中国南方石笋中古气候代用指标的研究

徐丽娜 邵晓华 南京信息工程大学遥感学院，南京，210044）

中国南方石笋中古气候代用指标的研究

徐丽娜 邵晓华 南京信息工程大学遥感学院，南京，210044）

中国南部石笋记录了重要的气候变化信息。石笋的古环境重建常用的代用性指标有碳氧稳定同位素、生长率、灰度等10余种[1～3]，多指标的环境解译体系，增加了古环境重建的可靠性。本文分别叙述了石笋的生长速度，沉积速率，纹层灰度，稳定同位素，微量元素等古气候代用指标。尽管每一种代用指标都有各自指代的气候意义，但单一的代用指标存在诸多影响因素，因此提倡使用多个代用指标相互对比，提高精确度。

中国南方；石笋；代用指标

引言

全球气候变化正在影响着我们的日常生活，迫使许多科学家不仅关心未来的发展趋势而更多的转向研究古气候。由于古气候较少受到人类活动的影响，可以主要研究受自然变率影响的气候变化。通过研究代用指标，多指标综合对比能够高精度的定性，甚至定量反演古气候，有助于我们对未来气候的变化趋势做出正确的判断。洞穴石笋的形成过程与大气圈、水圈、生物圈、岩石圈都有着密切的联系，而且，石笋适合用铀系定年，能够建立精确的时标，结合年纹层统计，可获得年际甚至是季节性变化的古气候记录。其次，石笋相对于冰芯而言不仅采样设备简易而且成本低廉；相对于珊瑚和树轮，石笋又能够长期连续的记录，可以达到百年、千年尺度；相对于黄土具有分层明显的优势，层与层之间界限清晰，可以精确到季节尺度。在我国，碳酸盐岩在全国各省区虽均有分布，但尤其以广西、贵州和云南东部地区分布最广，即我国广大的南方地区。这些地区常年受亚洲季风影响，具有极高的研究价值，因而我们要研究并总结中国南方石笋中的环境代用指标。

1 石笋代用指标的气候意义

1.1 石笋氧同位素的气候意义

δ18O是石笋代用指标中应用最广泛，也是应用最多的指标之一。Dykoski[4]等对董歌洞石笋中δ18O做周期分析表明：太阳活动周期（208年和86年）的极大值与δ18O的极大值有很好的对应关系，即δ18O值的变化是由太阳辐射变化引起的。Wang[5]等比较距今224ka三宝/葫芦洞石笋中δ18O值与北半球夏季太阳辐射记录得出：洞中石笋δ18O值，主要与北纬65°N夏季太阳辐射强度一致，次要受热带/亚热带季风影响。罗维均[6]等利用贵州凉风洞石笋中δ18O在2003年～2004年间的记录值揭示了降水，土壤水和洞穴滴水的δ18O值是协调同步变化的，即洞顶滴水与洞外大气降水的δ18O具有很好的相关性，也说明石笋的δ18O代表了沉积时的古大气降水的δ18O变化。

1.1.1 石笋δ18O与温度的关系

目前，对于洞穴石笋δ18O对温度的指示意义，主要存在两种截然不同的解释，即：δ18O与温度正相关或者呈负相关关系。胡超涌等[7]对湖北清江地区洞穴石笋记录的研究认为石笋碳酸盐的δ18O与地表均温呈正相关关系；张美良等[8]利用桂林响水洞，发现δ18O与温度呈负相关。在中全新世时期，δ18O值由偏负逐渐向偏正的变化趋势，反映了东亚夏季风由强变弱，气温由高变低。

1.1.2 石笋δ18O与降水量的关系

石笋δ18O与降水量的关系一般呈负相关关系。在重庆地区，末次冰期晚期，石笋δ18O变化反映夏季降水量：当夏季风强盛时，降水量增大，降水中δ18O值偏负，造成石笋中δ18O偏轻，反之亦然[9]。蔡演军[10]等提取位于秦岭南坡的大余洞中石笋，总结出距今750a当这一地区夏季风降水增强时，δ18O偏负，表现出“量效应”。

1.1.3 石笋δ18O与水汽源的关系

石笋δ18O与水汽源的关系比较固定。降水来自近源时，δ18O值偏正；来自远源时，δ18O值偏负。程海[11]研究了葫芦洞中生长于倒数第二次冰期石笋，得出我国东南方降水δ18O值可能取决于盛行风的状态。秋，冬和早春盛行冬季风，降水少，大部分降水来自近源，δ18O值偏正；盛行夏季风时，陆地海洋温度升高，大量降水来自远源，δ18O值偏负。蔡演军[12]等由以上的结论总结得出：远源的δ18O值（约-6‰）要比近源的δ18O值（约-10‰）偏高。

