貴州龍里高山泥炭腐殖化度所記錄的古氣候初探

張 輝,劉 蕊,司云云,劉滋君,李騰龍

(1.貴州師范學(xué)院 地理與資源學(xué)院，貴州 貴陽 550018；2.貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025；3.貴州師范學(xué)院 馬克思主義學(xué)院，貴州 貴陽 550018)

貴州龍里位于我國(guó)的云貴高原地區(qū)，因其獨(dú)特的地形使得這里成為亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候區(qū)中的特殊地域；此外貴州省的高原泥炭沉積最主要的分布在貴州龍里大草原與威寧，這兩個(gè)區(qū)域是貴州境內(nèi)兩個(gè)泥炭沉積發(fā)育較好的地區(qū)。時(shí)下針對(duì)西北部威寧草海的泥炭研究較多，但缺少高山沼澤泥炭相關(guān)研究的數(shù)據(jù)[1]。本區(qū)域內(nèi)將泥炭沉積物用作氣候研究的地質(zhì)信息載體來研究貴州境內(nèi)全新世氣候演變的相關(guān)研究較為缺乏，同時(shí)龍里區(qū)域的泥炭沉積連續(xù)，是繼草海后在貴州又一重要的泥炭沉積地發(fā)現(xiàn)[2]，因而在這里我們選用泥炭沉積作為研究貴州境內(nèi)古氣候，將有助于填補(bǔ)龍里大草原在這一方面的空白。在1876年BIytt將泥炭作為一種地質(zhì)信息載體[3]，且將泥炭用于研究斯堪的納維亞半島古氣候信息，并在研究中使用泥炭氣候?qū)W分析后，越來越多的學(xué)者以泥炭作為信息載體來觀察地層的發(fā)育和沉積物中的生物沉積物，可以用來推斷古氣候條件。相較于其它的地質(zhì)信息載體，泥炭具有經(jīng)濟(jì)易得、沉積速率較快且沉積連續(xù)、沉積環(huán)境與過程穩(wěn)定、時(shí)間尺度長(zhǎng)和適合的代用指標(biāo)廣泛等優(yōu)勢(shì)，因此，它是研究古氣候環(huán)境變化的理想資料[4]。得到研究古氣候的學(xué)者們重視。根據(jù)翻閱資料文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)腐殖化度指標(biāo)的應(yīng)用地區(qū)漸漸擴(kuò)大，包含青藏高原東部紅原泥炭，青藏高原東部、雷州半島北部等地、湖北神農(nóng)架大九湖、新疆北部巴里坤湖，研究范圍從山地泥炭到平原泥炭，從陸地泥炭到湖沼泥炭[5-11]；國(guó)內(nèi)以洪業(yè)湯、周衛(wèi)建、鐘巍等學(xué)者為代表的在青藏高原東部、雷州半島北部、新疆巴里坤湖的研究認(rèn)為腐殖化度高指示氣候溫暖濕潤(rùn)，腐殖化度低指示干冷[6-10]；以浙江千畝田和朱誠(chéng)、馬春梅為代表的在神農(nóng)架的研究結(jié)果則相反：腐殖化度高指示氣候干冷，腐殖化度低指示氣候濕熱[12-15]。

通過對(duì)前人相關(guān)研究進(jìn)行比較分析，泥炭腐殖化度所指示的古氣候意義存在區(qū)域性的差異。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界對(duì)泥炭腐殖化度的環(huán)境指示意義存在很大的分歧的原因是腐殖化度指標(biāo)并不能定量地反映區(qū)域的地表環(huán)境濕度，而只能指示環(huán)境相對(duì)干濕條件變化[10]。不同的地質(zhì)地貌以及氣候變化可能會(huì)造成區(qū)域性的降水與泥炭地濕度不一致[11]。我國(guó)對(duì)泥炭沉積的研究主要集中在青藏高原東部地區(qū)、東北地區(qū)、華中地區(qū)和長(zhǎng)江下游地區(qū)以及華南地區(qū)。但是對(duì)于我國(guó)西南地區(qū)高原山地泥炭特別是貴州地區(qū)高山泥炭腐殖化度研究尤為不足。因此，研究龍里高山泥炭腐殖化度變化用以分析研究區(qū)的古氣候環(huán)境變化是有很大的意義。

