2018, Vol.38
2 河北省环境演变与生态建设重点实验室, 河北 石家庄 050024;
3 河北省科学院地理科学研究所, 河北 石家庄 050011;
4 河北省地理信息开发应用工程技术研究中心, 河北 石家庄 050011)
近年来，全球变暖使得极端气候事件频发，对人类社会的生产和生活产生巨大影响。全新世是距离现在最近的地质时期，其气候变化研究是理解现代气候变化机制的关键和预测未来气候变化趋势的依据，也是过去全球气候变化(PAGES)的重要内容之一[1~2]。但不同地区全新世气候变化既有一致性也存在差异性，而对这种差异性的解释则是各不相同。华北平原地处中纬度温带区域，是东亚地区人口最为密集的地区之一，同时也是地质历史时期环境变化的敏感地带[3]。气候变化是制约人类生存和发展的重要因素之一，开展全新世环境变化研究，揭示全新世气候变化特点及其规律对认识和理解华北地区、中国乃至全球尺度下的气候变化特点，预测未来发展趋势，制定相关政策法规等至关重要，是华北地区重要的研究课题之一。但受研究材料等多种因素影响，华北平原高分辨率的全新世环境变化研究还很少。白洋淀是华北平原最大的淡水湖泊，湖泊沉积具有沉积记录连续、高分辨率、信息丰富、沉积速率大等优点[4]，是进行全新世气候演变的重要载体之一。
近30年，已有不少学者对白洋淀的成因、湖泊演化等进行了研究，并发表了关于白洋淀全新世古环境变化的诸多论文[5~9]，例如，何乃华和朱宣清[5]将白洋淀全新世的气候变化分为温凉稍湿(11000~7500 cal.a B.P.)—转暖(7500~2500 cal.a B.P.)—干凉(2500 cal. a B.P.以来)3个阶段；许清海等[6]根据该地区孢粉组合情况，联系白洋淀全新世的植被和气候，认为白洋淀地区全新世的气候经历了偏凉偏干(9000~7500 cal. a B.P.)—温暖湿润(7500~3000 cal. a B.P.)—温凉偏干(3000 cal. a B.P.以来)演变模式，并指出白洋淀是在距今7600年的中全新世形成，白洋淀的存在与消亡，与自然环境和人类活动有着紧密的联系；段宏振[7]认为白洋淀早全新世(11000~8000 cal.a B.P.)气候温和稍湿，中全新世(8000~2500 cal.a B.P.)温暖湿润；杨慧君等[8]运用AMS-14C测年、粒度和磁化率将白洋淀地区全新世以来的气候演变划分为转向暖湿(10700~8600 cal.a B.P.)—变干变冷(8600~ 7200 cal.a B.P.)—温暖湿润(7200~3200 cal.a B.P.)—暖湿为主(3200~1300 cal. a B.P.)—变冷变干(1300 cal. a B.P.至今)5个阶段；易先进[9]指出华北平原在全新世9500~9050 cal.a B.P.、8110~7240 cal.a B.P.和5670~3300 cal. a B.P.经历了3次湖泊扩张。
但已有研究多偏重在白洋淀地区全新世长时间尺度的环境变化研究，而且分辨率普遍较低，很少有学者关注白洋淀地区短时间尺度的极端气候事件。而极端气候事件对预测未来环境变化的意义更为重大。本文拟在AMS-14C测年的基础上，通过白洋淀东垒头砖厂剖面189个样品高分辨率的地球化学元素分析并结合粒度、磁化率分析，探讨河北白洋淀地区全新世以来的环境变化历史和重要的古气候事件及形成机理，以期为未来环境和气候变化提供科学依据。
1 研究区域概况白洋淀位于河北省中部，太行山东麓，北纬38°43′~39°02′，东经115°38′~116°07′，由清河上游各支流形成的洪积-冲积扇前缘汇水而成，汇集了白沟引河、潴龙河、唐河、孝义河、府河、漕河、瀑河、平河8条支流，共有烧车淀、腰葫芦淀、马棚淀等143个大小不等的淀泊，是华北平原最大的淡水湖泊[10]，也是河北第一大内陆湖。该区区域构造属于中朝准地台，构造体系属于新华夏构造体系的最发育地区[5]。气候属温带季风气候，受夏季风和冬季风的影响，降水和气温四季分明，年降水量350~770 mm且主要集中在夏季，年平均气温在7.3~12.7 ℃之间[8~9]。该地区植被以暖温带落叶阔叶林为主，原始植被破坏殆尽，现多为人工栽培的杨、柳、槐、榆、臭椿和谷物等[6, 11]。
2 样品采集与研究方法 2.1 样品采集采样点位于河北安新县西南方向的东垒头砖厂(38°52′27.764″N，115°53′45.789″E；海拔29 m)，具体位置如图 1所示。该剖面野外观察发现，全新世地层多为灰绿色粘土，有多层贝壳，水平层理发育，而且延伸较远，认定为湖相的连续沉积。
