渝东南近100年石笋灰度变化及气候环境意义

张 瑞,杨勋林,*,刘秀明,殷建军,刘睿恺,王宝艳

1 西南大学地理科学学院, 西南大学岩溶环境开放实验室, 重庆 400715 2 自然资源部岩溶生态环境-重庆南川野外基地, 重庆 408435 3 中国科学院地球化学研究所 环境地球化学国家重点实验室, 贵阳 550081 4 中国地质科学院岩溶地质研究所, 自然资源部, 广西岩溶动力学重点实验室,桂林 541004

洞穴石笋因其具有精确定年、时间跨度大和分辨高等优点,已成为重建古环境研究中的重要工具。过去人们的焦点主要聚集在石笋氧同位素上,基于石笋能够反映亚洲夏季风强弱变化这一基本假设,前人利用亚洲石笋记录重建了不同时间尺度亚洲季风演化历史并探讨其驱动机制[1- 6]。同时,一些科学家对东亚季风区石笋δ18O能否作为夏季风代用指标也提出许多质疑,认为中国石笋记录可能仅指示水汽来源而非季风强度[7- 10]。鉴于人们对石笋δ18O的质疑,开发利用石笋其他气候指标综合研究过去环境变迁已经成为石笋古气候研究的新趋势。近日Zhang等[11]利用石笋微量元素记录重建出长江中游地区的降水变化,提出了在Bølling-Allerød时期季风减弱、降水增多的观点。Wang等[12]利用石笋中3-羟基脂肪酸重建出长江中游古温度和古水文变化,实现了石笋中温度和水文信号的剥离。因此,进一步开发和探索石笋新的气候环境指标,是石笋古气候研究的新趋势。相较于石笋δ18O和其他指标,灰度数据具有获取方式简易,对石笋破坏程度低和实验周期短等优点。Baker等[13]利用在同一地区的泥炭沉积物和石笋中荧光强度进行对比,发现石笋中发光物质波长的增加反映了地表湿度的升高；秦小光和刘东生等[14-15]提出石笋中发光物质主要反映洞穴滴水中有机质的含量和原地生长的有机物数量；杨勋林等[16]研究显示降水量和季风强度对灰度值的影响较大；崔古月等[17]指出太阳活动和季风降水是影响灰度值变化的主要因素；Tan等[18]利用纹层灰度和温度的对应关系,显示了石笋灰度值与温度之间显著的相关性。目前,针对石笋灰度值所代表的气候环境意义和驱动机理还存在着很大的争议,缺乏具有精确年代的石笋记录与现代器测资料的精细对比。因此,本文以采自重庆市酉阳自治县的一根石笋为研究对象,利用数字图像技术,获取近100年高分辨率的石笋灰度序列,并结合当地近100年器测气象资料和渝东南地区历史文献进行对比,利用石笋灰度序列和微量元素数据,深入探讨石笋灰度值与干旱指数、器测气象资料之间的关系,进一步明确石笋灰度值所指代的气候环境意义以及驱动机理。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

本文研究的石笋样品(TK22-1)采自重庆市酉阳土家族苗族自治县,酉阳自治县地处108°18′25″—109°19′02″E,28°19′28″—29°24′18″N之间,重庆市东南部。酉阳自治县地质构造单元位置属新华夏构造体系第三隆起带的川、黔、湘、鄂褶皱带,县内山体以八面山、武陵山系为主,海拔263—1895 m,属于典型岩溶槽谷地区。当地气候类型为亚热带湿润季风气候,气候较湿润,年均降水量1300 mm,年均气温15℃左右。天坑洞位于酉阳自治县板溪镇,地处于108°46′32″E、28°44′5″N。此洞穴发育于下奥陶统石灰岩地层,海拔560 m,洞口较大,洞穴顶板厚度约30 m,洞穴正上方为小块农田,农田上方为山体,山体最高处海拔约950 m(图1)。

图1 天坑洞地理位置及其洞口情况Fig.1 The geographical location and cave condition of Tiankeng Cave

