海南小海潟湖沉積物地球化學揭示的近千年氣候環(huán)境變化

宋德卓, 薛積彬, 孫升升, 鐘 巍

海南小海潟湖沉積物地球化學揭示的近千年氣候環(huán)境變化

宋德卓, 薛積彬*, 孫升升, 鐘 巍

(華南師范大學 地理科學學院, 廣東 廣州 510631)

對取自海南島東部小海潟湖的柱狀巖心(XH15-02)開展了年代學(210Pb和AMS14C)和常量/微量元素分析, 在建立可靠年代模型的基礎上, 探討了該潟湖沉積物地球化學元素及其比值的環(huán)境指示意義, 進而揭示近千年來海南地區(qū)的氣候環(huán)境變化歷史。研究表明: (1)小海潟湖沉積物地球化學元素比值(Al/Ca、Mg/Ca、K/Ca、Fe/Ca、Ti/Ca)主要反映了近千年來海南地區(qū)的降水變化歷史, 具體表現(xiàn)在中世紀暖期(870～1100 AD)海南地區(qū)的降水較少, 而小冰期降水波動較為明顯, 總體上較中世紀暖期降水偏多, 這可能與近千年來熱帶輻合帶的南北移動以及西太平洋暖池海表溫度變化有關; (2)結合史料文獻中有關“颶風”、“飚風”等記載, 從小海潟湖沉積物地球化學元素及其比值序列中共識別出8次強臺風事件, 為當前全球變暖背景下我國熱帶地區(qū)臺風活動趨勢預測提供了參考和科學依據(jù)。

潟湖沉積; 地球化學元素; 降水; 古臺風; 海南島

0 引 言

在過去氣候變化研究中, 近千年時段是國內外學者關注的重點研究時段之一。不僅因為在這個階段人類活動對環(huán)境變化的影響日漸顯著, 還因為此時段內有大量文字記錄與自然環(huán)境記錄, 對于預測未來數(shù)十甚至數(shù)百年全球環(huán)境變化具有重要的科學意義(鄭景云和王紹武, 2005)。2009年, PAGES(Past Global Changes)提出的4個中心議題之一是“區(qū)域氣候動力學”。需要指出的是, 區(qū)域尺度氣候變化的研究能夠反映全球尺度氣候重建所掩蓋的一些氣候特征, 且區(qū)域尺度所表現(xiàn)出的重大氣候事件能夠顯著影響一個地區(qū)自然與經(jīng)濟社會的發(fā)展。因此, 對區(qū)域尺度氣候環(huán)境變化重建的研究有助于揭示全球氣候變化的區(qū)域響應機制。

早期研究表明, 近千年以來, 不同區(qū)域的氣候尤其是氣溫有明顯的階段性變化, 主要存在中世紀暖期(MWP, Medieval Warm Period; Lamb, 1965)、小冰期(LIA, Little Ice Age; Lamb, 1977)及20世紀增暖期(20th Century Warming Period; Jones and Mann, 2004)三個較明顯的特征氣候時期。在此之后, 國內外學者就近千年來的氣候環(huán)境變化開展了一系列工作(Zheng et al., 2006; Bentley et al., 2009; Mann et al., 2009; 楊保等, 2011; Eggermont and Oliver, 2012; 葛全勝等, 2014), 發(fā)現(xiàn)雖然近千年來全球不同區(qū)域的冷暖變化與變動幅度并不完全一致, 但各區(qū)域的冷暖變動過程具有較高的相似性。例如, 對中國近千年溫度變化的研究(葛全勝等, 2014)發(fā)現(xiàn), 在940～1300 AD期間氣候相對溫暖, 而在1300～1850 AD期間則相對寒冷, 與Lamb(1965, 1977)所定義的MWP、LIA冷暖波動階段相對吻合。然而, 與冷暖變化不同, 中國的干濕變化區(qū)域差異極大, 即便是在中國東部地區(qū), 其所表現(xiàn)的區(qū)域差異也十分顯著。從以往研究來看, 現(xiàn)有的近千年氣候環(huán)境變化研究主要集中在我國亞熱帶和溫帶地區(qū)(姚檀棟等, 1996; Zhang et al., 2008; 朱海峰等, 2008; Tan et al., 2011; 雷國良等, 2014), 相比之下, 對于近千年來華南熱帶地區(qū)的古氣候環(huán)境變化研究工作仍然較少(Chu et al., 2002; Yan et al., 2011; Zhang et al., 2017; 游愛華等, 2019)。

