倒數(shù)第三次冰消期氣候變化的石筍多指標(biāo)分析

陳公哲　陳仕濤　劉笑　趙侃　王真軍　張振球　汪永進(jìn)

關(guān)鍵詞 倒三冰消期；石筍；多指標(biāo)；碳同位素；紋層生長(zhǎng)直徑；巖性特征

第一作者簡(jiǎn)介 陳公哲，男，2001年出生，本科，全球變化與區(qū)域響應(yīng)，E-mail： cgznnu@163.com通信作者 陳仕濤，男，教授，全球變化與區(qū)域響應(yīng)，E-mail： chenshitao@njnu.edu.cn

中圖分類號(hào) P532 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

0 引言

晚第四紀(jì)被約100 ka的周期劃分為一系列冰期—間冰期旋回，并被許多氣候記錄所證實(shí)[1?3]。為深入理解氣候旋回中冰期向間冰期轉(zhuǎn)換（簡(jiǎn)稱冰消期）的機(jī)制，需要借助高分辨率氣候信息載體對(duì)各個(gè)冰消期內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入剖析[4]。倒數(shù)第三次冰消期（簡(jiǎn)稱“倒三冰消期”）由于時(shí)段較老、測(cè)年精度與分辨率較低等原因，相對(duì)末次、倒二冰消期而言研究尚不夠充分。湖北省永興洞石筍以可靠的U/Th年齡、清晰的紋層重建了245 ka左右高分辨率δ18O氣候變化序列，在倒三冰消期發(fā)現(xiàn)了類似于末次冰消期的千年弱季風(fēng)事件，簡(jiǎn)稱“類YD事件”[5]。本研究將輔以石筍δ13C、紋層生長(zhǎng)直徑、巖性等多種指標(biāo)，以期進(jìn)一步完善倒三冰消期氣候演變細(xì)節(jié)，揭示完整的環(huán)境演化信息，為氣候機(jī)制探索提供有力支撐。

近年來，石筍δ13C在重建局域生態(tài)環(huán)境演化過程中得到了進(jìn)一步發(fā)展。印度Valmiki洞末次冰消期石筍氧碳同位素比對(duì)表明δ13C能夠反應(yīng)局域植被變化，并與水文氣候條件存在密切聯(lián)系[6]；江西神農(nóng)洞的兩支晚全新世石筍δ13C與微量元素序列表明δ13C主要反映了洞穴上覆植被的變化過程[7]；綜合比對(duì)石筍SN17和JL1的氧碳同位素記錄發(fā)現(xiàn)4.3～3.0 ka厄爾尼諾頻率發(fā)生改變，且δ13C指示的局域環(huán)境可能受水文氣候調(diào)控[8]。仍有諸多研究證明石筍δ13C能夠指示區(qū)域生態(tài)環(huán)境的演化過程，可以作為研究季風(fēng)降水變化的輔助指標(biāo)[9?10]。

石筍紋層由于能夠?yàn)楦蠒r(shí)段的氣候研究給予精確的年代學(xué)支持[11]，同時(shí)還可以提供高分辨率氣候變化信息[12]，因此越來越引起關(guān)注。已有研究表明，石筍紋層作為一種常見的巖溶沉積形態(tài)，能夠響應(yīng)于氣候和環(huán)境的變化[13]。這是因?yàn)?，不同時(shí)期洞穴滴水條件的變化可能使石筍紋層形成明暗交替的沉積韻律[14]。相關(guān)指標(biāo)中，石筍紋層類型[15]、厚度[16]、灰度[17]、沉積學(xué)特征[18]等指標(biāo)已有了初步研究，但有關(guān)石筍紋層生長(zhǎng)直徑的研究卻較少。其實(shí)，F(xiàn)ranke[19]早在1965年就提出，石筍生長(zhǎng)可能與當(dāng)?shù)氐慕邓恐g存在著一定的關(guān)聯(lián)。石筍生長(zhǎng)模擬研究結(jié)果也顯示石筍生長(zhǎng)形態(tài)可能受到洞內(nèi)溫度、滴水速率、CO2等因素的影響[20]。而紋層生長(zhǎng)直徑作為石筍形貌學(xué)上的重要特征，理論上也能夠反映石筍發(fā)育狀況及其與降水的關(guān)系。例如，湖北清江和尚洞HS4石筍頂部35 cm的生長(zhǎng)直徑與研究區(qū)的洪澇頻率存在相關(guān)性[21]，進(jìn)一步說明石筍紋層生長(zhǎng)直徑可以作為降水替代指標(biāo)。