1 研究區(qū)概況

龍里作為云貴高原的第二平臺(tái)，海拔高度在1500～1700m之間，地處黔南中部，黔南布依族苗族自治州西北方向，距離省會(huì)貴陽約58～69km，總面積達(dá)到9萬多畝，由五里坪，亮山坪等十多個(gè)大小草坪組成，其中千畝以上草坪9個(gè)。本研究泥炭取自于貴州龍里高山大草原的主體部分的麻若坪臺(tái)，地處東經(jīng)106°45′18"-107°15′1"，北緯26°10′19"-26°49′33"之間(圖1)。貴州龍里高山草原的泥炭層面積大約為0.5km2，厚度在1m左右，基巖層為石炭系大塘階石英砂巖，沼澤中的植被以苔草為主，同時(shí)伴生得有大量的雜草，沼澤地上生長(zhǎng)著一些高山杜鵑。研究區(qū)域?qū)儆诒眮啛釒Ъ撅L(fēng)性濕潤(rùn)氣候，年均氣溫13℃，年均降雨量1085毫米，多云而且日照時(shí)數(shù)較少，無霜期280天以上。貴州龍里按土壤劃分屬黃壤地帶，其泥炭地屬于山地泥炭沼澤土，其區(qū)域內(nèi)植被茂密，種類繁多。

圖1 貴州龍里泥炭剖面位置

2 材料與方法

2.1 采樣位置

本研究泥炭樣品2017年3月取自于貴州龍里高山大草原的主體部分的麻若坪臺(tái)，取樣的經(jīng)緯度如下：北緯26°15' 571''，東經(jīng)106°55' 259''，海拔高度1658m(GPS進(jìn)行測(cè)量)。剖面總厚度為92cm，由于泥炭剖面上部10cm有較多現(xiàn)代植物根系生長(zhǎng)，因此在野外采從剖面上部10cm處開始往下按每2cm的間距進(jìn)行泥炭樣本的采集，本研究一共在該地采集了41個(gè)泥炭樣本。樣品在取出后立即裝入干凈的自封袋中進(jìn)行封存并且在自封袋外部貼上標(biāo)簽標(biāo)明采集的深度，運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行冷凍干燥，研磨過60目篩。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

本文泥炭指標(biāo)測(cè)試均采用DB 22/T 2243-2015泥炭與泥炭基質(zhì)水分、灰分和有機(jī)質(zhì)測(cè)試定標(biāo)準(zhǔn)。

泥炭含水量為干基含水量，測(cè)試流程為：取體積不大于3cm3，重量不超過50g的泥炭樣品放入鋁盒中；立即該上鋁盒盒蓋，稱重并記錄質(zhì)量；打開盒蓋，放入烘箱中，在2h內(nèi)緩慢升溫至105℃時(shí)計(jì)時(shí)，干燥8h后，取出稱重，再重新放入烘箱干燥1h，知道兩次稱重的樣品質(zhì)量沒有變化后，再干燥1h，取出鋁盒蓋上盒蓋，放置于干燥器中冷卻，然后稱量并記錄質(zhì)量，精度0.01g。計(jì)算公式：

式中：Md——干基含水量；

A——測(cè)試樣品質(zhì)量，g；

B——干燥樣品的質(zhì)量，g。

腐殖化度的測(cè)量方法采用傳統(tǒng)的堿提取溶液吸光度法進(jìn)行，具體步驟為：使用分析天平稱取0.1000g樣品放入100mL燒杯中，加入100mL的0.1mol/L氫氧化鈉，在電爐上加熱到沸騰，微火煮沸1h，使泥炭中的腐殖酸充分浸出。冷卻后用定量濾紙過濾樣品，轉(zhuǎn)入100mL容量瓶稀釋至刻度，搖晃均勻，用菁華72型分光光度計(jì)對(duì)樣品在波長(zhǎng)400nm處進(jìn)行吸光度測(cè)定，用其吸光度值來表征泥炭的腐殖化度。

