金院 汪勇 胡潔 韓瑞超 項(xiàng)超生

關(guān)鍵詞 元素地球化學(xué)；湖泊沉積物；升金湖；水文變化；亞洲—太平洋濤動

0 引言

過去千年是氣候變化當(dāng)前與過去更長時間尺度相聯(lián)系的關(guān)鍵時段，也是自然氣候變化和人類活動聯(lián)系最為緊密的時段，主要包括1 800 A.D.前以自然變率為主的氣候波動時期和過去200年中自然和人為因素共同影響的氣候變化時期[1?3]。近年來，學(xué)者們通過整合石筍[4]、樹輪[5]、冰芯[6]、湖泊沉積物[7]和歷史文獻(xiàn)[8]等水文記錄，建立了半球及全球尺度的溫度與降水變化曲線，揭示了過去千年中世紀(jì)暖期、小冰期以及工業(yè)革命以來全球變暖的典型氣候變化過程，但是對于這些特征時期內(nèi)部起始結(jié)束時間、降水變化幅度、產(chǎn)生機(jī)制、內(nèi)部波動及區(qū)域響應(yīng)等認(rèn)識存在差異[9?12]。因此，加強(qiáng)過去千年水文環(huán)境變化研究對于認(rèn)識當(dāng)前全球變暖背景下氣候變化機(jī)理及預(yù)測未來水文變化趨勢具有重要價值。

中國東部主要受東亞夏季風(fēng)影響，其水文變化具有顯著的時空異質(zhì)性，主要表現(xiàn)為區(qū)內(nèi)降水時空分布不均，呈現(xiàn)“南澇北旱”或“南旱北澇”的分布特征[13?14]。Zhu et al.[15]認(rèn)為夏季降水在中國呈“濕—干—濕”或“干—濕—干”經(jīng)向模式，即夏季降水更多在中國北部，華南和長江中下游流域降水少，反之亦然。Zhong et al.[16]認(rèn)為中國東部濕度變化的空間格局在全新世早期和晚期表現(xiàn)為“干—濕—干”模式，而在全新世中期表現(xiàn)為“濕—干—濕”模式。盡管近年來在中國東部開展了大量的東亞夏季風(fēng)變化歷史重建研究，然而一方面不同區(qū)域東亞夏季風(fēng)降水重建結(jié)果差異較大，另一方面對影響東亞夏季風(fēng)變化的內(nèi)外部驅(qū)動機(jī)制認(rèn)識也存在不同觀點(diǎn)。例如，陳文等[17]總結(jié)不同區(qū)域重建結(jié)果認(rèn)為顯著影響我國東部降水變化的海洋ENSO態(tài)在中世紀(jì)暖期為拉尼娜態(tài)，小冰期為厄爾尼諾態(tài)；最近Jiang et al.[18]關(guān)于江淮流域女山湖高分辨區(qū)域水文重建結(jié)果也持相同觀點(diǎn)；而對中國南海地區(qū)湖泊水文重建以及中國東部永興洞石筍重建過去千年水文變化結(jié)果，均認(rèn)為小冰期為拉尼娜態(tài)[19?20]。因此，為加深對近千年來中國東部東亞夏季風(fēng)演替歷史以及內(nèi)外部機(jī)制的認(rèn)識，繼續(xù)加強(qiáng)東亞地區(qū)高分辨率過去水文變化重建與驅(qū)動機(jī)制研究非常必要。

沉積物元素含量變化能夠敏感地反映沉積時期湖泊水體環(huán)境變化過程[21?22]，是重建古水文環(huán)境變化的重要手段，近年來被廣泛應(yīng)用于過去水文變化重建研究[23]。X射線熒光分析（X-Ray Fluorescence，XRF）方法具有分析速度快、無損樣品、分辨率高、連續(xù)性好等特點(diǎn)，在獲取高分辨率環(huán)境記錄信息方面具有獨(dú)特優(yōu)勢[24?25]。升金湖位于長江下游，是典型的長江連接湖[26]。Cheng et al.[27]通過生物指標(biāo)與地球化學(xué)指標(biāo)分析了升金湖的生態(tài)環(huán)境演化。許信旺等[28]利用元素與磁化率探討了升金湖流域環(huán)境變化。升金湖是一個重要的國家級自然保護(hù)區(qū)，同時也是國際重要的濕地名錄所收錄的湖泊之一[29]。目前對升金湖的研究主要集中在生態(tài)環(huán)境[30]、濕地保護(hù)評價[31]、動植物保護(hù)研究[32]、越冬候鳥生境[33]、水污染評價[34]，在古水文環(huán)境研究方面較為薄弱。因此，本文對長江下游升金湖沉積巖心元素地球化學(xué)指標(biāo)含量變化進(jìn)行研究，在可靠的年代數(shù)框架基礎(chǔ)上，重建該地區(qū)過去千年水文環(huán)境變化，并通過與區(qū)域歷史文獻(xiàn)記錄的東亞夏季風(fēng)區(qū)及鄰近地區(qū)的指標(biāo)序列進(jìn)行對比研究，探討該區(qū)過去千年水文變化的可能驅(qū)動機(jī)制，為深入理解長江中下游地區(qū)水文環(huán)境變化提供依據(jù)。

