驱 动 机 制 是 什 么? 对 一 些 气 候 突 变 事 件 还 缺 乏 足 够 的 证 据 和 系 统 分 析, 限 制 了 对 事 件 发 生 的 时 空 特 征 及 其 空 间 耦 合 机 制 的 研 究. 所 以, 获 取 更 多 连 续 的 高 分 辨 率 研 究 材 料 以 建 立 环 境 变 化 序 列 和 提 取 突 变 事 件 信 息 仍 是 目 前 第 四 纪 科 学 研 究 的 重 要 内 容. 和 其 他 陆 地 沉 积 物 相 比, 泥 炭 具 有 经 济 易 得 沉 积 速 率 较 快 且 沉 积 连 续 沉 积 环 境 与 过 程 稳 定 时 间 尺 度 长 和 适 合 的 代 用 指 标 广 泛 等 优 势 [7], 因 此 它 是 研 究 过 去 气 候 环 境 变 化 的 理 想 档 案 材 料 [8~12], 其 中 山 间 盆 地 泥 炭 一 般 受 人 类 活 动 影 响 很 小 [13], 比 平 原 泥 炭 更 具 优 势. 泥 炭 腐 殖 化 度 是 试 图 定 量 描 述 泥 炭 分 解 程 度 的 指 标, 是 泥 炭 中 无 定 形 腐 殖 质 占 泥 炭 样 品 干 重 的 百 分 率 (%). 由 于 泥 炭 的 分 解 是 在 微 生 物 的 作 用 下 植 物 残 体 降 解 的 过 程, 而 影 响 微 生 物 活 动 的 主 要 因 素 是 水 热 条 件 [14], 所 以 泥 炭 腐 殖 化 度 被 用 作 恢 复 古 气 [15~17] [16,18~21] 候 尤 其 古 水 文 的 代 用 指 标. 但 综 合 近 年 来 文 献 可 知, 国 内 外 对 腐 殖 化 度 环 境 意 义 的 解 释 有 显 著 差 别. 欧 美 大 量 泥 炭 腐 殖 化 度 研 究 结 果 表 明, 气 候 越 干 时 泥 炭 的 分 解 就 越 强 烈, 以 吸 光 度 表 征 的 腐 殖 化 度 就 越 高, 相 反, 当 气 候 较 潮 湿 时 泥 炭 主 要 处 于 还 原 状 态, 分 解 较 慢, 腐 殖 化 度 较 低 [16,18~21]. 而 中 国 学 [22~25] 者 对 青 藏 高 原 红 原 泥 炭 的 研 究 表 明, 以 吸 光 度 表 征 的 腐 殖 化 度 偏 大 指 示 气 候 偏 暖 湿 ; 腐 殖 化 度 偏 小, 指 示 气 候 偏 干 冷 的 结 论. 本 文 对 两 处 山 地 泥 炭, 湖 北 神 农 架 大 九 湖 盆 地 的 泥 炭 和 浙 江 天 目 山 千 亩 田 泥 炭 样 品 进 行 了 腐 殖 化 度 测 定, 结 合 其 他 代 用 指 标, 进 一 步 探 讨 这 一 环 境 替 代 指 标 的 古 气 候 意 义, 研 究 中 国 东 部 季 风 区 晚 冰 期 以 来 气 候 变 化 历 史. 1 研 究 区 概 况 大 九 湖 泥 炭 沼 泽 是 中 纬 度 亚 热 带 地 区 少 有 的 亚 高 山 沼 泽, 位 于 神 农 架 林 区 的 最 西 端, 地 理 坐 标 在 东 经 109º56 ~110º11 与 北 纬 31º24 ~31º33 之 间 ( 图 1), 底 部 海 拔 高 程 在 1760~1700 m 之 间, 面 积 约 16 km 2. 大 九 湖 盆 地 外 围 为 海 拔 2200~2400 m 的 陡 峭 中 山, 地 处 北 亚 热 带, 但 海 拔 较 高, 气 候 冷 湿, 年 平 均 气 温 7.4, 最 热 月 ( 七 月 ) 平 均 气 温 17.2 ; 最 冷 月 ( 一 月 ) 平 均 气 温 2.4 ; 年 平 均 降 水 量 1528.4 mm, 相 对 湿 度 达 80% 以 上. 千 亩 田 泥 炭 沼 泽 位 于 天 目 山 在 浙 江 境 内 的 最 高 峰 龙 王 山 顶 附 近 (30 29 58 N, 119 26 27 E)( 图 1), 地 处 桐 杭 岗 与 千 亩 田 峰 之 间 的 低 洼 处, 海 拔 1338 m. 沼 泽 区 年 平 均 气 温 为 8.8, 年 降 水 量 1870 mm. 沼 泽 周 围 保 存 着 完 好 的 天 然 林 植 被 及 典 型 的 中 亚 热 带 山 地 森 林 生 态 景 观. 土 壤 类 型 为 山 地 黄 棕 壤, 沼 泽 区 主 要 是 山 地 泥 炭 沼 泽 土. 2 材 料 和 方 法 2.1 野 外 采 样 与 剖 面 特 征 2004 年 2 月 16~18 日 在 大 九 湖 盆 地 开 挖 剖 面, 用 特 制 防 锈 白 铁 皮 槽 采 集 到 297 cm 的 泥 炭 剖 面. 采 样 地 点 GPS 地 理 位 置 为 31º29 27 N, 109º59 45 E( 图 1), 海 拔 1760 m. 如 图 2, 根 据 沉 积 物 特 征, 本 文 大 九 湖 剖 面 自 上 而 下 分 为 9 层, 剖 面 描 述 如 下 : 1 0~20 cm 为 多 草 被 的 灰 黑 色 泥 炭 表 土 层 ; 2 20~114 cm 为 黑 色 泥 炭 层 ; 3 114~180 cm 为 多 草 根 的 灰 黑 色 泥 炭 层 ; 4180~ 213 cm 为 青 灰 色 黏 土 ; 5 213~230 cm 含 黏 土 的 灰 黑 色 泥 炭 层 ; 6 230~259 cm 为 棕 褐 色 多 腐 植 物 根 系 的 泥 炭 沼 泽 土 ; 7 259~280 cm 为 灰 黑 色 黏 土, 含 腐 植 物 根 系 ; 8 280~292 cm 为 棕 褐 色 多 腐 植 物 根 系 的 泥 炭 沼 泽 土 ; 9 292~297 cm( 未 见 底 ) 为 含 有 腐 植 物 根 系 的 灰 黑 色 黏 土. 千 亩 田 泥 炭 样 品 采 自 千 亩 田 人 工 剖 面, 剖 面 深 148 cm, 根 据 地 层 岩 性 差 异 自 上 而 下 划 分 为 11 个 层 次 ( 图 2), 分 别 为 : 0~9 cm 为 棕 黑 色 沼 泽 土, 多 植 物 根 系 ; 9~18 cm 为 黑 色 沼 泽 泥 炭 土, 多 植 物 根 系 ; 18~34 cm 为 棕 黑 色 沼 泽 泥 炭 土 ; 34~38 cm 为 黑 色 泥 炭 沼 泽 土 ; 38~44 cm 为 棕 黑 色 沼 泽 泥 炭 土 ; 44~54 cm 为 黑 色 泥 炭 沼 泽 土 ; 54~75 cm 为 棕 黑 色 沼 泽 泥 炭 土 ; 75~104 cm 为 黑 色 泥 炭 沼 泽 土 ; 104~110 cm 为 棕 黑 色 沼 泽 泥 炭 土 ; 110~115 cm 为 棕 灰 色 沼 泽 泥 炭 ; 115~148 cm 为 含 泥 炭 岩 屑 的 灰 黑 色 黏 土. 2.2 室 内 分 析 目 前 国 际 上 对 古 湖 沼 及 泥 炭 的 测 年 方 法 存 在 很 大 争 议. 已 经 认 识 到 从 泥 炭 中 提 取 不 同 组 分 测 年 结 1079
