2019, Vol.39
2 华中师范大学城市与环境科学学院, 湖北 武汉 430079)
全新世是地球地质历史演化过程中最新的一个阶段，大约从距今11.7 ka(1 ka=1000年)开始；进入全新世气候变得温暖而湿润，与之前严寒而干燥的冰期环境截然不同[1]。以往的研究认为全新世气候处于稳定的状态[1]，但随着全新世气候环境变化研究的深入，大量高分辨率地质记录表明全新世气候并非是单一稳定状态，而是存在一系列百年至千年时间尺度大幅度气候突变事件。20世纪90年代科学家就已经发现全新世气候存在不稳定性，Bond等[2]最早根据浮冰碎屑指出全新世北大西洋有8次冰筏事件；以后大量的研究显示小冰期(距今0.4 ka)也属于类似的冷事件，因此也将其列入冷事件序列[3]。高纬度变冷的同时，季风区通常表现为干旱事件，比如科学界比较关注的8.2 ka事件与4.2 ka事件，这两个事件也是国际地层委员会对全新世进行地质年代分期的重要时间节点依据[4~5]。其中4.2 ka事件，由于其发生于新石器文明衰落的前后而受到越来越多的关注。
全新世良好的自然环境孕育了辉煌的人类文明，同时全新世以来的气候变化和环境演化也深刻地影响着文化的发展与文明的兴衰[6~7]，特别是全新世的干旱事件会带来严重的社会效应，导致全球诸多地域古文明的衰落或中断。例如，干旱导致了美索不达米亚阿卡德文明的衰落，古希腊文明、埃及文明以及古印度文明的衰落也均与干旱有关[7~8]；中国历史朝代的更替也被证明与季风降水的变化息息相关[9]。最新的一项研究显示，玛雅文明衰落之时，南美地区的年平均降水量减少了41 % ~54 %，在极度干旱期，降雨量减少了70 % [10]。因此，深入研究全新世干旱事件，或者夏季风衰退事件，关乎人类社会的发展，具有重要的现实意义。
亚洲夏季风作为全球季风系统的重要组成部分，对维持其控制区自然生态平衡具有重要的作用，亚洲夏季风的衰退会导致严重的干旱事件。近年来，我国一些基于湖泊沉积的全新世气候记录显示了亚洲夏季风衰退事件的存在，例如现代夏季风边缘区域的猪野泽[11]、岱海[12]、达里湖[13]等流域的地质记录体现了全新世数个气候突变事件，但是鲜有连续的全新世气候突变事件记录。石笋因其精确的定年和高分辨率的记录而受到古气候研究的青睐，全新世董哥洞石笋氧同位素的突然偏正波动被认为指示了亚洲夏季风的衰退事件[14]。中国泥炭沉积纤维素的碳同位素组成在全新世的突然变化也被当作夏季风衰退事件的标志[15]。但随着研究的推进，这些证据在其环境指示意义的确切性方面越来越受到质疑[16]。因此，连续的具有准确年代控制和明确环境指示意义的全新世亚洲夏季风突变事件记录的匮乏，在一定程度上限制了我们对亚洲夏季风突变事件频率、持续时间以及驱动机制的认知。本研究以现代亚洲夏季风边缘区的湖泊达连海为研究对象，通过其沉积物粒度指标，在可靠的年代控制下，建立了研究区全新世水文变化过程以及亚洲夏季风衰退事件序列，并在此基础上讨论了全新世亚洲夏季风衰退事件与高、低纬气候系统之间的联系。
1 研究区概况 1.1 现代夏季风边缘区及其自然地理概况夏季风边缘区指夏季风影响区域的边缘地带，通常可以从“风”和“雨”两个角度对夏季风强度加以量化，从而确定夏季风边界。传统上认为的东亚地区夏季风增强时期，南风向北异常推进，水汽输送增加，导致中国北方(特别是华北)降水增多，因此从“雨”的角度表征夏季风有着明确的动力学意义[17~19]；另外，相比于难以捕捉的“风”，“雨”更容易在陆地地质载体中留下印记，提供了较大的重建可能[20]。因此，中国北方的降雨是衡量东亚地区夏季风强度的有效指标。考虑到夏季(5~9月)2 mm/天的等降水量线(即300 mm降水量)变化范围与中国现代土地覆被类型、气候转换带以及潜在自然植被类型的空间分布存在很好的对应关系，也与风场突变位置一致，因此，其具有明确的气候-生态-地理界线意义，可作为东亚夏季风的北界指标[21]。由于季风区全年降水主要集中在夏季，我们沿用降水这一概念，画出了包含青藏高原部分区域的中国现代夏季风边界(图 1a)。
