北部湾全新世气候与古生态环境演进特征及其驱动因素

黄向青,崔振昂,林 海,夏 真,张顺枝

自然资源部海底矿产资源重点实验室,广州海洋地质调查局,广州广东 510075

位于东亚低纬度季风区的北部湾属热带和亚热带海洋性季风气候,海洋生物和矿产等资源丰富,其三面环陆且海底呈扇形向南部陆架海洋敞开,平均水深 38 m,水深由北向南、自岸向中逐渐加深,沿岸有大型河流红河等注入,区域降水丰沛,以北有我国暴雨中心十万大山南麓的东兴。我国对北部湾全新世进行了物源、气候等基本研究,国外亦重视对相邻东北部印度洋、印-太暖池水域古气候以及古生产力重建(Piotrowski et al.,2009; 崔振昂等,2017)。总体来看,北部湾全新世气候演进背景因素、古生态环境演进特征等重要内容尚未开展。在全新世中期以来我国陆区环境恶化、生产力下降形势之下,及时开展上述工作对认识、预测和保护海洋生态及价值具有积极意义。北部湾南部海盆沉积环境稳定,接纳入海河流输入物质。本文立足该海盆STAT22全新统岩芯孢粉、地球化学要素等鉴定测试结果,探讨了全新世以来气候模式、地表响应、古生态演变等及其背景驱动因素。

1 区域第四系地质概况

北部湾区域为印度夏季风、冷空气前缘、东亚夏季风的相互作用地带,其气候要素年变率大,灾害性天气频繁,山洪和泥石流频发。本区沿岸大小入海河流众多,有红河、南流江、昌化江、马兰河等。该湾于全新世海侵之前接受为风化剥蚀陆区,系受到红河断裂、莺歌海盆地等影响而地势低下的沉降形态低地体系,于全新世随着冰消期以来南海海平面上升海侵而形成。围区为铝硅酸盐岩类及其碎屑岩类以及钙镁碳酸盐岩类。北部为侏罗—白垩系、白垩系—第三系的华力西期、印支期火成岩,雷州半岛为全新统并出露玄武质岩类,海南岛由北向南为玄武质岩类、花岗斑岩类。第四系地层较为多样和岩性松散,围区沿海从北部至雷州半岛为中更新统以来海积沉积物,散布有玄武岩类等火山岩和第四系洪积、坡洪积物等,北部第四系向陆侧还广泛分布有第三纪甚至更早的前第四系。沿海地势较为平坦,向内陆则变得崎岖隆起,尤其是北部分布还有东北—西南向十万大山、六万大山等,地表接受风化剥蚀以及风、浪、流等外营力物质运移。

2 研究方法

2009年 7—9月在北部湾南部海盆进行了STAT22岩芯重力取样(图1),其长度为310 cm,底部295 cm存在风化剥蚀不整合界面,自下往上分别属于晚更新统和全新统,主要为深灰色黏土质粉砂,夹杂有砂质粉砂薄层,且岩性连续无间断。对全新统岩芯按照5 cm间距原则进行较高分辨率分样,将共取得的52个样品进行了孢粉、粒度、化学元素、碎屑矿物鉴定测试。孢粉鉴定:每个样品取样20 g,经盐酸处理去钙、氢氟酸去硅质后,用比重为2.1～2.2的重液浮选分离法使孢粉富集供制片,每个样品在Zeiss Axioskop 40显微镜下平均放大300倍观察统计20 mm×20 mm盖玻片下孢粉数量,并换算为20 g干样孢粉数量作为该化石丰度; 粒度测试依据GB/T 12763.8.6.3-200+7,主要仪器为Mastersizer 2000型激光衍射粒度分析仪; SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO 等 10种常量元素以及 Co、Cu、Ni、Zr、Ba等 10种微量元素测试根据 GB/T20260.8-2006,主要仪器为ICP-OES 4300DV型等离子体发射光谱仪;碎屑矿物鉴定依照GB/T12763.8-2007,采用LEICA M165C显微镜,分析粒级为 0.063～0.25 mm; 浮游有孔虫Globigerinoides ruber的δ18O测试参照同济大学海洋地质开放研究实验室测试方法,以上均由广州海洋地质调查局实验测试所完成。依深度挑选壳体完整浮游有孔虫 G.ruber,对其进行碳酸钙碳同位素AMS14C测年,由北京大学核物理与核技术国家重点实验室以及 Beta实验室完成,使用 Calib 7.0.1软件对所获得14C年龄进行日历年龄校正,海洋碳库效应校正选取西沙群岛 3个已知点平均值,得到了 7个样品测年数据,全新世年龄分布为830～11 110 a,σ平均值为±134.50 a,并通过线性插值法建立了年代框架(表 1,图 1)。还收集了本岩芯前期研究的硅藻、有孔虫数据以供进行综合对比分析，其测试方法见上。

图1 STAT22岩芯位置(A)以及全新统深度-年龄关系(B)Fig.1 Position of sediments drilling core STAT22 (A) and the relation frame of depth-age (B)

表1 STAT22岩芯有孔虫G.ruber的AMS14C测年结果Table 1 Globigerinoides ruber aging data at different depth of sediments core STAT22