马春梅等: 中国东部山地泥炭高分辨率腐殖化度记录的晚冰期以来气候变化 图1 大九湖泥炭与千亩田泥炭位置与地形示意图 (a) 大九湖和千亩田在中国季风系统中的位置; (b) 大九湖盆地地形图(来自 http://earth.google.com/); (c) 千亩田泥炭的地形(来自 http://earth.google.com/); (d) 大九湖沼泽地景观照片; (e) 千亩田沼泽地景观照片 1080
中 国 科 学 D 辑 : 地 球 科 学 2008 年 第 38 卷 第 9 期 图 2 神 农 架 大 九 湖 泥 炭 与 天 目 山 千 亩 田 泥 炭 剖 面 图 果 有 差 异. 不 过, 如 果 选 择 适 当 的 组 分 60~180 μm 粒 级 的 泥 炭 被 视 为 沉 积 过 程 中 未 完 全 分 解 的 植 物 残 体, 能 够 代 表 泥 炭 沉 积 的 真 实 年 龄 [26]. 此 外, 泥 炭 测 年 可 能 存 在 碳 库 效 应, 混 合 样 的 年 龄 或 许 偏 大 几 百 年, 所 以 用 AMS 技 术 测 定 陆 生 植 物 残 体 比 测 定 有 机 湖 沼 沉 积 物 本 身 要 好, 但 一 些 研 究 也 研 究 发 现 许 多 泥 炭 的 混 合 样 年 龄 与 陆 相 植 物 残 体 的 年 龄 没 有 明 显 的 差 异. 本 文 中 为 达 到 高 分 辨 率 研 究 要 求, 在 大 九 湖 剖 面 上 根 据 深 度 和 岩 性 变 化, 选 择 了 10 个 混 合 泥 炭 样 品, 在 千 亩 田 剖 面 146 cm 处 采 集 1 个 树 木 残 体 样 品, 由 中 国 科 学 院 地 球 环 境 研 究 所 制 样 由 北 京 大 学 重 离 子 物 理 研 究 所 协 助 做 AMS 14 C 年 代 测 定. 为 了 获 取 可 信 年 龄, 对 混 合 样 品 的 前 处 理 选 择 60~180 μm 粒 级 的 泥 炭 ( 湿 选 后, 进 行 HCL-NaOH-HCL 化 学 处 理 ) 进 行 样 品 制 靶 [26]. 另 外, 在 千 亩 田 剖 面 深 度 55, 66, 84 cm 处 分 别 采 集 泥 炭 混 合 样 送 往 中 国 科 学 院 南 京 地 理 与 湖 泊 研 究 所 14 C 实 验 室 进 行 常 规 14 C 测 定. 全 部 数 据 使 用 国 际 通 用 的 校 正 程 序 CALIB 5.01 版 本 (http://www2. glos.ac.uk/accrotelm/) [27] 进 行 日 历 年 校 正. 对 校 正 结 果 采 用 分 段 线 性 拟 合 建 立 年 代 深 度 模 式, 然 后 内 插 外 推 得 出 其 他 样 品 的 年 代. 腐 殖 化 度 的 测 定 采 用 了 传 统 的 碱 提 取 溶 液 吸 光 度 法 [15], 实 验 步 骤 : 将 岩 芯 按 1 cm 间 距 连 续 切 样, 大 九 湖 297 cm 的 剖 面 共 得 到 297 个 样 品, 千 亩 田 148 cm 的 剖 面 共 得 到 148 个 样 品. 样 品 自 然 风 干 前 尽 量 小 心 去 除 现 代 根 系 污 染 ; 之 后, 磨 细 过 60 目 筛, 搅 拌 均 匀, 精 确 称 取 0.1000 g 样 品, 放 入 100 ml 烧 杯 中, 加 入 50 ml 之 前 混 合 好 的 8% 的 NaOH. 在 电 热 板 上 加 热 烧 杯 ( 在 通 风 橱 中 ) 直 到 沸 腾. 降 低 电 热 板 的 温 度, 样 品 微 热 慢 煮 1 h, 使 蒸 发 作 用 达 最 小, 同 时 使 泥 炭 中 的 腐 殖 酸 充 分 浸 出. 冷 却 后, 转 移 至 100 ml 的 容 量 瓶, 稀 释 至 刻 度, 然 后 摇 晃 均 匀. 用 定 量 试 纸 过 滤 样 品. 取 清 液 50 ml 转 入 100 ml 的 容 量 瓶, 用 水 1:1 稀 释 至 刻 度, 摇 晃 均 匀, 用 岛 津 UV-3000 型 分 光 光 度 1081
马 春 梅 等 : 中 国 东 部 山 地 泥 炭 高 分 辨 率 腐 殖 化 度 记 录 的 晚 冰 期 以 来 气 候 变 化 计 对 泥 炭 样 品 的 碱 提 取 物 在 波 长 540 nm 处 进 行 吸 光 度 测 定, 其 吸 光 度 值 即 用 来 表 征 泥 炭 的 腐 殖 化 度, 数 据 以 吸 光 度 的 百 分 率 形 式 给 出. 为 了 对 比 分 析, 我 们 对 所 有 样 品 同 时 做 了 烧 失 量 实 验, 以 简 单 测 定 有 机 质 含 量. 实 验 方 法 : 把 以 1 cm 间 距 连 续 分 得 的 样 品 在 恒 重 坩 埚 中 放 入 105 烘 箱 干 燥 12~24 h, 称 重 后 550 灼 烧 4 h [28,29], 烧 失 部 分 的 重 量 占 干 样 品 重 量 的 百 分 比 即 为 烧 失 量. 腐 殖 化 度 实 验 和 烧 失 量 实 验 均 在 南 京 大 学 现 代 分 析 中 心 完 成. 另 外, 本 文 还 给 出 了 大 九 湖 剖 面 的 有 机 碳 含 量, 实 验 步 骤 : 1) 样 品 烘 干, 研 磨 过 80 目 筛 ; 2) 取 一 定 量 的 样 品, 加 入 5% 的 稀 盐 酸 多 次 搅 拌, 不 断 加 入 稀 盐 酸 直 至 反 应 完 全, 浸 泡 一 昼 夜 ; 3) 用 中 性 去 离 子 水 洗 至 中 性 (ph=7), 烘 干 后 研 磨 过 150 目 筛 ; 4) 根 据 样 品 中 有 机 碳 氮 的 含 量 称 取 一 定 量 的 被 测 样 品 在 锡 舟 紧 密 包 裹 下 送 人 氧 化 炉 中, 由 AS200 型 自 动 进 样 器 FLASH EA1l12 型 元 素 分 析 仪 测 出 TOC 百 分 含 量. 