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图 1 白洋淀及采样位置图(改自郭书元等[12]) Fig. 1 Location of Baiyangdian Lake and the sampling site, modified from Guo et al.[12] |
样品采集从地表以2 cm为间距自上而下连续采样(在地层变化明显处以1 cm或3 cm为间距连续采样)，0~42 cm为地表土壤，受现代人类活动影响较大，故这部分不做研究。此次样品从地下42 cm起采样，到地下424 cm，共382 cm；样品从BD-22开始编号，到BD-210，共计189个样品。
2.2 样品的分析测试 2.2.1 年代测定在岩性、岩相变化显著的沉积段选取8个含植物残体、贝壳等样品进行AMS-14C测年，分别位于130 cm、173 cm、217 cm、254 cm、274 cm、328 cm、338 cm和392 cm处。测年在美国Beta实验室完成，测年数据采用Calib Rev 5.0.1计算机程序软件进行校准[13]。测年样品及其结果详见表 1及图 2。
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表 1 白洋淀东垒头砖场剖面AMS-14C测年数据 Table 1 Results of AMS-14C dating in the Dongleitou profile |
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图 2 东垒头剖面深度、岩性及年代 Fig. 2 Lithology and depth-age model of the Dongleitou profile |
根据测年数据、沉积速率并按照内插法和外推法可以算出BD-22到BD-210之间每个样品的年龄。该剖面最顶部(42 cm)的年龄为1035 cal. a B.P.，最底部(424 cm)的年龄为11335 cal. a B.P.。
将东垒头剖面年龄与深度之间的线性关系延伸至地层表面(0 cm)，计算出0 cm的沉积年龄为35 cal. a B.P.，因此该剖面老碳效应可以忽略不计。
2.2.2 地球化学元素测试方法自BD-22起，每隔3个样品取一个做元素分析，共计63个样品。元素分析是在南京师范大学环境演变与生态建设重点实验室完成。实验如下：将自然风干的样品磨至200目以下，称4 g左右的样品，加入适量的氢氟酸，然后使用荷兰飞利浦公司生产的Magix PW 2403型X-射线荧光光谱仪对处理过的样品进行常量元素Fe、Mg、Na、Si、Br、Ba等26个元素的含量测定，结果以氧化物的形式给出[14]。为了减小误差，对样品的检测至少进行3遍。
2.2.3 粒度测试方法将1 g烘干的样品放于50 ml的试管内，加10 ml浓度为30 %的双氧水充分反应后静置24 h，加蒸馏水离心倒掉试管中的液体，加浓度为30 %的盐酸10 ml，使其充分反应后静置24 h，然后洗至中性，最后加入配置的浓度为30 %的六偏磷酸钠((NaPO3)6)溶液分散剂[15]，并使用振荡仪使分散剂达到最好效果。粒度分析则采用英国Malvern公司生产的Malvern-3000激光粒度分析仪进行沉积物粒度测试。其遮光度在12 % ~15 %之间，经过3次测量取平均值以减小误差。
2.2.4 磁化率测试方法样品首先在48 ℃的烘箱内烘48 h，然后磨碎，放入2 cm×2 cm的量测盒中，压紧，密封，称重，之后即可进行测试[16]。本研究使用的是捷克AGICO公司生产的MFK卡帕桥磁化率仪进行质量磁化率的高频(15616 HZ)和低频(976 HZ)测试。
3 研究结果 3.1 地球化学元素分析根据CaO/MgO比值、干旱指数、(CaO+K2O+Na2O)/Al2O3比值、CaCO3含量、CIA值、Ti含量6个地球化学元素指标分析，将剖面自下而上分为4带(图 3)，具体如下：
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图 3 东垒头剖面地球化学元素分析 Fig. 3 Geochemical Elements of Dongleitou profile |
