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中全新世冲绳海槽北部的水文气候变化:浮游有孔虫群落证据

徐烨 常凤鸣 李铁刚 赵松 崔亦鹍

徐烨, 常凤鸣, 李铁刚, 赵松, 崔亦鹍. 中全新世冲绳海槽北部的水文气候变化:浮游有孔虫群落证据[J]. 海洋地质与第四纪地质, 2019, 39(1): 113-123. doi: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2017122101
引用本文: 徐烨, 常凤鸣, 李铁刚, 赵松, 崔亦鹍. 中全新世冲绳海槽北部的水文气候变化:浮游有孔虫群落证据[J]. 海洋地质与第四纪地质, 2019, 39(1): 113-123. doi: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2017122101
XU Ye, CHANG Fengming, LI Tiegang, ZHAO Song, CUI Yikun. The hydroclimate changes in the northern Okinawa Trough during middle Holocene: Evidence from planktonic foraminiferal assemblages[J]. Marine Geology & Quaternary Geology, 2019, 39(1): 113-123. doi: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2017122101
Citation: XU Ye, CHANG Fengming, LI Tiegang, ZHAO Song, CUI Yikun. The hydroclimate changes in the northern Okinawa Trough during middle Holocene: Evidence from planktonic foraminiferal assemblages[J]. Marine Geology & Quaternary Geology, 2019, 39(1): 113-123. doi: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2017122101

中全新世冲绳海槽北部的水文气候变化:浮游有孔虫群落证据


doi: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2017122101
详细信息
    作者简介:

    徐烨(1993—), 女, 硕士研究生, 主要研究方向为古海洋与古环境, E-mail: xuye15@mails.ucas.edu.cn

  • 基金项目:

    中国科学院战略性先导科技专项课题“西太暖池与主流系演化的历史记录” XDA10010305

    “全球变化与海气相互作用”专项项目“西太平洋古气候研究” GGASI-GEOGE-06-02

    国家自然科学基金项目“过去2000年亚热带西太平洋水文气候变化的年际分辨率记录” 41476041

    国家自然科学基金项目“80万年来热带西太平洋上水体pH和pCO2演变及影响机理” 41230959

    “全球变化与海气相互作用”专项项目“亚洲大陆边缘的古海洋与古地理演化” GASI-GEOGE-04

  • 中图分类号: P736.2

The hydroclimate changes in the northern Okinawa Trough during middle Holocene: Evidence from planktonic foraminiferal assemblages

More Information
  • 摘要: 东海东北部的浮游有孔虫群落结构受长江冲淡水和黑潮暖流的显著影响。对冲绳海槽北部NOKT-3岩芯178个样品中浮游有孔虫的统计分析, 共鉴定出壳径大于150μm的种属28种。其中, 低温低盐种Globigerina quinqueloba的百分含量在中全新世早期波动剧烈, 而中晚期呈逐渐下降趋势。G. quinqueloba是长江冲淡水指示种, 长江冲淡水的强弱受到东亚夏季风降雨的控制。因此, 据6330aBP以来G. quinqueloba含量的变化将中全新世长江中下游地区的降雨量变化划分为3个阶段:(1)6330~4950aBP降雨较强, 为全新世适宜期; (2)4950~4600aBP期间降雨开始减少, 全新世适宜期结束; (3)4600~3890aBP间降雨量明显降低, 气候显著变干。降雨量这一变化过程的机制可能是全新世早期以来北半球太阳辐射量逐渐减小, 导致东亚夏季风强度减弱, 季风前缘锋面逐渐向东南方向退缩, 因而长江中下游地区中全新世降雨量逐渐降低。此外, 黑潮指示种Pulleniatina obliquiloculata含量的变化显示, 中全新世早期6330~5100aBP期间, 黑潮比较强, 对冲绳海槽的影响持续而强劲; 中全新世晚期5100~4000aBP P. obliquiloculata含量显著降低, 对应着P. obliquiloculata极小值事件(PME), 表明中全新世晚期PME发生时区域气候并没有明显变冷, 且海槽北部的PME事件也无法用赤道太平洋长期的类El Niño状态来解释。
  • 图  1  东亚现代大气环流及东海主要流系示意图

    同时示意印度和东亚夏季风方向、西伯利亚高压冬季风位置以及夏季风前缘锋面;CDW:长江冲淡水,NEC:北赤道流;KC:黑潮

    Figure  1.  Modern air circulation in East Asian and major ocean circulation in East China Sea