3 分析结果

3.1 要素分布特征

3.1.1 孢粉

以上全新统底界年龄 11.1 ka与我国热带和亚热带地区全新统下限一致。共鉴定出16属种孢粉化石,以热带和亚热带木本和蕨类为主,与广西第四系全新统地层孢粉主要属种基本相符。木本主要为裸子植物针叶 Pinus sp.(松属)、常绿阔叶落叶Castanopsis sp.(栲属)和 Quercus sp.(栎属),还有少量 Dacrydium sp.(陆均松属),零星见有Podocarpus(罗汉松)、Tsuga sp.(铁杉属)。约于 6.0 ka之前木本含量最高而蕨类偏低,总体上属种较为单一,Castanopsis sp.间断出现而 Quercus sp.尚为缺失。6.0 ka之后植被种类增加,Quercus sp.出现并约于2.0 ka达到峰值,但木本总体是下降的(图2a,b,c,d,e); 蕨类约于6.0 ka开始增加并于较高值区间波动,较耐干Cibotium barometz(金毛狗)、Microlepia sp.(鳞盖蕨属)自 6.0 ka之后总体下降,而更喜阴湿Polypodaceae(水龙骨科)却波动上升(图2f,g,h),次要属种Pteris sp.(凤尾蕨属)、Cyathea sp.(挱椤属)、Lygodium sp.(海金沙属)亦于6.0 ka之后有所出现并波动变化,Sellaginella sp.(卷柏属)零散出现(图2i,j,k,l),偶见喜阴湿的Ophioglossum sp.(一叶草属)。还可见到,或许是由于“4.2 ka事件”干旱影响,对湿度条件敏感的蕨类优势属种降低而形成一个“V”或者“U”形态; 木本和蕨类含量之和(图2a蓝色曲线)曲线约于9.0 ka之前基本维持,9.0～6.0 ka为上升阶段,6.0 ka首次出现明显波动,约至5.2 ka有所增加,5.2～4.0 ka较为平缓,4.0 ka之后再次波动增加,但在 2.0 ka前后明显下降之后再次总体上升,Cyathea sp.于4.0～2.0 ka出现阶段性缺失,应是由于阶段性气候偏干。总体上早期植被种类偏少,中全新世增加而达到兴盛,但由于气候变化而波动明显。

图2 STAT22岩芯主要孢粉化石含量(%)分布Fig.2 Sporopollen fossil concentration (%) of sediments core STAT22

3.1.2 粒度

粒度、化学元素、碎屑矿物亦是反映地表物源和气候变化等的基本指标。本岩芯主要沉积物类型为黏土质粉砂,分析可见和粒度参数于9.0 ka出现了一个转折变化。但总体上在中全新世6.0 ka之前基本维持稳定,之后开始较为明显波动变化,再于4.0 ka开始呈现连续小幅波动变化。砂、粉砂、黏土含量为12.09%～61.64%,以上述转折点6.0 ka为界,砂含量先高后低即总体下降,而粉砂、黏土则相反,为先低后高即总体上升(图3a,b,c); 平均粒径为 5.52～6.60 φ,分选系数为 1.97～2.58 φ,偏态为–0.10～0.18,峰态为 0.77～1.03,平均粒径自6.0 ka同样为总体上升即颗粒趋细,但分选系数、偏态却有所降低,而峰值达到较高区间之后维持波动,显示分选趋好,频率曲线移向细颗粒,颗粒结构趋向均衡,峰形进一步减缓(图3d,e,f,g); 根据以上深度-年代关系得出沉积速率曲线,其在6.0 ka之前为最低的 0.04 mm/a,6.0～5.2 ka明显升高至0.50～0.58 mm/a,5.2～4.2 ka再次出现沉积速率低值为0.06 mm/a,这可能与全球性“4.2 ka事件”干旱效应有关,尔后于4.1 ka再次跃升,总体上沉积速率是升高的(图 3h)。再对比红河三角洲前缘调查研究(Li et al.,2006),5.0 ka之前为低沉积速率段,自 5.0 ka之后明显加速,深度-年龄框架曲线斜率上扬。以上均表明中全新世以来物源总体增加。

图3 STAT22岩芯粒度以及沉积速率分布Fig.3 Composition,granularity and sedimentation rate of sediments core STAT22

3.1.3 化学元素

常量元素含量总体上 SiO2>Al2O3>Ca>Fe2O3>K2O>MgO>Na2O>TiO2>P2O5>MnO,与区域广布富硅含铝、铁、钾、钠、镁等硅酸盐岩类以及镁钙碳酸盐岩类有关并可对应,表明其来源具有陆源性。元素同样于9.0 ka出现一定的转折变化,但总体分布较为平稳,6.0 ka亦同为重要转折变化点而出现大幅波动,自4.0 ka之后呈现小幅但升降趋向明显的变化,总体上以6.0 ka为界出现明显升降变化的不同阶段。SiO2含量为 55.96%～61.79%,在转折点前后达到峰值之后呈缓慢下降趋势(图 4a),Al2O3、Fe2O3、MgO 等含量为 0.065%～14.38%,在转折点之前偏低且基本稳定,但之后呈现波动上升趋势(图 4b-h)。CaO、MnO依次为5.26%～9.35%、0.070%～0.085%且总体下降(图4i,j); 微量元素与以上常量元素具有同样变化特征。Ni含量为26.7×10–6～33.1×10–6(图 4k),其余各项元素 Co、Cr、Zn、Zr、Sc、V、Ga、Ba 含量为 9.1×10–6～79.8×10–6,Ba 含量最高,为 282×10–6～371×10–6,除了 Ni基本维持波动变化之外,其余同样是在上述转折点之前变化不大,但之后呈现明显上升趋势,而Sr含量为202×10–6～320×10–6,与上述 CaO 等同为波动下降并维持(图 4l-t)。

