东北哈尼泥炭沉积物磁化率特征及古气候意义

王香莲，黄 庭，肖 河，吴代赦，张小龙，程胜高，毛绪美

(1.南昌大学 资源环境与化工学院，江西 南昌 330031；2.南昌工程学院 土木与建筑工程学院，江西 南昌 330099；3.桂林理工大学 环境科学与工程学院，广西 桂林 532100；4.中国地质大学(武汉)环境学院，湖北 武汉 430074)

0 引 言

泥炭因富含大量古气候与环境信息而成为一种重要的还原过去全球气候变化的指标，通过对其科学的解读，能够恢复区域气候与环境演变进程。近年来，以泥炭为载体的气候代用指标研究开展较多，主要集中在如下几个方面：泥炭纤维素同位素(碳、氢、氧)分析[1-4]、脂类化合物[5-7]、古生物化石代用指标[8-10]、腐殖化度代用指标[11-13]以及泥炭年代学[14-16]等。磁化率作为表征物质磁学特征的物理量，可以辨别沉积物记载的环境信息、解析古气候变化规律和细节、从而推断泥炭形成的过程和环境条件，为古环境研究提供可靠的磁学依据[17]。Thompson 等对英国的泥炭研究发现泥炭普遍存在表层磁性增强的特点，其磁性颗粒物源于工业革命以来矿物燃烧产生的飘尘[18]。Netajirao对印度 Alpine 泥炭的研究表明泥炭磁化率可以指示气候变化，较高的泥炭磁化率表征气候温暖，较低的泥炭磁化率表征气候寒冷[19]。黄润等对天堂寨泥炭地磁化率、Rb/Sr 值特征的分析结果揭示了大别山北亚热带地区距今 5700 年的古气候变化过程[20]。可见，环境磁学在研究泥炭古气候方面具有显著的优势，识别泥炭磁化率的古气候意义可以重建区域古气候与环境演化进程。

东北地区是我国裸露泥炭集中分布的地区，区域泥炭具有沉积连续、沉积速率大、受人为活动影响较小等优点，能高分辨率地记录区域古气候、古环境演变信息，在研究全球气候环境变化中有重要意义。当前，学者对东北地区泥炭不同的气候指标开展了系列研究，在古气候信息提取与古环境重建中取得了一系列重要进展：比如，泥炭粒度分析和孢粉谱的分析结果揭示了哈尼泥炭地 15 ka B.P.以来经历了“冷干-温湿-冷湿-暖干”的古气候变化过程[21]；李荣麟等[22]依据虎山剖面植硅体图谱分析认为该区 2 515 a B.P.以来气候以寒冷为特征；而东北哈尼泥炭腐殖化度指标研究结果表明，较高的腐殖化度指示气候温暖潮湿，较低的腐殖化度指示气候干燥寒冷[23]；李楠楠等[24]揭示了东北哈尼泥炭灰分粒度的古环境意义，认为该区灰分的粗细主要指示夏季风的强弱，可用于反演古降水的变化；鲍锟山等[25]对长白山区泥炭沼泽磁化率特征进行研究分析，表明区域磁性颗粒物污染有扩大和加剧趋势，但未对磁化率指示的古气候演变过程进行分析。

可见，虽然东北长白山地区已经开展了上述诸多古气候变化方面的研究，但是针对该区自早全新世以来气候变化的认识并不完全一致[26-27]。另一方面，目前东北长白山地区的诸多研究集中在哈尼泥炭地的孢粉、腐殖化度、植硅体、灰分粒度等单一指标上，而哈尼泥炭磁化率记录的古气候变化的研究极其有限。在高分辨率、定量化、多指标古环境重建发展趋势下，需要加强对东北地区古环境重建的研究。因此，本文以东北哈尼泥炭为研究对象，在 AMS14C 年代标尺的约束下，高分辨率分析其磁化率特征，结合腐殖化度和碳、氧同位素指标，恢复和探讨哈尼地区全新世以来古气候和古环境的演变过程。