海南島地處熱帶, 是我國臺風災害最嚴重的地區(qū)之一(圖1a), 揭示海南地區(qū)歷史時期的氣候變化和臺風活動對于合理應對該地區(qū)未來自然環(huán)境和社會經(jīng)濟的發(fā)展具有重要理論和現(xiàn)實意義。海岸帶對環(huán)境的變化非常敏感, 在全球變暖及海平面升高的背景下, 海岸帶沉積環(huán)境的研究越來越受到人們的重視(Song et al., 2019)。潟湖是海岸帶由沙壩或沙嘴與外海隔開的相對較淺的水體, 是海岸地貌的主要特征之一。潟湖與海相通, 但水體交換能力較弱, 可有效沉積海源和陸地徑流搬運物質, 其演變過程受水文、氣候、地質、生態(tài)及人類活動影響(Bird, 2010; Adikaram et al., 2019)。因此, 潟湖沉積物能夠很好地記錄當?shù)氐臍夂?、水文或人為活動引起的環(huán)境變化信息, 是研究歷史時期海岸帶區(qū)域氣候環(huán)境變化和人類活動影響的理想場所。利用潟湖沉積物, 國內外學者已經(jīng)重建了過去幾千年內各區(qū)域的海平面變化(Compton, 2001)、溫度變化(趙煥庭等, 2004)、颶風歷史(Donnelly and Woodruff, 2007)等。海南東部沿海分布著眾多的海岸潟湖, 為研究海南地區(qū)歷史時期的氣候環(huán)境變化提供了理想研究素材。本文旨在通過對海南東部小海潟湖沉積物地球化學元素的分析, 探討過去千年以來海南地區(qū)的氣候環(huán)境變化過程與臺風活動歷史, 進一步豐富我國熱帶地區(qū)古氣候環(huán)境變化研究, 并為海南地區(qū)面對未來氣候環(huán)境和臺風活動變化趨勢預測以及防災減災提供歷史借鑒。

1 研究區(qū)概況

小海潟湖(110°26′～110°32′E, 18°47′～18°54′N)位于海南東部萬寧市境內, 是海南島面積最大的潟湖(圖1)。該潟湖地處熱帶北緣, 臨南海, 水汽充足, 屬熱帶季風氣候, 年平均氣溫為23 ℃, 多年平均降水量為2159 mm。該地區(qū)在夏季以南風和西南風為主, 冬季盛行東北風; 夏秋季節(jié)受熱帶氣旋影響頻繁, 是我國受熱帶氣旋活動影響最為嚴重的地區(qū)之一。小海潟湖灣內大部分水深在1～1.5 m之間, 湖底微向南傾斜(中國海灣志編纂委員會, 1999), 東岸為沙壩, 周邊有龍頭河、龍尾河、東山河、港北河、白石溪等多條河流入湖, 其中最大的補給徑流太陽河在1972年經(jīng)由人工改道由保定洋南側入海后, 小海的年徑流補給量減少至8.23億立方米, 約為原年徑流量的一半。小海潟湖屬咸水湖, 潟湖外海水體(屬南海水體)的鹽度一般在24.7‰左右, 潟湖內的平均鹽度由北向南遞減, 漲潮期間鹽度增大。在小海潟湖的東北方向有一口門與南海相通, 湖水通過口門注入南海, 其沿東南方向的潮汐通道長約4 km, 由于1973年在口門北側修筑了防沙堤, 通道的寬度從原來的150 m遞減到20～30 m(中國海灣志編纂委員會, 1999; 王世俊等, 2003)。

底圖來源: 游愛華等(2019); 臺風數(shù)據(jù)來源: 聯(lián)合臺風警報中心(JTWC, Joint Typhoon Warning Center), 臺風路徑由ArcMap 10.2繪制。

