河南馬溝洞石筍記錄的早中全新世氣候和環(huán)境變化

毛瑞雪，蔡演軍，馬 樂，成 星

（1.中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所 黃土與第四紀(jì)地質(zhì)國家重點實驗室，西安 710061；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.西安交通大學(xué) 全球環(huán)境變化研究院，西安 710054）

河南馬溝洞石筍記錄的早中全新世氣候和環(huán)境變化

毛瑞雪1,2，蔡演軍1,3，馬 樂1，成 星1,2

（1.中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所 黃土與第四紀(jì)地質(zhì)國家重點實驗室，西安 710061；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.西安交通大學(xué) 全球環(huán)境變化研究院，西安 710054）

基于河南省禹州市馬溝洞2支石筍（MG-1與MG-40）24個230Th年齡和1988個氧同位素數(shù)據(jù)，建立了研究區(qū)13.1 — 4.9 ka BP分辨率為2 — 14 a的石筍氧同位素時間序列。馬溝洞石筍δ18O的時間序列揭示季風(fēng)降水在11.2 — 9.1 ka BP時段在波動中逐漸增加，9.1 — 4.9 ka BP季風(fēng)降水顯著波動但無明顯長期趨勢變化。YD事件、9.3 ka事件、8.2 ka事件記錄與其他石筍δ18O記錄的一致性揭示末次冰消期—早全新世百年—千年尺度氣候突變事件的大范圍存在和共同的驅(qū)動因子。馬溝洞全新世大暖期的δ18O記錄中檢測出的13個數(shù)十年尺度的弱季風(fēng)事件進(jìn)一步證實全新世大暖期氣候的不穩(wěn)定性。與大氣Δ14C記錄、NGRIP冰芯δ18O記錄的對比及周期分析揭示，太陽活動引起的太陽輻射變化和北半球高緯氣候狀況共同影響著亞洲季風(fēng)的變化，ENSO活動及氣候系統(tǒng)內(nèi)部的相互作用也對東亞夏季風(fēng)降水產(chǎn)生重要的影響。

石筍；δ18O；氣候變化；夏季風(fēng)降水；全新世；馬溝洞

河南省地處黃河中下游地區(qū)，在地形、氣候、水系、植被等地理要素方面具有東西過渡、南北兼具的特征（李中軒等，2013），特殊的地理位置一方面導(dǎo)致這一地區(qū)對氣候敏感響應(yīng)，另一方面也成為中原文明的核心區(qū)域。該區(qū)域過去氣候和環(huán)境變化的研究既有助于深刻認(rèn)識東亞季風(fēng)氣候?qū)ξ覈鴸|部平原地區(qū)的影響，也可為查明中原文明演替與氣候變化的關(guān)系提供重要的環(huán)境變化信息。洞穴石筍由于具有可精確定年、高分辨率采樣、沉積時間跨度大、后期沒有擾動等諸多優(yōu)勢，已成為古氣候研究的重要載體之一（馬樂等，2015）。目前有關(guān)河南地區(qū)石筍研究較少，已報道的石筍研究主要集中在豫西山地丘陵區(qū)，例如欒川縣的東石崖洞、老母洞、雞冠洞，南陽伏牛山地區(qū)的南陽洞穴。這些研究中有關(guān)洞穴監(jiān)測、洞穴滴水及現(xiàn)代沉積物微量元素記 錄研究較多（馬睿，2013；任小鳳等，2014；趙景耀等，2014），石筍氧、碳同位素研究較少，且研究時段主要集中在早全新世。任曉輝等（2006）通過對南陽洞石筍碳、氧同位素記錄進(jìn)行對比研究，確認(rèn)了研究區(qū)6115 — 4544 a BP期間發(fā)生了3次弱季風(fēng)事件，其中5350 — 5080 a BP、4770 — 4640 a BP弱季風(fēng)事件可與格陵蘭冰芯記錄的降溫事件相對應(yīng)，認(rèn)為亞洲季風(fēng)在百年尺度上與高緯極地氣候變化存在遙相關(guān)。Cai et al（2008）研究發(fā)現(xiàn)東石崖洞DSY09記錄的早全新世11.5 — 9.0 ka BP 8次百年 — 十年尺度弱季風(fēng)事件與格陵蘭冷事件在測年誤差內(nèi)一致，進(jìn)而指出東亞季風(fēng)強(qiáng)度與太陽活動相關(guān)。張銀環(huán)等（2015）通過對老母洞研究發(fā)現(xiàn)在測年誤差范圍內(nèi)LM2石筍δ18O與格陵蘭GRIP冰芯δ18O記錄有著較好的一致變化，并記錄了8.2 ka、9.5 ka、10.2 ka、10.9 ka弱季風(fēng)事件，認(rèn)為早全新世亞洲季風(fēng)的演化與太陽活動變化引起的太陽輻射能量的變化和北半球高緯氣候的變化狀況有關(guān)。

本文基于河南禹州馬溝洞石筍230Th定年結(jié)果和δ18O測試數(shù)據(jù)，建立了該地區(qū)13.1 — 4.9 ka BP（相對于1950 a AD）時段石筍δ18O的高分辨率時間序列，結(jié)合已有石筍δ18O記錄，探討早中全新世區(qū)域降水變化的特點和機(jī)理，并在此基礎(chǔ)上討論了文明演替與氣候變化的可能聯(lián)系。