1 研究區(qū)地理概況

升金湖（30°15′ N～30°28′ N，116°58′ E～117°14′ E）位于安徽省池州市境內(nèi)，跨東至縣、貴池區(qū)，瀕長江南岸，系長江中下游河漫灘洼地經(jīng)泥沙封淤，積水而成保存較為完好的淺水河間洼地湖泊[35]（圖1），湖泊面積133 km2，湖泊自西向東分為水面相連的上、中、下湖[26]。流域氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，年平均氣溫16.1 ℃，最熱月7月平均氣溫28.2 ℃，最冷月1月平均氣溫3.9 ℃，無霜期240天，年平均降水量1 600 mm[27]。升金湖長20.5 km，最大寬7.5 km，平均寬3.83 km；湖泊豐水期湖面最高水位17 m，年平均水位10.88 m[27]。流域雨量充沛，地表徑流豐富，水源以大氣降水補(bǔ)給為主，地表徑流主要來自西南張溪河（張溪鎮(zhèn)）和東部唐田河（唐田鎮(zhèn)），以及周邊少數(shù)地表徑流[31]。

升金湖東南岸屬九華山山脈一部分，為低山丘陵，西北屬沿江沖積平原，為平原圩畈[35]。其東南湖岸為中生代三疊紀(jì)與古生代二疊紀(jì)地質(zhì)構(gòu)造，以灰?guī)r、頁巖為主；西北湖岸為第四紀(jì)地層構(gòu)造，以亞黏土、砂礫為主。湖床自南向北逐漸傾斜，形成現(xiàn)代沖積層，泥沙淤積，土壤為黃色亞黏土、黃紅壤和粉砂、砂礫[36]。

2 材料與方法

2.1 巖心鉆取與樣品采集

課題組于2019年3月利用重力鉆在升金湖淺水濕地區(qū)域采集巖心樣品，采樣點(diǎn)位于30°20′ N，117°0′ E，所采集巖心總長度為86 cm，編號SJPC19-3，巖心采集后迅速運(yùn)輸至實(shí)驗(yàn)室并采用低溫保存。由于巖心9 cm以上部分為含水量很高的稀泥質(zhì)沉積物，無法進(jìn)行有效分樣，以及考慮沉積速率等問題，因此本研究選用9～86 cm范圍內(nèi)的樣品。巖心9～30 cm范圍內(nèi)以0.5 cm為間隔、30～86 cm范圍以每1 cm間隔進(jìn)行分樣，共分得樣品98個。將分得的樣品用真空冷凍干燥機(jī)進(jìn)行凍干處理后進(jìn)行下一步分析。

2.2 年代測定

從SJPC19-3 鉆孔中分別挑選了深度為10 cm、45 cm、86 cm的三個樣品，送往美國Beta Analytic公司進(jìn)行AMS14C年代分析，測年材料包括植物殘?bào)w和全巖有機(jī)碳，測試結(jié)果使用INTCAL 13數(shù)據(jù)庫進(jìn)行年代校正。

2.3 XRF 元素掃描測定

將分好的沉積物樣品凍干，盡量小心去除現(xiàn)代根系、植物殘?bào)w、貝殼等，之后用研缽將樣品磨成粉末，后過200目塑料尼龍篩（0.074 mm孔徑），攪拌均勻，將測試樣品進(jìn)行粉末壓片制備。將儀器自帶的粉末壓片標(biāo)準(zhǔn)樣品，在沉積物樣品測試前對XRF進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制及校準(zhǔn)。將處理好的粉末壓片樣品放入日本理學(xué)公司生產(chǎn)的Rigaku ZSX Primus II型波長色散X 射線熒光光譜儀內(nèi)進(jìn)行元素分析，通過微區(qū)定量分析測定主量元素氧化物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及部分微元素的含量，測得Ti、Cr、Sr、CaO、Rb/Sr、SiO2。分析測試過程采用國家地球化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)沉積物樣（GSS1 和GSD9）進(jìn)行全程監(jiān)控，分析誤差小于±1%。

2.4 總有機(jī)碳、總氮、碳氮比、無機(jī)碳測定

總有機(jī)碳（TOC）、總氮（TN）、C/N、無機(jī)碳（IC）等指標(biāo)測定均在中國科學(xué)院青藏高原環(huán)境變化與地表過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成。利用日本島津公司的總有機(jī)碳分析儀（TOC-VCPH型）完成IC含量的測量，由德國vario MAX cub型元素分析儀測量（TC）和TN的含量，再通過差減法，即利用TC含量減去IC含量得出樣品的TOC含量，同時利用TOC和TN的比值計(jì)算得出C/N。

