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Scientia Geographica Sinica  2014 , 34 (8): 1018-1024 https://doi.org/10.13249/j.cnki.sgs.2014.08.1018

Orginal Article

福建仙山泥炭距今1400 a以来的α-纤维素δ13C记录及其气候意义

雷国良1, 2, , 朱芸1, 姜修洋1, 李志忠1, 靳建辉1, 方克艳1, 宋瑞卿1

1.福建师范大学 福建省湿润亚热带山地生态重点实验室省部共建国家重点实验室培育基地,福建 福州 350007
2.福建师范大学地理研究所,福建 福州 350007

Climate Variations over the past 1400 Years Inferred from an α-cellulose δ13C Record from Xianshan Peat in Southeast China

LEI Guo-liang1, 2, , ZHU Yun1, JIANG Xiu-yang1, LI Zhi-zhong1, JIN Jian-hui1, FANG Ke-yan1, SONG Rui-qing1

1. Key Laboratory for Subtropical Mountain Ecology (Ministry of Science and Technology and Fujian Province Funded), Fujian Normal University,Fuzhou, Fujian 350007,China
2. Institute of Geography, Fujian Normal University,Fuzhou, Fujian 350007,China

中图分类号:  P593

文献标识码:  A

文章编号:  1000-0690（2004）08-1018-07

收稿日期: 2013-07-5

修回日期:  2014-02-8

网络出版日期:  2014-08-10

版权声明:  2014 《地理科学》编辑部 本文是开放获取期刊文献，在以下情况下可以自由使用：学术研究、学术交流、科研教学等，但不允许用于商业目的.

基金资助:  国家自然科学基金项目（41101189)、福建省自然科学基金项目（2011J05106、2011J05107）、福建师范大学青年骨干教师资助基金项目（FJSDKY2012009、FJSDKY2012011）资助

作者简介:

作者简介：雷国良（1981-）,男,河北衡水人,助理研究员,研究方向为第四纪地质学。E-mail:leiguoliang@fjnu.edu.cn

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摘要

基于对福建屏南仙山泥炭沉积物中物理化学性质十分稳定的α-纤维素的提取及其碳同位素分析,重建了研究区距今1 400 a以来的气候演化历史。研究结果显示：仙山泥炭钻孔中α-纤维素δ13C值的变化范围为-26.6‰~-11.3‰,其大幅度的波动特征主要与区域降水控制的盆地沉积环境变化有关,当降水偏多时盆地积水形成类似湖泊的水下沉积环境,沉积物中有机质主要来源于δ13C值偏重的沉水植物;反之则以δ13C值偏轻的沼泽植物为主。依据AMS14C测年的结果,距今1 400 a以来研究区经历了气候偏湿（AD 600~910年）-偏干（AD 910~1640年）-偏湿（AD 1640年至今）3个变化阶段。在数十年至百年时间尺度上,纤维素δ13C记录中出现的降水减少时期与太阳活动极小期（中世纪极小期、欧特极小期、沃夫极小期、史波勒极小期、蒙德极小期和道尔顿极小期）一一对应,两者呈现正相关关系,揭示太阳活动的减弱是控制研究区降水减少的主要因素,为预测区域降水变化趋势提供了依据。

