葉　瑋　程龍娟　朱麗東　李鳳全　王天陽　金莉丹

(浙江師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院　浙江金華　321004)

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浙江北湖橋巖芯記錄的早
—中全新世環(huán)境演變

葉瑋程龍娟朱麗東李鳳全王天陽金莉丹

(浙江師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院浙江金華321004)

摘要通過對浙江余杭北湖橋鉆孔(簡稱BHQ孔)沉積物中總有機(jī)碳(TOC)和碳同位素(δ13Corg)的分析，結(jié)合碳氮比(C/N)、粒度參數(shù)、年代和孢粉資料，探討了研究區(qū)域早中全新世期間氣候演變規(guī)律。結(jié)果表明，BHQ孔所在區(qū)域早中全新世期間，環(huán)境變化可以劃分為3段：①11.4～8.7 ka B.P.，δ13Corg在-27.24‰～-23.4‰范圍內(nèi)波動(dòng)升高，TOC含量(0.19%～0.69%)呈顯著增加趨勢，指示氣候由冷干逐漸轉(zhuǎn)向溫濕。②8.7～8.0 ka B.P.，TOC含量偏低，δ13Corg(-24.91‰～-22.93‰)較為偏正，指示氣候呈冷干—溫濕—溫干。③8.0～4.2 ka B.P.，TOC含量(0.18%～2.18%)和δ13Corg(-26.33‰～-19.09‰)變化頻繁且幅度較大，但整體上TOC含量偏高，δ13Corg偏負(fù)，指示該段時(shí)期內(nèi)氣候總體呈暖濕特征，且存在不同尺度的冷暖波動(dòng)。其中在8.0～5.7 ka B.P.期間，TOC含量(0.43%～2.18%)明顯偏高，δ13Corg(-25.79‰～-23.15‰)明顯偏負(fù)，指示氣候溫暖濕潤，對應(yīng)于區(qū)域全新世大暖期；此外本段時(shí)期內(nèi)還記錄到5.5 ka B.P.和4.2 ka B.P.兩次冷事件。由此表明湖沼相沉積物TOC及δ13Corg可以記錄降水量和溫度的變化狀況，能有效指示古氣候的變化規(guī)律，同時(shí)研究結(jié)果初步揭示了浙北地區(qū)早中全新世期間氣候演變特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞BHQ鉆孔總有機(jī)碳有機(jī)碳同位素早中全新世全新世大暖期

全新世是與人類關(guān)系最為密切的一段時(shí)期，它記錄了人類文明的進(jìn)程，不同地區(qū)利用不同代用指標(biāo)對全新世環(huán)境氣候的研究成果豐富。研究區(qū)域位于北半球中緯度亞熱帶東部季風(fēng)區(qū)，地形多樣，河網(wǎng)密布，古文化遺址分布廣泛，易受海平面波動(dòng)影響，是對全球氣候變化響應(yīng)較為敏感的地帶。目前對全新世氣候環(huán)境變遷的研究成果豐富[1-5]，但對浙江境內(nèi)全新世氣候環(huán)境的系統(tǒng)研究卻顯不足。學(xué)者們通過孢粉組合[6-7]、全新世地層分析[8-9]、有孔蟲分析[10]、粒度和地球化學(xué)指標(biāo)及古人類遺址[11-13]等對浙江部分地區(qū)進(jìn)行了全新世環(huán)境演變的研究，但在全新世分期、特殊環(huán)境事件辨識(shí)方面研究較為薄弱，這給區(qū)域古環(huán)境對比帶來困難，進(jìn)而影響人們對古文化發(fā)展演化環(huán)境背景的認(rèn)識(shí)。湖泊或湖沼沉積物中總有機(jī)碳(TOC)及有機(jī)碳同位素(δ13Corg)是反映沉積物有機(jī)質(zhì)來源的重要參數(shù)[14-15]，已有不少研究表明總有機(jī)碳及其同位素作為環(huán)境的代用指標(biāo)，雖然具有氣候指示的多解性和復(fù)雜性，但在古氣候重建領(lǐng)域依然得到廣泛的應(yīng)用[16-21]。因此，本文基于對浙江北湖橋巖芯(BHQ孔)總有機(jī)碳含量及碳同位素記錄的分析，結(jié)合粒度、AMS14C年代數(shù)據(jù)、碳氮比和孢粉研究成果，綜合分析BHQ孔所在地區(qū)早中全新世期間的氣候變化特征，探討區(qū)域環(huán)境變化對全球氣候變化的響應(yīng)模式，勾畫出該時(shí)段考古文化形成的環(huán)境背景。

1區(qū)域概況

杭嘉湖平原位于太湖以南，天目山以東，杭州灣和錢塘江以北，東邊大致以江蘇吳江至上海市金山一線與東太湖平原和長江三角洲平原相連接，區(qū)域內(nèi)地勢低平，平均海拔在2～4 m，河網(wǎng)密布[8]。氣候?qū)儆诒眮啛釒喜肯蛑衼啛釒П本夁^渡類型，年平均降水量可達(dá)1 000～1 400 mm，降水主要集中在夏秋季，年均溫15℃～16℃，≥10℃積溫4 700℃～4 800℃，無霜期長達(dá)210～230天[11]。