综上所述，对于千年～万年时间尺度而言，洞穴石笋δ18O变化主要反映气候暖湿程度或冬、夏季风环流强度比率。对于十年～百年时间尺度，石笋δ18O值变化的影响因素十分复杂。李红春等[13]曾提出，在较短时间尺度上，石笋δ18O值取决于大气降水同位素组成，而在较长时间尺度上主要反映温度变化。

1.2 石笋碳同位素的气候意义

石笋的δ13C值对气候和植被格局表现得很敏感，可以用来作为古环境与古生态变迁的代用指标。洞穴石笋的碳稳定同位素组成，主要取决于降水中溶解的大气CO2、土壤中由植物呼吸作用在根部呼出的CO2、植物体腐烂释放出的CO2以及基岩溶解等的δ13C值。若不考虑人类活动和自然灾害的影响因素，则：气候趋向暖湿，C3植被增加，C4植被减少，δ13C值降低；气候趋向干冷，C3植被减少，C4植被增加，δ13C值增高[14]。

Cosford[15]等利用莲花洞中石笋得出：夏季风相对强的时候，降雨量大，植被温度高，土壤中微生物活动增加，洞穴滴水速率变快，洞穴通风减弱，导致δ13C值偏负，反之亦然。孔兴功[16]等分析湖北神农架青天洞石笋中δ13C值发现：在百年尺度上，石笋年纹层厚度与δ13C变化曲线均表现出良好的相关性，当上覆土壤层生物活动增强，CO2分压较高时，导致石笋δ13C值偏负、石笋的生长速率增大。

1.3 元素及其比值的气候意义

元素如：Ca，Si，Al，Mg，Fe，Mn，Sr等，都是很好的代用指标。Ca，Si能够显示气候信息，温暖气候利于沉积，含量高与高温或转暖的标志相似。Al，Mg，Fe，Mn，Sr等具有环境敏感性，冷气候的洞穴环境使元素易聚集。

李彬等[17]对桂林地区的石笋研究认为：当大气环流系统未发生显著变化和岩溶水文地质条件较相似时，Mg/Ca和Mg/Sr比值主要取决于环境温度的变化，即温度升高，比值增加。否则主要取决于降水条件的变化，当降水丰富时，水的渗流加快，滞留时间较短，则Mg/Ca比较小，反之亦然。

Si是自然界中最丰富的元素之一，其循环过程贯穿地球的各个圈层。因而，Si是研究地质作用良好的示踪剂。袁道先等[18]分析了桂林盘龙洞和水南洞石笋中的Si总量，发现冷气候有利于Si的聚集，可能是冷湿条件下土壤冲蚀加强的结果。气候暖干，石笋中可溶Si的含量较高，反之亦然。胡超涌[19]等分析了和尚洞石笋的可溶Si/Ca，发现其与δ18O有轻微的正相关关系，由此提出可能是降雨量控制可溶Si/Ca的值。

1.4 石笋的生长速度

1.4.1 石笋的年层（微层）

石笋年层在古气候研究中具有两层意义：一是，与树轮一样，石笋年层计数方法可以精确构建古气候研究的时标，其分辨精度可达年甚至季；二是，通过石笋年层厚度对气候因子，如温度、降水、典型气候事件等响应规律的研究，可以反演古气候、古环境的状况。刘浴辉[20]等采用湖北清江和尚洞中石笋得出：石笋年层厚度与东亚夏季风强度指数在年际尺度上呈现正相关性，即石笋年层厚度值大时，对应东亚夏季风强度指数高，夏季风弱。

1.4.2 石笋的平均沉积速率

石笋的平均沉积速率是沉积厚度（生长高度）除以沉积时间。在单位时间内，沉积厚度大，生长沉积速率大，反之小。所以，沉积厚度、沉积时间都决定沉积速率的变化，而气候、环境影响则是主导制约因素。彭子成[21]等认为晚更新世晚期，贵州七星洞石笋的生长率揭示了：暖湿环境、降雨充沛，石笋生长率达到高值；气候向冷干趋势发展时，降雨量下降，生长率处于低值（负距平）。汪永进等[22]对南京汤山葫芦洞石笋分析发现：石笋生长速率与洞穴温度呈正相关，这种正相关反映了季风气候条件下，百年尺度的水热配置关系。

1.5 灰度

石笋广义上的灰度泛指在样品表面所测到的光线强度。在普通透射光条件下由于石笋微层内沉积界面阳光测得的灰度是狭义的灰度。洞穴滴水中的有机质主要来自地表，石笋微层内有机质含量实际上就是地表生物量的再现。由于灰度是层内暗色有机质颗粒含量的直接反映，因此，灰度也可以作为地表生物量的替代指标[23]。

石笋颜色的变化反映了当时的气候变化特征：一般来说，石笋剖面颜色呈白色、灰白的时期生长速度较快，降水较多生物量大；而颜色为暗色的时期，生长速度较慢，降水也较少，地表生物量小。