关键词： 泥炭 ; 碳同位素 ; 降水 ; 太阳活动

Abstract

We investigated the local climatic change in the central Fujian Province, eastern subtropical China, and its linkages with large-scale Asian monsoon dynamics using an α-cellulose δ13C record of a 358cm peat core in Xianshan Mountain of Pingnan County(118°42.7′E,26°52.4′N). Conspicuous changes of δ13C are observed ranging from -26.6‰ to -11.3‰ in our sedimental record, which is controlled by the local sedimental environment and the change of precipitation. During the periods with abundant precipitation, an under-water sedimental environment can be formed in the basin and organic carbon in peat core is originated from submerged plants that have positive anomalies of δ13C. Otherwise, organic carbon is originated from C3 plants, resulting in low δ13C. Based on the AMS datings, high-resolution peat record was used to reconstruct the past climate changes over the past 1400 years, which was dry (AD 600-910), wet (AD 910-1640) and dry (AD 1640 to present). On multi-decadal to centennial scales in the last millennium, it is showed that each dry period corresponds to the period with minimum solar activity, which was known as Medieval Minimum (AD 640-710), Oort Minimum (AD 1010-1050), Wolf Minimum (AD 1280-1340), Spörer Minimum (AD 1420-1530), Maunder Minimum (AD 1645-1715) and Dalton Minimum (AD 1795-1820). The good correlation between α-cellulose δ13C and solar activity indicates that the precipitation of Xianshan may be largely ascribed to the control of solar activity, which advanced the knowledge about local precipitation forecast of eastern subtropical China.

Keywords： peat ; &amp ; #x003b1 ; -cellulose &amp ; #x003b4 ; 13C ; precipitation ; solar activity

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雷国良, 朱芸, 姜修洋, 李志忠, 靳建辉, 方克艳, 宋瑞卿. 福建仙山泥炭距今1400 a以来的α-纤维素δ13C记录及其气候意义[J]. , 2014, 34(8): 1018-1024 https://doi.org/10.13249/j.cnki.sgs.2014.08.1018

LEI Guo-liang, ZHU Yun, JIANG Xiu-yang, LI Zhi-zhong, JIN Jian-hui, FANG Ke-yan, SONG Rui-qing. Climate Variations over the past 1400 Years Inferred from an α-cellulose δ13C Record from Xianshan Peat in Southeast China[J]. Scientia Geographica Sinica, 2014, 34(8): 1018-1024 https://doi.org/10.13249/j.cnki.sgs.2014.08.1018

随着目前极端事件（干旱、洪涝、高温等）发生频率的增加,影响范围的扩大,关于气候变化特征和规律的研究已经引起了广泛关注。中国大部分地区在东亚季风区内,降水的区域性分布主要受东亚季风的影响。高分辨率古气候记录研究显示,在长时间尺度上不同记录之间具有一致性[1~4],但在短时间尺度上,不同的降水记录则表现出一定的区域差异性[5~7]。基于过去60 a器测资料的研究显示,中国东部地区降水分布与夏季风的关系复杂,不能仅由降水的多少来认定夏季风的强弱,更不能用任意单个地点的降水记录来表示整个中国东部的干湿状况和夏季风的强度变化[8],从而增加了认识区域降水变化规律并对区域降水进行预测的难度。要解决这一问题,在各个区域补充或获取可靠的降水代用记录尤为重要。

东南沿海地区位于典型的中低纬度亚热带湿润季风区,区内降水量相对较多[8],如果降水异常容易导致干旱或洪涝灾害的形成[9],但目前该区高分辨率、具有明确降水指示意义的气候记录仍然相对缺乏[10],一定程度上限制了对区域降水未来变化趋势的预测。因此,本研究基于福建省屏南县仙山地区的山间盆地泥炭钻孔沉积,通过对沉积中物理化学性质稳定的α-纤维素的提取及其碳同位素分析,提取并重建研究区晚全新世以来的降水演化历史,探讨区域降水的变化特征及其影响因素,为探索数十年至百年时间尺度的区域气候变化规律提供重要依据。

1 研究区概况

福建省宁德市屏南县西北部的仙山牧场（图1）属中亚热带海洋性季风气候,海拔941~1 472 m,年平均气温约13℃,极端高温31.5℃,极端低温-12.5℃,无霜期220多d,年降水量约2 000 mm,相对湿度约60%~90％,常年流水的山涧有20多条。山上云雾天气多,湿度大,植被主要为针叶林,典型土壤为中亚热带照叶林红壤。本文研究钻孔采于仙山牧场区的一平坦山间盆地,盆地面积约0.13 km2,海拔约1 303 m。该盆地周围没有河流汇入,盆地中的水主要来源于大气降水。盆地周边植被主要为黄山松（Pinus taiwanensis）,以及吊钟花（Enkianthus quinqueflorus）、鹿角杜鹃（Rhododendron latoucheae）、木荷（Schima superba）等。据野外调查,盆地内及周边区域现代人类活动痕迹微弱。