1.2 数据来源及实验方法

石笋TK22-1,总长180.0 mm,直径130.0 mm,呈锥柱状。沿中轴线切开后,如图2所示,抛光面上的生长纹层清晰可见,生长核心稳定,说明了石笋所处的水文环境并没有发生太过剧烈的变化。石笋大体呈灰白色,中间含有数条淡黄色条带。本石笋测年工作在西安交通大学同位素实验室完成,仪器采用MC-ICP-MS(多接收等离子电感耦合质谱仪),年龄样品采自石笋生长轴方向。化学前处理过程以及仪器测试过程与方法参照Shen等[19],获得三个230Th年龄数据,均符合沉积序列,表1为石笋TK22-1的230Th测年结果。石笋210Pb的测试仪器为ORTEC ALPHA-ENSEMBLE- 8型α能谱仪,仪器分辨率为：17.0 kev,仪器效率：～27%,测试误差：<5%,实验方法参照文献[20],测试工作在中国地质科学院岩溶地质研究所完成。本文中显微矿物结构是利用COXEM EM- 30 PLUS台式扫描电镜在北京欧波同有限公司完成的。

图2 石笋TK22-1的剖光纵切面及其灰度值Fig.2 Polished longitudinal section and grayscale sequence of stalagmite TK22-1图中双虚线所夹的区域为被测区域

本文所用到的石笋灰度序列是光面测量方法得到的灰度值,将抛光后的石笋用酒精反复擦拭至表面洁净,放置到扫描仪上并保持水平,并在黑暗的条件下使用扫描仪对抛光剖面进行扫描；最后选取靠近且平行于生长轴处的图像,使用古环境记录图像分析软件进行数字化处理提取其灰度值。石笋TK22-1灰度值在130—187之间变化,由于本文石笋是通过测量反射光强度来获取的石笋灰度值,本文中灰度值越大表明石笋表面反光度越强,反之越弱。在图2中展示了该石笋的生长韵律,很明显地看到石笋具有平直而分明的生长层,同时在生长轴方向也基本不发生变化。石笋微量元素指标的获取是采用XRF岩芯扫描仪,直接对石笋样品的抛光面进行扫描。XRF扫描仪可以获取石笋剖面元素的连续变化特征,并且XRF岩芯扫描记录也可反映沉积物各元素组成的相对变化关系。本次测试在云南师范大学地理实验室完成,采用了0.2 mm的分辨率,沿TK22-1的生长轴从顶部到尾部进行扫描,且避开了测年采样留下的凹槽。

文中用到的重庆市1891—2015年降水量资料和酉阳自治县1951—2015年器测气象资料下载于中国气象数据网(http://data.cma.cn),主要用到年平均温度、年平均湿度和年降水量等器测气象资料,除年降水量和年平均温度外,其他数据存在部分年份资料缺失。CRUTEM4栅格式温度距平数据下载于(https://crudata.uea.ac.uk/cru/data/crutem/ge/),引用区域为渝贵地区(27.5°N,107.5°E)和鄂豫地区(32.5°N,112.5°E)[21]。重庆市旱涝指数数据来源于《中国近五百年旱涝分布图集》[22-24],渝东南地区旱涝指数原始资料来源于多本前人汇总的旱涝史料汇编[25-27],旱涝指数的建立方法详见张德二等[23]。

2 结果与讨论

2.1 石笋年代模型

酉阳天坑洞石笋TK22-1在采集时正在滴水,石笋顶部有一层现代沉积物,初步判断是正在生长的年轻石笋。而且铀含量较高,质地致密,无重结晶、溶蚀等现象,无明显的沉积间断,适合210Pb 和230Th法测年。石笋210Pb的测试数据显示过剩210Pb呈指数衰减,表明该石笋为年轻石笋；根据210Pb测试数据计算出石笋平均沉积速率为0.084 mm/a,与石笋230Th测年数据计算的近100年平均沉积速率0.099 mm/a在误差范围内基本一致。石笋上部有清晰纹层,因此石笋近52年的年代是通过纹层建立的,后面63年是通过230Th测年数据内插获得的。最近65年的灰度值与当地气象数据具有较高的相关性,也表明年代模型是可靠的。

