2020, Vol.41
2 西安交通大学全球环境变化研究院, 陕西 西安 710054;
3 中国科学院地质与地球物理研究所, 中国科学院新生代地质与环境院重点实验室, 北京 100029;
4 中国科学院地球科学研究院, 北京 100029;
5 中国科学院大学, 北京 100049)
火山活动被认为是影响全球温度百年到千年时间尺度上变化的最主要因素[1]。对于该问题的研究在近40年来得到了长足的发展，得益于以两极冰芯为研究对象，以硫酸盐浓度为指标，重建的长时间尺度火山喷发记录的出现[2~7]。其研究方法主要有两种，一是将火山喷发事件与降温事件进行对比，这些降温事件包括树轮记录中霜轮的出现[8]、树轮宽度和密度的变化等[9~12]，这类研究的结果通常显示大规模的火山喷发事件和降温事件之间有较好的对应关系，只是不能达到一一对应的水平；另外一种研究方法是基于连续记录的相关性分析，而这类分析方法的结果往往大相径庭。例如，格陵兰地区氧同位素记录和俄罗斯科拉半岛树轮宽度指示的夏季温度变化都与火山喷发记录之间有很好的相关性[1, 13]，然而，我国中低纬度地区树轮记录重建的生长季温度变化和火山喷发记录之间的系统相关性都比较差[14~15]。究其原因，很可能是因为中低纬度地区的树轮生长受到温度、降雨和光照等多种因素的共同影响[16]，造成树轮重建的区域生长季温度存在偏差，因此，我们需要在中高纬度地区寻找新的温度定量重建指标来探讨火山喷发对区域温度变化的影响。而生物标志化合物近年来的发展为此提供了可能。
新兴的生物标志化合物甘油二烷基甘油四醚类脂物(Glycerol Dialkyl Glycerol Tetraethers，简称GDGTs)的支链甘油二烷基甘油四醚(branched Glycerol Dialkyl Glycerol Tetraether lipids，简称brGDGTs)是由以酸杆菌(Acidobacteria)[17~18]为代表的细菌产生，广泛存在于土壤、河流、泥炭和湖泊沉积物中，由于其具有定量重建陆地温度的潜力而得到了广泛的关注[19~21]。brGDGTs是细菌细胞膜脂的重要组成部分，由醚键连接2个甘油分子与2个具有不同数量(1~3个)甲基和五元环的烷基链而成[22]。具有不同brGDGTs分布特征的细菌群落会发生调整以适应环境变化，所以brGDGTs的分布特征可以反映其环境条件的变化[23]。Weijers等[23]根据全球134个土壤样品及其所在的环境参数统计发现brGDGTs的甲基数量和五元环数量与年均气温和土壤pH有很好的相关关系，基于此，建立了反映甲基数量的甲基化指数(methylation index of branched tetraethers，MBT，见公式(1))和反映五元环数量的环化指数(cyclisation ratio of branched tetraethers，简称CBT，见公式(2))，并建立了年均气温的校准公式。此后，brGDGTs这一温标被引于湖泊沉积物中，建立了多个全球和区域性的湖泊校准公式[24~31]，并在温度定量重建中得到了较好地应用[32~36]。新的色谱分离方法把brGDGTs中甲基位于5号位和6号位的异构体(下文称为5-甲基brGDGTs、6-甲基brGDGTs)分离开[37]，并发现基于5-甲基brGDGTs建立的甲基化指数与年均气温相关性更强，建立了基于在5，6-甲基brGDGTs的新的指标和校准公式[38]。不过中国湖泊沉积物中brGDGTs调查结果显示6-甲基brGDGTs与温度相关性更好，显然与土壤样品的结果并不一致[39]。考虑到湖泊和土壤中5，6-甲基brGDGTs与温度的关系尚不清楚，所以在重建温度变化的过程中应该谨慎使用[32]。
公式(1)和公式(2)如下：
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(1[23]) |
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(2[23]) |
近300年来的气候变化在经历了小冰期之后，进入了全球变暖期，对中高纬度地区产生了更为显著的影响[40]。这一时期的气候变化研究涉及代用指标、历史文献与器测数据的衔接，因此温度定量重建是研究的重点和热点。然而，这一时期温度定量重建记录主要来自树轮记录[41]，来自石笋氧同位素记录[42]、湖泊沉积物中孢粉[43]和生物标志化合物[44]的记录数量相对较少。树轮记录的分辨率虽然高，但是常常受到除了温度以外，其他多种因素，如降水和光照等的影响[41]。
因此，为了精确重建中高纬度地区的温度变化，本研究拟利用阿尔山地区鹿鸣湖湖泊沉积物中brGDGTs指标，定量重建近300年来大兴安岭地区的生长季温度变化曲线，并讨论火山喷发事件对研究区温度变化的影响。
1 研究区概况鹿鸣湖(47°24′N，120°30′E，海拔1179m)位于内蒙古自治区东北部阿尔山地区(图 1a和1b)，是一个火山堰塞湖，湖泊面积约为1.18km2，最大深度约为3m[45]，湖面在每年10月底至次年4月处于冰封状态。阿尔山地区属于温带大陆性季风气候，夏季温暖多雨，冬季寒冷干燥(图 1c)，距离鹿鸣湖48km处阿尔山气象站(47°10′N，119°56′E；海拔1096m)监测数据显示，该地1953~2018年年平均温度为-2.65℃，5~9月平均温度为12.5℃，年降水量为441.4mm，降水主要集中在夏季6~8月，占年降水量的65%~70% (数据来源于：http://data.cma.cn)。
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图 1
鹿鸣湖及其沉积岩芯的采样点位置