1 研究区概况

哈尼泥炭地位于吉林省柳河县凉水乡(图1)，地处长白山西麓的龙岗山脉中部，区域内降水主要受东亚季风的水汽输送影响，平均降水量约为743.3 mm。区域降水量大于蒸发量，具有降水多、蒸发弱的特点。泥炭沼泽平面呈梯形，表面平坦微向西倾，面积约1 680 hm2，海拔882～900 m，是我国泥炭积累最厚的泥炭沼泽之一。哈尼泥炭堆积于全新世，其泥炭层平均厚度约为4.6 m，通体剖面厚度达到9.6 m，其沉积过程贯穿整个全新世[28]。泥炭沼泽中南部水深为0.1～0.4 m，沼泽中部宽2～4 km，深度0.5～1.0 m，水流较缓，水源补给主要来自大气降水，泥炭灰分含量多低于5%，pH值为4.5～5.5，植物残体以泥炭藓为主。

图1 哈尼泥炭地地理位置图(a)和哈尼泥炭地遥感影像图(b)(红色为采样点位置，位于长白山西侧龙岗山脉中部)Fig.1 Location of the Hani peat bog and sampling site (a),and remote sensing image of Hani peatland (b)(red marks showing the sampling site location)

2 材料和方法

2.1 泥炭样品采集

采样点位于哈尼泥炭地厚层区(42°12′50″N，126°31′05″E)，使用泥炭采样钻进行样品采集。去除表层的现代植被层后采集样品，每50 cm为一钻，共采集泥炭样柱约9 m长，按1 cm间隔分样，并用塑料袋密封保存，同时记录其岩性特征。样品运回实验室后放入冰箱中冷冻保存，测试前将泥炭样品放入低温冷冻干燥机中干燥22 h以上，随后使用玛瑙研钵研碎过60目筛，将筛选后的样品分装在自封袋中并编号，保存于洁净干燥的储存柜中备用。

根据采样过程记录的泥炭岩性特征，绘制了泥炭剖面综合柱状图(图2)，其岩性自上而下的变化情况如下：0～25 cm为现代植被层(草根层)，含有沼泽水，较湿润，活的根系很多，以苔草为主，分解度较低；25～66 cm，呈浅褐色泥炭层，植物残体中苔草根系较多，植物活根系较少，分解度低；66～136 cm，呈褐色泥炭层，草本居多，含有少量苔藓类和木本残体，分解程度低；136～246 cm，因含黑黏土而呈深褐色泥炭层，草本残体为主，少量木本残体和落叶松根；246～310 cm，呈浅褐色泥炭层，植物残体中多草本，含少量泥炭藓，分解度较低；311～600 cm，深褐色泥炭层，草本与木本类残体为主，其中430 cm处为粒状泥炭藓，分解度高；600～625 cm，含有火山灰的薄砂层，呈深褐色泥炭层，含火山灰，泥炭含量最少，分解度低；625～725 cm，呈深褐色泥炭层，植物残体包含草本与木本，670 cm处为粒状薄砂层泥炭；725～890 cm，呈黑褐色泥炭，植物残体包含草本与木本，含有泥炭藓，分解度高；890～900 cm，呈灰绿色细黏土腐泥层，细腻黏重，透水性差，含有少量的泥炭。

图2 东北哈尼泥炭剖面地层综合柱状图Fig.2 Integrated lithostratigraphic column of the Hani peat

2.2 样品年代测定

本文采用AMS14C高精度测年数据建立哈尼泥炭剖面的年代学框架。根据各层位分界点和部分层位内部取样作为控制点，挑选其中的13个泥炭样品进行AMS14C定年，按Hong等[1]所述方法提取泥炭植物纤维素做定年材料，测年过程在日本国立环境研究所进行。使用CALIB 4.3程序对数据进行校正，泥炭剖面最大年龄为14 000年左右，采用分段式内插计算法确定不同深度对应的年代，测年结果见表1。

表1 哈尼泥炭剖面AMS 14C测年数据[29]Table 1 AMS 14C dating results of the Hani peat profile[29]

2.3 磁化率测定

磁化率作为天然物质环境磁学特征的主要磁参数之一，可分为体积磁化率(κ)、质量磁化率(χ)和频率磁化率(χfd)三种参数。

泥炭样品的体积磁化率(κ)在中国地质大学(武汉)生物地质与环境地质国家重点实验室完成。测量过程如下：将过60目筛后的泥炭样品装入专用的无磁性圆形塑料盒中并编号；采用Kappbridge MFK1-FA磁化率仪分别在低频磁化率F1(976 Hz)和高频率磁化率F3(15 616 Hz)条件下对每个样品进行体积磁化率的测定，连续测量3次，结果取平均值，体积磁化率是无量纲参数，简称磁化率。

