體系結(jié)構(gòu)量化指標對氣候環(huán)境的重建研究-基于長江中游黃茅潭湖泊沉積粒度、元素指標體系-資源與環(huán)境科學進展

——基于長江中游黃茅潭湖泊沉積粒度、元素指標體系【摘要】重建過去氣候環(huán)境，研究氣候環(huán)境的變化特點、過程和規(guī)律，是全球變化研究的基礎(chǔ)性工作定量重建氣候環(huán)境記錄。但是，需要明確的是，這種記錄直接反映的是氣候環(huán)境狀態(tài)及其變化，并可能因指標的敏感性差異而使重建結(jié)果具有畸變特征。為克服這種缺點，本文利用長江中游一小型吞吐湖泊黃茅元素指標體系）結(jié)構(gòu)量化指標；嘗試通過研究指標體系的結(jié)構(gòu)性變化，來研究氣候環(huán)境變化。研究認為，的顯著性水平檢驗，初步實現(xiàn)了基于碎屑沉積粒度信息對降水等水文情勢信息的定量重建。研究使我們深刻認識到，可視可感的宏觀氣候環(huán)境因素---降水，可以通過粒度指標體系的結(jié)構(gòu)性變化這種體現(xiàn)系統(tǒng)"復雜性"的指標來定量重建，這豐富了我們對于氣候環(huán)境因素的認知，對全球變化研究具有重要的科學意義。【關(guān)鍵詞】長江中游；湖泊沉積；結(jié)構(gòu)量化指標；異常指數(shù)；降水重建【收稿日期】2023年8月10日【出刊日期】2023年9月8日【DOI】10.12208/j.aes.20230013ReconstructionofclimaticenvironmentbyquantitativeindexofelementindexsystemsofsedimentsfromHuang【Abstract】Itisoneofthebasicworkofglobalchangeresearchestorecenvironmentandtostudythecharacteristics,processandlawofenvironmentcqualitativelyandquantitativelyreconstructclimaticandenvironmebiologicalindicatorsthataresusceptibletotemperature,precipitationandotherclimHowever,itshouldbemadeclearthatsuchrecordsdirectlyreflectthestateoftheclimatic-relatedenviitschanges,andusuallythereconstructionresultsmayhavedistortedduetindicators.Inordertoovercomethisshortcoming,thispaperusesthecolumnarsedimentsofHuangmaotanLsmallswallowandspitlakeinthemindexandtheabnormalchangesoftheirpair-pairrelationship,ThestructuralquantitativeindexesofAi-1andAi-2studythechangeofclimaticenvironmentbystudyingthestructuralchangeofindexsystem.Itisconcluprecipitation(mm/a)duringC.E1950-2010wasquantitativelyreconstructofthe3-yearslidingaverageofthemeasuredprecipitationatJiujiangmeteo(n=51),whichpassesthesignificanceleveltestofP<0.001.Thestudymakesusdeeplyrealizethatthevisibleandperceptiblemacro-climateandenvironmentalfactor,precipcognitionofclimaticandenvironmentalfactorsandhasimportantscientifichange.【Keywords】TheMiddleReachesofYangtzeRiver;LacustrinedepSystem;AnomalyIndex;Precipitation在全球變化研究中，基于各種沉積檔案，利用物理、化學、生物的代用指標所進行的氣候環(huán)境的重建，是過去全球變化研究的基礎(chǔ)性工作之一[1]。其基本假定是這些物理、化學、生物的代用指標，易受降水、溫度及其他氣候環(huán)境因素的影響；氣候環(huán)境的變化，直接或者間接導致了這些代用指標所高保真存儲。