实 验 在 中 国 科 学 院 南 京 地 理 与 湖 泊 研 究 所 湖 泊 沉 积 与 环 境 开 放 重 点 实 验 室 进 行. 两 个 剖 面 的 Rb 和 Sr 的 含 量 用 X 荧 光 光 谱 法 测 定, 即 把 事 先 准 备 好 的 粉 末 状 样 品 压 片, 在 南 京 大 学 现 代 分 析 中 心 利 用 瑞 士 ARL 公 司 生 产 的 ARL-9800 型 X 射 线 荧 光 光 谱 仪 (XRF, X-Ray Fluorescence Spectrometer) 测 定 出 Rb 和 Sr 的 含 量, 误 差 小 于 1 10 6. 孢 粉 数 据 来 自 文 献 [30] 和 [31]. 3 结 果 与 分 析 3.1 年 代 根 据 测 定 结 果 ( 表 1), 结 合 深 度 - 年 代 模 式 ( 图 3) 计 算 了 两 处 泥 炭 剖 面 的 沉 积 速 率 ( 表 2). 大 九 湖 297 表 1 大 九 湖 剖 面 和 千 亩 田 剖 面 测 年 数 据 及 日 历 年 校 正 结 果 剖 面 名 称 实 验 室 编 号 样 品 编 号 深 度 /cm 测 试 材 料 14 C 年 龄 /a BP 日 历 校 正 年 代 1σ/cal a BP XLLQ1632 DJ1 25~26 泥 炭 510±30 (AMS) 528 (515~540) XLLQ1633 DJ2 50~51 泥 炭 1940±30 (AMS) 1896(1865~1926) XLLQ1634 DJ3 80~81 泥 炭 2780±30 (AMS) 2887(2845~2928) XLLQ1635 DJ4 110~111 泥 炭 3490±30 (AMS) 3808(3788~3827) 大 九 湖 剖 面 XLLQ1636 DJ5 140~141 泥 炭 6560±40 (AMS) 7459(7429~7488) XLLQ1637 D26 170~171 泥 炭 7740±30 (AMS) 8531(8508~8553) XLLQ1638 DJ7 220~221 泥 炭 10790±35 (AMS) 12827(12809~12844) XLLQ1639 DJ8 250~251 泥 炭 12400±35 (AMS) 14348(14203~14492) XLLQ1640 DJ9 280~281 泥 炭 12650±35 (AMS) 14936(14816~15055) XLLQ1641 DJ10 296~297 泥 炭 13290±35 (AMS) 15755(15579~15928) KF04080 QMT54~55 54~55 泥 炭 1381±140 ( 常 规 ) 1291(1167~1415) 千 亩 田 剖 面 KF05032 QMT65~66 65~66 泥 炭 2477±131 ( 常 规 ) 2584(2451~2716) KF04086 QMT83~84 83~84 泥 炭 3086±127 ( 常 规 ) 3293(3141~3455) QTM145~146 145~146 古 树 残 体 4135±40 (AMS) 4619 (4578~4659) 表 2 大 九 湖 和 千 亩 田 泥 炭 地 层 沉 积 速 率 推 算 表 剖 面 名 称 深 度 /cm 时 间 跨 度 /cal a BP 沉 积 速 率 /cm a 1 0~25.5 528 0.048 25.5~50.5 1368 0.018 50.5~80.5 991 0.030 80.5~110.5 921 0.033 大 九 湖 剖 面 110.5~140.5 3651 0.0082 140.5~170.5 1072 0.028 170.5~220.5 4296 0.012 220.5~250.5 1521 0.02 250.5~280.5 588 0.051 280.5~296.5 818 0.021 0~54.5 1291 0.042 千 亩 田 剖 面 54.5~65.5 1292.5 0.0085 65.5~83.5 709.5 0.025 83.5~145.5 1325.5 0.047 1082
中 国 科 学 D 辑 : 地 球 科 学 2008 年 第 38 卷 第 9 期 图 3 大 九 湖 泥 炭 与 千 亩 田 泥 炭 剖 面 年 代 深 度 模 式 cm 厚 的 地 层 各 层 沉 积 速 率 是 不 一 致 的. 其 中, 沉 积 速 率 最 快 的 是 280.5~250.5 cm, 沉 积 速 率 为 0.051 cm/a, 140.5~110.5 cm 沉 积 速 率 最 慢 为 0.0082 cm/a, 绝 大 部 分 地 层 沉 积 速 率 在 0.02~0.04 cm/a 之 间, 平 均 约 53 cm/a; 千 亩 田 泥 炭 剖 面 在 65.5~83.5 cm 之 间 沉 积 速 率 最 快, 为 0.025 cm/a, 在 54.5~65.5 cm 之 间 最 慢, 为 0.0085 cm/a, 平 均 约 31.6 cm/a, 均 达 到 高 分 辨 率 研 究 的 要 求. 文 中 根 据 两 个 测 年 数 据 之 间 的 沉 积 速 率, 内 插 推 算 出 每 个 样 品 的 年 龄. 由 于 没 有 近 代 测 年 手 段 控 制, 大 九 湖 0~25 cm 的 样 品 年 龄 和 千 亩 田 0~54 cm 的 样 品 年 龄 由 外 推 所 得. 由 于 两 处 泥 炭 堆 积 目 前 仍 在 进 行, 故 可 假 定 泥 炭 表 面 的 年 龄 为 零. 3.2 环 境 替 代 指 标 的 测 试 结 果 与 腐 殖 化 度 环 境 意 义 泥 炭 的 形 成 是 各 种 自 然 因 素 综 合 作 用 的 结 果, 而 水 热 条 件 是 泥 炭 形 成 的 决 定 性 因 素. 水 分 和 热 量 直 接 影 响 沼 泽 植 物 种 类 生 长 发 育 微 生 物 的 分 解 量 分 解 强 度 泥 炭 累 积, 并 决 定 沼 泽 的 水 文 条 件. 腐 殖 化 度 代 表 泥 炭 的 分 解 程 度, 影 响 泥 炭 腐 殖 化 度 的 因 素 主 要 有 微 生 物 活 动 水 热 状 况 土 壤 酸 碱 度 成 炭 植 物 类 型 等 [14] [32], 最 主 要 的 是 水 热 条 件. 