有機(jī)質(zhì)測(cè)定采用硫酸-重鉻酸鉀滴定法測(cè)定，實(shí)驗(yàn)步驟為：精確稱取0.0200g樣品，放入試管中，加粉末狀硫酸銀0.1g，用移液管準(zhǔn)確加入0.8mol/L重鉻酸鉀-硫酸溶液5mL，濃硫酸5mL，搖勻。預(yù)先將油浴鍋加熱至185～190℃，將盛試樣的試管插入鐵絲籠中，放入油浴鍋中加熱，并保持溶液沸騰5min，取出冷卻后將試管內(nèi)混合物洗入300～500mL三角瓶中，加鄰菲羅琳指示劑3～5滴，用0.2mol/L硫酸亞鐵銨標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定，溶液顏色由黃色經(jīng)藍(lán)色至紅褐色即為終點(diǎn)。批式樣測(cè)定同時(shí)做2-3個(gè)空白標(biāo)定，計(jì)算公式為：

式中：X——為土壤有機(jī)質(zhì)含量，g/kg；

V0——空白滴定時(shí)消耗硫酸亞鐵銨標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積，mL;

V——測(cè)定試樣時(shí)消耗硫酸亞鐵銨標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積，mL;

C——硫酸冶鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度，mol/L;

0.003——為1/4碳原子的摩爾質(zhì)量數(shù)，g/mol;

1.724——為由有機(jī)碳換算為有機(jī)質(zhì)的系數(shù)；

1.1——氧化校正系數(shù)；

m——為烘干試樣質(zhì)量，g。

年代學(xué)數(shù)據(jù)測(cè)定將借鑒前人[16]在相同研究區(qū)域所獲得測(cè)年數(shù)據(jù)(詳見表1)，以作后續(xù)數(shù)據(jù)分析和研究。

表1 貴州龍里泥炭14C測(cè)年結(jié)果

3 結(jié)果與討論

3.1 泥炭腐殖化度的古氣候意義

泥炭沉積物的產(chǎn)生與累積是多種自然因素綜合影響而形成的。根據(jù)自然因素對(duì)其的影響強(qiáng)度做出簡(jiǎn)單的介紹，進(jìn)行分析：①在眾多影響因素中對(duì)其影響最大的是水熱條件，即只有在一定水分和熱量的配合條件下，或有利于植物生長(zhǎng)，或利于抑制植物殘?bào)w分解，從而對(duì)泥炭的發(fā)育有著一定程度的影響，所以影響泥炭的直接因素是水分和熱量。②地質(zhì)地貌也是對(duì)其影響較大的一個(gè)自然因素。貴州龍里大草原整體較為平坦不利于排水，并且當(dāng)?shù)睾恿鬏^小且少因而其水分補(bǔ)給推斷主要是降水補(bǔ)給。由于植物殘?bào)w的分解是在一定環(huán)境條件下進(jìn)行的，影響分解的主要因素是溫度、濕度和酸度。在暖濕的氣候環(huán)境下，沉積物中微生物活動(dòng)強(qiáng)盛導(dǎo)致進(jìn)入沉積物中的有機(jī)質(zhì)被分解的數(shù)量增加，分解速度加快，從而不利于泥炭物質(zhì)的形成和積累，而在相對(duì)涼干的氣候環(huán)境下，微生物活動(dòng)受到抑制，隨水流進(jìn)入盆地中的有機(jī)質(zhì)由于分解緩慢而得以迅速積累，從而有利于泥炭的形成。

3.2 貴州龍里泥炭剖面記錄的氣候

本文在可靠14C測(cè)年技術(shù)的支持下，得出龍里全新世7 476～7 933a B.P.之間約500年的古氣候的變化情況，以泥炭作為代用指標(biāo)，本次選取剖面中的泥炭積物腐殖化度在1.938～0.736之間，平均值為1.15%。對(duì)其分兩個(gè)階段對(duì)其展開討論與研究其沉積速率及其記錄的該區(qū)全新世早期的古氣候情況(圖2)：

