海南小海潟湖沉积物地球化学揭示的近千年气候环境变化

宋德卓, 薛积彬, 孙升升, 钟 巍

海南小海潟湖沉积物地球化学揭示的近千年气候环境变化

宋德卓, 薛积彬*, 孙升升, 钟 巍

(华南师范大学 地理科学学院, 广东 广州 510631)

对取自海南岛东部小海潟湖的柱状岩心(XH15-02)开展了年代学(210Pb和AMS14C)和常量/微量元素分析, 在建立可靠年代模型的基础上, 探讨了该潟湖沉积物地球化学元素及其比值的环境指示意义, 进而揭示近千年来海南地区的气候环境变化历史。研究表明: (1)小海潟湖沉积物地球化学元素比值(Al/Ca、Mg/Ca、K/Ca、Fe/Ca、Ti/Ca)主要反映了近千年来海南地区的降水变化历史, 具体表现在中世纪暖期(870～1100 AD)海南地区的降水较少, 而小冰期降水波动较为明显, 总体上较中世纪暖期降水偏多, 这可能与近千年来热带辐合带的南北移动以及西太平洋暖池海表温度变化有关; (2)结合史料文献中有关“飓风”、“飚风”等记载, 从小海潟湖沉积物地球化学元素及其比值序列中共识别出8次强台风事件, 为当前全球变暖背景下我国热带地区台风活动趋势预测提供了参考和科学依据。

潟湖沉积; 地球化学元素; 降水; 古台风; 海南岛

0 引 言

在过去气候变化研究中, 近千年时段是国内外学者关注的重点研究时段之一。不仅因为在这个阶段人类活动对环境变化的影响日渐显著, 还因为此时段内有大量文字记录与自然环境记录, 对于预测未来数十甚至数百年全球环境变化具有重要的科学意义(郑景云和王绍武, 2005)。2009年, PAGES(Past Global Changes)提出的4个中心议题之一是“区域气候动力学”。需要指出的是, 区域尺度气候变化的研究能够反映全球尺度气候重建所掩盖的一些气候特征, 且区域尺度所表现出的重大气候事件能够显著影响一个地区自然与经济社会的发展。因此, 对区域尺度气候环境变化重建的研究有助于揭示全球气候变化的区域响应机制。

早期研究表明, 近千年以来, 不同区域的气候尤其是气温有明显的阶段性变化, 主要存在中世纪暖期(MWP, Medieval Warm Period; Lamb, 1965)、小冰期(LIA, Little Ice Age; Lamb, 1977)及20世纪增暖期(20th Century Warming Period; Jones and Mann, 2004)三个较明显的特征气候时期。在此之后, 国内外学者就近千年来的气候环境变化开展了一系列工作(Zheng et al., 2006; Bentley et al., 2009; Mann et al., 2009; 杨保等, 2011; Eggermont and Oliver, 2012; 葛全胜等, 2014), 发现虽然近千年来全球不同区域的冷暖变化与变动幅度并不完全一致, 但各区域的冷暖变动过程具有较高的相似性。例如, 对中国近千年温度变化的研究(葛全胜等, 2014)发现, 在940～1300 AD期间气候相对温暖, 而在1300～1850 AD期间则相对寒冷, 与Lamb(1965, 1977)所定义的MWP、LIA冷暖波动阶段相对吻合。然而, 与冷暖变化不同, 中国的干湿变化区域差异极大, 即便是在中国东部地区, 其所表现的区域差异也十分显著。从以往研究来看, 现有的近千年气候环境变化研究主要集中在我国亚热带和温带地区(姚檀栋等, 1996; Zhang et al., 2008; 朱海峰等, 2008; Tan et al., 2011; 雷国良等, 2014), 相比之下, 对于近千年来华南热带地区的古气候环境变化研究工作仍然较少(Chu et al., 2002; Yan et al., 2011; Zhang et al., 2017; 游爱华等, 2019)。

