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        巢湖杭埠河流域湖相沉積物多指標(biāo)揭示的全新世以來(lái)環(huán)境演變*

        2020-10-29 11:13:24馬春梅管后春孫小玲路曙光尚廣春徐儀紅鮑遠(yuǎn)航
        湖泊科學(xué) 2020年6期
        關(guān)鍵詞:磁化率巢湖沉積物

        周 慧,吳 立,2,3**,馬春梅,管后春,孫小玲,路曙光,尚廣春,汪 勇,徐儀紅,徐 軍,陳 曄,鮑遠(yuǎn)航

        (1:安徽師范大學(xué)地理與旅游學(xué)院/江淮流域地表過(guò)程與區(qū)域響應(yīng)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,蕪湖 241002) (2:中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所湖泊與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 210008) (3:中國(guó)科學(xué)院地球環(huán)境研究所黃土與第四紀(jì)地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710061) (4:南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院, 南京 210023) (5:安徽省地質(zhì)調(diào)查院,合肥 230001) (6:南京師范大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院,南京 210023)

        全新世以來(lái)的氣候環(huán)境變化已成為當(dāng)前全球變化研究的熱點(diǎn)之一[1-7]. 這一時(shí)段氣候變化存在一定的復(fù)雜性,疊加在軌道尺度變化過(guò)程之上的還有以快速增溫/降溫為主要特征的千年-數(shù)十年尺度的氣候事件,這些氣候事件有的還具有持續(xù)時(shí)間短、突發(fā)性和區(qū)域性等特點(diǎn)[8-12]. 在精確測(cè)年的基礎(chǔ)上,利用沉積記錄多環(huán)境代用指標(biāo)綜合集成實(shí)現(xiàn)對(duì)全新世以來(lái)長(zhǎng)尺度氣候環(huán)境的高分辨率重建是取得對(duì)這些氣候事件及其響應(yīng)機(jī)制認(rèn)識(shí)進(jìn)步的關(guān)鍵之一[13-14]. 湖泊沉積由于具有時(shí)間分辨率高、沉積連續(xù)性好和儲(chǔ)存信息量大等優(yōu)勢(shì),其在利用各種理化、生物指標(biāo)及本身演變重建陸地古氣候、環(huán)境演化序列,揭示區(qū)域和全球氣候演化規(guī)律等研究中仍具有不可替代的優(yōu)勢(shì)[15-17]. 季風(fēng)區(qū)的湖泊,尤其是內(nèi)流封閉或半封閉湖對(duì)氣候變化的響應(yīng)最為靈敏,記錄了季風(fēng)演替的歷史[18-20]. 中國(guó)全新世以來(lái)的氣候環(huán)境變化序列已初步重建[21-22],但和廣袤的中西部[23-25]及青藏高原區(qū)[26-28]相比,由于受自然地理背景與人類活動(dòng)影響,東部季風(fēng)區(qū)全新世以來(lái)環(huán)境變化的高分辨率地質(zhì)記錄自然材料還比較缺乏且分布不均,近年來(lái)的成果主要集中在石筍[29-30]、泥炭[31-32]及風(fēng)成堆積[33]等方面. 前人研究表明[34],安徽中部巢湖的湖相沉積記錄對(duì)環(huán)境變化較敏感,因其地處四周山地圍限的構(gòu)造盆地內(nèi),且位于北亞熱帶和暖溫帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候過(guò)渡地帶,加之只有唯一出水通道裕溪河與長(zhǎng)江相連,構(gòu)成相對(duì)封閉的流域,湖相沉積保存連續(xù)完好,含有良好的測(cè)年材料,蘊(yùn)含豐富的、高分辨率的氣候-生態(tài)環(huán)境信息,是理想的研究對(duì)象. 本研究通過(guò)對(duì)巢湖杭埠河流域采集的湖相沉積巖芯進(jìn)行AMS14C年代學(xué)以及平均粒徑、磁化率、總氮、總有機(jī)碳、C/N的綜合分析研究,高分辨率重建該流域全新世以來(lái)的環(huán)境演變信息,并通過(guò)與其他區(qū)域氣候記錄對(duì)比探討該區(qū)域全新世以來(lái)的氣候變化響應(yīng)過(guò)程及驅(qū)動(dòng)機(jī)制.