表1 石笋TK22-1230Th测年结果

Th衰变常数λ230=9.1705×10-6,U衰变常数λ234=2.82206×10-6,λ238=1.55125×10-10,δ234U=([234U/238U]activity-1)×1000,根据230Th年龄获得δ234U初始值=δ234U测试值×eλ234×T,230Th初始年龄校正采用230Th/232Th平均比值：4.42.2×10-6

2.2 石笋灰度气候环境意义

石笋TK22-1的灰度值在1950—2006年期间呈现出整体上升的趋势,在1950—1970年间,灰度值发生多次的波动,其中1957—1968年间,灰度值波动幅度较大,最大振幅可达18,此期间出现两个较高峰值和一个低谷值,随后灰度值快速上升；2006年上升至180,在1990—2006年期间出现多次明显波动,波动幅度在14左右；2006—2015年灰度值呈下降趋势。图3中黄色矩形区域是该地区干旱事件发生的年代[28],分别为1960年、1966年、1981年、1987年、1994年、2006年和2011年,这些年代同时较好地对应着灰度值的峰值,也显示着干旱事件发生时,石笋灰度值升高。石笋TK22-1的灰度值与其他器测气象资料有着明显的相关性,用SPSS 17.0数据处理软件将其进行相关性分析得到表2,分析结果显示：石笋TK22-1灰度值与当地年平均温度呈显著的正相关关系,和湿度、年降水天数呈负相关关系；与年降水量和蒸发量也具有一定的相关关系,但均未达到显著相关性检验。尽管石笋灰度值与降水量没有达到显著的相关关系,但是由图3可以发现,石笋灰度升高的时段绝大部分对应着降水量减少的年份,特别是在一些干旱年份,比如2006年川渝地区百年不遇的高温干旱,受灾面积132.7万hm2,高温少雨致使伏旱加重,持续时间超过3个月,对应的石笋灰度值达到峰值,同样的情况包括1960年、1965年和2011年等。

图3 石笋TK22-1灰度序列与酉阳地区1951—2015年器测气象资料对比Fig.3 Comparison of the stalagmite TK22-1 grayscale sequence with the observed data in Youyang during 1951—2015(a) 酉阳自治县年降水量曲线；(b) 酉阳自治县年平均温度曲线；(c) 石笋TK22-1灰度序列；图中黄色矩形代表该地区干旱发生时期[26]

数据名称Data name相关系数 RCorrelation coefficient相关系数显著性 PCorrelation coefficient significance变量数 NNumber of variables年降水量Annual precipitation-0.1670.18465年平均温度Mean annual temperature0.318*0.01065降雨天数Raining days-0.2300.07959年平均湿度Mean annual humidity-0.311*0.01759蒸发量Evaporation0.2030.24135

*表示相关性检验P<0.05

无论是年降水量、年平均温度,还是降雨天数、年平均湿度、蒸发量都是影响土壤湿度(含水量)的重要因素,且土壤湿度直接影响洞穴滴水在土壤-围岩中的滞留时间、水量的大小以及洞穴滴水快慢等因素,因此,我们认为在岩溶槽谷区温度和土壤湿度是影响石笋灰度的重要因素。