    Also shown are directions of Indian and East Asian summer monsoon, approximate location of the Siberia High and winter monsoon, and the front of summer monsoon. CDW: the Changjiang Diluted Water, NEC: the North Equatorial Current, KC: the Kuroshio Current

    图  2  岩芯NOKT-3沉积物黏土、粉砂和砂含量变化

    Figure  2.  Vertical variations in percentage of clay, silt and sand in core NOKT-3

    图  3  岩芯NOKT-3中浮游有孔虫种数、丰度和优势种的百分含量变化

    Figure  3.  Vertical variations in plankton foraminifer species, abundance and percentage of dominant species in core NOKT-3

    图  4  60°N夏季日照量(A)与岩芯NOKT-3中浮游有孔虫G. quinqueloba百分含量(B),和尚洞(C)[8]、三宝洞(D)[9]、董哥洞(E)[7]石笋氧同位素记录的对比

    Figure  4.  Comparisons of summer insolation at 60°N (A) to percentage of G. quinqueloba (B) in core NOKT-3 and the δ18O of stalagmite from Heshang (C)[8], Sanbao (D) [9] and Dongge Cave (E)[7]

    图  5  岩芯NOKT-3中浮游有孔虫P. obliquiloculataN. dutertreiG. bulloides百分含量与暖水种百分含量和暖水种/冷水种比的对比(灰色部分代表PME)

    Figure  5.  Comparisons of the percentage of P. obliquiloculata, N. dutertrei and G. bulloides to warm-species percentage and the ratio of warm species with cold species in core NOKT-3 (Shade area indicates the PME)

    表  1  NOKT-3岩芯的AMS14C年龄和校正后的日历年龄

    Table  1.   AMS14C and calendar year ages for core NOKT-3

    样品编号 深度/cm 14C年龄
    /aBP
    日历年龄
    /cal.aBP
    2σ年龄范
    围/cal.aBP
    Beta-466770 60~62 4240 4331 4232~4429
    Beta-466771 164~166 4800 5095 4958~5231
    Beta-466775 590~592 5530 5919 5845~5992
    Beta-466776 644~646 5820 6236 6174~6298
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出版历程
  • 收稿日期:  2017-12-21
  • 修回日期:  2018-04-21
  • 刊出日期:  2019-02-28

中全新世冲绳海槽北部的水文气候变化:浮游有孔虫群落证据

doi: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2017122101
    作者简介:

    徐烨(1993—), 女, 硕士研究生, 主要研究方向为古海洋与古环境, E-mail: xuye15@mails.ucas.edu.cn

基金项目:

中国科学院战略性先导科技专项课题“西太暖池与主流系演化的历史记录” XDA10010305

“全球变化与海气相互作用”专项项目“西太平洋古气候研究” GGASI-GEOGE-06-02

国家自然科学基金项目“过去2000年亚热带西太平洋水文气候变化的年际分辨率记录” 41476041

国家自然科学基金项目“80万年来热带西太平洋上水体pH和pCO2演变及影响机理” 41230959

“全球变化与海气相互作用”专项项目“亚洲大陆边缘的古海洋与古地理演化” GASI-GEOGE-04

  • 中图分类号: P736.2

摘要: 东海东北部的浮游有孔虫群落结构受长江冲淡水和黑潮暖流的显著影响。对冲绳海槽北部NOKT-3岩芯178个样品中浮游有孔虫的统计分析, 共鉴定出壳径大于150μm的种属28种。其中, 低温低盐种Globigerina quinqueloba的百分含量在中全新世早期波动剧烈, 而中晚期呈逐渐下降趋势。G. quinqueloba是长江冲淡水指示种, 长江冲淡水的强弱受到东亚夏季风降雨的控制。因此, 据6330aBP以来G. quinqueloba含量的变化将中全新世长江中下游地区的降雨量变化划分为3个阶段:(1)6330~4950aBP降雨较强, 为全新世适宜期; (2)4950~4600aBP期间降雨开始减少, 全新世适宜期结束; (3)4600~3890aBP间降雨量明显降低, 气候显著变干。降雨量这一变化过程的机制可能是全新世早期以来北半球太阳辐射量逐渐减小, 导致东亚夏季风强度减弱, 季风前缘锋面逐渐向东南方向退缩, 因而长江中下游地区中全新世降雨量逐渐降低。此外, 黑潮指示种Pulleniatina obliquiloculata含量的变化显示, 中全新世早期6330~5100aBP期间, 黑潮比较强, 对冲绳海槽的影响持续而强劲; 中全新世晚期5100~4000aBP P. obliquiloculata含量显著降低, 对应着P. obliquiloculata极小值事件(PME), 表明中全新世晚期PME发生时区域气候并没有明显变冷, 且海槽北部的PME事件也无法用赤道太平洋长期的类El Niño状态来解释。