基于此，本文對(duì)一支采自湖北永興洞石筍（編號(hào)：YXB）進(jìn)行碳同位素、石筍紋層生長(zhǎng)直徑和巖性特征分析，重建倒三冰消期亞洲季風(fēng)氣候變化序列，進(jìn)一步豐富和完善對(duì)亞洲季風(fēng)冰消過程特征和機(jī)制的認(rèn)識(shí)。

1 研究區(qū)域、材料與方法

1.1 研究區(qū)域與洞穴概況

永興洞位于湖北神農(nóng)架地區(qū)?？悼h歇馬鎮(zhèn)東10 km 處（圖1a），其經(jīng)緯度為31?35′3.7″ N，111?14′42.3″ E。該地區(qū)屬揚(yáng)子準(zhǔn)地層區(qū)的大巴山—大洪山分區(qū)，以山高、坡陡、谷深為主要特征，石灰?guī)r分布廣泛，山勢(shì)峭拔。該地區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，主要受亞熱帶氣候環(huán)流系統(tǒng)控制，大部分地區(qū)年霜期超過200天，且具高山氣候的特點(diǎn)[22]。

永興洞洞口海拔約800 m，洞穴發(fā)育在奧陶紀(jì)石灰?guī)r地層中，上覆巖層厚約50 m，洞穴上覆植被茂盛，以多年生木本植物（C3）為主。2016年1—9月監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，洞內(nèi)溫度約穩(wěn)定在14.3 ℃，相對(duì)濕度接近100%，洞穴環(huán)境穩(wěn)定[23]。本研究使用的石筍YXB采于II號(hào)洞廳（圖1b）。前期研究已經(jīng)表明石筍生長(zhǎng)所依靠的洞穴滴水直接來自上部地表降水的下滲，無其他外緣水的混入，因此石筍能直接記錄洞穴上部的氣候和生態(tài)環(huán)境信息[24]。

1.2 材料與方法

石筍YXB長(zhǎng)約403 mm，寬約110 mm，呈長(zhǎng)柱狀，外層風(fēng)化狀表皮為淺褐色，似覆蓋一層黏土薄膜。沿石筍生長(zhǎng)軸切開后，發(fā)現(xiàn)石筍距離頂部40～403 mm的部分生長(zhǎng)軸未發(fā)生較大偏移，表明滴水中心基本穩(wěn)定，為本次研究的主要部分。其剖面上可見次毫米級(jí)層厚的紋層，清晰而平直，彎曲弧度小，因而有利于減小在直徑測(cè)定中產(chǎn)生的誤差。

通過進(jìn)一步觀察，石筍YXB 40～403 mm的部分可以再細(xì)分為4 個(gè)小段（圖2）。其中：D 段（40～207 mm）中的石筍紋層生長(zhǎng)直徑明顯較短，且以煙灰色透光紋層為主；B段（256～338 mm）與D段存在較為明顯的差別，主要表現(xiàn)在石筍紋層生長(zhǎng)直徑較長(zhǎng)，發(fā)育大量白色不透光紋層；而C 段（208～255 mm）、A段（339～403 mm）兩段的紋層生長(zhǎng)直徑平均長(zhǎng)度較D段大、但比B段小，煙灰色透光紋層和白色不透光紋層交替出現(xiàn)。

石筍YXB同位素樣品采集與測(cè)試由南京師范大學(xué)洞穴同位素實(shí)驗(yàn)室完成，處理詳情見文獻(xiàn)[5]。石筍紋層生長(zhǎng)直徑的測(cè)定采用Mu?oz-García et al.[25]提出的方法，即利用同一生長(zhǎng)層上的頂面和左右兩邊的破發(fā)點(diǎn)限定碳酸鹽晶體的生長(zhǎng)區(qū)域，從而確定紋層生長(zhǎng)直徑。研究依據(jù)此方法使用游標(biāo)卡尺，對(duì)YXB石筍的紋層生長(zhǎng)直徑進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果保留兩位小數(shù)，分辨率為1 mm，最終共測(cè)得364個(gè)石筍紋層生長(zhǎng)直徑數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果