1 研究區(qū)域和石筍樣品

馬溝洞（113°23′E，34°19′N，海拔422 m）位于河南省許昌市下轄的禹州市馬溝村（圖1），距離鄭州市區(qū)西南約50 km。馬溝洞地處豫西山地丘陵區(qū)向黃淮海平原區(qū)的過渡地帶，發(fā)育于禹州市北部具茨山系奧陶紀(jì)灰?guī)r地層中，上覆巖層厚約20 m，洞外植被以灌草為主。區(qū)域氣候?qū)儆谂瘻貛Ъ撅L(fēng)氣候，主要受高緯冷高壓南下的冷干氣流（冬季風(fēng)）和來自印度-太平洋的暖濕氣流（夏季風(fēng)）交替影響。冬季寒冷少雨雪，春季干旱多風(fēng)沙，夏季炎熱而降雨集中，秋季晴和氣爽且日照充足。年平均降雨量為705.6 mm左右，各季節(jié)降水量分布懸殊，6 — 9月雨水最為集中，平均為439.9 mm，占年平均降水量的62.3%（數(shù)據(jù)來自許昌1971 — 2000年資料統(tǒng)計）。歷年年均氣溫在13.0 — 16.0℃，年平均無霜期為218天。該洞穴被采石場采石發(fā)現(xiàn)之前是一個封閉的洞穴，沒有開放的洞口。雖然在洞口炸開后沒有進(jìn)行洞穴環(huán)境監(jiān)測，但可以認(rèn)為該洞穴的溫度變化基本響應(yīng)于地表年均溫的變化，洞內(nèi)濕度接近飽和狀態(tài)，應(yīng)十分適合古氣候重建研究。

所研究石筍樣品編號分別為MG-1、MG-40（圖2）。石筍MG-1總長度約260 mm。該石筍沿生長軸剖開并進(jìn)行剖光后可見清晰的生長紋層，其中距頂部148 — 260 mm段生長軸多次發(fā)生改變，195 — 260 mm紋層致密，生長速度緩慢。MG-1采樣時斷開，分別標(biāo)號為MG-1A、MG-1B。MG-1A頂部缺失，顏色為黃色，紋層清晰，整體上紋層較稀疏，生長速度快。MG-1B整體上淡黃色、棕色相間，66 — 100 mm段和148 — 260 mm段為淡黃色。石筍MG-40總長度約40 mm，整體呈暗黃—棕色，樣品下部18 mm出現(xiàn)多條明顯的沉積間斷，最下部8 mm為基座部分，土黃—白條紋相間，表明碎屑質(zhì)的顯著增多。

圖1 馬溝洞地理位置示意圖Fig.1 Geographical location of Magou Cave

圖2 馬溝洞石筍（MG-1、MG-40）剖面圖及年代、測年樣點位置以及年齡-深度模式圖（黑點表示測年點位置；黑色橫線為誤差）Fig.2 The fi gures of the polished sections with position of dating samples and the age-depth model of the two stalagmites (MG-1, MG-40) from Magou Cave

2 實驗分析方法與結(jié)果

在石筍拋光面上確定測年點位置后，沿著生長紋層方向用0.5 mm牙鉆共取得24個測年樣品，單個樣品質(zhì)量約為70 — 120 mg。年代樣品在西安交通大學(xué)全球環(huán)境變化研究院U-系年代學(xué)實驗室測試完成，測試儀器為MC-ICP-MS Neptune，鈾釷化學(xué)分離使用Edwards et al（1987）建立的化學(xué)流程，儀器測試使用Cheng et al（2013）建立的測試方法，年齡誤差（2σ）≤1%，測試結(jié)果見表1。年代標(biāo)尺采用線性插值方法，對于測年點以外部分的年代，使用鄰近部分的沉積速率進(jìn)行外推計算。

表1 馬溝洞石筍230Th測年結(jié)果Tab.1230Th dating results of stalagmites in Magou Cave

如表1、圖2所示，除MG1B-3S和MG40-1232Th相對較高導(dǎo)致年代誤差較大外（分別為±168、±784），其余樣品點測年誤差均為±28 — ±80。盡管MG1B-3S和MG40-1兩個樣品誤差較大，但所測樣品年齡均按沉積先后序列正常排列，沒有出現(xiàn)年齡倒轉(zhuǎn)。同時對疑似沉積間斷的兩側(cè)做了年代測定，認(rèn)為不存在沉積間斷，或沉積間斷的時間很短，并不影響本文相關(guān)的氣候變化討論。本文通過對相鄰實測年代點進(jìn)行線性等間距內(nèi)插與外延，建立了石筍剖面13.1— 4.9 ka BP年代框架。MG-40生長較慢，13.1— 9.8 ka BP和9.8— 7.1 ka BP生長速率分別為1.5 μm · a-1、6.3 μm · a-1；MG-1總體生長較快，10.3— 8.6 ka BP和8.6— 4.9 ka BP生長速率分別為4.7 μm · a-1、58.6 μm · a-1。圖2為兩個石筍的年代模式圖，顯示兩個石筍在開始沉積時速率較慢，隨后增大并基本保持不變。

本文石筍碳、氧同位素樣品使用Micro-mill微取樣裝置采取。石筍MG-40的采樣間距為50 μm，MG-1A在0 — 3.6 mm的采樣間距為50 μm，其他樣品的采樣間距均為150 μm。MG-40、MG-1A、MG-1B分別采取439個、381個和1168個子樣品進(jìn)行碳氧同位素組成分析。碳、氧同位素分析測試全部在中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所洞穴實驗室完成。分析方法采用磷酸法（McCrea，1950），分析儀器為IsoPrime100穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀，在分析測試時每10個同位素樣品內(nèi)插一個標(biāo)準(zhǔn)NBS-19，使用已知同位素組成的高純CO2氣體為參考?xì)?，?（Rsample/Rstd-1）×1000，其中R=18O /16O，δ值相對于PDB標(biāo)準(zhǔn)給出，分析誤差（2σ）≤± 0.08‰。

圖3為馬溝洞石筍MG-1和MG-40δ18O變化的時間序列。石筍MG-1涵蓋的5479年內(nèi)共測試碳氧同位素1168對，平均分辨率約4.7年。整個δ18O序列沒有明顯的變化趨勢，δ18O值的變化范圍為-12.7‰ — -9.2‰，平均值為-10.5‰，波動幅度達(dá)3.5‰。石筍MG-40涵蓋的6075年內(nèi)共測試碳氧同位素439對，平均分辨率約14年。δ18O值的變化范圍為-11.9‰ — -8.4‰，平均值為-10.4‰，波動幅度達(dá)3.5‰。與δ18O的變化相比，兩個石筍δ13C的高頻大幅波動變化并不明顯，僅表現(xiàn)出長期變化趨勢。