带1(424~391 cm，11335~10300 cal. a B.P.)：CaO/MgO比值多高于4.8，(CaO+K2O+Na2O)/Al2O3比值多高于1.3，CaCO3含量多高于12 %，均为剖面的最高值；干旱指数多高于0.017，平均达0.019，为剖面的次高值；CIA值多低于45，平均达43.83；Ti含量多低于0.38 %，平均达0.36 %，均为剖面的最低值。
带2(391~339 cm，10300~8500 cal. a B.P.)：与带1相比，CaO/MgO比值、干旱指数、(CaO+K2O+Na2O)/Al2O3比值、CaCO3含量呈现明显的下降趋势；其中CaO/MgO比值从4.8降至多低于0.58，(CaO+K2O+Na2O)/Al2O3比值多低于0.4，均为剖面的最小值，干旱指数下降至0.015；CIA和Ti含量上升趋势明显，CIA值多高于70，为剖面的最大值，Ti含量平均达0.43 %。
带3(339~165 cm，8500~4200 cal. a B.P.)：各化学元素指标波动较大，总体来说，CaO/MgO比值、干旱指数、(CaO+K2O+Na2O)/Al2O3比值较带2略微上升，CIA值和CaCO3含量略微下降，Ti含量明显增加。具体可以分为两个亚带：
带3-1(339~218 cm，8500~6000 cal. a B. P.)：CaO/MgO比值多低于1.2，为剖面次低值；干旱指数多低于0.019，平均达0.014，为剖面的最低值；(CaO+K2O+Na2O)/Al2O3比值多低于0.50；CIA值多高于65，为剖面次高值；Ti含量多在0.44 %以上，为剖面次高值；CaCO3含量多在7 %以下。
带3-2(218~165 cm，6000~4200 cal. a B. P.)：CaO/MgO比值较带3-1略微上升，干旱指数上升明显，平均达0.020，在4500 cal. a B. P.处为剖面的最高值；(CaO+K2O+Na2O)/Al2O3比值略微上升，平均达0.56，为剖面的次低值；Ti含量上升，平均达0.46 %，为剖面的最高值；CIA值略有下降；CaCO3含量明显下降至3.14 %，为剖面的最低值。
带4(165~42 cm，4200~1035 cal. a B.P.)：CaO/MgO比值、(CaO+K2O+Na2O)/Al2O3比值、CaCO3含量明显上升；相对于带3-2，干旱指数、CIA值和Ti含量均有不同程度下降，但在2800 cal. a B. P.处干旱指数出现高峰值。
3.2 磁化率分析与粒度分析根据剖面沉积物的粒度和磁化率组合变化特征，将其自下而上分为4带(如图 4所示)。
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图 4 东垒头剖面粒度和磁化率曲线图 Fig. 4 Grain size and magnetic susceptibility curve of Dongleitou profile |
带1(424~391 cm，11335~10300 cal. a B.P.)：该阶段粘土含量平均达17.10 %，为剖面最小值；粉砂含量多高于68 %，平均约为69.04 %；砂的含量多高于10 %，平均达13.86 %，为剖面最高值；中值粒径多在14~25 μm之间，平均约为21.59 μm，为剖面最高值，低频磁化率低于10×10-8 m3/kg，多在7×10-8~9×10-8 m3/kg之间，为剖面最低值。
带2(391~339 cm，10300~8500 cal. a B.P.)：粘土含量增加明显，平均达28.82 %，为剖面次高值；粉砂和砂的含量略微减少，平均约为64.12 %和7.06 %；中值粒径下降明显，多在9~13 μm，低频磁化率略微上升，多在10×10-8~14×10-8 m3/kg之间。
带3(339~165 cm，8500~4200 cal. a B.P.)：总体上，粘土含量明显减少，粉砂和砂的含量增加明显，中值粒径略有增加，多在10 μm以上，低频磁化率多在15×10-8 m3/kg以下，与中值粒径形成较好的负相关关系。该带又可以分为两个亚带：
带3-1(339~218 cm，8500~6000 cal. a B. P.)：粘土含量明显下降，多在25 %以下，平均达21.38 %；粉砂含量和砂含量均有不同程度增加，粉砂含量多高于65 %，平均达69.87 %，为剖面次高值，砂含量多在7 %以上，为剖面次高值；中值粒径略有上升，多在10~25 μm之间，低频磁化率略有减小。