陳仕濤等[5]以U-Th測(cè)年結(jié)果為框架、紋層統(tǒng)計(jì)結(jié)果為基礎(chǔ)，結(jié)合石筍δ18O建立了倒三冰消期亞洲季風(fēng)年紋層時(shí)標(biāo)。此次研究進(jìn)一步分析δ13C、石筍紋層生長(zhǎng)直徑以及石筍巖性特征變化，并探究它們與δ18O的關(guān)系?？紤]到該石筍頂部可能存在沉積間斷，本文主要對(duì)石筍40～403 mm連續(xù)生長(zhǎng)部分進(jìn)行分析。石筍YXB的δ13C、紋層生長(zhǎng)直徑隨深度變化序列如圖3所示。

2.1 石筍δ13C 序列

整段記錄中石筍δ13C 的變化范圍是-9.83‰～-12.97‰，均值為-11.37‰，振幅為3.14‰?？傮w上，將石筍δ13C與δ18O進(jìn)行比對(duì)，發(fā)現(xiàn)二者相關(guān)性較好，且均表現(xiàn)出逐漸負(fù)偏的趨勢(shì)。從細(xì)節(jié)對(duì)比看，石筍δ13C與δ18O在A、C、D段變化趨勢(shì)比較相似，而在B段存在差異。具體而言，A段δ13C圍繞-10.57‰震蕩，振幅是1.37‰，變化幅度較δ18O??；B段與δ18O正偏并圍繞一個(gè)均值上下波動(dòng)不同，本段δ13C從-10.31‰變化到-12.18‰，持續(xù)負(fù)偏；C段δ13C從-11.46‰負(fù)偏到-12.79‰，變幅為1.33‰，與B段類似，因此從這個(gè)層面上講，δ13C在C和B中可以視為連續(xù)變化的一段；D 段δ13C 圍繞均值-12.17‰ 上下震蕩，變化幅度為1.91‰與A段類似。

2.2 石筍紋層生長(zhǎng)直徑序列和巖性變化

整段記錄中YXB紋層生長(zhǎng)直徑在3.88～8.14 cm內(nèi)變化，均值是5.91 cm，并且其變化與石筍巖性密切相關(guān)，表現(xiàn)為白色不透光層的紋層生長(zhǎng)直徑整體上長(zhǎng)于煙灰色透光層的紋層生長(zhǎng)直徑。相比δ13C，紋層生長(zhǎng)直徑序列與δ18O 變化更相似，即δ18O 負(fù)偏時(shí)，YXB紋層生長(zhǎng)直徑較短，而δ18O正偏時(shí)，YXB紋層生長(zhǎng)直徑相對(duì)較長(zhǎng)。具體而言，A段YXB紋層生長(zhǎng)直徑變化與δ18O、δ13C類似，均值為5.77 cm，對(duì)應(yīng)的巖性變化為一系列的煙灰色的透光層與白色的不透光紋層交替出現(xiàn)；B 段中石筍紋層生長(zhǎng)直徑平均值為7.28 cm，為整個(gè)石筍紋層生長(zhǎng)直徑最長(zhǎng)的部分，變幅為1.86 cm，對(duì)應(yīng)的巖性變化為白色的不透光紋層夾少量的透明層，響應(yīng)δ18O同步變化，而與δ13C相關(guān)性不明顯，表明石筍紋層生長(zhǎng)直徑所傳達(dá)的信號(hào)可能與δ18O存在聯(lián)系；C段紋層生長(zhǎng)直徑變化趨勢(shì)與δ18O、δ13C一致，為轉(zhuǎn)型期，從7.61 cm變小到5.76 cm，其巖性與A段類似，夾雜兩種不同巖性的紋層；D段紋層生長(zhǎng)直徑平均值是5.14 cm，且發(fā)育了大量煙灰色透光紋層，質(zhì)地純凈，是整個(gè)記錄中紋層生長(zhǎng)直徑最短的部分，與紋層生長(zhǎng)直徑較長(zhǎng)、以白色不透光紋層為主的B段形成鮮明對(duì)比，暗示這兩個(gè)階段的石筍生長(zhǎng)狀況存在較大差異。