圖3 馬溝洞石筍（MG-1、MG-40）氧、碳同位素序列（上圖）及相同時段（10.37 — 7.06 ka BP）兩支石筍氧、碳同位素序列重復(fù)性對比圖（下圖）MG-1氧、碳同位素序列分別用紅色和綠色線條表示，MG-40氧、碳同位素序列分別用藍(lán)色和紫色線條表示。Fig.3 Theδ18O andδ13C time series of the two stalagmites (MG-1, MG-40) of Magou Cave (top panel), and comparisons of theδ18O andδ13C profi les during the overlapped time period (10.37 — 7.06 ka BP) (lower panel)Theδ18O andδ13C time series of the stalagmite MG-1 are shown by the red and green lines, respectively. Theδ18O andδ13C time series of the stalagmite MG-40 are shown by the blue and purple lines, respectively.

3 討論

3.1 石筍碳酸鹽δ18O的氣候意義

應(yīng)用石筍氧同位素組成重建古氣候和古環(huán)境變化的前提條件之一就是石筍碳酸鹽在平衡條件下沉積。重復(fù)性檢驗是目前洞穴石筍研究的主要檢驗準(zhǔn)則。重復(fù)性檢驗的內(nèi)容就是不同石筍樣本相同時段的δ18O如果能夠重復(fù)，那么這些石筍樣本沉積時受到動力分餾作用的影響就很小或可以忽略不計，石筍碳酸鹽δ18O就可以用作古環(huán)境重建（Dorale et al，1998；Wang et al，2001)，反之，石筍碳酸鹽δ18O的古氣候和古環(huán)境解譯就需慎重。本論文研究的MG-1和MG-40在相同時段內(nèi)（10.37— 7.06 ka BP），盡管因測年誤差和樣點分辨率不同，δ18O記錄在部分細(xì)節(jié)上存在差異，如8.25— 8.0 ka BP、9.2—9.0 ka BP階段，δ18O記錄的峰谷存在些許偏差，但總體上MG-1和MG-40在這一時段能夠較好地對應(yīng)(圖3)。除此之外，石筍MG-40的δ18O也和東石崖洞石筍δ18O記錄在重疊時段具有一致的變化趨勢和特征。這些證據(jù)說明馬溝洞石筍是在同位素平衡分餾狀態(tài)下沉積的，其δ18O變化能夠真實地記錄氣候和環(huán)境變化信息。

在平衡條件下沉積的石筍碳酸鹽，其δ18O值受滴水的δ18O和洞穴溫度的共同影響。馬溝洞石筍碳酸鹽δ18O由冰消期至早全新世的變化幅度為3.5‰，且早中全新世的波動幅度最大也可達(dá)2.5‰。僅用溫度的變化很難解釋這么大振幅的δ18O的變化，因為洞穴滴水與碳酸鹽之間的氧同位素組成分餾的溫度效應(yīng)很小，只有-0.23‰ ·℃-1（Kim and O'Neil，1997），而早中全新世中國東部的溫度變化也不會超過3℃（溫度變化造成的碳酸鹽δ18O的波動不會超過0.75‰）。因此，石筍碳酸鹽δ18O的變化主要反映滴水的δ18O變化，也就是降水同位素組成的變化。鄰近的鄭州氣象站（1985— 1992年）器測降水資料（圖4）表明，夏季風(fēng)控制期間（6— 9月）δ18O值偏輕，平均值約為-7.4‰，且夏季降水量約占全年降水量的62.3%，夏季風(fēng)強(qiáng)弱變化引起的降水量變化就成為影響區(qū)域降水δ18O組分的主要因素，因為夏季季風(fēng)降水量的變化或者其引起的夏季降水和冬季降水的比值的變化，均能導(dǎo)致年均大氣降水δ18O的顯著變化。盡管溫度是影響冬春季節(jié)大氣降水δ18O的主控因子（Johnson and Ingram，2004），但由于洞穴滴水-碳酸鹽的溫控分餾大體上抵消大氣溫度對降水δ18O的影響（Johnson et al，2006），因此溫度變化的影響較小，這里不做討論。綜合上述的分析，可以認(rèn)為馬溝洞石筍碳酸鹽δ18O變化主要指示了季風(fēng)降水的變化，δ18O值減小，季風(fēng)降水增加，δ18O值增加，季風(fēng)降水減少。

圖4 鄭州市1985 — 1992年月均降水量、月均溫與大汽降水δ18O值對比Fig.4 Monthly average precipitation, temperature and precipitationδ18O during 1985 — 1992 in Zhengzhou

3.2 石筍δ18O記錄的早中全新世區(qū)域氣候和環(huán)境變化

馬溝洞石筍δ18O序列有以下兩個特點：（1）MG-1δ18O序列在百年至數(shù)十年尺度上變化的振幅大于葫蘆洞和董哥洞。這也與東石崖洞δ18O記錄相類似，可能表明馬溝洞臨近干濕區(qū)分界線（南部濕潤區(qū)和北部半干旱區(qū)），且處于豫西山地丘陵區(qū)向黃淮海平原區(qū)的過渡地帶，對夏季風(fēng)強(qiáng)度變化極其敏感。（2）馬溝洞δ18O值由9 ka BP直至5 ka BP一直未出現(xiàn)明顯偏正的變化趨勢，而董哥洞、和尚洞δ18O記錄顯示在8 — 6 ka BP，石筍碳酸鹽δ18O已經(jīng)開始增加，亞洲季風(fēng)逐漸減弱、夏季風(fēng)降水減少，進(jìn)一步支持了較早發(fā)現(xiàn)的全新世中國中東部地區(qū)東亞夏季風(fēng)降水變化具有不同步性，南部季風(fēng)降水量開始減少的時間較早，北部則較晚（Cai et al，2010），但由于缺失晚全新世數(shù)據(jù)，本文對此不進(jìn)行深入討論。