(a)鹿鸣湖位置图；(b)采样点位置图；(c)阿尔山地区气候图 红线：1953~2018年平均月温度(℃)；柱状图：1953~2018年平均月降水量(mm) Fig. 1 The location of Luming Lake and the sampling site of the sediment core. (a)Location map of Luming Lake; (b)Location map of sampling point; (c)Climate diagram of Luming Lake. The red line is the mean air temperature during 1953~2018 A.D.(℃) and histogram is the mean precipitations (mm) during 1953~2018 A.D. |
2017年7月，研究组在鹿鸣湖湖心用重力钻钻取了长约85cm的沉积物岩芯。在实验室，按照1cm间隔对岩芯连续采取85个样品，进行冷冻干燥后，每个样品取1~7g进行GDGTs测试分析。
2.2 样品处理及测试分析称取1~7g左右冷冻干燥后的样品，用二氯甲烷：甲醇的混合液(9:1，V/V)超声振荡15min，离心收集上层清液，重复超声萃取3次，将所有抽提好的样品在氮气下吹干。利用硅胶柱层析法对样品中非极性和极性样品进行分离，正己烷洗脱获取非极性组分，二氯甲烷：甲醇(1:1，V:V)洗脱获得含有GDGTs的极性组分。并用正己烷：乙酸乙酯(84:16，V/V)溶解样品通过0.45μm的PTFE滤膜除去颗粒物质和大分子化合物，风干后保存于冷藏柜中待测。
GDGTs测试由安捷伦1200系列的高效液相色谱-大气压化学电离源-质谱联用仪(HPLC-APCI-MS)仪器完成。测试前加入已知含量的C46GDGTs作为内标[46]，并加入500μL正己烷:乙酸乙酯(84:16，V/V)混合溶剂进行溶解，进样量为10μL。详细测试方法与Feng等[36]一致。鹿鸣湖样品的GDGTs测试工作在中国科学院青藏高原研究所完成。
3 结果与讨论 3.1 沉积岩芯年代测定鹿鸣湖岩芯年代框架由AMS14 C结合137 Cs和210 Pb完成。在鹿鸣湖岩芯底部81cm处挑选出陆生植物叶片残体，送至Beta实验室完成AMS14 C的测试工作，结果显示该植物残体校准后年龄为237±5cal.aB.P.即1713±5 A.D.(图 2a)。另外，将整个岩芯分为3部分，1~13cm岩芯以1cm为间隔进行采样，13~21cm岩芯以2cm为间隔进行采样，21~85cm岩芯以4cm为间隔进行采样，共采集了22个样品送至中国科学院地球环境研究所进行210 Pb和137 Cs测试分析(图 2b~2d)。结果发现总的210 Pb活度随深度呈指数递减，岩芯29cm以下逐渐稳定，137 Cs在岩芯29cm处开始出现，并在10cm处达到最大峰值，该最大蓄积峰可能对应1963年全球137 Cs散落的高峰期。采用恒定供应速率(CRS)模型以137 Cs峰作为定时标记[47]，计算出岩芯顶部29cm年龄，岩芯29~81cm年龄根据AMS14 C和210 Pb、137 Cs年龄内插计算而得。
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图 2 鹿鸣湖沉积岩芯的深度-年龄模型 Fig. 2 Depth-age model of the Luming Lake sediment core |
鹿鸣湖岩芯样品中均检测到了类异戊二烯GDGTs(iGDGTs)和brGDGTs，brGDGTs含量为4.7~103.3 ng/g，平均为40.9 ng/g，占总GDGTs含量的83.9%左右。brGDGTs相对丰度如图 3所示：brGDGTs-Ⅲc和Ⅲc′含量最低，分别占brGDGTs总含量的1%和0，而Ⅱa、Ⅱa′、Ⅰa和Ⅲa相对含量最高，约占brGDGTs总量的74.6%。含有5个甲基的brGDGTs(pentamethylated brGDGTs)相对含量最高约为49.8%，含有6个甲基的brGDGTs(hexamethylated brGDGTs)相对含量约为27.4%，含有4个甲基的brGDGTs(tetramethylated brGDGTs)相对含量最低约为22.8%。这与东北地区多个火山湖brGDGTs分布类似[45]。
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图 3 brGDGTs的相对丰度 Fig. 3 Fractional abundance of brGDGTs |
由于不同地区气候具有巨大的差异性以及湖泊沉积环境的复杂性，所以选择合适的校准公式进行温度重建就显得尤为重要。对于中高纬度湖泊，显著的气候季节性特征会导致brGDGTs源菌生长存在较大的季节性差异，这种季节性差异会导致在使用重建年平均温度的校准公式时可能会出现比较大的偏差。有研究发现高纬度地区湖泊brGDGTs的分布特征与生长季节温度(夏季或温暖季节)的相关关系要好于年平均温度[27, 29, 39]，并且将已发表的年均温校准公式应用于中高纬度湖泊时，重建结果与当地夏季温度更为一致[48]。对中高纬度湖泊brGDGTs现代过程的调查也证明了中高纬度地区湖泊brGDGTs对季节性变化比较敏感[49]，其源菌在夏季更加繁盛，代谢强度也更大[27, 50]，这种差异主要是受到水体营养物质供应[33, 51]或季节性冰层[48]影响。在春秋季节发生湖水循环的中高纬湖泊中，brGDGTs通量在春秋季节达到最大[33, 51]。鹿鸣湖位于大兴安岭中段阿尔山地区，受季风气候影响显著，季节性差异明显，每年有7个月(10月至次年4月)的冰封期。长时间的冰封会导致鹿鸣湖湖水中营养物质缺乏，brGDGTs源菌生长受限制，所以鹿鸣湖brGDGTs所指示的可能是生长季温度而非年平均温度。由于鹿鸣湖每年只有5~9月是无冰期，所以认为其生长季为5月至9月。
此外，本研究对比了器测温度(年平均温度和5~9月温度)与已发表的16个brGDGTs校准公式重建的鹿鸣湖钻孔顶部3个样品的平均温度(表 1)，结果显示所有的重建温度均远高于鹿鸣湖地区年平均温度，并且只有两个校准公式(表 1中加粗字体)重建的生长季温度结果与鹿鸣湖地区5~9月的器测温度较为一致。所以本研究将使用Sun等[27](公式(3))和Pearson等[29](公式(4))建立的校准公式进行鹿鸣湖地区的温度重建。