3 討論

石筍YXB生長(zhǎng)覆蓋時(shí)段為241.00～245.70 ka，大致對(duì)應(yīng)于倒三冰消期。和石筍ZLP2 δ18O記錄的末次冰消期氣候變化過程[26]類似：在北高緯夏季太陽輻射升高的背景下[27]，亞洲季風(fēng)在倒三冰消期的245.70～245.20 ka進(jìn)入一個(gè)季風(fēng)增強(qiáng)階段，相當(dāng)于末次冰消期的BA暖期，這里稱之為類BA暖期；隨著δ18O正偏進(jìn)入明顯的季風(fēng)減弱階段，持續(xù)了1 371±59 a，和末次冰消期的YD事件非常相似，這里稱為類YD事件；之后氣候經(jīng)歷74±4 a轉(zhuǎn)型，δ18O負(fù)偏進(jìn)入MIS 7e階段（圖4）。

3.1 δ13C 對(duì)氣候變化的響應(yīng)

軌道尺度上，石筍YXB的δ18O、δ13C序列呈現(xiàn)大致相同的變化，伴隨北高緯夏季太陽輻射升高，δ13C與δ18O均經(jīng)歷了較為明顯的負(fù)偏，表明δ13C響應(yīng)了倒三冰消期氣候變化。諸多研究表明，石筍δ13C的變化主要反應(yīng)在溫度降水等氣候因子控制下的局域植被、土壤和洞穴環(huán)境的狀況[28?29]。伴隨冰消過程的進(jìn)行，趨于良好的水熱條件有利于C3植物發(fā)育，導(dǎo)致C3/C4植被類型比例增大，進(jìn)而使δ13C負(fù)偏[30]。相比于寒冷干燥的環(huán)境，冰消期中局域植物發(fā)育狀況逐漸變好，密度增大、呼吸作用變強(qiáng)、土壤微生物更加活躍、生產(chǎn)率提高，導(dǎo)致土壤中pCO₂升高[31]，最終使得石筍δ13C偏負(fù)，上述結(jié)果也得到了盤龍洞石筍[32]和現(xiàn)代監(jiān)測(cè)結(jié)果[33]的支持。此外，洞穴環(huán)境也能夠通過PCP作用、洞穴通風(fēng)條件等因素影響石筍δ13C。尤其是在亞洲季風(fēng)較弱、氣候相對(duì)干旱的條件下，裂隙中的巖溶水易達(dá)到飽和，使得CO₂逸出，發(fā)生先期沉淀，導(dǎo)致石筍δ13C增大[34]，這與YXB所記錄冰消期伊始δ13C偏正的結(jié)果是一致的?，F(xiàn)代監(jiān)測(cè)還發(fā)現(xiàn)洞穴通風(fēng)狀況可以通過影響滴水中CO₂溢出速率使δ13C發(fā)生偏移[35]，但永興洞監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示本研究采樣區(qū)的洞穴環(huán)境較為穩(wěn)定[23]，說明YXB的δ13C能夠反應(yīng)較為純凈的環(huán)境演化信號(hào)。上述論述表明在軌道尺度上，YXB δ13C 指示的局域氣候和生態(tài)環(huán)境響應(yīng)了冰消過程。

千年尺度上，發(fā)現(xiàn)石筍YXB的δ13C在倒三冰消期對(duì)δ18O記錄的類YD事件沒有明顯響應(yīng)，而是呈現(xiàn)出持續(xù)負(fù)偏的狀態(tài)?？赡苁怯捎诰钟蛏鷳B(tài)環(huán)境狀況對(duì)千年尺度氣候突變事件響應(yīng)不敏感而導(dǎo)致的。軌道尺度冰期旋回產(chǎn)生的溫濕差異顯著，能夠使赤道太平洋海表溫差高達(dá)5 ℃[36]，尤其在大陸或中高緯地區(qū)溫差甚至更大，極有可能對(duì)生態(tài)環(huán)境狀況造成巨大影響[37]。相對(duì)而言，千年尺度上溫度、降水等氣候要素變幅較小，使得代表局地植被土壤狀況的δ13C指標(biāo)對(duì)氣候的響應(yīng)相對(duì)較弱。例如，同一洞穴石筍YX55記錄的末次冰期中，石筍δ13C雖然響應(yīng)于δ18O指示的H事件和DO旋回，碳同位素的波動(dòng)幅度普遍較小[17]。特別是在YXB記錄的冰消過程中，盡管δ18O顯示在類YD事件內(nèi)東亞季風(fēng)衰弱，但在倒三冰消期內(nèi)北高緯夏季太陽輻射不斷升高[27]、南極Vostok冰芯中記錄的CO₂總量升高[1]等大背景下，局域植被生長(zhǎng)獲得了較好生長(zhǎng)條件的支撐，使得洞穴上方的生態(tài)環(huán)境狀況并沒有發(fā)生顯著改變，最終導(dǎo)致δ13C對(duì)疊加在冰消期內(nèi)的氣候事件的響應(yīng)不明顯。這類δ13C對(duì)突變事件響應(yīng)不明顯或滯后的情況也存在于其他冰消期[26]。此外，熱帶印度洋SST[38]、西太平洋暖池初級(jí)生產(chǎn)力[39]等均對(duì)YD事件沒有明顯響應(yīng)，說明在全球升溫的氣候背景下局域環(huán)境發(fā)生顯著變化的概率降低。