馬溝洞石筍δ18O記錄，提供了河南地區(qū)13.1 — 4.9 ka BP的氣候變化信息。依據(jù)δ18O變化特征，這一記錄大致可以劃分為13.1 — 11.2 ka BP、11.2 — 9.1 ka BP和9.1 — 4.9 ka BP三個時段。其中13.1 — 11.2 ka BP的年代是根據(jù)沉積速率線性外延得到，其δ18O變化特征及與董哥洞、葫蘆洞的對比（圖5）表明該階段可能對應(yīng)于Aller?d暖期和YD事件，但由于分辨率較低和年代標(biāo)尺的可靠性較低，在此不做詳細(xì)討論。

圖5 馬溝洞石筍δ18O曲線與格陵蘭冰芯δ18O及董哥洞、葫蘆洞、九仙洞、三寶洞和東石崖洞石筍δ18O曲線對比圖Fig.5 The comparison ofδ18O record from Magou Cave (the blue line and the magenta line are 9-point running average) and the NGRIPδ18O record (green, Rasmussen et al, 2006; Vinther et al, 2006) and theδ18O profi les of stalagmites from the Dongge (sea blue, Dykoski et al, 2005; Wang et al, 2005), Hulu (brown, Wang et al, 2001), Jiuxian (light green, Cai et al, 2010), Sanbao (red, Wang et al, 2008), Dongshiya (cyan, Cai et al, 2008) caves in Asian monsoon region

（1）11.2 — 9.1 ka BP，石筍δ18O值由老至新呈現(xiàn)較明顯的減小趨勢，變化范圍-11.43‰ —-9.7‰。該時段石筍δ18O持續(xù)降低指示的夏季風(fēng)加強(qiáng)過程被幾個百年尺度的弱季風(fēng)事件打斷。MG-40δ18O記錄的弱季風(fēng)事件年代中心點為11.2 ka BP、10.6 ka BP、9.8 ka BP和9.1 ka BP，與Cai et al（2008）在東石崖洞記錄中發(fā)現(xiàn)的弱季風(fēng)事件在誤差范圍內(nèi)有很好的對應(yīng)，進(jìn)一步證實了早全新世東亞季風(fēng)氣候的不穩(wěn)定性。

（2）9.1 — 4.9 ka BP，該階段石筍δ18O變化趨勢總體上比較穩(wěn)定，平均值為-10.51‰，其中9.1 — 8.6 ka BP存在長達(dá)約500年的弱季風(fēng)（夏季降水減少）時期。至5 ka BP，δ18O值一直處于較偏負(fù)水平，5 — 4.9 ka BPδ18O逐漸增加，指示了一個季風(fēng)降水減少的事件。此后該石筍停止生長，可能指示了夏季風(fēng)降水的系統(tǒng)性減少。

3.3 YD、9.3 ka、8.2 ka氣候突變事件的區(qū)域特征

已有研究結(jié)果表明（Wang et al，2001；Denton et al，2010），由北大西洋大量淡水的注入引發(fā)的YD事件（12.9 — 11.5 ka BP）是末次冰期向全新世轉(zhuǎn)換、急劇升溫的過程中一次快速降溫事件，該時期東亞地區(qū)出現(xiàn)千年尺度亞洲夏季風(fēng)減弱的狀況。Ma et al（2012）和Liu et al（2013）通過中國中北部石筍（青天洞、苦傈樹洞）230Th和紋層計數(shù)定年基礎(chǔ)上的δ18O記錄，認(rèn)為YD事件開始于約12.9 ka BP，歷經(jīng)約340年，而在11.5 ka BP左右YD事件向早全新世轉(zhuǎn)變在小于20年內(nèi)完成，這在NGRIP冰芯δ18O記錄和葫蘆洞都有體現(xiàn)（圖5）。YD事件時東石崖DSY09石筍出現(xiàn)沉積間斷風(fēng)化層，馬溝洞石筍δ18O值偏正達(dá)-8.5‰，反映了區(qū)域夏季風(fēng)降水減少、氣候較干旱的狀況。

9.3 ka左右事件是一個百年尺度上的顯著弱季風(fēng)事件，已被多數(shù)學(xué)者證實（Fleitmann et al，2003；Dykoski et al，2005；Cheng et al，2012）。Bond事件中記錄有9.4 ka BP冷事件，NGRIP冰芯記錄到該冷事件的時間中心點大致在9.0 ka BP和9.2 ka BP，三寶洞記錄到該冷事件的時間中心點大致在9.1 ka BP和9.3 ka BP，董哥洞、九仙洞記錄到該冷事件的時間中心點大致都在9.1 ka BP，河南地區(qū)東石崖石筍DSY09記錄存在9.2 ka BP和9.4 ka BP弱季風(fēng)事件，馬溝洞MG-40石筍δ18O值也在9.1 ka BP和9.3 ka BP左右快速偏正，這些記錄說明在早全新世9.3 ka BP左右確實存在一個快速震蕩的弱季風(fēng)時期。這一事件可能主要受融冰淡水脈沖作用的影響，發(fā)生冷事件時，北大西洋表層為融冰淡水控制，抑制了北大西洋深水（NADW）的形成，使北大西洋經(jīng)向環(huán)流（AMO）的強(qiáng)度減弱，向北輸送的熱量大為減少，造成北大西洋地區(qū)氣候的變冷和海冰范圍的擴(kuò)大。北大西洋地區(qū)的變冷一方面使得西風(fēng)環(huán)流向南擺動，另一方面通過西伯利亞高壓的加強(qiáng)而增強(qiáng)東亞冬季風(fēng)，進(jìn)而導(dǎo)致東亞夏季風(fēng)的減弱和季風(fēng)降水的減少（Sun et al，2012）。

