西沙群岛东岛湖泊沉积记录的近1000年来热带降雨与人类活动历史

张玲，杨小强，商圣潭，张庭伟，李冠华，阮骄杨

中山大学地球科学与工程学院，珠海 519000

在有人类历史记载以来，气候变化模式与人类活动的相互作用备受关注。比如最受人们关注的中世纪暖期和小冰期等时期的温度和水文变化，无数科学家已进行了大量的研究，但在区域空间变化特征和动力机制等方面，目前仍然是国内外学者讨论的焦点[1-3]。已有的研究表明，热带辐合带的南北移动[4-5]、海陆热力差异[6]和ENSO活动的强弱[7]等，是影响亚洲季风区和热带区域千年以来不同降雨格局的主要因素[7-9]，但亚洲季风动力学复杂的控制过程和多变的内在机制使得上述观点仍存在争议，尤其是类厄尔尼诺和类拉尼娜现象对中国北方、南方、东南亚和西太平洋等不同区域降雨时空模式的影响存在诸多的不确定性[6-7,10-12]。

历史时期，这些不同的气候条件直接影响了区域的生态系统、农业发展、人口密度、人口迁徙和文明演变[13-16]；而另外一方面，在某些情况下，强烈的人类活动也可能会影响环境的变化，导致水土流失、土地荒漠化[17-19]以及沙尘暴频发等恶劣气候的出现[20]。虽然区域内气候变化与人类活动关系的探究已屡见不鲜，但二者之间的响应在宏观地理尺度上的联系仍知之甚少。

本文选择西沙群岛的东岛牛塘湖泊近1000年以来的沉积物，以珊瑚砂粒度组分含量和环境磁学参数为替代指标，讨论热带区域百年时间尺度的降雨变化和可能的人类活动历史，并通过对比中国北方近千年以来的强沙尘暴记录，探讨中国北方粉尘事件传输至低纬度区域的可能性及其区域气候响应特征。

1 研究材料与方法

1.1 采样位置与样品描述

东岛（16°39′～16°41′N、12°43′～112°45′E）位于西沙群岛东部（图1），是一长椭圆形的热带珊瑚岛屿，发育在独立的礁盘上，大约形成于全新世晚期，海拔3～6 m。东岛四周高，中间低，其东、南、西部均被沙堤包围，沙堤高约6 m；沙堤之内是平坦的盆地，海拔约3 m。牛塘是东岛内部一个长约120m、最宽约20m的淡水湖，位于岛的西南侧，距离海边的沙堤约120m[21]。

图1 西沙群岛、采样钻孔及公海湖位置a.西沙群岛以及公海湖的位置（黑色方框为西沙群岛的位置，红色圆点为公海湖的位置）; b.东岛的位置（黄色方框为牛塘湖泊的位置）; c.钻孔位置（黄色虚线为牛塘湖泊大体边界，红色方块为钻孔位置）。Fig.1 Map of Xisha Islands and Gonghai Lake showing the location of the boreholesa.The location of Xisha Islands and Gonghai Lake (the black box is the location of Xisha Islands and the red dot is the location of Gonghai Lake); b.The location of the Dongdao Island (the yellow box is the location of Cattle Pond); c.Borehole location (the yellow dotted line is the boundary of Cattle Pond,the red square is the drilling location).

2018年在牛塘湖泊的东南部以重力活塞取样的方式钻取了3条长约80cm的钻孔（图1），编号分别为DD、DD-1和 DD-2，本文主要研究钻孔DD-1。钻孔顶部约5cm的沉积被严重扰动，取样时没有保存。钻孔整体岩性为珊瑚砂，顶部为浅灰色至灰褐色的黏土质珊瑚较粗砂，含动物粪便纤维、植物残体以及微体生物，中部为浅灰褐色细粒砂质沉积物，底部为淡黄色较粗粒砂质沉积物，含白色珊瑚、贝壳碎屑较多。

1.2 实验方法

对DD-1钻孔以0.5cm为间隔进行连续取样，共采取样品124个。从每个样品中取2 g左右用聚乙烯保鲜膜包裹，置于规格为2cm×2cm×2cm的无磁性塑料盒中，压实固定后用于磁学参数测量；同时采取平行样品冷冻干燥，充分分散之后进行沉积物粒度测试。