研究區(qū)域位于杭嘉湖平原西南部，地表水系較為發(fā)達(dá)，但流域面積較小，多數(shù)河流發(fā)源于浙西北的天目山和莫干山，并向東或向北注入東海和太湖[22]。北湖橋鉆孔位于東苕溪流域上游低山丘陵與平原過渡帶(圖1)，沉積類型以湖沼沉積為主，厚度在15～30 m之間[11]。

圖1　BHQ孔的地理位置Fig.1　Location of BHQ Core site

2分析方法

綜合研究區(qū)地形、沉積特征和古人類遺址分布等因素，選擇在浙北杭嘉湖平原與浙西中山丘陵交界處的北湖草蕩進(jìn)行鉆孔取樣，鉆孔孔號為ZK4，鉆孔型號為100型，孔徑10 cm，地理位置為30°22.443′ N，119°56.237′ E，海拔6 m，孔深19.0 m，編號為BHQ[11]。巖性為灰色、灰黃色黏土和粉砂，其間夾雜有植物碎屑、鐵錳結(jié)核和鈣結(jié)核等，其中，距地表0～1.625 m、2.35～4.775 m之間存在缺失(未能獲取完整的柱樣)。本文取樣范圍為距地表4.775～19 m，取樣間隔10 cm，根據(jù)沉積特征在有些深度加密取樣，共獲得136個(gè)碳同位素分析樣品。粒度樣品按2.5 cm間隔取樣，樣品數(shù)量為535個(gè)。

樣品總有機(jī)碳及其同位素分析由國家海洋局第三海洋研究所穩(wěn)定同位素質(zhì)譜實(shí)驗(yàn)室協(xié)助完成，分析儀器為穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀(Delta V Advantage )，分析誤差<0.2‰。粒度和全氮的測定工作在浙江師范大學(xué)地理過程實(shí)驗(yàn)室完成，粒度數(shù)據(jù)由英國Malvern儀器有限公司生產(chǎn)的Mastersizer2000型激光粒度儀測定；全氮由ANT—300全自動(dòng)定氮儀測定。

BHQ樣柱共有8個(gè)測年數(shù)據(jù)，由北京大學(xué)核物理與核技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室加速器質(zhì)譜儀實(shí)驗(yàn)室-第四紀(jì)年代測定實(shí)驗(yàn)室和美國邁阿密貝塔分析實(shí)驗(yàn)室(Beta Analytic Inc)共同完成，其中共4個(gè)有效的AMS14C年代數(shù)據(jù)為7 095±35 a B.P.、7 170±70 a B.P.、7 520±40 a B.P.和9 570±90 a B.P.，分別位于樣柱深度8.75～8.80 m、8.95～8.90 m、12.675～12.725 m和18.30～18.35 m，由Calib 7.1軟件校正為日歷年(分別為7 872～7 895 a B.P.、7 931～8 048 a B.P.、8 323～ 8 389 a B.P.和10 918～11 089 a B.P.)，其與深度具有很好的相關(guān)性(R2=0.935)。根據(jù)已測定的粒度數(shù)據(jù)和巖性特征，在對整個(gè)樣柱分層的基礎(chǔ)上，結(jié)合已測得年代數(shù)據(jù)，計(jì)算出各層的沉積速率并推算整段年代，其中8.75～8.80 m和8.95～8.90 m兩組數(shù)據(jù)控制的層段沉積物巖性為黏土質(zhì)粉砂，計(jì)算出8.9～6.7 m段沉積速率為0.094 3 cm/a，并以此沉積速率進(jìn)行外推，至8.9 m處和6.7 m處沉積年代分別為8 016.5 a B.P.和5 684.5 a B.P.；8.9～17 m段沉積巖性為粉砂，以12.675～12.725 m處實(shí)測年代為控制點(diǎn)，結(jié)合8.9 m處推測年代，計(jì)算得到粉砂段沉積速率為1.119 cm/a，同理推算出17 m年代為8 739 a B.P.；17～18.5 m段沉積物為黏土質(zhì)粉砂，結(jié)合18.30～18.35 m處實(shí)測年代和17 m推算年代，計(jì)算出該段沉積速率為0.058 5 cm/a；19～18.5 m為粉砂質(zhì)砂，按照粉砂段沉積速率推算出底界年代為11 363 a B.P.；6.7～4.775 m沉積類型為粉砂和黏土質(zhì)粉砂，利用內(nèi)插和外延法，按照8.9～17 m和8.9～6.7 m段沉積速率，推算出頂界4.775 m處年代為4 178 a B.P.，進(jìn)而得到整個(gè)樣柱各段的年代。

另外，4.775～8.75 m范圍內(nèi)分別在樣柱深度4.9～4.925 m、5.02～5.05 m、6～6.05 m和6.95～6.975 m于不同時(shí)間共送4個(gè)樣進(jìn)行AMS14C測年，但均因碳含量偏低而未測出相應(yīng)年代數(shù)據(jù)。針對該問題，除了上述利用內(nèi)插和外延法推算年代外，在北湖草蕩BHQ鉆孔附近還采集一平行樣柱，編號為BHQ-2，并由美國邁阿密貝塔分析實(shí)驗(yàn)室(Beta Analytic Inc)進(jìn)行AMS14C年代測定，根據(jù)兩個(gè)鉆孔沉積類型對照以及現(xiàn)有年代推算[23]，可知兩根樣柱沉積類型基本對應(yīng)，因此間接證明了BHQ孔年代推斷的合理性(圖2)。