全球變化研究，就是基于這些沉積檔案，恢復與重建這些被存儲的信息，通過這些信息反演氣候環(huán)境狀態(tài)及其變化[3-7]。并可能會因夸大或縮小氣候環(huán)境狀態(tài)，使重建結(jié)果失真[1]。譬如，基于碎屑沉積對降水等水文情勢的研究，由于涉及到包括降水強度及由此引起的洪水過程、規(guī)模、強度及其變化與土壤侵蝕特點、碎屑來源、受水盆地形態(tài)、水位及具體沉積點上水環(huán)境的洪水水文事件，某些指標若是對這次具有敏感的響應(yīng)，對下次則不一定敏感[8,9]。也就是說，指標的敏感性會隨著諸多環(huán)境背景的改變而改變。無法苛求每一次洪水水文事件的背景都是一致的，因此，也就不能指望所有粒度指標，都能一致且敏感地響在碎屑沉積序列中，元素含量本身一般是無法直接作為指標指示氣候環(huán)境變化的，基于元素地球化學的環(huán)境變化的研究，可以通過考察元素之間相對富集或虧損，來定性考察風化強度等氣候環(huán)境信息的的脫鹽基作用具有較為敏感的指示[10-12]；但受風化程度、碎屑物質(zhì)來源、礦物組成、粒度組成等的影響[8,9,13]，這些指標的環(huán)境敏感程度會隨著地理、地貌與氣候環(huán)境背景的變化而有所變化，從而影響重建結(jié)果的精度。其實，環(huán)境背景條件的變化對指標的敏感性所造成的影響，普遍存在于基于物理、化為克服指標的這種缺點，本研究擬基于器測時嘗試從粒度、元素指標體系各指標的異常變化和各指標（兩兩）相互之間關(guān)系異常變化中提取信息指數(shù)，通過考察指標異常信息的變化，來認識和理解黃茅潭位于江西省九江市湖口縣凰村鎮(zhèn)與流泗鎮(zhèn)，為長江南岸一小型吞吐湖泊，湖泊面積約為季風氣候，年均溫17.4℃,年均降水量為1400-年間，尤其是建國以來在湖濱不斷整修堤壩所造成的。湖盆處于懷玉山與大別山之間的湖口地塹內(nèi)，丘陵平原地貌?；鶐r主要為侏羅系、白堊系及第三系砂巖（位于流域東北側(cè)），第四系主要為紅色、黃色土，屬風成堆積[15]，在流域廣布。48cm圖2）。巖芯采集后，現(xiàn)場描述并嚴格以烘干（<45℃),研磨，全部通過200μm篩網(wǎng)，充式檢測儀測試樣品的137Cs、210Pb等放射性元素的活度[16,17]。計數(shù)時間為國際通用的），行了放射性元素的活度測試[18]。粒度測試。前處理過程如下：樣品用蒸餾水浸泡，加適量10%H2O2去除有機質(zhì)，然后加適量10%釋酸度近中性；加入適量六偏磷酸鈉溶液作為分散品進行了粒度分析（頂部兩樣品由于采樣擾動，未測所用儀器為HORIBAparticlesizerLA-9常量元素測試：取烘干樣品適量，在研缽中充個平行樣，以檢測測試結(jié)果的穩(wěn)定性，歸一法獲得各元素的質(zhì)量百分組成[15,19]。所用儀器為德國SCP（球狀碳粒）計數(shù)：實驗步驟遵循RoseN.L[20,21]提供的方法，考慮到其硅酸鹽消解時間偏的顆粒數(shù)，以每克干質(zhì)量沉積物（gDM-1）所含的活度，鉆孔剖面總存量達4683Bq/m2，比區(qū)域土壤在黃茅潭具有強烈的富集特點。137Cs首次出現(xiàn)在合粒度特點[18]和北半球137Cs散落特點[16根據(jù)HMT-01孔≥20μmSCP的計數(shù)與方圓130km范圍內(nèi)的四大電廠（江西景德鎮(zhèn)發(fā)電廠（100km）、南昌發(fā)電廠（130km）、安慶電廠200km范圍內(nèi)區(qū)域火電電力發(fā)展井噴階段。幾個機組的并網(wǎng)發(fā)電和2002年黃梅濯港發(fā)電廠HMT-01巖芯的過剩210Pbex活度垂向分布，隨深度增加而顯著降低，但不具有典型的指數(shù)變化的度（對應(yīng)孔深38-40cm）上，二者基本達到平模式、常量初始濃度（CIC）模式與恒定補給速率（CRS）模式[23]計算的巖芯年代（0-30cm深度）與采用矩值（算術(shù)）方法（Arithmeticmethodof偏態(tài)（Sk）和峰態(tài)（Ku）(μm單位，下同）等粒度參數(shù)[24]，粒度組份參考了UddenJ.A[25]的分類標軟件執(zhí)行，通過平均決定系數(shù)R2（>0.99）與角偏差（<5°)確定了6個端元組份。上述粒度參數(shù)（4個）、粒度組份（包括粘土、細粉砂、中粗粉砂、度組成體系。如此，粒度參數(shù)指標，不論是基于局部信息、揭示了粒度指標具有此消彼長、相互影響、相互制量越低，誤差也就越大。本研究只考察了Rb2O、V2O52O2O3成了元素指標體系。