2 材料和方法

XH15-02 孔巖心的采樣點位于小海潟湖西南部(110°27′12″E, 18°49′11″N; 圖1b), 長度為73 cm, 巖性較單一, 為灰黑色粉砂質黏土。對巖心上部30 cm以1 cm間距取樣, 冷凍干燥后略微研磨, 在中國科學院南京地理與湖泊研究所進行210Pb測試, 采用恒定補給速率(CRS, Constant Rate of Supply)模式建立巖心上部沉積的年代序列。同時, 在距離頂部18 cm、42 cm、57 cm、70 cm 處采集4個樣品, 在美國BETA實驗室(Beta Analytic)進行加速器質譜法(AMS, Accelerator Mass Spectrometry)14C年代測定, 測年誤差為±30 a。以同一深度(距離頂部18 cm處)樣品的AMS14C測年與210Pb測年結果的差值作為小海潟湖沉積物的碳庫年齡, 使用Bacon軟件(Charman et al., 2013)對14C年代結果進行日歷年齡校正。

在華南師范大學地理科學學院實驗室對巖心以 1 cm間距取樣開展常量和微量元素(Si、Al、Mg、Ti、Fe、K、Ca、Sr、Ba)分析, 結果以氧化物表示, 測試儀器為荷蘭帕納科公司生產(chǎn)的偏振能量色散X射線熒光光譜儀(型號: Epsilon 5)。校正曲線使用27個國家土壤成分(GSS2–GSS28)、6個水系沉積物成分(GSD2a、GSD7a、GSD9–GSD12)和6個巖石成分(GSR1–GSR6)分析的標準物質。實驗過程中使用GSS17標準樣品進行控制, 實驗誤差優(yōu)于±5%。使用SPSS軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計處理, 對歸一化的地球化學元素數(shù)據(jù)集進行聚類, 以發(fā)現(xiàn)特性相似的變量組。

此外, 本文參考了海南島歷史時期有關自然災害的史料記載。例如, 《海南省千年自然災害史料集》(陳寒松, 1995)以編年體的形式整編了宋代以來海南島所發(fā)生的多種自然災害(包括旱災、澇災、風災等), 大部分記載的原始出處來源于地方志?！吨袊鴼庀鬄暮Υ蟮洹Ｄ暇怼?溫克剛和吳巖俊, 2008)編撰了海南有歷史記載以來的臺風、暴雨、洪澇、干旱、雷暴、龍卷風等氣象災害的信息, 是一部反映海南歷史時期氣象災害情況的大型工具書。這些文獻為海南地區(qū)的氣候變化和臺風歷史研究提供了大量的可靠文字記錄。通過這些文獻記載, 本文以受臺風影響的縣次記載數(shù)量為指標建立了近千年來影響海南島的臺風歷史序列。

3 結 果

3.1 年代序列的建立

XH15-02孔巖心210Pb比活度在21 cm處基本穩(wěn)定, 利用CRS模式計算得到XH15-02孔柱狀巖心上部21 cm所對應的年代序列如圖2a所示。采用AMS14C技術對4個14C年代樣品進行了沉積物全有機年齡的測定, 結果見表1。由于18 cm處沉積層位的210Pb測年結果為1933 AD, 而同一層位AMS14C的測年結果為280 a BP, 即1670 AD, 據(jù)此認為小海潟湖沉積有機碳定年的碳庫效應為263 a。將所有14C測年結果減掉263 a之后, 應用Bacon程序包選用Marine 13海洋校正曲線進行日歷年齡校正, 進而建立整根巖心的年代序列(圖2b)。結果表明, XH15-02孔巖心所記錄的年代范圍約為870～2015 AD。

3.2 元素分析結果

3.2.1 元素及其比值的垂向變化特征

XH15-02孔巖心元素(Si、Al、Mg、Ti、Fe、K、Ca、Sr、Ba)含量在垂向上的變化如圖3所示。其中, 常量元素Si、Al、Mg、Ti、Fe、K、Ca的含量(為便于表達, 以元素代表氧化物形式)分別為54.7%～66.5%、11.0%～17.2%、0.6%～1.2%、3188～4945 μg/g、3.7%～5.7%、2.4%～3.2%、0.6%～2.1%, 平均值分別為58.8%、14.8%、0.9%、4301 μg/g、4.7%、2.9%、0.9%; 微量元素Sr、Ba含量分別為40～141 μg/g、75～328 μg/g, 平均值分別為81 μg/g、193 μg/g。元素比值Al/Ca、Mg/Ca、Ti/Ca、Fe/Ca、K/Ca、Si/Al、Sr/Ba變化范圍分別為6.41～25.45、0.44～1.75、0.16～0.74、1.83～8.51、1.19～4.64、3.20～6.03、0.28～0.96(圖4), 平均值分別為17.93、1.08、0.52、5.71、3.56、3.99、0.45, 呈現(xiàn)出較為顯著的階段性變化特征。

