福建賴源泥炭記錄的全新世氣候演變序列及區(qū)域對比分析①

張曉君

（福建省閩北地質大隊，福州，350002）

全新世氣候變化與人類社會的發(fā)展有著密切聯(lián)系。近幾十年來，國內外關于全新世氣候的研究主要歸納為2個方面：（1）全新世氣候適宜期又稱大暖期，一般指全新世氣候最為溫暖、濕潤的時期，在低緯的亞非季風區(qū)主要是指有效濕度最大的時期，即夏季風強度最大的時期［1］；（2）全新世快速氣候變化事件是指在溫暖濕潤、相對穩(wěn)定的氣候背景下，全新世仍然存在一系列快速氣候變化事件，即氣候在較短時間內（幾十年甚至更短）變得寒冷或干旱，持續(xù)數(shù)百年后，在短時間內又回到平均狀態(tài)［2］，在低緯的亞非季風區(qū)主要表現(xiàn)為夏季風強度快速變弱導致氣候突然變干，因此又可稱為弱季風事件［3］。我國主要位于亞洲季風區(qū)，大致以105°E經線劃分為南亞季風區(qū)和東亞季風區(qū)，西南部主要受南亞夏季風影響，東部主要受東亞夏季風影響，兩區(qū)之間存在重疊區(qū)域，且氣候變化相位關系存在爭議［4］。福建位于典型的東亞季風區(qū)，是認識和研究全新世東亞夏季風氣候變化過程及其驅動機制的有利地區(qū)［5］。泥炭主要形成于全新世的沼澤環(huán)境中［6］，能敏感響應氣候和環(huán)境變化，其中植物殘體、孢粉、分子化石、同位素組成等歷史遺存物都可用來反映環(huán)境氣候變遷，是良好的全新世氣候變化信息載體。

1 樣品采集及分析

此次選取福建順昌元坑鎮(zhèn)賴源泥炭地作為研究項目，在高精度AMS14C測年構建的年代框架基礎上，根據(jù)正構烷烴、總有機碳同位素（δ13CTOC）、燒失量（LOI）多個指標建立起賴源泥炭的高分辨率古氣候演變序列。

此次樣品采集借助當?shù)匾延忻癫煽悠拭孢M行，采樣深度為90～280cm。自上向下進行等間距刻槽取樣，共獲得連續(xù)樣品60件，用以測試正構烷烴、總有機碳同位素、燒失量等環(huán)境代用指標；并分別于深度93，105，140，176，210，245，280cm處取7件樣品，用于AMS14C測年。

AMS14C測年是委托Beta Analytic Inc.進行的，篩選出90～300μm的泥炭組分后［7］采用加速質譜器測試；正構烷烴、總有機碳同位素、燒失量等指標測試委托中國地質大學（武漢）生物地質與環(huán)境地質國家重點實驗室進行。其中，正構烷烴是將樣品進行萃取、離心、蒸發(fā)、層析等多步分離得到烷烴組分后直接在島津2010GC－FID氣相色譜儀上進行定量測試?？傆袡C碳同位素是采用不泡酸前處理后，在MAT253穩(wěn)定同位素比質譜儀上測試。燒失量是采用燃燒稱重法進行測試。

2 成果分析

2.1 年代標尺

此次研究7件樣品AMS14C測年結果（表1），經校準擬合建立深度－年代模型（圖1），可得賴源泥炭剖面在90～280cm深度對應年代為3.509～7.490cal.ka BP，并計算得其沉積速率平均為0.477mm／a。

圖1 賴源泥炭剖面年代框架Fig.1 Laiyuan peat profile age framework

表1 賴源泥炭剖面測年數(shù)據(jù)Table 1 Laiyuan peat profile dating datas

2.2 正構烷烴的指示意義

正構烷烴是植物脂類的一種［8］，通式為CnH2n＋2，穩(wěn)定的碳碳雙鍵使其能夠以較為完整的原始碳骨架保存在各類沉積物中，因此根據(jù)沉積物中正構烷烴的相關特征可以大致推測其來源的植物類型，從而揭露當?shù)毓艢夂蚝凸怒h(huán)境的演變過程［9］。