        1 研究區(qū)概況

        巢湖位于安徽省中部地區(qū),江淮流域之間,東西長(zhǎng)54.5 km,南北平均寬15.1 km,湖岸線長(zhǎng)181 km,平水期湖泊面積770 km2,水深0.98~7.98 m,最大容積4.81×1010m3,為中國(guó)東部五大淡水湖之一(圖1). 杭埠河子流域介于30°59′~31°45′N,116°22′~117°22′E之間(圖1),河流全長(zhǎng)145 km,流域面積4150 km2,是巢湖入湖河流中水量最大、長(zhǎng)度最長(zhǎng)、流域面積最廣的水系,約占巢湖流域徑流總量的55.5%[35]. 氣候?qū)賮啛釒駶?rùn)性季風(fēng)氣候區(qū),地帶性植被類型為北亞熱帶混交林,年平均氣溫15.6℃. 杭埠河流域是巢湖沉積物質(zhì)的主要來(lái)源之一,其入湖泥沙貢獻(xiàn)率達(dá)50%以上[36].

        2 樣品采集與實(shí)驗(yàn)方法

        2.1 樣品采集

        已有研究表明[37-38],現(xiàn)今巢湖的形態(tài)是在1728-1820 A.D.時(shí)形成,而古巢湖的水域遠(yuǎn)大于現(xiàn)在,面積鼎盛時(shí)期出現(xiàn)在8500-5500 cal. a B.P.,達(dá)2123.03 km2. 因此,我們選取全新世以來(lái)古巢湖湖盆中心附近、現(xiàn)今巢湖西岸三河鎮(zhèn)的杭埠河大橋附近圩區(qū)為采樣點(diǎn)(經(jīng)緯度31°31′N,117°15′E,圖1),于2015年7月采用GY-200-1A型工程鉆機(jī)實(shí)施湖相沉積巖芯鉆探取樣,編號(hào)為SZK1507孔,獲取巖芯總長(zhǎng)32.1 m,其中第四系河湖相沉積物厚度28.6 m. 樣品采集后采用對(duì)套管進(jìn)行密封保存,然后運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室內(nèi)低溫(4℃左右)存放以防止樣品氧化. 根據(jù)高分辨率和研究需要,選取SZK1507孔738 cm以上段巖芯以每2 cm進(jìn)行分割取樣,共獲取369個(gè)樣品;巖芯取芯率為92.3%. 沉積物以青灰色湖相淤泥為主,約占總體的90%;砂層含量次之,約占10.5%,主要有4段,分別位于44~66、112~124、436~448和562~586 cm深度處. 鉆孔沉積物特征描述如下:

        1) 深度0~16 cm段:灰黃色淤泥層,夾青灰色泥、碳化木片和炭屑;2) 深度18~42 cm段:青灰色淤泥層,夾灰黃色泥、炭屑與碳化木片,底部粉砂含量略高;3) 深度44~66 cm段:高粉砂含量青灰色淤泥層,炭屑含量與粉砂含量都較高;4) 深度68~110 cm段:青灰色淤泥層,含炭屑;5) 深度112~124 cm段:灰黃色至青白色砂層,含炭屑,砂含量高;6) 深度126~418 cm段:青灰色淤泥層,含炭屑,質(zhì)地單一,且較粘;7) 深度420~434 cm段:青灰色黏土層,無(wú)炭屑,質(zhì)地較黏;8) 深度436~448 cm段:青灰色粉砂層,質(zhì)地較松散;9) 深度450~560 cm段:青灰色淤泥層,含大量炭屑,質(zhì)地單一;10) 深度562~564 cm段:灰黃色砂層,含泥質(zhì)成分;11) 深度566~586 cm段:青灰色粉砂層,含泥質(zhì)成分;12) 深度588~738 cm段:青灰色淤泥層,質(zhì)地較粘軟,含炭屑與碳化木片.

        圖1 巢湖流域地形、水系及鉆孔位置示意Fig.1 The topography, drainage of the studied site and the location of the core SZK1507 in Lake Chaohu Basin

        2.2 實(shí)驗(yàn)方法

        粒度、磁化率測(cè)試在南京師范大學(xué)環(huán)境演變與生態(tài)建設(shè)江蘇省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成. 粒度測(cè)試用英國(guó)Malvern公司生產(chǎn)的Mastersizer 2000型激光粒度儀,儀器測(cè)量范圍為0.02~2000 μm,測(cè)量精度為±1%. 每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)量3次取其平均值. 磁化率測(cè)試步驟為:所有樣品在40℃以下烘干,在Bartington MS2磁化率儀上進(jìn)行低頻磁化率測(cè)定,每個(gè)樣品測(cè)定3次,取平均值. 總氮(TN)、總有機(jī)碳(TOC)、C/N測(cè)試分析在安徽師范大學(xué)江淮流域地表過(guò)程與區(qū)域響應(yīng)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成,其具體分析步驟為:將自然晾干的樣品研磨過(guò)10目篩,加入5%的稀鹽酸多次攪拌至反應(yīng)完全,用中性去離子水水洗至中性(pH=7),烘干后將樣品用瑪瑙研缽研磨至粉末狀,過(guò)200目篩,然后稱取一定量的被測(cè)樣品在錫紙緊密包裹下送入德國(guó)Elementar公司生產(chǎn)的Vario EL cube元素分析儀直接測(cè)定出TN、TOC,C/N值(TOC/TN比值)根據(jù)質(zhì)量比乘以1.167計(jì)算而得[39].