带3-2(218~165 cm，6000~4200 cal. a B. P.)：粘土含量进一步下降，多在20 %以下，为剖面次低值；砂的含量明显减少，砂含量多低于5 %，为剖面次低值；粉砂含量进一步增加且增加明显，含量多高于70 %，为剖面最高值；低频磁化率略微增加，中值粒径略有减小。
带4(165~42 cm，4200~1035 cal. a B.P.)：粘土含量呈下降趋势，但与带3相比含量增加，含量多高于30 %，平均达34.6 %，为剖面最高值；粉砂和砂的含量明显减少，粉砂含量多低于65 %，砂含量多低于2 %，均为剖面最低值；低频磁化率值明显增大，多高于20×10-8 m3/kg，是整个剖面的最大值；中值粒径明显减小，多低于10 μm。
4 讨论 4.1 各环境代用指标的指示意义地球化学元素是研究环境演变的重要替代性指标之一，各化学元素的含量、比值变化等，可以定量反映气候的冷暖干湿，揭示古气候的变化规律[14]；而且地化指标相关研究具有一定的理论基础，因此，地球化学元素分析方法越多地被运用到古气候与古环境的重建工作中去[17~18]。在淡水湖中，CaO/MgO比值可以用来反映湖泊内自生碳酸钙的含量，其低值表明湖泊内自生碳酸钙含量较低，湖泊水位高，有效降水增加，气候较为湿润[14]。湖泊CaCO3含量的波动反映流域降水和蒸发的比率或流域的有效湿度，气候干旱，蒸发强烈，沉积物中CaCO3含量高，因此湖泊CaCO3含量高值对应降水少的干旱期，而低值对应降水多的湿润期[19~21]。K、Na、Ca、Mg等属于干旱气候型元素，在干旱条件下趋于集中，湿润条件下趋于分散；而Fe、Mn等属于湿润气候型元素，在湿润气候条件下趋于集中，在干旱条件下趋于分散[22]。两者的比值可以反映气候的干湿，通常用干旱指数用(K+Na+Ca+Mg)/(Fe+Mn)比值来表示，比值反映了干旱气候型元素与湿润气候型元素之间的关系[14]，干旱指数越大代表气候越干旱，反之比值越小气候越湿润。化学风化指数(CIA)可以定量地反映沉积物的化学风化强度，计算方法为：CIA=[Al2O3/(Al2O3+CaO+Na2O+K2O)]×100，通常情况下，温度高、湿度大有利于岩石风化，故CIA值高；反之，温度低、湿度小则不利于岩石风化，CIA值则低[23]。Ca、K2O和Na2O的化学性质活泼，容易发生淋溶和集聚，而Al2O3的化学性质相对稳定，因此(CaO+K2O+Na2O)/Al2O3比值可以有效指示湖盆流域气候的干湿变化，若某一地层单位该比值增大，反映当时降水较少的干旱气候，低值反映降水较多的湿润气候[14]。在暖湿气候条件下，Ti的活动性增强[24]，迁移能力强，在湖泊区相对富集，表明陆源物质Ti含量丰富，也即是相对较大的地表径流搬运入湖的结果，这也正说明了其暖湿的气候背景；在干冷的气候条件下，风化作用减弱，Ti活动性降低，从而元素在沉积物中的含量也会降低，表明陆源物质输入相对减少[25]。因此Ti元素的较高含量时期大致对应降水增加时期，Ti含量较低时对应降水较少的时期[18]。
气候变化通过控制风化、剥蚀和沉积以及植被类型和生长状况改变湖泊沉积物的性质，引起磁性矿物组分的变化，因此沉积物的磁性特征能较好地反映湖区的气候环境变化，是环境信息的重要载体之一[19, 26]。在季风气候区，一般湖泊沉积物磁化率高值指示气候偏湿阶段，低值指示气候偏干阶段[27]；湖泊沉积物的磁化率高值指示流域的侵蚀作用加强，低值指示侵蚀作用减弱[28]；另外，湖区人类活动的加剧也会使湖区的侵蚀程度加强[19]，进而影响沉积物磁化率。本研究认为，磁化率的变化应该考虑原生环境和次生环境两种不同条件下的变化：原生环境中人类活动干预较少，高值代表湿润的气候环境，低值代表干旱的气候环境；次生环境中人类活动干预较多，一系列农耕及其他活动对地表造成侵蚀，使磁化率值变大。刘宇峰等[29]对毛乌素沙地北缘苏贝淖湖沉积物样品频率磁化率的测试研究表明，高频和低频磁化率环境意义一致。本文采用低频磁化率表示环境变化。
在湖泊沉积物主要是通过径流搬运而来而非风成搬运而来的情况下，即湖泊为开放型湖泊时，粒度则反映湖泊流域的水文状况[30]。粗颗粒物质的增多指示湖区降水增多，径流量增加，湖泊水位升高；反之，粗颗粒物质的减少表示湖区降水减少，径流量减小，湖泊水位下降[19]。