白 光 润 等 在 我 国 不 同 的 8 个 研 究 地 点 进 行 的 植 物 分 解 率 与 水 热 条 件 的 关 系 研 究 证 明 水 热 对 比 制 约 泥 炭 形 成, 泥 炭 对 湿 度 的 表 证 比 温 度 更 敏 感. 另 外, 亚 热 带 1000 m 以 上 高 山 上 普 遍 积 累 泥 炭, 除 温 度 低 的 因 素 以 外, 与 高 山 气 压 低 溶 解 氧 含 量 少 有 关. 泥 炭 腐 殖 化 度 测 定 方 法 原 理 基 于 泥 炭 中 腐 殖 酸 的 比 例 是 随 着 泥 炭 的 分 解 程 度 而 增 加 的. 欧 美 平 原 泥 炭 研 究 者 认 为, 地 表 相 对 干 燥 时 泥 炭 分 解 快, 因 此, 腐 殖 酸 相 对 含 量 的 变 化 可 能 作 为 过 去 湿 度 变 化 的 代 [ 用 指 标 15]. 尽 管 有 人 报 道 腐 殖 化 度 记 录 可 能 因 泥 炭 植 物 成 分 而 偏 差, 且 对 泥 炭 的 腐 烂 过 程 理 解 不 充 分 [33], 但 不 可 否 认, 腐 殖 化 度 在 恢 复 地 表 湿 度 发 生 重 大 变 化 时 是 一 个 很 可 靠 的 代 用 指 标 [33,34]. 2003 年 在 欧 洲 经 济 共 同 体 资 助 下, 由 Chambers 牵 头, 联 合 英 国 德 国 和 法 国 等 9 个 国 家 开 始 一 项 名 为 记 录 欧 洲 陆 地 的 突 然 气 候 变 化 (ACCROTELM)(http://www2.glos.ac. uk/accrotelm/) 研 究 计 划 在 方 法 上, 重 点 把 泥 炭 腐 殖 化 度 指 标 与 泥 炭 中 的 植 物 大 化 石 阿 米 巴 虫 等 指 标 进 行 对 比, 以 进 一 步 认 识 泥 炭 腐 殖 化 度 的 古 气 候 意 义. 2005 年, Borgmark [35] 对 瑞 典 中 南 部 的 两 个 泥 炭 剖 面 提 取 了 过 去 10000 a 的 腐 殖 化 度 记 录, 并 利 用 功 能 谱 分 析 揭 示 出 该 地 250 a 的 气 候 变 化 周 期. 总 结 起 来, 欧 美 平 原 泥 炭 腐 殖 化 度 的 环 境 意 义 主 要 为 : 气 候 越 干 时 泥 炭 的 分 解 就 越 强 烈, 以 吸 光 度 表 征 的 腐 殖 化 度 就 越 高, 相 反, 当 气 候 较 潮 湿 时 泥 炭 主 要 处 于 还 原 1083
马 春 梅 等 : 中 国 东 部 山 地 泥 炭 高 分 辨 率 腐 殖 化 度 记 录 的 晚 冰 期 以 来 气 候 变 化 状 态, 分 解 较 慢, 腐 殖 化 度 较 低. 我 国 目 前 主 要 对 青 藏 高 原 若 尔 盖 地 区 的 红 原 泥 炭 进 行 了 腐 殖 化 度 的 测 定 和 研 究 [22~25], 把 其 当 作 夏 季 风 的 代 用 指 标 [25], 认 为 湿 润 温 暖 的 气 候 条 件, 即 湿 暖 气 候 组 合, 一 方 面 促 进 植 物 初 级 生 产 力 提 高, 提 供 较 多 的 植 物 残 体 进 行 腐 解 ; 另 一 方 面 也 提 高 了 微 生 物 的 分 解 能 力. 这 两 方 面 的 综 合 作 用 使 得 泥 炭 中 无 定 形 腐 殖 质 百 分 含 量 增 高, 即 腐 殖 化 度 增 高 ; 反 之, 在 干 旱 寒 冷 的 气 候 条 件, 即 干 冷 气 候 组 合, 不 仅 使 植 物 初 级 生 产 力 减 弱, 仅 能 提 供 较 少 的 植 物 残 体 进 行 腐 解, 而 且 同 时 使 微 生 物 分 解 能 力 也 减 弱, 导 致 泥 炭 中 无 定 形 腐 殖 质 的 百 分 比 降 低, 即 泥 炭 的 腐 殖 化 度 降 低. 因 此, 泥 炭 的 腐 殖 化 度 反 映 了 腐 殖 化 分 解 作 用 的 综 合 影 响, 因 此 也 间 接 地 反 映 了 水 热 条 件 的 影 响. 泥 炭 的 腐 殖 化 度 较 高, 指 示 气 候 较 湿 暖 ; 泥 炭 的 腐 殖 化 度 较 低, 指 示 了 气 候 较 干 冷 [22,23]. 可 见, 目 前 国 内 外 学 术 界 对 泥 炭 腐 殖 化 度 的 环 境 指 示 意 义 存 在 很 大 的 分 歧. 为 了 弄 清 本 文 中 东 部 季 风 区 亚 高 山 山 间 盆 地 泥 炭 腐 殖 化 度 的 环 境 意 义, 图 4(d) 和 (e) 给 出 了 千 亩 田 泥 炭 和 大 九 湖 泥 炭 的 吸 光 度 测 试 结 果, 并 对 比 分 析 了 两 处 泥 炭 的 孢 粉 数 据, 对 水 生 草 本 植 物 花 粉 ( 狐 尾 草 属 Myriophyllum 荇 菜 属 Nymphoidies 泽 泻 科 Alisma 莎 草 科 Cyperaceae 眼 子 菜 科 Potamogetonaceae 和 香 蒲 属 Typha) 百 分 含 量 与 有 机 质 ( 图 4) Rb/Sr( 图 5) 等 指 标 进 行 详 细 的 比 较 研 究. 烧 失 量 是 对 高 温 燃 烧 之 后 土 壤 有 机 质 的 损 失 量 (loss-on-ignition) 的 测 定 [29]. 近 年 来 的 研 究 表 明, 通 过 图 4 大 九 湖 泥 炭 和 千 亩 田 泥 炭 的 腐 殖 化 度 与 TOC 湿 生 花 粉 百 分 比 含 量 的 比 较 (a) 千 亩 田 泥 炭 550 烧 失 量 ; (b) 大 九 湖 泥 炭 TOC 百 分 含 量 ; (c) 大 九 湖 泥 炭 550 烧 失 量 ; (d) 千 亩 田 泥 炭 腐 殖 化 度 ; (e) 大 九 湖 泥 炭 腐 殖 化 度 ; (f) 大 九 湖 泥 炭 湿 生 花 粉 百 分 含 量 ; (g) 千 亩 田 泥 炭 湿 生 花 粉 百 分 含 量 1084
