周汪洋，段福才，陳劍舜，朱麗東，李鳳全，王天陽

浙江師范大學地理與環(huán)境科學學院，浙江金華 321004

0 引言

1988年Heinrich發(fā)現北大西洋深海沉積物中有數層陸源碎屑層[1]。四年后，Bondet al.[2]進一步證實了這些碎屑層的存在，并命名Heinrich事件（簡稱H事件）。整個末次冰期和末次冰消期共發(fā)生了6次H事件，按照發(fā)生的順序編號為H6～H1，他們發(fā)生的時間 依 次 為63.2 ka B.P.、50 ka B.P.、40.2 ka B.P.、32.7 ka B.P.、26.5 ka B.P.、18 ka B.P.[3?4]。

東亞季風與北大西洋的氣候遙相關早已在石筍和黃土等地質記錄中得到證實[5?7]。東亞石筍δ18O記錄顯示H事件時亞洲季風強度顯著減弱。然而，Zhanget al.[8]指出H1事件期間長江中游地區(qū)呈現異常濕潤的水文氣候，認為大西洋經向翻轉環(huán)流（Atlantic Meridional Overturning Circulation，簡稱AMOC）減弱導致北高緯溫度下降，極地—赤道溫度梯度增加，西風帶北移時間推遲，梅雨期延長，降水量增加。此石筍微量元素與δ18O記錄的顯著不同，反映了梅雨與東亞季風強度的差異。在年—年代際尺度上，東亞季風區(qū)降水量在空間分布上具有經向三極子模式[9?11]，即季風增強時，中國南北部多雨，長江中下游降水減少，反之亦然。此外，Geet al.[12]借助清朝史料和器測降水數據，重建了清朝后期長江流域梅雨量變化序列，指出與季風強度存在反相關關系，即季風強度減弱或增強時，梅雨期延長或縮短，降水量增加或減少。

梅雨量與季風強度的反相關關系在千年尺度上是否仍然存在有待進一步驗證。本文選取梅雨帶的南京葫蘆洞H82石筍，通過鈾同位素數據來研究長江下游地區(qū)的水文變化特征，揭示梅雨帶與東亞季風強度在H1事件期間的協(xié)同性和差異性，對梅雨與東亞季風強度的反相關關系是否成立來做進一步驗證。

1 研究區(qū)域與材料

南京市位于長江下游，地貌特征屬寧鎮(zhèn)揚丘陵地區(qū)，以低山緩崗為主，具有典型的北亞熱帶濕潤氣候特征，四季分明，年溫差較大。年均溫為15.4°C，年均降水量1 275 mm，其中6—7月份降水量將近30%。葫蘆洞（119°2'E，32°3'N；海拔90 m），位于南京東部湯山鎮(zhèn)西，發(fā)育在下奧陶統(tǒng)紅花園組白云質灰?guī)r和灰?guī)r中，洞穴上覆植被以C3植物為主，洞頂土壤厚度30～40 cm[13]。本文進一步分析了葫蘆洞H82的δ18O和鈾元素數據。數據來自網絡（https://www.ncdc.noaa.gov/）。樣品細節(jié)及測試結果見相關文獻描述[14]。

2 結果與討論

在千年尺度上，H事件在南北半球記錄中均有體現：格陵蘭冰芯記錄[15]（圖1a）和歐洲大陸及附近海域沉積物記錄[16?19]反映溫度和降水量下降；而在南半球，陸地冰川快速退縮[20?21]、南大洋生物生產量增加[22]、南極冰芯記錄的溫度[23]（圖1f）和大氣CO2濃度升高[24?28]。南北半球H事件時的溫度變化顯示了晚更新世以來兩極氣候間存在的蹺蹺板模式[23]。H事件期間，北大西洋巖心231Pa/230Th記錄[29?30]（圖1b）顯示AMOC強度減弱，卡里亞科巖心[31]（圖1d）和環(huán)赤道大西洋孢粉[32]記錄顯示ITCZ顯著南移。印尼石筍[33?34]（圖1c）與巴西石筍δ18O記錄[35]（圖1e）表明，H事件期間ITCZ以南和以北的低緯地區(qū)氣候狀況相反。以北地區(qū)的非洲[36?38]、北印度洋[39?40]、中美洲[41]區(qū)域降水量大幅下降，亞非季風減弱[42?44]；而以南地區(qū)濕度增加[45]，南美季風[46?49]、澳洲季風[50?52]強盛，導致熱帶濕地甲烷釋放量增加[53]。