4.2 白洋淀地区全新世气候演变特点湖泊沉积物的地球化学特征分析是提取古环境古气候信息，重建沉积环境序列的重要方法[31]。低频磁化率和中值粒径一起指示环境的冷暖干湿状况[8]，在本研究中，中值粒径的低值和低频磁化率的高值代表温暖潮湿的气候，反之，中值粒径的高值和低频磁化率的低值则代表较为干旱寒冷的气候；此外还要考虑人类活动对磁化率值的影响。根据地球化学元素的变化和粒度、磁化率的指示意义，白洋淀地区全新世以来的环境演变经历以下5个阶段：
11335~10300 cal. a B.P.：指示干湿程度的环境代用指标CaO/MgO比值、(CaO+K2O+Na2O)/Al2O3比值、CaCO3含量、砂含量为整个剖面最高值，干旱指数为剖面次高值，指示温度和湿度的指标CIA值、指示干湿度的磁化率值和Ti含量均为剖面的最小值，说明气候较寒冷干燥。粗颗粒含量较高可能是因为气候干旱，湖泊露出地表，受侵蚀较严重[32]，与降水关系不大。该时期新仙女木事件虽然已经结束，但仍受其影响较大，承袭了晚冰期的气候特点[33]。其他学者在中国北方的研究结果也显示该时期气候冷干，如朱宣清等[10]通过孢粉分析指出白洋淀在11000~10400 cal. a B.P.期间气候寒冷干燥；许清海等[34]通过岱海孢粉分析也认为该时段降水量减少，气候较干旱。
10300~8500 cal. a B.P.：指示干湿程度的指标如CaO/MgO比值、(CaO+K2O+Na2O)/Al2O3比值、干旱指数、CaCO3含量均明显下降，CIA值、Ti含量明显上升，说明该时期较上一阶段温度和湿度升高，降水有所增加。该时段CIA值虽是剖面最高值，可能主要与温度升高有关；但干旱指数和CaCO3含量仍然偏高，Ti含量为剖面次低值，指示湿度虽较上带有所增大，但湿润程度不及全新世大暖期，可见该时段气候特征总体为温暖偏湿。这可能与北半球太阳辐射增强、热带辐合带北移，促使夏季风增强有关[35~36]，降水增加，白洋淀湖泊面积扩大，水位增高[8]。神农架大九湖、洱海、河西走廊西部都显示10000~8500cal. a B.P.都存在一个相对暖湿期[1, 33, 37]。
8500~6000 cal. a B.P.：Ti含量、粉砂和砂含量、中值粒径均明显上升，达剖面的次高值，而干旱指数、低频磁化率下降，为剖面的最低值，CIA值基本与上一阶段基本持平。揭示该时期是整个剖面气候最为暖湿的阶段，水动力较强，与中国开始进入大暖期有关[38]。华北地区其他研究也显示该时段降水较多，是全新世大暖期的核心[3, 39]。王会昌[32]研究显示该时期是白洋淀扩张的鼎盛时期，其水域面积达到全新世以来最大。
6000~4200 cal. a B.P.：指示干湿程度的指标如CaO/MgO比值、(CaO+K2O+Na2O)/Al2O3比值、干旱指数略有上升，CIA值略微下降，显示湿润程度较上带略有降低；但是Ti含量达剖面最大值，CaCO3含量达剖面最小值，说明该时期降水量仍较多；总体来说，该时期水热条件仍较好，气候总体温暖偏湿，但暖湿程度有所下降。这种气候在中国还有其他记录，如陇中黄土高原在6200~3800 cal. a B.P.期间植被为温带落叶阔叶林，气候温暖[40]；西藏当惹雍错湖在该时期总体温暖湿润[41]；岱海在此阶段气候温暖湿润[34]等。
4200~1035 cal. a B.P.：指示干湿程度的指标如CaO/MgO比值、(CaO+K2O+Na2O)/Al2O3比值、CaCO3含量升高，粉砂和砂含量达剖面最小值，说明气候变得较干旱；指示温度和湿度的指标CIA值明显下降，说明该时期温度和湿度均有所下降，气候向凉干方向发展。同时该时段也是开始受人类活动影响逐渐变强的阶段，人类活动加剧使地表侵蚀作用加强，磁化率值变大。考古遗址研究显示，该时期冀中南地区遗址分布重心在保定拒马河下游平原地区，人类活动频繁[42]。
4.3 白洋淀地区全新世的冷干事件随着对全新世古气候更加深入的研究，大量高分辨率的沉积记录证明，全新世气候并不稳定，存在着一系列的气候波动和气候突变事件[35, 43~45]。由于各个阶段气候波动和气候突变事件的形成机制不同，又由于研究地点特殊的地貌、位置等因素影响，不同地区气候突变事件的发生和结束时间、发生强度可能存在差异。据图 5对比结果，可辨别出白洋淀全新世4次冷干事件：其中8200 cal. a B. P.、4500 cal. a B.P.和2800 cal. a B.P.为全球性冷干事件，6800 cal. a B.P.为区域性的冷干事件。