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图1   福建仙山泥炭钻孔位置

Fig.1   The location of Xianshan peat core in Fujian Province

2 材料与方法

2.1 钻孔特征

2010年利用荷兰Eijkelkam半圆凿钻在仙山盆地（118°42.7′E,26°52.4′N）获得3个平行岩芯,其底部为风化砾石层。3个不同位置岩芯的岩性可以相互比对,表明盆地内沉积连续且稳定。本文选择的研究对象为2号钻孔,岩芯长度358 cm,在采样现场对其剖面沉积特征做了详细描述[11],并按2 cm等间距进行样品采集。同时在盆地不同位置采集表层沉积物5个。

2.2 试验方法

所有样品采集后均保存在-18℃条件下,利用冷冻干燥方法冻干样品,从保存到测试过程均避免样品受到外界污染。泥炭α-纤维素提取依照标准技术程序[12],红外光谱方法的检验结果显示本文提取样品为纯净的α-纤维素。α-纤维素碳同位素的测定采用EA-MS方法,利用Flash HT和MAT-253同位素质谱仪连机完成,实验过程中插入标准物质（GBW04407：δ13CVPDB=-22.43±0.07‰和GBW04408：δ13CVPDB=-36.91±0.10‰）和泥炭平行样品以保证实验数据的准确性,实验误差控制在0.2‰以内。有机质含量测定采用硫酸重铬酸钾滴定法。以上分析测试均在福建省湿润亚热带山地生态重点实验室完成。泥炭沉积年代样品测试采用AMS14C方法,由北京大学和美国亚利桑那大学（Arizona）完成。

3 试验结果

3.1 年代记录

泥炭沉积有机质丰富,相对易于测年,关于泥炭不同材料测年结果的比较已有研究[13, 14]。本文测年结果采用OxCal v4.2程序在线版本并利用IntCal 09曲线[15]进行校正（表1）。为保证测年数据的准确性,在岩芯底部335 cm和355 cm 2个层位分别各选取了2种测年材料,结果显示：在岩芯335 cm处,木头和植物残体测定的14C年龄分别为1 280±25 a BP和1 270±25 a BP,校正年代结果基本一致;355 cm处沉积物中的木头和植物残体的14C年龄分别为1 445±35 a BP和1 310±40 a BP,其校正年代中木头偏老约104 a。钻孔中上部其余3个测年点（43 cm、101 cm和159 cm）的测试材料为植物残体,其结果未出现倒转现象。由此可见,本研究钻孔获取的年代数据是合理、准确的。考虑到测年材料的差异和不同实验室的测试误差,选择北京大学的测年数据（表1）,同时以钻孔取样的时间2010年作为钻孔顶部年代,利用内插的方法建立了钻孔的年代模型[11]（图2）。

3.2 纤维素碳同位素的变化特征

仙山盆地表层泥炭沉积物α-纤维素的δ13C值为-24.8%~23.2‰,平均-24.2‰。仙山钻孔中的-纤维素碳同位素总体偏负,变化范围为-26.6‰~-11.3‰（图2）,变化幅度较大,达15‰。钻孔中纤维素δ13C值的变化呈现以下主要特征：在358~280 cm,δ13C相对偏负,平均值为-22‰,岩性显示泥炭发育较好;280~40 cm,δ13C相对偏正,平均值为-18‰,主要发育砂质淤泥,但在约170~150 cm和114~92 cm存在两次明显的δ13C降低过程,分别达到-24.1‰和-23.4‰,泥炭发育较好;在0~40 cm,δ13C相对偏负,变化范围为-25.3‰~-20.2‰。仙山泥炭沉积的α-纤维素δ13C值在典型的泥炭层明显偏负,在非泥炭层则相对偏正。