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图 1 研究区地理位置图 (a)我国夏季风边缘区湖泊沉积记录与其他记录分布图；黄线代表 1971~2000年中国年平均降水300 mm等降水量线(引自中国气象数据网http://data.cma.cn)；蓝色点线代表气候态(1981~2010年)北界位置，即CMAP和GPCP数据集夏季(5~9月)2 mm/天的等降水线(300 mm降水量)[21]；二者均可视为现代亚洲夏季风在我国可到达的最北边界位置；(b)共和盆地沙珠玉河集水区域及其尾闾湖泊达连海位置 Fig. 1 Map of the study area. (a)Locations of lakes in the margin area of modern Asian summer monsoon system and other records. The yellow line represents 300 mm precipitation during the period from 1971~2000(data is cited from Data Network of China Meteorological, http://data.cma.cn); Blue doted-line represents northern boundary of the climatological(1981~2010)East Asian summer monsoon[21], namely it is 2 mm/day precipitation isoline(i.e., 300 mm precipitation)based on monthly CMAP and GPCP precipitation data; Both of them can be regarded as the northern boundary of modern Asian summer monsoon; (b)Location of Dalianhai Lake, the terminal lake of Shazhuyu River system in Gonghe basin |
该线在中国北方地区从东到西大致沿大兴安岭西侧-大青山-贺兰山南麓-祁连山东段一线，在青藏高原上穿过羌塘高原至藏南喜马拉雅山脉中段。位于干旱-半干旱区的我国北方现代夏季风边界区域，属于我国农牧交错带，生态系统比较脆弱。由于夏季风边缘活动带的降水比夏季风核心区偏少，对夏季风的强弱变化响应也更加敏感，降水的波动尤为显著，进而对植被、生态和农业等的影响也就更加强烈，即使小幅度的气候波动也能引起生态系统的明显改变[21]。此外，该线穿过的青藏高原和蒙新高原是我国主要的两大湖泊分布区，因此位于现代夏季风边缘区的湖泊沉积可以敏感地记录亚洲夏季风的变化，这为研究全新世亚洲夏季风衰退事件提供了理想的材料。
1.2 共和盆地及达连海概况共和盆地位于青藏高原东北部(介于35.5°~36.9°N和98.8°~101.4°E之间)，其东邻西倾山，南部和西南部为昆仑山系的河卡山、鄂拉山及哇洪山，北隔祁连山系的青海南山与青海湖盆地相望，东北为祁连山系余脉的瓦里贡山、拉脊山和日月山。整个盆地呈NNW-SSE走向(图 1b)。黄河从盆地东部穿过。盆地处于现代亚洲夏季风边缘区；共和气象站1953~2013年的气象监测数据显示，年平均降水为315 mm，年平均温度为4 ℃；多年平均蒸发量可达1500~1900 mm。降水在年内分配不均，主要集中在5~9月，可占全年降水的近90 %。空间上，盆地降雨量表现出由西北向东南递增、山区高于盆地的特点。达连海是共和盆地内流水系沙珠玉河的最终汇水湖泊，由南北两个湖泊组成(北达连海和南达连海)。20世纪50年代以来，数座水库于沙珠玉河上、中游相继建成并开始蓄水，致使补给达连海的河水日趋减少，达连海的面积也由1950s的3 km2逐渐减小[22]。北达连海于1973年完全干涸；1993年娘塘水库的建成，最终导致南达连海完全干涸。
2 样品采集与实验方法2012年7月，利用X-1型400 m机械钻钻机设备在干涸的达连海湖床上钻取岩芯，命名为DLH12A(36°14′25.2″N，100°23′55.0″E)，钻孔顶部海拔2852 m。钻孔进深203.09 m，抵达红色砂岩层，最终获取岩芯199.71 m，取芯率为98.3 %。本文采用激光粒度仪进行粒度测试，沉积物粒度测试可以分为样品的制备和仪器测试分析两个部分。取0.3~0.5 g样品，先后加入浓度为10 %的双氧水(H2O2)和10 %的稀盐酸(HCl)在加热(100 ℃)条件下去除有机质和碳酸盐；再向静置后倒去上清液的样品沉淀物中加入浓度为0.05 mol/L的六偏磷酸钠溶液，在80 Hz超声波条件下水浴振荡8 min后，利用英国Malvern公司生产的Mastersizer 2000型激光粒度仪(测量范围为0.02~2000 μm)测量样品的粒度。实验中在转速为1500 r/min、超声波频率为80 Hz的条件下，每个样品测量2次，以确保样品测量的可重复性。粒度分析在兰州大学西部环境教育部重点实验室完成。此外，从沉积物中挑选陆生植物残体，用于AMS 14 C定年；对没有陆生植物残体的层位，挑选全有机样品测年。年代测试在北京大学加速器质谱实验室和美国Beta实验室完成。