在XH15-02孔巖心中, Al、Mg、K、Fe、Ti含量變化趨勢整體上相同, 而Si與上述幾種元素的變化趨勢相反。大約從1543 AD(對應深度約43 cm)以來, Ca在巖心剖面中的含量基本保持不變,到1990 AD (對應深度約11 cm)開始增加; Al、Mg、K、Fe、Ti等常量元素的含量在1647 AD(對應深度約40 cm)出現(xiàn)了整根巖心的極小值, Si則在此時出現(xiàn)最大值。在整個研究時段內, Al、Mg、Ti、Fe、K元素與Ca的比值呈現(xiàn)出較為一致的變化趨勢。

3.2.2 元素聚類分析結果

對XH15-02巖心常量/微量元素結果進行聚類分析(圖5), 可以將它們分為三類: 第一類為Al、Mg、K、Fe、Ti, 通常這些元素在海相沉積物中的含量低于陸相沉積物中的含量, 因而可能代表了小海潟湖沉積物的河流輸送來源(如小海的入湖河流龍頭河、龍尾河、白石溪、太陽河等); 第二類為Sr、Ba、Ca, 在淺海相中, Sr的含量變化受微體古生物的影響最大, Ba在濱海湖沼相中表現(xiàn)為富集(韓宗珠等, 2005), 小海潟湖沉積物中Ca主要源自海洋生物殼體, 因而這三種元素應當指示了該潟湖沉積的海相沉積來源, 即隨漲潮流沿潟湖東北口門潮汐通道攜帶海洋物質進入潟湖; 第三類為Si, 主要代表了粒度較粗的石英等碎屑礦物(Emmanouilidis et al., 2018), 應該是在風力吹揚及雨水沖刷的作用下將沿湖四周特別是東岸沙壩上的泥沙攜帶入湖。

圖2 XH15-02孔巖心年代–深度模型

表1 小海潟湖XH15-02孔巖心測年數(shù)據(jù)

圖3 XH15-02孔巖心常量/微量元素的含量變化(虛線為元素含量均值)

圖4 XH15-02孔巖心元素比值變化(紅色曲線為5點平滑曲線)

圖5 XH15-02孔巖心元素聚類分析結果

4 討 論

4.1 小海潟湖沉積元素及其比值指示的近千年降水變化

近年來, 國內外的很多學者已經(jīng)對不同區(qū)域內近千年的氣候變化進行了重建。如D’Arrigo et al. (2006)對北半球溫度的重建結果顯示, 在870～1100 AD期間, 北半球溫度相對較高, 而在1100～1900 AD期間北半球溫度相對較低; 19世紀以來, 北半球溫度持續(xù)升高(圖6f)。然而, 越來越多的證據(jù)表明, 近千年來不同地區(qū)氣候變化存在明顯的區(qū)域差異, 如Li et al. (2016)通過研究鄱陽湖的沉積記錄認為該地區(qū)MWP(1110～1350 AD)較濕潤, 而LIA(1350～1620 AD)較干旱; Xu et al. (2015)對云南洱海沉積記錄的研究卻表現(xiàn)出MWP(750～1200 AD)干旱, 而LIA (1450～1850 AD)濕潤的特點。在對小海潟湖沉積物的研究中, 不難發(fā)現(xiàn)該潟湖沉積地球化學元素比值的變化與北半球溫度(D’Arrigo et al., 2006)、南方濤動指數(shù)(SOI, Southern Oscillation Index; Yan et al., 2011)及西太平洋暖池海表面溫度(SST, Sea Surface Temperature; Oppo et al., 2009)等具有較高的相似性(圖6), 表明它們之間可能具有某種關聯(lián), 值得深入探究。