        2.3 年代序列建立

        自上至下依次在SZK1507孔深度12、50、56、106、110、452、532、580、708和738 cm處共選取10個(gè)樣品進(jìn)行AMS14C年代測(cè)試,實(shí)驗(yàn)在中國(guó)科學(xué)院地球環(huán)境研究所黃土與第四紀(jì)地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室西安加速器質(zhì)譜中心完成,測(cè)年結(jié)果使用CALIB 7.0.4程序進(jìn)行年代校正. AMS14C年代測(cè)試結(jié)果及2σ樹輪校正結(jié)果如表1所示. 10個(gè)日歷年代與深度呈現(xiàn)很好的線性關(guān)系(R2=0.9464),采用線性內(nèi)插和外推法建立了沉積巖芯的年代-深度模式(圖2). 整個(gè)738 cm以上段巖芯的沉積速率可分為2段,0~110 cm沉積速率較低,平均為0.031 cm/a;110~738 cm沉積速率較高,約為0.12 cm/a;總體沉積速率變化于0.004~7.5 cm/a之間,其中4700-3600 cal. a B.P.段沉積速率最慢,10036-9900 cal. a B.P.段沉積速率最快.

        表1 巢湖杭埠河流域SZK1507孔AMS14C測(cè)年及校正結(jié)果

        圖2 SZK1507孔沉積巖芯年代-深度模式Fig.2 Age-depth model of the core SZK1507

        3 結(jié)果分析與討論

        3.1 平均粒徑、磁化率、TN、TOC和C/N的環(huán)境指示意義

        沉積物顆粒粒徑是一種常被用于區(qū)別沉積物搬運(yùn)方式的沉積學(xué)指標(biāo). 一般情況下,高能沉積動(dòng)力環(huán)境下沉積的物質(zhì)顆粒較粗,低能沉積動(dòng)力環(huán)境下沉積的物質(zhì)顆粒較細(xì)[40]. 在高分辨率(年際或者十年尺度上)的研究中,當(dāng)湖面相對(duì)穩(wěn)定時(shí),較為豐沛的降水,使得地表徑流增強(qiáng),入湖水流搬運(yùn)能力較強(qiáng),采樣點(diǎn)更容易帶入較粗的陸源碎屑顆粒物質(zhì),即細(xì)粒沉積物指示降水量較小的干旱期,粗粒沉積物指示降水量較大的濕潤(rùn)期. 但在千年或百年尺度,封閉、半封閉湖泊沉積研究中,沉積物顆粒變化則能指示長(zhǎng)時(shí)間段湖泊水位波動(dòng)所反映的氣候演變:氣候潮濕,湖泊面積擴(kuò)張,水位上升,采樣點(diǎn)水深變深,水動(dòng)力條件減弱,細(xì)顆粒沉積物容易沉積;氣候干燥,湖泊收縮,水位下降,采樣點(diǎn)水深變淺,水動(dòng)力條件變強(qiáng),細(xì)顆粒沉積物難以保存,粗顆粒沉積物得以沉積[41],故細(xì)顆粒沉積物指示潮濕氣候,粗顆粒沉積物指示干燥氣候.

        磁化率是物質(zhì)被磁化難易程度的一種度量[42],天然物質(zhì)的磁化率主要取決于它們的磁鐵礦含量[43]. 未受成土作用與灼燒活動(dòng)影響的沉積物,其磁化率可以在一定程度上反映沉積物的物質(zhì)來(lái)源、搬運(yùn)營(yíng)力和成土作用等[44-45]. 謝紅霞等[43]在對(duì)巢湖西部沉積物環(huán)境磁學(xué)的研究中發(fā)現(xiàn),由于杭埠河流域砂、礫含量高的粗骨土中富含粗顆粒磁鐵礦,總體上砂含量高的沉積物磁鐵礦含量較高,磁化率高,而黏土含量高的沉積物磁鐵礦含量較低,磁化率低;對(duì)SZK1507鉆孔沉積物中值粒徑與磁化率值進(jìn)行相關(guān)性分析,也呈顯著正相關(guān)(R=0.294,P<0.01). 氣候變干,巢湖水位下降,采樣點(diǎn)距離河流入湖口近,沉積物顆粒變粗,磁化率高;氣候濕潤(rùn),巢湖水位上升,采樣點(diǎn)距河流入湖口遠(yuǎn),沉積物變細(xì),磁化率低[43,46].

