晚全新世黔西南喀斯特地區(qū)興義泥炭高分辨率腐殖化度記錄研究

楊歡，曾蒙秀，彭海軍，蔡誠(chéng)，李鳳全，鄧伯龍，朱麗東，胡忠行，倪健

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

2.中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所環(huán)境地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴陽(yáng) 550081

3.貴州理工學(xué)院化學(xué)工程學(xué)院，貴陽(yáng) 550081

4.貴州省濕地保護(hù)中心，貴陽(yáng) 550001

5.浙江師范大學(xué)化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，浙江金華 321004

0 引言

泥炭是一種天然的沼澤地產(chǎn)物[1]，具有沉積連續(xù)、分辨率高、經(jīng)濟(jì)易得等優(yōu)點(diǎn)[2]，是恢復(fù)環(huán)境演變歷史的重要載體，常用的代用指標(biāo)包括無(wú)機(jī)地球化學(xué)元素[3]、孢粉[4]、腐殖化度[5]等。對(duì)蘇格蘭南部Blanket泥炭[6]、瑞典中東部泥炭[7]、愛(ài)爾蘭地區(qū)泥炭[8]以及我國(guó)的哈尼泥炭[2]、紅原泥炭[9]、大九湖泥炭[10]、新疆巴里坤湖泥炭[11]的研究表明，腐殖化度能夠很好地指示泥炭地地表濕度、泥炭分解程度[12]等。然而，由于氣候因子、植被類型、微生物活動(dòng)等條件都可能影響泥炭腐殖質(zhì)化過(guò)程[1]，使不同區(qū)域腐殖化度的指示意義不盡相同。相較于中國(guó)其他地區(qū)[2,9-11]，對(duì)季風(fēng)區(qū)泥炭的重要組成部分——位于西南喀斯特地貌區(qū)的貴州泥炭的研究較為匱乏。對(duì)貴州泥炭腐殖化度的研究，能夠進(jìn)一步明確不同氣候區(qū)泥炭腐殖化度的古環(huán)境意義，對(duì)貴州氣候變化、泥炭形成發(fā)育歷史的探討也具有重要意義。

了解不同氣候、地貌、植被條件下泥炭的形成、發(fā)育演化過(guò)程，也將對(duì)泥炭資源利用與保護(hù)、濕地生態(tài)環(huán)境建設(shè)等方面提供科學(xué)依據(jù)。當(dāng)前，已有眾多學(xué)者在阿拉斯加[13]、加拿大[14]、東南亞[15]、中國(guó)[16]等地開(kāi)展了關(guān)于泥炭地演化方面的研究。表明中國(guó)青藏高原泥炭地大規(guī)模發(fā)育在早全新世[17]，東南地區(qū)泥炭在早中全新世廣泛發(fā)育[18]，東北地區(qū)泥炭地發(fā)育主要集中在晚全新世[16]。不同地區(qū)泥炭地形成發(fā)育的時(shí)間不同，演化模式也不一樣，有必要加強(qiáng)對(duì)不同地區(qū)，尤其是此前關(guān)注較少的西南地區(qū)泥炭的研究。

貴州地處云貴高原，為亞熱帶季風(fēng)氣候，受東亞季風(fēng)與南亞季風(fēng)共同影響[19]，境內(nèi)喀斯特地貌分布廣泛，生態(tài)環(huán)境脆弱，對(duì)氣候和環(huán)境變化十分敏感。對(duì)貴州泥炭沉積過(guò)程研究有助于進(jìn)一步厘清喀斯特地貌區(qū)植物殘?bào)w分解過(guò)程、泥炭發(fā)育演化歷史，及泥炭記錄的古氣候、古生態(tài)、古環(huán)境演化歷史。本文以黔西南喀斯特地貌區(qū)興義XY1泥炭鉆孔為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)泥炭的腐殖化度、總有機(jī)碳、干容重等的測(cè)定，重建興義泥炭碳累積過(guò)程，研究興義泥炭腐殖化度的氣候環(huán)境指示意義，探討晚全新世以來(lái)興義泥炭演化歷史及其外部控制因子，以豐富我國(guó)季風(fēng)區(qū)泥炭的研究資料。

1 研究區(qū)概況

興義泥炭地位于貴州省黔西南布依族苗族自治州興義市西北方向25 km（25.31°N，104.84°E，海拔1 317 m），靠近黔、滇、桂三省的交界處（圖1）。興義市為中亞熱帶山地季風(fēng)氣候，年均溫17.6℃，年降水量1 322 mm[20]，無(wú)霜期長(zhǎng)。海拔1 000～1 400 m，地勢(shì)西北高、東南低，山巒起伏，喀斯特地貌面積占興義市總面積的73.6%[21]。境內(nèi)河流均屬珠江流域南盤(pán)江水系，屬于南盤(pán)江干流中游地區(qū)。屬于亞熱帶常綠闊葉林帶，典型植被類型包括中山常綠櫟林、松櫟混交林、云南松林等，并且在廣大山坡上分布著稀樹(shù)灌叢草叢和禾本科雜草草叢等[22]。