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表 1 鹿鸣湖地区器测温度与不同brGDGTs校准公式重建温度对比表 Table 1 Comparison between the measured temperatures and the reconstructed temperatures by different calibrations |
本研究中brGDGTs相关公式计算如下：
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(3[27]) |
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(4[29]) |
根据鹿鸣湖湖泊沉积物序列的brGDGTs记录重建的阿尔山地区近300年来的生长季温度变化曲线显示(图 4)，MSAT曲线和Tw曲线的变化趋势较为一致，即从18世纪到20世纪初之间的200多年，生长季温度呈波动趋势，自20世纪初至20世纪90年代呈持续降温趋势，之后表现出较为明显的增温趋势。现代器测数据显示，自1953~2019 A.D.，阿尔山地区5~9月的平均温度为12.5℃，最低值为10.5℃，最高值为14.7℃，温度变幅为4.2℃。从绝对数值上来看，MSAT的平均值在14.8℃；最低值为12.2℃，出现在1996 A.D.左右；最高值为17.6℃，出现在1849 A.D.左右；温度变幅为5.4℃左右。Tw的平均值在13.8℃；最低值为12.0℃，出现在1996 A.D.左右；最高值为15.0℃，出现在1846 A.D.左右；温度变幅为3.0℃左右，与现代器测数据的各项数值均较为相符。而以阿尔山地区落叶松树轮宽度重建的1822~2008年间5~9月平均温度则在15.2~17.3℃之间变化，温度变幅仅为2.1℃左右[55]，与器测数据之间的差异较大(表 2)。因此，根据这些数据，我们认为基于鹿鸣湖湖泊沉积物序列的brGDGTs记录，根据孙青等[27]校准公式计算的Tw曲线较好地重建了阿尔山地区近300年来的生长季温度变化。
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图 4 鹿鸣湖brGDGTs重建生长季温度与格陵兰冰芯火山活动记录、树轮重建温度对比 (a)格陵兰冰芯沉积火山成因硫酸盐浓度；(b)鹿鸣湖brGDGTs重建生长季温度，①曲线为使用Pearson等[29]校准公式重建的MSAT结果，②曲线为使用Sun等[27]校准公式重建的Tw结果；(c)阿尔山地区树轮重建的生长季温度[55]，细实线为树轮重建值，粗平滑线为11年滑动平均 Fig. 4 Comparison of the brGDGTs-based growth season temperatures from Luming Lake, volcanic activity record from Greenland and tree ring-based temperatures(May to September). (a)Volcanic sulfate record from Greenland; (b)brGDGTs-based growth temperatures from Luming Lake(symbol① line is MSAT calibrated by Pearson et al. 2010[29], and symbol② line is Tw calibrated by Sun et al. 2011[27]); (c)The tree ring-based temperature record (thin line) from Arxan region[55], bold line was the 11-year moving average curve |
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表 2 阿尔山地区温度重建记录与现代器测数据的比较 Table 2 Comparison of temperatures reconstruction records in Arxan region and modern instrumental data |
由于年代分辨率的问题，brGDGTs记录重建的Tw曲线无法达到年际分辨率的水平，因此，生长季的降温事件无法与大型火山喷发事件形成完美的对应关系。但是，连续的记录为相关性关系的统计分析提供了可能。这里的大型火山喷发事件是指可以形成到达平流层喷发柱的布里尼式(Plinian)喷发，这与传统意义上以火山爆发指数(VEI)指示的大型火山喷发事件不同。因为，只有布里尼式喷发形成的喷发柱才能够携带大量的火山灰及火山气体(如H2S、SO2、SO3等)进入平流层，扩散至两极地区，使得两极冰芯中的硫酸盐浓度升高[56~57]。从图 4中可以看到，根据格陵兰地区GISP2冰芯中的火山硫酸盐浓度变化曲线反映的火山喷发记录，在20世纪初之前，大型火山喷发事件的发生频率较低，主要集中在1766~1785 A.D.和1816~1836 A.D.之间；而在20世纪初之后，大型火山喷发事件的喷发频率明显增加。与之相对应，阿尔山地区生长季的温度在1766~1785 A.D.和1816~1836 A.D.的降幅为0.6℃左右，20世纪初之前生长季温度的最低值就出现在这两个时间段；20世纪初之后，阿尔山地区生长季的温度从14.0℃左右持续下降到了12.0℃，降温趋势较好地响应了大型火山喷发事件发生频率的增加。利用PAST软件3.14版本计算得到[58]，全球火山喷发记录与阿尔山地区生长季温度记录之间的Pearson和Spearman相关系数[59]分别为-0.42和-0.41(表 3)，并通过了显著性检验(p＜0.01)。这说明近300年来大型火山喷发事件的发生频率和阿尔山地区的生长季温度变化有较好的相关性，火山喷发事件是阿尔山地区百年尺度上生长季温度变化的重要控制因素。