與粒度指標體系相似，碎屑堆個封閉體系；元素的組成，因為粒度組成、礦物含量的差異及元素之間不同程度的類質(zhì)同象關(guān)系等，同樣存在密切而復雜的關(guān)系，也并非相互獨立[13]。的各樣品點賦值的絕對值累加得到粒度異常指數(shù)Ai），Ai（E）-5-5-1、Ai（E）-5-10-1、Ai（E）-7-5-1、指標兩兩之間相互關(guān)系的異常情況，分別在），（E）-3-2、Ai（E）-4-2、Ai（E）-5-2。根據(jù)回歸曲線對散點圖中各指標之間的擬合優(yōu)度，指標之間可以是簡單的線性關(guān)系，也可能是復雜的非線性關(guān)異常指數(shù)的絕對數(shù)值可能有所不同，但時間序列上2.4異常指數(shù)序列變化及其特點滑動點數(shù)之間，變化較為相似，相互之間的相關(guān)系（n=78）；而不同的滑動點數(shù)之間，指數(shù)差異較大）：同的滑動點數(shù)之間，不同的滑動點數(shù)之間，相關(guān)系數(shù)均在0.35~0.70之間，無規(guī)律性差異。異常指數(shù)），置信水平高，異常點較少，異常指數(shù)相對變化幅度加大；置信水平低，異常點較多，異常指數(shù)相對變化幅度減小。降低到極小值（近零值），所有的樣品點都可被視為異常點，異常指數(shù)就是一條直線，沒有變化；而都沒有現(xiàn)實意義。理論上，只有在某種置信水平約束下[30]，統(tǒng)計的異常點中，盡量剔除了正常點大可能地保留了異常點，這種異常指數(shù)可能就具有由上分析，根據(jù)統(tǒng)計的置信水平(≥90%）設(shè)置和指數(shù)的變化幅度特點[30]，本文選擇置信水平99.9999%約束下獲得的異常指數(shù)Ai（G）-1-2、Ai的代表。度對比特點HMT-01孔粒度和元素地球化學特點已在相關(guān)文獻[18,19]有所論述，在此不再贅述。并且，為便于對比闡明異常指數(shù)的特點及其氣候環(huán)境意義，下文只關(guān)注附近九江氣象站點有實測降水與溫度記錄的異常指數(shù)增大，而相對枯水與偏枯水年份，異常指數(shù)減小；異常指數(shù)與降水成正相關(guān)關(guān)系?；谏鲜?3-8-1、Ai（G）-1-2均指示1968年前后水偏低并漸趨減少，之后則漸趨增加（圖6）。這與基于長江中下游區(qū)域降水序列的階段性分析、躍變和趨勢性分析所得到的結(jié)論是相似的[31.32]。而一般粒度參數(shù)指標，如平均粒徑、分選系數(shù)及砂含量），但往往表現(xiàn)出顯著的不確定性和不穩(wěn)定性特征。不），響應(yīng)，6個為粒度變粗、分選變差。這是傳統(tǒng)粒度指標對洪水響應(yīng)的特點[8,9,18]，辨識能異常指數(shù)，即便是確定性地辨識出了某種水文情勢），水、偏豐水年份組和相對枯水、偏枯水年份組。與粒度異常指數(shù)不同的是，元素異常指數(shù)具有顯著的對應(yīng)元素異常指數(shù)降低，8個對應(yīng)升高。元素異常），反演洪水水文的重元素、元素比值[33,34]等指標，對極端降水有一定響應(yīng)，但是它們對降水等水文情勢的響應(yīng)，與一般粒度指標一樣，均具有一定程度的均具有對極端降水等洪水水文情勢的良好辨識能-1-2）與降水等水文情勢信息存在穩(wěn)定的正相關(guān)關(guān)等水文情勢信息具有較強的辨識能力，但具有一定程度的不確定性和不穩(wěn)定性。而經(jīng)常應(yīng)用的一般粒但均具有顯著的不確定性和不穩(wěn)定性特征。不過，值得注意的是，不論是粒度異常指數(shù)還是元素異常站同期實測降水3年滑動平均相關(guān)系數(shù)為0.58），多來自于定年和鉆孔的分辨率（較低）；重建的流域降水量記錄，清晰揭示了長江中游年代際降水的波動特征[18,31,32]。研究初步實現(xiàn)了基于碎屑沉積?；瘜W的亦或是生物的，對于氣候、環(huán)境的指示，都是非線性的、復雜的，具有一定程度的不確定性，這其實正是地球表層系統(tǒng)復雜特點[35,36]的具體體現(xiàn)。但是，在特定流域，一定的地質(zhì)、地貌與土壤環(huán)境下，某些常態(tài)洪水水文環(huán)境的頻繁出現(xiàn)，使流域水文特點、土壤侵蝕、碎屑物質(zhì)及其來源等具有一定程度的穩(wěn)定性，從而形成所謂的常態(tài)洪水水文情勢，及其相關(guān)的碎屑侵蝕、搬運及沉積環(huán)境；其碎屑堆積的顆粒組成、指標參數(shù)及其相互關(guān)系也就相對穩(wěn)定；由此，造成礦物組成及元素組成、指標圖6HMT-01鉆孔記錄的C.E1950-2010年間砂（%）、分選系數(shù)、平均粒徑(μm）、粒度異常指數(shù)Ai（G）-3-眾多監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示[37,38]，東亞季風區(qū)河湖懸浮泥沙，主要來自于汛期（雨季），這期間大大小小洪水每年均有幾次到十幾次，它提供了一個常態(tài)洪水水文環(huán)境背景及與此有關(guān)的碎屑侵蝕-搬運-沉積的表生作用背景。