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图 5 白洋淀干旱指数(a)、莲花洞δ18O[46] (b)、公海年降水量[47] (c)、岱海年平均降水量[34] (d)与格陵兰δ18O记录[48] (e)湿度对比图 Fig. 5 A humidity comparison chart of Baiyangdian record from Dongleitou profile to several Holocene records from 11 ka to present. (a)Drought index from Dongleitou profile, Baiyangdian(this study), (b)δ18O record of LH2[46], (c)Gonghai annual average precipitation[47], (d)Daihai annual average precipitation[34], (e)δ18O record of NGRIP core from Greenland[48] |
(1) 8200 cal. a B.P.事件
在约8200 cal. a B.P.，CaO/MgO比值、干旱指数、(CaO+K2O+Na2O)/Al2O3比值、CaCO3含量出现高峰值，CIA值和Ti含量出现低峰值；中值粒径也出现高峰值，低频磁化率出现低峰值，指示该时期发生过一次冷干事件，与莲花洞δ18O值偏正[46]、公海[47]和岱海[34]低降水量、格陵兰冰芯δ18O值偏负[48]基本一致。亚洲季风区的许多地质记录也识别了这次冷干事件[35, 49~51]；北大西洋深海记录、欧洲湖泊记录以及山地树线、树轮宽度等变化都记录了这一事件的存在[52~53]，说明8200 cal. a B.P.事件在北半球具有普遍性。
关于8200 cal. a B.P.事件的成因机制，各学者有不同的解释。Teller等[54]认为是全新世温度升高使北美劳伦冰盖退缩，冰盖内部动力导致阿加西湖冰岸坍塌，大量冷淡水注入大西洋，导致温盐环流减弱甚至停止，进而影响整个北半球；Cheng等[49]认为8200 cal. a B.P.由Agassiz湖和Ojibway湖淡水释放造成，大量淡水进入北大西洋破坏了北大西洋的经向环流，推动ITCZ的南移，削弱了亚洲季风的强度[36]。然而Rohling和Pälike[55]指出北大西洋淡水注入要早于8200 cal. a B.P.事件，所以并不赞成淡水释放的说法。Peltier和Fairbanks[56]也认为全新世以来，北半球太阳辐射能量呈现递减趋势，而在早全新世太阳辐射最强，北半球大陆的冰盖除了格陵兰及巴芬岛外大部分消融，南极冰盖也部分消融，全球平均海平面上升120~140 m，释放的淡水进入北大西洋，导致温盐环流减弱甚至停止。这与Teller等[54]的观点较为一致。本研究较认同此观点，认为8200 cal. a B.P.事件可能与由冰盖消融导致的温盐环流减弱有关。
(2) 4500 cal. a B.P.事件和2800 cal. a B.P.事件
4500 cal. a B.P.是中全新世后期一次明显的冷干事件。在4500 cal. a B.P.前后，粉砂含量偏低，砂含量出现最小值，干旱指数偏高，Ti含量出现低峰值，指示一次冷干事件，是全新世适宜期晚期的一次冷干事件。这次冷干事件除与莲花洞δ18O值偏正[46]、岱海[34]和公海[47]的低降水量、格陵兰冰芯δ18O值偏负[48]有较好的一致性外，在中国其他地区记录也有显示，如，神农架山宝洞季风降水减少[57]、海南岛双池玛珥湖气候转凉[58]以及青藏高原纳木错湖面下降[59]、贵州草海南屯气候向干冷转变[60]等；在国外，有印度西北部的Lunkaransar古湖干涸[61]、北美季风区的干旱事件[62]、西亚地区的降温和干旱事件[63]等记录。这次气候事件对人类文明产生了重大影响，如非洲尼罗河流域和西亚两河流域，严重的干旱促使两地区的文明走向衰落[63]，也使得印度的古阿卡德王国的解体以及中国新石器文化的衰落和夏王朝的建立[64~65]。