        TOC含量是描述沉積物中有機(jī)質(zhì)豐度的最基本參數(shù)之一,TN則能進(jìn)一步反映沉積物的營(yíng)養(yǎng)鹽含量狀況,這兩個(gè)參數(shù)都可以用來(lái)判別沉積環(huán)境[42,47]. 由于巢湖只有1條河流與長(zhǎng)江相連,屬于相對(duì)封閉的湖泊,其沉積物有機(jī)質(zhì)的主要來(lái)源應(yīng)為內(nèi)源有機(jī)質(zhì)(C含量低)與陸源碎屑(C含量高)[48]. 因此,巢湖湖泊沉積物TOC含量的高低可反映其陸源碎屑的沉積量,而陸源碎屑沉積量又受到運(yùn)移路徑、沉積過(guò)程和保存能力的影響,從而能夠間接反映出氣候環(huán)境的演變[42]. TOC與TN的比值,即C/N,綜合反映沉積物內(nèi)外源(如湖沼相沉積中的水生植物和陸生植物碎屑)物質(zhì)來(lái)源的相對(duì)比例. 一般情況下,湖泊水生植物的蛋白質(zhì)和脂類含量較高,其C/N在4~10之間;陸生維管植物和挺水植物由于含有豐富的纖維素和木質(zhì)素,因此C/N一般大于20[49],C/N高,陸源碎屑沉積較多,反之陸源碎屑沉積少[50-51].

        3.2 全新世以來(lái)的氣候環(huán)境演化過(guò)程

        根據(jù)巖芯平均粒徑、磁化率、TN、TOC與C/N的變化曲線,可以將全新世以來(lái)巢湖杭埠河流域的古氣候環(huán)境變化過(guò)程分為4個(gè)階段:

        (1)階段Ⅰ(深度738~634 cm,年代約10050-9700 cal. a B.P.):此段沉積物以青灰色淤泥為主,階段前期(深度738~688 cm,年代10050-9950 cal. a B.P.)平均粒徑、磁化率值、TN、TOC與C/N波動(dòng)下降,且變化幅度較大,平均值分別為22.3 μm、15.12 SI、0.07%、0.48%、7;后期(約9950-9700 cal. a B.P.)變化平穩(wěn),總體較階段前期低,平均值分別為13 μm、12.6 SI、0.074%、0.42%和5.8. 710~704 cm處(年代約10030 cal. a B.P.左右)數(shù)值快速下降,平均粒徑、磁化率值、C/N降低明顯(圖3). 階段I處于早全新世氣候濕潤(rùn)期,氣候總體上溫和濕潤(rùn),巢湖水位上升,采樣點(diǎn)與湖岸距離擴(kuò)大,沉積物搬運(yùn)路徑變長(zhǎng),粒度變細(xì),磁化率降低,陸源物質(zhì)沉積減少,C/N下降. GISP2冰芯的δ18O記錄在同一時(shí)段內(nèi)逐漸偏正的變化趨勢(shì)也表明氣候變得溫和(圖4a)[52]. 姜修洋等[53]對(duì)黔北三星洞石筍氧同位素沉積記錄的研究結(jié)果證明10000-9700 cal. a B.P.時(shí)段內(nèi),夏季風(fēng)逐漸增強(qiáng). Wu等[54]根據(jù)云南星云湖鉆孔沉積物中的孢粉記錄揭示出的早全新世6月氣溫在此時(shí)段也表現(xiàn)出上升趨勢(shì).

        圖3 SZK1507孔沉積物平均粒徑、磁化率、TN、TOC、C/N變化Fig.3 The mean grain size, magnetisability, TN, TOC and C/N of the core SZK1507