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表 3 火山活动与鹿鸣湖生长季温度变化相关系数 Table 3 Correlation coefficient between volcanic activity and temperature variation in growing season of Luming Lake |
这一结果与我国的中低纬度地区的生长季温度变化和火山喷发事件之间的系统相关性都比较差的结果不同[23]，究其原因是中低纬度地区的绝大部分温度定量重建记录都来自于树轮记录[60~69](表 4)。虽然有些树轮记录的降温事件与火山喷发事件有较好的对应关系[70]，但是来自秦岭太白山[63]、青海巴颜喀拉山[64]、甘肃地区[65]和四川九寨沟[69]的树轮记录都显示，根据树轮记录重建的温度变化记录都受控于年际-年代际尺度上的PDO(太平洋年代际涛动)、NAO(北大西洋涛动)和ENSO(厄尔尼诺-南方涛动)事件的影响，而非百年尺度上最为重要的火山活动影响。虽然，树轮记录具有定年准确、分辨率高等特点，但是同时受到温度、降水、光照等因素的共同影响[41]，因此，其结果很难仅仅反映温度的变化，而是更多地响应这些会对温度和降水造成共同影响的事件。另一方面，纬度的差异也可能是影响温度变化对火山喷发事件响应敏感度的因素。如同属东北地区的小龙湾玛珥湖长链烯酮指标重建的温度变化就明显受到了火山活动的影响。因此，阿尔山地区鹿鸣湖brGDGTs指标重建的生长季温度变化与大型火山喷发事件有较好相关性的主要原因，可能是由于研究区位于中高纬度地区，区域环境对于温度的变化响应更为敏感，而且生物标志化合物brGDGTs指标的控制因素比较单一[23]。
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表 4 不同指标定量重建我国近百年来气候变化特征 Table 4 Quantitative reconstruction of climate change characteristics in China in the past century with different indicators |
另外，前人研究认为，在1850年之前火山喷发事件对温度变化的影响明显，而在1850年之后，随着工业化革命的进程加速，人为温室气体的排放，已经使得火山喷发事件对温度变化的影响显著降低[16]。而根据Pearson和Spearman相关系数的计算结果显示，1850~1985 A.D.全球火山喷发记录与阿尔山地区生长季温度记录之间的相关系数分别为-0.47和-0.59(表 3)，高于整个序列的相关系数，且均通过显著性检验(p＜0.01)。这说明在工业时代，火山喷发事件仍是阿尔山地区生长季温度变化的主要因素。
4 结论综上所述，本研究根据鹿鸣湖湖泊沉积物序列的brGDGTs记录，重建了阿尔山地区近300年来的生长季温度变化曲线，结果显示从18世纪到20世纪初，生长季温度变化呈波动趋势，自20世纪初至20世纪90年代呈持续降温趋势，20世纪90年代之后表现出比较明显的增温趋势。近300年来，研究区生长季温度的平均值在13.8℃左右，最低值为12.0℃，出现在1996 A.D.左右；最高值为15.0℃，出现在1846 A.D.左右，温度变幅为3.0℃左右。将生长季节温度变化曲线与火山喷发记录对比，发现研究区生长季降温事件的发生与大型火山喷发频繁的时段有较好的对应关系，区域生长季温度的变化与火山喷发频率之间有较好的相关关系，揭示了火山喷发事件是研究区百年尺度上生长季温度变化的重要控制因素。
致谢: 感谢审稿专家不厌其烦地对文章提出的建设性的意见；感谢赵淑君老师认真负责地编辑！
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2 Institute of Global Environmental Change, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710054, Shaanxi;
3 Key Laboratory of Geology and Environment, Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029;
4 Institutions of Earth Science, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029;
5 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049)
Abstract
Volcanism is considered to be the most important factor affecting global temperature changes on centennial/millennial time scale. The study on this issue has made considerable progress in the past 40 years, attributes to the appearance of long-term volcanic eruption records reconstructed by the sulfate concentration from polar ice cores. Although there is a good correspondence between