选取6个砂层代表性样品开展扫描电镜(SEM)实验。将约2 g样品放入烧杯中，加入少许10 %的双氧水去除有机质，在150 ℃的电热板上加热使其充分反应；然后加入适量10 %的盐酸溶液，继续煮沸反应，最后加蒸馏水反复冲洗至中性，在60 ℃条件下烘干用于实验。使用EIKOIB-3、IB-5型离子镀膜仪喷镀金膜后即可用扫描电镜观测，实验中运用了S-4800扫描电镜仪器观测。本实验在兰州大学物理科学与技术学院完成。
3 结果与讨论 3.1 达连海沉积物岩性及钻孔年代框架达连海DLH12A钻孔沉积物沉积在坚硬的红色砂岩之上，并表现出了6个“湖相粘土-砂”互层的沉积旋回；顶部43.34 m沉积物整体为末次冰消期以来的湖相粘土/粉砂质粘土[23]。本研究关注顶部24.6 m沉积物，该段岩芯17 m以下整体为红棕色粘土，有机质含量极低；17 m以上为青灰色粉砂质粘土，有机质含量增加；其中大约在6.0 m、12.9 m、14.6 m、16.5 m、19.0 m、23.0 m以及24.3 m层位为砂层。从研究段岩芯中总共获得13个年代数据(表 1)，植物残体均来自陆源，所有年代数据通过IntCal13树轮曲线进行日历年校正[24]。建立钻孔深度-年代模型时，对于来自于同一层位的植物残体和全有机年代，仅考虑植物残体的年代。对于有机质年代，首先舍弃按地层序列倒转的年代，然后对来自沉积相相似的连续岩芯(顶部17 m)的有机质年代进行多项式拟合(图 2a)，可以发现截距为1031.7年，进而将“截距法”获得的该碳库扣除得到真实年代。在此基础上，将顶部17 m植物残体年代与经碳库校正的全有机年代进一步进行多项式拟合(图 2b)，并将该段两个倒转的全有机年代校正到该拟合曲线上(图 2c)；这样做的目的是为防止在没有年代点控制的层位，当进行下一次包含更多层位年代的拟合时，因数据的增加而改变该层位原有的拟合结果。最后基于17 m以上的年代与其下层位植物残体年代，利用Clam光滑样条函数建立深度-年代模型[25]，结果如图 2d所示。类似回归方法可参考文献[26]。
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表 1 达连海沉积物AMS 14C年代数据 Table 1 AMS 14C dates from core DLH12A from Dalianhai Lake |
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图 2 达连海钻孔DLH12A顶部24.6 m湖泊沉积物的深度-年代模式 (a)~ (c)基于多步多项式回归的碳库效应评估；x与y分别代表深度和年代；(d)基于Clam模型[25]的岩芯年代模式 Fig. 2 Depth-age model of the upmost 24.6-m sediment of the core DLH12A from Dalianhai Lake. (a)~ (c)Multi-steps polynomial curve fitting to evaluate carbon reservoir effect. x and y represent depth and age respectively; (d)Clam-based age model[25] of the studied core |
钻孔准确年代框架的建立是开展不同区域气候记录之间对比的前提。本文以陆生植物残体年代为关键控制点，同时利用“多层位逐步”多项式回归方法校正了偏老的全有机样品的年代，进而较好地建立了DLH12A钻孔顶部24.6 m沉积物过去约11700年以来的年代框架。从同处于共和盆地的达连海与更尕海沉积物中> 63 μm颗粒含量的变化来看(见3.3.1)，二者在变化趋势和事件上的整体对应关系良好，可以进一步佐证本文使用的达连海钻孔年代的可信性。
3.2 达连海沉积物钻孔DLH12A砂层沉积特征达连海钻孔DLH12A砂层的粒度特征表现为单峰模式，该峰主要集中在50~500 μm(图 3b~3g)。典型的达连海湖相沉积物粒度频率分布曲线表现为双峰模式，其一为粒径在2 μm以下的湖泊粘土矿物对应峰值，另一个为中值在10 μm左右的主峰(图 3a)。单峰的存在是沉积物在单一动力作用下良好分选结果；进入湖泊的物质主要为河流水动力输入的陆源成分、大气降尘以及湖泊自生化学沉淀物质[27]。由于湖滨水动力较强，在长期的湖水波浪作用下，湖滨地带沉积分选良好的湖滨砂。因此，湖滨砂的出现说明了沉积物此时接近湖滨地带。对比图 3a中典型沙丘砂粒度曲线可以发现，其粒径在100~500 μm之间，分选更好，且比达连海沉积物中的砂层粒度偏粗。收集到的共和盆地大气降尘的粒度分布范围更加广泛(2~500 μm)，并呈负偏态分布[28](图 3a)。通过这种不同来源的颗粒粒径的频率分布特征比较，可以发现达连海沉积物砂层粒度特征与风砂粒度特征近似，而非典型湖相物质夹杂大气降尘沉积。值得注意的是，本文对比使用的典型沙丘砂并非来自共和盆地，这虽然限制了对比的准确性，但至少能反映出风成砂具有较高的分选性。