來自世界各地區(qū)的記錄顯示8.2 ka事件可能是全新世最強(qiáng)的冷干事件。中國南北方石筍δ18O記錄的8.2 ka BP事件與格陵蘭NGRIP冰芯δ18O記錄的8.2 ka事件相一致（圖5），體現(xiàn)了高緯氣候系統(tǒng)與中低緯季風(fēng)之間存在遙相關(guān)關(guān)系。Dong et al（2015）通過分析山西蓮花洞、湖北和尚洞、貴州董哥洞8.2 ka BP事件δ18O變幅，認(rèn)為自北向南δ18O變幅減小說明自北向南干旱程度減輕，馬溝洞8.2 ka BP事件δ18O變幅約為1.9‰，較董哥洞（～0.8‰）變幅增大一倍多，與這種區(qū)域變化特征一致，但筆者認(rèn)為由于區(qū)域氣候等差異存在，中國南北8.2 ka BP事件中石筍碳酸鹽δ18O值的差異是否就指示了不同區(qū)域干旱程度的不同，還需要更多數(shù)據(jù)支持和證實。

3.4 石筍δ18O記錄的全新世大暖期內(nèi)部的氣候波動

施雅風(fēng)等（1992）認(rèn)為中國的大暖期出現(xiàn)于8.5 — 3.0 ka BP，估計大暖期溫度比現(xiàn)今高2℃左右，華北等地可能高3℃，華南僅高1℃。大暖期氣候波動階段可劃分為：（1）8.5 — 7.2 ka BP不穩(wěn)定的溫度波動階段；（2）7.2 — 6 ka BP大暖期中穩(wěn)定的暖濕階段（大暖期的鼎盛期）；（3）6 — 5 ka BP氣候波動劇烈、環(huán)境較差階段；（4）5 — 3 ka BP大暖期結(jié)束時的不穩(wěn)定波動階段。大暖期并不是持續(xù)穩(wěn)定的溫暖濕潤期，期間存在多次氣候波動和低溫干旱事件，這一觀點已得到大多數(shù)學(xué)者證實（施雅風(fēng)等，1992；何元慶和章典，2003；彭曉瑩等，2005）。

圖6顯示全新世大暖期，馬溝洞MG-1石筍δ18O記錄在總體穩(wěn)定背景下，存在多個數(shù)十年尺度的波動變化，最大振幅可達(dá)2‰。根據(jù)波動特征，馬溝洞全新世大暖期的δ18O記錄大致可以分為8.0 — 7.3 ka BP不穩(wěn)定的波動階段、7.3 —6.1 ka BP穩(wěn)定階段、6.1 — 5 ka BP氣候劇烈波動階段等三個階段，大致與施雅風(fēng)等（1992）的劃分相一致。為了凸顯研究區(qū)大暖期出現(xiàn)的氣候事件，將8000 — 4881 a BPδ18O曲線按0.4年進(jìn)行等間距線性內(nèi)插，在此基礎(chǔ)上做50年加權(quán)平均，得到13個弱季風(fēng)時期（從老到新依次命名為WM1—WM13），年代中心點從老到新依次為7.7 ka BP、7.6 ka BP、7.35 ka BP、7.1 ka BP、6.9 ka BP、6.6 ka BP、6.24 ka BP、6.1 ka BP、6.0 ka BP、5.7 ka BP、5.5 ka BP、5.3 ka BP、5.2 ka BP。

圖6 全新世大暖期MG-1δ18O記錄的13次弱季風(fēng)事件Fig.6 The thirteen weak monsoon events (yellow bars, numbered with WM1—WM13) identifi ed in MG-1δ18O record during the Holocene Megathermal

這些夏季風(fēng)減弱時段中，WM1（7637 —7605 a BP）和WM2（7707 — 7671 a BP）時期MG1石筍δ18O值出現(xiàn)強(qiáng)烈偏正，比8.2 ka事件時還偏正0.31‰，指示該時段夏季風(fēng)強(qiáng)度/降水在數(shù)十年尺度上的大幅振蕩。祁連山敦德冰芯δ18O在7.8 — 7.1 ka BP出現(xiàn)三次降溫事件，與MG-1石筍δ18O記錄的不同之處是在7.3 ka BP降溫幅度最大（章新平和姚檀棟，1993）。位于6.1 ka BP、6.0 ka BP的WM4和WM5可能是大暖期鼎盛期向氣候大幅波動、夏季風(fēng)減弱變化的轉(zhuǎn)折點，貴州七星洞石筍δ18O值在6.0 ka BP也呈現(xiàn)出顯著下降（蔡演軍等，2001）。河南伏牛山南坡南陽洞石筍δ18O記錄顯示在5830 — 5720 a BP和5350 — 5080 a BP時段發(fā)生弱季風(fēng)事件（任曉輝等，2006）；內(nèi)蒙古西部阿拉善高原的湖泊沉積物在7 — 5 ka BP，尤其是6.2 ka BP、5.5 ka BP時段，總體孢粉濃度較低，且95%是耐旱生的白刺植物花粉，說明當(dāng)時湖面較低、氣候異常干旱（陳發(fā)虎等，2004）；敦德冰芯δ18O在5.9 ka BP、5.3 ka BP明顯偏負(fù)，出現(xiàn)顯著的降溫事件，這些記錄進(jìn)一步印證了6.1 —5 ka BP是氣候波動劇烈、環(huán)境變化相對較大的階段。