圖1 興義泥炭地的位置及構(gòu)造背景（a）本文涉及到的主要研究點(diǎn)；（b）采樣點(diǎn)構(gòu)造位置；（c）興義泥炭地照片F(xiàn)ig.1 Location and structural setting of Xingyi peatland(a)distribution of relevant research sites in this study;(b)structural setting of Xingyi peatland and location of the XY1 drilling core;(c)photograph of Xingyi peatland

2 材料和方法

2.1 野外采樣與沉積物特征

2017年4月在興義泥炭地使用俄羅斯泥炭鉆采集了泥炭巖芯XY1，現(xiàn)場(chǎng)按2 cm等間距進(jìn)行分樣，然后立即裝入自封袋中編號(hào)封存，并送入實(shí)驗(yàn)室置于4℃冰柜低溫保存。XY1鉆孔的組成物質(zhì)主要為泥炭和粉砂，其中頂部0～50 cm為黑色粉砂質(zhì)沉積物，表層有明顯的植物根系發(fā)育?？紤]到人類耕作活動(dòng)的可能影響，該部分將不予分析討論。本文選取的是鉆孔上部50～250 cm的巖芯沉積物，進(jìn)行干容重、燒失量及腐殖化度等實(shí)驗(yàn)室分析測(cè)定。集中分析深度的鉆孔巖性自上而下描述如下（圖2a）：50～245 cm為褐黑色泥炭，低到中等分解程度，有明顯紅色灌木樹(shù)枝或根系，且有明顯的草本植物殘?bào)w；245～250 cm主要為灰黑色沉積，中間有白色碳酸鹽質(zhì)顆?；映练e。

圖2 XY1鉆孔（a）地層柱狀圖和測(cè)年點(diǎn)分布與（b）年代—深度Bacon模型Fig.2 (a)Stratigraphy and the AMS14C dating positions of the upper of XY1 core;(b)Age-depth model of upper section of XY1 core,using WinBacon 2.2.R software

2.2 研究方法

2.2.1 年代與沉積速率

在不同深度，挑選5個(gè)樣品中的植物殘?bào)w，送交美國(guó)Beta實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行AMS14C年代測(cè)定。測(cè)年結(jié)果采用OxCal程序并利用IntCal13曲線校正，通過(guò)基于Bayesian統(tǒng)計(jì)法的“WinBacon2.2”年代模型[23]，結(jié)合R軟件為不同的年代控制點(diǎn)選擇合適的函數(shù)，從而建立準(zhǔn)確的年代—深度框架[23]（圖2b）。然后基于上述年代—深度模型計(jì)算沉積速率。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)室測(cè)定

腐殖化度通過(guò)常規(guī)的堿提取溶液吸光度法測(cè)定[24]。由于此前對(duì)黔西南泥炭缺乏深入研究，因此此次對(duì)XY1鉆孔樣品進(jìn)行465 nm、540 nm和665 nm三個(gè)波長(zhǎng)吸光度測(cè)試。將泥炭樣品以2 cm間隔取樣共計(jì)125個(gè)，準(zhǔn)確稱取通過(guò)60目篩的0.10 g樣品放入燒杯中；加入100 mL 0.1 mol/L的氫氧化鈉溶液，在電加熱板上進(jìn)行加熱直至沸騰，用微火繼續(xù)加熱1個(gè)小時(shí)以使泥炭的腐殖酸充分地浸出；待含有腐殖酸的溶液冷卻后，將其轉(zhuǎn)移到容量瓶進(jìn)行稀釋定容。緊接著用紅外分光光度計(jì)分別測(cè)量三個(gè)波長(zhǎng)的吸光度，每個(gè)波長(zhǎng)結(jié)果取其三次測(cè)定的平均值。465 nm、540 nm和665 nm波長(zhǎng)吸光度均可用來(lái)表示泥炭腐殖化度。此外，腐殖化度E4/E6（堿提取液在465 nm和665 nm下的吸光度之比）可以很好地反映降水量的狀況，且與年平均降水量之間存在明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系[25]，因此也計(jì)算E4/E6值。

將采集的新鮮樣品放滿24 cm3的鋁盒，隨后將樣品在105℃下恒溫烘干12 h，稱重后計(jì)算出樣品干容重[14]?？傆袡C(jī)碳（Total Organic Carbon,TOC）含量采用燒失法測(cè)定。先將石英坩堝在馬弗爐550℃下烘燒3 h，在干燥器中冷卻后稱取坩堝的凈重，并稱取已用105℃恒溫烘干12 h的樣品0.30 g置于坩堝中，在550℃下烘燒3 h后再冷卻稱量，并減去坩堝凈重則為泥炭燒失量（Loss On Ignition,LOI），泥炭TOC為L(zhǎng)OI的 50%[14]。

2.2.3 周期分析和泥炭碳累積速率計(jì)算

通過(guò)MATLAB R2016a軟件的Morlet小波變換函數(shù)分析興義腐殖化度（540 nm處吸光度，下同）周期，通過(guò)定量古生物學(xué)軟件Past3進(jìn)行功率譜分析，并對(duì)其結(jié)果進(jìn)行95%、99%的置信度檢驗(yàn)。碳累積速率通過(guò)以下公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：R為碳積累速率，單位：g C/(m2·a)；ρ為干容重，單位：g/cm3；C%為泥炭碳元素含量，單位：%；t為每厘米沉積時(shí)間，單位：a。