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图 3 (a) 共和盆地降尘、典型沙丘砂[28]与湖相粘土粒度曲线；(b)~ (g)达连海沉积物钻孔DLH12A砂层粒度特征与扫描电镜照片 Fig. 3 (a)Grain size distribution of lacustrine sediments and airborne dust from Gonghe basin and typical sand dunes[28]; (b)~ (g)Grain size distribution and SEM photography of sandy layers from sedimentary core DLH12A from Dalianhai Lake |
沉积物颗粒表面的形态特征，比如棱角、撞击坑、粘附碎片、磨光面等，是判断其物源、搬运过程、沉积阶段、风化程度以及冰川演化等环境状况的重要信息[29~30]。达连海沉积物代表性砂层样品SEM结果如图 3所示，图片显示砂样颗粒分选较好，但磨圆度较差，指示了较短的搬运距离。此外，现代达连海周边沙地砂样品的SEM图像同样显示颗粒具有较好的分选和较差的磨圆程度。因此，达连海沉积物砂层代表性样品粒度和SEM结果一致地表明，该湖沉积物砂层主要受单一动力源作用沉积。
3.3 全新世亚洲夏季风衰退事件 3.3.1 达连海记录的全新世共和盆地水文变化与夏季风衰退事件达连海位于现代亚洲夏季风边缘区，该区年降水主要集中在夏季，夏季风的强弱主导了该区的降水变化。达连海是沙珠玉河的尾闾湖泊，其水域面积较小，而流域面积相对于湖泊面积显得非常之大(流域面积约8000 km2)，因此，达连海水位波动能够快速响应流域降水变化。如图 4a所示，达连海DLH12A钻孔全新世沉积物中出现数层砂层，表现为沉积物颗粒变粗，即> 63 μm组分含量增加，这些砂层的年代主要分布在11.6~11.3 cal.ka B.P.、10.4~9.5 cal.ka B.P.、6.4~6.0 cal.ka B.P.、4.6~4.4 cal.ka B.P.、3.7~3.4 cal.ka B.P.、3.1~2.9 cal.ka B.P.以及2.0~0.9 cal.ka B.P.。
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图 4 全新世共和盆地水文与风沙活动记录 (a)达连海DLH12A钻孔> 63 μm颗粒百分含量；(b)更尕海沉积物> 63 μm颗粒百分含量[28]；(c)更尕海湖泊水位记录[39]；(d)青藏高原东北缘风沙剖面OSL年代频率密度函数[37] (a)和(b)中水平横线代表均值 Fig. 4 Holocene hydrology and aeolian activity in Gonghe Basin. (a)Percentage of > 63 μm grain from core DLH12A from Dalianhai Lake; (b)Percentage of > 63 μm grain from Genggahai Lake[28]; (c)Lake-level record from Genggahai Lake[39]; (d)Probability density function plot for OSL ages of aeolian sand sections from the northeastern Tibetan Plateau[37]. Horizontal lines in (a) and (b) represent mean values |
湖泊沉积物粒度的大小是水动力条件强弱变化的指示[31~32]。对于封闭的、以陆源碎屑物为主要沉积物来源的湖泊而言，湖水物理能量是控制沉积物粒度分布的主要因素。一般而言，从湖岸至湖心大致出现砾-砂-粉砂-粘土的沉积规律。因此沉积物粒径增大反映了采样点离湖岸的距离减小，湖泊水位下降，指示气候干旱，反之，指示气候湿润[31]。水位高湖泊深时，钻孔所在位置离河口位置远，处于深湖区，沉积物颗粒细；反之低水位时沉积物颗粒变粗。此外，以往的研究显示青藏高原东北部湖泊沉积物中> 63 μm颗粒也可能是风力输入的结果[28, 33]。