對于潟湖沉積物來說, Al、Mg、K、Fe、Ti的沉積主要以陸源為主(Nieto-Moreno et al., 2011; Ula?, 2019), Sr在海水中相對富集。XH15-02孔巖心中Ca與Sr含量表現(xiàn)為正相關, 與Ti表現(xiàn)為負相關, 表明小海潟湖沉積物中CaCO3的海洋生物組成成分高而陸源碎屑碳酸鹽的貢獻率低, 說明該巖心中Ca的生物來源多(Emmanouilidis et al., 2018), 因此可以通過Al、Mg、K、Fe、Ti與Ca的比值(圖6a～e)來消除生物沉積對陸源沉積的稀釋作用, 進而指示陸源物質輸送入湖的能力(Emmanouilidis et al., 2018; Ula?, 2019), 即河流水動力的強弱。當河流水動力強時, 流域內河水快速入湖, 帶入大量陸地上的碎屑物質, 此時Al/Ca、Mg/Ca、K/Ca、Fe/Ca、Ti/Ca的值較大; 而當河流水動力弱時, 河流搬運入湖的陸源碎屑物質減少, 此時元素比值表現(xiàn)出相對低值。這種河流水動力強弱的變化往往與當?shù)氐慕邓畯姸让芮邢嚓P(孫立廣等, 2012), 小海潟湖流域內水系發(fā)達, 有多條河流補給, 在降雨量大的時候, 陸地徑流量增大, 河流碎屑物質更容易沉積入湖; 反之, 陸地徑流量小, 河流碎屑物質入湖量減少。

(a～e) 本文; (f) 北半球溫度重建(D’Arrigo et al., 2006); (g) 湖光巖降水重建(Chu et al., 2002); (h) SOI指數(shù)(Yan et al., 2011); (i) 西太平洋暖池SST曲線(Oppo et al., 2009)。

從圖6可以看出, 小海潟湖沉積物的元素比值在過去千年間變化顯著, 揭示了近千年來海南地區(qū)降水經(jīng)歷了較為明顯的階段性變化。在870～1100 AD期間, Al/Ca、Mg/Ca、K/Ca、Fe/Ca、Ti/Ca的值較低, 表明海南地區(qū)在此時期降水較少, 沉積過程中河流產(chǎn)生的水動力強度不足以將陸地上的碎屑物大量運輸入湖; 在1100～1700 AD期間, 各元素比值波動較大, 表明在此時期海南地區(qū)的降水波動也相對明顯, 降水變率大; 在1700～1950 AD期間, 各元素比值普遍呈現(xiàn)高值, 但略有一定的下降趨勢, 說明在此時期河流輸送的陸源物質略有減少, 降水較前一時期開始有所降低; 自1950 AD以來, 各元素比值顯著下降, 尤其是在1980 AD以來下降趨勢明顯, 但儀器記錄的數(shù)據(jù)顯示近四十年來海南年降水量沒有大幅下降的趨勢, 因此推測這一時期各元素比值顯著下降的原因應該與1972年小海潟湖的最大補給徑流太陽河的人工改道有關, 由于徑流補給的大幅度減少使得輸送入湖的碎屑物質大幅下降。

上述分析結果與同處我國熱帶地區(qū)的雷州半島北部湖光巖瑪珥湖沉積記錄、南海西沙群島沉積記錄以及地處西南地區(qū)的瀘沽湖沉積記錄較為一致。Chu et al. (2002)通過對華南熱帶地區(qū)湖光巖沉積物中總有機碳(TOC, total organic carbon)和無機碳(TIC, total inorganic carbon)、生物硅、總氮(TN, total nitrogen)的研究發(fā)現(xiàn), 該地區(qū)在過去1400 a內發(fā)生了兩次干旱事件, 其中一次就發(fā)生在中世紀暖期(880～1260 AD),而在小冰期總體上相對濕潤(圖6g)。Sheng et al. (2015)通過對云南瀘沽湖的粒度和碳氮比等指標的分析研究發(fā)現(xiàn), 該地區(qū)在中世紀暖期總體上較為干旱, 而小冰期氣候相對濕潤。此外, 有研究者(Yan et al., 2011; 孫立廣等, 2012)利用位于南海西沙群島東島牛塘的湖泊沉積物重建了西沙群島海區(qū)近千年的降雨變化, 發(fā)現(xiàn)該海區(qū)在中世紀暖期(1000～1400 AD)和現(xiàn)代溫暖期(1850～2000 AD)降雨較少, 而在小冰期(1400～1850 AD)降雨較多。Yan et al. (2011)利用東、西太平洋地區(qū)多條降雨代用指標序列重建了用來反映SOI變化的替代指標SOIpr(圖6h), 發(fā)現(xiàn)當SOI值為正時西太平洋地區(qū)的降雨增多; 反之, 西太平洋地區(qū)的降雨減少。這與小海潟湖沉積所揭示的海南地區(qū)中世紀暖期的降水較少, 而小冰期降水較多的結論相一致(圖6)。

