中國(guó)南方石筍中古氣候代用指標(biāo)的研究

徐麗娜 邵曉華 南京信息工程大學(xué)遙感學(xué)院，南京，210044）

中國(guó)南方石筍中古氣候代用指標(biāo)的研究

徐麗娜 邵曉華 南京信息工程大學(xué)遙感學(xué)院，南京，210044）

中國(guó)南部石筍記錄了重要的氣候變化信息。石筍的古環(huán)境重建常用的代用性指標(biāo)有碳氧穩(wěn)定同位素、生長(zhǎng)率、灰度等10余種[1～3]，多指標(biāo)的環(huán)境解譯體系，增加了古環(huán)境重建的可靠性。本文分別敘述了石筍的生長(zhǎng)速度，沉積速率，紋層灰度，穩(wěn)定同位素，微量元素等古氣候代用指標(biāo)。盡管每一種代用指標(biāo)都有各自指代的氣候意義，但單一的代用指標(biāo)存在諸多影響因素，因此提倡使用多個(gè)代用指標(biāo)相互對(duì)比，提高精確度。

中國(guó)南方；石筍；代用指標(biāo)

引言

全球氣候變化正在影響著我們的日常生活，迫使許多科學(xué)家不僅關(guān)心未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)而更多的轉(zhuǎn)向研究古氣候。由于古氣候較少受到人類活動(dòng)的影響，可以主要研究受自然變率影響的氣候變化。通過(guò)研究代用指標(biāo)，多指標(biāo)綜合對(duì)比能夠高精度的定性，甚至定量反演古氣候，有助于我們對(duì)未來(lái)氣候的變化趨勢(shì)做出正確的判斷。洞穴石筍的形成過(guò)程與大氣圈、水圈、生物圈、巖石圈都有著密切的聯(lián)系，而且，石筍適合用鈾系定年，能夠建立精確的時(shí)標(biāo)，結(jié)合年紋層統(tǒng)計(jì)，可獲得年際甚至是季節(jié)性變化的古氣候記錄。其次，石筍相對(duì)于冰芯而言不僅采樣設(shè)備簡(jiǎn)易而且成本低廉；相對(duì)于珊瑚和樹(shù)輪，石筍又能夠長(zhǎng)期連續(xù)的記錄，可以達(dá)到百年、千年尺度；相對(duì)于黃土具有分層明顯的優(yōu)勢(shì)，層與層之間界限清晰，可以精確到季節(jié)尺度。在我國(guó)，碳酸鹽巖在全國(guó)各省區(qū)雖均有分布，但尤其以廣西、貴州和云南東部地區(qū)分布最廣，即我國(guó)廣大的南方地區(qū)。這些地區(qū)常年受亞洲季風(fēng)影響，具有極高的研究?jī)r(jià)值，因而我們要研究并總結(jié)中國(guó)南方石筍中的環(huán)境代用指標(biāo)。

1 石筍代用指標(biāo)的氣候意義

1.1 石筍氧同位素的氣候意義

δ18O是石筍代用指標(biāo)中應(yīng)用最廣泛，也是應(yīng)用最多的指標(biāo)之一。Dykoski[4]等對(duì)董歌洞石筍中δ18O做周期分析表明：太陽(yáng)活動(dòng)周期（208年和86年）的極大值與δ18O的極大值有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即δ18O值的變化是由太陽(yáng)輻射變化引起的。Wang[5]等比較距今224ka三寶/葫蘆洞石筍中δ18O值與北半球夏季太陽(yáng)輻射記錄得出：洞中石筍δ18O值，主要與北緯65°N夏季太陽(yáng)輻射強(qiáng)度一致，次要受熱帶/亞熱帶季風(fēng)影響。羅維均[6]等利用貴州涼風(fēng)洞石筍中δ18O在2003年～2004年間的記錄值揭示了降水，土壤水和洞穴滴水的δ18O值是協(xié)調(diào)同步變化的，即洞頂?shù)嗡c洞外大氣降水的δ18O具有很好的相關(guān)性，也說(shuō)明石筍的δ18O代表了沉積時(shí)的古大氣降水的δ18O變化。