海南岛地处热带, 是我国台风灾害最严重的地区之一(图1a), 揭示海南地区历史时期的气候变化和台风活动对于合理应对该地区未来自然环境和社会经济的发展具有重要理论和现实意义。海岸带对环境的变化非常敏感, 在全球变暖及海平面升高的背景下, 海岸带沉积环境的研究越来越受到人们的重视(Song et al., 2019)。潟湖是海岸带由沙坝或沙嘴与外海隔开的相对较浅的水体, 是海岸地貌的主要特征之一。潟湖与海相通, 但水体交换能力较弱, 可有效沉积海源和陆地径流搬运物质, 其演变过程受水文、气候、地质、生态及人类活动影响(Bird, 2010; Adikaram et al., 2019)。因此, 潟湖沉积物能够很好地记录当地的气候、水文或人为活动引起的环境变化信息, 是研究历史时期海岸带区域气候环境变化和人类活动影响的理想场所。利用潟湖沉积物, 国内外学者已经重建了过去几千年内各区域的海平面变化(Compton, 2001)、温度变化(赵焕庭等, 2004)、飓风历史(Donnelly and Woodruff, 2007)等。海南东部沿海分布着众多的海岸潟湖, 为研究海南地区历史时期的气候环境变化提供了理想研究素材。本文旨在通过对海南东部小海潟湖沉积物地球化学元素的分析, 探讨过去千年以来海南地区的气候环境变化过程与台风活动历史, 进一步丰富我国热带地区古气候环境变化研究, 并为海南地区面对未来气候环境和台风活动变化趋势预测以及防灾减灾提供历史借鉴。

1 研究区概况

小海潟湖(110°26′～110°32′E, 18°47′～18°54′N)位于海南东部万宁市境内, 是海南岛面积最大的潟湖(图1)。该潟湖地处热带北缘, 临南海, 水汽充足, 属热带季风气候, 年平均气温为23 ℃, 多年平均降水量为2159 mm。该地区在夏季以南风和西南风为主, 冬季盛行东北风; 夏秋季节受热带气旋影响频繁, 是我国受热带气旋活动影响最为严重的地区之一。小海潟湖湾内大部分水深在1～1.5 m之间, 湖底微向南倾斜(中国海湾志编纂委员会, 1999), 东岸为沙坝, 周边有龙头河、龙尾河、东山河、港北河、白石溪等多条河流入湖, 其中最大的补给径流太阳河在1972年经由人工改道由保定洋南侧入海后, 小海的年径流补给量减少至8.23亿立方米, 约为原年径流量的一半。小海潟湖属咸水湖, 潟湖外海水体(属南海水体)的盐度一般在24.7‰左右, 潟湖内的平均盐度由北向南递减, 涨潮期间盐度增大。在小海潟湖的东北方向有一口门与南海相通, 湖水通过口门注入南海, 其沿东南方向的潮汐通道长约4 km, 由于1973年在口门北侧修筑了防沙堤, 通道的宽度从原来的150 m递减到20～30 m(中国海湾志编纂委员会, 1999; 王世俊等, 2003)。

底图来源: 游爱华等(2019); 台风数据来源: 联合台风警报中心(JTWC, Joint Typhoon Warning Center), 台风路径由ArcMap 10.2绘制。

2 材料和方法

XH15-02 孔岩心的采样点位于小海潟湖西南部(110°27′12″E, 18°49′11″N; 图1b), 长度为73 cm, 岩性较单一, 为灰黑色粉砂质黏土。对岩心上部30 cm以1 cm间距取样, 冷冻干燥后略微研磨, 在中国科学院南京地理与湖泊研究所进行210Pb测试, 采用恒定补给速率(CRS, Constant Rate of Supply)模式建立岩心上部沉积的年代序列。同时, 在距离顶部18 cm、42 cm、57 cm、70 cm 处采集4个样品, 在美国BETA实验室(Beta Analytic)进行加速器质谱法(AMS, Accelerator Mass Spectrometry)14C年代测定, 测年误差为±30 a。以同一深度(距离顶部18 cm处)样品的AMS14C测年与210Pb测年结果的差值作为小海潟湖沉积物的碳库年龄, 使用Bacon软件(Charman et al., 2013)对14C年代结果进行日历年龄校正。