图4 STAT22 岩芯常量元素含量(×10–2)和微量元素含量(×10–6)分布Fig.4 Macro-,micro-geochemical elements concentration of sediments core STAT22

3.1.4 碎屑矿物

轻、重矿物种类较为丰富共有22种,优势矿物为石英、长石以及风化矿物,其平均含量依次为65.22%、5.60%、14.25%,风化矿物较高显示温度和湿度相适宜。以上又以石英为绝对优势矿物。其它矿物主要为云母,以及含铁类矿物赤铁矿、磁铁矿、黄铁矿,另外还有锆石、角闪石和辉石,含量为 0.001%～1.679%,平均为 0.001%～0.721%,海洋自生矿物海绿石较高。碎屑矿物四分位为0.001%～67.10%,偏态正负值均有,峰值以负值略多,石英和长石变异系数最低,其分布较为稳定,而其它矿物为0.16～2.18,尤其是磁铁矿、锆石、角闪石变异系数超过 1.00,其分布的变化性最大(表2)。零星出现的还有绿帘石、电气石、锐钛矿、白钛石、尖晶石、铬尖晶石等。对比北部湾北部近岸碎屑矿物调查结果(夏真等,2019),两者在种类上相似,指示源于花岗岩、砂岩和变质岩等的风化解离和河流输入,并在潮流作用下向海进一步运移,再次表明了沉积物和碎屑颗粒之陆源性,亦与前人利用稀土元素、黏土矿物分析结果相一致(崔振昂等,2017)。

表2 STAT22岩芯主要碎屑矿物含量统计Table 2 Detrital minerals concentration statistics of sediments core STAT22

3.1.5 δ18O(氧同位素)

浮游有孔虫表层种G.ruber化石δ18O可指示海面水温和气温,其范围介于–1.83‰～–3.46‰,平均为–2.83‰,约4.6 ka进入负距平区域并于4.0 ka基本稳定于负距平区域,4.0 ka以来比之前平均下降了21.20%,显示是总体降温的,2.0 ka前后达到全新世最低(图 5a)。该曲线变化特征与中国全新世集成温度曲线可对应:即 9.5～9.0 ka之后均为上升趋势,8.0～7.5 ka到达阶段性峰值,均至6.0 ka首现下降波动,经恢复但再次出现频繁波动,约 6.0～4.5 ka维持正距平,这是由于暖性天气系统仍然具有一定阶段性强度,但随着北方西风带进一步推进和维持,均再次下跌至4.0 ka出现明显“V形”低谷才基本稳定,尔后基本上维持在负距平区间波动。

图5 STAT22岩芯δ18O含量(V-PDB,‰)和中国气温、GIRP冰芯温度的积温(℃)分布Fig.5 G.ruber δ18O of sediments core STAT22 and accumulative anomalies of Chinese air temperature and GIRP ice core temperature (℃ ) during Holocene

3.2 气候指示意义

对比北部湾以北桂林地区中全新世以来古气候重建(周建超等,2015),该地区同样分布为亚热带植被,并随海拔变化依次为常绿落叶阔叶、常绿落叶阔叶和针叶混交林、针叶林等,冷暖干湿波动,晚全新世还发育有泥沼,其响水洞石笋 δ18O和δ13C(碳同位素)同期总体偏冷湿(偏负),全新世植被经历了早期贫乏、中期和晚期前段兴盛、晚期后段有所下降的三个旋回(覃嘉铭等,2000)。古湖沼在6.4～4.8 ka由于降水快速增加使得水位处于高值区间,4.8～3.0 ka继水位降低之后再次恢复上涨,经历了湿-干-湿波动过程(汪良奇等,2014)。东北部雷州半岛夏季风于与上述6.0 ka相近时间的6.1 ka迅速减弱并进入降温阶段,西北部红河三角洲自 5.3 ka以来出现了三次小冷期波动,以东海南岛双池玛珥湖约 2.7 ka之后降雨增加并叠加降温信号(李珍等,2005; 罗攀等,2006; 吴旭东等,2016)。以上各地受到局地因素影响的气候转折起点略有差异,但均表明中全新世以来冷空气活跃并频繁扰动而导致降水增加和湿度改善。可视为地温的积温表示气温实时曲线的累积性,根据上述全新世中国古气温和北大西洋格陵兰 GIRP冰芯古温度(侯光良和方修琦,2011; Briner et al.,2016),其积温(累计距平)较实时温度曲线具有明显周期性,近似于不规则正弦曲线,且在全新世基本完成了一个变化周期(图5b,c)。