1.1.1 石筍δ18O與溫度的關(guān)系

目前，對(duì)于洞穴石筍δ18O對(duì)溫度的指示意義，主要存在兩種截然不同的解釋，即：δ18O與溫度正相關(guān)或者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。胡超涌等[7]對(duì)湖北清江地區(qū)洞穴石筍記錄的研究認(rèn)為石筍碳酸鹽的δ18O與地表均溫呈正相關(guān)關(guān)系；張美良等[8]利用桂林響水洞，發(fā)現(xiàn)δ18O與溫度呈負(fù)相關(guān)。在中全新世時(shí)期，δ18O值由偏負(fù)逐漸向偏正的變化趨勢(shì)，反映了東亞夏季風(fēng)由強(qiáng)變?nèi)?，氣溫由高變低?/p>

1.1.2 石筍δ18O與降水量的關(guān)系

石筍δ18O與降水量的關(guān)系一般呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。在重慶地區(qū)，末次冰期晚期，石筍δ18O變化反映夏季降水量：當(dāng)夏季風(fēng)強(qiáng)盛時(shí)，降水量增大，降水中δ18O值偏負(fù)，造成石筍中δ18O偏輕，反之亦然[9]。蔡演軍[10]等提取位于秦嶺南坡的大余洞中石筍，總結(jié)出距今750a當(dāng)這一地區(qū)夏季風(fēng)降水增強(qiáng)時(shí)，δ18O偏負(fù)，表現(xiàn)出“量效應(yīng)”。

1.1.3 石筍δ18O與水汽源的關(guān)系

石筍δ18O與水汽源的關(guān)系比較固定。降水來(lái)自近源時(shí)，δ18O值偏正；來(lái)自遠(yuǎn)源時(shí)，δ18O值偏負(fù)。程海[11]研究了葫蘆洞中生長(zhǎng)于倒數(shù)第二次冰期石筍，得出我國(guó)東南方降水δ18O值可能取決于盛行風(fēng)的狀態(tài)。秋，冬和早春盛行冬季風(fēng)，降水少，大部分降水來(lái)自近源，δ18O值偏正；盛行夏季風(fēng)時(shí)，陸地海洋溫度升高，大量降水來(lái)自遠(yuǎn)源，δ18O值偏負(fù)。蔡演軍[12]等由以上的結(jié)論總結(jié)得出：遠(yuǎn)源的δ18O值（約-6‰）要比近源的δ18O值（約-10‰）偏高。

綜上所述，對(duì)于千年～萬(wàn)年時(shí)間尺度而言，洞穴石筍δ18O變化主要反映氣候暖濕程度或冬、夏季風(fēng)環(huán)流強(qiáng)度比率。對(duì)于十年～百年時(shí)間尺度，石筍δ18O值變化的影響因素十分復(fù)雜。李紅春等[13]曾提出，在較短時(shí)間尺度上，石筍δ18O值取決于大氣降水同位素組成，而在較長(zhǎng)時(shí)間尺度上主要反映溫度變化。

1.2 石筍碳同位素的氣候意義

石筍的δ13C值對(duì)氣候和植被格局表現(xiàn)得很敏感，可以用來(lái)作為古環(huán)境與古生態(tài)變遷的代用指標(biāo)。洞穴石筍的碳穩(wěn)定同位素組成，主要取決于降水中溶解的大氣CO2、土壤中由植物呼吸作用在根部呼出的CO2、植物體腐爛釋放出的CO2以及基巖溶解等的δ13C值。若不考慮人類活動(dòng)和自然災(zāi)害的影響因素，則：氣候趨向暖濕，C3植被增加，C4植被減少，δ13C值降低；氣候趨向干冷，C3植被減少，C4植被增加，δ13C值增高[14]。