English Abstract

  • 中全新世过渡期(约6kaBP)是地质历史上距今最近的温暖期,该时期太阳辐射驱动与现代大气CO2浓度上升强迫的增温效应类似[1]。了解中全新世气候环境变化的过程和机制是认识现代全球变暖成因和机制的一个重要途径,对预测未来全球气候增暖的情景具有重要意义。因此,距今6ka左右这一时段是过去全球变化研究中的一个重要时期。古气候研究成果表明6kaBP前后暖湿气候特征除了受到太阳辐射外部因素的控制外, 还受到其他不确定因素的影响。东亚季风是全球大气环流的重要组成部分,控制和影响着亚洲大陆东部的干湿状况。目前众多高分辨率的孢粉[2, 3]、湖泊[4]、珊瑚[5]和考古学[6]记录,特别是中国南方石笋δ18O记录[7-9],揭示了全新世东亚夏季风的详细变化过程。

    冲绳海槽北部位于亚洲大陆东部的边缘海,其表层水文条件受黑潮及源于中国内陆长江冲淡水的影响和控制。东亚夏季风的活动控制了长江流域的降水,导致大量低温、高营养盐的长江冲淡水输入东海并影响到海槽北部,引起该区上层水体温盐度发生变化[10, 11]。因此,该区域水文参数对东亚季风的变化相当敏感,是通过海洋沉积物记录认识全新世东亚季风演变的一个重要区域。此外,起源于北赤道流的黑潮是低纬太平洋热量和水汽向中高纬传输的主要通道,其上部水体自台湾与南琉球岛弧之间的那与洼地进入冲绳海槽,沿着东海陆架外缘与琉球岛弧之间的冲绳海槽向东北方向流动,对东亚的气候变化有着深刻的影响。东海东北部是黑潮与长江淡水的混合区[12],其表层水文条件既受黑潮的控制,又受长江冲淡水强弱的影响(图 1)。

    图  1  东亚现代大气环流及东海主要流系示意图

    Figure 1.  Modern air circulation in East Asian and major ocean circulation in East China Sea

    目前,大量陆地记录及模型模拟研究已经重建了中全新世以来与东亚夏季风密切相关的长江中下游降雨的变化,并揭示了全新世适宜期的起止时间,但在季风降雨的区域差异以及全新世适宜期的穿时性等方面仍有争论。本文利用冲绳海槽北部一个高分辨率的岩芯,通过对其中浮游有孔虫群落组合的分析,试图利用一些特征指示种的变化,揭示中全新世东亚季风降雨量以及黑潮强度变化的信息,以期全面认识全新世区域气候环境变化的过程和机制。

    • NOKT-3岩芯取自东海东北部的冲绳海槽西侧坡底(29.57°N、127.98°E),水深1050m,样长6.64m。整个岩芯主要由粉砂质黏土和黏土质粉砂组成,有孔虫及生物碎屑较为丰富,未见明显的沉积间断和火山灰层。对岩芯以2cm间隔进行取样,共获得332个样品。本研究对岩芯上部50cm每隔2cm、下部50~664cm每隔4cm取样,进行浮游有孔虫属种鉴定统计,共分析样品178个;同时,对所有332个样品进行粒度测试。此外,选取4个层位进行AMS14C年代测定(表 1)。

      表 1  NOKT-3岩芯的AMS14C年龄和校正后的日历年龄

      Table 1.  AMS14C and calendar year ages for core NOKT-3

      样品编号 深度/cm 14C年龄
      /aBP
      日历年龄
      /cal.aBP
      2σ年龄范
      围/cal.aBP
      Beta-466770 60~62 4240 4331 4232~4429
      Beta-466771 164~166 4800 5095 4958~5231
      Beta-466775 590~592 5530 5919 5845~5992
      Beta-466776 644~646 5820 6236 6174~6298

