小冰期内部1510～1710AD时段石笋δ18O变化趋势及驱动机制探讨

吕春艳 郝永娟 张月明

摘 要：该文利用重庆丰都水鸣洞石笋NSM03高精度230Th年代数据和δ18O值建立了三峡库区小冰期内部1510～1710AD这一时段的石笋氧同位素时间变化序列，研究结果显示在这两百年间，NSM03石笋δ18O曲线呈高频变化，δ18O值在1510～1670AD年相对偏负，之后δ18O持续偏重，在1610年左右达到最大值，对应于前人研究的“明末弱季风”这一事件，而在1638AD之后又持续偏轻，显示了东亚季风由偏强到弱，再持续强盛的变化趋势。通过对NSM03石笋δ18O的功率谱分析，发现石笋δ18O记录在此期间存在25 a、5 a和3 a周期，表明这一时期重庆地区气候变化主要受控于太阳活动变化，同时受到ENSO事件的影响。

关键词：重庆水鸣洞 石笋 氧同位素 亚洲季风

中图分类号：P512 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）09（c）-0197-03

近十多年来，石笋δ18O已被广泛应用于古气候研究，并取得了很大成果。随着研究的不断深入，利用石笋δ18O重建古气候并探讨其与古文明衰退之间的关系也备受关注，张平中等[1]通过研究甘肃万象洞石笋δ18O记录，重建了最近1810年以来亚洲季风环流的降水变化，认为了亚洲季风降水的变化与中国历史文明演化有密切的关系，季风降水的变化是导致朝代更替最重要的因素。该文基于重庆丰都水鸣洞石笋230Th定年数据和δ18O测试数据，建立定年精确、高分辨率的石笋δ18O序列，探讨小冰期内部1510～1710AD期间气候变化及驱动机制，以及分析明王朝的更替是否与“明末弱季风”这一季风气候事件有关。

1 材料和方法

重庆丰都水鸣洞（29°47′N，107°47′E）位于长江中上游地区，亚热带湿润气候，多年平均降雨量为1400 mm，年均气温在14 ℃，对季风变化反映敏感，是研究季风变化关系的理想区域。洞穴发育于三叠系下统嘉陵江组薄至中厚层状石灰岩中，是雪玉洞溶洞群的下层洞穴，地层稳定。（见图1）

该文石笋样品NSM03长90 mm，柱状，质地致密，剖面为灰白色，无重结晶、溶蚀等现象，无明显的沉积间断，适合230Th法测年。为获得稳定同位素分析样品，沿着石笋生长轴方向把石笋切开抛光，使用刻刀沿石笋生长轴方向且平行于生长纹层的剖面上刮取粉末，每毫米刮20个样品，为避免样品交叉污染，采用间隔取样分析。石笋δ18O测试在西南大学地理科学学院同位素实验室完成，分析仪器为碳酸盐自动进样装置Kiel-Ⅳ联动Delta-V-plus质谱仪，PDF标准，分析误差≤±0.06。年代样品由5 mm取芯钻头取得，用MC-ICP-MS Nepture分析测试，按Shen等方法[2]，年龄误差≤1%（2σ）。

2 结果与讨论

2.1 年代标尺的建立

水鸣洞石笋NSM03的4个年代测试样品（表1）覆盖了200年，所得年代数据的精度非常高，误差在±2年和±4年之间，平均误差仅±3.5。由于测年精度比较高，而且无沉积间断或者根据年代序列采用多项式拟合方程建立年龄—深度的生长模型图，从图2中可以看出，石笋NSM03在这一时期沉积速率比较稳定。

2.2 石笋δ18O指示意义

石笋用于古气候研究的代用指标丰富（稳定同位素，微量元素，微层灰度，纹层等），但δ18O是其中应用最为广泛的，虽然人们对亚洲季风区石笋氧同位素所指示的气候意义还存在争议[3]，但大多研究认为季风环流的强弱和夏季风带来的降水量应该是影响石笋氧同位素组成的主要因素[4]。