3.5 9.1 — 4.9 ka BP氣候變化的周期特征與驅(qū)動因子

采用REDFIT38功率譜分析軟件(ofac、n50、iwin參數(shù)分別為3.0、2.0、1)對馬溝洞MG-1石筍頂部至198 mm段的δ18O序列（7881 — 4881 a BP，平均分辨率為2 a）進(jìn)行周期分析，在99%置信度水平下通過紅噪聲檢驗的周期有22 a、19 a、8 a、7 a、6 a，在95%置信度水平下通過紅噪聲檢驗的周期有272 a、83 a、36 a、15 a、11 a、10 a、5 a（圖7）。22 a和11 a周期與樹輪Δ14C（大氣中14C的濃度）檢測出來的周期一致，對應(yīng)于太陽黑子活動的22 a周期（Kurths et al，1993），83 a和太陽活動世紀(jì)周期（70 — 100 a的變化周期，Gleissberg周期）吻合。這些檢測出來的周期與亞洲季風(fēng)區(qū)早中全新世其他高分辨率記錄（Cai et al，2008，2010）檢測出的太陽活動周期相一致，說明馬溝洞石筍記錄的短尺度夏季風(fēng)變化與太陽活動密切相關(guān)。5 — 7 a周期成分與現(xiàn)今ENSO活動周期相對應(yīng)。趙景耀等（2014）通過對河南雞冠洞降水-洞穴滴水-洞穴現(xiàn)生碳酸鈣的δ18O變化特征分析，認(rèn)為欒川地區(qū)大氣降水δ18Op對“環(huán)流效應(yīng)”和水汽來源的強(qiáng)弱變化更加敏感，表現(xiàn)為與ENSO循環(huán)的正相關(guān)，可能與降水中不存在顯著的溫度效應(yīng)和雨量效應(yīng)等噪音因素影響有關(guān)，鑒于洞穴碳酸鈣對大氣降水δ18Op的信號具有良好的繼承性，本文支持這一觀點。前人研究表明（李崇銀，1992；王紹武，2001）地處夏季風(fēng)鋒面區(qū)域的華北地區(qū)，夏季降水與ENSO關(guān)系較為明確，El Ni?o年夏季平均降水量一般較少，El Ni?o事件所引起的熱帶和副熱帶大氣環(huán)流的異常，尤其是西太平洋副熱帶高壓的異常是造成華北地區(qū)汛期降水量異常的重要原因之一。另外，通過7881 — 4900 a BP時段馬溝洞石筍MG-1δ18O序列功率譜與大氣Δ14C記錄、NGRIPδ18O序列功率譜對比發(fā)現(xiàn)，MG-1δ18O序列與大氣Δ14C記錄共有的周期有83 a、36 a、22 a，與NGRIPδ18O序列共有的周期為56 a，和大氣Δ14C記錄的59 a周期相近。說明該時段十年至百年尺度上研究區(qū)域夏季風(fēng)變化主要受太陽活動及北半球高緯地區(qū)氣候變化影響，年際尺度上受ENSO影響顯著。

圖7 馬溝洞石筍MG-1δ18O序列功率譜分析結(jié)果（a）及與相同時段（7881 — 4881 a BP）大氣Δ14C記錄（b）、NGRIPδ18O序列（c）功率譜對比Fig.7 Power spectral analysis of the stalagmite MG-1δ18O sequence (a) from Magou Cave and the comparison with the power spectral analyses of atmosphericΔ14C record (b) and the NGRIPδ18O record (c) during the period of 7881 — 4881 a BP

大氣Δ14C的變化與太陽活動變化相聯(lián)系，可以作為太陽活動的代用指標(biāo)（Dykoski et al，2005）。圖8中馬溝洞石筍MG-1δ18O與大氣Δ14C去趨勢曲線在百年尺度上存在相似變化，說明在百年乃至幾十年尺度上太陽活動是亞洲季風(fēng)強(qiáng)度變化的驅(qū)動因素之一。然而，對比還發(fā)現(xiàn)7429 — 7137 a BP和6067 — 5924 a BP兩者存在反相位變化，7429 — 7137 a BP時段最為明顯，這很難用年代誤差來解釋兩者的差異，可能說明這兩個時段內(nèi)石筍MG-1δ18O波動變化與其他氣候影響因素（如高緯地區(qū)氣候變化、ENSO）有關(guān)。

MG-1石筍的δ18O記錄15年加權(quán)平均曲線與格陵蘭NGRIP冰芯δ18O記錄的時間變化序列（圖8），兩者在測年誤差內(nèi)有著較好的一致性，即使在9100 — 7881 a BP石筍MG-1的分辨率較低，但也與冰芯δ18O記錄存在同向變化，說明極地氣溫變化與亞洲夏季風(fēng)之間密切聯(lián)系?？赡艿脑蚴菢O地高緯度氣溫的變化可以導(dǎo)致西伯利亞高壓的強(qiáng)度發(fā)生變化，并進(jìn)而影響冬季風(fēng)的強(qiáng)度。而馬溝洞地區(qū)對冬季風(fēng)強(qiáng)度的變化有比較敏感的響應(yīng)，強(qiáng)盛的冬季風(fēng)使夏季風(fēng)北界南移，同時持續(xù)時間變短。反之，則夏季風(fēng)持續(xù)時間變長，降水增多。

圖8 距今9100 — 4900年馬溝洞石筍MG-1δ18O記錄與格陵蘭NGRIP冰芯δ18O記錄、大氣Δ14C去趨勢曲線對比Fig.8 Comparisons of the MG-1δ18O record (red, the bold line is the weighted average of 15 points) with the detrended atmosphericΔ14C record (green, Stuiver and Braziunas, 1993) and the NGRIPδ18O record (blue, Rasmussen et al, 2006; Vinther et al, 2006) during the period of 9100 — 4900 a BP.