      用于浮游有孔虫鉴定和统计分析的样品利用传统的方法处理。取原始样品约10g放入烧杯中,在50℃的低温下烘干24h,使其完全干燥并称重。加入适量蒸馏水到烧杯中,同时加入少量过氧化氢去除样品中的有机质,浸泡48h,使样品充分分散。之后用蒸馏水经0.063mm孔径的铜筛反复冲洗样品,并用毛刷不断轻刷铜筛底部的泥样,直至经过铜筛的水流清澈、无混浊。用蒸馏水把铜筛中剩余的粗组分冲回烧杯中,再次在50℃的低温下烘干并称重。利用二分法对大于0.063mm的组分进行逐级缩分。最后取其中一份,对大于150μm粗组分中的浮游有孔虫壳体在实体显微镜下进行鉴定统计,一般统计个体数250~300个。

      为进行粒度分析,取原始样品0.15g左右,加入过量H2O2去除有机质,待反应完成后再加入过量HCl去除CaCO3,全部反应完成后离心使沉积物与上清液分离,将多余的上层清液移除。对处理后的样品进行上机测试,采用Cilas 1190L激光粒度仪测试,测试范围为0.04~2500μm,重复测试误差<3%。

    • NOKT-3岩芯的4个AMS14C年龄用8mg左右的混合种浮游有孔虫壳体(Globigerinoides ruberGlobigerinoides sacculiferNeogloboquadrina dutertrei)在美国Beta实验室测定。AMS14C年龄利用CALIB7.0.4程序,基于海洋数据库Marine13校正为日历年龄,区域碳储库年龄差采用全球平均的400年(表 1)。以这4个14C年龄为控制点,用线性内插和外推法建立整个岩芯的年龄模式。据该年龄模式得知该岩芯保存了6330~3890aBP的沉积记录,4cm分析间隔的平均分辨率为14.7a。

      通过外推法获得的NOKT-3岩芯顶部年龄为3890aBP,缺失了约4ka的沉积物,这与现场取样记录中显示的岩芯上部含水量极高,导致岩芯顶部在取样过程中缺失的记录一致。现有研究显示,东海全新世以来的沉积物厚度变化很大,大致为近岸地层厚,向远岸变薄,甚至缺失[13]。NOKT-3岩芯的沉积速率在3890~5095aBP期间约为0.136cm/a,5095~5919aBP间达0.519cm/a,而5919~6330aBP之间又降低为0.164cm/a,远高于东海陆坡与冲绳海槽全新世的平均沉积速率0.02cm/a[13]。NOKT-3岩芯位于冲绳海槽北部西坡,靠近东海陆架东北冷涡沉积区[14]。该冷涡沉积区全新统下段沉积速率为0.1cm/a左右,近百年来可达0.3cm/a [13],接近NOKT-3岩芯的沉积速率。同时,粒度分析结果显示中全新世NOKT-3岩芯的沉积物以砂和粉砂为主(图 2),这与冷涡沉积区全新世自下而上由黏土质粉砂夹细砂薄层渐变为粉砂质黏土和黏土的岩芯基本一致。此外,我们并没有在岩芯中发现火山灰层,且4个AMS14C年龄并无倒转的现象,因此可以排除火山灰和浊流事件的影响,岩芯的高沉积速率是可信的。

      图  2  岩芯NOKT-3沉积物黏土、粉砂和砂含量变化

      Figure 2.  Vertical variations in percentage of clay, silt and sand in core NOKT-3

    • NOKT-3岩芯沉积物中浮游有孔虫无论属种还是个体数量都较为丰富,基于Ujiié等对冲绳海槽现代有孔虫的分类方案[15],共鉴定出壳径大于150μm的浮游有孔虫28种,178个样品的平均丰度为1232枚/g干样(图 3)。前人的研究显示,冲绳海槽北部浮游有孔虫的分布受黑潮暖流影响,与暖流的主流轴相对应的区域浮游有孔虫丰度大于5000枚/g[16]。由于NOKT-3岩芯极高的沉积速率,其对浮游有孔虫丰度可能产生了稀释作用,因此该岩芯中浮游有孔虫的丰度较小。鉴定结果显示,百分含量至少在一个样品中大于10%的优势种共计6种,按平均百分含量排序,依次是Globigerinita glutinataGlobigerina bulloidesNeogloboquadrina dutertreiGlobigerinoides ruberGlobigerinoides sacculiferPulleniatina obliquiloculata,这6个优势种占整个岩芯浮游有孔虫个体总数的75%以上。百分含量至少在一个样品中大于5%的常见种共4种,依次为Globigerina calidaGlobigerina quinquelobaNeogloboquadrina pachyderma (d)和Globigerinoides conglobatus。其余18个为稀有种。

      图  3  岩芯NOKT-3中浮游有孔虫种数、丰度和优势种的百分含量变化

      Figure 3.  Vertical variations in plankton foraminifer species, abundance and percentage of dominant species in core NOKT-3