中 国 科 学 D 辑 : 地 球 科 学 2008 年 第 38 卷 第 9 期 图 5 千 亩 田 和 大 九 湖 剖 面 的 Rb/Sr 记 录 对 地 层 剖 面 的 有 机 质 损 失 量 的 测 定, 可 以 粗 略 表 示 有 机 碳 含 量, 反 映 出 过 去 气 候 和 环 境 状 况, 因 而 烧 失 量 的 数 值 波 动 所 对 应 的 环 境 状 况 和 气 候 特 征 具 有 明 显 的 指 示 意 义. 图 4(b)( 大 九 湖 泥 炭 TOC 百 分 含 量 ) 和 (c)( 大 九 湖 泥 炭 550 烧 失 量 ) 两 条 曲 线 几 乎 完 全 一 致, 说 明 简 单 的 烧 失 法 得 出 的 沉 积 物 烧 失 量 变 化 可 以 反 映 沉 积 物 中 有 机 碳 含 量 变 化, 进 而 可 以 反 映 出 沉 积 物 中 有 机 质 的 含 量 变 化. 以 往 学 者 的 研 究 表 明 [9], 东 部 季 风 区 泥 炭 有 机 碳 含 量 越 高, 说 明 越 干 的 气 候 特 点. 由 图 4 可 以 看 出, 两 个 剖 面 的 吸 光 度 曲 线 与 TOC 含 量 有 机 质 含 量 ( 用 550 烧 失 量 表 征 ) 呈 明 显 的 正 相 关, 和 水 生 草 本 花 粉 的 百 分 含 量 曲 线 基 本 呈 负 相 [30,31] 关. 从 两 剖 面 的 孢 粉 图 谱 看 3.7~0.9 cal ka BP 之 间, 水 生 草 本 和 蕨 类 均 为 本 剖 面 最 低. 木 本 植 物 中, 针 叶 树 所 占 百 分 比 较 小 ; 阔 叶 树 中 桦 和 落 叶 栎 百 分 比 高 而 较 稳 定, 属 于 含 常 绿 树 种 的 落 叶 阔 叶 林, 体 现 [36] 出 较 干 的 气 候 特 点. 而 Zhao 等 对 大 九 湖 盆 地 另 一 个 深 120 cm 的 泥 炭 剖 面 (4.7 cal ka BP 以 来 的 连 续 沉 积 ) 的 孢 粉 植 物 大 化 石 地 球 化 学 元 素 等 多 指 标 分 析 也 表 明 该 研 究 区 域 气 候 在 3.6 cal ka BP 前 后 由 湿 润 转 为 干 旱. 但 在 8.2 ka BP 前 后, 湿 生 花 粉 比 例 明 显 增 大, 出 现 高 峰, 但 随 后 就 是 一 个 低 谷, 这 可 能 因 为 气 候 由 早 全 新 世 的 湿 润 转 为 冷 干 时 大 九 湖 水 位 降 低, 大 面 积 湖 滩 地 出 露, 使 得 湿 生 花 粉 增 加, 但 随 着 干 旱 程 度 和 范 围 的 增 大, 湿 生 花 粉 含 量 又 减 少. 而 在 约 11.4~12.6 cal ka BP 和 约 15.2~16.0 cal ka BP 之 间, 也 是 属 于 冷 干 事 件, 但 由 于 其 变 幅 很 大, 滩 地 变 干, 不 适 宜 湿 生 植 物 生 长, 其 花 粉 浓 度 下 降. 图 5 中 两 处 泥 炭 剖 面 的 Rb, Sr 及 Rb/Sr 的 记 录 进 一 步 对 比 说 明 了 腐 殖 化 度 的 环 境 意 义. 通 常 认 为 元 素 在 表 生 环 境 中 具 有 不 同 的 地 球 化 学 行 为, 化 学 风 化 时 一 些 碱 及 碱 金 属 元 素 容 易 迁 移 淋 失. Sr 属 于 易 迁 移 元 素, 一 般 的 水 热 条 件 即 可 从 风 化 壳 中 淋 溶 出 来, 而 Rb 元 素 迁 移 能 力 较 弱, 只 有 在 湿 润 条 件 下, 化 学 风 化 作 用 和 生 物 作 用 较 强 时, 才 能 够 从 岩 石 中 迁 出, 所 以 Rb/Sr 越 大, 气 候 越 潮 湿, 反 之 则 干 燥 [37]. 从 图 5 可 以 看 出, 整 体 来 说, 两 个 剖 面 的 Rb, Sr 含 量 和 Rb/Sr 呈 正 相 关, 和 腐 殖 化 度 曲 线 ( 图 4) 呈 显 著 的 反 相 关, 说 1085
马 春 梅 等 : 中 国 东 部 山 地 泥 炭 高 分 辨 率 腐 殖 化 度 记 录 的 晚 冰 期 以 来 气 候 变 化 明 以 吸 光 度 表 征 的 腐 殖 化 度 越 大, Rb, Sr 含 量 和 Rb/Sr 越 低, 气 候 越 干 旱. 但 在 8.2 ka BP 前 后, 及 约 16.0~11.4 cal ka BP 之 间 的 晚 冰 期 内, Rb/Sr 曲 线 出 现 [38] 和 Rb, Sr 及 腐 殖 化 度 曲 线 反 相 关 的 趋 势. 金 章 东 等 认 为 湖 泊 沉 积 物 的 Rb/Sr 比 值 受 气 候 变 化 制 约 的, 高 Rb/Sr 比 值 是 湖 泊 沉 积 物 中 Sr 低 含 量 决 定 的, 反 映 处 于 不 利 于 岩 石 风 化 的 寒 冷 气 候 条 件. 大 九 湖 剖 面 下 部 Rb/Sr 值 和 中 上 部 Rb/Sr 指 示 意 义 的 不 同 可 能 和 盆 地 内 流 域 面 积 变 化 及 泥 炭 累 积 导 致 的 元 素 风 化 差 异 有 关. 限 于 本 文 篇 幅 和 研 究 重 点, 关 于 这 两 处 山 地 泥 炭 Rb, Sr 和 Rb/Sr 记 录 将 另 文 给 出 详 细 研 究. 总 之, 以 上 的 多 指 标 对 比 分 析 表 明, 以 吸 光 度 百 分 率 表 征 的 泥 炭 腐 殖 化 度 是 研 究 气 候 变 化 的 良 好 环 境 替 代 指 标. 对 东 亚 季 风 区 中 纬 度 亚 高 山 的 山 间 盆 地 泥 炭 来 说, 气 候 越 干 冷 时, 地 表 有 效 湿 度 ( 降 水 量 蒸 发 量 ) 越 小, 泥 炭 的 分 解 就 越 强 烈, 腐 殖 化 度 就 越 高 ; 相 反, 当 气 候 较 温 暖 潮 湿 时, 地 表 有 效 湿 度 ( 降 水 量 蒸 发 量 ) 大, 泥 炭 主 要 处 于 还 原 状 态, 分 解 较 慢, 腐 殖 化 度 较 低. 分 析 认 为, 东 部 季 风 区 基 础 温 度 比 青 藏 高 原 高, 地 下 水 位 变 化 大, 对 已 经 是 湖 沼 的 地 区 而 言, 降 水 量 增 大, 对 植 物 生 长 不 利, 腐 殖 化 度 和 有 机 碳 含 量 便 会 减 小. 而 青 藏 高 原 东 部 较 东 部 季 风 区 高 度 大, 降 水 相 对 少, 温 度 低, 暖 湿 的 气 候 使 得 微 生 物 活 动 强 烈, 地 表 冻 结 时 间 缩 短, 植 物 生 长 量 加 大, 泥 炭 腐 殖 化 度 高, 有 机 碳 含 量 也 增 大. 3.3 东 部 山 地 泥 炭 腐 殖 化 度 记 录 的 晚 冰 期 来 的 气 候 变 化 由 图 6 可 以 看 出 以 下 特 点 : (ⅰ) 大 九 湖 泥 炭 约 16.0 cal ka BP 以 来 的 泥 炭 吸 光 度 在 0~47.1% 之 间, 变 化 幅 度 较 大, 平 均 19.0%, 并 整 体 上 呈 现 出 晚 冰 期 和 早 全 新 世 为 低 值 中 晚 全 新 世 高 值 的 特 点 ; 千 亩 田 泥 炭 4.7 cal ka BP 以 来 的 泥 炭 吸 光 度 在 7%~33.3% 之 间, 平 均 16.4%. 