4 讨论

4.1 北部湾气候背景

自前可见各要素具有阶段性波动变化、主要要素具有变化总体趋向明显的特征,这是由于气候波动和格局转变所致,而北部湾沿岸众多河流向海输入陆区风化剥蚀产出物质,海盆继而成为气候变化之记录者。自上述可见北部湾与我国古气温曲线两者变化可对应,而后者又与北大西洋气候波动序列相对应(候光良和方修琦,2011),说明北部湾作为我国季风区的一部分,受到全球和中国区域环流和气候形势逐级调控。其中,以9.0～8.0 ka、4.0 ka谷值和峰值为基本变化转折点,两者亦依次为早、中、晚全新世过渡转折节点,在这两个主节点基础上再以前述6.0 ka、2.0 ka等重要亚节点进行次阶段波动变化,前者为中国积温阶段性次峰值,后者为GRIP冰芯积温一个阶段性谷点,两者依次为中全新世前后段、晚全新世前后段过渡衔接点,不仅如此,孢粉、化学元素等亦基本具有如此旋回特征,现据此做如下气候划分。

4.1.1 气候阶段划分

气候是驱动要素变化的重要外营力,而要素变化是对气候变化的响应,两者之间为表里。依据δ18O并参照中国气温及其累计距平曲线,结合以上所讨论要素分布特征,划分了全新世北部湾基本气候阶段(表3),其中是以9.0～8.0 ka、4.0 ka为基本变化转折点,但综合考虑到时间序列更长的植被、粒度和化学元素是以9.0 ka为转折点,其亦基本可代表9.0～8.0 ka阶段,亚节点同样为6.0 ka、2.0 ka。δ18O等显示5.2～4.0 ka有明显降温趋向,亦为我国热带地区冰期II(张伟强等,2002),4.0～2.0 ka降温亦是对晚全新世新冰期的响应。1.0 ka为北部湾气候演进的一个现代时间点,此时 δ18O出现快速降温,粉砂以及陆源元素 Al2O3、Fe2O3、TiO2以及 Ba等再次发生明显变化,总体上为小幅跃升,主要木本、蕨类等出现下降等转折变化,该降温早于一般小冰期起点,可归属于前小冰期阶段(表3),前小冰期在世界一些地区亦有出现(Fernandez-Fernandez et al.,2019)。上述 9.0 ka(9.0～8.0 ka)、6.0 ka、4.0 ka、2.0 ka节点的转折性和阶段变化性在孢粉化石丰度、主要属种含量均有所体现,在喜暖湿的Cyathea sp.表现为高(出现)-低(几乎消失)-高(再次出现)的波动旋回变化,平均粒径、偏态、峰态以及化学元素亦在上述单个或者多个节点出现转折或者阶段性变化。

表3 北部湾区域气候阶段划分及其特征Table 3 Primary regional climatic phrases in Beibu Gulf based on sediments core STAT22

4.1.2 北部湾区域气候演进模式

自上可见,北部湾以中全新世以6.0 ka为界总体上具有前暖后冷、先干后湿演进模式,结合前人研究结果,认为这与依次维持东亚夏季风、印度夏季风的副热带高压、印度低压的进退有关。从气候

模型输出南亚高压分布来看,早全新世南亚高压强大,闭合特征线范围广阔,根据其与副高两者“相向而行”特征,副高加强了西伸并对西风带南推产生阻挡作用,其脊线位置偏北而使得夏季风深入我国内陆(张肖剑和靳立亚,2018),而同期印度低压位置偏西,其降雨带集中于伊朗高原、阿拉伯半岛至印度半岛北部以及青藏高原西部等,而北部湾处于两者之间的过渡带鞍形场,甚至出现补偿性下沉气流而缺少系统化的降水机制。中全新世南亚高压明显收缩并促使西风带南进,东亚和印度夏季风指数自中全新世6.5～6.0 ka以来为降低趋势,并自4.0 ka以来基本稳定并维持波动,而同时南亚高压自晚全新世有所增强东延,位置偏南的副高脊线可频繁西伸影响北部湾,北部湾演进成为印度夏季风、东亚夏季风、冷空气前缘三者交绥地带,从而加强了暖湿水汽与冷空气交汇等重要降水条件。

4.2 中全新世以来北部湾陆-海体系响应

4.2.1 环境演进意义

由前孢粉分析亦可见植被种类含量随时间改变具有一定连续性,但由于适应气候波动而变化,并且非优势属种相间出现,木本以及蕨类优势属种为连贯出现,形成了围绕这类优势植被衰荣变化的热带和亚热带山地森林生境。沉积物粒度和化学元素同样呈现连贯但波动性的变化。优势矿种石英、长石、风化矿物还有云母同样为连续出现,而非优势矿种同样视气候和风化条件而相间出现。以上指示了现代地表环境源于历史持续演进,而这些变化是依托地表内在物理、化学过程。岩石圈地表具有空间概念,植物根植于地表土壤,而地表不仅指与空气接触表面,还具有向下厚度与层序。