物质的体积磁化率(κ)与其本身密度(r)的比值为物质的质量磁化率(χ)，即：

χ=κ/r

(1)

式中：计算得出的质量磁化率单位为10-8m3/kg。

频率磁化率(χfd)由低频质量磁化率(χlf)和高频质量磁化率(χhf)测试后计算得到，计算公式为：

χfd=[(χlf﹣χhf)/χlf]×100%

(2)

式中：χlf为泥炭样品的低频质量磁化率，χhf为泥炭样品的高频质量磁化率，单位为 %。

3 结果分析

3.1 哈尼泥炭磁化率记录特征

结合泥炭样品剖面深度对应的年龄，绘制了哈尼泥炭磁化率时间序列曲线，如图3(a)所示。由图3(a)可知，低频磁化率(F1)平均值为5.41×10-6SI，高频磁化率(F3)的平均值为5.40×10-6SI，两条曲线在不同深度的波动幅度基本相同，变化趋势整体相似。Pearson 相关分析结果显示，F1和F3极显著正相关，相关系数为0.991(P<0.01，表2)。本研究中低频磁化率值和高频磁化率值接近，但总体表现为磁化率随测定频率增高而降低的趋势，与前人的研究一致[30]。由于MFK磁化率仪在高频磁场(F3)时不稳定，而哈尼泥炭磁化率在低频和高频时所得的结果大致相同，故而本研究采用在低频磁场(F1)时测定的磁化率值进行下一步分析。图3(b)为低频率下的质量磁化率剖面时间变化曲线图，质量磁化率的最小值为1.16×10-8m3/kg，最大值为23.98×10-8m3/kg，平均值为5.28×10-8m3/kg，整体上偏低。研究表明，质量磁化率的大小不仅反映了样品中磁性矿物含量和粒度组成的差异，还反映了样品物源的变化[31-32]，因此，哈尼泥炭质量磁化率的变化一定程度上也反映泥炭中磁性矿物成分的差异。总体上来看，质量磁化率较大值主要出现在泥炭剖面上层的130～200 cm、中层的590～600 cm以及下层的840～900 cm三个层位。由岩性剖面特征描述可知，这3个层位的泥炭均呈褐色，其中上层和中层的层位为深褐色，下层的层位为黑褐色。泥炭岩芯的颜色与形成泥炭的植物种类、分解程度、矿物质含量等因素有关，其中草本泥炭的颜色较深，多呈棕褐色、褐色、黑褐色等[33]。本研究中质量磁化率较高的三个层位泥炭均属于草本泥炭[28]。研究表明，泥炭分解程度越高，其有机质含量则越高，对应颜色越深[33]。谢巧勤等的研究表明有机质含量变化与黄土和古土壤层磁化率变化基本相同，即有机质高值对应磁化率高值[34]。而有机质含量高也反映样品的腐殖化度高。本研究中的Pearson 相关分析结果(表2)也进一步表明，质量磁化率和腐殖化度呈极显著正相关关系，相关系数为0.221(P<0.01)。

表2 各参数相关性分析Table 2 Correlation analysis between parameters

图3 哈尼泥炭体积磁化率时间序列曲线(a)、低频质量磁化率时间序列曲线(b)和频率磁化率时间序列曲线(c)Fig.3 Temporal series curve of volume magnetic susceptibility(a),low-frequency mass susceptibility(b),and frequency susceptibility(c)of the Hani peat

