末次冰消期以来，千年、百年尺度的快速气候突变事件一直是国内外许多学者研究的热点。根据格陵兰冰芯的记录，晚冰期表现为一系列的千年尺度和百年尺度的气候变化波动^[1]，在全新世的气候变化研究中，也有越来越多的证据表明全新世的气候是不稳定的^[2-8]。近年来，以泥炭、冰芯、湖泊沉积物为对象来重建古气候变化的研究越来越多^[9-14]。我国南岭及以南纬度地区是研究东亚夏季风的理想区域，Zhou et al.^[15]和萧家仪等^[16]以孢粉、总有机碳、岩相等为研究对象对大湖地区末次冰消期以来的植物与环境演变进行了探讨。薛积彬等^[17]通过对南岭东部大湖泥炭沉积记录的腐殖化度、总有机碳及磁化率等环境代用指标的综合分析，在可靠¹⁴C测年技术的支持下，重建了南岭东部大湖12 ka以来的气候与环境变化过程。欧阳军等^[18]对定南大湖K02和KD钻孔的研究揭示了该区16.0 ka B.P.以来的水文变化过程。Zhong et al.^[19-22]也运用干密度、平均粒径、腐殖化度、碳同位素等多种代用指标，对当地的自然环境演化做了详细的论述。

湖泊沉积物粒径作为一种有效的古气候、古环境重建指标，在相关研究中其发挥的作用和意义显著。近年来运用数学方法提取敏感组分作为古环境古气候重建指标的研究已经取得了很多成果，如孙东怀等^[23]提出从数学特征上提取敏感组分的方法；向荣等^[24-25]对位于东海陆架济州岛西南泥质区的B2钻孔进行了沉积物粒度分析，从中提取出了对沉积环境变化敏感的粒度组分；肖尚斌等^[26]对东海内陆架泥质沉积区的DD2钻孔和悬浮体进行了陆源物质提取，通过计算粒级—标准偏差的变化获得了对沉积环境变化较为敏感的粒度组分；薛积彬等^[27]根据中国西北干旱区巴里坤湖BLK-1剖面沉积物的粒度分析，采用粒级—标准偏差法提取了对沉积环境变化敏感的粒度组分，重建了过去200年和9.4 ka B.P.以来的风沙活动。

本文基于¹⁴C测年的结果，建立准确的年代序列，通过提取对环境敏感的粒度组分来探讨定南大湖地区晚冰期以来的水文变化过程。

1 研究材料和实验分析

大湖湖沼(24°45.3′~24°45.7′N、115°02.1′~115°02.3′E)位于粤赣两省的交界处(图 1)，湖沼总面积0.80 km²，海拔246 m。研究区三面环山，破碎的低山丘陵和众多大小不等的红色盆地相间分布，花岗岩广泛露出，易风化的粗粒与中粒斑状黑云母花岗岩风化后在洼地处堆积，形成深厚疏松的红色风化层，大气降水迅速下渗形成丰富的地下水，大量的植物残体在低洼处封闭的储水环境中沉积下来，发育沼泽，堆积泥炭^[28]。研究区气候属于亚热带季风性湿润气候，且同时受到东亚季风和南亚季风的共同影响，1月平均气温8.3 ℃，7月平均气温27.3 ℃，多年的平均气温17.8 ℃，年均降水量约1 592 mm^[29]。

K02钻孔位于湖沼偏东北方向，岩芯总长348 cm，按1 cm间距在现场进行连续取样获得样品348个。粒度实验在华南师范大学地理科学学院粒度实验室完成，采用Malvern 2000激光粒度分析仪进行分析，测量量程为0.02~2 000 μm，样品重复测量误差小于5%，具体实验过程、岩性和年代图的建立参照Zhong et al.^[21]的研究成果。K02钻孔测年样品为12个，详细测年材料与方法参照参考文献[18]，测年结果显示K02钻孔底部年龄约为16.0 ka B.P.(图 2)。

2 敏感组分的提取

在提取沉积物中的环境敏感粒度组分时，粒级—标准偏差算法已经得到了广泛的应用，其原理是通过研究激光粒度仪所输出的样品每一粒级所对应含量的标准差变化而获得整个沉积序列粒度变化存在显著差异的粒度组分的个数和分布范围^[30]。标准差越大则数据变异程度越大；反之亦然。一般情况下，差异大的粒径区间即为对环境比较敏感的组分。沉积物粒度的频率分布曲线能比较直观的反应出其粒度组分特征，从图 3a的K02钻孔各层位样品粒级含量的频率分布曲线可以看出，其形态和分布范围大体一致，主要表现为一明显的单峰，可能指示了整个K02钻孔的沉积环境相对稳定，控制因素为较单一的物源或水动力条件。