        (2)階段Ⅱ(632~534 cm,約9700-9250 cal. a B.P.):此段沉積物以青灰色淤泥為主,深度586~562 cm處為一厚度約24 cm的砂層. 該階段沉積物平均粒徑、磁化率值較階段Ⅰ迅速上升;TN含量、C/N與階段Ⅰ大致持平,TOC含量較階段Ⅰ高,各環(huán)境代用指標(biāo)均波動(dòng)強(qiáng)烈;平均粒徑、磁化率、TN、TOC和C/N平均值依次為17.8 μm、11.7 SI、0.061%、0.55%和8.83. 本階段中沉積的一段砂層,平均粒徑迅速增加數(shù)十倍,故此段沉積物平均粒徑曲線在圖3中未表現(xiàn)出來(lái);TN和TOC含量相應(yīng)出現(xiàn)明顯低值(最低值分別為0.1%和0.13%),C/N則在同期出現(xiàn)剖面最高值(約為27.54),表明湖泊水位下降,采樣點(diǎn)與湖岸距離縮短,沉積物質(zhì)粒度變粗,磁化率增大,陸源碎屑大量沉積,氣候迅速轉(zhuǎn)干,對(duì)應(yīng)于早全新世的9.3 ka B.P.干事件. 吳立等[55-56]對(duì)巢湖沉積物孢粉-炭屑組合記錄的研究,以及晏宏等[57-58]對(duì)湖北神農(nóng)架大九湖泥炭沉積記錄研究的結(jié)果皆表明9300 cal. a B.P.前后氣候趨向干旱,董哥洞石筍δ18O變化也記錄了這一時(shí)段內(nèi)的弱季風(fēng)事件[59]. 盡管本階段氣候較為干旱,但從圖2中可以看出,階段Ⅰ和階段Ⅱ(約10050-9250 cal. a B.P.)附近沉積速率遠(yuǎn)高于其余各階段,尤其是階段Ⅰ,沉積速率為其余各階段的數(shù)十倍,這主要是因?yàn)槿率涝缙?,巢湖流域地殼發(fā)生了間歇性的抬升,從六安南邊的中店、清風(fēng)嶺、龍家山,經(jīng)肥西縣的大潛山,合肥市的大柏店、將軍嶺、長(zhǎng)崗店、吳山廟向滁州的章廣集一線抬升,形成了江淮分水嶺;這一時(shí)段巢湖西岸大別山-江淮分水嶺的新構(gòu)造抬升過(guò)程使得杭埠河流域地表物質(zhì)剝蝕加強(qiáng),河流搬運(yùn)以及入湖沉積的碎屑物質(zhì)也隨之增加,這可能是上述兩個(gè)階段鉆孔巖芯沉積速率較大的原因[60].

        (3)階段Ⅲ(532~164 cm,約9250-5600 cal. a B.P.):本階段沉積物質(zhì)較為均一,以青灰色淤泥為主,僅448~420 cm深度處出現(xiàn)厚度分別為12 cm和16 cm的青灰色粉砂和黏土. 該階段平均粒徑、磁化率值、TN與TOC含量、C/N總體偏低,平均值分別為23.3 μm、18.4 SI、0.057%、0.34%和6.04,為剖面4個(gè)階段中均值最小的一段. 本階段后期平均粒徑、磁化率值與TN、TOC含量有所上升;波動(dòng)幅度較小,尤其TOC含量和C/N,變化范圍分別僅為0.2%~0.51%、4.3~9.1. 此階段與前一階段相比,TOC含量和C/N下降,總體上變化微弱,表明環(huán)境總體變濕,氣候變化較為平穩(wěn),湖泊水位波動(dòng)不明顯,沉積環(huán)境穩(wěn)定. 普遍認(rèn)為的全新世以來(lái)最強(qiáng)冷事件——8.2 ka B.P.事件,在此階段內(nèi)有所體現(xiàn),沉積物質(zhì)由淤泥質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榉凵百|(zhì),但各指標(biāo)數(shù)值變化幅度較小,未表現(xiàn)出與其他地區(qū)古氣候變化指標(biāo)(如德國(guó)南部阿默爾湖沉積物中的氧同位素記錄[61]、Jura山Lautrey湖湖泊沉積物中孢粉記錄[62]以及青海湖湖泊沉積記錄[63])對(duì)此事件相同的強(qiáng)烈反應(yīng),可能的原因是8.2 ka B.P.事件主要表現(xiàn)為中高緯地區(qū)的降溫,而SZK1507鉆孔沉積物磁化率、粒度等為干濕指標(biāo),對(duì)溫度變化的反應(yīng)不顯著.