Cosford[15]等利用蓮花洞中石筍得出：夏季風(fēng)相對(duì)強(qiáng)的時(shí)候，降雨量大，植被溫度高，土壤中微生物活動(dòng)增加，洞穴滴水速率變快，洞穴通風(fēng)減弱，導(dǎo)致δ13C值偏負(fù)，反之亦然。孔興功[16]等分析湖北神農(nóng)架青天洞石筍中δ13C值發(fā)現(xiàn)：在百年尺度上，石筍年紋層厚度與δ13C變化曲線均表現(xiàn)出良好的相關(guān)性，當(dāng)上覆土壤層生物活動(dòng)增強(qiáng)，CO2分壓較高時(shí)，導(dǎo)致石筍δ13C值偏負(fù)、石筍的生長(zhǎng)速率增大。

1.3 元素及其比值的氣候意義

元素如：Ca，Si，Al，Mg，F(xiàn)e，Mn，Sr等，都是很好的代用指標(biāo)。Ca，Si能夠顯示氣候信息，溫暖氣候利于沉積，含量高與高溫或轉(zhuǎn)暖的標(biāo)志相似。Al，Mg，F(xiàn)e，Mn，Sr等具有環(huán)境敏感性，冷氣候的洞穴環(huán)境使元素易聚集。

李彬等[17]對(duì)桂林地區(qū)的石筍研究認(rèn)為：當(dāng)大氣環(huán)流系統(tǒng)未發(fā)生顯著變化和巖溶水文地質(zhì)條件較相似時(shí)，Mg/Ca和Mg/Sr比值主要取決于環(huán)境溫度的變化，即溫度升高，比值增加。否則主要取決于降水條件的變化，當(dāng)降水豐富時(shí)，水的滲流加快，滯留時(shí)間較短，則Mg/Ca比較小，反之亦然。

Si是自然界中最豐富的元素之一，其循環(huán)過(guò)程貫穿地球的各個(gè)圈層。因而，Si是研究地質(zhì)作用良好的示蹤劑。袁道先等[18]分析了桂林盤龍洞和水南洞石筍中的Si總量，發(fā)現(xiàn)冷氣候有利于Si的聚集，可能是冷濕條件下土壤沖蝕加強(qiáng)的結(jié)果。氣候暖干，石筍中可溶Si的含量較高，反之亦然。胡超涌[19]等分析了和尚洞石筍的可溶Si/Ca，發(fā)現(xiàn)其與δ18O有輕微的正相關(guān)關(guān)系，由此提出可能是降雨量控制可溶Si/Ca的值。

1.4 石筍的生長(zhǎng)速度

1.4.1 石筍的年層（微層）

石筍年層在古氣候研究中具有兩層意義：一是，與樹(shù)輪一樣，石筍年層計(jì)數(shù)方法可以精確構(gòu)建古氣候研究的時(shí)標(biāo)，其分辨精度可達(dá)年甚至季；二是，通過(guò)石筍年層厚度對(duì)氣候因子，如溫度、降水、典型氣候事件等響應(yīng)規(guī)律的研究，可以反演古氣候、古環(huán)境的狀況。劉浴輝[20]等采用湖北清江和尚洞中石筍得出：石筍年層厚度與東亞夏季風(fēng)強(qiáng)度指數(shù)在年際尺度上呈現(xiàn)正相關(guān)性，即石筍年層厚度值大時(shí)，對(duì)應(yīng)東亞夏季風(fēng)強(qiáng)度指數(shù)高，夏季風(fēng)弱。

1.4.2 石筍的平均沉積速率

石筍的平均沉積速率是沉積厚度（生長(zhǎng)高度）除以沉積時(shí)間。在單位時(shí)間內(nèi)，沉積厚度大，生長(zhǎng)沉積速率大，反之小。所以，沉積厚度、沉積時(shí)間都決定沉積速率的變化，而氣候、環(huán)境影響則是主導(dǎo)制約因素。彭子成[21]等認(rèn)為晚更新世晚期，貴州七星洞石筍的生長(zhǎng)率揭示了：暖濕環(huán)境、降雨充沛，石筍生長(zhǎng)率達(dá)到高值；氣候向冷干趨勢(shì)發(fā)展時(shí)，降雨量下降，生長(zhǎng)率處于低值（負(fù)距平）。汪永進(jìn)等[22]對(duì)南京湯山葫蘆洞石筍分析發(fā)現(xiàn)：石筍生長(zhǎng)速率與洞穴溫度呈正相關(guān)，這種正相關(guān)反映了季風(fēng)氣候條件下，百年尺度的水熱配置關(guān)系。