3 結(jié)果

3.1 年代—深度序列

SJPC19-3沉積巖心三個沉積物樣品AMS 14C年代測試結(jié)果表1所示。巖心從頂部至底部年代由新變老，巖心頂部10 cm處年代為1 995～1 999 A.D.，底部年代約為980～1 052 A.D.。已有研究發(fā)現(xiàn)升金湖沉積巖心基本無碳庫效應(yīng)[37]，因此該巖心完整覆蓋升金湖地區(qū)約過去一千年水文變化。本研究根據(jù)三個年代數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多項(xiàng)式擬合，建立巖心最終的年代—深度序列[37]（圖2）。

3.2 XRF 元素掃描結(jié)果

通過對SJPC19-3孔XRF巖心掃描得到的Ti、Cr、Sr、CaO、Rb/Sr、SiO2含量變化進(jìn)行描述（圖3）；Ti含量波動范圍為4 800～6 000 mg/kg，平均為5 529 mg/kg；Rb/Sr波動范圍為2～8，平均為5.13；Sr含量波動范圍在15～60 mg/kg，平均為24.60 mg/kg；Cr 含量波動范圍在70～98 mg/kg，平均為83.77 mg/kg；SiO2含量波動范圍在56%～62%，平均為59.57%；CaO 含量波動范圍在0～5%，平均為1.38%。

總體來看，升金湖沉積巖心Ti、Cr、SiO2、Rb/Sr變化趨勢大致相似，高強(qiáng)度值出現(xiàn)在約1 000～1 100 A.D.與1 300～1 600 A.D.之間，且后一階段波動強(qiáng)度較前一階段顯著，在1 600 A.D.之前含量較高，1 600 A.D.之后含量相對較低，在1 850 A.D.以來有上升的趨勢；元素Sr、CaO含量總體變化趨勢大致相同，1 600 A.D.之前含量相對較低，1 600 A.D.之后含量相對較高。在1 000～1 350 A.D.元素Sr、CaO含量保持在低值范圍，在約1 100 A.D.元素Sr、CaO含量為巖心最高值，在1 350～1 850 A.D.元素Sr、CaO含量由低值向高值變化，1 850 A.D.以來，元素Sr、CaO含量呈顯著下降趨勢。

3.3 總有機(jī)碳、總氮、碳氮比、無機(jī)碳測定結(jié)果

沉積物中TOC、TN、C/N、IC測定結(jié)果顯示（圖4），TOC含量波動范圍為0.5%～2.5%，平均為1.349%；TN含量波動范圍為0.05%～0.25%，平均為0.156%；C/N波動范圍為5～15，平均為8.433；IC含量波動范圍為0～1.5%，平均為0.183%。TOC、TN和C/N過去千年呈波動增加趨勢，在1 000～1 600 A.D.期間TOC、C/N與TN含量緩慢波動增加，在1 600～1 650 A.D.期間迅速增加，之后保持在高值水平；在1 350 A.D.前，IC含量呈波動變化并以1 100～1 150 A.D.較為顯著，1 350～1 600 A.D.時段接近0值，1 600～1 850 A.D.期間IC為巖心最高值水平，1 850 A.D.以來呈顯著降低趨勢[37]。

4 討論

4.1 環(huán)境指標(biāo)的古水文意義解釋

沉積物地球化學(xué)元素來源、組成及含量變化特征等受沉積時期流域侵蝕、湖泊物理化學(xué)過程、元素本身地球化學(xué)行為等多種因素控制，在沉積過程中記錄豐富的流域環(huán)境變化信息，是重建過去沉積環(huán)境變化的基礎(chǔ)方法之一[38?40]。在自然條件下，湖泊沉積物中無機(jī)、有機(jī)化學(xué)元素主要有兩種來源：一是流域外源組分；二是湖泊水體中各種物理、化學(xué)及生物過程所產(chǎn)生的內(nèi)生沉淀組分[41]。