对所有盒装样品进行如下环境磁学实验。首先在卡帕桥MFK1-FA磁化率仪进行高、低频磁化率测试，测试频率分别为15616和976 Hz，场强为200 A/m。对测量完磁化率的所有样品，施加80mT的交变场和0.05 mT的直流场，测量非磁滞剩磁（ARM）；之后，对样品分别施加1000、–100和 –300mT的脉冲场，测量相应的等温剩磁（IRM），两项实验均利用2G-760 超导磁力仪测量。1000mT场强时的剩磁视为饱和等温剩磁（SIRM）。用（SIRM+IRM−300mT）/2计算得到HIRM,一般表示样品中赤铁矿的含量，S300=（IRM−300mT/SIRM）一般表示样品中高矫顽力矿物的相对含量（IRM−300mT指的是−300mT时的剩磁），ARM/SIRM表示磁性矿物粒度的相对大小。根据SIRM的变化，分别选择其高、低值处的代表性样品进行磁滞回线以及磁化率随温度变化的实验，识别磁性矿物的类型。磁滞回线在MicroMag3900振动磁强计完成，最大磁场为1 T。磁化率随温度变化实验在MFK1-FA磁化率仪完成，温度区间为室温至700 °C。

采用振动筛析法对样品进行粒度分析。将冻干分散后的样品置于分析筛上，充分振荡进行筛分。筛子直径分别为5、2、1、0.5、0.25、0.125、0.063 mm，分别对筛分后各个粒级的物质进行称重。

ARM和IRM实验在中国地质大学（武汉）古地磁实验室完成，其他实验在中山大学地球科学与工程学院磁学实验室进行。

2 钻孔沉积物年代框架

在3个钻孔中挑选粒径＞0.125 mm的底栖有孔虫、植物种子和贝壳共20个样品，加入500 μL乙醇放置在超声波振荡仪中清洗30 s，并用纯水清洗之后，送往Beta实验室进行AMS14C测年,测量结果见表1。测年数据用Calib 704软件校正至日历年龄，由于东岛“牛塘”为淡水湖泊，校正曲线采用Intcal 13。

由表1可见，3个钻孔的测量年龄均存在倒转现象，甚至同一层位植物种子和有孔虫的年龄也存在很大差异。为建立可靠的沉积物年龄模式，首先基于沉积物岩性和磁化率的变化，对3个钻孔进行对比，确定不同钻孔沉积物的对比方案，然后对3个钻孔的年龄进行综合分析，挑选合适的测年数据进行年龄框架的重建。3个钻孔为相邻的平行钻孔，岩性变化代表了相同的沉积过程，而磁化率的相对大小变化是岩性变化的良好反映。以显著的岩性变化为标志、以磁化率值的高、低变化为可对比层位，建立3个钻孔沉积物的分布模式（图2）。根据3个钻孔磁化率的对比，DD-1钻孔21.5cm和50cm两个层位的测量数据900±30 a、700±30 a应该为异常数据，在建立年龄模式时删除。根据前人对在同一湖泊沉积顶部210Pb的测量结果，顶部约13cm的沉积年代为1861—2003年，约20～21cm处的AMS14C年龄为1476—1661AD（2 sigma）[22]。可能由于打钻过程中的压实作用，DD-1钻孔在约10cm处的AMS14C测年结果与前人在20～21cm处的基本相同，沉积厚度减小一半，估算近100年来的沉积可能只有约5～6cm厚。而在打钻的过程中顶部约5cm的样品由于扰动未取样，故无法对沉积钻孔顶部进行年龄限定。对DD-1钻孔其他数据，使用基于R语言的Bacon程序建立年龄-深度模型（图3）[23]。

3 实验结果

3.1 沉积物粒度分布及湖泊水动力条件变化

沉积物颗粒物质主要为珊瑚砂，含有介形虫和有孔虫等微体生物。通过体视显微镜观察，当有机质含量高时，微体生物含量低，而当珊瑚砂等含量高时，微体生物的含量也相对增加，其在珊瑚砂中的占比基本不变。从测试结果可见（图4），沉积物主要为1～0.063 mm的珊瑚砂（平均含量约81%），仅有个别样品存在＞5 mm的成分，＜0.063 mm的珊瑚砂含量低于25%。5～0.125和＜0.063 mm两个端元的组分呈相反的变化趋势，代表了两种不同的水动力条件。前者表示水动力条件较大，后者表示水动力条件较小。水动力条件的变化可以分为3个过程，即公元1000—1100、1100—1400年和1400年之后，水动力从强-弱-较强的变化。

表1 DD-1、DD-2和DD钻孔样品AMS 14C年龄测定结果Table 1 AMS 14C dating results of core DD-1,DD-2 and DD