频率磁化率时间序列曲线如图3(c)所示。频率磁化率的最小值为0.18%，最大值为88.73%，平均值为26.14%。前人研究表明，频率磁化率高低反映磁性矿物的颗粒大小，频率磁化率低表明样品细颗粒磁性矿物含量多，频率磁化率高表明样品粗颗粒磁性矿物含量多[30]。忽略实验中使用的Kappabridge磁化率仪的高频测量误差，哈尼泥炭频率磁化率绝对值介于0.015×10-6～4.173×10-6SI之间，均值为1.170×10-6SI，表明样品中的细颗粒铁磁性矿物是磁性特征的主要影响因素，主要为单畴(SD)及假单畴(PSD)的细颗粒，而粒径较大的超顺磁(SP)颗粒相对较少。这说明在哈尼泥炭沉积物中没有自生的磁铁矿的贡献，哈尼泥炭频率磁化率数值变化相对频繁、波动幅度较大，部分样品频率磁化率值较高表明该剖面沉积物中受到了外源性超顺磁性颗粒含量的影响[35]。

哈尼泥炭低频磁化率时间序列曲线(图3(a))波动幅度较大，呈现了多次极大值波峰。最大值为34.085×10-6SI，对应的泥炭剖面深度为870 cm左右。从整个剖面来看，泥炭剖面中840～900 cm层位的磁化率的值整体偏高，该层位磁化率值范围为12×10-6～35×10-6SI，对应年代在13.4～14.5 ka B.P.之间，为气候异常寒冷的末次冰消期。该层位样品取自于哈尼泥炭芯的底层，推测其磁化率偏高的原因可能是底层样品中掺杂了较多磁性颗粒含量较高的黏土矿物。同时发现，在泥炭剖面130～200 cm，对应的年代为1.5～2.5 ka B.P.，泥炭磁化率也出现了多次峰值，该层位的泥炭磁化率值整体在4×10-6～22×10-6SI之间波动，其最大值对应的年代为1.6 ka B.P.左右。而在2.6～13.4 ka B.P.之间，哈尼低频磁化率的值总体偏低，大部分磁化率值波动范围在1×10-6～10×10-6SI之间，仅有少数磁化率值达到15×10-6SI。由此可以看出，在全新世的大部分时间内哈尼泥炭中的磁性矿物颗粒富集程度较低，其主要原因是泥炭中含有大量的能够稀释其中的磁性矿物富集程度的有机物和腐殖质，导致泥炭磁化率值偏低[36]。

由哈尼泥炭质量磁化率时间序列曲线图3(b)可以看出，哈尼泥炭质量磁化率时间序列曲线与低频时间序列曲线图3(a)变化趋势相似，但是波动幅度存在一定的差异。而频率磁化率时间序列曲线图3(c)变化幅度较大，其极大值对应着质量磁化率的极小值，泥炭样品呈现“质量磁化率变小、频率磁化率增大”的特点。Pearson相关性分析结果(表2)证实，频率磁化率和质量磁化率呈极显著负相关关系，相关系数为0.360(P<0.01)。在晚全新世的0～1.6 ka B.P.期间质量磁化率值在3×10-8～7×10-8m3/kg之间波动，且距离现代越近表现为明显升高趋势，但是整体处于偏低水平。频率磁化率在此阶段平均值为43.23%，显著高于整体平均值，且出现最大值88.73%，推测与人为活动的加强有关。在1.6～2.6 ka B.P.期间，哈尼泥炭质量磁化率出现了多次极高值波峰，变化范围在5×10-8～25×10-8m3/kg之间，频率磁化率在此阶段平均值为15.13%。这表明亚铁磁性矿物颗粒在该层位泥炭中富集程度较强，泥炭磁性特性明显。泥炭质量磁化率在1.8 ka B.P.达到最大值，为24×10-8m3/kg，而此时的频率磁化率出现最小值，为0.18%。发生该突变的原因可能是气候环境发生突变，或者是受森林火灾、人为活动的影响。在全新世的大部分时间以及末次冰消期(2.6～13.4 ka B.P.)，哈尼泥炭质量磁化率整体较低，除少数质量磁化率出现较高突变外，大部分在2×10-8～5×10-8m3/kg之间波动，这与低频磁化率时间序列曲线在此期间的变化趋势保持一致。频率磁化率则表现出较大的波动，且变化频繁，此阶段频率磁化率均值为20.07%，说明此段时间内哈尼泥炭中亚铁磁性矿物含量相对较低。13.4～14.4 ka B.P.期间，哈尼泥炭的质量磁化率显著上升，由5.94×10-8m3/kg增加到19.17×10-8m3/kg，频率磁化率的值显著减小，均值为5.23%，在所有频率磁化率变化阶段中均值最小，再次呈现 “质量磁化率增大、频率磁化率减小”的特点，沉积物中细颗粒磁性成分明显增多，平均粒径在该阶段明显变细，这与野外观察到的沉积物岩性以黏土为主的现象相一致的。