      G. glutinata百分含量为13%~28%,平均含量可达20%,是热带-亚热带到极地表层水种[17]G. bulloides百分含量为6%~32%,平均含量可达19%,是典型的过渡带和亚极地-极地种,同时也是上升流海区高生产力的代表种[17]N. dutertrei含量为8%~21%,平均含量可以达到14%,生态习性与G. bulloides类似、喜营养与强烈混合作用或与上升流活动密切相关[17]G. ruber在岩芯中的含量为9%~20%,平均含量达到14%,是广泛分布于热带-亚热带的表层水种[17]G. sacculifer的含量为1%~15%,平均含量达到6%,是在寡营养盐水体中最占优势的广盐性热带-亚热带次表层水种[18-22]P. obliquiloculata在岩芯中的含量较低,为1%~10%,平均为5%,是丰度最大值位于温跃层和叶绿素极大值层附近的热带暖水种[23, 24]G. calida在岩芯中的含量为0%~5%,平均仅有1.5%,一般生活在热带-温带海洋营养盐水体中[21]G. quinqueloba含量为0%~7%,平均为3.4%,在亚极地-极地海区普遍存在,丰度从高纬到低纬海区递减[17, 18]N. pachyderma (d)含量也较低,为0%~9%,平均为2.4%,其生活在北极极地锋面以南的过渡海区[25]G. conglobatus的百分含量范围是0~6%,平均仅为2%,生活在热带—亚热带透光层水体中[22](图 3)。

    • 浮游有孔虫是全球海洋中广泛分布的一类钙质微体生物,其群落组成和结构主要受温度、盐度、营养盐等多种因素的影响。因此,浮游有孔虫组合特征的变化可以反映上层海洋温、盐和生产力等环境因子的演化,是进行海洋古环境重建的重要依据。NOKT-3岩芯中6330aBP以来的浮游有孔虫组合变化可以分为3个阶段:

      (1) 阶段Ⅲ(6330~4950aBP)

      热带-亚热带混合层浮游有孔虫种G. sacculiferG. calidaG. conglobatus在这一阶段含量达到最高,平均含量分别为6.5%、3.9%和2.4%,并呈现逐渐降低的趋势。而热带-亚热带表层水种G. ruber含量较高,其平均含量可达13.7%,而且比较稳定。冷水种N. pachyderma (d)平均含量较低,为2.1%,且没有大幅度的变化;黑潮指示种P. obliquiloculata百分含量比较高,平均达5.6%。低温低盐种G. quinqueloba含量波动剧烈,平均为1.1%~7.1%;喜营养和低温的G. bulloides含量呈明显增加趋势,其含量从6.3%上升至约25%(图 3)。总体上,这一时期以热带-亚热带属种G. ruberG. sacculifer占优势为主要特征。

      (2) 阶段Ⅱ(4950~4600aBP)

      这一阶段低温低盐种G. quinqueloba百分含量明显降低,下降幅度达3%。同时,高温高盐的黑潮指示种P. obliquiloculata含量保持了较高的值,稳定在5.0%左右。热带-亚热带属种G. ruberG. sacculiferG. calidaG. conglobatus的含量没有明显的变化;G. bulloides属种百分含量基本稳定,其波动幅度不超过6%(图 3)。这一时期以低温低盐种G. quinqueloba百分含量明显降低为主要特征。

      (3) 阶段Ⅰ(4600~3890aBP)

      这一阶段黑潮指示种P. obliquiloculata平均含量明显降低(由5.5%下降到4.1%)。同时,N. dutertrei的百分含量也明显降低到10.98%。冷水种N. pachyderma (d)的含量在约3990aBP开始出现明显的增加趋势,上升的幅度可达5%左右。低温低盐种G. quinqueloba含量由4%降低到1.5%,延续了前一阶段下降的趋势。热带-亚热带属种G. ruberG. sacculiferG. calidaG. conglobatus的含量没有明显的变化。G.bulloides含量呈现了明显的逐渐下降趋势,下降幅度约9%(图 3)。这一时期以低温低盐种G. quinqueloba百分含量持续降低和冷水种N. pachyderma (d)含量呈逐渐上升趋势为主要特征。