就达连海而言，对比湖泊中心钻孔DLH99(36°14′29.1″N，100°24′22.24″E)的粒度结果[34]，发现除了在距今4.5~4.0 ka(参考原文年代模式)之间存在砂层之外，该孔> 63 μm颗粒含量没有表现出显著的波动。若达连海> 63 μm组分主要是由风力输入，则其含量应在湖泊的各个位置大体一致；即使颗粒物进入湖泊后经过了湖水动力分选，但至少当DLH12A钻孔中出现砂层时，DLH99钻孔中相应地应表现为> 63 μm组分含量的增加。事实上二者的不一致进一步说明了DLH12A钻孔粒度的变化响应了湖泊水位的波动。当达连海湖泊水位较低时，钻孔处在湖滨位置，砂层可能代表了湖滨砂；此外，低水位期达连海周边的风沙环境也为风砂覆盖钻孔位置提供了充足的物质保证。因此，不论砂层何种来源，> 63 μm组分含量增加代表湖泊水位降低，湖泊收缩，指示区域降水减少，亚洲夏季风衰退。
对更尕海表层沉积物、流域大气降尘、湖泊水体俘获沉积物，以及钻孔沉积物等的粒度组成综合分析表明，更尕海沉积岩芯中> 63 μm组分主要由风力输入，因此其可以作为风沙活动的指标[28]。进一步的研究显示，中全新世以来更尕海流域风沙活动增强(图 4b)，并且这种百年至千年尺度的风沙活动事件与北大西洋冰漂碎屑事件具有较好的对应关系:高纬度地区气候变冷可增强西伯利亚高压势力，从而影响共和盆地近地面风场的强度，导致更尕海沉积岩芯中粗颗粒组分增加[28]。
通过对比可以发现，本文达连海> 63 μm颗粒含量记录与同样来自共和盆地的更尕海的记录具有很好的一致性。在6 cal.ka B. P.之前，特别是9.5~6.5 cal.ka B. P.，共和盆地湖泊水位较高，指示降水较多，亚洲季风强盛；11.7~9.5 cal.ka B. P.之间存在两次显著的夏季风衰退事件。6.5 cal.ka B. P.之后，亚洲夏季风整体衰退，表现在位于季风边缘区的共和盆地区内降水减少、湖泊水位降低；特别地，该阶段季风的突然衰退事件频发。共和盆地达连海和更尕海的共同记录表明(图 4a和4b)，全新世亚洲夏季风发生衰退事件伴随着盆地内风沙活动增强。
但是我们也注意到，更尕海沉积物> 63 μm组分含量记录的风沙活动与共和盆地风沙剖面年代结果揭示的区域风沙活动并不一致，区域风沙剖面显示早-中全新世，即大约6.5 ka B. P.之前风成沙在区域出现的频率较高[35~38](图 4d)。Qiang等[36]认为地形的差异导致了这样的结果:早中全新世降水多，湖泊水位高[39](图 4c)，进而地下水位也高，湖泊周边植被发育良好，风沙固定；而风沙剖面所在的高地由于较强的蒸发使得湿度较低，于是仍旧发育风沙。与此相反，晚全新世降水减少，湖泊水位降低，地下水位也降低，湖泊周边植被变差，风沙发育；而高地由于蒸发的减弱，湿度增加，风沙被固定[39]。这种盆地内部不同海拔迥异的湿度响应使得湖泊记录与区域风沙剖面记录的风沙活动强度不同。事实上，基于湖泊沉积物的风沙活动记录更能反映区域风场的变化，而天然剖面的风沙记录易受到植被发育状况、物源供应等的影响。
3.3.2 季风边缘区湖泊沉积记录的全新世亚洲夏季风衰退事件位于现代季风边缘区的湖泊沉积是良好的夏季风变化记录载体[11~13, 40~42]。通过本文达连海的研究显示，全新世存在多次百年-千年时间尺度亚洲夏季风衰退事件，但主要集中在11700~9500 cal.a B. P.和6500 cal.a B. P.以来。国内学者已经发表了几条来自现代季风边缘区的全新世干旱事件记录:具有广阔平坦的湖泊沉积平原和沼泽的民勤盆地三角城探井剖面，位于古猪野泽的边缘，该记录显示全新世夏季风更多地表现为千百年尺度快速变化，研究区全新世出现多达10次干旱事件，且夏季风具有1.6 ka显著周期，早全新世更表现出0.8 ka的周期变化[11]；位于共和盆地北部青海湖的沉积记录显示，全新世沉积物有机质和碳酸盐含量均表现出8次降低事件，An等[43]认为代表了亚洲夏季风的衰退；Mischke和Zhang[44]基于青藏高原希门错的研究，并综述高原之上的其他地质记录，发现青藏高原全新世存在6次冷事件，年代分别为10.3~10.0 cal.ka B. P.、7.9~7.4 cal.ka B. P.、5.9~5.5 cal.ka B. P.、4.2~2.8 cal.ka B. P.、1.7~1.3 cal.ka B. P.以及0.6~0.1 cal.ka B. P.。