Ti、Rb/Sr、Cr、SiO2等元素及氧化物為典型外源碎屑物來源，其化學(xué)組成一般與外源物質(zhì)的輸入有關(guān)，主要受氣候與人類活動影響[42?44]。降水充足濕潤條件下有利于Ti元素富集，且湖泊沉積物中Ti元素主要來自湖泊匯水盆地的陸源物質(zhì)輸入，一般情況下，Ti元素高值反映降水較多、陸源碎屑物大量入湖的濕潤環(huán)境，Ti元素低值指示降水較少、陸源物質(zhì)入湖量少的干旱環(huán)境[45?46]。SiO2是一種難遷移的物質(zhì)，沉積物中SiO2主要包括兩個方面的來源：一是以碎屑顆粒搬運(yùn)沉積下來的石英碎屑和其他硅酸鹽礦物碎屑；二是以膠體和黏土礦物搬運(yùn)并沉積下來的物質(zhì)。SiO2作為相對穩(wěn)定的元素，氣候越暖濕，相對富集程度越高；反之，當(dāng)氣候越干冷，其含量也就相對越低[47?48]。升金湖位于季風(fēng)濕潤區(qū)，湖泊流域降水較多，地表水與地下水淋溶程度大，地表徑流豐富且湖泊周邊植被豐富，沉積環(huán)境中元素Ti高值指示降水多，低值指示降水少。SiO2可能代表湖泊外源碎屑，高值指示降水多，低值指示降水少。Cr元素及氧化物都是變價元素，其含量變化基于它對不同氧化—還原條件的敏感性。一般在濕熱氣候條件下，氧化性增強(qiáng)，這些元素相對富集，而氣候干冷還原環(huán)境下，含量相對較低[49?50]。升金湖地處亞熱帶，區(qū)域水文組合夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥。因此Cr元素可能指示干濕變化，Cr高值時指示降水多，低值指示降水少。元素Sr、CaO化學(xué)性質(zhì)活潑、易遷移、與碳酸鹽化學(xué)沉淀過程相關(guān)，其來源與湖泊沿岸巖石性質(zhì)、湖泊內(nèi)源理化性質(zhì)有關(guān)，Sr、CaO活動性相對較高，被認(rèn)為在暖濕氣候條件下更容易淋失，使得含量降低；在干冷條件下，地表化學(xué)作用微弱而使其相對富集[47，51]。升金湖周邊巖石多為灰?guī)r、頁巖及第四紀(jì)沉積巖，土壤為典型的亞熱帶紅壤土[52]，區(qū)域降水豐富，湖泊水來源主要為區(qū)域降水，但湖泊周邊植被豐富外源碎屑輸入較少，所以流域湖泊沉積物中的碳酸鹽可能主要來自湖泊自身的碳酸鹽沉淀作用。因此認(rèn)為Sr、CaO可以有效指示流域外源輸入的增減與內(nèi)源的增減，Sr、CaO高值指示降水減少，水文環(huán)境偏干，低值指示降水增加，水文環(huán)境偏濕。Rb/Sr高低可以指示外源碎屑輸入的多少，間接反映區(qū)域降水變化，不同研究對于其高低變化與降水強(qiáng)度關(guān)系不盡相同[53?55]。當(dāng)水文條件較好時，年降水量較大，地表或地下水淋溶程度增加，導(dǎo)致Sr遷移量增加從而湖泊中的淀積量減少，此時Rb淋失量略有上升但其淋溶程度遠(yuǎn)不如Sr，根據(jù)Rb、Sr礦物的性質(zhì)，由于比值受到物理、化學(xué)風(fēng)化的多重影響，當(dāng)湖泊中含有較多碎屑巖物質(zhì)時，Rb含量上升速度快于Sr，從而Rb/Sr升高，即沉積環(huán)境中Rb/Sr高值說明氣候濕潤，低值則反映了水文環(huán)境較干[56]。升金湖沉積物巖心鉆孔所在地，地勢低平為湖沼沉積環(huán)境，是水流匯集場所，因此我們認(rèn)為當(dāng)Rb/Sr出現(xiàn)高值時，指示降水量增加，水文環(huán)境相對偏濕；Rb/Sr出現(xiàn)低值時，指示降水量減少，水文環(huán)境相對偏干。

升金湖地處亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候區(qū)，屬于開放性淡水湖。經(jīng)過對湖泊周邊植被調(diào)查發(fā)現(xiàn)湖泊為淺水湖，且湖泊周邊陸生與水生植被豐富，湖泊水位的升高可能使湖底形成缺氧的還原條件，減少了有機(jī)質(zhì)的氧化，有利于有機(jī)質(zhì)的保存，但過去千年中國東部地區(qū)一直受人類活動影響較大[57]。課題組的前期研究結(jié)果中TOC與TN為低值時指示湖泊有機(jī)質(zhì)含量低，湖泊營養(yǎng)水平較差，相反指示湖泊有機(jī)質(zhì)含量高，湖泊營養(yǎng)水平較好。C/N為低值時指示湖泊有機(jī)質(zhì)主要來源于水生生物，高值時主要來源于陸生生物。IC為低值時指示湖泊水位高，水文環(huán)境偏濕，反之則指示湖泊水位低，水文環(huán)境偏干旱[37]。因此我們認(rèn)為沉積物TOC、TN、C/N、IC含量可以反映湖泊水文環(huán)境與人類活動強(qiáng)弱關(guān)系。

4.2 過去千年以來的水文變化重建

通過上述對元素及氧化物指標(biāo)的古水文意義解釋，選取Ti、SiO2、Cr、CaO、Sr、Rb/Sr與TOC、TN、T/N、IC作為升金湖流域水文環(huán)境指標(biāo)。根據(jù)地球化學(xué)元素特征，將SJPC19-3巖心沉積物指標(biāo)揭示的升金湖過去千年以來水文環(huán)境變化分為3 個階段（圖3，4）。