1.5 灰度

石筍廣義上的灰度泛指在樣品表面所測(cè)到的光線強(qiáng)度。在普通透射光條件下由于石筍微層內(nèi)沉積界面陽(yáng)光測(cè)得的灰度是狹義的灰度。洞穴滴水中的有機(jī)質(zhì)主要來(lái)自地表，石筍微層內(nèi)有機(jī)質(zhì)含量實(shí)際上就是地表生物量的再現(xiàn)。由于灰度是層內(nèi)暗色有機(jī)質(zhì)顆粒含量的直接反映，因此，灰度也可以作為地表生物量的替代指標(biāo)[23]。

石筍顏色的變化反映了當(dāng)時(shí)的氣候變化特征：一般來(lái)說(shuō)，石筍剖面顏色呈白色、灰白的時(shí)期生長(zhǎng)速度較快，降水較多生物量大；而顏色為暗色的時(shí)期，生長(zhǎng)速度較慢，降水也較少，地表生物量小。

1.6 其他

1.6.1 石筍中的微生物與脂肪酸

洞穴中的微生物以噬溫型居多，年均溫升高會(huì)加快洞穴微生物的繁殖，而當(dāng)降水量足以在土壤中形成下滲水時(shí)，土壤中的水分已經(jīng)足夠微生物生長(zhǎng)的需要[24]。因此，對(duì)于由地表滲水形成的洞穴石筍而言，溫度對(duì)于石筍中微生物源有機(jī)質(zhì)的輸入、組成起主控因素的作用，而降雨量的影響要小一些。

脂肪酸也可以作為一種較好的代用指標(biāo)。不飽和脂肪酸與飽和脂肪酸的比值與氧同位素具有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在低溫條件下, 相對(duì)高含量的不飽和脂肪酸的出現(xiàn)可能與較弱的微生物活動(dòng)有關(guān)。不飽和脂肪酸與飽和脂肪酸比值所表現(xiàn)出的氣候意義可能是微生物活動(dòng)對(duì)氣候變化的反映。如：謝樹(shù)成等認(rèn)為清江和尚洞石筍脂肪酸比值最高值所記錄的應(yīng)為H1這一寒冷氣候事件[25]。

1.6.2 石筍的反射光譜

由于反射波段指代化合物的不確定性比較強(qiáng)，導(dǎo)致研究的不是太多。黃俊華[26]等認(rèn)為石筍在450 nm/700 nm的反射特征可以反映鐵的化合物組成。湖北清江榨洞2號(hào)石筍所表現(xiàn)的反射光譜變化特征明顯反應(yīng)氣候的冷暖、干濕變化。氣候暖濕，A450/700值高；氣候冷干，A450/700值低。因而，可以得出氣候變化可通過(guò)鐵化合物的遷移和聚集影響石筍反射光譜。