圖2 龍里剖面泥炭含水量、TOC和腐殖化度的時(shí)間序列

階段A：剖面深度在36～90cm，時(shí)間大致在7 933-7 624 a B.P.，在此間剖面中的泥炭腐殖化度在1.18～0.61之間，平均值為0.79；泥炭有機(jī)質(zhì)含量7.41%～4.20%，平均值5.88%；含水量在106.28%～58.67%，平均含水量為89.03%。在此階段，該研究區(qū)域的腐殖化度最低，并且整體波動(dòng)幅度較小，表示此時(shí)段該地區(qū)氣候變化較為穩(wěn)定，應(yīng)該處于一個(gè)相對(duì)暖熱濕潤(rùn)的環(huán)境，此時(shí)間段內(nèi)降水較多，且氣溫比較溫暖，導(dǎo)致了泥炭中的腐殖質(zhì)分解加快，腐殖化度含量較低。同一時(shí)期，孔凡翠等人[17]對(duì)貴州西部地區(qū)草海泥炭的研究表明，在8kaB.P.左右的時(shí)候，草海泥炭的δ13C的值為-26.6‰～-21.7‰，當(dāng)時(shí)氣候?yàn)榕瘽駳夂?。施雅風(fēng)，孔昭宸等人對(duì)南方地區(qū)的氣溫研究，得出結(jié)論該時(shí)溫度比現(xiàn)在還要高1～2℃，沈吉等人[18]研究的云南洱海地區(qū)也由于西部季風(fēng)的增強(qiáng)達(dá)到溫濕階段。這些研究區(qū)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果都與龍里區(qū)域研究結(jié)果相吻合。

階段B：剖面深度為10～36cm，時(shí)間為7 624-7476a B.P.，該階段腐殖化度值變化幅度為1.30%～1.94%，平均值為1.83%；泥炭有機(jī)質(zhì)含量23.58%～32.58%，平均值29.49%；含水量在153.80%～358.89%，平均含水量為211.99%。這個(gè)階段腐殖質(zhì)化度達(dá)到其剖面的最高值，并且變化幅度最大，說明泥炭記錄的該階段古氣候相較于上一階段變得較為干旱，氣候的不穩(wěn)定性變化較大，特別是氣候的干濕波動(dòng)更為明顯，但此階段總體上反映的氣候是比較干冷的。并且在整個(gè)泥炭沉積層面來看，該階段發(fā)生了一次特別大的變化，大約在7600aB.P.的時(shí)候，泥炭腐殖化度含量突然上升，說明此時(shí)段發(fā)生了一次突發(fā)氣候事件，這與其它地區(qū)的研究結(jié)果進(jìn)行對(duì)比不難看出，該地區(qū)氣候小幅度突變?cè)谫F州董哥洞石筍[19]有著明顯的記錄。經(jīng)過貴州龍里大草原年沉積物中的腐殖質(zhì)化度的變化與其它學(xué)者研究得到的結(jié)果進(jìn)行比較分析，綜合分析得到全新世大暖期所的原因是在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)亞洲季風(fēng)在全新世早期較為強(qiáng)大，因而帶來了豐富的降水，隨后季風(fēng)變?nèi)?，降水減少，氣候變干，導(dǎo)致氣候從溫暖濕潤(rùn)向冷干的環(huán)境逐漸變化。

4 結(jié)論

本研究通過對(duì)貴州龍里高山泥炭剖面進(jìn)行腐殖化度測(cè)定，并結(jié)合該剖面的含水量、TOC等理化指標(biāo)數(shù)值變化曲線進(jìn)行綜合分析，得出以下結(jié)果：

(1)通過對(duì)該地區(qū)高山泥炭剖面腐殖化度數(shù)值變化的古氣候意義研究表明：泥炭腐殖化度值較高，可能指示氣候較為干冷；而泥炭腐殖化度低，可能指示氣候較為溫暖濕潤(rùn)。

(2)貴州龍里高山泥炭腐殖化度記錄了該研究區(qū)7 476-7 933a B.P.之間約500年的古氣候的變化過程：A：剖面深度在36～90cm，時(shí)間大致在7 933-7 624 a B.P.，泥炭腐殖化度較低，指示氣候溫暖濕潤(rùn)；B：剖面深度為10～36cm，時(shí)間為7 624-7476a B.P.，泥炭腐殖化度含量較高，指示在此階段該區(qū)域上較前一階段為較寒冷干燥的氣候。通過對(duì)整個(gè)剖面腐殖化度含量變化分析，大約在7600a B.P.的時(shí)候，泥炭腐殖化度含量突然上升，說明此時(shí)段發(fā)生了一次突發(fā)氣候事件。