圖2　BHQ與BHQ-2孔巖性對照Fig.2　Lithology comparison between BHQ and BHQ-2 Core

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1沉積物粒度組成與分布特征

粒度分析結(jié)果(圖3)顯示，BHQ孔沉積物以粉砂組分(4～63 μm)占優(yōu)勢，其含量為20.63%～88.91%，平均值為71.58%；黏土組分(<4 μm)占11.09%～41.01%，平均值為24.13%；砂組分(>63 μm)含量為0～67.88%，平均值為4.23%。按照國際三角圖圖解法，沉積物多屬于粉砂和黏土質(zhì)粉砂。

圖3　BHQ孔沉積物粒度分布特征Fig.3　Distribution characteristics of grain sizes in sediments of BHQ Core

根據(jù)樣柱沉積物粒度組成的變化特點(diǎn)，將整個(gè)樣柱分為以下幾段：

(1) 19～18.5 m，該段為粉砂質(zhì)砂，砂含量平均值為39.09%，粉砂含量平均為40.87%，黏土含量平均值為23.04%。由下而上黏土和粉砂含量波動(dòng)上升，砂含量則波動(dòng)下降，沉積物粒徑由粗逐漸變細(xì)。

(2) 18.5～17 m，黏土質(zhì)粉砂，黏土含量平均值為30.73%，粉砂含量平均達(dá)到68.48%，砂含量平均僅為0.79%。該段黏土平均含量較下段增高，粉砂含量由下而上有逐漸增加趨勢。

(3) 17～8.9 m，粉砂，黏土和粉砂平均含量分別為20.02%和75.25%，砂平均含量為4.73%，由下向上呈逐漸減少趨勢。此段中，在孔深12.65～8.9 m內(nèi)，黏土含量明顯增加，砂含量減少并趨于零。

(4) 8.9～4.775 m，以黏土質(zhì)粉砂沉積為主，黏土、粉砂和砂的平均含量分別為30.04%、69.4%和0.56%。根據(jù)粒度曲線變化特征，本段自下而上可進(jìn)一步分為三層：第一層(8.9～6.7 m)和第三層(6.125～4.775 m)為黏土質(zhì)粉砂，黏土含量平均值分別為34.3%和28.5%，粉砂平均為65.62%和70.04%；第二層(6.7～6.125 m)為粉砂，與第一層相比，黏土含量減少，粉砂含量平均值上升為80.9%。

3.2沉積物TOC、δ13Corg和C/N變化特征

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖4)，BHQ孔柱狀沉積物δ13Corg變化在-27.24‰～-19.09‰，平均值為-24.06‰；TOC變化范圍在0.18%～2.18%之間，平均為0.48%；C/N值(4.65～19.59)自下而上波動(dòng)上升，平均值為10.7。通過對BHQ孔TOC與δ13Corg間的相關(guān)性分析(表1)，發(fā)現(xiàn)兩者之間總體存在較弱的負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R值為-0.287。根據(jù)上述資料，BHQ孔由下而上可分為四段：

第一段(19～17 m)，δ13Corg在-27.24‰～-23.4‰間變化，平均為-24.73‰，TOC變化范圍為0.19%～0.69%，平均0.49%，TOC與δ13Corg之間呈明顯正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.767。C/N值在4.65～12.02之間波動(dòng)，平均值為8.13，總體偏小。本段又可以分為上下兩部分：下部19～18.5 m，δ13Corg平均值為-26.9‰，較全孔均值明顯偏負(fù)，并在18.71 m處達(dá)到全孔最低值(-27.24‰)，TOC和C/N均值分別為0.34%和7.57，低于全孔均值；上部18.5～17 m，TOC平均含量為0.53%，明顯高于下部，δ13Corg平均值為-24.05‰，相比下部偏正，C/N平均值增加至8.31，且波幅變大(4.65～12.02)。

圖4　BHQ孔沉積物巖性特征和TOC及δ13Corg、C/N變化曲線Fig.4　Lithological features and content changes of TOC, δ13Corgand C/N ratio in sediments of BHQ Core

4.775～19/m4.775～8.9/m6.7～8.9/m8.9～17/m17～19/mTOC與δ13Corg的Pearson相關(guān)性-0.287**-0.437**-0.455*-0.428**0.767**顯著性(雙側(cè))0.0010.0050.03800樣品數(shù)量(N)13639217621

注：置信水平：**. 在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)；*.在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