在华南师范大学地理科学学院实验室对岩心以 1 cm间距取样开展常量和微量元素(Si、Al、Mg、Ti、Fe、K、Ca、Sr、Ba)分析, 结果以氧化物表示, 测试仪器为荷兰帕纳科公司生产的偏振能量色散X射线荧光光谱仪(型号: Epsilon 5)。校正曲线使用27个国家土壤成分(GSS2–GSS28)、6个水系沉积物成分(GSD2a、GSD7a、GSD9–GSD12)和6个岩石成分(GSR1–GSR6)分析的标准物质。实验过程中使用GSS17标准样品进行控制, 实验误差优于±5%。使用SPSS软件对数据进行统计处理, 对归一化的地球化学元素数据集进行聚类, 以发现特性相似的变量组。

此外, 本文参考了海南岛历史时期有关自然灾害的史料记载。例如, 《海南省千年自然灾害史料集》(陈寒松, 1995)以编年体的形式整编了宋代以来海南岛所发生的多种自然灾害(包括旱灾、涝灾、风灾等), 大部分记载的原始出处来源于地方志。《中国气象灾害大典——海南卷》(温克刚和吴岩俊, 2008)编撰了海南有历史记载以来的台风、暴雨、洪涝、干旱、雷暴、龙卷风等气象灾害的信息, 是一部反映海南历史时期气象灾害情况的大型工具书。这些文献为海南地区的气候变化和台风历史研究提供了大量的可靠文字记录。通过这些文献记载, 本文以受台风影响的县次记载数量为指标建立了近千年来影响海南岛的台风历史序列。

3 结 果

3.1 年代序列的建立

XH15-02孔岩心210Pb比活度在21 cm处基本稳定, 利用CRS模式计算得到XH15-02孔柱状岩心上部21 cm所对应的年代序列如图2a所示。采用AMS14C技术对4个14C年代样品进行了沉积物全有机年龄的测定, 结果见表1。由于18 cm处沉积层位的210Pb测年结果为1933 AD, 而同一层位AMS14C的测年结果为280 a BP, 即1670 AD, 据此认为小海潟湖沉积有机碳定年的碳库效应为263 a。将所有14C测年结果减掉263 a之后, 应用Bacon程序包选用Marine 13海洋校正曲线进行日历年龄校正, 进而建立整根岩心的年代序列(图2b)。结果表明, XH15-02孔岩心所记录的年代范围约为870～2015 AD。

3.2 元素分析结果

3.2.1 元素及其比值的垂向变化特征

XH15-02孔岩心元素(Si、Al、Mg、Ti、Fe、K、Ca、Sr、Ba)含量在垂向上的变化如图3所示。其中, 常量元素Si、Al、Mg、Ti、Fe、K、Ca的含量(为便于表达, 以元素代表氧化物形式)分别为54.7%～66.5%、11.0%～17.2%、0.6%～1.2%、3188～4945 μg/g、3.7%～5.7%、2.4%～3.2%、0.6%～2.1%, 平均值分别为58.8%、14.8%、0.9%、4301 μg/g、4.7%、2.9%、0.9%; 微量元素Sr、Ba含量分别为40～141 μg/g、75～328 μg/g, 平均值分别为81 μg/g、193 μg/g。元素比值Al/Ca、Mg/Ca、Ti/Ca、Fe/Ca、K/Ca、Si/Al、Sr/Ba变化范围分别为6.41～25.45、0.44～1.75、0.16～0.74、1.83～8.51、1.19～4.64、3.20～6.03、0.28～0.96(图4), 平均值分别为17.93、1.08、0.52、5.71、3.56、3.99、0.45, 呈现出较为显著的阶段性变化特征。