而疊加于這種常態(tài)背景環(huán)境中的是一些異常洪水水文事件，包括幾年、幾十年甚或更長時間尺度上一遇的大洪水水文年份（事件）和極端低洪年份（事件前者如中華人民共和國國家標準“水文情報預(yù)報規(guī)范”（GB/T22482-2008）及碎屑沉積來源（包括地理范圍及土壤侵蝕深淺的變化）等因素可能異于常態(tài)洪水水文事件，而造成和元素總體（元素指標體系中的各元素含量）結(jié)構(gòu)常態(tài)洪水水文情勢背景和異常洪水水文情勢事件兩就是粒度指標體系）結(jié)構(gòu)具有一定的特征。降水升高及其相關(guān)水文情勢（湖泊水位、水文流量）的變化，引起碎屑堆積粒度指標體系的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化、粒度異常指數(shù)相對于近常態(tài)洪水水文背景增大；降水減少及其相關(guān)水文情勢的減弱，同樣引起碎屑堆積粒度指標體系的結(jié)構(gòu)變化、粒度異常指數(shù)相對于近常態(tài)洪水水文背景降低。這便實現(xiàn)了在近常態(tài)洪水水文背景及其與此有關(guān)的表生作用（侵蝕-搬運-沉積）背景中考察異常降水及其相關(guān)水文情勢的變也就是說，自然狀態(tài)下，降水及其相關(guān)水文情勢可以劃分為近常態(tài)背景和異常事件（包括高降水和低降水事件）；只要通過一致的統(tǒng)計學分析和一致的數(shù)學編輯，將水環(huán)境直接影響的粒度指標體系低降水的洪水水文情勢的數(shù)字化特征，就可以實現(xiàn)5、7點等滑動平均的異常變化，其背景是幾年~十對于研究所涉的整個時段的某種置信水平（或者說某種"平均"狀態(tài)）下的異常變化，其背景是百年甚或更長時間尺度的，相較而言，是長尺度的。這體均指示了指標體系的某種程度的結(jié)構(gòu)性變化，屬于系統(tǒng)學指標；與傳統(tǒng)粒度指標甚至其他建立在生物學、物理學和化學的因果聯(lián)系上的指標相比，它們相較而言，元素異常指數(shù)變化有些復雜，異常指數(shù)的增大（或縮?。?，并不單調(diào)地對應(yīng)降水的升元素異常指數(shù)對水文情勢的響應(yīng)是間接的。降水和水文情勢往往直接影響的是粒度組成，通過粒度組成而間接影響礦物和元素組成，而粒度組成與礦物組份、元素組成之間存在著復雜的關(guān)系[8]。另外，元素異常指數(shù)可能還受溫度等其他氣候環(huán)境因素的影響，其近常態(tài)背景和異常事件模態(tài)，可能不像基于降水及其相關(guān)水文情勢定義的那樣簡單，需要重各種粒度參數(shù)指標，在不同沉積環(huán)境下具有多解性，這種多解性無法明確，限制了粒度指標廣泛而深入的應(yīng)用[8,9]。但是，作為一個體系，粒度參數(shù)指標提供了一個考察降水及其水文情勢、水動力過程的獨立視角[8]。降水及其洪水水文驅(qū)動的碎屑侵數(shù)指標要素之間相互聯(lián)系、相互影響、相互作用的于滑動平均的異常變化和指標要素之間在一定的置信區(qū)間約束下的相互關(guān)系的異常變化，均為相對于某種環(huán)境背景的變化，稱之為異常指數(shù)；同時，它們又指示了粒度指標體系的結(jié)構(gòu)性變化，又可稱之為體系結(jié)構(gòu)量化指數(shù)。與敏感指標（也就是部分指標，如上文所說粒度指標體系中的平均粒徑、分選粒度異常指數(shù)是基于本文粒度指標體系內(nèi)全部17個指標獲取的；它們的構(gòu)建，并不建立在物理學、化學或生物學的因果聯(lián)系上，但它體現(xiàn)了粒度指標這種實踐的哲學基礎(chǔ)或者說理念，就是所謂的結(jié)構(gòu)與功能、結(jié)構(gòu)與表象、形式與內(nèi)容等的相關(guān)系統(tǒng)學與哲學概念[40,41]所涉及的范疇內(nèi)容。系統(tǒng)學認為，開放系統(tǒng)演化過程中，系統(tǒng)諸要素之間形成了緊密的相互聯(lián)系、相互影響和相互作用，彼此改變著對方的狀態(tài)和狀態(tài)特征，其結(jié)果就是“涌現(xiàn)”出個體和要素間簡單的互動行為所無法預(yù)知的復雜樣態(tài)的宏觀有序情勢[39,40]。