第二段(17～8.9 m)，δ13Corg與TOC總體變化不大，其均值分別為-23.92‰和0.4%，兩者之間呈負(fù)相關(guān)(R=-0.428)，C/N平均值(10.34)較第一段明顯增加。該段由下而上進(jìn)一步分為上、中、下三部分：下部(17～11.5 m)，TOC含量明顯下降，平均值(0.29%)低于整段均值；δ13Corg平均值為-23.87‰，與全段均值接近，但略高于全孔均值；C/N在5.89～13.76之間劇烈波動(dòng)，平均為9.94。中部(11.5～11.05 m)，δ13Corg與TOC出現(xiàn)突變，TOC與δ13Corg之間呈現(xiàn)顯著反向波動(dòng)變化，其中，δ13Corg平均值為-24.62‰，較全段均值明顯偏負(fù)，TOC平均值(0.7%)明顯高于全段均值；與此對應(yīng)，C/N平均值(10.95)增大。上部(11.05～8.9 m)，TOC變化在0.36%～0.61%間，平均為0.44%，明顯較中部低，但略高于底部；δ13Corg均值為-23.81‰，較中部偏正而與下部接近；C/N在6.21～13.61之間波動(dòng)，平均為10.98，和中部相似。

第三段(8.9～6.7 m)，TOC平均含量1.06%，最高達(dá)2.18%，是全孔最高層段，但整體由下而上呈波動(dòng)下降；δ13Corg變化在-25.79‰～-23.15‰之間，平均含量為-24.67‰，較第一、二段明顯偏負(fù)；C/N在7.61～14.79間波動(dòng)，平均達(dá)到12.7，明顯高于第一、二段。本段TOC與δ13Corg之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)-0.455。

第四段(6.7～4.775 m)，TOC均值為0.32%，是四段中TOC均值最小的層段；δ13Corg則在-26.33‰～-19.09‰之間變化，平均為-23.23‰，與第二段均值接近；C/N在5.97～19.59范圍內(nèi)，平均為12.85，成為全孔C/N均值最高的層段。該段由下而上又可以分為三部分：下部(6.7～6.175 m)，TOC在0.18%～0.23%范圍內(nèi)波動(dòng)，均值為0.2%，明顯低于全孔均值；δ13Corg含量變化在-24.62‰～-23.32‰之間，平均為-23.79‰，接近本段均值；C/N平均為7.6，明顯低于本段均值。中部(6.175～5.825 m)，TOC含量(0.39%～0.63%)升高，平均為0.51%，高出全段均值；δ13Corg含量在-26.33‰～-25.31‰之間，平均為-25.86‰，為全孔最偏負(fù)的段層；C/N平均為15.72，為全孔各段平均最高，并在6.05 m出現(xiàn)全孔最大值(19.59)。上部(5.825～4.775 m)，TOC含量顯著下降，平均為0.3%；δ13Corg明顯偏正，并達(dá)到全孔最大值(平均為-21.75‰)，而C/N均值達(dá)到14.5，為全孔次高值。

4結(jié)果與討論

4.1沉積物TOC、δ13Corg及C/N所指示的環(huán)境意義

前人研究表明，沉積物TOC及δ13Corg含量高低主要取決于沉積物有機(jī)質(zhì)來源。對于湖泊而言，沉積物有機(jī)質(zhì)主要來自湖泊內(nèi)生植物和外源陸生植物，陸生植物按其不同的光合作用機(jī)理可以劃分為C3、C4和CAM三類植物[24-25]。C3類植物多生活在溫度較低，日照不強(qiáng)的涼爽濕潤環(huán)境下，有機(jī)質(zhì)δ13C值分布范圍在-37‰～-24‰之間；C4類植物主要生活在溫度較高，日照較強(qiáng)的環(huán)境中，δ13C值在-19‰～-9‰范圍內(nèi)；而CAM類植物則處于C3和C4兩類植物之間，主要生活在極度干旱的環(huán)境條件下，有機(jī)質(zhì)δ13C值在-30‰～-10‰之間[26-27]。其中C3類植物分布較為廣泛，尤其在中國東部地區(qū)，大多數(shù)進(jìn)行光合作用的植物固碳途徑是通過C3途徑實(shí)現(xiàn)[28-30]。湖泊內(nèi)源植物類型主要分為沉水植物和漂浮植物，其中漂浮植物又包括挺水植物、浮游植物和浮葉植物。沉水植物δ13C含量變化在-20‰～-12‰范圍內(nèi)，相當(dāng)于重碳同位素[31]，而漂浮植物主要利用大氣中的CO2作為光合作用吸收碳，其δ13C較為偏輕，最小可達(dá)-35.5‰，其中挺水植物δ13C范圍在-30‰～-24‰[26]。因此，沉積物有機(jī)質(zhì)來源明顯受到氣候的影響[18]。不同地區(qū)的研究成果表明，δ13Corg對氣候冷暖狀況的反映不同。有研究者指出，δ13Corg含量高指示氣候的暖期，反之則指示氣候的冷期[16,32]，也有研究表明，δ13Corg含量變化與溫度之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系[17,33]。顯然，利用δ13Corg指標(biāo)推演環(huán)境變化時(shí)需要謹(jǐn)慎，不僅要考慮區(qū)域環(huán)境差異和δ13Corg對氣候變化的多解性和敏感程度[18]，還應(yīng)結(jié)合其他代用指標(biāo)進(jìn)行綜合分析。另外，湖泊沉積物δ13Corg值的高低不僅受氣候因子的影響，還可能與成巖作用有關(guān)[32]。本文研究的鉆孔位于地勢低平的亞熱帶地區(qū)，BHQ樣柱時(shí)間跨度范圍為全新世早中期，沉積物松散，可以不考慮成巖作用造成的有機(jī)質(zhì)減少及其對有機(jī)碳同位素的影響[28]。綜上所述，影響B(tài)HQ孔沉積物δ13Corg含量變化的因子主要為有機(jī)質(zhì)來源和氣候變化兩個(gè)方面。