一般來說，低等生物（藻類、光合細菌等）來源的正構烷烴碳鏈較短（＜C12），主峰一般出現(xiàn)在C17、C18、C19，不具有奇偶優(yōu)勢；高等植物來源的正構烷烴碳鏈較長，主峰碳數(shù)為C23～C35，而且伴有明顯的奇偶優(yōu)勢，其中，沉水型和浮水型水生植物、泥炭蘚多以C23、C25為主峰，挺水型水生植物、陸地高等植物和其他蘚類植物多以C27、C29、C31為主峰，陸地高等植物中，木本植物多以C29為主峰，草本植物多以C31為主峰［7］。

（1）正構烷烴的平均碳鏈長度ACL＝Σ（n×Cn）／ΣCn。因此，ACL首先可以用來指示來源植被類型。長鏈正構烷烴的ACL值最初被用來反映溫度的變化，一般認為在環(huán)境溫度較高時植物傾向于合成較長鏈的正構烷烴。長鏈正構烷烴ACL還受相對濕度的影響，但響應關系具有較大的不確定性［7］。

（2）Paq指數(shù)最早用來表征湖泊環(huán)境下沉水或浮水植物相對于挺水植物和陸生植物對湖泊有機質的相對貢獻量，后也用來表征泥炭沼澤環(huán)境下泥炭蘚的貢獻量。Paq＝（C23＋C25）／（C23＋C25＋C27＋C29）。一般而言，在湖泊環(huán)境下，當Paq＜0.1時，該沉積體以陸源高等植物輸入為主，水位較低，當0.1＜Paq＜0.4時，以挺水植物輸入為主，水位升高，當Paq＞0.4時，以沉水或浮水植物輸入為主，水位較高。在沼澤環(huán)境下，Paq值較高指示泥炭蘚貢獻多，濕地水位升高，氣候濕潤，反之亦然［9］。

（3）CPI指數(shù)表征正構烷烴的奇偶優(yōu)勢（奇數(shù)碳相對偶數(shù)碳的優(yōu)勢），CPI＝［（C21＋C23＋C25＋C27＋C29＋C31）＋（C23＋C25＋C27＋C29＋C31＋C33）］／［（C22＋C24＋C26＋C28＋C30＋C32）×2］（根據(jù)碳數(shù)分布調整具體公式），同樣的，CPI首先受生物來源影響，高等植物來源的CPI值一般大于4，低等生物來源則一般在1左右。此外，CPI還與微生物降解作用有關，一般認為，在暖濕環(huán)境下，微生物活動增強，正構烷烴降解作用加劇，CPI值降低，反之亦然，但也有一些研究卻得出相反的結論［7］。

2.3 賴源泥炭的正構烷烴特征及其古氣候意義

根據(jù)測試結果，賴源泥炭正構烷烴的含量變化較大，為56.32～1 029.29μg／g，平均為300.95μg／g。碳數(shù)分布范圍為C21～C33，均為中長鏈，并具有明顯的奇偶優(yōu)勢。

主峰碳數(shù)呈雙峰型，長鏈以C29為主峰，中鏈以C25為主峰（圖2－a）。剖面自下向上，主峰碳數(shù)逐漸從C29轉變?yōu)镃25，可具體劃分為3個階段。①280～260cm（7.490～7.014 cal.ka BP）：主峰碳數(shù)以C29為主（圖2－b），根據(jù)野外觀察，泥炭剖面下部發(fā)育有豐富的木本植物殘體，因此認為此處C29主要貢獻自木本植物，但也不排除有挺水植物的貢獻，此外，福建屏南仙山和天湖山濕地現(xiàn)代植物的正構烷烴分析表明，禾本科密花拂子茅和莎草科細輻射枝藨草的地下部分、百合科萱草和禾本科糠稷的地上部分主峰碳數(shù)亦為C29［7］，因此也不排除此處有它們的貢獻。②260～212cm（7.014～6.340cal.ka BP）：主峰碳數(shù)同時以C29、C25為主（圖2－c）。③212～90cm（6.340～3.509cal.ka BP）：主峰碳數(shù)以C25為主（圖2－d），通過野外初步鑒定，賴源泥炭中的植物殘體以莎草科的苔草等為主，并未發(fā)現(xiàn)泥炭蘚，因此認為此處的C25主要貢獻自沉水／浮水植物。此外，福建屏南仙山和天湖山濕地現(xiàn)代植物的正構烷烴分析表明，萱草的地下部分主峰碳數(shù)亦為C25，因此也不排除此處有萱草的貢獻，但萱草是百合科植物，應該不是主要的貢獻者。