3 結(jié)果

3.1 年代框架和沉積速率

AMS14C年代學(xué)結(jié)果（表1）表明XY1鉆孔在60 cm以下無(wú)地層倒置現(xiàn)象，且沉積速率較為穩(wěn)定（圖2），平均沉積速率為1.65 mm/a（圖3）。根據(jù)重建的年代—深度序列，該鉆孔在250 cm處的沉積年齡為3 000 cal.a B.P.，50 cm處沉積年齡為1 767 cal.a B.P.。

表1 興義泥炭AMS14C測(cè)年結(jié)果Table 1 AMS radiocarbon dating results for XY1 core

圖3 興義泥炭XY1鉆孔沉積速率及與碳累積相關(guān)的各項(xiàng)指標(biāo)變化（a）碳累積速率；（b）總有機(jī)碳；（c）干容重Fig.3 Variation of sediment accumulation rate and indicators related to carbon accumulation in XY1 core from Xingyi peatland(a)carbon accumulation rate;(b)total organic carbon;(c)dry bulk density

3.2 吸光度、TOC含量、干容重與碳累積速率

465 nm、540 nm和665 nm處的吸光度總體呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，其中540 nm吸光度波動(dòng)范圍為0.16～0.61，平均值為0.40；465 nm吸光度波動(dòng)范圍為0.27～0.96，平均值為0.68；665 nm吸光度波動(dòng)范圍0.06～0.32，平均值為0.16；E4/E6比值呈現(xiàn)上升—略有所回落—最后緩慢上升的趨勢(shì)（圖4）。

圖4 不同波長(zhǎng)吸光度的時(shí)間序列（a）465 nm吸光度；（b）540 nm吸光度；（c）665 nm吸光度；(d)E4/E6Fig.4 Variation of the absorbance at different wavelengths for different ages(a)465 nm absorbance;(b)540 nm absorbance;(c)665 nm absorbance;(d)E4/E6

TOC含量變化呈現(xiàn)上升后保持平穩(wěn)最后波動(dòng)下降的趨勢(shì)（圖3b），變化范圍為24.80%～45.77%，平均值為43.22%。干容量變化呈現(xiàn)上升后下降繼而保持平穩(wěn)最后波動(dòng)上升趨勢(shì)（圖3c），大致與TOC含量變化曲線呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)，變化范圍為0.09～0.37 g/cm3，平均值為0.16 g/cm3。

興義泥炭碳累積速率變化范圍為58.70～135.74 g C/（m2·a）（圖3a），平均值為106.50 g C/（m2·a），落值于全球泥炭地的平均碳累積速率20～140 g C/（m2·a）范圍內(nèi)[26]。

3.3 腐殖化度的變化周期

功率譜分析（圖5a）表明興義泥炭腐殖化度比較顯著的準(zhǔn)周期有 83 a、55 a、38 a、31 a、27 a、22 a、18 a、16 a、14 a（興義泥炭腐殖化度分辨率為12 a，故小于12 a的周期不考慮）。興義泥炭腐殖化度小波分析（圖5b）表明，比較顯著的準(zhǔn)周期有170～220 a、70～90 a、45～32 a、22 a。170～220 a準(zhǔn)周期信號(hào)存在于3 000～2 700 cal.a B.P.；70～90 a準(zhǔn)周期信號(hào)存在于3 000～2 650、2 400～2 200和2 150～1 767 cal.a B.P.；45～32 a準(zhǔn)周期信號(hào)存在于3 000～2 200和2 075～1 767 cal.a B.P.；22 a準(zhǔn)周期信號(hào)存在于2 700～2 500和2 100～1 767 cal.a B.P.。功率譜分析和小波分析結(jié)果較為一致，共同存在83 a、55 a、38 a、31 a、27 a、22 a周期。

圖5 興義泥炭XY1鉆孔腐殖化度（a）功率譜與（b）小波分析結(jié)果Fig.5 Absorbance from XY1 core in Xingyi peatland:(a)power spectrum;(b)wavelet spectral energy