表 1   仙山泥炭钻孔AMS 14C年龄测定结果

Table 1   Radiocarbon dates of Xianshan peat core

实验室编号深度（cm）测试材料14C年代（a BP）校正年代（年AD）实验室
BA11021243植物残体275±351605±79北京大学
BA110205101植物残体500±301421±20北京大学
BA110208159植物残体690±251309±38北京大学
BA110209335植物残体1280±25725±33北京大学
BA110210335木头1270±25730±35北京大学
BA110211355木头1445±35610±28北京大学
94390355植物残体1310±40714±42Arizona

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图2   仙山泥炭钻孔年代序列与α-纤维素δ13C的变化

Fig.2   The depth-age model and variations of α-cellulose δ13C of Xianshan peat core

4 讨 论

4.1 纤维素碳同位素记录与环境演化

沉积物有机质δ13C值与沉积物中有机质的来源密不可分[16,17]。泥炭有机质是由分解的植物残体逐渐转化和积累起来的,不同类型植被产生的有机质碳同位素组成有显著差异,所以有机碳同位素值可以很好地指示植被的类型[18]。泥炭中有机质的组分包括纤维素、腐殖酸、木质素、果胶、脂类和半纤维素等,与其他组分相比,纤维素结构比较简单、物理化学性质十分稳定,在沉积和埋藏过程中不会发生变化,可以很好地保存该纤维素合成阶段的环境信息[19],因此研究泥炭沉积物δ13C的环境指示意义时提取单一的纤维素进行研究是十分必要的。现代植物的研究显示,陆生植物的碳同位素主要受光合作用过程控制,可分为C3途径、C4途径和CAM途径3种主要类型[20],其中C3植物最为常见,δ13C值在-21‰~-33‰之间;C4植物主要是较耐旱的草本植物和一些灌丛植物,δ13C值变化于-21‰~-9‰之间;CAM植物属于中间类型,δ13C值变化范围约在-10‰~-30‰之间[21, 22]。水生植物的碳同位素特征较为复杂且分布范围较大,主要有沉水植物和漂浮植物,它们的δ13C值各不相同：沉水植物直接利用水中的HCO3-作为碳源,其δ13C值趋向于重的碳同位素,变化范围为-12‰~-20‰;漂浮植物主要利用大气CO2进行光合作用从中吸收碳,其δ13C值通常为-24‰~-30‰,与陆生C3植物接近[22, 23]。

仙山泥炭发育的山间盆地周边主要是以黄山松为主的森林群落,盆地内部目前为草本沼泽沉积环境。由于盆地的相对海拔较高,因此钻孔中沉积物的有机质主要源于盆地内部植被或周边的森林群落。调查显示,研究区盆地内表层沉积物α-纤维素的δ13C值为-24.2‰,与C3植物或水生的漂浮植物的有机碳同位素非常接近,表明盆地内植被主要呈现C3植物光合作用特征。而在钻孔中,α-纤维素δ13C的变化范围为-26.6‰~-11.3‰,δ13C值的波动较大,与神农架大九湖泥炭（-29.5‰~

-25.3‰）[11]、天目山泥炭（约-30.4‰~-26.5）[24]、红原泥炭（约-28‰~-22.6‰）[25]、小兴安岭泥炭（约

-28.1‰~-24.8‰）[26]等地的记录明显不同,如此大幅度的δ13C值波动应该主要与不同光合作用的植被种类的变化有关。仙山钻孔中,偏轻的δ13C可能对应于以C3植物组成为主的泥炭沉积植被群落,偏重的δ13C值明显超出了C3植物或水生漂浮植物碳同位素的变化范围,而与C4植物或沉水植被的碳同位素值相接近,由于在研究区湿润的山间盆地环境下耐旱的C4植物不大可能长期大范围占主体,由此推断钻孔中偏重的δ13C值可能主要来源于沉水植物。因此,仙山钻孔中偏轻的纤维素δ13C值主要指示了泥炭沼泽沉积环境,而偏重的δ13C则对应于具有一定积水的水下沉积环境。

