福建赖源泥炭记录的全新世气候演变序列及区域对比分析①

张晓君

（福建省闽北地质大队，福州，350002）

全新世气候变化与人类社会的发展有着密切联系。近几十年来，国内外关于全新世气候的研究主要归纳为2个方面：（1）全新世气候适宜期又称大暖期，一般指全新世气候最为温暖、湿润的时期，在低纬的亚非季风区主要是指有效湿度最大的时期，即夏季风强度最大的时期［1］；（2）全新世快速气候变化事件是指在温暖湿润、相对稳定的气候背景下，全新世仍然存在一系列快速气候变化事件，即气候在较短时间内（几十年甚至更短）变得寒冷或干旱，持续数百年后，在短时间内又回到平均状态［2］，在低纬的亚非季风区主要表现为夏季风强度快速变弱导致气候突然变干，因此又可称为弱季风事件［3］。我国主要位于亚洲季风区，大致以105°E经线划分为南亚季风区和东亚季风区，西南部主要受南亚夏季风影响，东部主要受东亚夏季风影响，两区之间存在重叠区域，且气候变化相位关系存在争议［4］。福建位于典型的东亚季风区，是认识和研究全新世东亚夏季风气候变化过程及其驱动机制的有利地区［5］。泥炭主要形成于全新世的沼泽环境中［6］，能敏感响应气候和环境变化，其中植物残体、孢粉、分子化石、同位素组成等历史遗存物都可用来反映环境气候变迁，是良好的全新世气候变化信息载体。

1 样品采集及分析

此次选取福建顺昌元坑镇赖源泥炭地作为研究项目，在高精度AMS14C测年构建的年代框架基础上，根据正构烷烃、总有机碳同位素（δ13CTOC）、烧失量（LOI）多个指标建立起赖源泥炭的高分辨率古气候演变序列。

此次样品采集借助当地已有民采坑剖面进行，采样深度为90～280cm。自上向下进行等间距刻槽取样，共获得连续样品60件，用以测试正构烷烃、总有机碳同位素、烧失量等环境代用指标；并分别于深度93，105，140，176，210，245，280cm处取7件样品，用于AMS14C测年。

AMS14C测年是委托Beta Analytic Inc.进行的，筛选出90～300μm的泥炭组分后［7］采用加速质谱器测试；正构烷烃、总有机碳同位素、烧失量等指标测试委托中国地质大学（武汉）生物地质与环境地质国家重点实验室进行。其中，正构烷烃是将样品进行萃取、离心、蒸发、层析等多步分离得到烷烃组分后直接在岛津2010GC－FID气相色谱仪上进行定量测试。总有机碳同位素是采用不泡酸前处理后，在MAT253稳定同位素比质谱仪上测试。烧失量是采用燃烧称重法进行测试。

2 成果分析

2.1 年代标尺

此次研究7件样品AMS14C测年结果（表1），经校准拟合建立深度－年代模型（图1），可得赖源泥炭剖面在90～280cm深度对应年代为3.509～7.490cal.ka BP，并计算得其沉积速率平均为0.477mm／a。

图1 赖源泥炭剖面年代框架Fig.1 Laiyuan peat profile age framework

表1 赖源泥炭剖面测年数据Table 1 Laiyuan peat profile dating datas

2.2 正构烷烃的指示意义

正构烷烃是植物脂类的一种［8］，通式为CnH2n＋2，稳定的碳碳双键使其能够以较为完整的原始碳骨架保存在各类沉积物中，因此根据沉积物中正构烷烃的相关特征可以大致推测其来源的植物类型，从而揭露当地古气候和古环境的演变过程［9］。

一般来说，低等生物（藻类、光合细菌等）来源的正构烷烃碳链较短（＜C12），主峰一般出现在C17、C18、C19，不具有奇偶优势；高等植物来源的正构烷烃碳链较长，主峰碳数为C23～C35，而且伴有明显的奇偶优势，其中，沉水型和浮水型水生植物、泥炭藓多以C23、C25为主峰，挺水型水生植物、陆地高等植物和其他藓类植物多以C27、C29、C31为主峰，陆地高等植物中，木本植物多以C29为主峰，草本植物多以C31为主峰［7］。

