巢湖湖相沉积物元素地球化学揭示的全新世以来水文气候演变

  • 李晨晨 , 1 ,
  • 吴立 , 1, * ,
  • 马春梅 2 ,
  • 管后春 3 ,
  • 汪勇 1 ,
  • 徐仪红 1 ,
  • 池建宇 1 ,
  • 路曙光 1 ,
  • 杨保东 1 ,
  • 胡晓思 1 ,
  • 罗文菁 1
展开
  • 1.安徽师范大学地理与旅游学院江淮流域地表过程与区域响应安徽省重点实验室,安徽 芜湖 241002
  • 2.南京大学地理与海洋科学学院,江苏 南京 210023
  • 3.安徽省地质调查院,安徽 合肥 230001
吴立。E-mail:

李晨晨(1998—),女,回族,安徽寿县人,硕士研究生,主要研究方向为自然地理与环境考古。E-mail:

收稿日期: 2023-03-14

  修回日期: 2023-11-12

  网络出版日期: 2024-09-14

版权

版权所有©《地理科学》编辑部 2024
李晨晨, 吴立, 马春梅, 等. 巢湖湖相沉积物元素地球化学揭示的全新世以来水文气候演变[J]. 地理科学,2024,44(9):1653-1665 Li Chenchen, Wu Li, Ma Chunmei et al. Hydrological and climatic evolution revealed by element geochemistry from lacustrine sediments in Chaohu Lake since Holocene. Scientia Geographica Sinica,2024,44(9):1653-1665

Hydrological and climatic evolution revealed by element geochemistry from lacustrine sediments in Chaohu Lake since Holocene

  • Li Chenchen , 1 ,
  • Wu Li , 1, * ,
  • Ma Chunmei 2 ,
  • Guan Houchun 3 ,
  • Wang Yong 1 ,
  • Xu Yihong 1 ,
  • Chi Jianyu 1 ,
  • Lu Shuguang 1 ,
  • Yang Baodong 1 ,
  • Hu Xiaosi 1 ,
  • Luo Wenjing 1
Expand
  • 1. Provincial Key Laboratory of Earth Surface Processes and Regional Response in the Yangtze-Huaihe River Basin, School of Geography and Tourism, Anhui Normal University, Wuhu 241002, Anhui, China
  • 2. School of Geography and Ocean Science, Nanjing University, Nanjing 210023, Jiangsu, China
  • 3. Geological Survey of Anhui Province, Hefei 230001, Anhui, China

Received date: 2023-03-14

  Revised date: 2023-11-12

  Online published: 2024-09-14

Copyright

Copyright ©2024 Scientia Geographica Sinica. All rights reserved.

摘要

在建立巢湖西岸古湖盆中心SZK1507 孔湖相岩芯可靠地层年代序列的基础上,对钻孔地球化学元素进行相关性和主成分分析,发现主成分F1反映了流域侵蚀能力的强弱程度,主成分F2对流域化学淋溶强弱程度反应敏感,主成分F3则指示了湖泊水位的高低,并结合Rb/Sr值环境代用指标重建了区域全新世以来高分辨率水文气候演变。结果表明,水文气候演变过程可以分为7个阶段,阶段Ⅰ(约10.8 cal. ka B.P.—9.9 cal. ka B.P.)、阶段Ⅲ~V(约9.3 cal. ka B.P.—4.2 cal. ka B.P.)气候较为湿润,巢湖水位较高;阶段Ⅱ(约9.9 cal. ka B.P.—9.3 cal. ka B.P.)与阶段VI(约4.2 cal. ka B.P.—2.3 cal. ka B.P.)整体上降水减少,湖面收缩,水位降低,气候偏干;阶段VII(约2.3 cal. ka B.P.以来)区域气候波动较大,干湿交替,总体呈现变干的趋势;9.3 cal. ka B.P.、8.2 cal. ka B.P.和4.2 cal. ka B.P.气候突变事件在此沉积记录中也有体现。将巢湖湖相沉积11 cal. ka B.P.以来的Ti元素强度、主成分F1和Rb/Sr值与全新世以来的30°N夏季太阳辐射量、Cariaco盆地Ti含量、ENSO活动指数等进行对比,发现研究区全新世气候突变事件主要受控于北半球夏季太阳辐射、热带辐合带(ITCZ)平均纬度以及厄尔尼诺–南方涛动(ENSO)活动频率等因素。北半球夏季太阳辐射量降低,ITCZ南移,ENSO活动频率增加,夏季风势力减弱,促使了9.3 cal. ka B.P.等干冷事件的发生。研究结果将为理解东亚季风区全新世以来季风和水文气候演变的关系提供可靠依据。

本文引用格式

李晨晨 , 吴立 , 马春梅 , 管后春 , 汪勇 , 徐仪红 , 池建宇 , 路曙光 , 杨保东 , 胡晓思 , 罗文菁 . 巢湖湖相沉积物元素地球化学揭示的全新世以来水文气候演变[J]. 地理科学, 2024 , 44(9) : 1653 -1665 . DOI: 10.13249/j.cnki.sgs.20230112