仙山钻孔沉积物的有机质含量和正构烷烃分析揭示了相似的沉积环境特征[11]：对应于偏负的纤维素δ13C层位,沉积物中有机质含量高,正构烷烃中源于陆生植物的长链C27、C29和C31等正构烷烃分子含量增加,正构烷烃C23/C27值低,表明沉积环境为泥炭沼泽;而偏重的纤维素δ13C出现在钻孔中含有较多粗砂、粉砂、细砂的层位,反映此时盆地中陆源碎屑物增多,即搬运侵蚀作用显著,有机质含量较低,源于水生植物的中链C21和C23等正构烷烃分子含量增加,正构烷烃C23/C27值高,表明处于湿润的水下沉积环境（图3）。

研究区位于典型的东亚季风区,降水变化对泥炭沉积环境影响显著[27],周边的神农架大九湖泥炭[11]、南岭大湖泥炭[28]等地的沉积记录均呈现为泥炭层与非泥炭层交替出现。在降水年份多的时段研究区可能因积水而形成类似湖泊的沉积环境,而当降水偏少的时段盆地积水减少或干涸形成有利于泥炭发育和有机质积累的沼泽环境,如研究区附近的戴云山等地发现的泥炭沉积研究就显示其富含有机质的泥炭沉积是气候变干的结果[29]。依据仙山钻孔沉积物α-纤维素δ13C值的波动,研究区距今1 400 a以来气候可分为3个变化阶段：① 约AD 600~910年,沉积物纤维素的δ13C值偏轻,表明区域降水相对较少;② 约AD 910~1640年,纤维素的δ13C值偏重,降水偏多,但呈现大幅度波动,其中存在两个降水明显减少的时段;③ 约AD 1640年至今,δ13C值偏轻并呈现小幅波动,研究区降水相对偏少且不稳定。

4.2 区域降水变化与太阳活动

福建玉华洞石笋δ18O记录了最近500 a以来区域夏半年降水量的变化[10],仙山泥炭纤维素δ13C与玉华洞石笋δ18O记录在几十年尺度上波动趋势一致（图4）,泥炭纤维素δ13C偏轻时对应于石笋δ18O偏重时期（比如约AD 1640~1680年、AD 1770~1810年、AD 1920~1930年）,两者呈现一定的负相关（图4）,表明仙山泥炭与玉华洞石笋的降水变化记录具有区域一致性。

太阳辐射是控制气候变化的重要因素[30, 31],已经得到现代器测资料的支持[32]。太阳活动包含着许多物理过程,最为熟知和典型的现象是所谓辐照度和黑子数的变化。距今1400 a 以来,仙山泥炭δ13C记录的区域降水呈逐渐减小的变化趋势,这与季风随太阳辐射能量减弱而减少的总体特征相一致[1, 30]。在数十年至百年时间尺度上,与记录太阳活动变化的14C记录[33]对比显示,太阳活动偏弱的年份正对应于仙山δ13C偏轻的时期。如图5所示,在5个显著的太阳活动极小期[34, 35],比如在道尔顿极小期（Dalton minimum,AD 1795~1820年）、蒙德极小期（Maunder minimum,AD 1645~1715年）、史波勒极小期（Spörer minimum,AD 1420~1530年）、沃夫极小期（Wolf minimum,AD 1280~1340年）和中世纪极小期（Medieval minimum,AD 640~710年）,仙山泥炭δ13C均出现明显偏负的变化。对应于欧特极小期（Oort minimum,AD 1010~1050年）,太阳活动此时也是整体偏高的,仙山δ13C在此阶段明显整体偏正,并且在AD 1050年左右存在一次偏负波动。因此,距今1400 a以来偏弱的太阳活动与研究区降水减少事件可以一一对应,两者呈现为较好的正相关关系（图5）。