        (4)階段Ⅳ(162 cm以上,約5600 cal. a B.P.以來(lái)):本階段沉積物巖性變化最為頻繁,自下而上依次為42 cm厚的青灰色淤泥層、18 cm厚的灰黃色砂層、44 cm厚的青灰色淤泥粉砂層、24 cm厚的青灰色淤泥粉砂層、26 cm厚的青灰色淤泥層以及16 cm厚的灰黃色淤泥層,說(shuō)明近5 ka以來(lái)氣候不穩(wěn)定,變化頻次高. 該階段平均粒徑、磁化率值、TN、TOC含量較前一階段有顯著的增加,且變化強(qiáng)烈,平均值依次為23.3 μm、23.1 SI、0.063%、0.57%;C/N則增加微弱,變化幅度小. 剖面深度110~120 cm段磁化率值、TN、TOC含量和C/N出現(xiàn)此階段最低值,這是對(duì)4.2 ka B.P.事件的響應(yīng),氣候變干,湖泊水位下降,出現(xiàn)砂層,沉積物平均粒徑迅速上升,因此與上述階段Ⅱ中586~562 cm段砂層原因相同,此段沉積物粒徑曲線在圖3中亦未表現(xiàn). 4.2 ka B.P.事件時(shí)段內(nèi),采樣點(diǎn)處沉積環(huán)境可能已轉(zhuǎn)變?yōu)闉I湖相或河流三角洲相沉積,且周圍河流數(shù)量及流量因氣候干旱程度較強(qiáng)而減少,陸源沉積物減少,因此沉積速率整體最低;這使得磁化率值、TN、TOC和C/N都快速下降. 4.2 ka B.P.事件是距今5000年以來(lái)最強(qiáng)的一次氣候突變事件,2018年7月31日國(guó)際地層委員會(huì)將全新世劃分為3個(gè)時(shí)期,4.2 ka B.P.事件被認(rèn)定為第3個(gè)時(shí)期-梅加拉亞期(Meghalayan,4200 cal. a B.P.)的起始點(diǎn)[64-65]. 與8.2 ka B.P.事件特征不同的是,其表現(xiàn)為中低緯地區(qū)持續(xù)100~200年的干旱,對(duì)人類早期文明的興衰有著顯著影響,導(dǎo)致了當(dāng)時(shí)世界上很多發(fā)展起來(lái)的農(nóng)業(yè)文明的崩潰和人類的遷徙[66-67]. 5000 cal. a B.P.以來(lái)本區(qū)氣候波動(dòng)較大,冷暖時(shí)期交替,但總體上趨于變干;19世紀(jì)末以來(lái)的氣候變化,受人類活動(dòng)的干擾逐漸變強(qiáng)[68].

        3.3 區(qū)域?qū)Ρ燃皻夂蛲蛔兪录目赡軝C(jī)制

        通過(guò)對(duì)比近10000 cal. a B.P.以來(lái)GISP2冰芯δ18O[53]、董哥洞石筍δ18O[60]、巢湖沉積序列中各科屬孢粉百分比含量[56-57]、太陽(yáng)黑子數(shù)[69]、巢湖SZK1507鉆孔平均粒徑、磁化率等氣候代用指標(biāo)及30°N夏季太陽(yáng)輻射量氣候強(qiáng)迫記錄[70],發(fā)現(xiàn)巢湖杭埠河流域全新世以來(lái)的環(huán)境變化可能與以下3種因素密切相關(guān)(圖4).

        (1)北半球夏季太陽(yáng)輻射量變化. 作為地氣系統(tǒng)最主要的能量來(lái)源,太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的微小變化都會(huì)引起氣候的波動(dòng). 大量古環(huán)境指標(biāo)數(shù)據(jù)及氣候模擬數(shù)據(jù)表明[71-73],亞洲夏季風(fēng)的強(qiáng)弱與北半球夏季太陽(yáng)輻射量呈正相關(guān)關(guān)系,主要受地球軌道參數(shù)的變化所決定,表現(xiàn)出19000年或21000年的周期變化. 圖4c表明,10000 cal. a B.P.以來(lái),北半球夏季太陽(yáng)輻射量總體呈逐漸下降的趨勢(shì),導(dǎo)致夏季風(fēng)的強(qiáng)度逐漸減弱;并且低、中、高緯之間的夏季太陽(yáng)輻射量差異趨于減小,這可能會(huì)削弱不同緯度之間的大氣經(jīng)向環(huán)流,從而導(dǎo)致夏季風(fēng)的減弱.