从图 3b所示的K02岩芯整个剖面的粒径—标准偏差曲线可以清楚看出，在5.6 μm和25.2 μm处有2个标准偏差波峰，在10 μm处为波谷，因此可以认为，K02钻孔至少存在两个对环境比较敏感的组分。另外，从图 3所示出的不同岩性层位的粒径—标准偏差曲线可以得知，泥炭层对沉积环境较为敏感的组分可以划分为＜10 μm和＞10 μm；有机质层对沉积环境较为敏感的组分可以划分为＜8.9 μm和＞14.2 μm；淤泥层对沉积环境较为敏感的组分可以划分为＜11.2 μm和＞12.6 μm。通过对比各个层位和整个剖面的敏感组分，暂且可以把K02钻孔对沉积环境较为敏感的组分划分为粒径＜8.9 μm和粒径＞14.2 μm两个较大的粒度敏感组分范围。

为进一步确定对环境变化较为敏感的粒级，以粒级为变量，通过SPSS.19软件进行主成分因子分析，获得三个主控因子F1、F2和F3，分别可以解释粒级对环境变化敏感程度的37.5%，30.3%，14.4%。系数的绝对值越大，即越接近± 1，该变量对该因子的代表性就越大，也就更能反映该因子的特征^[31]。为了使选取出的敏感组分更具有代表性，我们认为三个主成分的系数大于0.7时，所对应的粒径对环境的变化比较敏感。因此，如图 4所示，我们最终确定了3个敏感组分，即0.6~7.1 μm为组分1(C1)，20~44.8 μm为组分2(C2)，89.3~447.7 μm为组分3(C3)。

3 大湖湖沼K02孔沉积物粒度组分的讨论及指示意义 3.1 敏感粒度组分的讨论

C1和C2两个敏感组分的百分含量在剖面垂直方向上的变化如图 5所示，C1和C2都有着明显的波动变化，且变化方向大体相反。在与总体剖面平均粒径的变化曲线对比中发现，C2含量与总体平均粒径的变化较为一致，而C1则呈现相反变化。然而，从图 6的两个敏感组分的平均粒径曲线来看，C1的平均粒径在整个剖面中没有明显的变化，几乎呈现一条直线，而C2的平均粒径变化则十分的明显。这表明总体剖面平均粒径的变化主要是由C2所引起的，C2是K02剖面中对环境变化较为敏感的粒度组分。另外，之前学者的研究表明，大湖湖沼地区由于被低山环绕形成封闭性的湖盆，并没有河流的注入，所以其沉积物的来源应该是花岗岩风化物被雨水形成的坡面流水冲刷到湖沼当中的。定南大湖坡面流水的水动力比较弱，所以不太可能携带大颗粒的物质进入湖沼^[23]。因此C3大粒径敏感组分的形成可能是由于个别样品的贡献，也可能代表了某段时间的极端气候变化所带来的大颗粒物质，又由于C3总体含量低于3.5%，所以，本文主要讨论了C2可能代表的环境指示意义。

由图 5已经得知，K02岩芯总体剖面粒径与C2百分含量的变化趋势比较一致。为了说明C2作为敏感组分比总体剖面平均粒径更能指示近16 000以来的气候变化，我们比较了其在16 ka B.P.之间的变化幅度。从图 7中的变化曲线可以看出，C2敏感组分相比总剖面粒径在近16 ka B.P.以来的变化幅度要更加明显。尤其是在16~15 ka、14~13 ka、11~12 ka、10~7 ka、6~4 ka之间，C2敏感组分的变化幅度比较大，相比总剖面平均粒径的变化幅度也更加直观，可能对应于老、中、新仙女木事件以及9.5 ka、8.2 ka、5.5 ka、4.2 ka等冷事件。因此可以说明，C2组分相对总剖面粒径对气候的响应更加敏感。综合上文对敏感组分的讨论，以C2作为敏感组分来探究其可能指示的环境意义是可行的。

3.2 敏感组分与其他指标的对比

已有学者在大湖地区气候变化研究方面已经取得了很多成果^{[18-20, 22]}，本文通过与前人所用大湖指标的对比来探讨敏感组分所反映的干湿状况变化，所选取的指标包括有机碳含量(TOC)、δ¹³C和干密度。当降水量少的时候，表现为TOC增高，δ¹³C偏正，干密度偏小；降水量增多时，表现为TOC降低，δ¹³C偏负，干密度偏大^[19-20]。