沉積物C/N的大小常作為指示其有機(jī)質(zhì)來源的指標(biāo)。根據(jù)前人研究成果，C/N值大于20，指示湖泊有機(jī)質(zhì)主要來源為陸生植物；C/N分布在4～10，則說明湖泊有機(jī)質(zhì)主要來源于湖泊內(nèi)生藻類植物；C/N在10～20之間，則反映了湖泊有機(jī)質(zhì)來源兼具外來陸生植物和湖泊內(nèi)生植物兩種類型[28,34-35]。BHQ孔C/N變化范圍為4.65～19.59，平均值為10.7，δ13Corg值變化范圍為-27.24‰～-19.09‰，平均值-24.06‰，由此可以初步判定，BHQ孔沉積物有機(jī)質(zhì)主要來源為湖泊內(nèi)生藻類和陸生C3類植物。

由于湖泊沉積物TOC與δ13Corg含量高低對氣候變化的指示具有多解性，除了上文中通過利用C/N指標(biāo)進(jìn)行沉積物有機(jī)質(zhì)來源的判定外，本文在討論氣候變化時(shí)，還對BHQ孔分段進(jìn)行了δ13Corg與TOC間的相關(guān)性分析，結(jié)果表明δ13Corg與TOC間關(guān)系整體趨于負(fù)相關(guān)，BHQ孔沉積物有機(jī)質(zhì)總量增加時(shí)，有機(jī)質(zhì)δ13C趨于偏負(fù)，認(rèn)為這可能與周邊河流所攜帶的陸生植物有機(jī)質(zhì)的輸入有關(guān)。周雪花等通過對部分地區(qū)湖沼沉積物δ13Corg與TOC相關(guān)性閾值分析表明，δ13Corg在TOC含量處于較高階段時(shí)對環(huán)境的指示意義可能會(huì)更加明確[36]。另外，也有研究表明δ13Corg與TOC間存在或正或負(fù)的相關(guān)關(guān)系[17-18,37-38]。沉積物TOC含量的變化可以直接反映湖泊的生產(chǎn)力狀況，還可以說明湖泊有機(jī)質(zhì)的輸入情況[39]。溫度和降水量則是控制植物生長的關(guān)鍵要素[14,19,40]，因此TOC含量的變化往往和氣候因子間關(guān)系密切，并直接關(guān)系到δ13Corg含量的變化。馬龍等[14]對內(nèi)蒙古高原的安固里淖內(nèi)陸湖泊采樣研究表明，TOC含量高低變化可反映溫度的變化，即TOC含量高，溫度偏高，反之偏低。Stockhausen[41]認(rèn)為TOC含量是降水量的代用指標(biāo)，高TOC表示高降水量，低TOC則指示低降水量。由于BHQ孔所在區(qū)域全新世沉積環(huán)境主要是湖沼[11]，植物類型以及初級生產(chǎn)力水平的變化受到區(qū)域內(nèi)有效濕度的較多限制，湖區(qū)流域內(nèi)降水量豐富的時(shí)期，陸生植物迅速繁殖生長，攜帶入湖的有機(jī)質(zhì)會(huì)明顯增加，湖內(nèi)藻類植物也會(huì)由于湖泊水位增加得到充分的繁殖空間，有機(jī)物產(chǎn)量高，TOC含量也會(huì)相應(yīng)增加；反之，在較為干旱時(shí)期，陸生植物生長受到水分限制，湖內(nèi)水生植物生長受限，從而使得沉積物有機(jī)質(zhì)含量減少。而湖泊沉積物粒度特征反映了湖泊水動(dòng)力的特征，間接指示湖泊水位的高低變化，進(jìn)而反映湖區(qū)氣候的干濕狀況[42-43]。沉積物粒度較粗指示湖泊水位偏低，氣候干旱；沉積物粒度較細(xì)則指示湖泊水位偏高，氣候濕潤[11]。BHQ孔沉積物TOC與粒度參數(shù)的相關(guān)性分析表明，TOC含量與黏土含量間具有顯著的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.738(表2)。綜合BHQ孔δ13Corg與TOC以及TOC與粒度的相關(guān)性分析，本文將TOC作為研究區(qū)域降水量的代用指標(biāo)，將δ13Corg作為溫度的代用指標(biāo)。

4.2BHQ鉆孔記錄的早—中全新世氣候變化特征

基于有機(jī)碳資料，并結(jié)合孢粉、粒度及年代數(shù)據(jù)(圖5)，可將BHQ孔所在的浙江杭嘉湖平原地區(qū)早中全新世期間氣候變化劃分為3個(gè)階段：