4.2.2 地表热胀冷缩效应

如前所述北部湾区域广泛分布硅酸盐及其碎屑岩类,亦是我国乃至世界典型喀斯特地貌区和碳酸盐岩类区,气温呈现阶段性的波动和小尺度波动,而且自中全新世以来波动增多,形成的温度差可对地表反复进行热胀冷缩过程,前述δ18O的最高值、最低值分别出现于中全新世和晚全新世,其极差具有千年尺度,而短暂冷暖事件造成的温差亦较大并具有百年尺度。区域碳酸盐和硅酸盐岩类作为火成岩和沉积岩具有结晶性和固结性,松散沉积物则具有一定孔隙结构,温差可使得硅酸盐岩石类花岗岩产生裂隙、剥离和裂解等(董荣,2016)。因此,热胀冷缩效应可加快碎屑生成和水流渗入并增大接触面积,进而加快岩石化学溶解反应以及内部亲水黏土矿物进一步膨胀致裂等,对实现化学物质迁移和再分配起着重要物理基础作用。

4.2.3 地表风化退硅、退钙过程

如前所述北部湾为全新世海侵而形成,通过河流连通而形成北部湾陆-海体系。现采用各项要素比值来表示风化相对分离程度和风化过程(邵菁清和杨守业,2012; 毛沛妮等,2017)。分析可见与之前要素变化等相似,各类比值同样以9.0 ka、4.0 ka为基本变化节点,再以6.0 ka、2.0 ka为亚节点出现转折的阶段性基本变化趋势。(粉砂+黏土)/砂比值自6.0 ka以来以波动方式总体上升,表明风化加强和细颗粒的增加(图 6a); 硅/铁(SiO2/Fe2O3)比值自该点下降趋势明显,硅/碱比值(SiO2/(Na2O+K2O))总体降低,显示区域含钠钾硅酸盐长石的离解加强。钠/钾比值(NaO2/K2O)围绕平均值线有所波动,显示总体稳定,两者溶解基本同步。化学蚀变指数CIA(Al2O3/(Al2O3+CaO*+Na2O+K2O),其中 CaO*扣除了碳酸钙)呈现稳步上升,而淋溶系数((Na2O+K2O+CaO)/Al2O3)为稳步下降趋势,表示高钠、高钾的铝硅酸盐岩类的钠、钾、钙长石分解加快以及这类元素的溶解转移,残积系数((Al2O3+Fe2O3)/(CaO+MgO+Na2O))总体上升,表明含铁铝硅酸盐岩类所含主要元素钙、镁、钠分离加强以及钙长石和钠长石的持续离解(图 6b-g); 由前可见CaO总体呈现下降趋势,而MgO和P2O5则为相反,一定程度上指示区域钙镁碳酸盐岩类和含磷石灰石分离,钙元素淋溶流失,这亦使得钙/镁(CaO/MgO)比值总体维持降低趋势,4.0 ka之后基本保持小幅波动,显示两者基本达到平衡状态,而钙/磷比值(CaO/P2O5)稳定降低表明磷元素进一步析出(图6h-i)。∑比值(微量元素之和/平均值),其无单位线性化处理不改变其变化特征,可见其为稳定上升的富集趋向,除了硅酸盐岩类,岩溶区石灰石和夹杂的硅酸盐岩类亦含有微量元素Ba、Zn、Pb等,其分解、迁移和成壤对微量元素增加亦有贡献。Sr在碳酸盐岩类具有一定含量并为气候变化敏感元素,其与∑(微量元素之和)比值降低亦指示了其溶解转移特征(图 6j,k)。碎屑矿物之中偶见磷灰石,亦能说明碳酸盐岩类的风化及其残留。以上指示出在降水增加的气候模式作用之下岩石风化序列进程,即硅酸盐岩类和碳酸盐岩类原有固结的元素脱钙退硅的淋溶、转移以及富集过程。以上与前人研究结果基本一致,岩溶地区随着降水和湿润度增加而岩溶效应增强(汪良奇等,2014)。

4.2.4 碎屑矿物对风化的进一步指示

长石/石英总体可见围绕平均值波动,4.0 ka之后出现较明显下降趋势,说明化学风化有所加快。北部湾陆区总体上是贫铁区,赤铁矿可来自水铁矿→类磁铁矿→赤铁矿水成过程,较为频繁降水而致的湿润环境是促成地表土赤铁矿的重要因素(李家熙和吴功建,1999; 江兆霞和刘青松,2016),高镁铁硅酸盐岩石在水流冲蚀作用下亦应是赤铁矿来源,这类来自陆区的外源性重矿物经径流携带入海,同时以稳定性云母为主的轻矿物的减少表明其它矿物增加,重/轻矿物为气候恶化阶段 6.0～5.0 ka和2.0 ka之后两段峰值区分布(图6l-o)。风化矿物与碎屑矿物总量比值自6.0 ka气候恶化阶段开始明显上升,并形成一个平台式的高值区间波动形态(图6p),根据海盆相邻 SO-31岩芯的黏土矿物分布(崔振昂等,2017),指示湿润气候的高岭石约自 8.7～3.4 ka呈现第一个上升阶段,短暂下降之后再次呈现上升趋势至今,同时由于水解减弱了伊利石结晶程度,所以变化趋势相反而为下降,黏土矿物的形成亦使得风化矿物碎屑增加,该比值上升趋势表明了在总体湿润和温度调控之下岩石化学风化和成壤加强。

图6 STAT22岩芯风化指标分布Fig.6 Regional weathering indicators’ distribution of sediments core STAT22