根据C2敏感组分的变化(图 8)，可以划分为四个阶段：1)晚冰期(16~11.5 ka B.P.)的敏感粒度与其他代用指标有着相似的变化趋势。16~15 ka B.P.期间，C2含量偏高，范围为10.28~25.55%，可能指示大湖湖泊水位偏低，气候比较干旱，这与Zhong et al.^[22]的研究认为的此时期δ¹³C值偏正对应冷干气候的结论一致，可能对应于老仙女木事件。15~12.8 ka B.P.期间，C2含量偏低，尤其是在15~14 ka B.P.期间，C2含量范围为13.38%~17.17%，指示了较高的湖泊水位和较湿润的气候，之前的研究认为此期间TOC、δ¹³C值偏低，气候温暖，可能对应于博令暖期；C2对冷事件的记录也比较明显，比如13.5 ka B.P.前后，C2含量的突然升高，此时的气候突变可能对应于中仙女木事件。此后12.8~11.5 ka B.P.期间，C2含量突然升高，范围在19.0~30.9%之间，气候干旱，此时期与TOC、δ¹³C值偏高、干密度降低所指示的冷干气候的结论一致，大湖湖沼进入了晚冰期以来最冷的阶段—新仙女木时期。2)早中全新世11.5~6 ka B.P.阶段，C2组分含量介于13.21%~44.52%，平均值为20.88%，且总体呈下降趋势，指示了湖泊水位偏高及湿润的气候条件；C2含量的上限值(44.52%)较高的原因，可能是受到“9.5 ka”、“8.2 ka”等冷事件的影响；这一结果与Zhong et al.^[22]的研究δ¹³C值和TOC偏低、干密度增大所指示的全新世适宜期时间是基本对应的。萧家仪等^[16]根据对江西定南大湖泥炭中的孢粉研究，也认为该研究区11.5~6 ka B.P.为全新世适宜期，气候温暖湿润。3)全新世中晚期6~3.8 ka B.P.阶段，C2组分含量迅速升高且波动较大，指示了当时的气候不太稳定；结合TOC、δ¹³C值升高、干密度值减小认为，大湖湖沼地区此时期的气候可能比较干旱。4)全新世晚期3.8 ka至今，由于人类活动因素逐渐加强^[15]，且该阶段的敏感组分分辨率较低，在此不做详细讨论。

综合定南大湖各项指标以及与GISP2冰芯^[1]、董哥洞D4石笋δ¹⁸O^[32]的对比发现，大湖湖沼C2含量在晚冰期阶段与GISP 2冰芯、董歌洞石笋记录有比较一致的对应关系，且时间对应比较好，这说明大湖地区近16 ka B.P.的气候变化具有全球性。进入全新世以后，董歌洞石笋δ¹⁸O记录与C2含量记录变化较为一致，对“8.2 ka”、“9.5 ka”等冷事件的记录也基本在同一时间范围内；敏感组分C2对于仙女木、“8.2 ka”、“9.5 ka”等冷事件的记录要比K02孔的其他指标所记录的信息更加明显。

4 研究区水文环境的形成机理

湖泊悬浮微粒沉积过程与其输导机制和沉积环境的密切关系，已经被很多学者广为接受^[34]。湖泊沉积物粒度组成的控制因素一般认为主要有三个：1)碎屑物质来源，2)湖泊水位变化，3)湖泊水动力^[34-35]。由于定南大湖湖盆较小，且相对封闭，水动力较弱^[23]，湖泊粒度成分可能主要受到碎屑物质来源和水位变化的影响。另外，已有学者通过对湖泊沉积与水动力模型的研究，得出中国大理湖表层沉积物5种粒度组分C1、C2、C3、C4和C5所对应的粒度大小分别为0.7~1.6、1.9~8.8、10.5~53.0、68.2~157.7和203.0~514.7 μm；并认为，这5种粒度组分分别可以指示悬浮黏土颗粒成分、离岸悬浮细粉砂成分、离岸悬浮中粗粉砂成分、近岸悬浮细砂成分和近岸跃移中砂成分^[36]。Huang et al.^[37]对中国南海钻孔的研究也认为，13~28 μm的粒度组分主要是受到水位变化的影响。