圖1 Heinrich事件全球記錄Fig.1 Global records of the Heinrich events from various archives

南北半球高低緯地區(qū)對H事件的快速響應，表明了全球氣候系統(tǒng)之間密切聯系。在H事件機制上，主流觀點認為與AMOC的強度有關[29,54?55]。當北半球升溫時，冰蓋崩塌并進入北大西洋，抑制了深層水的形成，導致AMOC輸送到北高緯的熱量減少，造成北半球氣候冷干，西風帶和ITCZ南移，南半球氣候變得暖濕。

高分辨率石筍δ18O記錄的東亞弱季風事件，與南北極冰芯差值所反映的溫度梯度下降相對應（圖2g，h）。H事件發(fā)生時，葫蘆洞[5,14]、豪豬子洞[57]、永興洞[58]、小白龍洞[59]石筍δ18O值偏正反映東亞季風強度減弱（圖2b～d），對應于格陵蘭島NGRIP冰芯δ18O值偏負[15]指示的北高緯降溫（圖2a）和南極TALDICE[27]與EDML[23]冰芯δ18O值偏正（圖2e，f）指示的南高緯升溫階段。H事件時南北兩極溫度梯度減小表明AMOC減弱導致南北兩極能量傳輸減弱，兩極能量趨于平衡。

圖2 中國石筍和南北兩極記錄中的Heinrich事件Fig.2 Heinrich events recorded in polar ice cores and Chinese stalagmites

關于石筍δ18O指標，在平衡分餾情況下，其變化主要受洞穴溫度和滴水δ18O值影響[60]。經過研究，東亞季風區(qū)石筍δ18O值主要繼承了降水的δ18O信號，在千年尺度上反映東亞夏季風強度[61]。西南地區(qū)石筍δ18O記錄[59,62?65]和湖泊記錄[66?67]、西北地區(qū)石筍灰度記錄和黃土剖面記錄[68?69]，都支持H1期間季風強度減弱帶來降水量減少的理論。然而，有些研究認為東亞大陸石筍δ18O值與降水量之間可能不存在線性關系[70?72]。Pausataet al.[73]通過模擬認為在H1事件發(fā)生時，東亞季風區(qū)的石筍δ18O指示了印度季風強度的變化。此時印度地區(qū)降水減少，水汽δ18O值偏正，使得風向下游區(qū)中國石筍δ18O值偏正。另一種觀點則認為，印度夏季風并不是控制中國石筍δ18O值的唯一因素，H1事件期間中印石筍氧同位素的變化幅度間存在差異，認為中國石筍δ18O值還受到熱帶太平洋的影響[74]。Chenget al.[75]認為不論水汽是來自印度洋還是太平洋，二者并不矛盾，中國石筍δ18O記錄了從水汽源到洞穴地點全程降水的累計結果，從總體上反映了亞洲季風的強弱。為了進一步認識石筍δ18O在東亞季風區(qū)的氣候意義，分析同支石筍的微量元素能成為有效補充。