4.2.5 植被多样性

生物多样性反映了其组分结构性以及系统稳定性。前面指出约于6.0 ka转折点之后植被孢粉化石种类上升,其香农(Shannon-Wiener)生物多样性指数H’同样在全新世早中期偏低,平均为0.65,自上述转折点之后明显上升,平均为 1.24,较前者提高了91.70%。虽然总体上自转折点上升于高值区间波动变化,但进一步来看其还存在阶段性变化特征,即自 4.2 ka有所波动下降至2.0 ka达到阶段性低点,尔后虽然波动幅度较大,但仍然可见以 6.0 ka、4.0 ka、2.0 ka三个基本节点,经历了升-降-升三个主要旋回,但2.0 ka之后又存在两个亚阶段,即2.0 ka有所下降至1.0 ka阶段性低点,尔后再次波动上升(图 6q)。以上表明植被演进是趋向系统性改善的,林下蕨类茂盛的生境在平面上具有较大密度和扩展性,而垂向空间上以低矮植被和有所收缩为主,可适应晚三叠世和更新世以来构造运动造成的岩石隆起的突兀地形和山地崎岖地形,以及碳酸盐、硅酸盐岩类及其沉积物松散、元素流失等原因较为贫瘠的养分。

4.3 地表重要响应阶段

4.3.1 大暖期鼎盛期的强烈风化

从以上可见风化分解程度于6.0～5.2 ka波动性极强,表现为振幅大且频繁,但总体平均值维持较高,该阶段亦为即将结束转折降温的大暖期鼎盛,亦对应施雅风等指出的中国全新世气候恶化转折阶段。实际上其波动性还具有全球特征,Bond周期于6.0～5.0 ka之间出现4号事件,其振幅达到全新世最大,全球还出现了古风暴、强烈风沙、滑坡等,显示大气环流转换和地表强烈运动。在我国出现了特大古洪水等(王兆夺等,2018)。以上述阶段和全新世的标准差相对变化来表示其波动情况,可见该阶段大部分要素振幅较大:沉积物组分为45.65%～96.99%,粒度参数除了偏态为 14.00%,其余均超过 30.00%,为 34.99%～135.63%,显示其灵敏响应性(表 4)。常量元素 SiO2、K2O、Na2O变化幅度低且略微降低之外,余下大部分元素 Al2O3、Fe2O3、CaO等均振幅较大,为22.60%～57.93%,表示陆源碎屑的保守性元素 TiO2达到了 22.60%。微量元素除了Ba和氧化还原性活跃的Cr受到亚环境影响变化低微之外,其余大部分变化明显,为25.58%～57.30%(表4)。同时由于径流加强和向海输入加大,前述沉积速率明显增加,海洋沉积效应显著。

表4 STAT22岩芯6.0～5.2 ka气候转折阶段粒度等的变化幅度Table 4 Granularity and others’ variability during climatic transition 6.0～5.2 ka of sediments core STAT22

4.3.2 “4.2 ka事件”影响探讨

经过以上风化强烈期之后可见,沉积速率于5.2～4.2 ka大幅降低至全新世次低,仅略高于早期气候恢复期,对比相邻海盆中心SO-31岩芯(崔振昂等,2017),亦在相近期间同样出现明显低值,北部湾以北山地孢粉组合分析可辨识出具有干冷效应的“4.2 ka事件”(Li et al.,2019)。从以上分析亦可见(粉砂+黏土)/砂、硅碱比值、CIA、Cr元素等于5.0～4.0 ka出现较为明显下降,尤其是碎屑矿物比值约于 5.0～4.0 ka形成明显一个降低的凹形分布,说明该时期干冷气候导致不稳定长石、轻矿物和重矿物等离解停滞,这应与“4.2 ka事件”有关。该事件虽然短暂,但为全新世重大古气候灾害事件,在全球造成降温和中低纬度广泛干旱。由于北部湾区域向海径流大幅萎缩,沉积速率低微至 0.06 mm/a,海洋沉积效应滞缓。

4.3.3 晚全新世化学风化再次加强

随着气候环流经调整恢复之后,前述各项要素和指标随即约自前述大暖期鼎盛期结束点4.0 ka开始,多以小幅波动呈现增加或降低的较为稳步和明确变化趋势。采用要素线性趋势拟合斜率相对于自身平均值的无量纲斜率表示变化程度,结果显示,细颗粒粉砂和黏土、平均粒径以及峰值斜率处于正值区间,而砂、分选系数处于负值区间,表明颗粒趋细、分选变好,偏态降低是因为频率曲线移向细颗粒序列。主要陆源常量元素Al2O3、Fe2O3、P2O5、TiO2、Na2O斜率处于正值区间,为上升趋势,陆源碎屑稳定成分TiO2为21.07/ka,而MgO、CaO、K2O、MnO为减少,显示在淋溶作用下前一类元素析出富集,而后一类元素流失迁移(表5)。可指示区域广泛分布的稳定性石英矿物的SiO2同样为下降,其斜率处于负值区间。Sr同为转移流失,其它陆源微量元素均为上升和富集(表5)。可见,经过以上大暖期鼎盛期的强烈风化,并受到短暂的“4.2 ka事件”影响有所滞缓之后,再次进入了较为稳定的化学风化阶段,即降水、风化程度增加与降温变化趋势呈反相。同样,相邻东孟加拉湾Cuddalore近岸岩芯表明,约于4.0 ka降水开始增强趋势,砂沉积物增加,CaCO3降低,河流侵蚀和输入增加,是由于西南和东北季风交汇加强而使得降水增加(Keshav and Achyuthan,2015)。