Abstract

Based on the establishment of the reliable stratigraphic chronology of SZK1507 lacustrine core in the center of the ancient lake basin on the west bank of Chaohu Lake, the correlation and principal component analysis of the geochemical elements of the core showed that the principal component F1 reflected the intensity of erosion capacity in the basin, F2 was sensitive to the strength of the basin’s chemical leaching, and F3 indicated the level change of the lake. Combined with the environmental proxy of Rb/Sr value, the regional hydrological climate evolution with high resolution since Holocene in Chaohu Lake since Holocene was reconstructed with high resolution. The results showed that the process of the environmental evolution in this region could be divided into 7 stages. The climate of Period I (about 10.8 cal. ka B.P.—9.9 cal. ka B.P.) and Period III-Period V (from 9.3 cal. ka B.P. to 4.2 cal. ka B.P.) was relatively humid with the high-water level in Chaohu Lake. During the Period II (from 9.9 cal. ka B.P. to 9.3 cal. ka B.P.) and the Period VI (from 4.2 cal. ka B.P. to 2.3 cal. ka B.P.), the overall climate became dry, resulting in decreased precipitation, the lake shrinkage and the dropped lake level. Unlike the previous stage, although the regional climate fluctuated significantly with alternating dryness and wetness, it tended to dry out as a whole in the Period VII (from 2.3 cal. ka B.P. to the present). Abrupt climate events like 9.3 cal. ka B.P., 8.2 cal. ka B.P. and 4.2 cal. ka B.P. events were also reflected in this sedimentary record. By comparing the Ti element intensity, principal component F1 and Rb/Sr ratios of lacustrine sediments in Chaohu Lake with the 30°N summer solar insolation, Ti content in Cariaco basin, ENSO activity index during the Holocene et al., we found that the abrupt climate events in the study area were mainly controlled by the variation of summer solar insolation in the northern hemisphere, the average latitude of ITCZ and the frequency of ENSO activity. The summer solar insolation in the northern hemisphere reduced, ITCZ moved southward, ENSO activity frequency increased, and the summer monsoon weakened, led to the occurrence of dry and cold events such as 9.3 cal. ka B.P. event. The results will provide a reliable basis for understanding the relationship between the East Asian Monsoon and the evolution of hydrology and climate since Holocene.

湖泊沉积稳定性好、沉积速率快、分辨率高,是记录一定地质历史时期环境演变和人类活动之间相互作用的理想载体和档案[1-3]。亚洲季风作为全球气候系统的重要组成部分,季风气候的演化也与人类的生存环境紧密相关[4],历来受到广泛关注[5-6]。位于中国东部季风区的巢湖地处江淮之间北亚热带和暖温带湿润季风气候过渡地带,且只有唯一出水通道,相对封闭,湖泊沉积保存连续完好[7-8]。前人[4,8-9]对巢湖湖泊沉积记录的研究发现其对气候环境的响应敏感,蕴含着亚洲季风控制的北亚热带地区环境演变的丰富信息,是研究中国东部南北过渡地带全新世以来气候环境波动以及气候突变事件的良好载体。
湖泊沉积物中的元素地球化学特征是湖泊流域及湖泊内元素地球化学循环的真实反映,能够表征元素来源、物源区风化作用强度、迁移或富集规律,重建气候环境变化过程[10-12]。元素的组成特征主要反映了流域物源的特征,同时,其富集特征也是气候等环境因素影响元素迁移转化的表现[12]。然而,仅考虑元素的组成和富集特征往往会忽略元素间的相互作用,因而近年来许多学者常将元素的组成特征、比值关系(如Rb/Sr值等)及主成分分析等分类结果,作为指示气候变化的有效指标[13-21]。近年来,有关巢湖湖泊污染[22-23]与环境变化[8-9,24-27]方面的研究较多,其中涉及地球化学元素的研究多是与粒度[24]、磁化率[8,24]等传统代用指标等结合,讨论元素组成特征及环境意义,通过高分辨率元素地球化学记录结合主成分分析及元素比值综合反映流域过去环境变迁及季风演化的研究尚显不足。
鉴于此,本文选择巢湖湖相沉积岩芯为研究材料,以可靠的AMS14C年代序列为框架,基于元素地球化学记录,通过数理统计分析方法结合元素比值特征综合提取环境信息,重建区域全新世以来高分辨率的水文气候演变序列。在此基础上,进一步研究探讨了该区域全新世以来水文气候演变对全球气候变化的响应及可能存在的驱动机制,为更深入理解东亚季风区全新世以来季风和水文气候演变的关系提供可靠依据。