在XH15-02孔岩心中, Al、Mg、K、Fe、Ti含量变化趋势整体上相同, 而Si与上述几种元素的变化趋势相反。大约从1543 AD(对应深度约43 cm)以来, Ca在岩心剖面中的含量基本保持不变,到1990 AD (对应深度约11 cm)开始增加; Al、Mg、K、Fe、Ti等常量元素的含量在1647 AD(对应深度约40 cm)出现了整根岩心的极小值, Si则在此时出现最大值。在整个研究时段内, Al、Mg、Ti、Fe、K元素与Ca的比值呈现出较为一致的变化趋势。

3.2.2 元素聚类分析结果

对XH15-02岩心常量/微量元素结果进行聚类分析(图5), 可以将它们分为三类: 第一类为Al、Mg、K、Fe、Ti, 通常这些元素在海相沉积物中的含量低于陆相沉积物中的含量, 因而可能代表了小海潟湖沉积物的河流输送来源(如小海的入湖河流龙头河、龙尾河、白石溪、太阳河等); 第二类为Sr、Ba、Ca, 在浅海相中, Sr的含量变化受微体古生物的影响最大, Ba在滨海湖沼相中表现为富集(韩宗珠等, 2005), 小海潟湖沉积物中Ca主要源自海洋生物壳体, 因而这三种元素应当指示了该潟湖沉积的海相沉积来源, 即随涨潮流沿潟湖东北口门潮汐通道携带海洋物质进入潟湖; 第三类为Si, 主要代表了粒度较粗的石英等碎屑矿物(Emmanouilidis et al., 2018), 应该是在风力吹扬及雨水冲刷的作用下将沿湖四周特别是东岸沙坝上的泥沙携带入湖。

图2 XH15-02孔岩心年代–深度模型

表1 小海潟湖XH15-02孔岩心测年数据

图3 XH15-02孔岩心常量/微量元素的含量变化(虚线为元素含量均值)

图4 XH15-02孔岩心元素比值变化(红色曲线为5点平滑曲线)

图5 XH15-02孔岩心元素聚类分析结果

4 讨 论

4.1 小海潟湖沉积元素及其比值指示的近千年降水变化

近年来, 国内外的很多学者已经对不同区域内近千年的气候变化进行了重建。如D’Arrigo et al. (2006)对北半球温度的重建结果显示, 在870～1100 AD期间, 北半球温度相对较高, 而在1100～1900 AD期间北半球温度相对较低; 19世纪以来, 北半球温度持续升高(图6f)。然而, 越来越多的证据表明, 近千年来不同地区气候变化存在明显的区域差异, 如Li et al. (2016)通过研究鄱阳湖的沉积记录认为该地区MWP(1110～1350 AD)较湿润, 而LIA(1350～1620 AD)较干旱; Xu et al. (2015)对云南洱海沉积记录的研究却表现出MWP(750～1200 AD)干旱, 而LIA (1450～1850 AD)湿润的特点。在对小海潟湖沉积物的研究中, 不难发现该潟湖沉积地球化学元素比值的变化与北半球温度(D’Arrigo et al., 2006)、南方涛动指数(SOI, Southern Oscillation Index; Yan et al., 2011)及西太平洋暖池海表面温度(SST, Sea Surface Temperature; Oppo et al., 2009)等具有较高的相似性(图6), 表明它们之间可能具有某种关联, 值得深入探究。

