定量化重建黃土高原地區(qū)古氣候

定量化重建黃土高原地區(qū)古氣候

黃土-古土壤沉積層分布在黃土高原上。這些沉積物記錄了晚中新世以來的氣候變化和生態(tài)發(fā)展歷史。如上所述，多種指標(biāo)被廣泛應(yīng)用于恢復(fù)古環(huán)境和恢復(fù)舊氣候的研究，并取得了顯著的成果（劉東生，1985；aetal.，1991；魯etal.，1998；yuetal.，1998；孫建中，2005；劉鶴等人，2005）。然而,在這些研究當(dāng)中,大部分都是定性化的探討黃土高原地區(qū)的古氣候和古環(huán)境變化,定量化恢復(fù)重建黃土高原地區(qū)的古氣候一直是國內(nèi)外學(xué)者所關(guān)心和考慮的科學(xué)問題。為了定量化探討黃土高原地區(qū)地質(zhì)歷史時(shí)期的古氣候變化,以往的科研工作者進(jìn)行了多種嘗試,分別利用黃土—古土壤沉積序列中的磁化率、孢粉、穩(wěn)定同位素、植物硅酸體和其它替代性指標(biāo)來建立各指標(biāo)與氣候要素之間的相關(guān)關(guān)系,以期定量化反演黃土高原地區(qū)的古氣候變化。本文概述了上述替代性指標(biāo)在古氣候定量化研究方面的進(jìn)展和現(xiàn)狀,并對黃土高原地區(qū)古氣候定量化研究進(jìn)行了總結(jié)和展望。1黃土高原地區(qū)的古代氣候變量研究方法概述1.1與年降水量的關(guān)系土壤磁化率指標(biāo)(Susceptibility)已被用作東亞夏季風(fēng)強(qiáng)度的指標(biāo),在黃土研究中被廣泛應(yīng)用于指示黃土高原地區(qū)的第四紀(jì)氣候變化,一般來說,高磁化率值對應(yīng)于相對暖濕的氣候條件。Maher等(1994,1995)較早地用磁化率指標(biāo)來定量化反映古降水的變化。Maher等(1994)在黃土高原地區(qū)根據(jù)降雨梯度沿東南至西北方向采集了9種類型的37個(gè)代表性現(xiàn)代土壤樣品,測定其磁化率,并與實(shí)測的年降水量之間建立了線性相關(guān)方程。作者利用該相關(guān)方程和黃土—古土壤序列的土壤磁化率值,定量化重建了黃土高原末次冰期—間冰期以來的古降水,并與黃土高原現(xiàn)代降雨量做了對比。Maher等(1995)又以黃土高原中部地區(qū)的西峰剖面為例,根據(jù)上述方程,利用土壤磁化率值重建了該地區(qū)1.1Ma以來的古降水變化。其研究結(jié)果顯示,在過去1.1Ma以來,約80%時(shí)間內(nèi)該地區(qū)的年降水量都要比現(xiàn)在少。呂厚遠(yuǎn)等(1994)將土壤磁化率分別與年均溫和年降水量聯(lián)系起來。作者將黃土高原及周邊地區(qū)63個(gè)表層土壤樣品的磁化率值與年均溫和年降水量分別建立了一元4次回歸方程,并利用該回歸方程對洛川坡頭黃土剖面130ka以來的古溫度和古降水進(jìn)行了計(jì)算。Porter等(2001)對中國黃土高原現(xiàn)代表土的磁化率進(jìn)行了測定,結(jié)果發(fā)現(xiàn),磁化率與年均溫、年降水量以及年均溫和降水量的乘積之間呈現(xiàn)很好的指數(shù)相關(guān)關(guān)系,隨著磁化率值的增加,年均溫、年降水量以及年均溫和降水量的乘積均呈指數(shù)增加。相比其它的指標(biāo),土壤磁化率有易于測定的優(yōu)勢。然而,迄今為止對黃土—古土壤磁化率的形成和變化機(jī)制尚不是很清楚。