温度对石笋灰度值的影响较为复杂。在相同的降水条件下,温度升高、地表蒸发量上升、土壤含水量下降,水分在土壤和石灰岩地层中滞留时间增长,溶解的土壤有机质和杂质浓度升高,造成洞穴滴水中的有机质和杂质浓度也升高,石笋中矿物的性质因溶质浓度的升高而发生改变,使组成石笋的方解石结构疏松、颜色发白、灰度值较高；反之当温度降低时,地表蒸发量减少,土壤中水分损失量减少。在相同的降水条件下,水分在土壤围岩中流速较快,所含溶质减少,沉积出的方解石结晶较纯净,结构致密、反光性差、颜色较深、灰度值偏低。同时,我们对石笋TK22-1进行了微量元素的扫描,并将扫描结果与灰度值进行对比和分析,得到石笋TK22-1灰度值与磷元素(P)含量呈显著的相关性(R=0.445,N=39,P<0.01),与钙元素(Ca)含量也具有显著的相关性(R=0.327,N=39,P<0.05)(图4)。其中石笋中的磷元素主要来源为土壤中无机磷和有机磷化合物,因洞穴滴水进入石笋中以磷酸盐的形式储存起来,因此石笋中磷元素含量可以较好地反映洞穴滴水中有机质含量的变化[29]。另外,Christ等[30]观测到在适宜的条件下土壤可溶性有机碳含量随温度升高而逐渐增加,这是因为温度升高会使微生物加快繁殖,促进了微生物对植物和动物遗体的分解,从而增加土壤水中无机质和有机质含量。这也表明当温度升高时,土壤水和洞穴滴水中的杂质浓度上升,导致溶液中晶核增多、结晶速率加快,析出小而白的方解石颗粒[31],最终使石笋表面反光性增强、灰度值升高。图5的电镜扫描结果显示,灰度值高的区域,方解石结晶较小且含杂质较多；灰度值低的区域,方解石结晶纯净,结构致密。另外石笋中主要矿物为方解石(CaCO3),钙元素是构成方解石的主要元素之一,Ca含量的变化直接反映着石笋矿物中CaCO3含量的变化,Ca含量与灰度值的正相关关系表明灰度值高时,石笋中碳酸钙含量较高。

石笋中的碳酸钙主要由饱含CO2的水溶液溶解围岩所得到,而洞穴滴水中的CO2来自于土壤水溶解大气和土层中的CO2,此过程受温度影响较大。最近有学者通过研究发现[32]随着全球变暖,土壤呼吸所产生的CO2总量也在增加,正是因为全球变暖加强了植物和微生物的异养呼吸,导致土壤碳流失的程度增加,此现象正发生在许多地区的生态系统中,这种趋势还将持续。当土壤中CO2含量随温度升高而上升时,岩溶水中的CO2含量以及溶解的碳酸钙的量增加,饱含CaCO3的水溶液在石笋表面发生沉积时,因溶液中CO2分压较高、逸出量增多,CaCO3沉积速率加快,最终导致方解石结晶不充分、结构疏松、颜色发白,石笋灰度值上升。

**表示相关性检验P<0.01

降水量和降雨天数也是影响土壤湿度的重要因素。石笋灰度虽与降水相关性未达到显著相关性,但与当地年平均湿度和降雨天数呈显著的相关性,这说明石笋灰度受当地土壤含水量和地表湿度的影响,而这些因素与降水量息息相关。在岩溶槽谷区土层薄,蓄水能力差,雨水落至地表后快速下渗,导致岩溶区植被对水分的依赖性较强；并且当地在夏季因受副热带高压的控制,易发生伏旱等高温灾害,经过湿度与其他气象数据的分析得到温度和降水都是影响当地湿度变化的主要因素(表3)。结合石笋灰度值和气象数据的相关关系以及岩溶槽谷区地貌特征,当降水量和地表湿度较高时,雨水在土壤中下渗速度加快、滞留时间较短,在土壤-围岩中水岩作用减弱,水中溶解的土壤有机质和杂质浓度下降,最终在石笋表面结晶出较为纯净的方解石矿物,进而使石笋灰度值降低；反之,当地发生伏旱时,持续的高温少雨使地表湿度和土壤含水量下降,水分在土壤-围岩中运移速度减缓,溶解土壤有机质和杂质浓度升高,使得石笋表面方解石结晶疏松、颗粒较小、颜色发白,石笋灰度值升高。