根據(jù)上述周期分析和曲線對比，可知太陽活動引起的太陽輻射變化和北半球高緯氣候狀況共同影響著亞洲季風(fēng)的變化，ENSO活動及氣候系統(tǒng)內(nèi)部的相互作用也對東亞夏季風(fēng)降水產(chǎn)生重要的影響。

3.6 中原地區(qū)新石器文化發(fā)展與區(qū)域氣候和環(huán)境變化的可能聯(lián)系

自然氣候和環(huán)境變遷對古文化和社會發(fā)展的影響是不可忽視的。若自然環(huán)境變化的幅度較大，超出了人類適應(yīng)能力的范圍，環(huán)境變化將可能對文化產(chǎn)生一種抑制作用，有時甚至直接導(dǎo)致文化的衰落（吳文祥和葛全勝，2005）。根據(jù)河南地區(qū)現(xiàn)有考古發(fā)掘及相關(guān)研究（魏書亞和宋國定，1997；王幼平，2014；李開封等，2015），河南地區(qū)早中全新世環(huán)境考古時代主要包括：新石器時代的李家溝文化時期（10500 — 8600 cal a BP）、裴李崗文化時期（8500 — 7000 cal a BP）、仰韶文化時期（7000 — 5000 cal a BP）和龍山文化時期（5000 — 4000 cal a BP）（由于文化過渡期問題，不同文化遺存時代上也有交錯現(xiàn)象，本文中不同文化的斷代以李開封等（2015）最新數(shù)據(jù)為準(zhǔn)）。

7.3ka BP處于河南地區(qū)裴李崗文化與仰韶文化的過渡期，氣候由不穩(wěn)定的波動階段轉(zhuǎn)向相對穩(wěn)定的暖濕階段，同時7200 — 6000 a BP仰韶文化在北方地區(qū)雨后春筍般地涌現(xiàn)期（吳文祥和葛全勝，2005）與馬溝洞石筍MG-1δ18O記錄的7.3 —6.1 ka BP穩(wěn)定的暖濕階段相對應(yīng)，這可能說明相對穩(wěn)定且適宜的氣候和環(huán)境條件為仰韶文化在中原地區(qū)及中國北方地區(qū)的繁榮和發(fā)展提供了良好的環(huán)境背景，促進(jìn)了仰韶文化的發(fā)展和繁榮。

4 結(jié)論

（1）基于河南省禹州市馬溝洞2支石筍（MG-1與MG-40）24個230Th年齡和1988個氧同位素數(shù)據(jù)，建立了研究區(qū)13.1 — 4.9 ka BP期間分辨率為2 — 14 a的石筍氧同位素時間序列。MG-1和MG-40在相同時段內(nèi)（10.37 — 7.06 ka BP）變化基本一致，且與周邊洞穴石筍記錄可以對比，滿足重復(fù)性檢驗，表明馬溝洞石筍是在同位素平衡分餾狀態(tài)下沉積的。馬溝洞石筍碳酸鹽δ18O變化主要指示了季風(fēng)降水的變化，溫度變化的影響較小。

（2）馬溝洞石筍δ18O記錄了11.2 — 9.1 ka BP區(qū)域季風(fēng)降水在波動中逐漸增加，9.1 — 4.9 ka BP季風(fēng)降水顯著波動但無明顯長期趨勢的演變過程。YD事件、9.3 ka事件、8.2 ka事件記錄與其他石筍δ18O記錄的一致性揭示末次冰消期百年—千年尺度氣候突變事件的大范圍存在和共同的驅(qū)動因子。MG-1石筍δ18O記錄的13個數(shù)十年尺度的弱季風(fēng)事件支持了大暖期并不是持續(xù)穩(wěn)定的溫暖濕潤期，期間存在多次降水波動事件這一觀點。

（3）在7881 — 4900 a BP時段，馬溝洞石筍MG-1δ18O序列與大氣Δ14C記錄共有的周期有83 a、36 a、22 a，與NGRIPδ18O序列共有的周期為56 a，同時MG-1δ18O序列存在5 — 7 a顯著周期，而且9100 — 4881 a BP時間段MG-1δ18O記錄與大氣Δ14C去趨勢曲線變化大體一致、與格陵蘭NGRIP冰芯δ18O記錄的時間變化序列吻合性也較好，這表明太陽活動引起的太陽輻射變化和北半球高緯氣候狀況共同影響著亞洲季風(fēng)的變化，ENSO活動及氣候系統(tǒng)內(nèi)部的相互作用也對東亞夏季風(fēng)降水產(chǎn)生重要的影響。

（4）仰韶文化繁榮期（7200 a BP — 6000 a BP）與馬溝洞石筍MG-1δ18O記錄的7.3 — 6.1 ka BP穩(wěn)定的暖濕階段相對應(yīng)，這可能說明相對穩(wěn)定且適宜的氣候和環(huán)境條件為仰韶文化在中原地區(qū)及中國北方地區(qū)的繁榮和發(fā)展提供了良好的環(huán)境背景，促進(jìn)了仰韶文化的發(fā)展和繁榮。

致謝:感謝中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所周杰同學(xué)在圖形繪制方面給予的幫助。

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Early to mid-Holocene paleoclimatic changes recorded by the stalagmites from the Magou Cave, Henan Province

MAO Ruixue1,2, CAI Yanjun1,3, MA Le1, CHENG Xing1,2
(1. State Key Laboratory of Loess and Quaternary Geology, Institute of Earth Environment, Chinese Academy of Sciences, Xi'an 710061, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3. Institute of Global Environmental Change, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710054, China)