4 討論

4.1 興義泥炭腐殖化度的古氣候指示意義

堿提取溶液吸光度法獲取的泥炭腐殖化度在不同波長(zhǎng)具有不同的指示意義。465 nm處吸光度能夠反映有機(jī)大分子開(kāi)始通過(guò)微生物分解產(chǎn)生腐殖酸的過(guò)程[27]，665 nm處吸光度能夠反映高氧含量和在穩(wěn)定階段產(chǎn)生的芳族化合物的特征，該波長(zhǎng)腐殖酸成熟度和穩(wěn)定性更高，并具有更高的官能團(tuán)含量[25]。540 nm處的吸光度反映的土壤腐殖酸成熟度和穩(wěn)定性程度介于前兩者之間。普遍認(rèn)為由于各波長(zhǎng)吸光度是由高頻到低頻單調(diào)減少吸收，因此各個(gè)波長(zhǎng)的吸光度雖在數(shù)值上有差別但其變化趨勢(shì)較一致[2]。無(wú)論選取哪個(gè)波長(zhǎng)吸光度都能反映腐殖化度的變化，吸光度值高表明腐殖酸含量高，腐殖化度高。XY1鉆孔樣品在465 nm、540 nm和665 nm三個(gè)波長(zhǎng)的吸光度值變化曲線均一致（圖4），三個(gè)波長(zhǎng)數(shù)值呈現(xiàn)單調(diào)遞減變化，也反映了以上規(guī)律。540 nm吸光度常被用于表示泥炭的腐殖化度[2,11]，故本文也采用540 nm處吸光度代表泥炭的腐殖化度用于周期分析及后續(xù)討論。

影響泥炭腐殖化度的因素主要有微生物活動(dòng)、水熱狀況、土壤酸堿度、成炭植物類型等，最主要的是水熱條件[1]。對(duì)紅原泥炭[9]、大九湖泥炭[10]及哈尼泥炭[28]的研究表明，溫度對(duì)植物的生長(zhǎng)量、微生物活動(dòng)都有影響，一般而言，當(dāng)溫度低于5℃時(shí)，植物增長(zhǎng)量小，微生物活動(dòng)微弱，植物殘?bào)w分解速率緩慢，腐殖化度低；當(dāng)溫度介于20℃～30℃時(shí)，植物增長(zhǎng)量大，微生物活動(dòng)強(qiáng)，植物殘?bào)w分解速率加快，腐殖化度高；當(dāng)溫度大于30℃時(shí)，雖然植物生長(zhǎng)量大，但由于溫度高，微生物活動(dòng)減弱，泥炭腐殖化度偏低。此外，泥炭濕度對(duì)植物的生長(zhǎng)和微生物的活動(dòng)影響也極為顯著，從而影響泥炭腐殖化度。當(dāng)濕度達(dá)到60%～80%時(shí)，微生物活動(dòng)能力最強(qiáng)，泥炭腐殖化度高；當(dāng)水熱條件低于或高于上述水平時(shí)，微生物活動(dòng)能力則逐漸減弱，泥炭腐殖化度低[1]。興義地區(qū)年平均濕度高達(dá)80%并且年均溫高年降水量大[20]，在這種氣候條件下濕度進(jìn)一步增加則會(huì)越過(guò)微生物活動(dòng)的適宜期，使微生物活動(dòng)減弱，腐殖化度降低。前人研究也表明泥炭有機(jī)質(zhì)含量越高，說(shuō)明氣候越干[29]。本研究TOC含量是經(jīng)LOI轉(zhuǎn)換得出，其變化能代表有機(jī)質(zhì)含量的變化。當(dāng)TOC含量處于高值時(shí)，說(shuō)明泥炭地地下水水位較淺，大量植物，尤其是高等植物生長(zhǎng)繁茂，使泥炭地積累了大量有機(jī)質(zhì)；而TOC含量處于低值，說(shuō)明泥炭地位于深水位，高等植物生長(zhǎng)量減小，有機(jī)質(zhì)含量下降。興義泥炭XY1鉆孔TOC含量與腐殖化度變化具有很好的一致性，相關(guān)系數(shù)R2=0.79，P<0.01，相關(guān)性極強(qiáng)，進(jìn)一步證明興義泥炭腐殖化度處于高值時(shí)，氣候偏干，低值時(shí)氣候濕潤(rùn)。興義泥炭E4/E6（圖4d）比值反映的降水量在該時(shí)期經(jīng)歷了下降—增加—緩慢下降的波動(dòng)過(guò)程，540 nm吸光度表現(xiàn)為上升—下降—波動(dòng)上升趨勢(shì)，故而540 nm吸光度上升代表降水量下降，進(jìn)一步印證了腐殖化度高時(shí)代表氣候偏干，反之亦然。

從構(gòu)造位置上來(lái)說(shuō)，興義地區(qū)位于揚(yáng)子陸塊Ⅰ級(jí)構(gòu)造單元內(nèi)的上揚(yáng)子陸塊Ⅱ級(jí)構(gòu)造單元的南盤(pán)江—右江前陸盆地Ⅲ級(jí)構(gòu)造單元，地處黃泥河—潘家莊斷裂與冊(cè)亨弧形斷裂所圍區(qū)域[30]。興義泥炭地西北—東北方向?yàn)榘鹊乇承?，東南方向?yàn)轸數(shù)A營(yíng)向斜，南側(cè)為雙龍向斜，西北方向的背斜可以提供地表徑流匯入，東南—東北方向小丘阻擋水流流出，使得興義泥炭地成為集水區(qū)域（圖1b）。在這種地形條件下，當(dāng)降水量豐富時(shí)，泥炭地濕度大，微生物活動(dòng)弱，并不利于有機(jī)質(zhì)的分解，腐殖化度低；反之，在降水量相對(duì)減少的條件下，腐殖化度則升高[1]。全球太陽(yáng)總輻照度（TSI）在3 000～1 770 cal.a B.P.期間較穩(wěn)定，在2 700 cal.a B.P.和2 300 cal.a B.P.左右出現(xiàn)兩個(gè)低谷值[31]，與興義泥炭腐殖化度在2 650 cal.a B.P.和2 250 cal.a B.P.左右出現(xiàn)的兩個(gè)高值相對(duì)應(yīng)。因此，興義泥炭腐殖化度也能夠反映太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，腐殖化度處于高值時(shí)指示太陽(yáng)輻射弱，溫度低，反之則指示太陽(yáng)輻射強(qiáng)，溫度高，反映了腐殖化度與溫度的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