(1) 11.4～8.7 ka B.P.(19～17 m)，粒度由粉砂質(zhì)砂向黏土質(zhì)粉砂過渡，C/N在4～12間波動(dòng)，δ13Corg平均為-24.73‰，TOC平均0.49%，并有逐漸增大的趨勢。該段時(shí)期內(nèi)δ13Corg和TOC兩者間呈正相關(guān)同步上升變化趨勢，縱觀全樣δ13Corg與TOC間相關(guān)性分析，該時(shí)期是唯一一段表現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系的層位。本段δ13Corg與TOC含量均較低，在氣候干旱期間，苕溪河流對該區(qū)域的影響減弱，研究區(qū)內(nèi)為淺湖相環(huán)境，內(nèi)生挺水植物繁盛使得δ13Corg偏負(fù)，隨著TOC含量增加，降水量呈增加趨勢。結(jié)合該段孢粉組合特征，孢粉總數(shù)量呈現(xiàn)增加趨勢，其中喬木占優(yōu)勢，落葉闊葉數(shù)量高于針葉，并且落葉櫟+栗屬花粉含量自下而上呈增加趨勢[44]。表明自新仙女木冷期結(jié)束后，研究區(qū)域氣溫逐漸升高，湖水面隨著降水量增加逐漸擴(kuò)大，湖泊水位升高則有利于湖泊內(nèi)生沉水植物繁殖(δ13Corg趨于偏正)，氣候特征表現(xiàn)為早期冷干，后期逐漸轉(zhuǎn)為溫濕。這與前人的研究結(jié)果有較好的吻合度，例如方修琦等利用文獻(xiàn)中收集的古溫度記錄，定量重建了中國全新世百年分辨率氣溫集成序列，其中早全新世(11.5～8.9 ka B.P.)氣候表現(xiàn)為波動(dòng)升溫期[45]，謝樹成等對長江中游地區(qū)基于泥碳及石筍的研究[46]以及嚴(yán)欽尚等對杭嘉湖平原孢粉分析[8]也得出類似結(jié)論。

表2　BHQ孔TOC與粒度參數(shù)間相關(guān)性

注：**. 在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

圖5　BHQ鉆孔早中全新世期間各代用指標(biāo)垂向變化Fig.5　Vertical changes of proxies in BHQ core during Early-middle Holocene

(2) 8.7～8.0 ka B.P.(17～8.9 m)，沉積類型為粉砂，沉積物TOC和δ13Corg呈小幅波動(dòng)，TOC較早期有所降低，C/N在5.89～12.82之間變動(dòng)，表明該階段內(nèi)有機(jī)質(zhì)來源以湖泊內(nèi)生植物為主。這一段可分為三個(gè)亞段：第一亞段(17～11.5 m)，TOC含量明顯下降且低于平均值，對應(yīng)沉積物中含量偏高的砂(平均為6.56%)，反映了湖水位的下降。綜合各項(xiàng)指標(biāo)推斷，該段時(shí)期降水減少，湖水變淺。與之對應(yīng)，δ13Corg則表現(xiàn)為偏正，孢粉數(shù)量較全新世早期也有明顯下降，反映較為偏冷干的氣候特征。第二亞段(11.5～11.05 m)，TOC含量明顯升高，遠(yuǎn)超過全孔均值，δ13Corg較第一、三亞段略有偏負(fù)，與此同時(shí)，沉積物中黏土含量在本段中顯著高于上下相鄰層，砂含量則低于上下相鄰層。對應(yīng)層段的孢粉組合中落葉松+栗屬花粉、松屬、阿丁楓科和楓楊等喬木均有所增加。由此推測，該段時(shí)期內(nèi)降水量和溫度出現(xiàn)了一次時(shí)間尺度小于百年的短暫增加過程，指示了溫濕的氣候環(huán)境。然而，在時(shí)間上此次溫濕過程剛好與北大西洋冷事件之一的8.2 ka B.P.冷事件時(shí)間上相近[47]。目前關(guān)于8.2 ka B.P.冷事件的研究成果表明，此次冷事件在中國東部季風(fēng)區(qū)表現(xiàn)為一次弱季風(fēng)事件[48-49]，金章東等[50]則對8.2 ka B.P.冷事件是否在中國境內(nèi)存在表示懷疑。從本文數(shù)據(jù)分析結(jié)果來看，此次溫度和降水的變幅較小，時(shí)間尺度較短(約20年)，而8.2 ka B.P.冷事件表現(xiàn)為時(shí)間尺度在500 a以下，且降溫幅度較大(約為YD事件的1/2或1/3)[47]。同時(shí)考慮到定年差異，因此認(rèn)為該事件與北大西洋8.2 ka B.P.冷事件的關(guān)系有待更加深入的研究。第三亞段(11.05～8.9 m)，TOC含量再次下降，δ13Corg接近全孔均值，孢粉組合特征表現(xiàn)為與第一亞段相似，呈波動(dòng)下降趨勢，但在花粉組合中反映溫度升高的常綠櫟+栲屬花粉由下而上呈逐漸增加趨勢(1.21%～9.71%)，說明該段時(shí)期降水量減少，但溫度有所上升，氣候特征為溫干。綜上所述，早全新世中晚期，研究區(qū)域氣候呈冷干—溫濕—溫干過渡特征，總體偏干。而周邊地區(qū)研究成果表明該時(shí)期內(nèi)有相似的氣候特征，如巢湖早全新世期間(9 870～6 040 a B.P.)尤其在8 910 a B.P.左右氣候特征表現(xiàn)為干冷向溫干方向發(fā)展[51]。