    • 进入全新世之后(11.1kaBP)、尤其是约7.3kaBP以来,海平面升高和黑潮重新进入冲绳海槽导致夏季长江向东海输送的低温低盐水体大部分局限于内陆架地区[26-29]。但冲绳海槽北部陆源植物碎屑输入量记录显示,中全新世冲绳海槽北部的TOC/TON大于8,脂肪酸长链C28/C26出现小幅度的增加且木质素酚的含量大于0.1[30]。这说明尽管受水障作用的影响,夏季长江输入的陆源碎屑物质很少能到达冲绳海槽[27],但传输距离更远的陆源植物碎屑却可以输送到研究区[26]。同时,海槽北部捕获器中现代沉积物的有机碳、有机氮同位素组成与东海内陆架沉积物十分相近[31],且夏季长江冲淡水最强时,有机碳和生源硅的通量也达到峰值[32]。以上记录表明,尽管中全新世海平面很高,但长江冲淡水依然能够影响到冲绳海槽北部海区,进而导致浮游有孔虫群落特征发生相应的变化。

      浮游有孔虫G. quinqueloba在亚极地-极地海区普遍存在,其最适水温范围为5~17℃[33],是全球低温表层水体中的优势种。东海表层沉积物中,G. quinqueloba主要分布于低温低盐的河口地区,且在盐度小于30‰的长江口其百分含量甚至超过50% [34]。此外,Xu等发现末次冰消期,当冲淡水稀释作用导致海槽北部表层海水盐度显著下降时,G. quinqueloba占绝对优势(约30%),甚至超过其在末次盛冰期的百分含量[34]。可见,G. quinqueloba对表层海水盐度的变化十分敏感,其含量的变化可以指示中国大陆冲淡水影响的强弱。全新世以来海平面逐渐升高,与冰期相比,一方面长江冲淡水距离岩芯处更远,另一方面黑潮增强,夏季黑潮对长江冲淡水的阻挡作用相应增加,最终导致全新世海槽北部长江冲淡水指示种G. quinqueloba含量较冰期时低。因此,在NOKT-3岩芯中G. quinqueloba含量普遍低于10%。

      6330~4950aBP时期,NOKT-3岩芯中G. quinqueloba含量的显著高值(图 4)说明中全新世早期长江冲淡水持续强盛。现代长江冲淡水的强盛与中国大陆的降水异常密切相关,而降雨异常往往又与东亚夏季风的活动有密切关系。因此,6330~4950aBP期间,G. quinqueloba含量持续而显著的高值可能是东亚夏季风活动较强的反映。长江三角洲孢粉记录显示,中全新世7600~4800aBP期间长江三角洲地区亚热带常绿阔叶林和落叶阔叶混交林扩张,指示气候温暖湿润,对应中全新世适宜期[3]。江汉平原JZ-2010剖面沉积物中Rb、Sr和Ti含量及Rb/Sr、磁化率等多项指标也指示,中全新世早期约6.0~5.2kaBP期间,江汉平原处于全新世以来最湿润的环境[35]。另外,模型模拟的结果也显示,约6kaBP为末次冰消期以来长江中下游河段夏季降雨量最大的时期[36]。以上研究均显示,中全新世约6330~4950aBP时段长江中下游降雨量大,气候温暖湿润,东亚季风强盛,与海槽北部的浮游有孔虫记录相当一致。

      图  4  60°N夏季日照量(A)与岩芯NOKT-3中浮游有孔虫G. quinqueloba百分含量(B),和尚洞(C)[8]、三宝洞(D)[9]、董哥洞(E)[7]石笋氧同位素记录的对比

      Figure 4.  Comparisons of summer insolation at 60°N (A) to percentage of G. quinqueloba (B) in core NOKT-3 and the δ18O of stalagmite from Heshang (C)[8], Sanbao (D) [9] and Dongge Cave (E)[7]

      4950~4600aBP期间,尽管冲淡水指示种G. quinqueloba在这一时期仍占一定的优势,但其含量显示了一个明显的下降趋势(图 4),对比暖水种(G. ruberG. sacculiferG. calidaG. conglobatus)与冷水种(N. pachyderma (d))含量比值指示的海水温度变化,发现表层海水温度在这一时期略有下降,但变化并不显著(图 5),说明该时期低温低盐的冲淡水对海槽北部的影响减小。这与江汉平原沉积物多项环境替代指标指示的5.2~4.8kaBP期间气候相对变干[35],以及4.8kaBP开始长江三角洲地区亚热带阔叶林收缩、松树林和草原扩张记录的气候变干在时间上基本一致[3],都说明这一时期季风开始减弱,长江中下游降雨量下降。

      图  5  岩芯NOKT-3中浮游有孔虫P. obliquiloculataN. dutertreiG. bulloides百分含量与暖水种百分含量和暖水种/冷水种比的对比(灰色部分代表PME)