3.2 哈尼泥炭磁化率记录的古气候意义

目前，对磁化率所指示的古气候意义的认识不尽相同。有研究表明磁化率值高代表温暖潮湿的沉积环境，磁化率低代表沉积时环境较为干燥寒冷[37-38]；然而天堂寨泥炭磁化率的研究结果反映较高的泥炭磁化率指示气候干燥寒冷，较低的泥炭磁化率指示气候温暖湿润[20]。气候条件的不同和沉积环境的差异会影响沉积物中磁性矿物的形成和累积，进而影响磁化率的大小。为了更好地厘清哈尼泥炭磁化率所指示的古气候意义，结合前人的研究成果，将哈尼泥炭磁化率记录与泥炭腐殖化度、泥炭纤维素δ18O和δ13C时间序列曲线以及北大西洋染色赤铁矿曲线进行对比分析，结果如图4所示。

图4 哈尼泥炭磁化率(a)与泥炭腐殖化度(b) [23]、泥炭纤维素δ18O温度指标(c)[29]、δ13C湿度指标(d) [2]、以及北大西洋染色赤铁矿(e)[39-40] 时间序列曲线对比(灰色部分对应了发生在北大西洋的IRD冷事件)Fig.4 Temporal series comparison of peat magnetic susceptibility (a),humification (b) [23],δ18O temperature (c) [29],δ13C humidity (d) [2] in Hani and the North Atlantic stained hematite (e)[39-40] (gray fields denoting the IRD cold events in the North Atlantic)

泥炭纤维素δ13C同位素可以作为地表湿度或夏季风变化的代用指标，能够较好地恢复过去湿度的变化情况。当δ13C同位素值较高时指示环境中湿度较低或降水较少，较低的δ13C同位素值则指示环境中湿度较高或降水较多[2]。泥炭纤维素δ18O同位素反映过去温度的变化。泥炭纤维素中较高的δ18O值指示气温较高，而泥炭纤维素的δ18O值越小时指示气温越低[29]。将哈尼泥炭磁化率图4(a)与哈尼泥炭腐殖化度图4(b)及泥炭纤维素δ18O图4(c)记录进行对比，可以发现在14.0～12.5 ka B.P.期间，泥炭纤维素δ18O与哈尼泥炭腐殖化度以及磁化率时间序列曲线呈明显下降趋势，指示区域气温处于持续下降阶段。随后的0.5 ka B.P.期间内，三者又呈现小幅度上升趋势。在12.0～9.5 ka B.P.期间，哈尼泥炭腐殖化度下降趋势明显，泥炭纤维素δ18O表现先上升后下降的趋势，泥炭磁化率在小范围内波动，下降幅度较小。在全新世开端11.5～11.0 ka B.P.时间段，泥炭纤维素δ18O、泥炭腐殖化度以及磁化率都发生了短暂的上升过程，泥炭纤维素δ18O上升趋势明显，泥炭腐殖化度与磁化率呈现出小幅度上升，说明进入全新世后气温普遍回升，同时也表明三者对温度变化的响应相同。在全新世中晚期的7.2～0 ka B.P.期间，泥炭纤维素δ18O与腐殖化度整体上呈下降趋势，同时泥炭磁化率也出现了不同程度的下降。而在2.8～1.4 ka B.P.期间，泥炭磁化率急剧升高，出现这一现象的可能原因是人为活动的加强，导致表层泥炭中磁性矿物富集。从总体上看，在14.0 ka B.P.开始的末次冰消期以及全新世期间，哈尼泥炭磁化率记录与δ18O以及腐殖化度记录变化趋势相似，对气温高低变化的响应相同，表现出磁化率较高指示气候温暖，磁化率较低指示气候寒冷。