這種實踐往往在生物學與醫(yī)學領(lǐng)域應(yīng)用較多[42-45]，其量化方法與方式各有不同，但其根本目的，在于闡述體系的功能與結(jié)構(gòu)特點。在地學領(lǐng)域，鮮有涉及。主要在于靜止的結(jié)構(gòu)量化既無意義也無必要。隨著全球變化的深入，沉積序列上的指標體系（例如孢粉、粒度、元素等）的連續(xù)變化，為深入研究表生作用系統(tǒng)中相關(guān)體系的結(jié)構(gòu)與表象之間的關(guān)系，提供了理論可能與現(xiàn)實構(gòu)性量化指標這種系統(tǒng)指標卻具有對降水及其水文當然，基于這一思路提取開展相關(guān)研究之前，還需基于更多地層或現(xiàn)場觀測資料的進一步深化論證，包括厘清異常狀況產(chǎn)生的機理和過程、異常指數(shù)表征系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化的精度、其適用范圍等問題，有待逐步開展。另外，元素異常指數(shù)的含義及其與元素（含量）指標（元素指標體系），在各指標的異常變化及指標兩兩相互關(guān)系的異常變化的基礎(chǔ)嘗試通過研究指標體系的結(jié)構(gòu)性變化，來研究氣候研究認為，表征粒度和元素指標體系結(jié)構(gòu)性變勢的敏感響應(yīng)，顯著高于一般粒度和元素指標。其中，Ai（G）-1-2、Ai（G）-3-8-1與附近九江研究基于Ai（G）-1-2定量重建了流域C.E實現(xiàn)了基于碎屑沉積粒度信息對降水等水文情勢信[1]BradleyRS.Paleoclimatology:reconstructingclimatesof[2]ReadingHG.Sedimentaryfaciesandstratigraphy[McryosphericchangeinEnvironmentalResearchLeforcingsoftheEarthsystemforthepaGeophysicalResearchLWileyInterdisciplinaryReviewsClimRetrospectsandprospe[7]AtwoodAR,DonlongitudinallyvariableresponsesoftheITCZtoamyofclimateforcings[J].GeophysicalResearchLetters.2020,47(17):e2020G-e88833G.[8]SchillereffDN,ChiverrellRC,MacdonaldNstratigraphiesinlakesediments:Areview[J].largerainfalleventsinferredfrompaLake,CapeBounty,MelvilleIsland,CanadaInferencesfromanalysisofSedimentaryGeology,2012paleoenviron-mentalandpaleoclimatiusingpaleosols.Earth-Scgranodioriticcrust,longtermstoragweatheringprofiles,andpetrogenesisofsiliclastic[13]GarzantiE,AndòS-logicalandchemicalvariaBedloadsand(Ganga-Brahmaputra,BangladandPlanetaryScienceLetters,2010,299:368-3[14]江西省湖口縣志編纂委員會.湖口縣志[M].南昌:江西人民出版社,1992:1-694.[CompilationCoCountyChronicleofJiangxiProvince.HukouCountyChronicle[M].Nanchang:JiangxiPeople'sPublishing[15]JiaY,LaiZ,ZhangreachesoftheYangtzeRiverinChinaEuropeanmountainlakesdisturbanceof210Pbgeochronology(LakeAnterne,North[18]冷雪，吳霜，王昕梅，等.贛北黃茅潭近代湖泊137Cs矯正[J].海洋與湖沼，2017,48(05):944-951.[LengXue,lake,Jiangxi,SouthChina[J].OceanoSinica,2017,48(05):944-951[19]吳霜，劉倩，曹向明，等.贛北黃茅潭湖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