(3) 8.0～4.2 ka B.P.(8.9～4.775 m)，沉積類型以黏土質(zhì)粉砂為主，粒度總體偏細(xì)。沉積物TOC和δ13Corg含量變化幅度增大，并呈較為明顯的反相關(guān)。另一方面，偏高的C/N指示湖泊有機(jī)質(zhì)來源以陸生C3類植物和湖泊內(nèi)生藻類為主。本段孢粉組合中常綠喬木樹種由下而上呈下降趨勢。根據(jù)各類代用指標(biāo)的變化特征，可以將這一時(shí)期分為四個(gè)亞段：第一亞段，8.0～5.7 ka B.P.(8.9～6.7 m)，這段時(shí)期最顯著特征是TOC含量明顯升高，平均可達(dá)1.06%，而δ13Corg則偏負(fù)，平均為-24.67‰，C/N平均為12.7。在孢粉組合中仍然以木本占優(yōu)勢，但闊葉與針葉樹種的比值明顯增大。各項(xiàng)指標(biāo)綜合反映該亞段降水量有明顯增加，且溫度偏高，氣候溫暖濕潤，陸生C3植物和湖泊內(nèi)生植物繁盛，區(qū)域水熱組合達(dá)到最優(yōu)，因此該段時(shí)期為研究區(qū)域的全新世大暖期[52]。第二亞段，5.7～5.6 ka B.P.(6.7～6.175 m)，沉積物為粉砂，TOC含量下降，δ13Corg接近全孔均值。該段花粉組合中喬木植物占36.37%，低于第一亞段，并且常綠櫟+栲屬(1.62%)花粉含量明顯下降。顯然，孢粉組合所揭示的環(huán)境變化與TOC含量下降一致，反映該亞段氣候偏干冷，為研究區(qū)域一次較為明顯的降溫降濕期，且與5.5 ka B.P.冷事件很好對應(yīng)[47]。第三亞段，5.6～5.2 ka B.P.(6.175～5.825 m)，沉積物為黏土質(zhì)粉砂，TOC含量明顯增加，并高出全孔均值，δ13Corg則較為偏負(fù)。該亞段孢粉組合特征總體與第二亞段接近，但木本花粉中阿丁楓和楓楊的含量均達(dá)到全孔最高值，并且水稻花粉數(shù)量顯著增加，最高含量達(dá)到39.42%。綜合各項(xiàng)指標(biāo)推測，該時(shí)期氣候溫和濕潤，水稻花粉數(shù)量顯著增加，指示人類活動(dòng)規(guī)模擴(kuò)大，這可能與良渚文化的興起有關(guān)。第四亞段，5.2～4.2 ka B.P.(5.825～4.775 m)，TOC含量再次下降，低于全孔均值，δ13Corg則顯著偏正，該亞段孢粉濃度為整個(gè)鉆孔(研究段)的最低水平。因此推斷，此亞段時(shí)期氣候再次轉(zhuǎn)向冷干，湖泊水位急劇下降，出現(xiàn)沼澤化趨勢，氣候突變時(shí)間與北大西洋4.2 ka B.P.冷事件接近[47]。綜合來看，該時(shí)期研究區(qū)域氣候以暖濕為主，同時(shí)出現(xiàn)不同時(shí)間尺度的冷事件波動(dòng)，其中8.0～5.7 ka B.P.期間水熱條件達(dá)到最佳，對應(yīng)于該區(qū)域的全新世大暖期，并且該時(shí)期的氣候特征與方修琦、候光良及施雅風(fēng)等人劃分的全新世大暖期有很好的對應(yīng)[45,52-53]。另外，周邊地區(qū)不少研究成果也表明中國東部季風(fēng)區(qū)全新世大暖期的時(shí)間范圍在8.0～3.5 ka B.P.左右[46,54-55]，由于各地研究載體和代用指標(biāo)以及定年模式不同，因而全新世大暖期時(shí)間跨度的劃分存在差異，例如張強(qiáng)等指出南京江北地區(qū)約在8 000～5 000 a期間進(jìn)入全新世的高溫期[56]；太湖地區(qū)研究記錄也表明該區(qū)域在8.0～4.0 ka B.P.期間出現(xiàn)明顯的高海面，新石器文化發(fā)展，氣候暖濕[57-58]。

5結(jié)論

基于以上對BHQ孔早中全新世跨度近7 000 a的沉積物TOC、δ13Corg、C/N及粒度等代用指標(biāo)的分析發(fā)現(xiàn)，該孔沉積物記錄了較為豐富的區(qū)域全新世氣候變化信息。研究結(jié)果表明：

(1) BHQ孔多項(xiàng)指標(biāo)的綜合能較好地反映沉積環(huán)境的變化。沉積物TOC含量和粒度組成可以用來指示研究區(qū)域降水量的變化，且TOC含量增高指示研究區(qū)域降水量增加，反之，指示降水量下降；δ13Corg輔以孢粉資料可以指示區(qū)域溫度的變化，并根據(jù)δ13Corg與TOC間相關(guān)性分析表明，δ13Corg與溫度間基本上呈現(xiàn)弱負(fù)相關(guān)關(guān)系；δ13Corg與C/N能有效指示湖泊沉積物有機(jī)質(zhì)的主要來源。