1 研究区概况

巢湖位于安徽省中部(117°16'E~117°51'E,31°25'N~31°43'N,图1),江淮丘陵之间,湖泊面积774 km2,流域面积9 258 km2,平均水深2.89 m,由呈向心状分布的南淝河、杭埠河等河流汇入,主要靠地面径流补给,通过裕溪河注入长江,四周有浮槎山、银屏山、冶父山、大别山、江淮分水岭等山地丘陵环绕,属于北亚热带湿润季风气候区,多年平均降水量1 215 mm,是中国五大淡水湖之一,也是长江下游沿岸的四大湖之一[28-29]。巢湖是在构造盆地基础上加之长江顶托作用形成的断陷构造湖泊,大致成湖于晚更新世末至全新世初期,基底是晚更新世的下蜀黄土层,自形成以来经历了数次扩张与收缩[29-32]
图1 安徽巢湖研究区概况

Fig.1 General situations of Chaohu Lake

2 材料与方法

采用GY-200-1A型工程钻机在位于巢湖西岸平原(全新世以来古巢湖湖盆中心附近[32])的采样点(117°15'E,31°31'N,图1)实施湖相沉积岩芯钻探取样,编号SZK1507孔,获取第四系河湖相沉积物厚度占比89.1%的32.1 m长岩芯。根据高分辨率和研究需要,选取SZK1507孔738 cm以上段岩芯以2 cm为间隔,进行等间距分割取样,共获取369个样品,取芯率为92.3%。
将采集的样品进行风干,研磨加压成片,在安徽师范大学地理与旅游学院江淮流域地表过程与区域响应安徽省重点实验室进行样品地球化学元素的X射线荧光光谱分析,共获取Na、Mg、Al、Si、P等22种元素数据。分析采用日本理学公司产ZSX Primus IV型X射线荧光光谱仪(XRF)进行定性测试,分析过程采用国家地球化学标准沉积物样(GSS1和GSD9)全程监控,分析误差小于±1%。由于在对样品地球化学元素的X射线荧光光谱分析时采用的分析载体为干燥均质粉末,避免了沉积物物性变化对计数结果的影响,其元素的扫描强度取决于元素的含量,因此文中用样品的元素扫描强度代替元素含量[33]
在中国科学院地球环境研究所黄土与第四纪地质国家重点实验室西安加速器质谱中心将自上至下依次在SZK1507孔选取的10个样品进行AMS14C年代测试(表1)。测年结果使用Bacon模型进行年代校正(图2)。在选取加权平均年代作为岩芯各深度年代的基础上,采用沉积速率外推0~12 cm沉积岩芯的年代,以建立完整的岩芯沉积年代。
表1 SZK1507孔AMS14C测年及校正结果

Table 1 AMS14C dates and calibrated results of SZK1507 core

实验室编号 样品编号 深度/cm 测年材料 14C年代/a B.P. 2σ校正年代/cal. a B.P. 加权平均年代/cal. a B.P.
XA18799 G1-3 12 碳化木片 1220±20 1067—1184 1877
XA18801 G2-13 50 炭屑 2250±25 2159—2261 2412
XA18802 G2-16 56 炭屑 2500±25 2490—2646 2531
XA18803 G2-41 106 总有机质 3395±25 3580—3696 3561
XA18855 G2-43 110 炭屑 4170±30 4611—4769 3629
XA19891 G6-44 452 炭屑 7845±45 8539—8780 8113
XA19889 G6-14 532 总有机质 8265±35 9128—9333 8992
XA19893 G7-21 580 总有机质 8485±35 9462—9537 9453
XA19898 G8-35 708 总有机质 8875±37 9887—10176 10496
XA19899 G8-50 738 炭屑 8885±35 9889—10182 10760
图2 巢湖SZK1507孔岩性及Bacon年代−深度模型

Fig.2 Lithology and Bayesian age-depth model of SZK1507 core in Chaohu Lake

本文应用SPSS 25软件对22种元素进行Person相关性分析,在结合相关性程度以及主成分分析累计方差贡献的基础上,选取部分元素应用SPSS 25软件对元素强度数据采用Z-score法,即标准差法进行标准化,再对标准化后的数据进行主成分分析,KMO检验值大于0.7适合进行主成分分析,设置最大收敛迭代次数为25,提取特征值大于1的成分。

3 岩性特征及结果分析

3.1 岩性特征描述

SZK1507孔岩芯沉积物以青灰色湖相淤泥为主,砂层含量次之,具体的钻孔岩芯特征自下而上描述如表2
表2 巢湖SZK1507孔岩性特征

Table 2 Characteristics of SZK1507 core in Chaohu Lake

层位 深度/cm 层厚/cm 岩性描述 层位 深度/cm 层厚/cm 岩性描述
1 [738,588] 150 青灰色淤泥层 7 (420,126] 294 青灰色淤泥层
2 (588,566] 22 青灰色粉砂层 8 (126,112] 14 灰黄色砂层
3 (566,562] 4 灰黄色砂层 9 (112,68] 44 青灰色淤泥层
4 (562,450] 112 青灰色淤泥层 10 (68,44] 24 青灰色淤泥粉砂层
5 (450,436] 14 青灰色粉砂层 11 (44,18] 26 青灰色淤泥层
6 (436,420] 16 青灰色黏土层 12 (18,0] 18 灰黄色淤泥层