        (2)太陽(yáng)活動(dòng). 前人研究表明,太陽(yáng)活動(dòng)強(qiáng)弱變化會(huì)引起紫外線輻射變化,改變平流層的臭氧濃度與溫度,向下傳遞到對(duì)流層,進(jìn)而影響Hadley環(huán)流和Walker環(huán)流,導(dǎo)致亞洲夏季風(fēng)的變化[74];太陽(yáng)活動(dòng)減弱會(huì)使得熱帶海洋地區(qū)溫度降低、蒸發(fā)變?nèi)?,水汽輸送與潛熱釋放減少,亞洲夏季風(fēng)強(qiáng)度改變[75]. 太陽(yáng)活動(dòng)也會(huì)通過(guò)海氣耦合過(guò)程擴(kuò)大對(duì)氣候的影響,例如太陽(yáng)活動(dòng)變化可能會(huì)通過(guò)大洋溫鹽環(huán)流放大,然后再通過(guò)海洋-大氣之間的熱傳輸作用影響亞洲夏季風(fēng)強(qiáng)弱[76]. 太陽(yáng)黑子數(shù)是太陽(yáng)活動(dòng)水平最為明顯的標(biāo)志之一,變化具有規(guī)律,多被用作指示太陽(yáng)活動(dòng)強(qiáng)弱的重要指標(biāo)[68]. 葛非[77]通過(guò)對(duì)1910-1965年強(qiáng)東亞夏季風(fēng)時(shí)期太陽(yáng)黑子相對(duì)數(shù)與東亞夏季風(fēng)指數(shù)進(jìn)行相關(guān)性擬合,發(fā)現(xiàn)兩者之間存在高度正相關(guān)性. 段長(zhǎng)春[78]基于對(duì)1948-2005年太陽(yáng)10.7 cm射電流量,以及再分析位勢(shì)高度場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)資料的相關(guān)分析、小波分析、合成分析,發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)活動(dòng)峰值年,矢量距平風(fēng)場(chǎng)上的東亞熱帶地區(qū)(10°~20°N)出現(xiàn)一個(gè)氣旋性環(huán)流,表明東亞夏季風(fēng)環(huán)流加強(qiáng);而太陽(yáng)活動(dòng)谷值年,矢量距平風(fēng)場(chǎng)上的東亞熱帶地區(qū)出現(xiàn)了一個(gè)反氣旋性環(huán)流,表明東亞夏季風(fēng)環(huán)流減弱. 研究區(qū)位于北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),氣候的變化主要受到東亞夏季風(fēng)勢(shì)力強(qiáng)弱的影響. 圖4d為近10000 cal. a B.P.太陽(yáng)黑子數(shù)[69],從中也可以明顯的看出太陽(yáng)黑子低爆發(fā)年,即太陽(yáng)活動(dòng)較弱年,東亞夏季風(fēng)勢(shì)力減弱,圖4a、4b分別是GISP2冰芯δ18O記錄[52]和董哥洞石筍δ18O[59],也記錄了對(duì)應(yīng)的弱季風(fēng)事件,巢湖杭埠河流域受到的來(lái)自海洋暖濕氣流的影響變小,因此大都發(fā)生冷氣候事件,降水減少,在SZK1507鉆孔沉積物中則表現(xiàn)為C/N值、平均粒徑、磁化率對(duì)應(yīng)極值,出現(xiàn)砂層沉積,最為顯著的3段分別是44~66 cm(約2038-2782 cal. a B.P.)、108~124 cm(4164-4852 cal. a B.P.)以及562~586 cm(9300-9524 cal. a B.P.)段,大致對(duì)應(yīng)2.8、4.2和9.3 ka B.P.事件;而太陽(yáng)黑子高爆發(fā)年氣候相對(duì)溫暖,東亞夏季風(fēng)勢(shì)力加強(qiáng),研究區(qū)降水增多,沉積物C/N值、平均粒徑和磁化率值則相對(duì)偏低. 但是,太陽(yáng)活動(dòng)與地表氣候的關(guān)系并不僅僅是簡(jiǎn)單的直接影響關(guān)系,其間還存在某些未知作用機(jī)制,尚需進(jìn)一步探討[79].

        圖4 巢湖SZK1507孔沉積記錄與其他高分辨率氣候記錄對(duì)比((a)GISP2冰芯δ18O記錄[52]; (b) 董哥洞石筍δ18O[59]; (c) 北半球夏季太陽(yáng)輻射量[71](c1、c2、c3分別表示 90°N、60°N、30°N夏季太陽(yáng)輻射量);(d) 太陽(yáng)黑子數(shù)[69];(e) 火山噴發(fā)對(duì)大氣中硫酸鹽含量 貢獻(xiàn)率[86-92];(f) SZK1507鉆孔C/N;(g) SZK1507鉆孔平均粒徑;(h) SZK1507鉆孔磁化率值)Fig.4 Contrast of sedimentary records of the SZK1507 core and other high-resolution climatic records ((a) GISP2 δ18O[52];(b) Stalagmite δ18O record from Dongge cave[59];(c) Northern hemisphere summer solar insolation[71](c1,c2,c3 indicate 90°N, 60°N, 30°N summer solar insolation separately); (d) Sunspot numbers[69];(e) Sulfate content in the atmosphere came from volcanic eruption[86-92]; (f) C/N of the core SZK1507;(g) Mean grain size of the core SZK1507;(h) Magnetisability of the core SZK1507)