同时，将哈尼泥炭磁化率记录与哈尼泥炭纤维素δ13C记录进行对比可知，在11.5～9.7 ka B.P.期间，哈尼泥炭纤维素δ13C时间序列存在下降的趋势，表明在此期间气候较为干燥，而对应的泥炭磁化率出现小范围的波动下降趋势。在8.4～6.7 ka B.P.期间，泥炭纤维素δ13C时间序列存在缓慢上升趋势，同时期内泥炭腐殖化度和磁化率都发生了明显的上升，表明区域气候转为湿润。在晚全新世的4.0～0 ka B.P.期间，泥炭纤维素δ13C值大体上呈现下降趋势，泥炭腐殖化度时间序列曲线变化与之相似，指示出气候趋于干燥，这一阶段人类活动逐渐加强，磁化率呈波动变化，受人类活动影响较大。从整体上看，哈尼泥炭磁化率与泥炭纤维素δ13C及泥炭腐殖化度记录变化趋势相似，在一定程度上也能反映区域湿度的变化趋势，具体表现为：较高的磁化率值指示气候暖湿，在温暖湿润氧化环境中，有利于哈尼泥炭中磁性矿物等的形成与聚集；较低的磁化率值指示气候冷干，在寒冷干燥还原环境条件中，哈尼沉积物中的强磁性矿物向弱磁性矿物转化、磁性矿物向非磁性矿物转化。

Bond等[39-40]通过研究北大西洋深海沉积物中染色赤铁矿以及火山玻璃等浮冰碎屑物(Ice Rafted Debris，IRD)含量变化，发现在全新世期间发生的气候突变干冷事件，对应的冷事件时间范围如图4(e)所示，并认为全新世期间共发生8次气候突变事件，分别命名为1～8号冷事件、后期研究发现小冰期(Little Ice Age，LIA)也属于全新世气候突然变冷事件，命名为0号冷事件；总共9次这样的气候突变事件，其对应的发生时间分别为：0.4～0.6 ka B.P.，1.4 ka B.P.，2.8 ka B.P.，4.3 ka B.P.，5.9 ka B.P.，8.2 ka B.P.，9.5 ka B.P.，10.3 ka B.P.和11.1 ka B.P.，分别与图4中的9个灰色区域时间段相对应[39-40]。将哈尼磁化率记录图4(a)与全新世期间北大西洋浮冰染色赤铁矿记录图4(e)进行对比可以看出，哈尼泥炭磁化率对全新世期间发生多次气候干冷事件有着较强的响应，特别是在小冰期(0.4～0.6 ka B.P.)、2.8 ka B.P.，4.3 ka B.P.，8.2 ka B.P.等冷事件发生期间，哈尼泥炭磁化率发生了明显的快速下降现象并稳定地处于波谷的极低值水平。

4 结 论

(1)全新世期间哈尼泥炭样品中的高频磁化率、低频磁化率以及质量磁化率都出现了相似的变化趋势，频率磁化率与前三者呈现相反的变化趋势，在泥炭剖面近地表层出现了磁性矿物颗粒明显富集的特征。哈尼泥炭低频磁化率总体偏低，说明在全新世的大部分时间内哈尼泥炭中的磁性矿物颗粒富集程度较低。频率磁化率曲线变化幅度较大，呈现“质量磁化率变小、频率磁化率增大”的特点。

(2)哈尼泥炭磁化率记录与泥炭纤维素δ18O以及泥炭腐殖化度记录变化趋势相似，对气温高低变化的响应相同，表现出磁化率较高指示气候温暖、磁化率较低指示气候寒冷。哈尼泥炭磁化率与泥炭纤维素δ13C记录变化趋势相似，在一定程度上能反映区域湿度的变化趋势，较高的磁化率值指示气候暖湿，较低的磁化率值指示气候冷干。因此，哈尼泥炭磁化率记录作为气候代用指标可以指示东北地区全新世以来的气候变化特征，较高的泥炭磁化率指示气候温暖湿润，较低的泥炭磁化率指示气候寒冷干燥。同时在全新世期间，哈尼泥炭样品的磁化率值出现了多次极高值波峰以及极低值波谷的现象，并且极低值波谷与全新世期间的多次气候突变冷事件(如0.4～0.6 ka B.P.，2.8 ka B.P.，4.3 ka B.P.，8.2 ka B.P.冷事件)有良好的对应关系，表明哈尼泥炭磁化率对全球气候变化存在着良好的响应。