（1）正构烷烃的平均碳链长度ACL＝Σ（n×Cn）／ΣCn。因此，ACL首先可以用来指示来源植被类型。长链正构烷烃的ACL值最初被用来反映温度的变化，一般认为在环境温度较高时植物倾向于合成较长链的正构烷烃。长链正构烷烃ACL还受相对湿度的影响，但响应关系具有较大的不确定性［7］。

（2）Paq指数最早用来表征湖泊环境下沉水或浮水植物相对于挺水植物和陆生植物对湖泊有机质的相对贡献量，后也用来表征泥炭沼泽环境下泥炭藓的贡献量。Paq＝（C23＋C25）／（C23＋C25＋C27＋C29）。一般而言，在湖泊环境下，当Paq＜0.1时，该沉积体以陆源高等植物输入为主，水位较低，当0.1＜Paq＜0.4时，以挺水植物输入为主，水位升高，当Paq＞0.4时，以沉水或浮水植物输入为主，水位较高。在沼泽环境下，Paq值较高指示泥炭藓贡献多，湿地水位升高，气候湿润，反之亦然［9］。

（3）CPI指数表征正构烷烃的奇偶优势（奇数碳相对偶数碳的优势），CPI＝［（C21＋C23＋C25＋C27＋C29＋C31）＋（C23＋C25＋C27＋C29＋C31＋C33）］／［（C22＋C24＋C26＋C28＋C30＋C32）×2］（根据碳数分布调整具体公式），同样的，CPI首先受生物来源影响，高等植物来源的CPI值一般大于4，低等生物来源则一般在1左右。此外，CPI还与微生物降解作用有关，一般认为，在暖湿环境下，微生物活动增强，正构烷烃降解作用加剧，CPI值降低，反之亦然，但也有一些研究却得出相反的结论［7］。

2.3 赖源泥炭的正构烷烃特征及其古气候意义

根据测试结果，赖源泥炭正构烷烃的含量变化较大，为56.32～1 029.29μg／g，平均为300.95μg／g。碳数分布范围为C21～C33，均为中长链，并具有明显的奇偶优势。

主峰碳数呈双峰型，长链以C29为主峰，中链以C25为主峰（图2－a）。剖面自下向上，主峰碳数逐渐从C29转变为C25，可具体划分为3个阶段。①280～260cm（7.490～7.014 cal.ka BP）：主峰碳数以C29为主（图2－b），根据野外观察，泥炭剖面下部发育有丰富的木本植物残体，因此认为此处C29主要贡献自木本植物，但也不排除有挺水植物的贡献，此外，福建屏南仙山和天湖山湿地现代植物的正构烷烃分析表明，禾本科密花拂子茅和莎草科细辐射枝藨草的地下部分、百合科萱草和禾本科糠稷的地上部分主峰碳数亦为C29［7］，因此也不排除此处有它们的贡献。②260～212cm（7.014～6.340cal.ka BP）：主峰碳数同时以C29、C25为主（图2－c）。③212～90cm（6.340～3.509cal.ka BP）：主峰碳数以C25为主（图2－d），通过野外初步鉴定，赖源泥炭中的植物残体以莎草科的苔草等为主，并未发现泥炭藓，因此认为此处的C25主要贡献自沉水／浮水植物。此外，福建屏南仙山和天湖山湿地现代植物的正构烷烃分析表明，萱草的地下部分主峰碳数亦为C25，因此也不排除此处有萱草的贡献，但萱草是百合科植物，应该不是主要的贡献者。

图2 赖源泥炭正构烷烃碳数分布图Fig.2 Distribution map of the carbon number of Laiyuan peat normal alkanes

ACL值较大，变化幅度较小，为26.31～28.75，平均为27.39。赖源泥炭剖面自下向上，ACL值呈微下降趋势（图3－a），指示碳链长度逐渐变短，推测植物来源逐渐从陆地高等植物为主转变为水生植物为主。在此期间，ACL值于7.2cal.ka BP、6.5～6.3cal.ka BP、4.8cal.ka BP、4.0cal.ka BP时发生突然增大。

Paq值整体较大，变化幅度较大，为0.26～0.83，平均为0.51。赖源泥炭剖面自下向上，Paq值逐渐增大（6.3cal.ka BP后达0.4以上，图3－b），指示沉水／浮水植物输入比例逐渐升高，水位逐渐上升。期间，Paq于7.2cal.ka BP、6.5～6.3cal.ka BP、4.8cal.ka BP、4.0cal.ka BP时发生突然下降。