        (3)火山活動(dòng). 火山活動(dòng)對(duì)氣候產(chǎn)生的影響主要是通過(guò)釋放大量的火山灰和火山氣體[80]. 強(qiáng)火山噴發(fā)產(chǎn)生的火山灰和氣溶膠擴(kuò)散至平流層后會(huì)強(qiáng)烈的散射和反射太陽(yáng)輻射,使得入射的太陽(yáng)輻射減少,進(jìn)而導(dǎo)致地表溫度降低,同時(shí)又會(huì)吸收部分太陽(yáng)輻射和地面長(zhǎng)波輻射,使平流層溫度上升,產(chǎn)生陽(yáng)傘效應(yīng);高溫的火山灰及溫室氣體快速沉降后會(huì)使對(duì)流層溫度升高,強(qiáng)烈的輻射也能引起火山附近的溫度增加[81]. 除影響氣溫外,火山活動(dòng)還會(huì)改變大氣環(huán)流,進(jìn)而影響降水. 一方面,火山活動(dòng)導(dǎo)致的降溫幅度表現(xiàn)為陸地強(qiáng)于海洋,高緯度大于低緯度[82],這在一定程度上會(huì)減弱東亞夏季風(fēng)的強(qiáng)度;另一方面,火山噴發(fā)產(chǎn)生的氣溶膠引發(fā)的南北半球溫度差會(huì)導(dǎo)致熱帶輻合帶(ITCZ)南移,進(jìn)而對(duì)東亞夏季風(fēng)降水產(chǎn)生影響[83]. Kobashi等模擬發(fā)現(xiàn)[84],一次大規(guī)模的火山爆發(fā)能引起海洋持續(xù)大約16年的低溫;而在高北緯地區(qū),火山噴發(fā)引起的低溫會(huì)導(dǎo)致海冰擴(kuò)張,從而使得低溫持續(xù)上百年. 全新世以來(lái)有5個(gè)火山爆發(fā)集中期,分別是全新世早期(10250-9750 cal. a B.P.)、7000 cal. a B.P.前后、全新世中期(5000 cal. a B.P.前后)、4250-3750 cal. a B.P.期間以及3250-1750 cal. a B.P.時(shí)段;這5個(gè)火山爆發(fā)集中期都對(duì)應(yīng)幾次大規(guī)模氣候變冷事件,如9.4、7.5、5.5、4.2以及2.8 ka B.P.事件[85];圖4e為火山噴發(fā)對(duì)大氣中硫酸鹽含量的貢獻(xiàn)率[86-92],貢獻(xiàn)率越高表明火山噴發(fā)越頻繁;對(duì)其進(jìn)行滑動(dòng)平均后發(fā)現(xiàn)有兩個(gè)顯著高峰期,分別對(duì)應(yīng)于9.3 ka B.P.事件和4.2 ka B.P.事件,如前文所述,火山活動(dòng)使得陸地降溫幅度高于海洋,高緯度強(qiáng)于低緯度,東亞夏季風(fēng)勢(shì)力減弱[82];同時(shí),ITCZ南移,也會(huì)導(dǎo)致研究區(qū)季風(fēng)降水量的減少[83],SZK1507鉆孔從而對(duì)應(yīng)沉積兩段顯著砂層,沉積物平均粒度迅速增加數(shù)十倍;磁化率值、TN、TOC和C/N值也出現(xiàn)顯著變化,并且變化幅度較大;其余較低峰值出現(xiàn)的時(shí)間段也可能對(duì)應(yīng)7.5 ka B.P.和2.8 ka B.P.等事件[79,93],鉆孔同樣沉積了砂或粉砂層. 可以看出火山活動(dòng)高頻時(shí)段與氣候冷干事件有著良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系.

        4 結(jié)論

        1)全新世以來(lái)巢湖杭埠河流域的環(huán)境變化過(guò)程主要表現(xiàn)為:10050-9700 cal. a B.P.,氣候濕潤(rùn);9700-9250 cal. a B.P.,氣候變干;9250-5300 cal. a B.P.,氣候再次轉(zhuǎn)濕,且環(huán)境波動(dòng)較??;5300 cal. a B.P.以來(lái),氣候波動(dòng)強(qiáng)烈,干濕交替,但總體上環(huán)境趨于變干.

        2)巢湖SZK1507鉆孔沉積物的磁化率值、平均粒徑、TN、TOC、C/N 5個(gè)高分辨率環(huán)境代用指標(biāo)較為顯著的記錄了9.3、8.2和4.2 ka B.P.等氣候突變事件,其中尤以9.3和4.2 ka B.P.事件最為明顯,而對(duì)較為典型的8.2 ka B.P.事件的反應(yīng)則相對(duì)較弱.

        3)影響巢湖杭埠河流域全新世以來(lái)氣候突變事件的可能機(jī)制主要為北半球夏季太陽(yáng)輻射量變化、太陽(yáng)活動(dòng)以及火山活動(dòng). 其中,北半球夏季太陽(yáng)輻射量變化對(duì)氣候變化的影響較為直接;而太陽(yáng)活動(dòng)和火山活動(dòng)對(duì)氣候變化的影響則是間接的,主要是通過(guò)改變大氣層的大氣環(huán)流模式或物質(zhì)組成以及海-氣耦合過(guò)程,從而引起區(qū)域氣候變化.

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