1.6 其他

1.6.1 石笋中的微生物与脂肪酸

洞穴中的微生物以噬温型居多，年均温升高会加快洞穴微生物的繁殖，而当降水量足以在土壤中形成下渗水时，土壤中的水分已经足够微生物生长的需要[24]。因此，对于由地表渗水形成的洞穴石笋而言，温度对于石笋中微生物源有机质的输入、组成起主控因素的作用，而降雨量的影响要小一些。

脂肪酸也可以作为一种较好的代用指标。不饱和脂肪酸与饱和脂肪酸的比值与氧同位素具有一定的对应关系。在低温条件下, 相对高含量的不饱和脂肪酸的出现可能与较弱的微生物活动有关。不饱和脂肪酸与饱和脂肪酸比值所表现出的气候意义可能是微生物活动对气候变化的反映。如：谢树成等认为清江和尚洞石笋脂肪酸比值最高值所记录的应为H1这一寒冷气候事件[25]。

1.6.2 石笋的反射光谱

由于反射波段指代化合物的不确定性比较强，导致研究的不是太多。黄俊华[26]等认为石笋在450 nm/700 nm的反射特征可以反映铁的化合物组成。湖北清江榨洞2号石笋所表现的反射光谱变化特征明显反应气候的冷暖、干湿变化。气候暖湿，A450/700值高；气候冷干，A450/700值低。因而，可以得出气候变化可通过铁化合物的迁移和聚集影响石笋反射光谱。

除此之外还有有机质荧光、分子化石标志物、包裹体成分、硫及硫同位素等，在这里就不一一列举了。

2 讨论与结论

单一代用指标存在诸多影响因素、自身的局限性和限制条件。如：利用氧同位素从石笋中提取古气候变化的信息应满足石笋沉积的连续性和石笋生长过程中固液相之间达到了同位素分馏平衡。所以从石笋中提取代用指标的数据前，应该先检验一下，采集的样品是否符合条件。决定石笋碳酸盐氧同位素组成的主要因子为：大气降水同位素组成受水汽来源、降水的位置、降水量和气温等影响，时空变化很大，导致δ18O具有多解性。因而要分清楚所研究地区和尺度上，哪种影响因素占主要因素。此外还有测量降水，温度等气象要素的观测站与研究洞穴不处于同一海拔而造成的测量误差等都应加以考虑。汪永进[32]等利用湖北省青天洞中石笋和南京葫芦洞石笋的δ18O值相差0.5‰，是由于海拔不同且δ18O海拔梯度为：-1.7‰/1000 m（SMOW）和离海远近的位置有差异叠加造成的。

对石笋中元素的研究已经取得了一些成果，表明在轴向即石笋生长方向上，一些微量元素的比值含量与气候变化相对应。而不同地点的石笋存在区域气候条件和植被的差异，所以石笋的元素质量分数比值，在不同区域可能得出相反的气候信息。

石笋微层易受洞穴滴水带入其他的一些矿物杂质的影响，如黏土等，这些矿物杂质的存在对由有机质产生的灰度会有一定的干扰。李清[33]等认为：由于滴水中Cu2+、Fe2+、Mn2+、Zn2+对晶格内Ca2+的交代作用，受区域地质状况影响，当石笋中某种元素富集到一定浓度时（100×10-6～1000×10-6），石笋微层常会呈现出一定的颜色，如Cu2+为蓝色，Fe2+为红色等。还有温度、Eh值、pH值、土壤湿度(水分)、营养物质和太阳辐射等对微层的研究都有一定的影响。研究微层厚度时，应特别注意“伪年层”和“缺失年层”的鉴别等问题。

综上所述，单一的代用指标并不能很好的反演古气候与古环境，必要时可以运用冰芯，黄土，珊瑚等载体作对比验证，这样能够更好的保证其可靠性和真实性。再者，已经有一些学者尝试定量重建古气候，这也是未来发展的趋势之一，有待于进一步研究。胡超涌[34]等用和尚洞中石笋的δ18O值与仪器测量的降水数据校准之后的数值，定量重建了全新世时期的降雨量。

3 展望

面对未来的发展趋势，我们应该在几方面做出努力。首先，要明确很多代用指标受到局域气候或洞穴系统的影响，不利于全球或大范围的对比研究，因而我们要探索更加稳定的，适合大区域对比的代用指标。其次，现在我们研究的代用指标多是定性的反演古气候，如果想要定量的分析，还需要反复实验，理论实践相结合。最后，我们需要开拓思路，多学科交叉，我们应认识到许多不足。如：国内石笋的精确时标还主要依赖国外的实验室，石笋高分辨记录的精度达不到研究需要等。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2011.08.032

国家自然科学基金——黔西南全新世季风突变与水汽源变化的洞穴沉积诊断

徐丽娜，女，硕士，主要研究用石笋做代用指标分析气候变化；邵晓华，女，博士，副教授，硕导，主要研究方向：第四纪气候与环境。