CPI值整体较小，变化幅度较大，为2.12～7.78，平均为3.71。赖源泥炭剖面自下向上，CPI值逐渐降低（6.3cal.ka BP后降至4以下，图3－c），一方面可能是因为植物来源逐渐从陆地高等植物为主转变为水生植物为主，另一方面可能是因为气候越来越暖湿，微生物活动增强，正构烷烃降解作用加剧，导致CPI值降低。在此期间，CPI于7.2cal.ka BP、6.5～6.3cal.ka BP时发生突然增大。

综上所述，大致以6.3cal.ka BP为界，赖源泥炭植被来源逐渐从陆地木本植物为主变成沉水／浮水植物为主，说明沼泽湿地的水位逐渐升高成为浅水湖泊环境，6.3cal.ka BP之后泥炭沉积速率显著变慢也佐证了这一点，可见当地气候越来越湿润（研究区在新构造单元上隶属于建阳—连城断陷上升区之闽西北整体上升亚区，新构造运动以稳定的整体间歇性上升为主，差异活动不明显［10］，且经野外调查，研究区确未发育任何喜山期活动断裂，因此可以认为此处沉积环境的变化不太可能是由地质作用或地形变化导致）。期间可能分别于7.2cal.ka BP、6.5～6.3cal.ka BP、4.8cal.ka BP、4.0cal.ka BP发生4次快速气候变化事件（即气候突然变干旱）。

2.4 总有机碳同位素特征及其古气候意义

总有机碳主要来源于泥炭中的有机质，一般是通过光合作用，把CO2、H2O合成碳水化合物存储在植物组织内形成的，其中的稳定碳同位素（δ13CTOC）不发生衰变，含量比较稳定。因此其可助于我们了解古植物的光合作用途径、利用碳源以及环境变迁等［11］。

（1）光合途径：C3植物包括所有木本、大部分灌木和部分喜湿凉的草本，也包括泥炭藓，生活在低温、潮湿、大气CO2浓度高的气候带（如温带、寒带），其δ13C值较偏负，为－34‰～－22‰；C4植物多为耐旱的莎草科、禾本科和小部分灌木，生活在高温、干旱、大气CO2浓度低的气候（如热带、亚热带），其δ13C值较偏正，为－19‰～－9‰；CAM植物多为耐极干旱的肉质植物，生活在热带和干旱地区，如沙漠，其δ13C值变化范围很宽，为－30‰～－10‰，几乎覆盖了C3、C4植物的δ13C范围［12］。

（2）利用碳源：陆地高等植物、挺水型和浮水型水生植物、泥炭藓一般通过C3植物途径利用大气中的CO2（较轻）作为碳源进行光合作用，δ13C值较偏负，为－34‰～－22‰［13］，其中，泥炭藓有时也会利用与其共生的嗜甲烷细菌产生的CO2（δ13C值为－60‰～－40‰，较轻）作为碳源进行光合作用，δ13C值较偏负［14］；沉水型水生植物利用水中溶解的HCO3－（较重）作为碳源，δ13C值较偏正，为－20‰～－12‰。

（3）湿度：陆地高等植物的δ13C值一般与湿度呈负相关，当环境较湿润时，叶片会打开气孔，吸收更多的CO2，增加细胞内部CO2分压，造成偏负的δ13C值，反之亦然；挺水型和浮水型水生植物的δ13C值一般与湿度呈正相关，当植株处于水分过饱和状态时，光合细胞上的水膜阻止了CO2的吸入，造成偏正的δ13C值，反之亦然；泥炭藓（非维管束植物）的δ13C值与湿度的相关性较复杂，当湿地水位上升时，一方面，植物处于水分过饱和状态，光合细胞上的水膜阻止了CO2吸入，造成偏正的δ13C值，另一方面，泥炭地表层湿度较高时，会产生更多嗜甲烷细菌释放的CO2（较轻）供泥炭藓利用，造成偏负的δ13C值［14］。

（4）温度：温度对植物δ13C的影响机制较复杂，主要通过改变植物酶的活性、气孔开闭度、叶片温度等来实现对光合速率的影响，要在能够排除其它环境因素干扰的情况下，才能讨论它们之间的关系。