階段Ⅰ：深度為86～49 cm，年代1 000～1 350 A.D.（中世紀(jì)暖期）

在1 100 A.D.之前，Ti、Cr、SiO2、Rb/Sr波動下降，但總體呈高值水平，Sr、CaO含量為低值，指示降水較多，水文環(huán)境較濕，在1100 A.D.左右出現(xiàn)明顯波動指示一次極端干旱事件；在1 100 A.D.之后，Ti、Cr、SiO2、Rb/Sr為高值呈波動變化，Sr、CaO含量為低值呈緩慢波動上升趨勢，指示1 100 A.D.之前升金湖流域降水增加，1 100 A.D.之后降水有所下降。同時TOC、TN處于沉積序列的最低水平，說明湖泊營養(yǎng)水平一般，有機(jī)質(zhì)含量低，較低的C/N說明有機(jī)質(zhì)主要來源于水生生物影響，IC為低值，呈波動增長，說明湖泊水位波動變化。綜上，在年代誤差范圍內(nèi)，部分指標(biāo)內(nèi)部出現(xiàn)波動，但多指標(biāo)綜合指示該時期水文環(huán)境變化總體由濕潤向干旱化轉(zhuǎn)變。

階段Ⅱ：深度為49～17.5 cm，年代1 350～1 850 A.D.（小冰期）

根據(jù)Ti、Rb/Sr、Cr、SiO2、CaO、Sr與TOC、TN、T/N、IC 變化，該階段可分為兩個階段。1）49～31 cm，1 350～1 600 A.D.小冰期前期。Ti、Cr、SiO2、Rb/Sr為高值呈下降趨勢，Sr、CaO含量為低值水平，指示該階段升金湖流域降水較前一階段增加，同時TOC、TN含量呈波動緩慢上升，說明湖泊營養(yǎng)水平有所提高，C/N比值上升說明湖泊有機(jī)質(zhì)受到陸生植物與水生生物的共同影響，IC含量進(jìn)一步降低，說明湖泊水位維持在較高水位，指示該時期升金湖流域水文環(huán)境變化偏濕潤。2）31～17.5 cm，1 600～1 850 A.D.小冰期后期。Ti、Cr、SiO2 含量為低值呈緩慢下降趨勢，Rb/Sr維持在低值范圍，Sr、CaO含量為高值呈上升趨勢，指示該時期升金湖流域水文變化向干旱化發(fā)展。同時TN、TOC含量在此階段上升呈高值水平說明湖泊有機(jī)質(zhì)增加，湖泊營養(yǎng)水平提高，C/N波動增大可能是流域降水減少，水位下降，流域周邊植被發(fā)育導(dǎo)致。IC含量也出現(xiàn)波動增加呈現(xiàn)千年以來最高值水平，進(jìn)一步說明此階段湖泊水位偏低。綜上，多指標(biāo)分析在小冰期升金湖流域水文環(huán)境變化趨勢為由濕潤向干旱發(fā)展。

階段Ⅲ：深度為17.5～9 cm，年代1 850～2 000 A.D.（現(xiàn)代暖期）

該階段Ti、Cr、SiO2含量呈緩慢上升趨勢，Rb/Sr由低值向高值變化，Sr、CaO含量較前一階段有所下降，指示該階段升金湖流域降水增加，水文環(huán)境較前一階段有所改善。同時TOC、TN含量繼續(xù)波動上升呈高值范圍，說明湖泊有機(jī)質(zhì)增加，營養(yǎng)水平呈現(xiàn)千年以來最高水平。這可能與人類活動導(dǎo)致的外源有機(jī)質(zhì)輸入有關(guān)，C/N較前一階段持平，IC含量迅速下降至低水平，指示降水增加，湖泊水位升高，水動力條件變?nèi)酢＞C上，多指標(biāo)指示該時期升金湖流域水文環(huán)境變化總體偏向濕潤。