2.1 H1事件期間長江中下游微量元素變化

石筍微量元素是當地水文條件變化的重要指標[76?79]，其變化對理解石筍δ18O指標的氣候意義具有重要參考價值。微量元素鈾（U），具有放射性，其天然同位素有238U、235U和234U。學術界對石筍U元素的研究主要集中于238U濃度、δ234UInitial值兩方面。在自然界中，U主要以＋4和＋6兩種價態(tài)為主，其價態(tài)轉換主要受氧化還原環(huán)境的影響[80?82]。大氣降水、洞穴上覆土壤帶和石灰質母巖是U主要的來源途徑。石筍中U含量受土壤和母巖、巖溶水的滲透路徑和滯留時間的長短等因素影響，其變化可能指示土壤濕度和有效降水變化[83?84]。δ234UInitial值可通過公式計算得到：δ234UInitial=δ234Umeasured×eλ234×t。δ234UInitial代表了石筍碳酸鹽物質沉淀時巖溶水中過剩234U（234Uexc）與238U之間的放射比。Kuanget al.[83]分析葫蘆洞U來源的比重，認為該指標受土壤有機質作用強烈，受控于地表土壤發(fā)育過程，具有反映洞穴上覆土壤成壤作用的環(huán)境意義。當水熱條件好時，土壤發(fā)育，234U/238U>1，表土234U富集，富含U+6的234U比富含U+4的238U更容易形成溶于水的化合物。此外，α衰變形成234Th時的反沖作用導致234U更易遷移到地下水中，使洞穴沉積中δ234UInitial值增大。因此，石筍δ234UInitial值可反映土壤發(fā)育程度，間接指示當地降水量變化。

葫蘆洞石筍δ234UInitial值和238U濃度記錄在H事件存在對應關系（圖3）。δ234UInitial值和238U濃度的高低對應氣候的濕干狀況，反映降水量的變化。

圖3 葫蘆洞石筍鈾元素記錄Fig.3 Uranium element records of stalagmites H82 and MSD in Hulu Cave

葫蘆洞石筍δ234UInitial在H4和H5事件期間處于高值，指示濕潤氣候狀況。不遠的鄱陽湖土壤剖面未產生H5事件的風沙沉積層，暗示此時并不是極端干旱期[85]。因此，δ234UInitial值在H4、H5事件的表現可能與此時濕潤水文氣候有關；H2和H3時δ234UInitial值變化不明顯或處于低值，卻沒有像H1、H4和H5事件那樣升高，這表明所有H事件在長江下游地區(qū)的水文影響并不相同。δ234UInitial值在H2和H3事件的表現可能反映東亞季風強度減弱并未造成該地區(qū)降水增加，使得土壤有機質含量降低，土壤發(fā)育程度變弱，δ234UInitial值不高。

238U濃度變化對H事件也有明顯響應。濕潤的H事件發(fā)生時238U濃度升高或者處于升高時期（圖3）。這表明濕潤的水文氣候有利于238U的富集。在三寶洞石筍238U記錄分析中，董進國等[86]認為在降水高的情況下石筍238U含量會有所增加。H事件期間南京地區(qū)降水量增加，土壤pH值下降，溶解基巖能力增強，易溶的UO2OH+增加[87]，導致石筍238U濃度增加?？傊跐駶櫟腍事件中，土壤微生物活動增強，導致表層土壤進一步風化和溶解基巖能力增強，促使石筍238U濃度和δ234UInitial值增加。

此外，不同于H2事件期間δ234UInitial值的變化，238U濃度的明顯增加可能與U的另一個環(huán)境意義有關：在氣候干旱期，土壤水分含量降低構成氧化環(huán)境，U氧化形成易溶于水的[UO2]2+，并加入石筍沉積過程，使U含量增加[88]；另一方面，巖溶水的滯留時間延長，也有利于從母巖含鈾礦物中淋濾出更多的U。