因此，从上文我们所得到的定南大湖的三个粒度敏感组分来看，C1(0.6~7.1 μm)，C2(20~44.8 μm)C3(89.3~447.7 μm)可以分别代表离岸悬浮黏土细粉沙成分、离岸悬浮中粗粉砂成分和近岸细中砂成分。当气候湿润、降水增多、湖泊水位偏高时，K02钻孔位置离岸偏远，C1百分含量偏高，C2百分含量偏低；相反，当气候干旱、降水偏少、湖泊水位降低时，K02钻孔离岸较近，C1百分含量偏低，C2百分含量偏高(图 5)。这也说明了较大(小)的平均粒径和敏感组分可能反应了较浅(深)的湖泊水位或较强(弱)的水动力^[38]；而C3的百分含量在近16 ka B.P.以来都是偏低的，可能是因为当湖泊水位偏低甚至转为湖沼过程中，气候干旱雨水偏少，周围湖盆冲刷进湖泊的碎屑物质偏少；再者，生长旺盛的地表植被也对碎屑物质起到了一定的阻碍作用。

以上分析表明，定南大湖粒度敏感组分的变化趋势可以反应定南大湖的水文变化特征。当C2敏感组分含量高的时候，说明悬浮颗粒中的中粗粉砂含量偏高，可能指示了当时定南大湖气候比较干旱，降水偏少，湖面萎缩，水位降低，K02孔位置离岸较近；反之，C2敏感组分含量低的时候，气候比较湿润，降水较多。因此，研究区敏感组分的变化与降水有着密切的联系。研究区属于亚热带季风性湿润气候，降水主要受到亚洲夏季风的影响。夏季风强，大湖地区降水多，气候表现的就较为湿润；夏季风弱，大湖地区降水少，气候表现的就较为干旱。而对于亚洲季风强弱的形成机制，已有很多学者做了比较全面的研究，例如Wang et al.^[39]在贵州荔波董歌洞的研究中，对石笋的氧同位素与太阳活动记录进行了对比，发现两者之间有比较好的相关性：较高的太阳辐射(较低的大气剩余Δ¹⁴C)对应较强的亚洲夏季风，较低的太阳辐射(较高的大气剩余Δ¹⁴C)对应较弱的亚洲夏季风；Zhong et al.^[40]通过对南岭西部大坪泥炭钻孔的有机碳同位素分析表明，较低的大气剩余Δ¹⁴C对应较强的亚洲夏季风，较高的大气剩余Δ¹⁴C对应较弱的亚洲夏季风。

本文将16 ka B.P.以来大湖C2百分含量与大气剩余Δ¹⁴C值丰度值做了对比，并且运用Schulza和Mudelsee共同设计的周期分析软件(Redfit38)对K02孔的C2含量进行了周期分析。如图 9所示，在90%的置信度检验下，检验出了1 070 a这一个千年尺度周期和若干个百年尺度周期(349 a，291 a，217 a，170 a，136 a，128 a，121 a和116 a)；其中所检验出来的349 a、291 a、217 a、136 a和121 a的周期在大气剩余Δ¹⁴C的周期中也有明显的对应，而且1 070 a、349 a和291 a的周期与Lim et al.^[41]在对韩国济州岛湖泊沉积物的研究所得到的1 056 a、370 a和289 a的太阳活动周期非常接近，349 a的周期与Sagawa^[42]和Liu et al.^[43]所研究的350 a的太阳活动周期对应较好；Cosford et al.^[44]通过金滩湾洞石笋δ¹⁸O所得到的121 a周期和Zhang et al.^[45]通过石笋研究所得到的117 a、138 a的太阳活动周期记录，也与本研究所得到的136~116 a的周期记录相吻合。

以上分析表明，通过定南大湖沉积物C2敏感组分所提取的能够反映研究区水文环境特征的周期与通过大气剩余Δ¹⁴C所反应出的太阳活动周期是具有可比性的，与他人研究得到的周期对应也较好。太阳活动的周期变化可能影响了亚洲夏季风的强弱变化，从而影响了定南大湖地区的水文变化特征，这说明定南大湖地区的气候环境变化可能受太阳活动驱使。

5 结论

通过对大湖湖沼地区粒度的分析，对粒度运用粒级—标准偏差法和主成分分析法提取出了对环境变化敏感的组分，并用敏感组分C2探讨了定南大湖近16 ka B.P.以来的气候变化。通过与该区其他指标对比发现，在16.0~11.5 ka B.P.期间，C2含量波动较大，依次经历了老仙女木事件、B/A暖期、新仙女木事件；全新世以后降水逐渐增多，在6.0~3.8 ka B.P.期间，降水则减少；与冰芯δ¹⁸O、董歌洞D4石笋δ¹⁸O的对比可以说明，定南大湖地区作为夏季风的桥头堡对全球气候的波动有比较敏感的反映。本文又对大湖地区C2含量与大气剩余Δ¹⁴C丰度值做了对比，并通过Redfit38周期分析软件得出研究区的几个太阳活动周期，与其他学者的研究周期有很好的吻合度。结果表明，南岭大湖地区的环境变化可能与太阳活动有关。