对于潟湖沉积物来说, Al、Mg、K、Fe、Ti的沉积主要以陆源为主(Nieto-Moreno et al., 2011; Ulaş, 2019), Sr在海水中相对富集。XH15-02孔岩心中Ca与Sr含量表现为正相关, 与Ti表现为负相关, 表明小海潟湖沉积物中CaCO3的海洋生物组成成分高而陆源碎屑碳酸盐的贡献率低, 说明该岩心中Ca的生物来源多(Emmanouilidis et al., 2018), 因此可以通过Al、Mg、K、Fe、Ti与Ca的比值(图6a～e)来消除生物沉积对陆源沉积的稀释作用, 进而指示陆源物质输送入湖的能力(Emmanouilidis et al., 2018; Ulaş, 2019), 即河流水动力的强弱。当河流水动力强时, 流域内河水快速入湖, 带入大量陆地上的碎屑物质, 此时Al/Ca、Mg/Ca、K/Ca、Fe/Ca、Ti/Ca的值较大; 而当河流水动力弱时, 河流搬运入湖的陆源碎屑物质减少, 此时元素比值表现出相对低值。这种河流水动力强弱的变化往往与当地的降水强度密切相关(孙立广等, 2012), 小海潟湖流域内水系发达, 有多条河流补给, 在降雨量大的时候, 陆地径流量增大, 河流碎屑物质更容易沉积入湖; 反之, 陆地径流量小, 河流碎屑物质入湖量减少。

(a～e) 本文; (f) 北半球温度重建(D’Arrigo et al., 2006); (g) 湖光岩降水重建(Chu et al., 2002); (h) SOI指数(Yan et al., 2011); (i) 西太平洋暖池SST曲线(Oppo et al., 2009)。

从图6可以看出, 小海潟湖沉积物的元素比值在过去千年间变化显著, 揭示了近千年来海南地区降水经历了较为明显的阶段性变化。在870～1100 AD期间, Al/Ca、Mg/Ca、K/Ca、Fe/Ca、Ti/Ca的值较低, 表明海南地区在此时期降水较少, 沉积过程中河流产生的水动力强度不足以将陆地上的碎屑物大量运输入湖; 在1100～1700 AD期间, 各元素比值波动较大, 表明在此时期海南地区的降水波动也相对明显, 降水变率大; 在1700～1950 AD期间, 各元素比值普遍呈现高值, 但略有一定的下降趋势, 说明在此时期河流输送的陆源物质略有减少, 降水较前一时期开始有所降低; 自1950 AD以来, 各元素比值显著下降, 尤其是在1980 AD以来下降趋势明显, 但仪器记录的数据显示近四十年来海南年降水量没有大幅下降的趋势, 因此推测这一时期各元素比值显著下降的原因应该与1972年小海潟湖的最大补给径流太阳河的人工改道有关, 由于径流补给的大幅度减少使得输送入湖的碎屑物质大幅下降。

上述分析结果与同处我国热带地区的雷州半岛北部湖光岩玛珥湖沉积记录、南海西沙群岛沉积记录以及地处西南地区的泸沽湖沉积记录较为一致。Chu et al. (2002)通过对华南热带地区湖光岩沉积物中总有机碳(TOC, total organic carbon)和无机碳(TIC, total inorganic carbon)、生物硅、总氮(TN, total nitrogen)的研究发现, 该地区在过去1400 a内发生了两次干旱事件, 其中一次就发生在中世纪暖期(880～1260 AD),而在小冰期总体上相对湿润(图6g)。Sheng et al. (2015)通过对云南泸沽湖的粒度和碳氮比等指标的分析研究发现, 该地区在中世纪暖期总体上较为干旱, 而小冰期气候相对湿润。此外, 有研究者(Yan et al., 2011; 孙立广等, 2012)利用位于南海西沙群岛东岛牛塘的湖泊沉积物重建了西沙群岛海区近千年的降雨变化, 发现该海区在中世纪暖期(1000～1400 AD)和现代温暖期(1850～2000 AD)降雨较少, 而在小冰期(1400～1850 AD)降雨较多。Yan et al. (2011)利用东、西太平洋地区多条降雨代用指标序列重建了用来反映SOI变化的替代指标SOIpr(图6h), 发现当SOI值为正时西太平洋地区的降雨增多; 反之, 西太平洋地区的降雨减少。这与小海潟湖沉积所揭示的海南地区中世纪暖期的降水较少, 而小冰期降水较多的结论相一致(图6)。