圖2 賴源泥炭正構烷烴碳數(shù)分布圖Fig.2 Distribution map of the carbon number of Laiyuan peat normal alkanes

ACL值較大，變化幅度較小，為26.31～28.75，平均為27.39。賴源泥炭剖面自下向上，ACL值呈微下降趨勢（圖3－a），指示碳鏈長度逐漸變短，推測植物來源逐漸從陸地高等植物為主轉變?yōu)樗参餅橹?。在此期間，ACL值于7.2cal.ka BP、6.5～6.3cal.ka BP、4.8cal.ka BP、4.0cal.ka BP時發(fā)生突然增大。

Paq值整體較大，變化幅度較大，為0.26～0.83，平均為0.51。賴源泥炭剖面自下向上，Paq值逐漸增大（6.3cal.ka BP后達0.4以上，圖3－b），指示沉水／浮水植物輸入比例逐漸升高，水位逐漸上升。期間，Paq于7.2cal.ka BP、6.5～6.3cal.ka BP、4.8cal.ka BP、4.0cal.ka BP時發(fā)生突然下降。

CPI值整體較小，變化幅度較大，為2.12～7.78，平均為3.71。賴源泥炭剖面自下向上，CPI值逐漸降低（6.3cal.ka BP后降至4以下，圖3－c），一方面可能是因為植物來源逐漸從陸地高等植物為主轉變?yōu)樗参餅橹?，另一方面可能是因為氣候越來越暖濕，微生物活動增強，正構烷烴降解作用加劇，導致CPI值降低。在此期間，CPI于7.2cal.ka BP、6.5～6.3cal.ka BP時發(fā)生突然增大。

綜上所述，大致以6.3cal.ka BP為界，賴源泥炭植被來源逐漸從陸地木本植物為主變成沉水／浮水植物為主，說明沼澤濕地的水位逐漸升高成為淺水湖泊環(huán)境，6.3cal.ka BP之后泥炭沉積速率顯著變慢也佐證了這一點，可見當?shù)貧夂蛟絹碓綕駶櫍ㄑ芯繀^(qū)在新構造單元上隸屬于建陽—連城斷陷上升區(qū)之閩西北整體上升亞區(qū)，新構造運動以穩(wěn)定的整體間歇性上升為主，差異活動不明顯［10］，且經野外調查，研究區(qū)確未發(fā)育任何喜山期活動斷裂，因此可以認為此處沉積環(huán)境的變化不太可能是由地質作用或地形變化導致）。期間可能分別于7.2cal.ka BP、6.5～6.3cal.ka BP、4.8cal.ka BP、4.0cal.ka BP發(fā)生4次快速氣候變化事件（即氣候突然變干旱）。

2.4 總有機碳同位素特征及其古氣候意義

總有機碳主要來源于泥炭中的有機質，一般是通過光合作用，把CO2、H2O合成碳水化合物存儲在植物組織內形成的，其中的穩(wěn)定碳同位素（δ13CTOC）不發(fā)生衰變，含量比較穩(wěn)定。因此其可助于我們了解古植物的光合作用途徑、利用碳源以及環(huán)境變遷等［11］。