就中國黃土類型而言,對古土壤磁化率增強(qiáng)的解釋有多種假說:Heller等(1984)認(rèn)為,是風(fēng)化過程中由于碳酸鹽的淋失以及孔隙度的減少而造成磁性礦物富集;Kukla等(1989)強(qiáng)調(diào)黃土和古土壤的物源區(qū)不同,干冷期以近源物質(zhì)為主,暖濕期以遠(yuǎn)源的細(xì)顆粒物質(zhì)為主,這些遠(yuǎn)源的細(xì)顆粒物質(zhì)可能包含火山灰和宇宙塵等高磁化率的物質(zhì);Kleteschka等(1995)認(rèn)為頻繁的自然火災(zāi)在對土壤礦物的加熱過程中導(dǎo)致強(qiáng)磁性礦物的形成;Zhou(1990)和Maher等(1998)先后研究認(rèn)為,成土過程是土壤磁化率增強(qiáng)的主要原因;賈蓉芬(1996)提出鐵細(xì)菌和趨磁細(xì)菌在土壤磁化率的增強(qiáng)中可能有重要的貢獻(xiàn)。所以土壤磁化率指標(biāo)與季風(fēng)強(qiáng)度及相應(yīng)的氣候變化關(guān)系之間的機(jī)制還沒有完全弄清楚,這是用磁化率指標(biāo)來定量恢復(fù)古氣候所需要解決的主要問題。1.2花粉—植物孢粉指標(biāo)植被是自然界中對氣候變化最靈敏的指示物,植被的狀況可以在相當(dāng)大的程度上反映氣候狀況,因此植物孢粉(SporeandPollen)與氣候之間存在著統(tǒng)計(jì)學(xué)上的某種相對穩(wěn)定的數(shù)量關(guān)系,提取出這種關(guān)系就可以利用孢粉的數(shù)據(jù)直接恢復(fù)古氣候因子。在定量解譯孢粉資料所反映的氣候特征方面,轉(zhuǎn)換函數(shù)法是比較成熟的方法。轉(zhuǎn)換函數(shù)方法產(chǎn)生于上世紀(jì)60年代末,Webb等(1972)利用大量的表土資料和表土點(diǎn)氣候資料,將現(xiàn)代花粉和現(xiàn)代氣候直接聯(lián)系起來,通過建立轉(zhuǎn)換函數(shù)重建古氣候;隨后又有不同的學(xué)者(Imbrieetal.,1971;Bartleinetal.,1984;Webbetal.,1993)詳細(xì)討論了進(jìn)行花粉—?dú)夂蜣D(zhuǎn)換函數(shù)的生物學(xué)假設(shè)。這種方法的原理是利用表土孢粉資料進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析,通過逐步回歸分析,建立孢粉—?dú)夂蛞蜃拥霓D(zhuǎn)換函數(shù),再將轉(zhuǎn)換函數(shù)應(yīng)用于鉆孔的化石孢粉資料中,進(jìn)而得到古氣候參數(shù)值?；ǚ酆蜌夂蛑g不可能完全是線性關(guān)系。為了更準(zhǔn)確重建古氣候,Bartlein等(1986)提出一種新方法,即花粉—?dú)夂蝽憫?yīng)面方法,它實(shí)際上是轉(zhuǎn)換函數(shù)的一種特殊運(yùn)用。這種方法首先要選取若干有代表性的花粉類型,逐類將現(xiàn)代花粉豐度在地理空間的分布轉(zhuǎn)換為氣候空間分布,然后用多次響應(yīng)面函數(shù)的方法,求出該類花粉分布的氣候最佳條件時(shí)的最高值與極端條件下的最低值,再將化石花粉組合的數(shù)據(jù)與各種花粉的氣候響應(yīng)面對比,便可定量化恢復(fù)古氣候。國內(nèi),宋長青等(1997a,1997b)以中國北方215塊表土孢粉樣品分析結(jié)果中的13種花粉類型與4種氣候參數(shù)(年均溫、1月份均溫、7月份均溫和年降水量)為基礎(chǔ)資料,建立了花粉—?dú)夂蛞蜃愚D(zhuǎn)換函數(shù)。根據(jù)建立的回歸方程,作者定量重建了內(nèi)蒙古中部地區(qū)10.0~2.1kaBP古氣候因子數(shù)值特征。另外,還有很多研究人員利用花粉—?dú)夂蝽憫?yīng)面方法分別對中國北方、內(nèi)蒙古、柴達(dá)木盆地等地區(qū)進(jìn)行了探討,定量化恢復(fù)了上述地區(qū)的古氣候變化(孫湘君等,1996;王琫瑜等,1997;許清海等,2003;萬和文等,2008)。