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图3   仙山泥炭钻孔中有机质含量、正构烷烃C23/C27和α-纤维素δ13C值的对比

Fig.3   Variations of TOC, C23/C27 in n-alkanes and α-cellulose δ13C of Xianshan peat core

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图4   仙山泥炭α-纤维素δ13C记录与福建玉华洞石笋δ18O记录[10]的对比

Fig.4   Comparison of variations between α-cellulose δ13C of Xianshan peat core and stalagmite δ18O record[10] from Yuhua Cave

太阳活动对降水的影响早有研究[36, 37],有研究发现中国东部极端雨涝事件可能与太阳活动有关[38],高分辨率的石笋记录也显示中国青藏高原北缘地区近千年以来降水主要受太阳活动控制[39]。现代观测资料分析也显示,在中国东部地区强太阳活动可以造成对流层500 hPa位势高度出现正异常,引起夏季降水正异常,并将导致强（弱）太阳活动年,华北平原和东北南部地区少（多）雨,而新疆地区和江淮地区的夏季降水量偏多（少）[36]。其实,太阳对气候的影响机制极为复杂,大量的观测和分析研究已有一些初步看法,比如太阳通过对大气[40]、地磁场[41]和太阳辐射[42]等关键因素的作用直接影响气候,但目前未形成完整的理论[43]。本文研究发现,研究区的降水与太阳活动有较好的正相关关系,表明在百年-几十年尺度上太阳活动是亚热带湿润季风区降水变化的主要驱动因素。

5 结 论

通过对福建屏南仙山山间盆地泥炭钻孔沉积物中α-纤维素的提取及其碳同位素的测试,发现其纤维素δ13C变化范围为-26.6‰~-11.3‰,变化幅度达15‰。分析显示,钻孔中偏轻的纤维素δ13C来源于以C3植物为主的泥炭沉积,偏重的δ13C值反映有机质主要来源于沉水植物,因此仙山钻孔纤维素δ13C值的变化主要受沉积环境控制,可以指示区域降水的变化。依据AMS14C测年的结果,研究区距今1 400 a以来气候可分为3个阶段：① 约AD 600~910年,纤维素的δ13C值偏轻,降水相对较少;② 约AD 910~1640年,纤维素的δ13C偏重,降水相对偏多,但其中存在2个降水明显减少的时段;③约AD 1640 年至今,δ13C偏轻并呈现小幅波动,降水相对偏少且不稳定。研究区的降水变化记录具有区域一致性,进一步分析显示与太阳活动呈现为一定的正相关关系,在道尔顿极小期（AD 1795~1820年）、蒙德极小期（AD 1645~1715年）、史波勒极小期（AD 1420~1530年）、沃夫极小期（AD 1280~1340年）、欧特极小期（AD 1010~1050年）和中世纪极小期（AD 640~710年）,仙山泥炭α-纤维素δ13C值均出现明显偏负的变化。研究区降水与太阳活动的正相关关系揭示出在数十年至百年时间尺度上太阳活动是亚热带湿润季风区降水变化的主要驱动因素,弱的太阳活动会导致研究区降水减少,这为预测区域降水未来变化趋势提供了依据。

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图5   仙山泥炭纤维素δ13C记录与太阳活动[33]的对比(注：图中太阳活动极小期分别为道尔顿极小期、蒙德极小期、史波勒极小期、沃夫极小期、欧特极小期和中世纪极小期。)

Fig.5   Comparison of variations between α-cellulose δ13C record of Xianshan peat core and solar activity[33] during the past 1400 years

The authors have declared that no competing interests exist.

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