石笋NSM03在近200 a内共测试碳氧同位素146个，平均分辨率约1.4 a年，石笋SM03的δ18O曲线记录了重庆地区1510～1710AD年时段气候波动特征。石笋NSM03的δ18O值在1510～1710AD时段内的变化范围为-8.51‰～-7.60‰，平均值为-8.02‰，变化幅度达到0.91‰。从图3中可以识别出，这一时段石笋δ18O曲线变化大体可以分为3个阶段：1510～1570AD期间，从1510～1550AD年，δ18O逐渐偏重，但在1550～1570AD，δ18O急剧偏负，在1556AD更是达到最低值，偏轻至-8.51‰，之后迅速变重，说明在这60年间，存在一个短时间内的季风突变事件，但整体来说这一时期δ18O逐渐偏正，说明季风逐渐减弱，降水渐减；之后，δ18O迅速升高，在1570～1638AD时段，石笋δ18O整体偏重，在1608AD滑入整条曲线谷底，偏重至-7.6‰，季风较弱；1638～1710AD，δ18O持续偏轻且比较稳定，季风强盛，降水量增多，气温升高。

张平中等[1]研究甘肃万象洞，得出在1580～1640AD这段时间也经历了季风的明显减弱，称为“明末弱季风期”。中国历史文献资料也记载到在16世纪末的季风减弱期间国东部地区发生了两次极端干旱事件[5]，这也得到中国树轮记录的支持[6]，从图3和上述内容提到，第二时段（1570～1638AD）石笋δ18O整体偏重，季风明显减弱，降水量减少，这与张平中等所研究的1580～1640AD季风明显减弱的“明末弱季风期”时间基本一致，而明末弱季风内部存在的“W”型气候波动，也与中国东部地区的两次极端干旱事件相对应，这一时期明王朝的统治区域内因粮食减产等原因，引发了大规模的农民起义，最终导致明王朝的终结。季风减弱，降水量减少，极端干旱事件的出现，导致粮食减产，因此，季风降水的变化确实可能成为王朝更替的关键因素。

2.3 1510～1710AD气候变化机制探讨

通过对石笋δ18O进行REDFIT37功率谱分析（图4），在90%置信度水平下通过红噪声检验的周期有25 a、5 a和3 a，25 a周期与太阳黑子活动周期（22 a）相对应，表明这一时期重庆地区气候变化主要受控于太阳活动；而3～5 a周期又和ENSO的2～7 a准世纪周期有很好的对应关系，表明这一时期气候变化同时受到ENSO事件的影响。

3 结论

重庆水鸣洞氧同位素记录了小冰期内部1510～1710AD这一时段重庆地区的季风降水变化。δ18O值在1510～1670AD年开始，之后δ18O持续偏重，在1608AD左右达到最大值，偏重至-7.6‰，而在1638AD之后又持续偏轻且变化稳定，显示了东亚季风由偏强到弱，再持续强盛的变化趋势；1580～1640AD的季风明显偏重阶段，对应于前人研究的“明末弱季风”这一事件，说明季风降水的变化确实可能成为王朝更替的关键因素。最后通过对NSM03石笋δ18O的功率谱分析发现石笋δ18O记录在此期间存在25 a、5 a和3 a周期，表明这一时期重庆地区气候变化主要受控于太阳活动作用，同时受到ENSO事件的影响。

参考文献

[1] Zhang P Z，Cheng H，Edwards R L， et al.A test of climate，sun，and culture relationships from an 1810-year Chinese cave record[J].Science，2008（322）：940-942.

[2] Shen C C，Cheng H，Edwards R L，et al.Measurement of attogram quantities of 231Pa in dissolved and particulate fractions of seawater by isotope dilution thermal ionization mass spectroscopy[J].Analytical Chemistry， 2003（75）：1075-1079.

[3] 张德二，李红春，顾德隆，等.从降水的时空特征检证季风与中国朝代更替之关联[J].科学通报，2010，55（1）：60-67.

[4] 谭明.环流效应：中国季风区石笋氧同位素短尺度变化的气候意义——古气候记录与现代气候研究的一次对话[J].第四纪研究，2009，29（5）：851-862.

[5] Shen C M，Wang W.，Hao Z X. Exceptional drought events over eastern China during the last five centuries[J].Climatic Change，2007（85）：453-471.

[6] Cook E R，Anchukaitis K J，Buckley B M，et al. Asian monsoon failure and megadrought during the last millennium[J].Science，2010，328（5977）：486-489.