根据测试结果，赖源泥炭的δ13CTOC值变化范围较小，总体较偏负，为－31.07‰～－27.35‰，平均为－29.80‰，指示其主要植物来源均为C3植物，可能为陆地高等植物、挺水型和浮水型水生植物或泥炭藓，结合野外观察以及正构烷烃特征，应主要为陆地木本植物和浮水植物。δ13CTOC值总体呈先下降后上升的变化（图3－d）。①280～260cm（7.490～7.014 cal.ka BP）：δ13CTOC值呈微下降趋势，根据恢复的古植被类型，这期间以陆地木本植物为主，陆地高等植物的δ13C值一般与湿度呈负相关，因此这期间δ13CTOC值的下降可能指示气候越来越湿润。②260～90cm（7.014～3.509cal.ka BP）：δ13CTOC值总体呈上升趋势，结合恢复的古植被类型，该期间以浮水植物为主，浮水型水生植物的δ13C值一般与湿度呈正相关，因此这期间δ13CTOC值的上升也指示气候越来越湿润。δ13CTOC值于6.5～6.3cal.ka BP、4.8～4.7cal.ka BP、4.0cal.ka BP发生突然增大，可能指示3次快速气候变化事件。研究发现δ13CTOC指标与正构烷烃指标恢复的古植被类型及古气候演变情况较为统一，可以互相印证和补充。

2.5 烧失量特征及其古气候意义

泥炭烧失量（LOI）主要包括有机质和结合水2部分，可以用来表征有机质含量［15］。泥炭中有机质的累积状况，一方面取决于植物体的生产量，另一方面取决于植物残体的保存条件，因此能够间接反映过去的气候和环境［16］。一般情况下，气候湿润时，植物生长茂盛，可以提供丰富的有机质来源，同时湿地水位较高，易形成还原环境，植物残体不易被微生物分解，容易保存和积累，因此LOI含量高；反之亦然［17］。另外，有研究指出LOI也可以显示异常的突变性气候事件和指示泥炭发育阶段［18］。

根据测试结果，赖源泥炭的LOI含量总体较高，平均为86.67%，变化范围较大，为59.58%～95.62%。无明显升降变化趋势，仅分别于7.1～7.0cal.ka BP、5.8～5.3cal.ka BP、4.9～4.7cal.ka BP时发生快速下降（图3－e），可能指示了3次快速气候变化事件（即气候突然变干旱）。

图3 赖源泥炭重要指标对比图Fig.3 Comparison chart of Laiyuan peat important indicators

2.6 构建赖源地区全新世气候环境演变序列

赖源地区在7.490～3.509cal.ka BP期间的气候总体越来越湿润，以6.3cal.ka BP为界，植被类型从以陆地木本植物为主逐渐转变为以浮水植物为主，沉积环境从沼泽逐渐转变为浅水湖泊，因此认为当地全新世气候适宜期（夏季风强度最大的时期）为6.3～3.5 cal.ka BP。期间可能于7.2～7.0cal.ka BP、6.5～6.3cal.ka BP、5.8～5.2cal.ka BP、4.8～4.6cal.ka BP、4.0cal.ka BP发生5次百年尺度的快速气候变化事件（弱季风事件）。

3 福建区域对比分析

福建境内全新世（尤其是涉及7.490～3.509cal.ka BP期间）气候演变研究成果主要有屏南天湖山［19－20］、水竹洋以及德化戴云山［21］等地泥炭，龙岩仙云洞石笋［22］，福州盆地沉积［23］等，全新世气候适宜期研究成果对比（图4）。

图4 福建全新世气候研究成果对比Fig.4 Comparison of the Holocene climate research results in Fujian province

经对比，赖源泥炭记录的全新世气候适宜期为6.3～3.5cal.ka BP，与仙云洞石笋δ18O、福州盆地沉积磁学的分析结果较为一致；记录的快速气候变化事件中，7.2～7.0ka事件可与天湖山泥炭腐殖化度记录的7.2ka事件对应，5.8～5.2ka事件可与仙云洞石笋δ18O记录的5.5ka事件对应，4.0ka事件可与天湖山泥炭腐殖化度、仙云洞石笋δ18O记录的4.3ka事件对应。综上所述，福建境内全新世气候变化研究成果比较统一，均认为从早全新世至晚全新世气候总体呈干→湿→干趋势变化，只是对全新世气候适宜期的具体界定有所偏差；此外，省内关于全新世快速气候变化事件的记录较少。