large-scale volcanic eruptions and regional cooling events, the systemic correlation between the growth season temperature changes reconstructed from the tree-ring records from low-and mid-latitude regions and the volcanic eruption records are relatively poor. The reason may be that the growth of tree rings in low-and mid-latitude regions is affected by a variety of factors such as temperature, rainfall, and photosynthesis, resulting in deviations of the temperature reconstruction for growth season. Therefore, new quantitative temperature reconstruction indicator in mid- and high-latitude regions is expected to explore the impact of volcanic eruptions on regional temperature changes. In order to solve this problem, the new biomarker indicator widely branched glycerol dialkyl glycerol tetraether lipids(brGDGTs), which is abundant in lacustrine sediments, has been used in quantitative past temperature reconstruction. In recent years, with the continuous maturity of GDGTs analysis technology and quantitative reconstruction calibration methods, it has become possible to quantitatively reconstruct regional summer temperature changes using MBT and CBT in lacustrine sediments.In this study, a 85 cm-long gravity core was drilled in the central part of Luming Lake(47°24'N, 120°30'E; 1179 m a.s.l.), NE China. The second half was sub-sampled at 1 cm intervals and these samples were freeze-dried, and 1~7 g was collected to analyze the GDGTs. The chronology was based on the 22 210Pb/137Cs dates and 1 AMS 14C dates. This study presented an independent growth temperature(May-September) record based on brGDGTs during the last 300 years from Luming Lake, Arxan region, Northeast China. The results show that the average growth season temperature in the study area is ca. 13.8 ℃ in the past 300 years, and the range is ca. 3.0 ℃. From the 18th century to the beginning of the 20th century, the growth season temperature in study area showed a fluctuating trend. From the beginning of the 20th century to the 1990s, it continues to drop from about 14.0 ℃ to 12.0 ℃, which indicates that the cooling responds well to the increasing frequency of large-scale volcanic eruptions. After the 1990s, it shows an obvious warming trend. The results of the correlation analysis show that the frequency of the large-scale volcanic eruptions has a good correlation with the growth season temperature changes in Arxan area in the past 300 years. Volcanism is an important control factor for the growth season temperature changes on centennial time scale in study area.