在约2800 cal. a B.P.，CaO/MgO比值、干旱指数、(CaO+K2O+Na2O)/Al2O3比值、CaCO3含量偏高，CIA值和Ti含量偏低，指示一次冷干事件。除莲花洞δ18O值偏正[46]、岱海[34]和公海[47]低降水量、格陵兰冰芯δ18O值偏负[48]等记录外，在云南宁蒗地区[66]和寻甸地区[67]、挪威[68]等地均显示在2800 cal. a B.P.左右出现寒冷和干旱事件。另外，王绍武[69]通过各种海洋资料的研究，也认为在2800~2600 cal. a B.P.期间气候较为冷干，并与中国历史文献中的西周寒冷干旱时期对应。
关于这两次事件的成因，多数学者认为与太阳辐射和季风的减弱有关，如Hong等[70]认为太阳辐射变化导致北大西洋浮冰增加，减慢温盐环流速度，从而使东亚季风减弱，进而使印度季风增强；Peterson和Haug[71]研究发现Cariaco盆地沉积记录自5700 cal. a B.P.以来Ti含量和季风强度随着太阳辐射能量的降低而降低；Fleitmann等[35]认为轨道驱动的太阳辐射变化导致中全新世以来ITCZ南移和东亚季风减弱，使得北半球中纬度大部分地区变得干旱；陈发虎等[72]通过研究民勤盆地湖泊沉积记录，认为间冰期的气候通过季风环流和低纬度海洋联系更加密切，其变化格局主要受太阳辐射变化控制，并受低纬度海洋变化影响。
4.3.2 区域性冷干事件——6800 cal. a B.P.事件在6800 cal. a B.P.左右，CaO/MgO比值、干旱指数、(CaO+K2O+Na2O)/Al2O3比值、CaCO3含量均为剖面的最大值，CIA值和Ti含量为该阶段的最小值，说明研究区6800 cal. a B.P.前后发生过明显的冷干事件，该事件在岱海[34]和公海[46]、格陵兰冰芯[48]均有显示，但文中没有明确提及。6800 cal. a B.P.冷干事件仅在中国北方及青藏高原少数地方存有记录。如，诺尔盖高原在6800 cal. a B.P.左右的低TOC值揭示气候较为冷干[73]；河南马沟洞石笋研究显示存在6900 cal. a B.P.左右的弱季风事件[74]；陇中黄土高原在6800 cal. a B.P.前后发生过短暂的变干现象，但在其邻近地区却没有相对应的干旱事件[40]。关于6800 cal. a B.P.冷干事件的记录，在Bond等[52]的年表上也没有反映。因此，6800 cal. a B.P.事件发生范围有多大有待进一步研究。
5 结论(1) 根据位于河北安新县西南方向的东垒头剖面的地球化学元素分析、磁化率和粒度特征，本研究认为白洋淀地区全新世以来的环境变化经历以下5个阶段：1)11335~ 10300 cal. a B.P.：指示干湿程度的CaO/MgO比值、(CaO+K2O+Na2O)/Al2O3比值、CaCO3含量、砂含量为整个剖面最高值，干旱指数为剖面次高值，CIA值、Ti含量、磁化率值为剖面最低值，指示该阶段为冷干气候；2)10300~8500 cal. a B.P.：CaO/MgO比值、干旱指数、CaCO3含量、(CaO+K2O+Na2O)/Al2O3比值、砂含量和中值粒径明显下降，CIA值、Ti含量和低频磁化率值均有上升，指示该阶段气候温暖偏湿；3)8500~6000 cal. a B.P.：CIA值基本与上阶段持平，Ti含量、砂含量和中值粒径有所增加，干旱指数最低，指示该阶段气候温暖湿润，水热配置较好；4)6000~ 4200 cal. a B.P.：CaO/MgO比值、干旱指数升高，(CaO+K2O+Na2O)/Al2O3比值、CIA值和砂含量、中值粒径略微下降，但Ti含量为剖面最大值，CaCO3含量为剖面最小值，说明该阶段气候仍温暖偏湿；5)4200~1035 cal. a B.P.：CaO/MgO比值、干旱指数、(CaO+K2O+Na2O)/Al2O3比值、CaCO3含量明显上升，CIA值、Ti含量和砂含量、中值粒径均有所下降，砂含量和中值粒径均为剖面的最小值，指示该阶段气候向凉干发展，但低频磁化率值的明显增加指示该时期人类活动开始加强。
(2) 根据地球化学元素分析、粒度和磁化率特征，可辨别出全新世白洋淀8200 cal. a B. P.、6800 cal. a B.P.、4500 cal. a B.P.、2800 cal. a B.P.共4次冷干事件。其中8200 cal. a B. P.冷干事件与温盐环流减弱有关；4500 cal. a B. P.和2800 cal. a B.P.冷干事件与由太阳辐射的减弱导致的东亚季风的减弱有一定关系；6800 cal. a B.P.可能是一次区域性的冷干事件，关于其发生范围和成因机制有待进一步研究。
致谢: 真诚地感谢同行评审专家和编辑部老师提出的宝贵修改意见!