3.2 磁性参数与碎屑物质输入量变化

典型样品的磁滞回线结果表明，沉积物中磁性矿物类型的变化分为两大类（图5）。第一种类型的沉积物具有软磁性物质主导的磁滞回线特征，在200mT时可以达到闭合，矫顽力（Bc）为9～17mT，这种类型的沉积物具有较高的SIRM值；而另一种类型为抗磁性物质主导，饱和磁化强度（Mr）为负值，这种类型的沉积物具有很低的SIRM值。平行样品的磁化率随温度变化曲线进一步表明，对第一种类型的沉积物，加热曲线的磁化率在约585 °C有明显的快速衰减，表明了磁铁矿的存在。两种类型的沉积物（顶部具有最高SIRM值的沉积物除外）加热曲线在200～400 °C之间随温度升高磁化率均显著下降，有可能是样品中的抗磁性物质随温度变化对磁化率的影响加大，但不能排除沉积物中可能含有磁赤铁矿。冷却曲线在约585 °C有明显的升高，之后变化相对平缓，其值低于初始磁化率值，或者基本相等，表明在加热过程中没有明显的新的磁铁矿产生，样品中磁铁矿的信息应该来自原始沉积物。

非磁滞剩磁（ARM）和饱和等温剩磁（SIRM）表示沉积物中磁性矿物浓度的变化，前者对稳定单畴的细粒物质更为敏感[24]。柱状剖面中，磁性参数最显著的变化在约1600 AD 之后，SIRM和HIRM比前期高两个数量级以上，显示磁性矿物浓度的快速增加；S300比值保持在0.9以上，没有明显的降低，ARM/SIRM减小，表示磁性矿物的类型没有发生大的变化[25]，粒度有所变粗[26]。SIRM另一比较明显的较高值发生在1120—1250 AD，同样ARM/SIRM也减小。这两处磁性参数明显变化的时期，反映了陆源的碎屑物质输入量增加，与中国历史文献记录中强风尘天气发生频次较高的记录一致[27]，该时期伴随着湖泊粗颗粒物质的减小。整个钻孔中沉积物（SIRM+IRM-100mT）/SIRM与HIRM/SIRM呈现基本一致的趋势，表明沉积物中矫顽力大于100mT的磁性矿物主要是高矫顽力矿物（图6）。

图2 3条钻孔岩性和磁化率对比绿色数字为异常年龄点，红色数字为正常测定年龄；红色虚线代表3条钻孔对应的沉积层位。Fig.2 Comparison of lithology and magnetic susceptibility of core DD-1,DD-2 and DDThe red numbers represent the normal ages while the green numbers represent the uncertain ages; The red dotted lines show the correlation depositional horizons among three boreholes.

4 讨论

4.1 过去近千年西沙群岛降雨与季风气候的反向变化

一般情况下，封闭性湖泊的沉积物粒度能够反映湖泊水位的上升或下降，粒度越细表示湖泊水位越高[28]。但是牛塘湖泊位于珊瑚礁之上，湖泊四周为珊瑚砂，具有较高的孔隙度，水体易与海水之间相互渗透，使得牛塘的水位持续保持在0.5 m左右的状态[21]，湖泊沉积物的粒度可能并不反映湖泊水位的变化，而是表示将珊瑚砂从四周汇水面积区搬运至沉积区的水动力强度的大小[22,29]。在降雨期间，来自于沙堤的漫流将坡面及周边物质搬运至湖泊中沉积[22]。由于沙堤的阻隔，当海平面低于湖泊沙堤之下时，一般正常的海浪对湖泊的珊瑚砂不产生影响。同时，整个钻孔沉积物主要由白色的珊瑚砂组成，沉积物呈现贫有机质的特征，说明沙堤植被覆盖变化不大，对源区沉积物粒度变化的影响较小。整条钻孔中，沉积物中主要为1～0.063 mm的珊瑚砂，部分样品＞0.5 mm百分含量非常低，部分样品无＞1 mm的珊瑚砂，0.125～0.5 mm主要为珊瑚砂和微体生物壳体。由此可以认为排除微体生物壳体的影响之后，湖泊沉积物中颗粒珊瑚砂的含量（这里用0.125～0.5 mm的珊瑚砂含量表示），可以作为搬运水动力强弱的指标，其值越大，说明水动力较强，降雨量较大。而一些特别突然的粗颗粒含量沉积段（图4，这里用＞5 mm表示），可能表示异常风暴潮等海洋因素对珊瑚砂的影响。

图3 牛塘湖泊沉积DD-1柱状样年龄-深度模型实线代表平均年龄，左侧虚线代表最小年龄，右侧虚线代表最大年龄，三角形点代表校正后的测量数据，三角形点所在的线代表年龄误差。Fig.3 Age-Depth model of borehole in Cattle PondThe solid line represents the mean age; The left and right dotted lines represent the minimum and the maximum age respectively; The triangle symbols represent the calibrated AMS14C ages,and the line on the triangle represents the age error.