事實上, 北半球副熱帶高壓與東亞季風受西太平洋暖池的影響, 進而影響著中國華南地區(qū)的溫度與降水(張自銀等, 2009), 而熱帶輻合帶(ITCZ, Intertropical Convergence Zone)被認為是影響東亞季風的重要因素之一。當西太平洋暖池SST較平常低時, 其溫度梯度減弱, 沃克環(huán)流的上升支由印度尼西亞地區(qū)東移至日界線附近, 使Hadley環(huán)流增強, ITCZ輻合帶的位置向赤道推進, 整體向南偏移, 副熱帶高壓的位置也向南偏移, 導致海南地區(qū)的降水增多。當西太平洋暖池SST較平常高時, 沃克環(huán)流減弱, 西太平洋對流活動減弱, 氣流輻合抬升微弱, ITCZ輻合帶不活躍, 海南地區(qū)降水低于正常水平(Chu et al., 2002)。因此, 在西太平洋暖池SST(圖6i)較高的中世紀暖期, 海南地區(qū)降水(圖6a～e)較低; 而西太平洋暖池SST較平常低的小冰期, 海南地區(qū)降水相對較高。Xu et al. (2016)通過季風降水對熱帶太平洋海表溫度變化的響應模型得到的結果也表明, 在熱帶太平洋海表溫度增加時, 海南降水減少; 而熱帶太平洋海表溫度降低時, 海南降水增加。此外, 西太平洋暖池SST高于正常水平時北半球溫度較常年平均水平高, 西太平洋暖池SST低于正常水平時北半球溫度也處于相對低的狀態(tài), 說明西太平洋暖池的海表溫度受到全球氣候變化大背景的影響。從小海潟湖沉積物元素比值與北半球溫度變化的對比可以看出, 近千年來兩者在變化趨勢上具有良好的一致性。因此推測, 若未來北半球溫度持續(xù)升高, 海南地區(qū)降水可能會減少, 將會呈現(xiàn)出與中世紀暖期時氣溫相對偏高而降水較少的相似特征。

4.2 小海潟湖沉積物對歷史時期強臺風活動的指示意義

歷史時期的臺風活動信息不僅存在于歷史文獻的記錄中, 還可以在自然環(huán)境中找到其存在的痕跡。例如, Blumenstock (1958)和McKee (1959)通過對1958年臺風Ophelia襲擊馬紹爾群島造成賈盧伊特環(huán)礁中沉積大量碎石的研究認識到風暴沉積物比在正常環(huán)境條件下形成的沉積物粒徑粗, 對恢復古風暴事件具有重要意義; Woodruff et al. (2009)采集了日本Kamikoshiki島兩個沿海潟湖中的沉積巖心, 以巖心中沉積物的粒度、高Sr含量作為海水入侵的指標, 提取了當?shù)?400 a的古臺風信息; Toomey et al. (2013)根據(jù)在法屬波利尼西亞Tahaa島周圍獲取的潟湖沉積物巖心粗顆粒沉積的特點, 重建了南太平洋地區(qū)5000 a的氣旋發(fā)生歷史。通過梳理歷史時期海南島的自然災害史料記載發(fā)現(xiàn), 近千年來的史料文獻中有大量關于海南地區(qū)“颶風”(也即現(xiàn)代所說的臺風)活動的記錄, 那么這些頻繁發(fā)生的“颶風”是否能在XH15-02孔巖心沉積物中找到蛛絲馬跡？對此, 本文嘗試做了進一步的分析。