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2 Key Laboratory of Environmental Change and Ecological Development of Hebei Province, College of Resource and Environmental Sciences, Hebei Normal University, Shijiazhuang 050024, Hebei;
3 Institute of Geography Sciences, Hebei Academy of Science, Shijiazhuang 050011, Hebei;
4 Institute of Geographical Sciences, Hebei Academy of Sciences; Hebei Engineering Research Center for Geographic Information Application, Shijiazhuang 050011, Hebei)
Abstract
Influenced by various factors, high-resolution sedimentary records overlap the whole Holocene in the North China Plain are lacking, that makes us have not enough knowledge about the environmental and climate change during the Holocene in the North China Plain, especially for the rapid change climate events. Baiyangdian is the largest freshwater lake in the North China Plain and an ideal area for studying the climate change during the Holocene. A profile(38°52'27.764″N, 115°53'45.789″E; 29 m a.s.l.) is selected at Dongleitou in the southwest Anxin County, Hebei Province, which was 382 cm in depth, the top of the profile(42 cm) was 1035 cal. a B.P. and the bottom(424 cm) was 11335 cal. a B.P. 189 samples(from BD-22 to BD-210) were collected from Dongleitou profile, and geochemical elements, grain size and magnetic susceptibility analysis were used to reconstruct Holocene climate change based on the 8 AMS-14C dating data. The results are shown as follows:(1) From 11335 cal. a B.P. to 10300 cal. a B.P., the ratio values of CaO/MgO(higher than 4.8), the ratio values of(CaO+K2O+Na2O)/Al2O3(higher than 1.3), the content of CaCO3(higher than 12%) and the median particle size(higher than 15 μm) reached to the maximum in the whole profile, the values of the drought index(average 0.019) were the second maximum in the whole profile, but the values of CIA(lower than 45), the content of Ti element(lower than 0.38%) and the values of magnetic susceptibility(lower than 10×10-8m3/kg) were the minimum of the profile, indicating cold and dry climate in the study area, affected by YD event. (2) From 10300 cal. a B.P. to 8500 cal. a B.P., the ratio values of CaO/MgO and(CaO+K2O+Na2O)/Al2O3, the values of the drought index, the content of CaCO3 and the median particle size all significantly declined, yet the values of CIA, the content of Ti element and the values of magnetic susceptibility increased in different degree, indicating that the climate became relative warm and wet. (3) From 8500 cal. a B.P. to 6000 cal. a B.P., it was the most humid period with minimum of the drought index(average 0.014) and the high contents of CIA and Ti element and the low ratio values of CaO/MgO and(CaO+K2O+Na2O)/Al2O3, but all of them obviously fluctuated and the ratio values of CaO/MgO and(CaO+K2O+Na2O)/Al2O3, the values of the drought index, the content of CaCO3 appeared high peak values, while the values of CIA, the content of Ti element appeared low peak values at about 8200 cal. a B.P., 6800 cal. a B.P., indicating two cold and dry events. (4) From 6000 cal. a B.P. to 4200 cal. a B.P., the content of CaCO3 was the minimum in the whole profile, but the values of the drought index was higher, the ratio values of CaO/MgO and(CaO+K2O+Na2O)/Al2O3 increased, indicating humidity decreased, but at about 4500 cal. a B.P., the values of the drought index were the highest, suggesting a cold and dry event. (5) From 4200 cal. a B.P. to 1035 cal. a B.P., the content of sand(lower than 2%) and the median particle size(lower than 10 μm) were the minimum in the whole profile, the values of the drought index, the ratio values of CaO/MgO and(CaO+K2O+Na2O)/Al2O3 and the content of CaCO3 all clearly increased, indicating that the climate became cool and dry, the values of the drought index appeared a high peak value at 2800 cal. a B.P., indicating an obvious cold and dry event; while the values of magnetic susceptibility(higher than 20×10-8m3/kg) were higher compared with other periods, indicating intensive human activities.