3.2 石筍紋層生長(zhǎng)直徑和巖性特征對(duì)氣候的響應(yīng)

與δ13C對(duì)δ18O的響應(yīng)不同，石筍YXB的紋層生長(zhǎng)直徑不僅在軌道尺度上與δ18O基本一致，而且在千年事件以及一些細(xì)節(jié)上均與δ18O對(duì)應(yīng)良好。對(duì)比石筍YXB的δ18O和紋層生長(zhǎng)直徑序列發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氣溫升高、降水增多時(shí)，石筍YXB的生長(zhǎng)紋層生長(zhǎng)直徑變短，反之亦然。例如，類YD事件的δ18O為整段記錄中最偏正的部分，這一范圍內(nèi)的平均紋層生長(zhǎng)直徑也是整段石筍中最長(zhǎng)的部分，達(dá)7.28 cm。相反，伴隨冰消期結(jié)束，進(jìn)入MIS 7e 階段，δ18O 相比于類YD 期負(fù)偏2.27‰，石筍的平均紋層生長(zhǎng)直徑也隨之減小，僅有5.14 cm，與類YD事件形成了鮮明對(duì)比。上述變化與石筍沉積的機(jī)理有關(guān)。已有研究表明，石筍的沉積經(jīng)歷了氣—水—固三相系統(tǒng)的運(yùn)行過程，CO₂在三相開放系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)相是巖溶作用向溶解或沉積方向進(jìn)行的主要驅(qū)動(dòng)力[15]。而滴水速率、洞穴內(nèi)部pCO₂等要素能夠?qū)O₂的脫氣過程產(chǎn)生顯著影響[40]，進(jìn)而控制碳酸鹽的沉積情況。從永興洞現(xiàn)代監(jiān)測(cè)結(jié)果可以看出，洞穴滴水速率與外部降水量存在密切關(guān)系[23]，故而，石筍YXB的直徑應(yīng)當(dāng)反映了區(qū)域降水量與洞穴沉積環(huán)境的變化。在倒三冰消期中，伴隨亞洲季風(fēng)的增強(qiáng)，降水量顯著增加，導(dǎo)致洞穴滴水速率變快。但過短的滴水間隔可能導(dǎo)致石筍表面水膜中的CO₂沒有足夠時(shí)間釋放，使得碳酸鹽沉積減少[41]、石筍紋層生長(zhǎng)直徑變短，而較為寒冷干燥的類YD事件內(nèi)則恰好反之。此外，當(dāng)水熱條件較好時(shí)，洞穴上覆土壤中微生物活躍，土壤內(nèi)部pCO₂增大[42?43]，雨水將這部分CO₂淋濾進(jìn)巖溶系統(tǒng)[38]，則會(huì)使洞穴內(nèi)部pCO₂升高。而過高的pCO₂并不利于巖溶水中CO₂脫氣，導(dǎo)致石筍生長(zhǎng)受限，類YD事件內(nèi)則反之，這一結(jié)果與石花洞的現(xiàn)代監(jiān)測(cè)結(jié)果一致[44]。這同時(shí)說明，使用石筍紋層生長(zhǎng)直徑作為古氣候替代指標(biāo)時(shí)，需要考慮影響碳酸鹽沉積的各類因素，結(jié)合多指標(biāo)分析方法，綜合討論。