植物孢粉具有傳播廣、分布廣的特點(diǎn),是比較容易獲取的信息分析載體。同時(shí),由于傳播廣,給利用化石孢粉推斷古環(huán)境因子,尤其是定量解譯古環(huán)境因子也帶來了一定的困難。在黃土高原地區(qū),由于孢粉的易擴(kuò)散性以及孢粉組合的復(fù)雜性,再加上黃土中孢粉稀少,孢粉分析僅能從大尺度上展示古植被氣候變遷過程,目前還鮮見有利用黃土孢粉記錄來定量化重建古氣候的報(bào)道。1.3植物硅酸體—植物硅酸體指標(biāo)植物硅酸體(Phytolith)是賦存于植物細(xì)胞內(nèi)的微型蛋白石顆粒,是高等植物生長過程在組織細(xì)胞中形成的非晶質(zhì)SiO2顆粒,大小與花粉相近,一般是無色透明的片狀或棱角狀碎屑。植物硅酸體在植物死亡、腐爛、分解和埋藏過程中能完好地保存下來,加之其比重大、分散程度低、具原地埋藏的特點(diǎn)和在分類學(xué)上的形態(tài)差異,在古氣候恢復(fù)方面顯示出重要的作用。吳乃琴等(1994)分析了全國162塊表層土壤樣品的植物硅酸體,通過聚類分析和判別分析,并考慮黃土高原地區(qū)的氣候范圍,結(jié)合相關(guān)的氣候資料,建立了植物硅酸體—?dú)夂蛞蜃?年均溫和年均降水量)轉(zhuǎn)換函數(shù)。利用該回歸方程,作者估算了約3萬年以來渭南地區(qū)的年均溫和年降水量變化,并首次提出黃土高原末次冰消期氣候轉(zhuǎn)暖始于14ka。呂厚遠(yuǎn)等對中國的植物硅酸體進(jìn)行了大量深入的研究(呂厚遠(yuǎn)等,1996;Lǜetal.,2006;Lǜetal.,2007)?；趯χ袊罅勘韺油寥乐参锕杷狍w樣品的分析,作者建立了一個(gè)中國植物硅酸體—?dú)夂蚧貧w模型,利用該模型,結(jié)合黃土—古土壤剖面中保存的植物硅酸體信息,作者定量恢復(fù)了寶雞地區(qū)150ka萬年以來1月份、7月份以及年均降水和溫度的變化,并定量化探討了渭南地區(qū)136ka以來的主要冷干事件。同時(shí),作者認(rèn)為植物硅酸體指標(biāo)可以可靠地估算年均降水量、年均溫、濕度以及蒸發(fā)量的變化。同一個(gè)植物體的不同器官和部位所產(chǎn)生的硅酸體形態(tài)可能各不相同,而不同的植物種屬也可能產(chǎn)生相似的硅酸體形態(tài),就是同一個(gè)植物體上的同一器官和部位,在其生長發(fā)育的不同階段,所產(chǎn)生的硅酸體類型也不盡一致(Rovner,1986)。植物死亡以后,沉積物中植物硅酸體組合與原生組合之間可能產(chǎn)生變化,再加上植物根系硅酸體的加入以及生物擾動(dòng)作用等,都可能引起原生組合的變化。這些問題只有在進(jìn)一步深入工作的基礎(chǔ)上才能得到更好地解決。1.4土壤有機(jī)質(zhì)碳同位素自然界的陸生植物根據(jù)其光合作用路徑的不同,一般可以分為以下三類:C3植物、C4植物和CAM植物(景天酸代謝型)。不同光合作用路徑的植物其δ13C值組成存在較大差別,C3植物的δ13C值的變化范圍在-32~‰-20‰之間,平均值為-27‰;C4植物的δ13C值變化范圍約在-15‰~-9‰之間,平均值為-13‰;而CAM植物的δ13C值變化范圍較寬,平均值介于C3植物和C4植物之間,約為-17‰。(Smith,1982)。植物在光合作用過程中,從吸收大氣CO2到最終植物有機(jī)質(zhì)的形成都伴隨有碳同位素分餾。Farquar(1989)等研究了植物中的碳同位素分餾,認(rèn)為植物碳同位素的分餾受其生長環(huán)境氣候因素的影響,溫度、水分狀況、光照條件、大氣CO2狀況等都是影響植物δ13C組成的氣候因子,并提出了植物碳同位素分餾模式,這是利用土壤有機(jī)質(zhì)碳同位素指標(biāo)來重建古氣候的理論基礎(chǔ)。