2.3 近100年灰度值变化

石笋TK22-1灰度值在1900—2015年期间变化趋势明显：灰度值在1900—1960年持续下降,1960—2006年逐步上升,2007年之后降至最低；其中波动幅度较大的时段有1900—1920年、1930—1950年、1960—1970年、1980—2010年；灰度序列与黄色矩形交叉的年份,为重庆东南部干旱灾害发生的时期,主要年份包括：1914、1942、1960、1966、1994、2006和2011年,这些年代均对应着灰度值的峰值且与前后数值变化较大；重庆市1891—2015年年降水量曲线显示,在干旱事件发生时重庆地区降水量明显减少,且达到较低值,同时也是重庆以及附近地区温度较高时期。在图6中显示灰度值与降水量、温度和旱涝指数均有着很好的对应性,且各曲线变化趋势相似,这进一步证明了灰度值所代表的气候环境意义,即灰度值高时气候干旱,土壤中水分含量较少,水岩作用强烈,溶解的有机质和杂质浓度较高,方解石结晶疏松、颜色发白,石笋灰度值较高；反之气候较为湿润,雨水在土壤中下渗速度较快,水分与土壤-围岩接触时间较短,溶解的有机质和杂质浓度较低,方解石结晶纯净,石笋灰度值较低。

图6 石笋TK22-1灰度序列与其他记录对比Fig.6 Comparison of the stalagmite TK22-1 grayscale sequence with other paleoclimatic records(a) 重庆1891—2015年年降水量曲线；(b) 渝贵地区 (27.5°N,107.5°E) 1921—2015年温度曲线,鄂豫地区 (32.5°N,112.5°E) 1905—2015年温度曲线[21]; (c) 石笋TK22-1灰度序列； (d) 重庆市近100年旱涝指数 [22-24](曲线为原数据经Origin 8.0利用2点平滑方法得到)；(e) 渝东南近100年旱涝指数,旱涝指数越大代表干旱程度越强；图中黄色矩形为当地干旱灾害发生时期

3 结论

本文利用来自重庆市酉阳自治县天坑洞高分辨率的石笋TK22-1灰度序列和精确的年代模式,并结合石笋微量元素、器测气象资料和旱涝史料等数据,分析石笋灰度值与器测气象资料的关系,进一步明确石笋灰度值的气候环境意义：

(1)石笋TK22-1灰度值与当地温度呈正相关关系,与湿度和降雨天数呈负相关关系,这说明石笋灰度值的变化主要受当地气候影响。岩溶槽谷区具有土层薄、多伏旱等特点,当地植被对土壤湿度依赖性强,温度和降水对当地环境影响较大,且降水控制着土壤-围岩中的水岩作用,水岩作用决定洞穴滴水中的溶质变化,因此石笋的生长状态可以较好地响应当地降水和温度的变化,也可以充分地反映当地气候环境变化。

(2)温度对石笋TK22-1灰度值的影响较为复杂,在相同的降水条件下,温度升高、地表蒸发量上升、土壤含水量下降,水分在土壤-围岩中滞留时间增长,溶解的土壤有机质和碳酸钙含量升高,同时,温度上升促进了土壤微生物对有机质的合成和CO2的释放,造成洞穴滴水中的有机质和碳酸钙含量升高。石笋的矿物性质因溶质含量的升高而发生改变,使组成石笋的方解石结构疏松、颜色发白、灰度值较高；反之当温度降低时,土壤中有机质的合成和CO2的释放量减少,且水分在土壤-围岩中滞留时间相对减少,洞穴滴水中的有机质和碳酸钙含量降低,沉积出的方解石结晶较纯净,结构致密、反光性差、颜色较深、灰度值偏低。

(3)石笋灰度值与湿度、降雨天数呈现出的显著相关性表明,当降水量和地表湿度较高时,雨水在土壤中滞留时间较少、下渗速度加快,水岩作用减弱,土壤水中溶解的有机质和杂质浓度降低,最终在石笋表面结晶出较为纯净的方解石矿物,进而使石笋灰度值降低；反之,当地发生伏旱时,持续的高温少雨使土壤含水量下降,水分在土壤和围岩中运移速度减缓,溶解的土壤有机质和杂质含量增加,使得石笋表面方解石结晶疏松、颗粒较小、颜色发白,石笋灰度值升高。

(4)重庆东南岩溶槽谷区近100年期间发生了多起严重的干旱事件,主要发生在：1914、1942、1960、1966、1994、2006和2011年。石笋TK22-1灰度序列与干旱事件有较好的对应关系,干旱事件发生年代对应着石笋灰度峰值,即当地降水减少,发生伏旱时,石笋灰度值升高。