（1）光合途徑：C3植物包括所有木本、大部分灌木和部分喜濕涼的草本，也包括泥炭蘚，生活在低溫、潮濕、大氣CO2濃度高的氣候帶（如溫帶、寒帶），其δ13C值較偏負，為－34‰～－22‰；C4植物多為耐旱的莎草科、禾本科和小部分灌木，生活在高溫、干旱、大氣CO2濃度低的氣候（如熱帶、亞熱帶），其δ13C值較偏正，為－19‰～－9‰；CAM植物多為耐極干旱的肉質植物，生活在熱帶和干旱地區(qū)，如沙漠，其δ13C值變化范圍很寬，為－30‰～－10‰，幾乎覆蓋了C3、C4植物的δ13C范圍［12］。

（2）利用碳源：陸地高等植物、挺水型和浮水型水生植物、泥炭蘚一般通過C3植物途徑利用大氣中的CO2（較輕）作為碳源進行光合作用，δ13C值較偏負，為－34‰～－22‰［13］，其中，泥炭蘚有時也會利用與其共生的嗜甲烷細菌產生的CO2（δ13C值為－60‰～－40‰，較輕）作為碳源進行光合作用，δ13C值較偏負［14］；沉水型水生植物利用水中溶解的HCO3－（較重）作為碳源，δ13C值較偏正，為－20‰～－12‰。

（3）濕度：陸地高等植物的δ13C值一般與濕度呈負相關，當環(huán)境較濕潤時，葉片會打開氣孔，吸收更多的CO2，增加細胞內部CO2分壓，造成偏負的δ13C值，反之亦然；挺水型和浮水型水生植物的δ13C值一般與濕度呈正相關，當植株處于水分過飽和狀態(tài)時，光合細胞上的水膜阻止了CO2的吸入，造成偏正的δ13C值，反之亦然；泥炭蘚（非維管束植物）的δ13C值與濕度的相關性較復雜，當濕地水位上升時，一方面，植物處于水分過飽和狀態(tài)，光合細胞上的水膜阻止了CO2吸入，造成偏正的δ13C值，另一方面，泥炭地表層濕度較高時，會產生更多嗜甲烷細菌釋放的CO2（較輕）供泥炭蘚利用，造成偏負的δ13C值［14］。

（4）溫度：溫度對植物δ13C的影響機制較復雜，主要通過改變植物酶的活性、氣孔開閉度、葉片溫度等來實現(xiàn)對光合速率的影響，要在能夠排除其它環(huán)境因素干擾的情況下，才能討論它們之間的關系。

根據(jù)測試結果，賴源泥炭的δ13CTOC值變化范圍較小，總體較偏負，為－31.07‰～－27.35‰，平均為－29.80‰，指示其主要植物來源均為C3植物，可能為陸地高等植物、挺水型和浮水型水生植物或泥炭蘚，結合野外觀察以及正構烷烴特征，應主要為陸地木本植物和浮水植物。δ13CTOC值總體呈先下降后上升的變化（圖3－d）。①280～260cm（7.490～7.014 cal.ka BP）：δ13CTOC值呈微下降趨勢，根據(jù)恢復的古植被類型，這期間以陸地木本植物為主，陸地高等植物的δ13C值一般與濕度呈負相關，因此這期間δ13CTOC值的下降可能指示氣候越來越濕潤。②260～90cm（7.014～3.509cal.ka BP）：δ13CTOC值總體呈上升趨勢，結合恢復的古植被類型，該期間以浮水植物為主，浮水型水生植物的δ13C值一般與濕度呈正相關，因此這期間δ13CTOC值的上升也指示氣候越來越濕潤。δ13CTOC值于6.5～6.3cal.ka BP、4.8～4.7cal.ka BP、4.0cal.ka BP發(fā)生突然增大，可能指示3次快速氣候變化事件。研究發(fā)現(xiàn)δ13CTOC指標與正構烷烴指標恢復的古植被類型及古氣候演變情況較為統(tǒng)一，可以互相印證和補充。