與石筍紋層生長(zhǎng)直徑類似，石筍YXB的巖性也響應(yīng)了倒三冰消期及其中的類YD事件，且在細(xì)節(jié)對(duì)應(yīng)上也有一定可比性。對(duì)比石筍YXB的δ18O序列和巖性發(fā)現(xiàn)，在類YD事件對(duì)應(yīng)范圍中，YXB發(fā)育了大量白色不透光紋層；相反，在較為溫暖濕潤(rùn)MIS 7e對(duì)應(yīng)范圍內(nèi)，YXB發(fā)育了大量煙灰色透光紋層，白色不透光紋層顯著減少；而在二者的過渡時(shí)段范圍內(nèi)，則表現(xiàn)為白色不透光紋層與煙灰色透光紋層交替出現(xiàn)。這一現(xiàn)象與石筍中的雜質(zhì)含量的差異有關(guān)。由于石筍中雜質(zhì)的多少受到不同氣候條件下降水的多寡以及洞穴上覆土壤的發(fā)育程度所制約，所以石筍YXB的巖性變化應(yīng)當(dāng)記錄了區(qū)域古氣候和古環(huán)境演化。降水量能夠通過影響巖溶水的滯留時(shí)間控制雜質(zhì)含量。永興洞現(xiàn)代監(jiān)測(cè)表明[23]，冬季下滲水會(huì)帶來一定量雜質(zhì)，特別在降水較少的條件下，由于地表雨水在土壤帶和滲濾通道滯留時(shí)間較長(zhǎng)[45]，可能夾帶更多雜質(zhì)進(jìn)入石筍，這與YXB記錄的類YD事件類似。汪永進(jìn)等[46]也發(fā)現(xiàn)南京葫蘆洞石筍中乳白色層段對(duì)應(yīng)于氣候條件比較干冷時(shí)期（如YD和H事件）。洞穴上覆土壤發(fā)育程度能夠影響其對(duì)雜質(zhì)的過濾能力，進(jìn)而控制進(jìn)入巖溶系統(tǒng)雜質(zhì)的含量。對(duì)于石筍YXB而言，當(dāng)類YD事件所引起的氣候波動(dòng)干擾超過了土壤所能維持自身穩(wěn)定變化的閾值，可能導(dǎo)致洞穴上覆土壤退化。這時(shí)，石筍母液所攜帶的雜質(zhì)會(huì)直接經(jīng)過巖石孔隙構(gòu)成的滲水通道向下滲透[17]，形成雜質(zhì)含量較高的白色不透光紋層。而MIS 7e內(nèi)水熱條件好，土壤發(fā)育程度高，過濾作用強(qiáng)，能夠進(jìn)入巖溶系統(tǒng)的雜質(zhì)相對(duì)較少，從而形成了石筍YXB的煙灰色透光紋層。此外，YXB的巖性變化對(duì)類YD事件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也進(jìn)行了非常清晰的響應(yīng)，表現(xiàn)為煙灰色透光紋層、白色不透光紋層的沉積旋回，且紋層生長(zhǎng)直徑長(zhǎng)短也有相應(yīng)變化。這一特征在MIS 7e、類BA暖期中也有體現(xiàn)，說明石筍的巖相學(xué)特征能夠記錄同一氣候狀態(tài)下的次一級(jí)變率。

3.3 倒三冰消期季風(fēng)氣候周期分析

為進(jìn)一步研究倒三冰消期內(nèi)部的氣候變率，在對(duì)石筍YXB的δ18O、δ13C與生長(zhǎng)紋層生長(zhǎng)直徑數(shù)據(jù)使用Change Point去趨勢(shì)后，利用Past 3軟件進(jìn)行功率譜分析，結(jié)果顯示石筍YXB的三個(gè)指標(biāo)均存在系列百年、年代際的周期信號(hào)（圖5）。其中，δ13C的周期變化相對(duì)更為明顯，主要有522 a、261 a、130 a、80 a共4個(gè)周期成分超過80% 置信度，與殷自強(qiáng)等[47]采用EMD對(duì)全新世石筍、冰芯δ18O和樹輪Δ14C含量變化進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)的百年尺度周期波動(dòng)具有相似性。上述部分周期也存在于石筍δ18O與生長(zhǎng)紋層生長(zhǎng)直徑中，但其周期信號(hào)不如δ13C分解成果清晰，這可能是由于δ13C所指示的局域土壤、植被生產(chǎn)力放大了初始信號(hào)所導(dǎo)致的[48]，上述結(jié)果同時(shí)說明了δ13C是研究氣候變化對(duì)古生態(tài)影響的有力指標(biāo)。