除此之外還有有機(jī)質(zhì)熒光、分子化石標(biāo)志物、包裹體成分、硫及硫同位素等，在這里就不一一列舉了。

2 討論與結(jié)論

單一代用指標(biāo)存在諸多影響因素、自身的局限性和限制條件。如：利用氧同位素從石筍中提取古氣候變化的信息應(yīng)滿足石筍沉積的連續(xù)性和石筍生長(zhǎng)過(guò)程中固液相之間達(dá)到了同位素分餾平衡。所以從石筍中提取代用指標(biāo)的數(shù)據(jù)前，應(yīng)該先檢驗(yàn)一下，采集的樣品是否符合條件。決定石筍碳酸鹽氧同位素組成的主要因子為：大氣降水同位素組成受水汽來(lái)源、降水的位置、降水量和氣溫等影響，時(shí)空變化很大，導(dǎo)致δ18O具有多解性。因而要分清楚所研究地區(qū)和尺度上，哪種影響因素占主要因素。此外還有測(cè)量降水，溫度等氣象要素的觀測(cè)站與研究洞穴不處于同一海拔而造成的測(cè)量誤差等都應(yīng)加以考慮。汪永進(jìn)[32]等利用湖北省青天洞中石筍和南京葫蘆洞石筍的δ18O值相差0.5‰，是由于海拔不同且δ18O海拔梯度為：-1.7‰/1000 m（SMOW）和離海遠(yuǎn)近的位置有差異疊加造成的。

對(duì)石筍中元素的研究已經(jīng)取得了一些成果，表明在軸向即石筍生長(zhǎng)方向上，一些微量元素的比值含量與氣候變化相對(duì)應(yīng)。而不同地點(diǎn)的石筍存在區(qū)域氣候條件和植被的差異，所以石筍的元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值，在不同區(qū)域可能得出相反的氣候信息。

石筍微層易受洞穴滴水帶入其他的一些礦物雜質(zhì)的影響，如黏土等，這些礦物雜質(zhì)的存在對(duì)由有機(jī)質(zhì)產(chǎn)生的灰度會(huì)有一定的干擾。李清[33]等認(rèn)為：由于滴水中Cu2+、Fe2+、Mn2+、Zn2+對(duì)晶格內(nèi)Ca2+的交代作用，受區(qū)域地質(zhì)狀況影響，當(dāng)石筍中某種元素富集到一定濃度時(shí)（100×10-6～1000×10-6），石筍微層常會(huì)呈現(xiàn)出一定的顏色，如Cu2+為藍(lán)色，F(xiàn)e2+為紅色等。還有溫度、Eh值、pH值、土壤濕度(水分)、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和太陽(yáng)輻射等對(duì)微層的研究都有一定的影響。研究微層厚度時(shí)，應(yīng)特別注意“偽年層”和“缺失年層”的鑒別等問(wèn)題。

綜上所述，單一的代用指標(biāo)并不能很好的反演古氣候與古環(huán)境，必要時(shí)可以運(yùn)用冰芯，黃土，珊瑚等載體作對(duì)比驗(yàn)證，這樣能夠更好的保證其可靠性和真實(shí)性。再者，已經(jīng)有一些學(xué)者嘗試定量重建古氣候，這也是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)之一，有待于進(jìn)一步研究。胡超涌[34]等用和尚洞中石筍的δ18O值與儀器測(cè)量的降水?dāng)?shù)據(jù)校準(zhǔn)之后的數(shù)值，定量重建了全新世時(shí)期的降雨量。

3 展望

面對(duì)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，我們應(yīng)該在幾方面做出努力。首先，要明確很多代用指標(biāo)受到局域氣候或洞穴系統(tǒng)的影響，不利于全球或大范圍的對(duì)比研究，因而我們要探索更加穩(wěn)定的，適合大區(qū)域?qū)Ρ鹊拇弥笜?biāo)。其次，現(xiàn)在我們研究的代用指標(biāo)多是定性的反演古氣候，如果想要定量的分析，還需要反復(fù)實(shí)驗(yàn)，理論實(shí)踐相結(jié)合。最后，我們需要開(kāi)拓思路，多學(xué)科交叉，我們應(yīng)認(rèn)識(shí)到許多不足。如：國(guó)內(nèi)石筍的精確時(shí)標(biāo)還主要依賴國(guó)外的實(shí)驗(yàn)室，石筍高分辨記錄的精度達(dá)不到研究需要等。

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國(guó)家自然科學(xué)基金——黔西南全新世季風(fēng)突變與水汽源變化的洞穴沉積診斷

徐麗娜，女，碩士，主要研究用石筍做代用指標(biāo)分析氣候變化；邵曉華，女，博士，副教授，碩導(dǎo)，主要研究方向：第四紀(jì)氣候與環(huán)境。