綜上所述，興義泥炭腐殖化度可以很好地反映降水量和溫度變化，當(dāng)腐殖化度處于高值時(shí)，指示氣候干冷，反之則指示氣候濕熱。對(duì)處于溫帶氣候區(qū)的紅原泥炭（圖6a）、新疆北部巴里坤湖泥炭[11]、東北哈尼泥炭（圖6b）和貴州西部威寧弧形背斜軸部發(fā)育的高海拔草海盆地南屯泥炭（圖6c）的研究均表明，腐殖化度處于高值時(shí)氣候濕熱，反之則氣候干冷。而對(duì)處于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)的浙江天目山千畝田泥炭[5]、南嶺東部大湖泥炭[34]、湖北神農(nóng)架大九湖泥炭[10]、福建屏南天湖山泥炭（圖6d）的研究表明，腐殖化度處于高值時(shí)指示氣候干冷，反之則指示氣候濕熱，與興義泥炭的研究結(jié)果一致。以上反映了泥炭腐殖化度的氣候指示意義在氣候區(qū)域上具有一致性。在溫帶氣候區(qū)，增溫增濕能提高植物初級(jí)生產(chǎn)力，有機(jī)質(zhì)增加，微生物活動(dòng)增強(qiáng)，腐殖質(zhì)增多，腐殖化度升高；而在亞熱帶地區(qū)，降水量增加反而使地表積水加深，易于形成還原環(huán)境，抑制微生物活動(dòng)，腐殖化度降低。值得注意的是，興義泥炭和南屯泥炭腐殖化度的指示意義稍有差異。這應(yīng)該由兩地所處構(gòu)造位置、海拔高度、氣候條件差異等產(chǎn)生。興義位于斷裂構(gòu)造所圍區(qū)域，海拔低，而南屯泥炭地位于背斜軸部，年均溫和年降水量遠(yuǎn)低于興義地區(qū)，兩地海拔也相差近900 m。然而，對(duì)南屯泥炭與興義泥炭腐殖化度進(jìn)行相關(guān)分析表明，其相關(guān)性呈反相關(guān)（R2=-0.53，P<0.01）。說(shuō)明在研究時(shí)段內(nèi)二者變化方向相反；從圖6中也能發(fā)現(xiàn)，晚全新世興義泥炭腐殖化度總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，而南屯泥炭腐殖化度總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)?？梢哉J(rèn)為南屯泥炭和興義泥炭腐殖化度記錄反映的氣候變化過(guò)程具有一致性，均表明晚全新世西南地區(qū)氣候往冷干方向發(fā)展。此外，在南屯泥炭腐殖化度記錄中表現(xiàn)明顯的1 900 cal.a B.P.冷事件在興義泥炭中也有體現(xiàn)。興義泥炭腐殖化度記錄與董哥洞石筍δ18O[35]、滇中洱海沉積物孢粉[36]、黔東白鷴湖孢粉[37]、滇西北格貢錯(cuò)那卡湖泊沉積[38]和寧蒗仙人洞石筍[39]等云貴高原其他地區(qū)的古氣候重建結(jié)果相一致。即3 000～1 770 cal.a B.P.期間氣候總體偏冷干，其中在2 700～2 400 cal.a B.P期間氣候增溫增濕。

圖6 中國(guó)境內(nèi)主要泥炭地腐殖化度對(duì)比（a）紅原泥炭[9]；（b）哈尼泥炭[2]；（c）南屯泥炭[32]；（d）天湖山泥炭[33]；（e）興義泥炭Fig.6 Comparison of humification records at different peatland research sites in China(a)Hongyuan[9];(b)Hani[2];(c)Nantun[32];(d)Tianhushan[33];(e)Xingyi