百年尺度上，522 a周期在石筍YXB的δ13C與生長(zhǎng)紋層生長(zhǎng)直徑中均有體現(xiàn)。曾雅蘭等[49]對(duì)640 ka以來長(zhǎng)時(shí)間序列石筍δ18O進(jìn)行分解，發(fā)現(xiàn)亞洲季風(fēng)中存在500 a的百年尺度變化。Champan et al.[50]使用北大西洋NEAP15k巖心亮度作為北大西洋深層水循環(huán)的指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)其也存在顯著的550 a周期。YXB 的δ18O也有類似的百年尺度變化，這可能是由于北高緯的氣候信號(hào)通過西風(fēng)帶影響東亞季風(fēng)強(qiáng)度，進(jìn)而導(dǎo)致土壤、植被生產(chǎn)力改變所產(chǎn)生的。此外，223 a與139 a、261 a與130 a、145 a周期信號(hào)分別存在于YXB的碳氧同位素和紋層生長(zhǎng)直徑記錄中，分別與太陽活動(dòng)中的205 a與120 a[51?52]、大氣Δ14C序列中的229 a與121 a[53]準(zhǔn)周期對(duì)應(yīng)，說明東亞季風(fēng)、土壤植被和巖溶系統(tǒng)能夠在百年時(shí)間尺度上響應(yīng)于太陽活動(dòng)變化。類似的分解周期也存在于楊少華等[54]基于EEMD分析的全新世石筍氧碳同位素中。

年代際尺度上，YXB的碳氧同位素中存在70～80 a周期，而這一結(jié)果與Huggett[55]于20世紀(jì)提出由于太陽直徑的擴(kuò)張和伸縮變化產(chǎn)生的80～90 a太陽活動(dòng)周期相契合。由于YXB紋層生長(zhǎng)直徑的數(shù)據(jù)測(cè)定密度較氧碳同位素高，分辨率達(dá)14 a，能夠揭示更短尺度的年代際氣候變化，故而分解出56 a、30 a兩個(gè)周期，其中56 a周期與Wang et al.[56]從末次間冰期石筍中分解出的60 a周期極為相似。Nagovisyn[57]認(rèn)為70～80 a、120～130 a是太陽活動(dòng)的主導(dǎo)周期，而模擬結(jié)果顯示太陽活動(dòng)60 a周期較為微弱，可能難以直接對(duì)地球氣候產(chǎn)生顯著影響[58]，但是具有近60年周期的變化特征的AMO（北大西洋多年代際濤動(dòng)）可能通過海氣耦合對(duì)亞洲季風(fēng)產(chǎn)生影響[56]。此外，30 a周期與楊少華等[54]分解出的29 a周期一致，其中可能也存在太陽活動(dòng)、海汽相互作用之間類似的耦合關(guān)系。

4 結(jié)論

通過對(duì)永興洞石筍YXB進(jìn)行δ13C、紋層生長(zhǎng)直徑測(cè)定和巖性分析，并與δ18O 數(shù)據(jù)比對(duì)，得到以下結(jié)論。

（1） 石筍δ13C在整體上與δ18O變化大致相同，說明洞穴上覆生態(tài)環(huán)境在軌道尺度上受控于冰消過程。但δ13C對(duì)δ18O記錄類YD事件幾乎沒有響應(yīng)，可能是由于在冰消期回暖大背景下，局域生態(tài)環(huán)境受氣候事件影響較小所致。

（2） 石筍紋層生長(zhǎng)直徑和巖性變化無論在軌道尺度還是千年尺度上，都與δ18O變化一致。石筍紋層生長(zhǎng)直徑變化與降水密切相關(guān)，因而石筍紋層生長(zhǎng)直徑可能是一個(gè)有效降水的替代指標(biāo)，有望在石筍古氣候的研究中得到應(yīng)用。

（3） 功率譜結(jié)果顯示，石筍YXB 記錄中存在522 a、223～261 a、130～145 a、73～82 a、64 a、30 a等周期分量，與太陽活動(dòng)、海氣相互作用等周期接近，并有可能受到二者耦合的影響。此外，3個(gè)指標(biāo)當(dāng)中δ13C的周期最為顯著，可能是由于局域土壤放大了百年—年代際氣候變率信號(hào)所致。

致謝 感謝審稿專家和編輯部老師對(duì)本文提出的有益修改意見。