3.2 结果分析

各元素强度的平均值、变化范围和变异系数如表3所示。其中,Na、Si、K、Rb、Sr、Zr、Ba元素强度的峰值以及P、S、Ti、Mn、Fe、Zn、Zr元素强度的谷值都出现在砂层或粉砂层。Rb/Sr比值的均值为0.68,变化范围0.42~1.00,变异系数为17.95%。
表3 巢湖SZK1507孔沉积物元素强度

Table 3 Intensity of the elements of SZK1507 core in Chaohu Lake

元素 均值/kcps 范围/kcps 变异系数/% 元素 均值/kcps 范围/kcps 变异系数/%
Na 6.01 3.59~14.10 23.00 Fe 423.11 107.71~1084.51 22.62
Mg 13.98 2.90~21.27 23.29 Ni 2.23 0.78~2.97 9.00
Al 543.82 386.62~669.63 10.53 Cu 2.32 0.50~2.70 7.60
Si 1667.96 1413.76~1948.91 6.59 Zn 7.84 3.00~44.62 48.95
P 6.32 1.08~56.49 68.35 Ga 3.83 2.93~4.25 4.05
S 2.25 0.74~5.41 41.02 Rb 23.79 11.70~28.62 6.98
Cl 0.33 0.25~0.79 18.67 Sr 35.70 26.61~58.59 16.72
K 155.01 114.88~308.04 20.17 Zr 79.08 41.97~126.19 18.65
Ca 36.97 13.59~63.75 21.63 Rh 193.41 166.16~211.54 2.69
Ti 12.48 2.33~15.07 16.53 Ba 30.12 25.29~46.41 10.88
Mn 6.33 1.05~15.29 38.32 Cr 0.95 1.05~15.29 38.32
根据SZK1507孔沉积物中22种元素的相关性分析结果(图3),可以将上述元素大致分类为5组主要的元素:① Na、K、Sr、Ba;② Al、Ti、Fe、Mg、Ni;③ Rb、Cu、Zr;④ Si、Rh;⑤ Mn、Cr、Ca、Ga、S、Cl、P、Zn。组①中各元素之间均表现出较强的相关性(r>0.6);组②元素中Al、Ti、Fe、Mg元素之间也有着较强相关性(r>0.5);组③元素中Rb元素和Cu元素之间的相关系数为0.6,而Zr元素与Rb元素、Cu元素之间呈现负相关关系;组④元素中Rh元素和Si元素之间具有较强相关性(r=0.8);组⑤元素之间以及与其他元素之间的相关性大都不高。除Al元素与K元素、Fe元素与Ba元素之间呈正相关关系外,组①元素与组②元素之间均呈负相关关系;组②元素与组④元素之间均呈负相关关系。
图3 巢湖SZK1507孔沉积物元素相关性分析结果

*表示在双尾检验中相关性在0.05水平上显著;**表示在双尾检验中相关性在0.01水平上显著;圆圈大小代表相关性大小

Fig.3 Correlation analysis for the elements of SZK1507 core in Chaohu Lake

根据Na、K、Sr、Ba、Al、Ti、Fe、Mg、Ni、Rb、Zr、Si、Rh、S共14种元素的主成分分析结果,可以将上述元素归结为3个主成分(表4):① F1:Ti、Fe、Rh、Ba、Na、Al、Mg、Ni;② F2:K、Si、Sr;③ F3:Rb、Zr、S。
表4 巢湖SZK1507孔沉积物元素成分矩阵

Table 4 Composition matrix of the elements of SZK1507 core in Chaohu Lake

元素 F1 F2 F3 元素 F1 F2 F3
  注:黑体含义为该元素在F1、F2、F3中的高因子载荷;F1、F2、F3的方差百分比分别为42.037%、24.853%、17.607%,累计方差分别为42.037%、66.891%、84.497%。
Rh 0.823 –0.302 –0.183 Fe –0.847 0.225 0.005
Ba 0.802 0.481 –0.158 K 0.425 0.825 –0.336
Na 0.740 0.473 0.224 Sr 0.613 0.634 0.392
Mg –0.737 0.491 0.299 Si 0.668 –0.676 –0.194
Al –0.730 0.604 –0.039 Rb –0.071 0.434 –0.797
Ti –0.887 –0.315 0.103 Zr 0.262 –0.473 0.740
Ni –0.578 –0.270 –0.514 S –0.163 0.391 0.709