為了解各元素比值對歷史時期強臺風活動的響應機制, 需要從各元素在臺風活動發(fā)生時的特性進行探討。臺風登陸時, 由于風力強勁, 東岸沙壩以及湖岸上的泥沙被大量沖刷入湖, 造成沉積物中該時段Si的大量富集, 與此同時導致沉積物Fe與Ti元素含量相對降低, 而Ca因其以海相來源為主, 隨著臺風活動引起的大量海水入湖, 使得Fe/Ca、Ti/Ca比值減少而Si/Al比值增大; 而且, 此時湖水水動力增強, 使得沉積物中砂含量增多, 平均粒徑增大。這一解釋從沉積物Sr/Ba比值的變化中也能夠得到合理的印證。Sr/Ba對于海水鹽度的變化極為敏感, 因而常用來辨別湖水的咸淡(馬俊紅和趙濟, 1992)。Sr在海水中相對富集, 同時也是一個容易隨水遷移的元素(Emmanouilidis et al., 2018), 而Ba則更容易沉淀下來。當?shù)c海水混合時, Ba形成BaSO4沉淀下來, Sr會繼續(xù)遷移, 在海洋中通過生物途徑沉淀下來。因此, 海相沉積物的Sr/Ba值高于淡水沉積物。當臺風移向陸地時, 由于臺風的強風和低氣壓作用, 使海水向海岸方向強力堆積, 潮位猛漲, 海水從小海東北部口門大量涌入, 進而使得沉積物Sr/Ba比值上升。因此, 在強臺風事件發(fā)生時, 小海潟湖沉積的Fe/Ca、Ti/Ca比值減小, 而Si/Al、Sr/Ba比值增大, 與此同時沉積物中的砂含量與沉積物平均粒徑也會增大。

從XH15-02孔巖心地球化學元素比值圖(圖7)中可以看出, Fe/Ca、Ti/Ca變化趨勢非常一致, 而Sr/Ba表現(xiàn)出與它們相反的變化趨勢; Si/Al、砂(>63 μm)含量和平均粒徑表現(xiàn)出相似的變化趨勢。結合圖3和圖7發(fā)現(xiàn), XH15-02巖心中可能記錄了近千年來多次不同尋常的氣候環(huán)境變化事件(記為T1～T8)。以T2事件為例, XH15-02巖心Fe、Ti的元素濃度在1574～1675 AD(對應深度約38～42 cm)期間曾出現(xiàn)較大幅度的波動(圖3), 而同一時期的沉積物粒度(以平均粒徑為代表)也表現(xiàn)出劇烈的變化(變粗), 這意味著該時期小海潟湖的沉積環(huán)境可能發(fā)生了不尋常的變化, 而類似的變化在過去千年中曾發(fā)生過多次(T1～T8; 圖7)。

考慮到海南島歷史上曾頻繁遭強臺風襲擊, 結合上述一些元素的遷移特性以及與有關史料記載進行對比, 推測發(fā)生于1647±30 AD的T2事件可能與史料文獻中的海南島萬寧縣1672 AD的颶風記載有關。與T2事件相類似, 在1957±5 AD、1517±30 AD、1425±30 AD、1135±30 AD、1081±30 AD、1019±30 AD、937±30 AD也可以看到類似的沉積事件(圖7中的T1、T3、T4、T5、T6、T7、T8), 這些事件的共同特征都表現(xiàn)為沉積物中Fe/Ca、Ti/Ca比值突然減少和Sr/Ba比值有所增加, 揭示了陸源碎屑物質的減少與海洋物質的增加, 說明在這些時期發(fā)生了能夠引起海洋來水顯著增加的事件(如臺風活動或海平面升高), 尤其是上述幾個事件的發(fā)生時間與史料文獻記載(陳寒松, 1995)的海南東部多次颶風發(fā)生時間較為接近(圖7)。如1958 AD第23號臺風由萬寧登陸, 引發(fā)大暴雨, 造成洪災, 與本文小海潟湖沉積物中所記錄到的1957±5 AD沉積事件(T1)相近; 史料記載中的1524 AD萬寧縣“颶風雨, 如荊挾風而來, 飄瓦拔木, 壞墻屋, 傷禾稼”、1423 AD海南島“颶風暴雨, 海水涌溢, 淹沒廬舍孶畜, 居民溺死五十二人”、1141 AD儋縣“颶風毀城門公署民舍殆盡”、1082 AD “颶風毀民舍”分別與前述提及的1517±30 AD(T3)、1425±30 AD(T4)、1135±30 AD(T5)、1081±30AD (T6)時期相近。雖然史料中并沒有記載在1019 AD前后發(fā)生過具有破壞性的強颶風, 但孫立廣等 (2007)發(fā)現(xiàn)1024 AD前后西沙群島曾遭受過近千年來最強烈的臺風襲擊事件, 此次臺風活動可能也在小海潟湖沉積中留下了沉積記錄(T7)。此外, 發(fā)生在937±30 AD的沉積事件未從史料中找到相對應的臺風記錄, 推測這可能與事發(fā)年代久遠因而相關記錄不夠完善有關, 對此還有待進一步查證。