图4 钻孔沉积物粒度组分变化灰色阴影表示水动力条件较强。Fig.4 The fraction variations of the different grain particle size of the borehole sedimentsThe gray bar marked the stronger hydrodynamics condition.

对比东岛湖泊沉积物粒度0.125～0.5 mm颗粒含量的变化，同一湖泊的介形虫壳体氧同位素和相邻的海南岛玛珥湖沉积物的粉砂物质含量（图7 a,b,c），可以发现近1000年以来，西沙群岛区域的热带降雨呈现3个阶段，即在约1000—1100年降雨较多（图7 A段），在1100—1400年降雨减少（图7 B段），而1400年之后是降雨最丰沛时期（图7 C段）。较多的降雨使湖泊之中介形类壳体的氧同位素偏轻。其中1000—1100年的降雨，强度和范围较小，没有持续向北传送至海南岛地区，湖泊之中的水体没有呈现明显的淡化。西沙群岛这一降雨特征与印度季风和东亚季风强度均呈现反向的变化[30]。1000—1100年是中世纪暖期中后期全球气温较高时期，西沙群岛降雨较多而亚洲季风区降雨较少，主要的驱动因素可能在于该时期为ENSO频发时期[31]，其给热带和陆地季风区域带来了不同的降雨过程。在1100—1400年期间，ENSO活动减弱，热带辐合带的向北移动促使了季风的加强，使季风区域降雨增多而热带区域降雨减少。1400年之后，小冰期时期全球气温下降，ENSO活动较弱，热带辐合带回撤，季风减弱而热带区域降雨增加。热带和季风区域这种在百年尺度的空间降雨变化，表明不同的热带海洋过程对热带和季风区域的降雨变化有不同的模式，ENSO活动较强时，会在一定程度上抑制季风的强度。

4.2 西沙群岛区域人类活动记录

1100—1200年SIRM值相对前后时期的增加（图5），表示陆源碎屑物质输入量的增加。由于其对应粗颗粒物质含量减少时期，由强烈的波浪运动输送海洋悬浮搬运碎屑物质的可能性较小。同时该时期处于夏季风较强时期，由季风搬运远源物质而使碎屑物质输入增多的贡献也不可能十分显著。较多的碎屑物质来源，应该反映了岛上近1000年来早期较强的人类活动。南宋时期，我国经济重心已经移至江南地区，“南重北轻”的经济格局导致海上贸易的蓬勃发展，泉州、广州、温州等是海上贸易的重要港口，而南海又是古代“海上丝绸之路”贸易的必经之处，西沙群岛地处南海贸易航线[34-35]，西沙群岛可能成为过往船只的重要休憩地。西沙华光礁一号沉船的考古工作，发现一大批产自南方地区的外销瓷器，说明华南沿海地区宋代以来制瓷手工业的兴盛和外向型生产特征[34-35]，东岛牛塘人类活动的记录证明了海上丝绸之路在南宋的繁荣发展。

图5 典型样品磁性矿物类型Fig.5 Typical magnetic minerals in samples

在1200年之后，随着元朝建立、海上贸易活动的减弱，西沙群岛人类活动也相对减弱。公元1600年以后，SIRM表示磁性矿物浓度急剧增加，沉积物中的有机质含量明显增高，反映了在该时期之后，岛上人类活动快速增加，可能与明代海上贸易的再次繁盛有关[36-37]。在西沙群岛北礁的水下考古调查中，发现了大量明代的文化遗址[38]，证明了该时期西沙群岛是海上贸易的重要通道。此外，东岛至今留存着明朝时期渔民祭祀的祭坛[39]。同时，前人研究表明明末清初野牛被带入东岛以及对鸟粪进行开采用于农业[40]，这些都证明了在明朝时期人类已经在西沙群岛活动。