2.5 燒失量特征及其古氣候意義

泥炭燒失量（LOI）主要包括有機質和結合水2部分，可以用來表征有機質含量［15］。泥炭中有機質的累積狀況，一方面取決于植物體的生產量，另一方面取決于植物殘體的保存條件，因此能夠間接反映過去的氣候和環(huán)境［16］。一般情況下，氣候濕潤時，植物生長茂盛，可以提供豐富的有機質來源，同時濕地水位較高，易形成還原環(huán)境，植物殘體不易被微生物分解，容易保存和積累，因此LOI含量高；反之亦然［17］。另外，有研究指出LOI也可以顯示異常的突變性氣候事件和指示泥炭發(fā)育階段［18］。

根據(jù)測試結果，賴源泥炭的LOI含量總體較高，平均為86.67%，變化范圍較大，為59.58%～95.62%。無明顯升降變化趨勢，僅分別于7.1～7.0cal.ka BP、5.8～5.3cal.ka BP、4.9～4.7cal.ka BP時發(fā)生快速下降（圖3－e），可能指示了3次快速氣候變化事件（即氣候突然變干旱）。

圖3 賴源泥炭重要指標對比圖Fig.3 Comparison chart of Laiyuan peat important indicators

2.6 構建賴源地區(qū)全新世氣候環(huán)境演變序列

賴源地區(qū)在7.490～3.509cal.ka BP期間的氣候總體越來越濕潤，以6.3cal.ka BP為界，植被類型從以陸地木本植物為主逐漸轉變?yōu)橐愿∷参餅橹?，沉積環(huán)境從沼澤逐漸轉變?yōu)闇\水湖泊，因此認為當?shù)厝率罋夂蜻m宜期（夏季風強度最大的時期）為6.3～3.5 cal.ka BP。期間可能于7.2～7.0cal.ka BP、6.5～6.3cal.ka BP、5.8～5.2cal.ka BP、4.8～4.6cal.ka BP、4.0cal.ka BP發(fā)生5次百年尺度的快速氣候變化事件（弱季風事件）。

3 福建區(qū)域對比分析

福建境內全新世（尤其是涉及7.490～3.509cal.ka BP期間）氣候演變研究成果主要有屏南天湖山［19－20］、水竹洋以及德化戴云山［21］等地泥炭，龍巖仙云洞石筍［22］，福州盆地沉積［23］等，全新世氣候適宜期研究成果對比（圖4）。

圖4 福建全新世氣候研究成果對比Fig.4 Comparison of the Holocene climate research results in Fujian province

經對比，賴源泥炭記錄的全新世氣候適宜期為6.3～3.5cal.ka BP，與仙云洞石筍δ18O、福州盆地沉積磁學的分析結果較為一致；記錄的快速氣候變化事件中，7.2～7.0ka事件可與天湖山泥炭腐殖化度記錄的7.2ka事件對應，5.8～5.2ka事件可與仙云洞石筍δ18O記錄的5.5ka事件對應，4.0ka事件可與天湖山泥炭腐殖化度、仙云洞石筍δ18O記錄的4.3ka事件對應。綜上所述，福建境內全新世氣候變化研究成果比較統(tǒng)一，均認為從早全新世至晚全新世氣候總體呈干→濕→干趨勢變化，只是對全新世氣候適宜期的具體界定有所偏差；此外，省內關于全新世快速氣候變化事件的記錄較少。

4 中國季風區(qū)區(qū)域對比分析

此次研究選取了我國東北地區(qū)的吉林孤山屯、中部地區(qū)的湖北大九湖［24－25］、東南地區(qū)的福建賴源以及西南地區(qū)的四川紅原［26］等4處泥炭記錄進行對比；另引用了中部地區(qū)的湖北三寶洞［27］、東南地區(qū)的福建仙云洞、西南地區(qū)的貴州董哥洞［28］等3處石筍δ18O記錄以及東北地區(qū)的天池湖泊孢粉記錄［29］，作進一步佐證。氣候研究點位置分布（圖5），中國季風區(qū)全新世氣候適宜期研究成果對比（圖6）。

圖5 中國季風區(qū)全新世氣候研究點位置圖Fig.5 Location map of Holocene climate research points in China monsoon region