4.2 3 000～1 770 cal.a B.P.興義泥炭發(fā)育和演化過(guò)程

植物死亡后，其殘?bào)w都要經(jīng)過(guò)生物化學(xué)作用，使之分解、合成與積聚，當(dāng)有機(jī)質(zhì)增加量超過(guò)分解量，則逐漸聚積成泥炭[40]。泥炭腐殖化度可以定量描述泥炭分解程度并能夠反映氣候條件，其中XY1鉆孔腐殖化度反映了降水量變化是影響興義泥炭沉積的重要影響因素。沼澤濕地有機(jī)碳的累積由濕地生態(tài)系統(tǒng)的輸入（植被生長(zhǎng)和枯落物生產(chǎn)）和輸出（有機(jī)質(zhì)的分解）決定，同樣也受氣候條件的控制。如北半球沼澤濕地千年以來(lái)碳累積速率，受生長(zhǎng)季光合有效輻射的控制[41]。沉積速率則反映單位時(shí)間內(nèi)泥炭的沉積總量，也與當(dāng)時(shí)的氣候條件和沉積環(huán)境相關(guān)，有機(jī)質(zhì)生產(chǎn)與分解差值越大，沉積速率越快。以上三個(gè)代用指標(biāo)均能反映氣候、植被和水文條件的變化[26]，對(duì)研究泥炭形成和積累至關(guān)重要。根據(jù)XY1鉆孔的腐殖化度、碳累積速率、沉積速率，并結(jié)合其他代用指標(biāo)和已發(fā)表的研究成果，將興義地區(qū)3 000～1 770 cal.a B.P.期間泥炭演化過(guò)程劃分為四個(gè)階段，具體如下：

第一階段：250～206 cm（3 000～2 700 cal.a B.P.）

XY1腐殖化度呈上升趨勢(shì)，平均值為29.17（圖7a）；碳累積速率呈下降趨勢(shì)，平均值為107.44 g C/（m2·a）（圖7b）；沉積速率呈微弱的下降趨勢(shì)，平均值為1.57 mm/a（圖7c）。腐殖化度記錄該階段降水量減少，與西南季風(fēng)區(qū)Bittoo洞石筍和董哥洞石筍δ18O偏負(fù)且呈逐漸偏正的趨勢(shì)（圖7d，e）相一致。碳累積速率反映光合有效輻射略有減少，與TSI（圖7f）的結(jié)果較為一致。洱海孢粉分析顯示該階段內(nèi)蓼科（Polygonaceae）和莎草科（Cyperaceae）等喜濕草本減少，松屬（Pinus）增加[36]；白鷴湖孢粉分析顯示該階段內(nèi)木本植物稍有減少，旱生草本和蕨類植物增加[37]，表明該階段內(nèi)氣候向冷干方向轉(zhuǎn)變。因此，該階段興義地區(qū)接收到的光合有效輻射減少，植物生產(chǎn)潛力相對(duì)較低，季風(fēng)減弱，降水較少，使興義泥炭地地下水位變淺，生長(zhǎng)著較多的沼生、濕生和水生植物，有機(jī)質(zhì)增加，但微生物分解也加快，總體上泥炭緩慢積累。

圖7 興義泥炭沉積演化過(guò)程的影響因素對(duì)比（a）興義泥炭540 nm處腐殖化度；（b）興義泥炭碳累積速率；（c）興義泥炭沉積速率；（d）Bittoo洞BT石筍δ18O[42]；（e）董哥洞D4石筍δ18O[35]；（f）全球太陽(yáng)總輻照度[31]Fig.7 Comparison of factors influencing the depositional evolution of Xingyi peatland extracted from XY1 core and records obtained from other carriers(a)540 nm absorbance of XY1 core;(b)rate of carbon accumulation in XY1 core;(c)rate of deposition in XY1 core;(d)oxygen isotope of BT from Bittoo Cave[42];(e)oxygen isotope of D4 from Dongge Cave[35];(f)total solar irradiance[31]

第二階段：205～160 cm（2 700～2 400 cal.a B.P.）

XY1腐殖化度平均值上升到40.97，碳累積速率平均值下降到103.91 g C/（m2·a），沉積速率基本不變，平均值為1.56 mm/a。腐殖化度（圖7a）反映該階段降水量增加，這與Bittoo洞石筍和董哥洞石筍δ18O偏負(fù)（圖7d，e）的重建結(jié)果相一致。碳累積速率呈上升趨勢(shì)指示光合有效輻射增加，與TSI（圖7f）重建的結(jié)果相一致。洱海孢粉分析顯示該階段內(nèi)蓼科和莎草科等喜濕草本增加，松屬和鐵杉屬（Tsuga）也增加[36]；白鷴湖孢粉分析顯示該時(shí)期喜熱喜濕的熱帶亞熱帶木本植物和蕨類植物增加[37]，表明該階段氣候有向暖濕方向轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)。因此，該階段興義地區(qū)季風(fēng)增強(qiáng)，季風(fēng)降水較多，泥炭沼澤濕度增大，微生物活動(dòng)較弱，有機(jī)質(zhì)分解慢，泥炭積累速度較慢但有逐漸加快的趨勢(shì)。