      Figure 5.  Comparisons of the percentage of P. obliquiloculata, N. dutertrei and G. bulloides to warm-species percentage and the ratio of warm species with cold species in core NOKT-3 (Shade area indicates the PME)

      4600~3890aBP期间, G. quinqueloba含量进一步降低(图 4),指示东亚夏季风进一步减弱,长江冲淡水对海槽的影响相应减弱。同时,江汉平原剖面JZ-2010中沉积物磁化率和粒度指标也显示,4.47~4.20kaBP江汉平原环境逐渐向偏干的方向发展,并经历了一次较长时间的湖面收缩,约4.2kaBP之后气候向干旱化急剧发展[37]。此外,这一时间段也与长江三角洲植被记录和考古学证据指示的气候显著变干时期一致[3, 6, 35]。可见,中全新世晚期约4600~3890aBP夏季风的进一步减弱导致了长江中下游降雨量明显减少,气候变干,引起海槽北部水文环境变化。

      此外,作为目前东亚季风研究中应用最多的指标,长江中游和尚洞[8]、三宝洞[9]以及贵州董哥洞[7]的高分辨率石笋δ18O都在约4.9kaBP开始出现明显的正偏,指示季风降雨逐渐减弱(图 4)。这与6330aBP以来G. quinqueloba的含量逐步下降趋势相当一致(图 4)。6330~4950aBP高温高盐的黑潮指示种P. obliquiloculata含量相当稳定且暖水种/冷水种比值指示表层海水温度在这一时期没有发生显著的变化,说明黑潮的强度基本稳定(图 45)。因此,这一时期海槽北部表层海水盐度的变化主要受夏季风降雨的影响。这期间偏负的石笋δ18O指示东亚夏季风降雨较强,对应地G. quinqueloba高含量也显示冲淡水强,导致海槽北部表层海水盐度较低。同时,G. quinqueloba含量的剧烈波动也与这一时期石笋δ18O的频繁变化一致,说明这期间东亚夏季风强度波动较大。4950~3890aBP期间(特别是4600aBP以来),P. obliquiloculata低含量指示黑潮在这一时期减弱,因此G. quinqueloba含量的逐渐下降说明季风降雨下降,冲淡水减弱,导致海槽北部盐度上升。这一现象很好地对应了石笋δ18O的逐渐正偏,也说明中全新世晚期东亚夏季风降雨减弱,冲淡水对海槽北部的影响减弱。

      全新世适宜期是冰后期气候最稳定的时期,以气候温暖湿润为显著特征。相较于气温,东亚季风区的夏季风降水是决定季风区生态环境更为显著而敏感的因素[38]。因此,有人把东亚季风区全新世适宜期定义为东亚夏季风降雨量最大时期[36]。NOKT-3岩芯中G. quinqueloba含量变化指示的4950aBP开始的夏季风降雨显著减少,说明长江中下游地区全新世适宜期结束于4950aBP左右。全新世以来北半球太阳辐射量逐渐减小,导致东亚夏季风强度减弱,季风前缘锋面位置逐渐向东南方向退缩。约6~5kaBP季风前缘锋面在长江中下游地区停留时间较长,导致这一地区的降雨量增加[38]。约5kaBP之后夏季风继续减弱,其前缘锋面进一步向东南方向撤退,长江流域降雨量显著减少,温暖湿润的全新世气候适宜期结束。这一认识与An等人综合湖泊平面、湖泊和沼泽沉积以及孢粉序列等记录重建的长江中下游全新世适宜期结束时间(约5kaBP)相当一致[36]

    • 浮游有孔虫种P. obliquiloculata主要分布在10°N~10°S的热带-亚热带海区,其在西北太平洋的高丰度区与赤道流系统几乎一致。该种在东海的高丰度源于北赤道流分支——黑潮向东海的入侵,东海表层沉积物中,其含量高值一般见于黑潮主流轴[34]。因此,P. obliquiloculata经常被作为黑潮指示种[29, 30, 39, 40]。6330~5100aBP期间P. obliquiloculata含量虽然波动比较频繁,但明显较高,其他热带-亚热带浮游有孔虫暖水种含量(包括G. ruberG. sacculiferP. obliquiloculataG. calidaG. conglobatus)也较高,且呈逐渐下降的趋势(图 5),指示中全新世早期黑潮对冲绳海槽的影响较强,但有逐渐减弱的趋势。冲绳海槽南部已有的记录显示,约7.3kaBP沉积速率突然增加并伴随着P. obliquiloculata含量的增加,指示黑潮重新进入冲绳海槽[29]。对海槽区的其他多个岩芯中浮游有孔虫群落组合和氧同位素的研究也发现,约12kaBP琉球岛弧南部太平洋表层水温度开始升高,但直至约7kaBP海槽和琉球岛弧北部黑潮主流轴海区的表层水温才开始显著上升。北部表层海水温度的升高滞后于太平洋,意味着约7kaBP黑潮重新进入冲绳海槽[30]。此外,海槽北部岩芯绿泥石/高岭石比率及对马暖流指示种(G. glutinata )等指标均指示约7.3kaBP黑潮支流对马暖流才出现[28]。可见,在约7kaBP黑潮重新进入冲绳海槽后,在中全新世早期其强度较高。