总 体 看 来, 近 5000 a 以 来 的 大 九 湖 泥 炭 腐 殖 化 度 大 于 千 亩 田 泥 炭, 这 可 能 与 两 处 泥 炭 的 海 拔 不 同 靠 海 的 远 近 不 同 及 地 方 因 素 引 起 的. 但 是, 两 条 曲 线 变 化 又 有 很 强 的 一 致 性. 考 虑 到 两 个 剖 面 测 年 数 据 存 在 一 定 误 差 的 条 件 下, 可 以 看 出, 这 两 处 山 间 盆 地 泥 炭 对 近 5 ka BP 以 来 的 季 风 降 水 的 响 应 记 录 总 体 是 一 致 的, 仅 在 细 微 处 有 差 异. (ⅱ) 近 5000 a 来 的 气 候 变 化 在 两 个 中 纬 度 山 地 图 6 大 九 湖 泥 炭 与 千 亩 田 泥 炭 的 腐 殖 化 度 曲 线 1086
中 国 科 学 D 辑 : 地 球 科 学 2008 年 第 38 卷 第 9 期 泥 炭 剖 面 中 几 乎 同 步 记 录 有 3 大 阶 段 : 4.9~3.5 cal ka BP, 泥 炭 吸 光 度 处 于 低 值, 说 明 季 风 降 水 整 体 处 于 高 值, 但 波 动 剧 烈, 其 中, 在 约 4.2 cal ka BP 前 后, 季 风 降 水 急 剧 下 降 ( 吸 光 度 值 快 速 增 大 ), 在 3.7 cal ka BP 前 后 达 到 最 干 旱 的 峰 值 后 又 快 速 回 升 ; 3.5~0.9 cal ka BP, 季 风 降 水 强 度 整 体 较 弱 ( 吸 光 度 值 整 体 偏 高 ), 但 也 存 在 明 显 的 次 级 干 湿 波 动 ; 0.9 cal ka BP 以 来, 吸 光 度 值 逐 渐 降 低, 表 明 季 风 降 水 增 多, 气 候 变 得 暖 湿. (ⅲ) 大 九 湖 剖 面 的 腐 殖 化 度 记 录 了 晚 冰 期 ( 约 16.0~11.4 cal ka BP) 中 的 新 仙 女 木 (YD)( 约 11.4~12.6 cal ka BP) 冷 干 事 件 ( 泥 炭 吸 光 度 值 为 高 峰 ) 博 令 - 阿 勒 罗 德 暖 湿 期 (B-A 暖 期 )( 约 12.6~15.2 cal ka BP)( 泥 炭 吸 光 度 值 为 低 谷 值 ) 最 老 仙 女 木 冷 干 事 件 (OD)( 约 15.2~16.0 cal ka BP) ( 泥 炭 吸 光 度 值 为 高 峰 ) 早 全 新 世 的 湿 润 期 ( 约 11.4~9.4 cal ka BP)( 泥 炭 吸 光 度 值 为 剖 面 最 低 谷 ) 和 8.2 cal ka BP 前 后 的 冷 干 事 件 ( 泥 炭 吸 光 度 值 为 高 峰 ). 在 约 7.0~4.2 cal ka BP 之 间, 沉 积 物 的 吸 光 度 接 近 剖 面 平 均 值, 且 较 稳 定, 说 明 此 阶 段 温 度 和 湿 度 尤 其 有 效 湿 度 ( 降 水 量 蒸 发 量 ) 适 中, 应 该 是 全 新 世 最 佳 适 宜 期. 4 讨 论 为 了 进 一 步 探 讨 两 处 山 地 泥 炭 记 录 的 季 风 降 水 变 化 的 信 息, 本 文 利 用 已 发 表 的 贵 州 董 哥 洞 平 均 分 辨 率 为 5 a 的 DA 石 笋 δ 18 O 记 录 [39] ( 图 7(a)) 和 与 大 九 湖 剖 面 位 于 相 同 研 究 区 域 的 神 农 架 山 宝 洞 石 笋 δ 18 O 记 录 [40] ( 图 7(b)) 进 行 对 比 分 析. 可 以 看 出 : 大 九 湖 和 千 亩 田 两 处 泥 炭 的 腐 殖 化 度 记 录 的 来 季 风 降 水 变 化 和 神 农 架 山 宝 洞 石 笋 贵 州 董 哥 洞 石 笋 δ 18 O 记 录 总 体 趋 势 有 一 致 性. 大 九 湖 泥 炭 腐 殖 化 度 显 著 记 录 的 晚 冰 期 ( 约 16.0~11.4 cal ka BP) 中 的 新 仙 女 木 (YD)( 约 11.4~12.6 cal ka BP) 冷 干 事 件, 博 令 - 阿 勒 罗 德 暖 湿 期 (B-A 暖 期 ) (12.6~15.2 cal ka BP) 和 最 老 仙 女 木 冷 干 事 件 (OD)( 约 15.2~16.0 cal ka BP) 和 神 农 架 山 宝 洞 石 笋 贵 州 董 哥 洞 石 笋 δ 18 O 记 录 在 时 间 和 变 化 特 征 上 大 体 一 致. 大 九 湖 泥 炭 腐 殖 化 度 曲 线 明 显 体 现 出 早 全 新 世 (11.4~9.4 cal ka BP) 的 最 湿 润 期 和 8.2 cal ka BP 前 后 的 冷 干 事 件, 这 在 两 处 石 笋 δ 18 O 记 录 也 有 体 现, 但 山 宝 洞 石 笋 对 8.2 ka BP 冷 事 件 反 映 不 够 显 著. 在 约 7.0~4.2 cal ka BP 之 间, 大 九 湖 泥 炭 腐 殖 化 度 和 山 宝 洞 石 笋 δ 18 O 记 录 均 总 体 体 现 出 较 平 稳 的 变 化 趋 势, 说 明 该 阶 段 气 候 较 稳 定, 但 山 宝 洞 记 录 的 早 中 全 新 世 气 候 变 化 没 有 大 九 湖 泥 炭 反 映 的 明 显. 几 条 曲 线 都 表 明 在 4.2 cal ka BP 前 后, 出 现 中 晚 全 新 世 气 候 转 型, 由 湿 润 快 速 转 向 干 旱, 标 志 着 中 全 新 世 气 候 适 宜 期 的 快 速 结 束. 神 农 架 山 宝 洞 石 笋 数 据 不 全 [40], 而 董 [39] 哥 洞 石 笋 氧 同 位 素 数 据 表 明 距 今 约 800 a 以 来 季 风 降 水 呈 明 显 的 上 升 趋 势, 和 两 处 泥 炭 剖 面 的 腐 殖 化 度 记 录 具 一 致 性. 