事实上, 北半球副热带高压与东亚季风受西太平洋暖池的影响, 进而影响着中国华南地区的温度与降水(张自银等, 2009), 而热带辐合带(ITCZ, Intertropical Convergence Zone)被认为是影响东亚季风的重要因素之一。当西太平洋暖池SST较平常低时, 其温度梯度减弱, 沃克环流的上升支由印度尼西亚地区东移至日界线附近, 使Hadley环流增强, ITCZ辐合带的位置向赤道推进, 整体向南偏移, 副热带高压的位置也向南偏移, 导致海南地区的降水增多。当西太平洋暖池SST较平常高时, 沃克环流减弱, 西太平洋对流活动减弱, 气流辐合抬升微弱, ITCZ辐合带不活跃, 海南地区降水低于正常水平(Chu et al., 2002)。因此, 在西太平洋暖池SST(图6i)较高的中世纪暖期, 海南地区降水(图6a～e)较低; 而西太平洋暖池SST较平常低的小冰期, 海南地区降水相对较高。Xu et al. (2016)通过季风降水对热带太平洋海表温度变化的响应模型得到的结果也表明, 在热带太平洋海表温度增加时, 海南降水减少; 而热带太平洋海表温度降低时, 海南降水增加。此外, 西太平洋暖池SST高于正常水平时北半球温度较常年平均水平高, 西太平洋暖池SST低于正常水平时北半球温度也处于相对低的状态, 说明西太平洋暖池的海表温度受到全球气候变化大背景的影响。从小海潟湖沉积物元素比值与北半球温度变化的对比可以看出, 近千年来两者在变化趋势上具有良好的一致性。因此推测, 若未来北半球温度持续升高, 海南地区降水可能会减少, 将会呈现出与中世纪暖期时气温相对偏高而降水较少的相似特征。

4.2 小海潟湖沉积物对历史时期强台风活动的指示意义

历史时期的台风活动信息不仅存在于历史文献的记录中, 还可以在自然环境中找到其存在的痕迹。例如, Blumenstock (1958)和McKee (1959)通过对1958年台风Ophelia袭击马绍尔群岛造成贾卢伊特环礁中沉积大量碎石的研究认识到风暴沉积物比在正常环境条件下形成的沉积物粒径粗, 对恢复古风暴事件具有重要意义; Woodruff et al. (2009)采集了日本Kamikoshiki岛两个沿海潟湖中的沉积岩心, 以岩心中沉积物的粒度、高Sr含量作为海水入侵的指标, 提取了当地6400 a的古台风信息; Toomey et al. (2013)根据在法属波利尼西亚Tahaa岛周围获取的潟湖沉积物岩心粗颗粒沉积的特点, 重建了南太平洋地区5000 a的气旋发生历史。通过梳理历史时期海南岛的自然灾害史料记载发现, 近千年来的史料文献中有大量关于海南地区“飓风”(也即现代所说的台风)活动的记录, 那么这些频繁发生的“飓风”是否能在XH15-02孔岩心沉积物中找到蛛丝马迹？对此, 本文尝试做了进一步的分析。