此外，中晚全新世季风衰退事件在一些地质记录中也有体现。阿拉善高原居延海、猪野泽和头道湖的湖泊沉积记录显示，全新世中期湖泊缩小干涸甚至沙漠化[45]。居延海中全新世出现湖滨相砂或冲积砂沉积，指示了一种浅湖甚至干涸的环境状况[45]；高分辨率的孢粉记录则显示了现代季风边缘区7000~5000 a B. P.间的干旱气候和夏季风衰退事件[46]。因此，中全新世的干旱事件存在于现代夏季风边缘区的较大范围，包括阿拉善高原、鄂尔多斯高原、内蒙古高原中东部，甚至黄土高原南部，指示了东亚夏季风在全新世期间的一次大衰退[45]。4.2 ka事件也是一次重要的亚洲夏季风衰退事件。岱海钻孔孢粉等多指标揭示了在4060~3690 a B. P.存在一次干旱事件，这可能是4.2 ka事件的区域表现[12]。此外，浑善达克区域(达里湖流域)于4.2 ka B. P.存在快速的荒漠化[13]。
总之，虽然季风边缘区基于湖泊沉积的亚洲夏季风衰退事件的连续记录较少，但结合一些单个事件的记录，我们可以发现，正如同达连海的连续记录，全新世亚洲夏季风的快速衰退事件主要发生在中晚全新世。
3.4 全新世亚洲夏季风衰退事件与高低纬气候事件的联系大量研究相继在北半球不同地区和南半球低纬区域检测出全新世气候突变事件，其总体表现为北半球高纬变冷、热带季风减弱、低纬变干[2~3, 20]。关于冷事件/气候突变形成的原因还处于研究阶段，没有达成一致的观点。目前认为可能的影响来自于太阳活动[3, 47]、冰盖行为[48]和温盐环流[49]相关的“高纬驱动说”[50]。也有人认为ENSO变率是影响气候快速变化的原因[51]，还有人认为是气候系统内部的随机振荡[52]。
董哥洞石笋氧同位素被认为记录了过去9 ka夏季风的快速变化事件，该记录共显示了8次干旱事件，其中6次与北大西洋Bond事件一致(0.5 ka B. P.、1.6 ka B. P.、2.7 ka B. P.、4.4 ka B. P.、5.5 ka B. P.和8.3 ka B. P.)，另外2次大约在6.3 ka B. P.和7.2 ka B. P.；每次亚洲季风衰退事件持续100~500年，且数次事件平均间隔1.2 ka[14](图 5c)。Wang等[14]通过对比石笋氧同位素记录的亚洲夏季风变化与大气14 C变化(作为太阳活动强度的指标，类似于10 Be [53])，发现它们表现出一定程度的相似变化，说明太阳辐射变化部分地贡献了亚洲夏季风全新世十年-百年时间尺度的变化。位于四川红原的泥炭沉积的碳同位素记录反映了夏季风的变化，该记录显示全新世夏季风存在千年尺度的振荡，其年代与北大西洋冷事件有很高的一致性，高纬冷事件对应于夏季风的减弱[15](图 5d)。我国东北哈尼泥炭纤维素δ 13 C记录[54]也揭示了全新世一系列千年尺度季风突变事件，且与北大西洋冷事件相对应。另外，广东湖光岩玛珥湖沉积物也记录了全新世多次百年-千年时间尺度的干旱事件，认为这些事件和亚洲夏季风的衰退与淡水注入北大西洋致使的温盐环流减缓有关[55]；阿拉伯海阿曼附近的ODP723A钻孔的浮游有孔虫含量很好地记录了西南季风的变化，该记录显示了全新世数次季风衰退事件，这些季风衰退事件与北半球高纬冷事件具有很好的对应关系[56]。王绍武等[57~58]曾基于不同季风区发表的典型季风代用记录，给出了全新世夏季风衰退事件的年代，可见出现北大西洋冷事件时确实伴有季风衰退现象。
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图 5 全新世气候突变事件(400~2000 a低通滤波后进行标准方差标准化，无量纲) (a)达连海DLH12A钻孔> 63 μm颗粒百分含量；(b)北大西洋MC52-VM29-191孔沉积物赤铁矿含量[3]；(c)董哥洞石笋氧同位素[14]；(d)红原泥炭碳同位素[15]；(e)ENSO强度[59] Fig. 5 Holocene climate events(normalized by standard deviation after 400~2000 years low pass filtering). (a)Percentage of > 63 μm grain from core DLH12A from Dalianhai Lake; (b)Percent hematite-stained grains of the cores MC52-VM29-191 from North Atlantic[3]; (c)Speleothem oxygen isotope from Dongge cave[14]; (d)Carbon isotope from Hongyuan peat[15]; (e)ENSO intensity based on number of events in 100 a non-overlapping windows[59] |