4.3 與歷史文獻(xiàn)記錄的對比

據(jù)池州地方志與東至縣志等資料記錄的大量古水文信息，共整理出升金湖流域自宋紹興七年1 137～1 993 A.D.以來800年間發(fā)生的水災(zāi)共94次，旱災(zāi)共40次。在1 137～1 350 A.D.期間記錄的水災(zāi)有11次，旱災(zāi)9次；在1 350～1 850 A.D.期間記錄的水災(zāi)有54次，旱災(zāi)有20次；在1 850～1 993 A.D.期間記錄的水災(zāi)有29次，旱災(zāi)有11次[36，52]。我們將這些記錄與南方旱澇頻數(shù)距平[58]、升金湖沉積物元素記錄的干濕變化在年代框架內(nèi)對比分析發(fā)現(xiàn)（圖5），升金湖沉積物地球化學(xué)元素指標(biāo)Rb/Sr變化序列中指示的水文記錄與歷史資料記錄的水旱災(zāi)基本都有響應(yīng)。在Rb/Sr序列中1 100 A.D.附近出現(xiàn)明顯的谷值（圖5），可能指示一次極端干旱事件，但在歷史資料中未找到相應(yīng)記錄，我們認(rèn)為極端旱澇的發(fā)生可能存在區(qū)域性，對于少數(shù)在局部地區(qū)發(fā)生的極端旱澇事件很少記載；在1 350～1 600 A.D. Rb/Sr變化指示降水增加，水文環(huán)境偏濕潤與《中國三千年氣象記錄總集》中記錄的1 500～1 600 A.D.，長江中下游地區(qū)連續(xù)降雨3個月以上的極端氣候事件響應(yīng)[59]。在1 600～1 850 A.D. Rb/Sr變化指示該時期降水減少，水文環(huán)境向干旱化發(fā)展，與葛全勝[60]研究認(rèn)為長江流域自1 580 A.D.后干旱程度逐漸加重及歷史文獻(xiàn)中[36]描述的相吻合。在1 650～1 800 A.D. Rb/Sr變化序列中指示降水減少，干旱化程度加劇，與歷史文獻(xiàn)中記載康熙十三年至六十六年期間記載的江南大旱，赤地千里，滴水未落，顆粒無收，民死十之四的描述基本一致[36，52]。1 850～2 000 A.D. Rb/Sr變化指示降水增加，水文環(huán)境變濕潤，與歷史文獻(xiàn)[52]記載的1 880～1 950 A.D.期間發(fā)生的水災(zāi)記錄：東流港口，山水暴涌，沉溺船只，其春久旱，夏大水，糧棉歉收相吻合，同時在1 930 A.D.左右Rb/Sr變化序列中指示的降水增加與歷史文獻(xiàn)記載的民國22年至31年描述的山洪陡發(fā)，洪水泛濫，江南等處大水，其東流雨雪，平地寸許，而后水荒相吻合[52]。綜上，本研究各項(xiàng)指標(biāo)分析結(jié)果與歷史文獻(xiàn)記錄的水文變化特征較吻合，說明升金湖沉積物自1 000 A.D.以來的沉積序列準(zhǔn)確反映了區(qū)域水文變化的重要信息。

5 區(qū)域古水文對比及其可能的驅(qū)動機(jī)制

5.1 區(qū)域古水文環(huán)境對比

為進(jìn)一步深入理解近千年東亞季風(fēng)區(qū)水文環(huán)境變化特征與區(qū)域機(jī)制響應(yīng)，將升金湖SJPC19-3巖心的地球化學(xué)元素用于反映古水文變化的周邊研究區(qū)域：大九湖泥炭重建降水量[61]、江淮地區(qū)干濕指數(shù)[62]、江淮流域女山湖色度a*/L*[18]、亞洲—太平洋濤動指數(shù)[63]及北半球太陽輻照度[64]進(jìn)行對比分析（圖6）。由于地域上鄰近，均位于東亞季風(fēng)區(qū)，記錄具有較強(qiáng)的可比性，進(jìn)一步討論升金湖地區(qū)近千年以來的水文環(huán)境變化。分析發(fā)現(xiàn)：在年代誤差范圍內(nèi)，SJPC19-3巖心的地球化學(xué)元素在中世紀(jì)暖期（1 000～1 350 A.D.）指示該階段水文環(huán)境總體偏向干旱化，相對應(yīng)的大九湖泥炭重建降水量偏低，江淮地區(qū)干濕指數(shù)下降，江淮流域女山湖色度比處于高值都指示該階段水文環(huán)境偏干。當(dāng)進(jìn)入小冰期階段（1 350～1 850 A.D.），在小冰期前期（1 350～1 600 A.D.），SJPC19-3巖心的地球化學(xué)元素指示該階段水文環(huán)境偏濕潤，相對應(yīng)的湖北大九湖泥炭重建降水量偏高，江淮地區(qū)干濕指數(shù)上升以及江淮流域女山湖色度比處于低值，都指示該階段水文環(huán)境濕潤化；在小冰期后期（1 600～1 850 A.D.），SJPC19-3巖心的地球化學(xué)元素指標(biāo)指示該階段降水較前期有所減少，水文環(huán)境偏干，相對應(yīng)的湖北大九湖泥炭重建降水較前一階段降水量減少，江淮地區(qū)干濕指數(shù)波動變化以及江淮流域女山湖色度比值由低值向高值變化，均指示該階段降水相對前一階段有所下降，水文環(huán)境偏干旱。在現(xiàn)代暖期（1 850～2 000 A.D.），SJPC19-3巖心的地球化學(xué)元素指標(biāo)指示水文環(huán)境有所改善，相對應(yīng)的湖北大九湖泥炭重建降水量較前一階段有所下降但總體呈高值水平，江淮地區(qū)干濕指數(shù)較前一階段有所下降但總體處于正值，江淮流域女山湖色度比值降低均指示該階段降水相對增加，水文環(huán)境偏向濕潤。上述地區(qū)重建的降水變化趨勢較為一致，雖然在內(nèi)部會出現(xiàn)一些波動，但總體上在中世紀(jì)暖期（1 000～1 350 A.D.），升金湖地區(qū)水文環(huán)境向干旱化變化，說明季風(fēng)帶來較少的降水，輸入湖泊沉積環(huán)境的外源碎屑較少。當(dāng)進(jìn)入小冰期（1 350～1 850 A.D.），水文環(huán)境由濕潤轉(zhuǎn)向干旱，說明季風(fēng)帶來的降水逐漸減少，輸入湖泊沉積環(huán)境的外源碎屑物質(zhì)減少。在現(xiàn)代暖期（1 850～2 000 A.D.），水文環(huán)境偏濕，說明季風(fēng)帶來較多降水，輸入的湖泊沉積環(huán)境的外源碎屑物質(zhì)增加。綜上，我們認(rèn)為升金湖湖泊沉積物元素地球化學(xué)能夠很好地反映過去千年該區(qū)域水文環(huán)境變化。