为了解各元素比值对历史时期强台风活动的响应机制, 需要从各元素在台风活动发生时的特性进行探讨。台风登陆时, 由于风力强劲, 东岸沙坝以及湖岸上的泥沙被大量冲刷入湖, 造成沉积物中该时段Si的大量富集, 与此同时导致沉积物Fe与Ti元素含量相对降低, 而Ca因其以海相来源为主, 随着台风活动引起的大量海水入湖, 使得Fe/Ca、Ti/Ca比值减少而Si/Al比值增大; 而且, 此时湖水水动力增强, 使得沉积物中砂含量增多, 平均粒径增大。这一解释从沉积物Sr/Ba比值的变化中也能够得到合理的印证。Sr/Ba对于海水盐度的变化极为敏感, 因而常用来辨别湖水的咸淡(马俊红和赵济, 1992)。Sr在海水中相对富集, 同时也是一个容易随水迁移的元素(Emmanouilidis et al., 2018), 而Ba则更容易沉淀下来。当淡水与海水混合时, Ba形成BaSO4沉淀下来, Sr会继续迁移, 在海洋中通过生物途径沉淀下来。因此, 海相沉积物的Sr/Ba值高于淡水沉积物。当台风移向陆地时, 由于台风的强风和低气压作用, 使海水向海岸方向强力堆积, 潮位猛涨, 海水从小海东北部口门大量涌入, 进而使得沉积物Sr/Ba比值上升。因此, 在强台风事件发生时, 小海潟湖沉积的Fe/Ca、Ti/Ca比值减小, 而Si/Al、Sr/Ba比值增大, 与此同时沉积物中的砂含量与沉积物平均粒径也会增大。

从XH15-02孔岩心地球化学元素比值图(图7)中可以看出, Fe/Ca、Ti/Ca变化趋势非常一致, 而Sr/Ba表现出与它们相反的变化趋势; Si/Al、砂(>63 μm)含量和平均粒径表现出相似的变化趋势。结合图3和图7发现, XH15-02岩心中可能记录了近千年来多次不同寻常的气候环境变化事件(记为T1～T8)。以T2事件为例, XH15-02岩心Fe、Ti的元素浓度在1574～1675 AD(对应深度约38～42 cm)期间曾出现较大幅度的波动(图3), 而同一时期的沉积物粒度(以平均粒径为代表)也表现出剧烈的变化(变粗), 这意味着该时期小海潟湖的沉积环境可能发生了不寻常的变化, 而类似的变化在过去千年中曾发生过多次(T1～T8; 图7)。

考虑到海南岛历史上曾频繁遭强台风袭击, 结合上述一些元素的迁移特性以及与有关史料记载进行对比, 推测发生于1647±30 AD的T2事件可能与史料文献中的海南岛万宁县1672 AD的飓风记载有关。与T2事件相类似, 在1957±5 AD、1517±30 AD、1425±30 AD、1135±30 AD、1081±30 AD、1019±30 AD、937±30 AD也可以看到类似的沉积事件(图7中的T1、T3、T4、T5、T6、T7、T8), 这些事件的共同特征都表现为沉积物中Fe/Ca、Ti/Ca比值突然减少和Sr/Ba比值有所增加, 揭示了陆源碎屑物质的减少与海洋物质的增加, 说明在这些时期发生了能够引起海洋来水显著增加的事件(如台风活动或海平面升高), 尤其是上述几个事件的发生时间与史料文献记载(陈寒松, 1995)的海南东部多次飓风发生时间较为接近(图7)。如1958 AD第23号台风由万宁登陆, 引发大暴雨, 造成洪灾, 与本文小海潟湖沉积物中所记录到的1957±5 AD沉积事件(T1)相近; 史料记载中的1524 AD万宁县“飓风雨, 如荆挟风而来, 飘瓦拔木, 坏墙屋, 伤禾稼”、1423 AD海南岛“飓风暴雨, 海水涌溢, 淹没庐舍孶畜, 居民溺死五十二人”、1141 AD儋县“飓风毁城门公署民舍殆尽”、1082 AD “飓风毁民舍”分别与前述提及的1517±30 AD(T3)、1425±30 AD(T4)、1135±30 AD(T5)、1081±30AD (T6)时期相近。虽然史料中并没有记载在1019 AD前后发生过具有破坏性的强飓风, 但孙立广等 (2007)发现1024 AD前后西沙群岛曾遭受过近千年来最强烈的台风袭击事件, 此次台风活动可能也在小海潟湖沉积中留下了沉积记录(T7)。此外, 发生在937±30 AD的沉积事件未从史料中找到相对应的台风记录, 推测这可能与事发年代久远因而相关记录不够完善有关, 对此还有待进一步查证。