如果把北大西洋钻孔赤铁矿含量峰值[2~3]视作高纬冷事件，峰值越高，则冷事件强度越强；图 5b中，早中全新世的冷事件强度整体高于晚全新世的冷事件。考虑到早全新世逐渐消退导致的不稳定的冰盖条件，北大西洋冷事件在早全新世强烈也合乎逻辑。若高纬冷事件影响了亚洲夏季风的衰退，则在早全新世高纬冷事件强烈的前提下，该阶段亚洲夏季风衰退事件的程度也应该更强。事实上，来自包括达连海在内的现代亚洲夏季风边缘区的记录显示，亚洲夏季风衰退事件主要集中在中晚全新世(图 5a)。虽然很多研究指出低纬季风系统的突然变化响应了北半球高纬的气候突变事件[56]，但进入全新世至8 ka B. P.左右北半球的大冰盖已消融至与当下无异的规模，且中晚全新世减弱的北高纬冷事件幅度很难解释该段时间夏季风衰退事件的频率增加。
已有研究表明，进入全新世，全球的气候突变幅度均较末次冰期大幅度减小，尤其是在北半球高纬度地区，而低纬地区全新世气候事件的幅度相较末次冰期减小幅度较小[60]。这种现象似乎意味着在间冰期条件下，低纬地区的气候突变事件幅度很大，因而低纬过程更有可能主导全新世的气候突变事件。对比ENSO强度[59]与达连海的记录，发现厄尔尼诺早在全新世时期就已发生，并呈现出千年和百年-年代际尺度变化特征，而且中晚全新世ENSO发生频率增加[59](图 5e)。本文达连海的记录显示亚洲夏季风衰退事件主要出现在中晚全新世，这可能说明低纬ENSO活动与百年-千年时间尺度上亚洲夏季风强度的变化存在密切的联系。此外，全新世百年-千年尺度亚洲夏季风变率在时间上与北大西洋冷事件具有一致性，暗示热带海洋热力结构变化可能是全球气候突变的关键驱动因素[61]。
4 结论本文选择位于现代亚洲夏季风边缘区对季风变化响应敏感的湖泊达连海为研究对象，通过钻取沉积物岩芯DLH12A，发现该孔24.6~17.0 m为有机质含量极低的红棕色粘土，17 m以上为青灰色粉砂质粘土，有机质含量增加；其中大约在6.0 m、12.9 m、14.6 m、16.5 m、19.0 m、23.0 m以及24.3 m层位为砂层。从该段岩芯中挑选出5个陆生植物残体和8个全有机质样品进行AMS 14 C定年，并基于“多层位逐步”多项式回归方法校正了碳库效应，进而建立了钻孔顶部24.6 m沉积物过去约11700年以来的年代框架。通过开展粒度测试，并与不同来源的沉积物粒度分布特征对比，同时结合SEM图像，发现达连海全新世沉积物中的数层砂层代表了低水位时期，进而指示了亚洲夏季风衰退事件。研究结果显示，全新世存在多次百年-千年时间尺度亚洲夏季风衰退事件(11.6~11.3 cal.ka B. P.、10.4~9.5 cal.ka B. P.、6.4~6.0 cal.ka B. P.、4.6~4.4 cal.ka B. P.、3.7~3.4 cal.ka B. P.、3.1~2.9 cal.ka B. P.以及2.0~0.9 cal.ka B. P.)，但主要集中在距今约11700~9500年和6500年以来。对比本文达连海记录的亚洲夏季风衰退事件与低纬ENSO记录，发现二者主要出现在中晚全新世，这可能说明全新世百年-千年时间尺度上亚洲夏季风强度的变化与ENSO活动存在密切的联系。此外，亚洲夏季风表现出衰退事件的同时，高纬地区通常表现为气候变冷。考虑到全新世低纬地区的气候突变事件比北半球高纬地区的幅度大，因而低纬过程更有可能主导全新世的气候突变事件。
致谢: 感谢审稿专家和编辑部杨美芳老师宝贵的修改意见!感谢兰州大学资源环境学院李国强博士参与湖泊钻探；兰州大学资源环境学院王强参与实验工作。
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2 College of Urban and Environmental Sciences, Central China Normal University, Wuhan 430079, Hubei)
Abstract
Asian summer monsoon is one of the important components of the global monsoonal system, whose decreasing has strong effects on the environmental changes, ecology safety, economic development, as well as social stability in its domains. The boundary regions of the modern summer monsoon are ideal places to study the monsoon intensity. However, the continuous sequence of