由 此 可 见, 两 处 泥 炭 剖 面 的 腐 殖 化 度 记 录 和 研 究 区 域 及 相 近 区 域 的 高 分 辨 率 石 笋 δ 18 O 记 录 具 有 较 好 的 对 比 性, 但 在 细 节 处 有 一 定 差 别, 这 可 能 和 记 录 载 体 ( 石 笋 和 泥 炭 ) 的 本 身 性 质 差 异 分 辨 率 及 小 区 域 气 候 差 异 性 有 关. 与 东 亚 季 风 区 其 他 地 质 记 录 比 较 来 看, 哈 尼 泥 炭 纤 维 素 δ 13 [41] C 数 据 表 明 东 亚 季 风 区 近 5.0 cal ka BP 以 来 的 气 候 变 化 有 着 和 本 文 两 泥 炭 剖 面 记 录 的 气 候 变 化 有 一 致 性, 即 在 近 5.0 cal ka BP 至 约 4.0 cal ka BP 属 于 暖 湿 期, 约 4.0 cal ka BP 后 期 后 转 为 凉 干, 在 约 1.0 cal ka BP 后 又 有 转 为 暖 湿 的 趋 势, 表 现 为 气 候 [ 9,42] 变 化 的 3 个 阶 段. 而 华 南 的 江 西 定 南 大 湖 泥 炭 (24 41 N, 115 E, 海 拔 为 250~260 m)toc 等 记 录 到 晚 冰 期 的 新 仙 女 木 冷 事 件 和 博 令 - 阿 勒 罗 德 暖 湿 期 (B-A 暖 期 ), 显 示 全 新 世 适 宜 期 发 生 在 10.0~6.0 cal ka BP, 6.0~4.0 cal ka BP 的 中 全 新 世 是 寒 冷 干 燥 期 ; 其 孢 粉 [43] 数 据 也 表 明 大 湖 地 区 15.6~11.6 cal ka BP 之 间 孢 粉 植 被 是 有 常 绿 阔 叶 树 的 落 叶 阔 叶 林, 气 候 温 和 湿 润 ; 11.6~6.0 cal ka BP 之 间 孢 粉 植 被 演 替 为 栲 / 石 栎 为 建 群 种 的 常 绿 阔 叶 林, 气 候 温 暖 湿 润 ; 6.0 cal ka BP 以 来, 孢 粉 组 合 最 大 特 点 是 木 本 植 物 花 粉 急 剧 减 少, 草 本 植 物 花 粉 在 后 期 含 量 高, 蕨 类 孢 子 急 剧 增 多, 孢 粉 植 被 与 6.0 cal ka BP 以 前 比 较, 发 生 了 明 显 的 变 化, 气 候 环 境 在 6.0 cal ka BP 左 右 向 凉 干 转 化, 在 约 3.0 cal ka BP 前 后 发 生 转 变, 由 凉 干 转 向 暖 湿. 这 和 大 九 湖 记 录 到 的 晚 冰 期 及 早 全 新 世 气 候 变 化 有 一 致 性, 但 与 两 个 泥 炭 剖 面 多 种 指 标 揭 示 4.2 cal ka BP 前 后 季 风 发 生 转 型 由 暖 湿 转 向 干 冷 不 一 致, 可 能 与 纬 度 位 置 和 海 拔 高 度 有 关. 青 海 湖 晚 冰 期 以 来 沉 积 物 孢 粉 碳 酸 盐 有 机 C, N 和 有 机 δ 13 C 等 多 项 指 标 高 分 辨 率 分 [44,45] 析 表 明, 15.4 cal ka BP 起, 气 候 开 始 向 暖 湿 化 1087
马 春 梅 等 : 中 国 东 部 山 地 泥 炭 高 分 辨 率 腐 殖 化 度 记 录 的 晚 冰 期 以 来 气 候 变 化 图 7 大 九 湖 和 千 亩 田 泥 炭 吸 光 度 与 东 亚 季 风 区 高 分 辨 率 石 笋 氧 同 位 素 记 录 对 比 (a) 贵 州 董 哥 洞 平 均 分 辨 率 为 5 a 的 DA 石 笋 记 录 [39] ; (b) 神 农 架 山 宝 洞 石 笋 的 δ 18 O 记 录 [40] ; (c) 大 九 湖 泥 炭 腐 殖 化 度 曲 线 ; (d) 千 亩 田 泥 炭 腐 殖 化 度 曲 线 发 展, 7.4 cal ka BP 时 达 到 了 暖 湿 组 合 的 鼎 盛 期, 4.5 cal ka BP 以 后 气 候 又 逐 步 转 入 冷 干, 这 和 大 九 湖 沉 积 记 录 有 着 一 致 性. 广 东 湛 江 湖 光 岩 玛 珥 湖 高 分 辨 率 [46] 孢 粉 记 录 显 示 中 国 南 方 热 带 - 亚 热 带 地 区 高 温 湿 润 的 全 新 世 适 宜 期 发 生 在 早 全 新 世 (9.5~8.0 cal ka BP), 晚 全 新 世 4.2 cal ka BP 开 始, 草 本 植 物 和 山 地 针 叶 植 物 花 粉 明 显 增 多, 揭 示 出 晚 全 新 世 湖 光 岩 地 区 温 度 湿 度 明 显 下 降. 该 湖 沉 积 物 晚 冰 期 以 来 的 TOC [47] 磁 化 率 Ti 元 素 含 量 等 环 境 替 代 指 标 表 明 了 相 似 的 晚 冰 期 季 风 变 迁 特 征 和 早 全 新 世 湿 润 的 气 候 特 点, 但 在 约 7.0~5.0 cal ka BP 之 间 体 现 出 夏 季 风 的 低 谷 和 大 九 湖 泥 炭 腐 殖 化 度 记 录 的 水 热 配 置 的 最 佳 适 宜 期 不 相 符 合. 而 海 南 岛 双 池 玛 尔 湖 全 新 世 高 分 辨 率 粒 [48] 度 黏 土 矿 物 C/N 孢 粉 藻 类 等 记 录 显 示 热 带 湖 泊 全 新 世 高 温 期 为 7.2~2.7 cal ka BP, 在 2.7 cal ka BP 前 后 气 候 模 式 发 生 转 变, 和 中 纬 度 山 地 泥 炭 记 录 的 气 候 变 化 不 一 样. 可 见, 东 亚 季 风 区 晚 冰 期 以 来 尤 其 全 新 世 的 气 候 变 化 很 复 杂, 在 晚 冰 期 和 早 全 新 世 存 在 较 一 致 性 的 变 化, 但 在 中 晚 全 新 世 季 风 变 迁 和 气 候 变 化 方 面 1088