图7 XH15-02孔岩心元素比值、粒度与史料记载的台风县次序列对比

5 结 论

通过对海南岛东部小海潟湖柱状岩心(XH15-02)的年代学(210Pb和AMS14C)测定, 构建了一个详细的潟湖沉积年代层。基于各年代层的元素浓度及粒度分析, 探讨了潟湖沉积物元素及其比值的环境指示意义以及潟湖沉积物对强台风活动的响应机制, 得出以下结论:

(1) 小海潟湖沉积物元素及其比值变化能够反映近千年来海南地区的降水变化历史。潟湖沉积物中的Al/Ca、Mg/Ca、K/Ca、Fe/Ca、Ti/Ca比值高低可能与河流水动力强弱有关。当其比值较高时, 说明河流输送的陆源物质增多, 水动力较强, 认为海南地区在此时期降水较多, 反之降水较少。在过去的千年中, 海南地区的降水具有明显的阶段性变化特征, 表现在中世纪暖期(870～1100 AD)降水较少, 而小冰期降水总体上较中世纪暖期偏多, 这可能与热带辐合带的南北移动以及西太平洋暖池海表温度变化有关。

(2) 结合史料文献记载的有关“飓风”(台风)活动, 从小海潟湖沉积物的化学元素及其比值中共识别出近千年来8次较为明显的强台风活动事件(时期), 分别发生在1958 AD、1672 AD、1524 AD、1423 AD、1141 AD、1082 AD、1019±30 AD、 937±30 AD, 表明小海潟湖沉积物元素特征对揭示历史时期的强台风活动具有较大潜力。

致谢:华南师范大学地理科学学院魏志强、陈永强、彭建平、赵成龙、游爱华、程嵘等在野外采样和实验分析中给予了帮助; 南京大学王先彦教授和兰州大学李卓仑副教授在评审过程中对本文提出了诸多宝贵的修改意见, 在此一并表示衷心感谢！

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Climate and environmental changes revealed by sedimentary geochemical elements of the Xiaohai Lagoon (Hainan) during the last millennium

SONG Dezhuo, XUE Jibin*, SUN Shengsheng, ZHONG Wei

(School of Geography, South China Normal University, Guangzhou 510631, Guangdong, China)

To better understand the history of climate and environmental changes in Hainan during the last millennium, a sediment core (i.e., core XH15-02) was collected from the Xiaohai Lagoon, east of Hainan Island. The major/trace elements content of the core XH15-02 and their ratios were analyzed, respectively. The sediment chronology was established by210Pb and AMS14C dating methods. The results indicated that the geochemical elements and their ratios (Al/Ca, Mg/Ca, K/Ca, Fe/Ca, Ti/Ca) mainly reflected the rainfall changes in eastern Hainan Island during the last millennium. Specifically, there was less precipitation during the Medieval Warm Period (870 to 1100 AD) in Hainan, while there was more precipitation during the Little Ice Age, which might be related to the north-south movement of the Intertropical Convergence Zone (ITCZ) and changes of the sea surface temperature of the western Pacific warm pool. In addition, based on many written records of "hurricanes" in historical literature, a total of eight severe typhoon events were identified from the sediment records of the Xiaohai Lagoon. This would help forecast the trend of typhoon activities in tropical regions of China, especially under thecurrent background of global warming.

lagoon deposition; geochemical elements; precipitation; paleo-typhoon; Hainan Island

P467; P595

A

0379-1726(2022)02-0202-11

10.19700/j.0379-1726.2022.02.004

2020-05-29;

2020-09-29

国家自然科学基金项目(41671194)资助。

宋德卓(1996–), 女, 硕士研究生, 自然地理学专业。E-mail: 2018022310@m.scnu.edu.cn

薛积彬(1977–), 男, 教授, 主要从事环境变化及其区域响应研究。E-mail: jbxue@scnu.edu.cn