mis3期末次冰期-間冰期旋回碳同位素對大荔地區(qū)氣候和植被的影響

mis3（深度呼吸階段的第3階段）末的40.30kab.p，世界氣候處于弱溫暖期，青藏高原異常溫暖濕潤，達到了冰期的水平。史雅風等人被稱為“強夏風”和“高濕帶水風”。來自冰芯、湖泊和孢粉的證據(jù)表明,這一事件為青藏高原及其鄰區(qū)帶來了大范圍的豐沛降水。末次冰期中的“高溫大降水事件”的發(fā)現(xiàn),揭示了中國大陸氣候有別于全球的區(qū)域特征,其影響范圍和強度目前尚無確切結(jié)論。那么,在這一事件中,中國北方干旱、半干旱區(qū)所受的影響究竟有多大?氣候、植被是否發(fā)生明顯變化?類似的變化對黃土高原地區(qū)人民的生產(chǎn)和生活的干預程度如何?根據(jù)前人的研究,黃土-古土壤序列的δ13CSC(soilcarbonate)值是反映植被密度的地球化學指標,低δ13CSC值大體上指示了植被相對豐富、氣候濕潤的環(huán)境狀況(將于另文詳述)。黃土-古土壤序列有機質(zhì)的碳同位素組成反映的是古植被中C3植物與C4植物的相對比率。在年均溫低于15℃、年降水量超過1200mm的環(huán)境中,磁化率隨年均溫和年降水量的增加而增大,常被用作夏季風強度的替代性指標。還有學者認為,黃土-古土壤序列頻率磁化率的高低可以代表成土作用的強弱?？梢?綜合運用碳同位素、磁化率和頻率磁化率等古氣候代用指標,可以比較全面地判識地質(zhì)歷史時期局部地區(qū)降水量、植被密度、植被組成和成壤強度等的變化,進而推斷更大范圍內(nèi)的古環(huán)境狀況。因此,本文對位于關(guān)中盆地的大荔地區(qū)甜水溝和垣雷兩個剖面的碳酸鹽和有機質(zhì)碳同位素組成、磁化率和頻率磁化率進行了系統(tǒng)研究,初步討論了MIS3晚期的“高溫大降水事件”對黃土高原局部地區(qū)氣候和植被的影響,以求為全面解決上述問題提供新的參考。1智人的大力發(fā)現(xiàn)關(guān)中盆地位于陜西省中部,南依秦嶺,北為北山山系,西至隴山,東抵黃河之濱。大荔地區(qū)位關(guān)中盆地東部(圖1)。1978年3月,陜西省水電設計院地質(zhì)勘察隊的地質(zhì)工作者在關(guān)中盆地內(nèi)大荔縣甜水溝發(fā)現(xiàn)了一具人類頭骨化石,后被確認為早期智人中較古老的類型——智人大荔亞種(Homosapiensdaliensis)。大荔智人化石的發(fā)現(xiàn)得到了廣大古人類學家、地質(zhì)學家和古環(huán)境學家的重視[11,12,13,14,15,16,17,18],對大荔地區(qū)及其鄰區(qū)地質(zhì)與環(huán)境演變研究起到了推動作用。2洛河上的甜水壓剖面連續(xù)采集了大荔地區(qū)黃土-古土壤序列甜水溝剖面的S0、L1、S1和垣雷剖面的L1、S1(S0缺失)等層位的樣品。采樣地點位于洛河左岸,西安市東北約100km處(34°52′N,109°44′E)。其中,甜水溝剖面(或稱大荔剖面)即大荔人化石剖面出現(xiàn)在洛河三級階地的砂礫層中;垣雷剖面地處黃土墚上。馬蘭黃土,即L1,包含L1-1,L1-3,L1-53層黃土和L1-2,L1-42層弱發(fā)育的古土壤,自上而下依次對應于MIS2、MIS3a、MIS3b、MIS3c和MIS4(圖2)。2.1mat-32質(zhì)譜儀測試本文樣品碳酸鹽的碳同位素分析在中國科學院地球化學研究所環(huán)境地球化學國家重點實驗室完成。用磷酸平衡法1)制取CO2后送入MAT-252質(zhì)譜儀測試。采樣間距40cm,分析精度±0.1‰(PDB標準,下同)。2.2環(huán)境地球化學實驗室樣品有機質(zhì)碳同位素分析亦在中國科學院地球化學研究所環(huán)境地球化學國家重點實驗室完成。用安瓿法制取CO2、冷卻法純化后送入MAT-252質(zhì)譜儀測試,采樣間距20cm,分析精度±0.2‰。2.3低頻磁化率和高頻磁化率的測定樣品頻率磁化率測試在中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所完成。