5.2 驅(qū)動機(jī)制分析

中國東部地區(qū)水文環(huán)境變化受到多種因素影響，降水的時空變化及其可能的驅(qū)動機(jī)制一直備受學(xué)界關(guān)注。崔樹昆等[65]認(rèn)為太平洋年代際振蕩（PDO）是影響小冰期以來中國東部季風(fēng)區(qū)干濕變化的重要影響因子。Ding et al.[66]通過現(xiàn)代器測降水與海溫?cái)?shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)中國東部的降水變化與赤道中東太平洋海溫（厄爾尼諾）有關(guān)。馬春梅等[67]通過對大九湖泥炭及區(qū)域考古文化記錄，發(fā)現(xiàn)中國中東部氣候干濕變化的驅(qū)動機(jī)制可能是太陽輻射在中緯度地區(qū)東亞季風(fēng)區(qū)的特定響應(yīng)。Yan et al.[68]通過模擬海溫變化與器測數(shù)據(jù)，分析認(rèn)為中國長江流域降水變化的驅(qū)動因子可能與西太平洋副熱帶高壓（WPSH）的進(jìn)退密切相關(guān)。亞洲—太平洋濤動（Asian-Pacific oscillation， APO）是指夏季亞洲大陸與太平洋中緯度對流層擾動溫度存在一個大尺度的遙相關(guān)，即當(dāng)亞洲大陸對流層偏暖（冷）時，北太平洋對流層偏冷（暖）[69?70]?，F(xiàn)代氣象觀測數(shù)據(jù)，與模擬數(shù)據(jù)均顯示我國東部降水的年際、十年際、百年和千年的變化與亞洲—太平洋濤動具有較好的相關(guān)性[71?72]。例如，前人研究認(rèn)為亞洲陸地與太平洋之間對流層熱力差異對比與東部季風(fēng)區(qū)降水的年代際變化密切相關(guān)，APO指數(shù)熱對比弱時，東部季風(fēng)降水一般具有南北相相反的特征；即北方降水較少時，長江中下游降水較多，反之則情況相反[73?74]。周秀驥等[63]通過中國歷史文獻(xiàn)記錄重建的旱澇指數(shù)合成分析，發(fā)現(xiàn)重建的APO總體上能夠指示小冰期時在世紀(jì)尺度上的東亞夏季風(fēng)變化和我國東部降水異常，即當(dāng)APO偏高（低）時，黃河流域夏季降水偏多（少），長江流域降水偏少（多）。王星等[75]利用1948—2016年NCEP/NCAR月平均再分析資料和1948—2012年CRU降水資料以及合成分析、M-K突變檢驗(yàn)等方法，分析發(fā)現(xiàn)當(dāng)APO指數(shù)（APO）偏高（低）時，東亞夏季風(fēng)偏強(qiáng)（弱），即APO減弱，南亞高壓范圍增大，東亞夏季風(fēng)減弱，中國江淮地區(qū)降水量增加，反之則情況相反。

本文將中國東部升金湖地區(qū)重建1 000 A.D.以來的水文記錄與APO指數(shù)[63]（圖6f）、北半球太陽輻照度[64]（圖6g）進(jìn)行對比，分析發(fā)現(xiàn)：中世紀(jì)暖期（1 000～1 350 A.D.），APO指數(shù)處于高值（正位相），東亞夏季風(fēng)偏強(qiáng)長江流域降水偏少，同時北半球太陽輻照度變化呈波動變化但總體處于高值水平，水文環(huán)境偏向干旱化，升金湖在此期間雖然整體水位相對較高。但1 100 A.D.后的Rb/Sr與Ti含量較之前有所下降以及IC含量波動變化情況，說明在1 100 A.D.后水文環(huán)境開始向干旱化變化，表明升金湖流域在中世紀(jì)暖期的水文環(huán)境極有可能受到亞洲—太平洋濤動與北半球太陽輻照度的影響。小冰期前期（1 350～1 600A.D.），APO指數(shù)呈下降趨勢（負(fù)位相），東亞夏季風(fēng)偏弱，長江流域降水偏多，太陽輻照度呈下降趨勢，水文環(huán)境較前一階段偏濕，與之相對應(yīng)的升金湖沉積巖心中Rb/Sr與Ti含量呈下降趨勢但總體含量保持在高水平以及IC含量保持在低值水平，說明升金湖地區(qū)水文環(huán)境在小冰期前期偏濕潤。小冰期后期（1 600～1 850 A.D.），APO指數(shù)呈波動上升趨勢，東亞夏季風(fēng)有所增強(qiáng)，降水量相對減少，太陽輻照度處于波動上升階段，水文環(huán)境偏干旱，此時升金湖Rb/Sr與Ti含量處于低值水平以及IC、C/N波動增加，水文環(huán)境向干旱變化，表明升金湖流域在小冰期的水文環(huán)境同樣受到亞洲—太平洋濤動與北半球太陽輻照度的影響?，F(xiàn)代暖期（1 850～2 000 A.D.），APO指數(shù)較前一階段有所增加，東亞夏季風(fēng)增強(qiáng)，太陽輻射度處于高值水平，水文環(huán)境偏干旱，與升金湖巖心沉積物中地球化學(xué)指標(biāo)指示的重建結(jié)果存在差異，推測在現(xiàn)代暖期升金湖流域的水文環(huán)境可能受到海溫異常引起的厄爾尼諾—南方濤動與人類活動影響。