植物在土壤中生長,死亡以后,經(jīng)過長時(shí)間的腐爛,其根、莖、葉等會以土壤有機(jī)質(zhì)(SOM:SoilOrganicMatter)的形式進(jìn)入土壤之中,被保存下來。根據(jù)Farquar(1989)的理論,結(jié)合現(xiàn)代生態(tài)過程中植物碳同位素組成與相關(guān)氣候要素之間的相關(guān)關(guān)系,研究人員嘗試?yán)命S土—古土壤序列中保存的土壤有機(jī)質(zhì)碳同位素信息來定量化恢復(fù)古降水。Hatte等(1999,2001)將黃土沉積中的土壤有機(jī)質(zhì)的δ13C值應(yīng)用到定量化恢復(fù)古降水的研究中?？紤]到黃土沉積中土壤有機(jī)質(zhì)形成過程的復(fù)雜性以及植被記錄環(huán)境變化的復(fù)雜性,作者假定了8個(gè)先決條件以簡化土壤有機(jī)質(zhì)的δ13C值與古降水的相關(guān)關(guān)系。運(yùn)用該相關(guān)方程,作者重建了德國萊茵河地區(qū)Nussloch剖面末次冰期的古降水變化,并與相同地區(qū)的其它研究進(jìn)行了對比。Hatte等(2005)對Biome4植被模型進(jìn)行了改進(jìn),并運(yùn)用現(xiàn)代生態(tài)系統(tǒng)的觀測值對模型進(jìn)行了檢驗(yàn)。根據(jù)黃土中保存的土壤有機(jī)質(zhì)碳同位素信息和其它相關(guān)資料,作者運(yùn)用改進(jìn)后的Biome4模型定量化重建了德國萊茵河谷Nussloch剖面85ka以來的古降水變化。王國安等(2001,2002,2003)通過對中國北方461個(gè)C3植物的δ13C值數(shù)據(jù)的一元回歸分析,作者認(rèn)為在我國北方黃土區(qū)年降水量每增加100mm,C3植被的δ13C平均值將偏負(fù)約0.49‰。Liu等(2005b)在黃土高原地區(qū)沿不同的降水梯度研究了現(xiàn)代生態(tài)系統(tǒng)中該地區(qū)的四種代表性植被(白羊草、長芒草、胡枝子和狗哇花)的δ13C值變化與降水的相關(guān)關(guān)系。研究結(jié)果顯示C3和C4植物的δ13C值均與年降水量呈很好的負(fù)相關(guān)關(guān)系。作者提出,在恢復(fù)古生物相對比例時(shí),應(yīng)該考慮到降水變化對植物本身δ13C值的影響。Ning等(2008)根據(jù)黃土高原現(xiàn)代自然生態(tài)過程的研究結(jié)果,確定了土壤有機(jī)質(zhì)的碳同位素組成與年降水量之間的定量化關(guān)系式,并結(jié)合已有的關(guān)于黃土高原C4植物的相對比例與年降水量之間的研究結(jié)果(Anetal.,2005),利用黃土—古土壤沉積序列中保存的土壤有機(jī)碳同位素信息,重建了黃土高原東部藍(lán)田和渭南地區(qū)的130ka以來的古降水變化。在該研究中,作者考慮了降雨對植被類型變化和植物體本身δ13C值變化的雙重影響效應(yīng),從而相對更準(zhǔn)確地建立了土壤有機(jī)質(zhì)δ13C值與年降雨量之間的相關(guān)關(guān)系。土壤有機(jī)質(zhì)碳同位素組成與氣候變化之間的關(guān)系在機(jī)制上是比較清楚的,但由于植被轉(zhuǎn)化為土壤有機(jī)質(zhì)過程中可能會產(chǎn)生同位素分餾,以及大氣CO2本身濃度和δ13C值變化對植被δ13C值的影響,上述研究都假定了一些不變的條件,簡化了定量化過程,這些簡化會在一定程度上影響最后的定量化結(jié)果,使得恢復(fù)的古降水?dāng)?shù)據(jù)存在一定的誤差。