4.3 北方沙尘暴事件在西沙群岛的记录

图7 西沙群岛东岛牛塘湖泊表示的热带降雨与季风气候对比a.牛塘湖泊沉积物粒度，b.牛塘湖泊介形虫壳体氧同位素[22]，c.海南岛双池岭玛珥湖沉积物粒度[32]，d.泰国Klang洞石笋氧同位素记录[33]， e.中国万象洞石笋氧同位素记录[30]， f.东太平洋加拉帕戈斯群岛El Junco湖砂记录[31]。年龄范围由4个全岩有机碳样品碳十四年龄测定限定。Fig.7 Correlation of tropical rainfall and monsoon climate in Cattle Pond,Dongdao Island,Xisha Islandsa.Grain size of sediments in Cattle Pond， b.Oxygen isotope of Ostracoda shells in Cattle Pond[22]， c.Grain-size of sediments in Maar Lake,Shuangchiling,Hainan Island[32]， d.Oxygen isotope records of stalagmite in Kiang Cave,Thailand[33]， e.Oxygen isotope records of stalagmites from the Wanxiang Cave,China[30]， f.El Junco sand record,Gala´pagos Islands,eastern tropical Pacific[31].The age range was restricted by AMS14C of four bulk sediment samples.

近些年来，众多学者探讨在中国北方频繁发生的沙尘暴事件和人类活动之间的关系。在地质历史记录中，部分学者利用东部黄土高原上湖泊沉积的粒度指标重建了过去近2000年的沙尘暴历史，表明在北宋末年至南宋以及明朝发生重大沙尘暴事件。他们认为沙尘暴发生在北方降雨相对丰沛时期，提出人类活动是该时期中国东部沙尘暴的主要控制因素[20]。

图8 西沙东岛牛塘湖泊记录的两次北方沙尘暴事件a 牛塘湖泊沉积物粒度，b 公海湖泊沙尘暴记录[20]，c 东岛粉尘记录指标（HIRM/SIRM）。灰色阴影表示两次沙尘暴发生的时期。Fig.8 Two dust storm events recorded in the lake deposits on Xisha Islandsa.Grain size of sediments in Cattle Pond， b.Dust storm record of Gonghai Lake[20]，c.Dust record proxy of Dongdao Island (HIRM/SIRM).Gray bars represent the periods during which the two dust storms occurred.

在牛塘湖泊的沉积物记录中，在1000—1200 AD和1450—1600 AD 期间，HIRM/SIRM呈现两次明显的波动（图8），表明碎屑物质中赤铁矿含量相对增多。在这两次事件发生时期，西沙地区降雨量较多，气候湿润，原地风化作用形成赤铁矿的贡献应该相对较小，相对更多含量的赤铁矿应该来源于外部的输入。从湖泊介形类的氧同位素值相对偏轻的特征分析，湖泊水体此时偏淡水，波浪作用引起的海水入侵可以忽略，相对更多含量的赤铁矿最大的来源应该是输入的粉尘中含量的变化，即HIRM/SIRM的两次波动，是北方同一时期沙尘暴事件在西沙地区的记录。

在北方沙尘暴发生时期，较细的粉尘物质经过空气对流，进入到对流层甚至平流层，随空气的流动而长距离的搬运。对流层低层850hPa风场处于海拔1200～1900m的高度上，是近地面摩擦层的界面，与地面之间有很强的相关性。850hPa风场是粉尘物质远距离传输的关键层位[41]。前人通过对中国华南地区不同高度的水平风场进行合成分析，结果显示粉尘物质输送至中国东南沿海的风场是850hPa风场[42]。当空气中的粉尘物质输送到西沙地区时，充足的水汽一方面有利于细颗粒的粉尘物质发生凝聚，同时粉尘物质也是大气颗粒物形成云凝结核、促使降雨形成的有利条件，两个方面的综合作用使粉尘物质随降雨进入到湖泊沉积之中。

5 结论

（1）对位于西沙群岛东岛的牛塘湖泊钻取3根短柱状样品，通过AMS14C测年和基于岩性、磁化率变化的钻孔对比，建立钻孔地层公元1000—1700年间的年代框架。

（2）对湖泊沉积物高分辨率的粒度分析和环境磁学参数的测试结果分析表明，湖泊沉积物中0.125～0.5 mm珊瑚砂含量代表了该地区降雨量的变化，其反映的降雨规律与季风气候呈现相反的模式，即西沙地区降雨较多时，季风强度较弱。这种变化反映了ENSO活动和热带辐合带的移动对热带降雨和季风气候的综合作用结果。

（3）沉积物中环境磁学参数记录了岛上人类活动的历史，公元1100—1200年和1600年之后的两次磁性矿物浓度的显著增加，是南宋时期海上贸易活动繁荣和明末社会更替的反映;而1000—1200年和1450—1600年两次赤铁矿含量的相对增多，是北方强沙尘暴事件在西沙群岛的记录。