decreasing monsoon events during the Holocene is still lacking. Dalianhai Lake is the terminal lake of the Shazhuyu River in the Gonghe basin(35.5°~36.9°N, 98.8°~101.4°E), northeastern Tibetan Plateau, which is located in the margin area of modern Asian summer monsoon system. In 2012, a 200-m-long core DLH12A(36°14'25.2"N, 100°23'55.0"E; 2852 m a.s.l.) was obtained from dry lake bed. In the present study, we focus on the upmost 24.6 m sediments which are composed of greyish-brown clay or silty clay between 24.6 m and 17.0 m, and greyish silty clay in the 0-17 m interval. Seven layers of well sorted sand were found at the depth of 6.0 m, 12.9 m, 14.6 m, 16.5 m, 19.0 m, 23.0 m and 24.3 m. Based on AMS 14C(accelerator mass spectrometry radiocarbon) dating results from 5 terrestrial plant remains and 8 bulk organic matter samples, and the applying of multi-steps and layers polynomial curve fitting, the age-depth chronology model of the studied core was successfully established for the period from 11.7~0 cal.ka B. P. Hydrological variations in the basin and decreasing events of the Asian summer monsoon were reconstructed based on analyzing of grain size(contents of > 63 μm particles) and SEM(scanning electron microscope) images of the sediments. The well-sorted sand layers in the studied sediments represent centennial-to millennial-scale decrease of the lake level, further indicating the decrease of precipitation and weakening of the Asian summer monsoon. All these events occurred during the period from 11700 cal.a B. P. to 9500 cal.a B. P. and since 6500 cal.a B. P.(11.6~11.3 cal.ka B. P., 10.4~9.5 cal.ka B. P., 6.4~6.0 cal.ka B. P., 4.6~4.4 cal.ka B. P., 3.7~3.4 cal.ka B. P., 3.1~2.9 cal.ka B. P. and 2.0~0.9 cal.ka B. P.). The abrupt weakening events of the Asian summer monsoon during the Holocene can be well compared with the ENSO events in the low altitude, indicating that the abrupt decreasing of Asian summer monsoon may be closely linked to the ENSO events during the Holocene.