Background, aim, and scopeHenan Province, located in central China, is dominated by monsoonal climate, and has been regarded as the core region of Chinese ancient civilization. Stalagmite has advantages of absolute and high-precision chronology and abundant proxy indexes, and has been widely used to decipher the changes of Asian summer in the past. However, there are few stalagmite records obtained from this region till now and all of them are located in the hilly area of west Henan Province. Here, we present a high-resolution and precisely dated stalagmiteδ18O records attained from two stalagmites (MG-1 and MG-40) from Magou Cave, northern Henan Province, Central China. We reconstruct the history of monsoon precipitation during early to mid Holocene, characterize the climate instability of the Holocene Megathermal and investigate the possible driving forces and dynamics of the Asian Summer Monsoon (ASM) in the study region. We also examine the possible links existed between civilization succession and climate change.Materials and methodsTwo calcite stalagmites, MG-1 and MG-40, have been analyzed in this study. Stalagmite MG-1 is ～26 cm in height and ～9 cm in diameter,and MG-40 is ～4 cm in height and ～8 cm in diameter. We halved these two stalagmites using diamond wire saw. Twenty-four subsamples were drilled parallel to the growth plane using a hand-held carbide dental drill, and were dated with U-series methods on a plasma sourced multi-collector mass spectrometry (MC-ICP-MS) at the Institute of Global Environmental Change, Xi'an Jiaotong University. The chemical procedure is similar to that described in Edwards et al (1987), and the details on instrumental approaches were explained in Cheng et al (2013). Here we use a linear interpolation to establish the chronology, and extrapolate the ages for the portions outside the U-series dates using the growth rate of adjacent segments. Subsamples for stable isotope analysis were collected with a high resolution computer-controlled micro-milling equipment (Micro-mill). A total of 1988 oxygen and carbon isotopic values were obtained on an IsoPrime100 mass spectrometer equipped with the Dual-inlet and connected to the MultiPrep systems in the Institute of Earth Environment, Chinese Academy of Sciences. International standard NBS-19 and inter-laboratory standard TTB1 were run every 10 to 15 samples and arbitrary selected duplicates were run every 10 to 20 samples to check for homogeneity and reproducibility. All oxygen isotopic values are reported inδnotation, the per mil deviation relative to the Vienna Pee Dee Belemnite (VPDB) standard. The standard results show that the precision ofδ18O analysis is better than 0.08‰ (2σ).ResultsAll230Th dates are all in stratigraphic order and it appears that MG-1 and MG-40 grew continuously throughout this period. The calculated growth rate of stalagmites MG-1 and MG-40 varied from 4.7 μm · a-1to 58.6 μm · a-1and from 1.5 μm · a-1to 6.3 μm · a-1respectively. The growth rates of both stalagmites are similar in general, they are relatively low during the early Holocene, then increasing and holding steady. The 1988 isotopic data obtained generate a 2 — 14 years resolution to the oxygen isotope profi le during the 13.1 — 4.9 ka BP. A careful examination of the time-series of speleothemδ18O ratios fi nds that theδ18O of stalagmite MG-1 fluctuated around -10.5‰ (mean value) from 9.1 to 4.9 ka BP, varying from -12.7‰ to -9.2‰. Theδ18O of stalagmite MG-40 fl uctuated around -10.4‰ (mean value) from 11.1 to 7.1 ka BP, varying from -11.9‰ to -8.4‰. The Magouδ18O profile can be divided into three periods: (1) 13.1 — 11.2 ka BP, which possible correspond to Aller?d Warming and Younger Dryas; (2) a gradual increasing precipitation interval between 11.2 — 9.1 ka BP; and (3) a relatively stable interval between 9.1 —4.9 ka BP. Theδ18O value fl uctuated around -10.51‰ (mean value) from 9.1 to 4.9 ka BP, corresponding to the Holocene Megathermal.DiscussionBased on instrumental observations (winter precipitation accounts for only ～37.7% of the amount of annual precipitation in this region) and previous stalagmite studies in this region and southern China, we interpret the stalagmiteδ18O from Magou Cave as a qualitative proxy of ASM precipitation, with heavier values indicating a weak ASM and less summer monsoon precipitation, and vice versa. The Younger Dryas, 9.3 ka and 8.2 ka events can be identified in the Magouδ18O profile and are in good agreement with other speleothem records from Asian monsoon regions. Thirteen signifi cant weak monsoon events on centennial to decadal timescales were singled out within the period of 8.0 —4.9 ka BP. The comparisons between MG-1δ18O record and atmosphericΔ14C record and the NGRIPδ18O record (during the period of 9.1 — 4.9 ka), and the spectrum analysis reveal largely consistent changes among these records.ConclusionsThe occurrence of Younger Dryas, 9.3 ka and 8.2 ka events in the Magouδ18O profile are in good agreement with other speleothem records from Asian monsoon regions, suggesting that these abrupt events have affected the vast monsoon regions at least in East Asian and South Asia. Thirteen signifi cant centennial-decadal weak monsoon events identifi ed within the period of 8.0 — 4.9 ka BP, confi rm the instability of monsoon climate during the Holocene Megathermal. The concordance of MG-1δ18O record and atmosphericΔ14C record and the NGRIPδ18O record (during the period of 9.1 — 4.9 ka), as well as the spectrum analysis, reveal that not only did both changes in solar radiation and climatic changes at high northern latitude affect the Asian summer monsoon variations during the Holocene, bout also ENSO and the internal interaction of climate sub-systems have signifi cant impacts on East Asian summer monsoon changes. We notethat the fl ourishing of the Yangshao Culture at the central China during the 7200 — 6000 a BP was coincident with the relatively stable warm-humid climate within the Holocene Megathermal. It is then not implausible that the climate optimum plays an important role in the development of earlier civilizations (e.g., Yangshao Culture).Recommendations and perspectivesThis paper provides a new high resolution stalagmite record for palaeoenvironment and environmental archaeological research of Henan Province from early to mid-Holocene.

stalagmite;δ18O ; climate change; summer monsoon precipitation; Holocene; Magou Cave

CAI Yanjun, E-mail: yanjun_cai@ieecas.cn

10.7515/JEE201603004

2016-01-06；錄用日期：2016-04-04

Received Date:2016-01-06;Accepted Date:2016-04-04

中國科學(xué)院重點部署項目（KZZD-EW-04）；國家自然科學(xué)基金項目（41271229）

Foundation Item:Key Deployment Project of Chinese Academy of Sciences (KZZD-EW-04); National Natural Science Foundation of China (41271229)

蔡演軍，E-mail: yanjun_cai@ieecas.cn