第三階段：159～76 cm（2 400～1 950 cal.a B.P.）

XY1腐殖化度變化不大，平均值為40.40（圖7a）；碳累積速率明顯升高，平均值為105.25 g C/(m2·a)（圖7b）；沉積速率也明顯上升，平均值為1.85 mm/a（圖7c）。腐殖化度（圖7a）反映了該階段降水總體較少，與Bittoo洞石筍和董哥洞石筍δ18O（圖7d，e）反映的季風(fēng)降水結(jié)果一致。碳累積速率反映光合有效輻射在該階段早期處于低值后明顯增加并穩(wěn)定在較高值，與TSI（圖7f）的重建結(jié)果一致。洱海孢粉分析顯示該階段內(nèi)樺木屬（Betula）等開(kāi)始出現(xiàn)且含量較高，草本植物藜科（Chenopodiaceae）、禾本科（Poaceae）、蒿屬（Artemisia）含量增加[36]；白鷴湖孢粉分析顯示木本植物呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，耐旱草本顯著增加，適應(yīng)石漠化環(huán)境的蕨類植物增加，表明該時(shí)期氣候轉(zhuǎn)干[37]。因此，2 400～2 350 cal.a B.P.太陽(yáng)輻射減少，季風(fēng)減弱，降水減少，泥炭地水位變淺，微生物分解較快，但一些高等植物的生物量上升，有機(jī)質(zhì)含量增加，使碳累積速率和沉積速率較前兩個(gè)階段明顯提高，泥炭積累加快；此后季風(fēng)減弱降水略有增加但總體偏少，光合有效輻射回升，有機(jī)質(zhì)含量仍較高，泥炭沼澤濕度總體較低偏穩(wěn)定，有機(jī)質(zhì)分解穩(wěn)定，泥炭積累高位穩(wěn)定。

第四階段：75～50 cm（1 950～1 770 cal.a B.P.）

XY1腐殖化度升高，平均值為42.69（圖7a）；碳積累速率明顯下降，平均值為98.00 g C/(m2·a)（圖7b）；沉積速率明顯下降，平均值為1.53 mm/a（圖7c）。腐殖化度（圖7a）表明該階段降水較少，且降水量波動(dòng)較大，與Bittoo洞石筍和董哥洞石筍δ18O（圖7d，e）反映的季風(fēng)降水變化較一致。碳累積速率反映興義地區(qū)光合有效輻射減少，與TSI減少（圖7f）的結(jié)果一致。洱海沉積物中松屬含量增加[36]，白鷴湖沉積物中耐旱草本、蕨類繼續(xù)增加，說(shuō)明該時(shí)期氣候偏干[37]。因此，該階段季風(fēng)強(qiáng)度波動(dòng)劇烈，由季風(fēng)帶來(lái)的降水在興義地區(qū)波動(dòng)大，光合有效輻射減少，造成腐殖化度、碳累積速率、沉積速率曲線的波動(dòng)明顯，泥炭積累過(guò)程發(fā)生明顯波動(dòng)。

晚全新世興義泥炭低腐殖化度對(duì)應(yīng)高碳積累速率、高沉積速率，是由于強(qiáng)降水能維持泥炭表面濕潤(rùn)，抑制泥炭分解；干燥氣候?qū)?huì)降低泥炭濕度，加速泥炭分解，泥炭呈高腐殖化度，低碳積累速率，低沉積速率。處于溫帶的哈尼泥炭和紅原泥炭的碳積累速率研究表明，高腐殖化度對(duì)應(yīng)高碳積累速率，該地區(qū)升溫促進(jìn)初級(jí)生產(chǎn)力的提高，產(chǎn)生更多殘留物，產(chǎn)生高碳積累速率[43-44]；而熱帶泥炭，泥炭表面高濕度是泥炭積累的關(guān)鍵[45]。因此，碳積累速率的變化特點(diǎn)反映了興義泥炭發(fā)育特點(diǎn)與熱帶泥炭較為相似。

4.3 興義泥炭地演化的外部控制因子

從以上分析可知，興義泥炭發(fā)育過(guò)程與季風(fēng)氣候變化密切相關(guān)，受季風(fēng)降水的明顯影響，并與TSI密切相關(guān)。而晚全新世亞洲季風(fēng)氣候變化的驅(qū)動(dòng)力包括太陽(yáng)輻射、大西洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)（AMOC）及熱帶輻合帶（ITCZ）[46]等。其中太陽(yáng)輻射與植物生長(zhǎng)、分解密切相關(guān)，并且季風(fēng)氣候與太陽(yáng)活動(dòng)之間存在高度相關(guān)性，如在十年—百年尺度的季風(fēng)氣候變化與太陽(yáng)活動(dòng)周期基本一致[47]。本研究基于的腐殖化度小波分析及功率譜分析結(jié)果（圖5）也表明，興義泥炭發(fā)育過(guò)程中的外部控制因子主要為太陽(yáng)活動(dòng)。