關(guān)于中國東部季風(fēng)區(qū)旱澇分布變化與亞洲—太平洋濤動的聯(lián)系，不少學(xué)者[71?74]研究認(rèn)為APO指數(shù)熱對比強(qiáng)弱變化時，中國東部季風(fēng)降水一般呈現(xiàn)南北相相反的格局，即在APO指數(shù)熱對比較強(qiáng)時，季風(fēng)增強(qiáng)，長江中下游降水減少，北方降水增加，反之季風(fēng)減弱，長江中下游降水增加，北方降水減少。本研究中對長江下游升金湖的元素地球化學(xué)記錄對比也表明，中世紀(jì)暖期受APO指數(shù)熱對比較強(qiáng)影響，升金湖流域偏旱，中國東部季風(fēng)區(qū)可能表現(xiàn)為“南旱北澇”；小冰期前期受APO指數(shù)熱對比較弱影響，升金湖流域偏澇，中國東部季風(fēng)區(qū)可能表現(xiàn)為“南澇北旱”；小冰期后期受APO指數(shù)熱對比較強(qiáng)影響，升金湖流域偏向干旱化，中國東部季風(fēng)區(qū)可能為“南旱北澇”。因此我們認(rèn)為中世紀(jì)暖期與小冰期，亞洲—太平洋濤動可能對中國東部季風(fēng)區(qū)南—北“偶極型”空間降水特征具有重要影響。

綜上，推測近千年來東亞季風(fēng)區(qū)升金湖流域水文變化可能受到亞洲—太平洋濤動（APO 指數(shù)）影響，同時在一定程度上也響應(yīng)了北半球太陽輻照度的統(tǒng)一驅(qū)動。但需要指出的是，亞洲—太平洋濤動（APO指數(shù)）與太陽輻照度變化與我們重建的結(jié)果在現(xiàn)代暖期內(nèi)部存在一定差異，原因可能是東部地區(qū)受到人類活動影響與厄爾尼諾—南方濤動有關(guān)。區(qū)域氣候變化響應(yīng)迅速，古水文環(huán)境復(fù)雜，相關(guān)問題的探討還需綜合區(qū)域器測水文環(huán)境資料、氣候模擬結(jié)果以及其他指標(biāo)進(jìn)行深入研究。

6 結(jié)論

（1） 在1 000～1 350 A.D（. 中世紀(jì)暖期），根據(jù)該區(qū)域地球化學(xué)元素含量變化，該階段1 100 A.D.前期，水文環(huán)境偏濕潤，1 100 A.D.后降水有所減少，總體向干旱化變化。在1 350～1 850 A.D（. 小冰期），根據(jù)該區(qū)域地球化學(xué)元素含量變化分為兩個階段：第一階段（1 350～1 600 A.D.），降水增多，水文環(huán)境偏濕；第二階段（1 600～1 850 A.D.），降水減少，水文環(huán)境偏干旱。在1 850～2 000 A.D（. 現(xiàn)代暖期），根據(jù)該區(qū)域地球化學(xué)元素含量變化，降水增加，水文環(huán)境偏濕。

（2） 近1 000年以來升金湖沉積物元素地球化學(xué)記錄的水文變化與歷史文獻(xiàn)記載的古氣候信息，在年代誤差范圍內(nèi)能夠很好的對應(yīng)，說明升金湖沉積物自1 000 A.D.以來的沉積序列年代框架和環(huán)境指標(biāo)所反映的水文環(huán)境變化信息較為準(zhǔn)確。

（3） 通過對升金湖巖心沉積物地球化學(xué)元素指標(biāo)分析，并將其指標(biāo)記錄近千年水文（以中世紀(jì)暖期與小冰期為主）特征與周邊區(qū)域研究結(jié)果對比，發(fā)現(xiàn)該研究區(qū)古水文變化與東亞夏季風(fēng)水文變化有較好的對應(yīng)關(guān)系，說明該區(qū)域水文變化對東亞夏季風(fēng)有很好的響應(yīng)。同時在中世紀(jì)暖期與小冰期，中國東部季風(fēng)區(qū)降水的南—北“偶極型”特征可能與亞洲—太平洋濤動（APO指數(shù)）密切相關(guān)。