圖7 XH15-02孔巖心元素比值、粒度與史料記載的臺風縣次序列對比

5 結 論

通過對海南島東部小海潟湖柱狀巖心(XH15-02)的年代學(210Pb和AMS14C)測定, 構建了一個詳細的潟湖沉積年代層?；诟髂甏鷮拥脑貪舛燃傲６确治? 探討了潟湖沉積物元素及其比值的環(huán)境指示意義以及潟湖沉積物對強臺風活動的響應機制, 得出以下結論:

(1) 小海潟湖沉積物元素及其比值變化能夠反映近千年來海南地區(qū)的降水變化歷史。潟湖沉積物中的Al/Ca、Mg/Ca、K/Ca、Fe/Ca、Ti/Ca比值高低可能與河流水動力強弱有關。當其比值較高時, 說明河流輸送的陸源物質增多, 水動力較強, 認為海南地區(qū)在此時期降水較多, 反之降水較少。在過去的千年中, 海南地區(qū)的降水具有明顯的階段性變化特征, 表現(xiàn)在中世紀暖期(870～1100 AD)降水較少, 而小冰期降水總體上較中世紀暖期偏多, 這可能與熱帶輻合帶的南北移動以及西太平洋暖池海表溫度變化有關。

(2) 結合史料文獻記載的有關“颶風”(臺風)活動, 從小海潟湖沉積物的化學元素及其比值中共識別出近千年來8次較為明顯的強臺風活動事件(時期), 分別發(fā)生在1958 AD、1672 AD、1524 AD、1423 AD、1141 AD、1082 AD、1019±30 AD、 937±30 AD, 表明小海潟湖沉積物元素特征對揭示歷史時期的強臺風活動具有較大潛力。

致謝:華南師范大學地理科學學院魏志強、陳永強、彭建平、趙成龍、游愛華、程嶸等在野外采樣和實驗分析中給予了幫助; 南京大學王先彥教授和蘭州大學李卓侖副教授在評審過程中對本文提出了諸多寶貴的修改意見, 在此一并表示衷心感謝！

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Climate and environmental changes revealed by sedimentary geochemical elements of the Xiaohai Lagoon (Hainan) during the last millennium

SONG Dezhuo, XUE Jibin*, SUN Shengsheng, ZHONG Wei

(School of Geography, South China Normal University, Guangzhou 510631, Guangdong, China)

To better understand the history of climate and environmental changes in Hainan during the last millennium, a sediment core (i.e., core XH15-02) was collected from the Xiaohai Lagoon, east of Hainan Island. The major/trace elements content of the core XH15-02 and their ratios were analyzed, respectively. The sediment chronology was established by210Pb and AMS14C dating methods. The results indicated that the geochemical elements and their ratios (Al/Ca, Mg/Ca, K/Ca, Fe/Ca, Ti/Ca) mainly reflected the rainfall changes in eastern Hainan Island during the last millennium. Specifically, there was less precipitation during the Medieval Warm Period (870 to 1100 AD) in Hainan, while there was more precipitation during the Little Ice Age, which might be related to the north-south movement of the Intertropical Convergence Zone (ITCZ) and changes of the sea surface temperature of the western Pacific warm pool. In addition, based on many written records of "hurricanes" in historical literature, a total of eight severe typhoon events were identified from the sediment records of the Xiaohai Lagoon. This would help forecast the trend of typhoon activities in tropical regions of China, especially under thecurrent background of global warming.

lagoon deposition; geochemical elements; precipitation; paleo-typhoon; Hainan Island

P467; P595

A

0379-1726(2022)02-0202-11

10.19700/j.0379-1726.2022.02.004

2020-05-29;

2020-09-29

國家自然科學基金項目(41671194)資助。

宋德卓(1996–), 女, 碩士研究生, 自然地理學專業(yè)。E-mail: 2018022310@m.scnu.edu.cn

薛積彬(1977–), 男, 教授, 主要從事環(huán)境變化及其區(qū)域響應研究。E-mail: jbxue@scnu.edu.cn