興義泥炭腐殖化度比較顯著的準(zhǔn)周期有83 a、55 a、38 a、31 a、27 a、22 a，這些準(zhǔn)周期廣泛發(fā)現(xiàn)于中國(guó)境內(nèi)的古環(huán)境記錄中。其中22 a、27 a準(zhǔn)周期與太陽(yáng)活動(dòng)雙海爾周期[48]相近。大氣活動(dòng)中心位置及大氣環(huán)流研究[49]、北京2 000 a氣溫變化[50]及臨近區(qū)域古里雅冰芯和祁連山樹(shù)輪記錄[51]等，均證實(shí)22 a周期的存在。31 a、38 a準(zhǔn)周期與太陽(yáng)活布魯克納周期（35 a）[52]相一致。我國(guó)近500 a的洪澇災(zāi)害記錄[53]及塔里木盆地南緣尼雅剖面粒度研究[54]中均存在布魯克納周期，且在阿爾卑斯冰川進(jìn)退、太平洋高壓、印度低壓、赤道低壓位置變化和我國(guó)長(zhǎng)江下游以及北方京、津地區(qū)降水等記錄中都明確存在35 a周期[55]。55 a周期與太平洋十年濤動(dòng)指數(shù)（PDO）的50～70 a年代際周期較一致[56]，與55 a的太陽(yáng)循環(huán)周期十分接近[57]。神農(nóng)架犀牛洞石筍δ13C研究存在50～70 a的周期[58]，江漢平原近3 000 a古洪水事件研究也記錄了52 a周期[59]。83 a準(zhǔn)周期與80～90 a的太陽(yáng)活動(dòng)世紀(jì)周期（Gleisberg周期）相一致。金川泥炭纖維素δ18O記錄發(fā)現(xiàn)86 a或93 a的類似周期[60]，塔里木盆地南緣湖沼沉積粒度研究也存在97 a周期[54]。因此，XY1鉆孔樣品腐殖化度記錄表明，興義泥炭地演化不僅受太陽(yáng)活動(dòng)雙海爾周期、布魯克納周期和太陽(yáng)活動(dòng)世紀(jì)周期驅(qū)動(dòng)，對(duì)PDO的變化也有一定響應(yīng)，表明十年—百年尺度的季風(fēng)氣候和泥炭地演化與太陽(yáng)活動(dòng)周期基本相一致。

太陽(yáng)活動(dòng)減弱使太陽(yáng)輻射量減少，導(dǎo)致北半球因降溫所引起的南北半球間洋面溫度梯度的增加[61]，熱帶輻合帶（ITCZ）平均位置南移，西南季風(fēng)減弱；夏季太陽(yáng)輻射減少，北大西洋浮冰增加，溫鹽環(huán)流（THC）減弱，北大西洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流（AMOC）變慢[62]，赤道海面溫度（SST）升高，最終造成西南季風(fēng)減弱。2 800 cal.a B.P.太陽(yáng)輻射減少（圖7f），西南季風(fēng)減弱，興義地區(qū)降水量減少，氣候偏干，沼澤水深變淺，推動(dòng)了晚全新世興義泥炭地的穩(wěn)定演化。2 700～2 400 cal.a B.P.期間太陽(yáng)輻射增加（圖7f），西南季風(fēng)增強(qiáng)，降水增加，泥炭地濕潤(rùn)，微生物活動(dòng)弱有機(jī)質(zhì)分解減慢，泥炭累積雖較弱但逐漸加快。2 400～1 950 cal.a B.P.期間太陽(yáng)輻射在早期出現(xiàn)明顯低值后回升（圖7f），植物初級(jí)生產(chǎn)力提高，泥炭積累加快。1 950～1 770 cal.a B.P.期間太陽(yáng)輻射減少（圖7f），西南季風(fēng)強(qiáng)度劇烈波動(dòng)，興義地區(qū)干濕波動(dòng)明顯，泥炭積累發(fā)生明顯波動(dòng)。

5 結(jié)論

興義泥炭位于亞熱帶季風(fēng)區(qū)的喀斯特地貌區(qū)，其腐殖化度高值指示干冷，反之則指示氣候暖濕。腐殖化度的氣候指示意義與溫帶地區(qū)泥炭研究結(jié)果差異大，而與熱帶、亞熱帶地區(qū)泥炭研究結(jié)果一致，腐殖化度指示意義在氣候區(qū)上具有一致性。

通過(guò)對(duì)興義泥炭腐殖化度、碳累積速率、沉積速率，鄰近區(qū)域石筍δ18O值、太陽(yáng)總輻照度、湖泊孢粉記錄等的綜合集成分析，興義泥炭發(fā)育經(jīng)歷四個(gè)階段：3 000～2 700 cal.a B.P.氣候較干燥，泥炭地沼澤水深變淺，植物增長(zhǎng)，但微生物分解作用也加強(qiáng)，興義泥炭緩慢發(fā)育；2 700～2 400 cal.a B.P.降水量增加，濕度增加，微生物活動(dòng)較弱，有機(jī)質(zhì)分解弱，泥炭沉積緩慢加快；2 400～1 950 cal.a B.P.降水量減少，有機(jī)質(zhì)分解快，植物初級(jí)生產(chǎn)力增加生物量提高，泥炭沉積較快；1 950～1 770 cal.a B.P.期間季風(fēng)強(qiáng)度波動(dòng)劇烈，興義地區(qū)干濕波動(dòng)明顯，泥炭沉積速度發(fā)生明顯波動(dòng)。

利用功率譜分析和小波分析對(duì)腐殖化度進(jìn)行周期分析，研究時(shí)段存在的83 a、55 a、38 a、31 a、27 a、22 a周期與太陽(yáng)活動(dòng)周期基本一致。當(dāng)太陽(yáng)活動(dòng)弱時(shí)，太陽(yáng)輻射量減少，西南季風(fēng)強(qiáng)度減弱，泥炭地濕度降低，有機(jī)質(zhì)分解慢，泥炭積累速度快，反之則泥炭積累速度慢。