      中全新世晚期5100~4000aBP,P. obliquiloculata含量低值对应着在赤道西太平洋、南海和冲绳海槽广泛发生的P. obliquiloculata极小值事件(PME)[29, 30, 41]。NOKT-3岩芯中约4.2kaBP P. obliquiloculata含量出现一峰值,这与海槽北部和南部岩芯中记录的P. obliquiloculata含量普遍低值期间的一个异常高峰值相当一致[29]。在西太平洋区域其PME主要发生在5~3kaBP期间[29, 30, 41],有关PME发生时黑潮强度的变化存在很大争议,一种观点把这一时期P. obliquiloculata含量的显著低值归因于气候变冷导致的黑潮减弱[29, 42],这也与约4500~3000aBP之间中国西部祁连山敦德冰芯、新疆河源地区山岳冰川、青藏高原湖泊和黄土高原磁化率记录的气候显著变冷一致[43]。另一些研究认为PME可能与赤道太平洋类El Niño的气候条件有关[30]。垂向上P. obliquiloculata丰度的最大值层位于温跃层和叶绿素极大值层附近[23, 24],也就是与海洋初级生产力有很大的关系。因此,当类El Niño发生时,赤道中太平洋表层水初级生产力降低,同时也引起黑潮流域表层水初级生产力降低,导致P. obliquiloculata丰度下降[30]

      NOKT-3岩芯中PME时期(5100~4000aBP),G. ruber属种百分含量略有上升的趋势,其他热带-亚热带种G. sacculiferG. calidaG. conglobatus的含量基本保持稳定。冷水种N.pachyderma含量在约3990aBP才出现明显的增加(图 3),上述暖水种与冷水种的比值在PME期间并没有显著变化(图 5)。可见,PME发生时海槽北部表层水温度并没有明显的下降。研究显示,中全新世约8~7kaBP北半球日照量达到最大,使得北太平洋副热带高压达到顶峰;之后,随着北太平洋热带副高压的减弱,7kaBP开始东赤道太平洋海区贸易风减弱,导致El Niño活动加剧,且在5kaBP以来的活动更加频繁[44, 45],这也得到厄瓜多尔泻湖沉积记录和秘鲁北部考古及古生物学证据的印证[46]。长期强烈的类El Niño状态会导致赤道中太平洋海区及黑潮上游初级生产力降低。因此,有学者认为赤道太平洋地区长期的类El Niño状态可能是赤道、南海和冲绳海槽P. obliquiloculata丰度显著降低,PME广泛发生的原因[30]。但NOKT-3岩芯中指示表层水体生产力的属种G. bulloidesN. dutertrei的含量并没有发生显著降低(图 5)。可见,赤道太平洋长期的类El Niño状态导致黑潮流域生产力降低的机制也不足以解释PME事件在该区域发生的原因。

    • (1) 中全新世6330aBP以来东亚夏季风开始减弱,季风前缘锋面逐渐向东南方向退缩,长江中下游地区降雨的变化可以划分为3个阶段:6330~4950aBP长江中下游地区降雨较强,处于全新世适宜期;4950~4600aBP长江中下游地区降雨开始减少,全新世适宜期结束;4600~3890aBP长江中下游地区降雨明显减少,气候变干。

      (2) 中全新世早期6330~5100aBP期间P. obliquiloculata含量高而稳定,说明黑潮较强,对冲绳海槽北部的影响持续而强劲;中全新世晚期5100~4000aBP,P. obliquiloculata含量显著减少对应着P. obliquiloculata极小值事件(PME),但气候变冷导致的黑潮减弱以及赤道太平洋长期类El Niño状态都不足以解释区域PME发生的原因。

参考文献 (46)

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