H1事件期間H82石筍δ234UInitial值和238U濃度記錄也存在對應關系。δ234UInitial值在204.93～226.57區(qū)間內波動，平均值約為214.88（圖4a）。δ234UInitial值的整體趨勢表現為自末次盛冰期后大幅增加，隨后其值在210上下波動，在～16.1 ka B.P.快速達到峰值，對應于H82石筍δ18O記錄的最大值，此后以波動減小的形式進入博林間冰階。在整個H1事件期間，δ234UInitial值變化總體呈倒“V”型；238U濃度在114.28～234.49 ng/g區(qū)間內波動，平均值約為190.1 ng/g（圖4b）。值得注意的是，石筍δ18O記錄在～16.1 ka B.P.時于20年內突增2‰，指示東亞夏季風快速從強變弱[5,89]。這一突變事件得到δ234UInitial值和238U濃度記錄的支持（圖4）。此外，～16.1 ka B.P.的氣候轉型在石筍鈾元素記錄中的對應關系也證實了δ234UInitial值和238U濃度對大尺度氣候環(huán)境變化的敏感性。不同的是，H82石筍δ18O均值從階段I的?6.26‰偏正到階段II的?5.8‰（偏正幅度0.46‰），指示季風強度的逐漸減弱；而δ234UInitial均值則由階段I的209.210 8增至階段II的218.835（增幅約9.62個單位）；而238U濃度均值由階段I的212.7降至階段II的169.3 ng/g（減幅約43.4 ng/g）。δ234UInitial值和238U濃度雖然在變化幅度上不同，但總體上仍都反應降水量的增加，這表明二者與δ18O記錄反映的水文氣候變化存在指向差異，影響機制也不盡相同。

圖4 長江中下游地區(qū)石筍δ18O和微量元素記錄Fig.4 Stalagmiteδ18O and trace element records in the middle and lower reaches of the Yangtze River

2.2 H1期間長江中下游降水量變化

豪豬子洞石筍微量元素記錄[8]與δ18O記錄出現反相關關系（圖4c）。石筍微量元素變化指示了H1期間該地區(qū)變得濕潤，歸因為北半球變冷引起半球間溫度梯度減小、西風帶北移時間偏晚，東亞夏季風減弱，導致梅雨帶在長江中游地區(qū)停留時間長，促使降水增多。

H82石筍δ234UInitial值和238U濃度在H1期間增高，表明該時期降水量增加。可能的原因為梅雨帶在長江下游地區(qū)停留時間長、降水增多，提高了南京地區(qū)土壤發(fā)育程度，導致δ234UInitial值升高；同時，土壤腐殖質中富里酸所結合的鈾以UO2OH+-腐殖酸絡合物的形式存在并遷移，導致238U濃度增大。H82石筍δ234UInitial值和238U濃度的變化特征進一步支持了梅雨與季風強度變化間的反相關關系。

總體而言，H82石筍U元素變化在H1期間以～16.1 ka B.P.為界分為兩個階段：在H1事件早期，對應于δ18O記錄總體偏正趨勢，δ234UInitial值小幅增加，而238U濃度則因土壤酸堿度下降改變了巖溶水中鈾的沉淀富集條件而增大。整體反應該時期季風強度呈減弱趨勢、降水量呈增加趨勢。在～16.1 ka B.P.，δ18O記錄指示季風強度快速減弱，而δ234UInitial值和238U濃度快速到達峰值；在H1事件結束期，δ18O記錄快速偏負指示季風增強，而δ234UInitial值和238U濃度則相應減少，指示降水量的減少。δ234UInitial值和238U濃度大致經歷了先增后減的過程，與δ18O記錄呈正相關。

縱上所述，H1事件期間東亞季風區(qū)并不表現為一致的氣候冷干，經向三極子模式的提出，為解釋季風降水的時空差異提供了一種新思路。石筍δ18O指標應用最多，但其水文氣候意義備受爭議[90]，而石筍微量元素受當地環(huán)境影響較大，能夠反映當地降水量變化，石筍微量元素的研究有益于石筍δ18O指標的解譯。

3 結論

本文對葫蘆洞H82石筍δ234UInitial值和238U濃度記錄在H1期間的變化進行分析，認為U元素及δ234UInitial值的變化能夠指示區(qū)域水文變化，并發(fā)現H1事件期間研究洞穴所在的長江下游地區(qū)降水增多，可能與季風減弱，梅雨帶在該區(qū)域停留時間較長有關，這支持了H1期間梅雨與季風強度變化間的反相關關系，且有助于完善石筍δ18O指標的水文氣候學意義。

致謝 衷心感謝編輯部老師和審稿專家給予的建設性的修改意見。