4 讨论

4.1 代用指标环境指示意义

主成分F1对方差的贡献具有明显优势,包括了Ti、Fe、Al等惰性元素,化学性质稳定,并且大多与F1呈强负相关关系,除Ni元素外所有因子负载绝对值>0.7。这组元素主要来源于径流输入的外源碎屑,在湿润时期,降水增多利于地表径流发育,流水侵蚀能力增强,陆源碎屑沉积通量的增加造成这些元素在湖泊沉积中的相对富集,反之亦然[18,34-36]。因此,F1可认为是反映流域侵蚀能力强弱的成分,在一定程度上也反映了区域干湿状况。
主成分F2中K元素作为有较高因子负载的变量,属于易溶性元素[37-38],对淋溶强度变化敏感,与F2也具有强正相关关系,故F2可反映流域化学淋溶强弱程度,与夏季风势力强弱所引发的降水和径流变化有关。
主成分F3中Zr变量有较高因子负载,化学性质稳定,在地球化学循环中常常赋存在锆石之中[39],并且由图4可知F3变化曲线与钻孔16~63 μm颗粒组分含量曲线[27]有较高的相似性,可见巢湖沉积物中主成分F3所包含的元素具有粒度效应,可以有效反映水动力条件,故可以认为F3能够指示湖泊水位的高低。
图4 巢湖SZK1507孔沉积物中部分元素强度及主成分因子变化

Fig.4 Intensity of some elements and principal component factors in sediments of SZK1507 core in Chaohu Lake

然而,元素地球化学承载的气候环境信息带有多解性,为此本文在主成分分析的基础上结合Rb/Sr指标对古气候环境信息进行综合分析。在地表沉积过程中,Rb趋向于赋存在黏土矿物中,Sr则主要富集在砂和粉砂粒级中。因此,在东亚季风区的湖相沉积中气候湿润,湖面扩大,采样点位置距离湖岸较远,沉积物以黏土为主,Rb含量高,Rb/Sr值较高;气候干燥,湖面收缩,沉积物中砂、粉砂含量大,Sr含量高,Rb/Sr值较低[18]