分別用0.47kHz和4.7kHz的頻率在磁化率儀BartingtonMS2上測得樣品的低頻磁化率和高頻磁化率后,再依下式計算出相應的頻率磁化率:頻率磁化率=(低頻磁化率-高頻磁化率)/低頻磁化率×100%χfd%=(χlf-χhf)/χlf×100%即:χfd%=(1-χhf/χlf)×100%采樣間距10cm。3結(jié)果大荔地區(qū)甜水溝剖面和垣雷剖面的分析結(jié)果如圖2所示。3.1層位13csc值碳酸鹽碳同位素分析結(jié)果顯示,甜水溝剖面δ13CSC值的分布范圍為-7.6‰～-4.0‰,各層位δ13CSC值分別如下:S1為-7.6‰～-5.8‰,L1為-6.3‰～-4.0‰。垣雷剖面δ13CSC值的分布范圍為-7.8‰～-3.4‰,其中S1為-7.8‰～-6.2‰,L1為-6.5‰～-3.4‰。3.2s0、19.4甜水溝剖面的δ13Corg值分布范圍為-19.4‰～-22.3‰。其中S1為-19.4‰～-21.7‰,L1為-20.6‰～-22.3‰,S0為-20.2‰～-20.7‰。垣雷剖面的δ13Corg值分布范圍為-19.9‰～-21.9‰,其中S1為-19.9‰～-21.9‰,L1為-20.6‰～-21.8‰。3.3土壤-植物基因組織甜水溝剖面頻率磁化率的分布范圍為2.5%～11.0%,其中S1為6.7%～11.0%,平均值9.5%;L1為2.5%～10.2%,平均值7.3%;S0為7.5%～10.1%,平均值8.7%。垣雷剖面頻率磁化率的分布范圍為3.7%～11.1%,其中S1為6.5%～11.1%,平均值9.7%;L1為3.7%～9.1%,平均值6.8%。就馬蘭黃土而言,L1-2和L1-4的δ13CSC值輕于L1-1、L1-3和L1-5,而δ13Corg值則相反。L1-2和L1-4的磁化率和頻率磁化率值均高于L1-1、L1-3和L1-5,L1-2表現(xiàn)尤為突出。總體上,在整個末次冰期-間冰期旋回中,甜水溝剖面和垣雷剖面的碳酸鹽碳同位素組成、有機質(zhì)碳同位素組成和頻率磁化率與磁化率有著基本同步的變化規(guī)律,但變化幅度有所不同。末次間冰期和末次冰期的間冰階,黃土-古土壤序列磁化率增強,碳酸鹽碳同位素組成偏負,有機質(zhì)碳同位素組成偏正,頻率磁化率增高;冰期的情況則與此相反。4討論4.1氣候特點及與植被的關(guān)系圖2顯示,若根據(jù)Z.Ding等的模式,將26kaB.P.和50kaB.P.分別作為黃土-古土壤序列馬蘭黃土中L1-2段的頂?shù)啄挲g,則在“高溫大降水事件”的發(fā)生期,即40～30kaB.P.的MIS3后期,大荔地區(qū)甜水溝和垣雷兩個剖面的古氣候替代指標有著相同的變化規(guī)律:δ13CSC值較末次冰期其他時段偏負;δ13Corg值略偏正(垣雷剖面變幅較小);磁化率明顯增高;頻率磁化率增高但幅度小于磁化率。如前所述,黃土-古土壤序列的全巖δ13CSC值可能指示著古植被的密集程度;δ13Corg值表征古植被中C3植物與C4植物的相對比率;磁化率反映了古降水量的高低;頻率磁化率則被用來推斷成壤強度。因此,在距今40～30ka的MIS3晚期,較之末次冰期的其他時段,大荔地區(qū)的氣候特點為:降水量增大;植被發(fā)育較好,密集程度高;植被中C4植物相對含量有少量增加;年均溫可能亦有所增加;日照可能加強;成壤作用強度增大。相對于末次冰期的其他時段,區(qū)域氣候總體表現(xiàn)為濕潤、溫暖,植被覆蓋程度高,植被中C4植物的相對含量增加,土壤發(fā)育較好。無疑,40～30kaB.P.的氣候轉(zhuǎn)暖已波及黃土高原南部,并對當?shù)刂脖划a(chǎn)生了明顯影響。然而,在“高溫大降水事件”中,青藏高原的溫暖濕潤已超過現(xiàn)代,達到間冰期的程度。而在大荔地區(qū),MIS3a的溫濕程度和植被密度都要弱于間冰期(見圖2)?！案邷卮蠼邓录痹谇嗖馗咴谋憩F(xiàn)要比大荔地區(qū)所在的黃土高原南部強烈得多。4.2磁化率的季節(jié)動態(tài)在過去的20余年中,中外學者對黃土高原黃土-古土壤序列的不斷研究使得該區(qū)古環(huán)境資料日益全面。