(2) 綜合各類代用指標(biāo)，并與周邊研究成果對比顯示，BHQ孔早中全新世沉積記錄反映的氣候變化可以劃分為3段時(shí)期：①11.4～8.7 ka B.P.，為氣候回暖期，本區(qū)域氣候特征早期以冷干為主，之后降雨量顯著增加，逐漸轉(zhuǎn)向溫濕。②8.7～8.0 ka B.P.，氣候整體上偏干，呈冷干—溫濕—溫干過渡特征。③8.0～4.2 ka B.P.，氣候特征以暖濕為主，同時(shí)存在不同時(shí)間尺度的冷事件波動(dòng)。在孔深8.9～6.7 m(8.0～5.7 ka B.P.)，為水熱條件最宜期，對應(yīng)于研究區(qū)域的全新世大暖期；在5.7～5.6 ka B.P.和5.2～4.2 ka B.P.期間出現(xiàn)較為明顯的降溫降濕，這與北大西洋5.5 ka B.P.冷事件和4.2 ka B.P.冷事件相對應(yīng)；在5.6～5.2 ka B.P.期間，地層中大量稻屬花粉的出現(xiàn)指示了人類活動(dòng)的增加。

致謝錢啟俊、王彩霞、章云霞、嚴(yán)行志、孔祥忠、李巖、范慶斌及楊立輝老師等在該文章實(shí)驗(yàn)過程和撰寫修改中提供了無微不至的幫助和建議，在此表示真摯的感謝。

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History of Environmental Change during Early-Middle Holocene Recorded by Beihuqiao Core in Zhejiang China

YE WeiCHENG LongJuanZHU LiDongLI FengQuan WANG TianYangJIN LiDan

(College of Geography and Environmental Sciences, Zhejiang Normal University, Jinhua, Zhejiang 321004, China)

Abstract:The study area is situated in the southwest of Hangjiahu plain, where the surface water system is developed and most rivers originate from Tianmu mountain and Mogan mountain in the northwest of Zhejiang. The sediment samples were collected from a core drilled at the Beihuqiao (BHQ) of Yuhang town, where the location is 30°22.443′ N, 119°56.237′ E. The BHQ core is 19.0 m in length, and core sediments are composed of homogeneous gray, clayey silt and silt with a little carbonate nodules except for an intercalation of silty sand in the lower part. No disturbance was observed in the whole core. The part (4.775～19.0 m) of the core was sampled at 2.5 cm increments. Four bulk samples were collected for AMS radiocarbon dating from the organic-rich sediments. And 136 samples were chosen for TOC and δ13Corganalysis at about 10 cm intervals.

Combined with the proxies of grain size parameters, pollen data, C/N radio and age data, and contrasted with researches of surrounding areas, TOC and δ13Corgin organic matter, BHQ core in Zhejiang province are analyzed to interpret the basic environmental information and climate changes during the Early-Middle Holocene. Results reveal that the paleoclimate changes in Hangjiahu plain during the Early-Middle Holocene which can be divided into three periods: (1)11.4～8.7 ka B.P.. Organic carbon isotope increased in the range of -27.24‰ to -23.4‰ and TOC content increased obviously in the range of 0.19% to 0.69%, indicating that the cold-dry climate turned gradually to warm and humid in this period. (2)8.7～8.0 ka B.P.. Compared with the last stage, TOC turned to be negative and fluctuated between 0.2%～1.33%, δ13Corgfluctuated slightly between -24.91‰～-22.93‰ and tended to be positive. As a whole, the climate was dry, and presented cold-dry to humid and warm-dry trend. (3)8.0～4.2 ka B.P.. The major characteristic of the climate in the northern of Zhejiang province was warm and humid, however, some cold-dry events also happened at different time scales in this period. And during the period, TOC and δ13Corgfluctuated in 0.18%～2.18% and -26.33‰～-19.09‰ ranges, respectively. Especially during 8.0～5.7 ka B.P., TOC content improved obviously in 0.43%～2.18% and δ13Corgtended to be negative in -25.79‰～-23.15‰, which indicated the Holocene Megathermal emerged in this region. Meanwhile, there were two cold events occurred in about 5.5 ka B.P. and 4.2 ka B.P.. During these two periods, TOC tended to down and δ13Corghad a positive fluctuation, and they also corresponded with the contemporaneous pollen data and grain sizes parameters.

Combined with multiple climatic proxies of BHQ core and the results of correlation analysis between these proxies, the BHQ core sediments provide a reliable basis interpretation of palaeoclimate. TOC and δ13Corgof BHQ core can be good proxies of paleoclimate in this research zone and indicate the changes of precipitation and temperature respectively. At the same time, this study also effectively suggests the evolution law of paleoenvironment in the northern of Zhejiang province during the Early-Middle Holocene.

Key words:BHQ Core; total organic carbon; stable carbon isotope in organic matter; Early-Middle Holocene; Holocene Megathermal

文章編號：1000-0550(2016)03-0543-12

doi:10.14027/j.cnki.cjxb.2016.03.012

收稿日期：2015-06-29； 收修改稿日期： 2015-08-29

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41371206)[Foundation: National Natural Science Foundation of China, No. 41371206]

第一作者簡介葉瑋女1957年出生研究員第四紀(jì)環(huán)境變化E-mail: lyg129@zjnu.cn

中圖分類號P532

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A