4 中国季风区区域对比分析

此次研究选取了我国东北地区的吉林孤山屯、中部地区的湖北大九湖［24－25］、东南地区的福建赖源以及西南地区的四川红原［26］等4处泥炭记录进行对比；另引用了中部地区的湖北三宝洞［27］、东南地区的福建仙云洞、西南地区的贵州董哥洞［28］等3处石笋δ18O记录以及东北地区的天池湖泊孢粉记录［29］，作进一步佐证。气候研究点位置分布（图5），中国季风区全新世气候适宜期研究成果对比（图6）。

图5 中国季风区全新世气候研究点位置图Fig.5 Location map of Holocene climate research points in China monsoon region

图6 中国季风区全新世气候研究成果对比Fig.6 Comparison of Holocene climate research results in China monsoon region

经对比，东南地区的赖源、仙云洞和东北地区的孤山屯、天池湖等地记录的全新世适宜期较一致，大致为7～3cal.ka BP；西南地区的红原、董哥洞和中部地区的大九湖、三宝洞等地记录的全新世气候适宜期较一致，大致为9.5～7cal.ka BP。可以推断在当时，东南地区和东北地区均位于东亚季风区，西南地区和中部地区均位于南亚季风区，而东亚夏季风和南亚夏季风呈反相位关系，前者在7～3cal.ka BP期间最强盛，后者在9.5～7cal.ka BP期间最强盛。与现代季风影响范围相比，当时南亚夏季风在中国的影响范围更为深入广阔，向东至少可延伸至110°E经线。

5 赖源泥炭对全球性气候事件的响应

赖源泥炭记录了当地7.490～3.509cal.ka BP期间的气候在总体湿润的背景下，分别于7.2～7.0cal.ka BP、6.5～6.3cal.ka BP、5.8～5.2cal.ka BP、4.8～4.6cal.ka BP、4.0cal.ka BP发生5次快速气候变化事件（弱季风事件）。经对比，这些事件大部分可与其他地区（甚至全球范围）研究成果记录的快速气候变化事件相对应（图7）。

图7 赖源泥炭记录的干事件与其他地区干冷事件对比图Fig.7 Comparison diagram of the Laiyuan peat recorded dry events with the dry and cold events in other regions

（1）5.8～5.2cal.ka BP和4.0cal.ka BP事件：可分别与北大西洋浮冰事件［30］中的5.9ka、4.2ka事件对应（稍滞后），揭露该时期低纬地区东亚夏季风的强度变化与高纬地区的北大西洋存在遥相关关系。推测在北大西洋冰漂碎屑事件中，大量浮冰的注入可能改变北大西洋盐度，从而减弱大西洋经向翻转环流，通过海－气循环进一步影响东亚季风区［31］。

（2）7.2～7.0cal.ka BP事件：可与东南地区的福建天湖山泥炭腐殖化度、广东玛尔湖沉积物干密度［32］以及西南地区的贵州草海泥炭纤维素δ13C［33］、云南洱海沉积δ13C［34］记录的7.2ka干冷事件对应。此外，也可与Duplessy等在巴伦支海北部近80°N发现的7.2ka冷事件［35］对应。可见7.2ka事件不仅在中国季风区具有区域性，也有一定全球性。

（3）6.5～6.3cal.ka BP事件：可与福建水竹洋泥炭利用支链型甘油二烷基甘油四醚重建温度记录的6.3ka冷事件［36］对应，可见6.3ka事件在中国东南季风区具有一定区域性。

（4）4.8～4.6cal.ka BP事件：暂未在其他全新世气候研究成果中见到相同时期的干冷事件记录，这有可能是受局地小气候的影响造成的，有待更深入的研究。

赖源泥炭对全球气候变化响应敏感，其记录的快速气候变化事件既有全球性（7.2～7.0 cal.ka BP、5.8～5.2cal.ka BP和4.0cal.ka BP事件），又有区域性（6.5～6.3cal.ka BP事件），也有其特殊性（4.8～4.6cal.ka BP事件）。

本次研究工作得到中国地质大学（武汉）黄咸雨教授的悉心指导，相关环境指标的测试主要由中国地质大学（武汉）生物地质与环境地质国家重点实验室完成，在此一并致谢！