中 国 科 学 D 辑 : 地 球 科 学 2008 年 第 38 卷 第 9 期 有 差 异, 仍 然 需 要 寻 找 更 多 的 高 分 辨 率 地 质 记 录 来 探 寻 其 可 能 的 规 律 性. 但 总 体 来 说, 对 比 该 纬 度 太 阳 [49] 辐 射 曲 线 可 知, 本 文 两 处 中 纬 度 泥 炭 腐 殖 化 度 记 录 的 季 风 降 水 变 化 趋 势 与 太 阳 辐 射 曲 线 呈 现 大 体 一 致 的 变 化, 说 明 亚 洲 季 风 在 末 次 冰 期 后 季 风 快 速 加 强, 早 全 新 世 季 风 强 盛 随 后 季 风 衰 退, 中 全 新 世 季 风 变 弱, 气 候 变 干, 主 体 上 响 应 了 北 半 球 夏 季 太 阳 辐 射 的 统 一 驱 动 [50]. 5 结 论 (ⅰ) 以 吸 光 度 百 分 率 表 征 的 泥 炭 腐 殖 化 度 是 研 究 季 风 降 水 的 良 好 环 境 替 代 指 标. 研 究 表 明, 对 于 东 亚 季 风 区 中 纬 度 山 地 泥 炭, 气 候 越 干 冷 时 泥 炭 的 分 解 就 越 强 烈, 腐 殖 化 度 就 越 高, 相 反, 当 气 候 较 温 暖 潮 湿 时 泥 炭 主 要 处 于 还 原 状 态, 分 解 较 慢, 腐 殖 化 度 较 低. (ⅱ) 神 农 架 大 九 湖 泥 炭 和 天 目 山 千 亩 田 泥 炭 近 5000 a 以 来 的 腐 殖 化 度 记 录 有 着 很 好 的 一 致 性, 表 明 相 近 纬 度 不 同 经 度 的 山 地 泥 炭 对 东 亚 季 风 变 化 的 响 应 是 同 步 的. (ⅲ) 大 九 湖 剖 面 的 腐 殖 化 度 记 录 了 晚 冰 期 ( 约 16.0~11.4 cal ka BP) 中 的 新 仙 女 木 (YD)( 约 11.4~12.6 cal ka BP) 冷 干 事 件 博 令 - 阿 勒 罗 德 暖 湿 期 (B-A 暖 期 )( 约 12.6~15.2 cal ka BP) 最 老 仙 女 木 冷 干 事 件 (OD)( 约 15.2~16 cal ka BP) 早 全 新 世 的 湿 润 期 ( 约 11.4~9.4 cal ka BP) 8.2 cal ka BP 前 后 的 冷 干 事 件 和 在 约 7.0~4.2 cal ka BP 之 间 的 适 宜 期. (ⅳ) 近 5 ka BP 来 的 气 候 变 化 在 大 九 湖 和 千 亩 田 两 个 山 地 泥 剖 面 中 几 乎 同 步 记 录 有 3 大 阶 段 : 4.9~3.5 cal ka BP, 季 风 降 水 整 体 处 于 高 值, 但 波 动 剧 烈, 其 中, 在 约 4.2 cal ka BP 前 后, 季 风 降 水 急 剧 下 降 ( 吸 光 度 值 快 速 增 大 ), 在 3.7 cal ka BP 前 后 达 到 最 干 旱 的 峰 值 后 又 快 速 回 升 ; 3.5~0.9 cal ka BP, 季 风 降 水 强 度 整 体 较 弱 ( 吸 光 度 值 整 体 偏 高 ), 但 也 存 在 明 显 的 次 级 干 湿 波 动 ; 0.9 cal ka BP 以 来, 吸 光 度 值 逐 渐 降 低, 表 明 季 风 降 水 增 多, 气 候 暖 湿. (ⅴ) 和 中 国 东 部 季 风 区 其 他 高 分 辨 率 沉 积 记 录 对 比 发 现, 两 处 泥 炭 记 录 的 近 1.6 万 年 的 晚 冰 期 以 来 气 候 变 化 响 应 了 北 半 球 夏 季 太 阳 辐 射 的 统 一 驱 动. 致 谢 两 位 匿 名 评 审 专 家 对 论 文 的 修 改 提 出 宝 贵 意 见 ; 在 本 文 修 改 过 程 中 与 南 京 大 学 地 理 与 海 洋 科 学 学 院 的 王 富 葆 教 授 和 北 京 大 学 城 市 与 环 境 学 院 的 莫 多 闻 教 授 进 行 讨 论, 深 受 启 发 ; 黄 润 博 士 关 勇 硕 士 南 京 大 学 现 代 分 析 中 心 的 陶 仙 聪 老 师 中 国 科 学 院 南 京 地 理 与 湖 泊 研 究 所 的 张 恩 楼 老 师 和 中 国 科 学 院 地 球 环 境 研 究 所 的 卢 雪 峰 老 师 在 野 外 采 样 和 实 验 中 给 予 帮 助, 在 此 一 并 致 谢. 参 考 文 献 1 覃 嘉 铭, 袁 道 先, 程 海, 等. 新 仙 女 木 及 全 新 世 早 中 期 气 候 突 变 时 间 : 贵 州 茂 兰 石 笋 氧 同 位 素 记 录. 中 国 科 学 D 辑 : 地 球 科 学, 2004, 34(1): 69 74 2 沈 吉, 杨 丽 源, 羊 向 东, 等. 全 新 世 以 来 云 南 洱 海 流 域 气 候 变 化 与 人 类 活 动 的 湖 泊 沉 积 记 录. 中 国 科 学 D 辑 : 地 球 科 学, 2004, 34(2): 130 138 3 Hong Y T, Wang Z G, Jiang H B, et al. A 6000-year record of changes in drought and precipitation in northeastern China based on a δ 13 C time series from peat cellulose. Earth Plant Sci Lett, 2001, 185: 111 119[DOI] 4 Feng Z D, An C B, Wang H B. Holocene climatic and environmental changes in the arid and semi-arid areas of China: a review. Holocene, 2006, 16(1): 119 130[DOI] 5 朱 诚, 郑 朝 贵, 马 春 梅, 等. 对 长 江 三 角 洲 和 宁 绍 平 原 一 万 年 来 高 海 面 问 题 的 新 认 识. 科 学 通 报, 2003, 48(23): 2428 2438 6 Wu W X, Liu T S. Possible role of the Holocene Event 3 on the collapse of Neolithic Cultures around the Central Plain of China. Quat Int, 2004, 117: 153 166[DOI] 7 Chanbers F M, Charman D J. Holocene environmental change: contributions from the peatland archive. Holocene, 2004, 14(1): 1 6[DOI] 8 Blackford J. Palaeoclimatic records from peat bogs. Trends Ecol Evol, 2000, 15(5): 193 198[DOI] 1089
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