4.2 全新世以来的气候环境演化过程

根据岩芯地球化学元素及主成分因子变化曲线(图4,其中钻孔16~63 μm颗粒组分含量曲线修改自周慧等[27]),将全新世以来巢湖地区古气候环境变化过程分为7个阶段。
阶段I(738~640 cm,约10.8 cal. ka B.P.—9.9 cal. ka B.P.):此阶段738~688 cm段的Ti元素强度值显著低于686~640 cm段,说明10.8 cal. ka B.P.—10.3 cal. ka B.P.为较干气候时期,10.3 cal. ka B.P.—9.9 cal. ka B.P.降水增多,为湿润气候时期。整体上,Ti元素强度先有所下降后波动上升,Zr元素强度变化和F3曲线变化趋势先上升后波动下降,K元素强度和F2变化不明显,Rb/Sr值上升趋势明显,F1曲线变化呈现波动下降。因此,阶段I整体气候温和湿润,水位有所上升,且格陵兰冰芯的δ 18O记录[40]也表明此阶段东亚夏季风逐渐增强,气候变得温和。
阶段II(640~558 cm,约9.9 cal. ka B.P.—9.3 cal. ka B.P.):各元素波动趋势明显,Ti和Zr元素强度波动下降,K元素强度值变化和F2曲线变化呈波动上升后下降的趋势,F1曲线变化呈现下降–上升–波动下降的趋势,F3曲线则呈现先略微上升后波动下降的趋势,Rb/Sr值呈下降趋势。该阶段水位较低,降水减少,气候转向干旱。其中,586~562 cm处(即9.5 cal. ka B.P.—9.3 cal. ka B.P.)为本阶段中沉积的一段砂层,元素强度和因子得分波动明显,Ti、Zr元素强度值和Rb/Sr值出现明显低值,而K元素强度值出现明显峰值,F1、F2上升,F3下降,这主要是由于此阶段降水量急剧下降,河流径流量减少,侵蚀能力减弱,陆源碎屑沉积通量降低,Ti、Zr等元素难以在湖泊中沉积,而K等易溶性元素相对更多被淋溶,随着地表水与地下水迁移入湖,且沉积物中砂含量大,Sr含量高,造成Rb/Sr值较低,表明此阶段气候迅速变干。Dykoski等[41]关于董哥洞石笋δ 18O记录的研究、胡飞等[8]对巢湖湖相地层的研究以及张文超等[42]对神农架大九湖泥炭记录的研究均证明了该干事件的存在。因此,此阶段湖泊迅速变干的特点可能对应于早全新世广泛存在的9.3 cal. ka B.P.事件。
阶段III(558~458 cm,约9.3 cal. ka B.P.—8.2 cal. ka B.P.):各元素变化波动相对较小。Ti元素强度变化不明显,F1、K、F2曲线呈现下降趋势,Zr元素和F3曲线则呈现不明显波动,Rb/Sr值呈波动上升趋势。综上所述,该阶段水位有所升高,气候由较干逐渐转变为湿润。
阶段IV(458~330 cm,约8.2 cal. ka B.P.—6.5 cal. ka B.P.):除458~430 cm阶段(即8.2 cal. ka B.P.—7.8 cal. ka B.P.)各元素发生较明显波动外,其余时期各元素变化并不明显。Zr元素强度变化曲线为上升–下降–上升–下降走向,Ti、K元素强度变化和F1、F2、F3变化均不明显,Rb/Sr值略微波动上升。综上所述,该阶段气候较上阶段变化不明显,整体上气候持续湿润,湖泊保持较高水位,变动不大,沉积环境稳定,与师育新关于巢湖8.5 ka B.P.—4.3 ka B.P.处于全新世大暖期、约7.4 ka B.P.—6.3 ka B.P.为大暖期鼎盛时期的结论[24]相一致。8.2 cal. ka B.P.冷事件在此阶段内有所体现,Ti元素强度和Rb/Sr值有所下降,F1有所上升,K元素强度和F2变化则并不明显,Zr元素强度和F3在此阶段有较明显上升,并未表现出类似于岱海δ 18O和δ 13C记录[43]、艾比湖孢粉和稳定同位素记录[44]和德国中部Herbstlabyrinth洞穴系统石笋δ 18O记录[45]等其他地区古气候变化代用指标变化明显的特征,可能是因为8.2 cal. ka B.P.事件主要是中高纬地区降温,而粒度对温度变化的反应不显著。在此事件时期沉积物质表现为由淤泥质转变为粉砂质,而Zr元素强度变化与粒度变化具有较高的一致性,表现为强度值较明显上升。
阶段V(330~154 cm,约6.5 cal. ka B.P.—4.2 cal. ka B.P.):Ti元素强度曲线先下降后有所上升,K元素强度变化不明显,Zr元素强度和F1呈现先上升后下降的趋势,F2整体变化趋势与F1相反,F3呈现波动上升的趋势,Rb/Sr值下降明显,谷值在此阶段有所体现。这可能是因为此阶段岩性虽为青灰色淤泥,但粒径>16 μm颗粒组分含量较上阶段上升明显,Zr元素和Sr元素由于赋存于较粗粒径物质中,会随着粉砂和砂含量的增加而造成元素强度升高,Rb/Sr值下降。因此,该阶段气候环境整体仍然保持湿润,湖泊水位或有下降,存在变干的趋势。沔阳地区孢粉记录[46]表明6.5 ka B.P.—4.4 ka B.P.为水热最佳配置时期;巨淀湖沉积物[47]研究的相关结果也显示了6 810 cal. a B.P.—4 435 cal. a B.P.气候特征整体温暖湿润;李枫等[18]对江汉平原湖相沉积剖面多项环境代用指标进行分析认为6.05 cal. ka B.P.—4.42 cal. ka B.P.为全新世以来最湿润期,而约5.2 cal. ka B.P.—4.8 cal. ka B.P.为气候相对变干时期;陆福志等[48]对太湖西部地区孢粉记录研究也表明6.9 ka B.P.—5.5 ka B.P.处于中全新世温暖湿润期的最适宜期,5.0 ka B.P.左右气候有变干趋势。
阶段VI(154~44 cm,约4.2 cal. ka B.P.—2.3 cal. ka B.P.):Ti、Zr元素强度先下降后又波动上升,K元素强度变化虽呈现下降趋势,但此阶段平均值较整体平均值和上阶段平均值均偏高,F1整体上略呈下降趋势,F2呈现下降–波动上升趋势,F3整体呈现上升趋势,Rb/Sr值略有降低但变化不明显。此阶段降水减少,湖面收缩,水位降低,气候偏干,这与张广胜[49]、王心源等[25]对巢湖西半湖中心湖相沉积孢粉记录等研究结果相符合,且苦海碳酸盐δ 18O记录也呈现出中晚全新世整体逐渐变干的趋势[50]。其中,154~108 cm阶段(即4.2 cal. ka B.P.—3.6 cal. ka B.P.)Ti、Zr元素强度出现明显谷值,K元素强度出现明显高值,受4.2 cal. ka B.P.干冷事件影响明显。而Rb/Sr值变化不明显可能是由于此事件时段内气候干冷,河流径流量降低,致使赋存于黏土物质的Rb与赋存于砂物质的Sr因沉积物物源减少含量都有所下降,且由于此时段内采样点处沉积环境可能已转变为滨湖相或河流三角洲相沉积[27],受陆源沉积和气候变化共同影响,二者强度具有相似的变化,Rb/Sr值变化幅度较小。多个中国及周边地区中晚全新世的气候序列研究也发现4.2 cal. ka B.P.气候突变事件的出现是普遍的[51]
阶段VII(44~0 cm,约2.3 cal. ka B.P.以来):Zr元素强度均值较整体平均值和上阶段平均值均偏高,Ti元素强度均值较上阶段略偏高,K元素强度均值则较低,F1、F2、F3和Rb/Sr值变化整体上波动幅度均较小,F2、F3因子得分均值较上阶段均值均较高,而Rb/Sr均值较上阶段均值则较低。此阶段元素强度值和主成分得分波动明显,表明2.3 cal. ka B.P.以来区域气候波动较大,干湿交替,总体呈现变干的趋势。