因此,在利用土壤有機(jī)質(zhì)碳同位素來定量化恢復(fù)古氣候的研究中,要繼續(xù)加強(qiáng)現(xiàn)代生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)查數(shù)據(jù),使現(xiàn)代過程的研究更加準(zhǔn)確;同時(shí),要加強(qiáng)其它氣候條件(尤其是溫度)與土壤有機(jī)質(zhì)碳同位素組成變化之間的研究,多因素綜合探討氣候變化與土壤有機(jī)質(zhì)碳同位素組成變化之間的相關(guān)關(guān)系;另外,不同生態(tài)條件下植物轉(zhuǎn)化為土壤有機(jī)質(zhì)過程中的碳同位素分餾也需要更進(jìn)一步的研究。1.5表土地球化學(xué)轉(zhuǎn)換函數(shù)在黃土高原地區(qū),研究學(xué)者還利用其它的一些替代性指標(biāo)來進(jìn)行定量化恢復(fù)該地區(qū)古氣候狀況的嘗試。在黃土高原東南部渭南地區(qū),孫繼敏等(1999)曾利用地球化學(xué)參數(shù)(游離鐵、全鐵和碳酸鹽)與氣候資料之間的轉(zhuǎn)換函數(shù)定量化重建了渭南剖面末次間冰期以來的古降水變化。作者采用了Lǜ等(1996)的數(shù)學(xué)方法,在空間上用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法研究現(xiàn)代表土地球化學(xué)成分與現(xiàn)代氣候參數(shù)(溫度、降水)之間的關(guān)系,并由此建立起黃土高原及其周邊地區(qū)表土地球化學(xué)轉(zhuǎn)換函數(shù)。在此基礎(chǔ)上,將這一轉(zhuǎn)換函數(shù)應(yīng)用到渭南黃土剖面上去,定量化重建了渭南剖面130ka以來的古降水和古溫度變化。Zhou等(2007)利用10Be指標(biāo)定量化恢復(fù)了洛川地區(qū)80ka以來的古降水變化。作者利用現(xiàn)代降水中的10Be信號,建立了黃土高原地區(qū)月平均降雨量與降雨10Be通量的相關(guān)方程,結(jié)合洛川黃土—古土壤剖面中保存的10Be信息,重建了該地區(qū)80ka以來的古降水序列。2不同方法重建土壤的替代性如前所述,在黃土高原地區(qū),不同學(xué)者分別建立了各種氣候代用指標(biāo)與氣候要素(降水量和溫度)之間的轉(zhuǎn)換函數(shù)關(guān)系,并結(jié)合黃土—古土壤沉積序列中保存的地質(zhì)信息,來定量重建黃土高原地區(qū)的古氣候變化。上述研究在定量恢復(fù)古氣候歷史的研究中作出了積極的嘗試和重要的貢獻(xiàn),其基本思路都是一樣的,即地質(zhì)學(xué)研究中重要的“將今論古”思想。從現(xiàn)代過程出發(fā),研究現(xiàn)代過程中各替代性指標(biāo)與各氣候要素(降水、溫度)之間的相關(guān)關(guān)系,并以此相關(guān)關(guān)系為基礎(chǔ),結(jié)合黃土—古土壤沉積序列中保存的相關(guān)指標(biāo)的信息,定量化重建黃土高原地區(qū)的古氣候變化。但黃土高原地區(qū)的古氣候定量化研究還處在初步階段,大多還只是在進(jìn)行嘗試性研究,沒有形成可靠的系統(tǒng)方法。上述多種替代性指標(biāo),或由于指標(biāo)本身存在局限性,或由于指標(biāo)與氣候要素之間機(jī)理不清楚,所獲得的定量化結(jié)果并不能令人十分滿意,即便在相同的地質(zhì)時(shí)段,不同的方法重建的古氣候也存在差別較大的問題。土壤磁化率指標(biāo)的問題在于,黃土—古土壤序列中土壤磁化率的形成和變化機(jī)制尚不是很清楚,尚不能從基本理論上解釋土壤磁化率與氣候指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系。植物孢粉和植物硅酸體直接來源于植被,植被的生長狀況直接受氣候的影響,在機(jī)理上是清楚的。用植物孢粉指標(biāo)來定量化重建黃土高原地區(qū)的古