圖6 中國季風區(qū)全新世氣候研究成果對比Fig.6 Comparison of Holocene climate research results in China monsoon region

經對比，東南地區(qū)的賴源、仙云洞和東北地區(qū)的孤山屯、天池湖等地記錄的全新世適宜期較一致，大致為7～3cal.ka BP；西南地區(qū)的紅原、董哥洞和中部地區(qū)的大九湖、三寶洞等地記錄的全新世氣候適宜期較一致，大致為9.5～7cal.ka BP?？梢酝茢嘣诋敃r，東南地區(qū)和東北地區(qū)均位于東亞季風區(qū)，西南地區(qū)和中部地區(qū)均位于南亞季風區(qū)，而東亞夏季風和南亞夏季風呈反相位關系，前者在7～3cal.ka BP期間最強盛，后者在9.5～7cal.ka BP期間最強盛。與現(xiàn)代季風影響范圍相比，當時南亞夏季風在中國的影響范圍更為深入廣闊，向東至少可延伸至110°E經線。

5 賴源泥炭對全球性氣候事件的響應

賴源泥炭記錄了當?shù)?.490～3.509cal.ka BP期間的氣候在總體濕潤的背景下，分別于7.2～7.0cal.ka BP、6.5～6.3cal.ka BP、5.8～5.2cal.ka BP、4.8～4.6cal.ka BP、4.0cal.ka BP發(fā)生5次快速氣候變化事件（弱季風事件）。經對比，這些事件大部分可與其他地區(qū)（甚至全球范圍）研究成果記錄的快速氣候變化事件相對應（圖7）。

圖7 賴源泥炭記錄的干事件與其他地區(qū)干冷事件對比圖Fig.7 Comparison diagram of the Laiyuan peat recorded dry events with the dry and cold events in other regions

（1）5.8～5.2cal.ka BP和4.0cal.ka BP事件：可分別與北大西洋浮冰事件［30］中的5.9ka、4.2ka事件對應（稍滯后），揭露該時期低緯地區(qū)東亞夏季風的強度變化與高緯地區(qū)的北大西洋存在遙相關關系。推測在北大西洋冰漂碎屑事件中，大量浮冰的注入可能改變北大西洋鹽度，從而減弱大西洋經向翻轉環(huán)流，通過海－氣循環(huán)進一步影響東亞季風區(qū)［31］。

（2）7.2～7.0cal.ka BP事件：可與東南地區(qū)的福建天湖山泥炭腐殖化度、廣東瑪爾湖沉積物干密度［32］以及西南地區(qū)的貴州草海泥炭纖維素δ13C［33］、云南洱海沉積δ13C［34］記錄的7.2ka干冷事件對應。此外，也可與Duplessy等在巴倫支海北部近80°N發(fā)現(xiàn)的7.2ka冷事件［35］對應?？梢?.2ka事件不僅在中國季風區(qū)具有區(qū)域性，也有一定全球性。

（3）6.5～6.3cal.ka BP事件：可與福建水竹洋泥炭利用支鏈型甘油二烷基甘油四醚重建溫度記錄的6.3ka冷事件［36］對應，可見6.3ka事件在中國東南季風區(qū)具有一定區(qū)域性。

（4）4.8～4.6cal.ka BP事件：暫未在其他全新世氣候研究成果中見到相同時期的干冷事件記錄，這有可能是受局地小氣候的影響造成的，有待更深入的研究。

賴源泥炭對全球氣候變化響應敏感，其記錄的快速氣候變化事件既有全球性（7.2～7.0 cal.ka BP、5.8～5.2cal.ka BP和4.0cal.ka BP事件），又有區(qū)域性（6.5～6.3cal.ka BP事件），也有其特殊性（4.8～4.6cal.ka BP事件）。

本次研究工作得到中國地質大學（武漢）黃咸雨教授的悉心指導，相關環(huán)境指標的測試主要由中國地質大學（武漢）生物地質與環(huán)境地質國家重點實驗室完成，在此一并致謝！