4.3 区域对比及气候突变事件的可能机制

通过对比近11 cal. ka B.P.以来格陵兰冰芯δ 18O记录[40]、神农架山宝洞SB10和SB26石笋δ 18O记录[52]、30°N夏季太阳辐射量[53]、巢湖CH-1孔木本植物孢粉百分比[54]、Cariaco盆地Ti含量[55]、厄瓜多尔ENSO活动指数[56]及巢湖SZK1507 孔<2 μm颗粒组分含量[27]、Rb/Sr值、Ti元素强度、F1主成分这些气候代用指标,发现巢湖地区全新世以来的环境变化可能与北半球夏季太阳辐射量、热带辐合带(Intertropical Convergence Zone,ITCZ)南北迁移和厄尔尼诺–南方涛动(El Niño-Southern Oscillation,ENSO)事件频率存在密切关联(图5-6)。
图5 太阳辐射、ITCZ和ENSO活动示意图

Fig.5 Diagram of solar insolation, ITCZ and ENSO activities

图6 巢湖SZK1507孔湖泊沉积记录与其他高分辨率气候记录对比

橙色条带代表4次气候事件期,从左到右依次为2.8 cal. ka B.P.,4.2 cal. ka B.P.,8.2和9.3 cal. ka B.P.事件

Fig.6 Comparison of lacustrine sedimentary records of SZK1507 core in Chaohu Lake with other high-resolution climate records

1)北半球夏季太阳辐射量变化。太阳辐射作为地球上的热量和能量的主要来源,其微小变化都会引发大气环流等变化,例如北半球夏季辐射的减弱可导致东亚夏季风的减弱[57-59]。Li等[60]研究认为长江下游流域全新世气候变化的主要驱动力可能是与ITCZ和ENSO等环流相关的夏季太阳辐射。青藏高原腹地班德湖正构烷烃等记录也指示出青藏高原腹地全新世以来气候环境变化符合全新世以来北半球夏季太阳辐射控制下夏季风降水逐渐减少的季风模式[61]。帕米尔高原约5.0 cal. ka B.P.—3.6 cal. ka B.P.阶段降温的主要驱动力也被认为是夏季太阳辐射下降的缘由[62]图6c表明,11 cal. ka B.P.以来,30ºN夏季太阳辐射量逐渐下降,热力差异减小,对流活动弱化,ITCZ南移,可能引发厄尔尼诺发生频率的增加[63],导致夏季风势力逐渐减弱。
2)ITCZ平均纬度的变化。众多研究表明,全新世的干湿交替状态可能与ITCZ的长期南北移动有关[64-67]。Yancheva等[68]对比中国东南部玛珥湖沉积记录的冬季风强度与董哥洞等洞穴石笋记录的夏季风强度,认为由于热带辐合带迁移致使二者之间存在负相关关系。Li等[69]通过青藏高原Aweng Co沉积物GDGTs信息等也发现全新世中期青藏高原西部降温的原因可能是热带辐合带的南移以及相对较低的CH4浓度。Chawchai等[70]根据泰国南部Klang Cave重建的印度–太平洋中部全新世ITCZ位移指数表明ITCZ对季风区水文气候变率发挥了重要作用。图6e为近11 cal. ka B.P.以来Cariaco 盆地Ti含量[55],从中也可以明显的看出Ti含量降低时,即ITCZ平均位置更南时,东亚夏季风势力减弱,降水减少,图6a-b、6d分别是GISP2 冰芯δ 18O记录[40]、神农架山宝洞SB10、SB26石笋δ 18O记录[52]和巢湖CH-1孔木本植物孢粉百分比[54],也记录了对应的弱季风事件。同时,ITCZ向南迁移使得富含水汽的海洋暖湿气流难以深入巢湖区域,降水集中在南部地区,因此大都发生冷干气候事件。在SZK1507钻孔沉积物中则表现为Ti元素强度值、F1以及Rb/Sr值出现大幅度转变,66~44 cm(约2.7 cal. ka B.P.—2.3 cal. ka B.P.)、154~108 cm(约4.2 cal. ka B.P.—3.6 cal. ka B.P.)以及586~562 cm(约9.5 cal. ka B.P.—9.3 cal. ka B.P.)段大致对应2.8 cal. ka B.P.、4.2 cal. ka B.P.和9.3 cal. ka B.P.事件;而ITCZ平均位置更偏北时气候相对温暖,夏季风增强,研究区降水增多,沉积物Ti元素强度值、F1以及Rb/Sr值则相对上升。
3)ENSO活动频率变化。ENSO是一种海气耦合过程,对全球气候都有明显影响[71-73],是亚洲夏季风年际变率的主要外强迫[74]。ENSO活动频繁时期,热带东太平洋海表温度上升,热带西太平洋海温降低,向亚洲大陆季风区输送的水汽减少,东亚夏季风减弱[75]。众多记录显示ENSO活动强度在早中全新世微弱[56,76-77],在5 cal. ka B.P.之后才开始活跃[78]。Li等依据中国东北哈尼泥炭孢粉、粒度等数据建立了全新世东亚夏季风的综合气候指数(Composite Climatic Index,CCI),认为在ENSO事件的作用下,太阳辐照度轻微变化对东亚季风区气候的影响可能会被放大[79]。末次冰消期以来广东湛江湖光岩玛珥湖沉积物的孢粉百分含量变化显示从7 cal. ka B.P.开始,干冷的气候期基本上对应于ENSO活动频繁的时期[80];Lee等[81]重建了朝鲜半岛南部全新世湿地演化与古自然灾害,也认为晚全新世季节性火灾和洪水的准千年频率与热带西太平洋较低的海表温度和较强的ENSO活动周期相对应;Zhang等[82]对神农洞等δ 18O变化分析认为北半球夏季日照减弱的背景下ENSO频率的增加导致4.3~3.0 ka前的主要水文气候变化。图6f为厄瓜多尔南部Laguna Pallcacocha沉积记录生成的ENSO红色强度数据和每一百年ENSO事件[56],可以看出早全新世时期,ENSO事件频率无明显变化;中全新世时期ENSO事件整体变化不明显,夏季风势力较强,气候整体温暖湿润;约5.0 cal. ka B.P. 以来ENSO事件有所增多,有2个相对高峰期分别对应4.2 cal. ka B.P.事件和2.8 cal. ka B.P.事件,SZK1507钻孔沉积物Ti元素强度和F1变化幅度较大,此阶段出现强劲的厄尔尼诺事件,夏季风势力偏弱,降水减少;2 cal. ka B.P.以来,ENSO活动明显增强,气候冷暖波动剧烈。