表5 STAT22岩芯要素自4.0 ka以来变化斜率(1/ka)Table 5 Linear trend slopes of granularity and others from 4.0 ka of sediments core STAT22 (1/ka)

4.4 气候模式对岩溶地区生态意义探讨

由前分析可见现代植被承接全新世历史植被的演进,中全新世之后降水增加对岩溶地区环境具有积极意义。在岩溶地区现代植被和降水频率变化率偏相关系数高值区,暴雨对植被具有为明显促进作用(李建国等,2020)。岩溶山区的植被类型以低矮灌丛占优(莫建飞等,2019),各类植被净生产力其变异系数为 0.04,生产力差异性较小,较高植被覆盖使得总碳等含量也较高(谭一波等,2019)。变温两栖动物对气候波动和陆-水交界带变化具有高度敏感性(王波等,2018),包括广西的我国西南岩溶地区为其物种丰度高值区和集中区,降水量为其最大影响因子,可栖息岩溶、非岩溶地貌区两栖物种比例接近50.00%,具有特异种较少、适应性较强特征以及喜荫的演进习性,说明历史气候较为湿凉和降水区带广阔。岩溶地区森林降水比非岩溶周边丰富,形成水-碳耦合循环又再加强森林生长和岩石化学元素溶蚀迁移(Kang et al.,2020)。对比西北部越南红河三角洲喀斯特地区(O’Donnell et al.,2020),红树林以及适合石灰岩旱地植被自5.5 ka呈现增加趋势并有所波动变化,总有机碳平均来看有所增加,土壤含水率曲线上升到一个高值区间; 自晚三叠世、中更新世中晚期至现代岩溶阶段即全新世以来至今,区域正地貌侵蚀缩小降低,负地貌等变宽加深,地表和地下流系进一步形成有序性和体系性,并形成了高价值自然景观(韦跃龙等,2018)。以上显示降水等是岩溶区正向溶蚀的关键驱动因子,对植被和生态系统形成及其生产力具有促进作用,亦是石漠化逆过程之重要驱动因素。

4.5 海洋古生态响应

4.5.1 海洋古生产力变化趋势

利用前述收集的本岩芯硅藻和有孔虫数据,构建了古生产力等指标。由于降水加快了淋溶、河流下切和基岩侵蚀过程,海洋沉积速率自上述转换点6.0 ka以来上升了1 406.60%,显示通过入海河流水沙输入的加大。Sr/Ba比值可指示古盐度,其总体为降低趋势,尤其是气候格局转换之后于4.0 ka开始在全新世最低值区间小幅波动并维持,显示携带陆源物质近岸水系向海扩展并基本稳定(图 7a),中南半岛邻区的东孟加拉湾河流输入径流量可由趋负的G.ruber有孔虫δ18O所指示(Devendra et al.,2019),这同样表示在区域降温背景之下,冷气团与南方暖湿空气交汇扰动增加了降水。本岩芯的G.ruber的δ18O于6.0～4.0 ka出现正距平明显的波动,并随后出现明显趋负,最后于4.0 ka在负距平区稳定并波动维持,同具区域降水和径流增加的指示意义; 络合了磷酸根、硝酸根等营养盐的有机质等陆源物质输入增加,加之有机质生物分解耗氧而使得氧化还原曲线偏向还原,并促使海水偏酸性(图7b,c)。对比相邻前述SO-31岩芯,自5.0 ka相近时间以来古TOC和古pH值均进入了新发展阶段(阶段V),变化趋势分别为上升和下降; 陆源生源要素输入增加促进了藻类等繁盛以及有孔虫种类增加,浮游有孔虫生产力种和古生产力指标 P/B呈现增加趋势,尤其是自气候转折点 6.0 ka出现快速增加并波动变化(图 7d,e),线性趋势相对斜率依次为 0.08/ka、0.05/ka。浮游有孔虫、硅藻香农多样性指数H’同样为明显增加趋势(图 7f,g),相对斜率依次是0.07/ka、0.04/ka。北部湾东北部珊瑚礁的形成和维持于中全新世以来,除了海平面因素之外的陆源养分输入亦为重要原因,北部湾以南的爪哇海全新世海洋古生产力提高与同样陆源输入有关,而非末次冰期那样与涌升流有关(刘苗苗等,2011; Xu et al.,2017)。

图7 STAT22岩芯海洋古生产力指标分布Fig.7 Marine palaeo-productivity indicators of sediments core STAT22

4.5.2 植被和海洋古生产力旋回关系

前述积温在全新世基本完成了一个整体变化周期,区域地表岩石及其碎屑随着完成了热胀冷缩、化学风化等的改善和演进。孢粉、浮游有孔虫、硅藻化石的多样性指数为低值维持-升-降-升(总体)旋回变化,上述生产力种、P/B同样如此,即古植物、古生物和古生产力三者是同步旋回的,由于植被和微体生物对气候变化极为敏感,2.0 ka以来还可按照1.0 ka再划分先降后升两个亚旋回。这应是区域植被促进了有机质和生源营养要素生产,并通过河流向海输送而引致海洋生物快速响应,化学元素方面虽然旋回相位有所不同,但总体结果仍然均是化学风化、古生产力等总体改善。前人诸多研究表明,生产力-植被多样性存在无关、正相关、负相关三种关系,以上可见北部湾陆区古植被多样性、海洋(微体)古生物、海洋古生产力三者之间有正相关关系。