從最為豐富的磁化率指標可以看出,總體上,中國大陸黃土-古土壤序列在MIS3的磁化率較之末次冰期的其他時段均有不同程度的增加,可以粗略地認為是該階段黃土高原氣候改善的標志之一。具體分析黃土高原黃土-古土壤序列不同地區(qū)的磁化率曲線可以發(fā)現(xiàn),在黃土高原南部,如大荔、白馬坡等剖面,末次冰期中磁化率曲線的峰值均出現(xiàn)在深海氧同位素3a階段,即“高溫大降水事件”的同一時期;與之緯度相近的寶雞、段家坡等剖面,磁化率曲線在深海氧同位素3a階段與3c階段的峰值較為接近,前者稍高;而位于黃土高原腹地的洛川、西峰等剖面,磁化率峰值則出現(xiàn)在深海氧同位素3c階段,3a階段次之;至黃土高原北緣的榆林、會寧,磁化率在深海氧同位素3a和3c的增幅相似,都比較小。綜觀全局,以西安為核心,愈靠近沙漠區(qū)的剖面,其磁化率值在MIS3的增幅就愈小。上述現(xiàn)象的產(chǎn)生,可能從一個側(cè)面提示了“高溫大降水事件”在黃土高原地區(qū)的作用范圍和幅度。在黃土高原的不同地區(qū),馬蘭黃土記錄的該時段的溫濕增幅是大相徑庭的。地理位置接近青藏高原的黃土高原南部地區(qū),受此事件的影響要大于遠離青藏高原的北部地區(qū)。另外,地處黃土高原南部的大荔等地,沉積速率相對較低,植被發(fā)育程度較好,一旦環(huán)境有所改善,在磁化率上就可能會有比較強烈的反應;而位于黃土高原腹地的西峰、洛川等,因區(qū)內(nèi)環(huán)境較為惡劣,即使在間冰階,氣候的溫濕程度變化也不是很大,磁化率的增幅就不如大荔等地區(qū)顯著;至于沙漠邊緣的榆林等地,末次冰期氣候更差,且遠離青藏高原區(qū),在間冰階磁化率僅有微小的變化。這可能是不同地區(qū)磁化率曲線峰值位置不同的原因之一。當然,磁化率曲線的變化不可能全面、精確地反映出古環(huán)境變異水平,局部地區(qū)(如渭南剖面)的變化規(guī)律亦可能與上述描述不同。事實上,即使在青藏高原內(nèi)部,“高溫大降水事件”在局部地區(qū)的表現(xiàn)也存在一定差別,如個別湖泊的最高湖面發(fā)生的時間亦前伸至50kaB.P.。欲詳細考察“高溫大降水事件”及其對黃土高原區(qū)的影響,尚需開展更多的、更為詳實的研究工作。4.3溫度對幼期氣候的影響深海氧同位素曲線表明,在第3階段,全球氣溫較此前(MIS4)和其后(MIS2)均有所升高,但上升的幅度很小,遠未達到末次間冰期的水平。在末次冰期中,全球氣溫的峰值出現(xiàn)在3c階段,即深海氧同位素第3階段早期;3a即深海氧同位素第3階段晚期的氣溫增加較弱。格陵蘭冰芯氧同位素曲線、北大西洋浮游有孔蟲的豐度變化曲線、南極東方冰芯的古溫度曲線、英國和北美東部甲蟲化石記錄的7月平均氣溫曲線以及以色列呼拉盆地的孢粉曲線均有著類似的模式。例外的是日本琵琶湖的孢粉曲線,這里表現(xiàn)為MIS3a更適應溫濕氣候的溫帶植物要比MIS3c更為發(fā)育。在MIS3全球氣候僅有小幅升溫且末次冰期氣候以MIS3c為最佳的背景下,青藏高原卻在MIS3a發(fā)生了“高溫大降水事件”,并對包括黃土高原在內(nèi)的鄰區(qū)氣候和植被產(chǎn)生了顯著影響,這種變化顯然是區(qū)域性的,其成因已被施雅風等給予了解釋。琵琶湖的孢粉曲線與中國大陸氣候指標的一致性,究竟是巧合還是必然,目前還不得而知,需要進一步研究。5不同季節(jié)動態(tài)的土壤-氣候條件對土壤磁化率的影響p大荔地區(qū)MIS3總體表現(xiàn)為降水量增大,植被發(fā)育較好,密集程度高,植被中C4植物的相對含量有少量增加,年均溫和日照可能亦有所增加,成壤作用強度增大。相對于末次冰期的其他時段,區(qū)域氣候總體表現(xiàn)為濕潤、溫暖,植被覆蓋程度高,植被中C4植物的相對含量增加,土壤發(fā)育較好,在40～30kaB.P.的MIS3晚期,這種狀況尤為突出。由此可見,大荔地區(qū)MIS3的古環(huán)境具有與全球同步的特征,表現(xiàn)為冰期中的弱暖期,而以40～30kaB.P.氣候和植被為最佳的特點又帶有明顯的區(qū)域特征