5 结论

本研究基于巢湖SZK1507钻孔的地球化学元素含量特征,通过相关性和主成分分析,重建了区域全新世以来的水文气候演变,得到以下结论。
1)区域全新世以来水文气候演变过程表现为:阶段Ⅰ(约10.8 cal. ka B.P.—9.9 cal. ka B.P.)、阶段Ⅲ~V(约9.3 cal. ka B.P.—4.2 cal. ka B.P.)Ti和Rb/Sr值较高而K较低,阶段Ⅰ中F1、F2、F3呈现下降趋势,阶段Ⅲ~V中F1、F2、F3则呈现略微上升趋势,气候较为湿润,巢湖水位较高;阶段Ⅱ(约9.9 cal. ka B.P.—9.3 cal. ka B.P.)与阶段VI(约4.2 cal. ka B.P.—2.3 cal. ka B.P.)Ti和Rb/Sr值较低而K较高,F1、F2变化趋势阶段Ⅱ与阶段Ⅰ相反,F3在阶段Ⅱ期间呈现下降趋势,阶段VI中F1呈现下降趋势,F2、F3则呈现相反趋势,表明降水减少,湖面收缩,水位降低,气候偏干;阶段VII(约2.3 cal. ka B.P.以来)区域气候波动较大,干湿交替,总体呈现变干趋势。
2)巢湖SZK1507钻孔沉积物的地球化学元素、主成分F1、F2、F3和Rb/Sr值较为显著的记录了9.3 cal. ka B.P.、8.2 cal. ka B.P.、4.2 cal. ka B.P. 和2.8 cal. ka B.P.气候突变事件,期间环境代用指标存在较明显变化,湖泊水位下降,降水减少,气候干燥,其中9.3 cal. ka B.P.和4.2 cal. ka B.P.事件最为明显,而8.2 cal. ka B.P.和2.8 cal. ka B.P.事件的沉积记录则相对较弱。
3)北半球夏季太阳辐射量变化、ITCZ平均纬度的变化以及ENSO活动频率等因素影响着巢湖地区全新世气候演变和气候突变事件的发生。早中全新世时期北半球夏季太阳辐射量较大,ITCZ北界位置更靠北,ENSO活动不明显,气候整体湿润;约晚全新世以来,随着北半球夏季太阳辐射量的持续降低,ITCZ整体南移,ENSO活动频率增加,夏季风势力逐渐减弱,气候趋于干旱;而北半球夏季太阳辐射量的低值、ITCZ偏南的纬度以及ENSO活动频率的峰值促使了9.3 cal. ka B.P.等气候突变事件的发生。
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