4.5.3 陆-海体系生态响应旋回机制

促进地表过程基本条件的光、热源于太阳辐射外营力,中全新世以来太阳辐射虽然降低但基本趋于稳定,而降水为地表大气过程,结合以上δ18O、植被、粒度、化学要素等可知,区域通过光、热、湿基础条件的适宜配置,加上热胀冷缩效应而进一步加快了岩石离解风化,最终实现物质迁移和再分配并提高植被多样性和古生产力(表 6)。总体可见,化学风化旋回为弱-强-弱(“4.2 ka事件”影响)-强,还可见到植被多样性、海洋古生产力亦在上述基本旋回框架之下(表6)。以上旋回结果是化学风化和植被等总体呈现加强和改善趋势,并且是在太阳外营力周期运作和气候调节之下有序地进行。

表6 北部湾陆-海体系地表过程基本旋回发展Table 6 Primary continent-marine complex’s cycles in Beibu Gulf based on sediments core STAT22

4.5.4 北部湾与中国陆区古生产力对比

中国植被与大气相互作用模式得出陆区古生产力于6.0 ka前后为高值(何勇等,2005),自中全新世以来由于西风带推进,中国北方地区晚全新世沙漠化进程较中全新世总体为扩大趋势(李智佩等,2007),湖泊及周边经历了咸化和盐碱化,中国陆区总体生态系统碳储量下降23.00%,北方季风边缘区达理湖TOC、TN总体明显下降(遇蕾和任国玉,2008;Fan et al.,2017)。由以上孢粉组合并结合前人分析表明,北部湾区域分布了草地类、落叶阔叶林、混交林、常绿和落叶针叶林、热带雨林,而这类植被净初级生产力介于 200～545 gC/m2·a区间(何勇等,2005; 夏真等,2019),总体上是具有较高生产力的,而海洋古生产力亦同步提高。北半球湿度曲线自5.0 ka以来有下降趋势(Woods et al.,2019),我国西风带区和季风边缘区湖泊于早、中全新世达到湿度峰值随即开始明显降低(郭超等,2014),而北部湾区域由于前述气候模式演进而使得降水增加和植被改善,从而北部湾陆-海体系对提高我国全新世乃至现代生产力作出贡献。

4.5.5 北部湾与南海北部古生产力旋回关系

南海古生产力自中晚更新世以来显示为冰期较高、间冰期较低的旋回特征(李鹤等,2017),而北部湾同样表现为早、中全新世期气候偏暖的间冰期偏低,而中全新世降温进入新冰期以来升高,其相似之处使得北部湾成为南海北部古生产力体系的一个亚尺度子系统,这与地处热带和亚热带的南海北部陆架作为海陆过渡界面和陆源物质输入带有关。根据颗石藻Florisphaera profunda模型推算的全球低纬度海域全新世净初级生产力分布(Hernandez-Almeida et al.,2019),6.0 ka以来南海及以南的印-太海域其分布等级均偏低,而其它海域出现较高等级,这是由于热带海洋南海以贫营养盐和极微藻类结构为特征,但南海扩张而形成的北部湾陆架浅海自中全新世以来古生产力是提高的。

5 结论

全新世北部湾物源具有陆源性,可划分出三个基本气候阶段,其中约以6.0 ka为界的气候模式为先干后湿,并逐步形成了印度和东亚夏季风与西风带南缘交汇之处,从而使得系统化降水条件加强。陆-海体系风化、植被、海洋古生产力等以气候阶段中的9.0 ka、4.0 ka作为基本节点,并结合6.0 ka、2.0 ka亚节点进行波动旋回,该四个节点亦为全新世全球和区域气候变化重要分界点。

气温波动变化首先是具有热胀冷缩物理效应,为加快化学风化打下基础,降水增加使得化学风化、淋溶增强和植被多样性提高,进一步驱动区域硅酸盐和碳酸盐岩类退碱脱硅成壤进程,表现为铝、铁、磷等富集而硅、钙等为流失转移。海洋古生产力与植被旋回相对应,为低–高–低–高旋回,总体上为增强和改善,亦表明海洋与陆区联系密切和响应快速。北部湾成为南海北部古海洋生态体系的一个重要组成部分,并为现代海洋生物资源丰富奠定了基础。

以上地表过程是在太阳辐射迫胁力、气候模式的共同调控之下有序地进行。全新世以来区域植被经历了丰度、属种波动衰荣变化,而主要属种随时间呈现连续变化特征,兆示频繁气候波动形成的环境竞争条件下之进化,亦是维系北部湾区域生态环境的基础属种。

致谢:感谢中国地质调查局“海南岛东北部沿海地区综合地质调查”、“南海北部湾全新世环境演变及人类活动影响研究”项目组提供了样品材料和分析鉴定数据。

Acknowledgements:

This study was supported by China Geological Survey (Nos.20190308 and 1212010914027).