粒度指標指示的壩上御道口地區(qū)8 000 a B.P.環(huán)境變化

黃劭康，賈紅娟，武俊葉，張 昊，殷志強

(1.河北地質(zhì)大學資源學院，河北 石家莊 050031；2.河北地質(zhì)大學實驗實踐教學中心，河北 石家莊 050031；3.中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，北京 100081)

河北壩上地區(qū)承擔著“為京津涵水源、阻沙源、提供生態(tài)支撐”的重大歷史使命，是京津冀地區(qū)抵御渾善達克沙地南侵的最后一道防線。壩上地區(qū)位于季風區(qū)與非季風區(qū)交匯帶，對氣候變化非常敏感[1]，可較好地揭示未來可能增溫背景下環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)對氣候變化的響應。近幾十年壩上地區(qū)植被退化、土地沙化、鹽堿化面積不斷增大，草原生態(tài)環(huán)境脆弱，自然濕地萎縮干化為堿灘、沼澤，永久濕地變?yōu)榧竟?jié)性濕地趨勢明顯，水源涵養(yǎng)保障能力弱化，旅游經(jīng)濟受到影響。壩上地區(qū)以人工林為代表的人工植被建設正面臨一個嚴峻問題——土壤干旱化，認識本區(qū)氣候變化對未來增溫背景下采取應對措施有重要意義。

前人對該區(qū)環(huán)境有過一些研究，研究結(jié)果存在較多分歧，最主要的分歧是全新世濕潤期的結(jié)束時間及溫濕匹配。御道口牧場剖面研究顯示此區(qū)6 000 a來經(jīng)歷7次明顯變化[2]，但深150 cm的剖面只有2個年齡控制，7個階段年齡劃分有欠缺。孫建中等[3]研究顯示8 200～5 700 a B.P.為濕潤氣候，5 700～4 600 a B.P.為干冷氣候，4 600～4 000 a B.P.為溫濕氣候，4 000～3 500 a B.P.為冷干環(huán)境，3 500～3 000 a B.P.氣候暖濕, 3 000 a B.P.以來氣候干旱。齊惠慧等[4]對安固里淖的研究結(jié)果表明：8 000～3 200 a B.P.氣候偏濕，3 200～0 a B.P.氣候干旱。邱維理等[5]研究結(jié)果表明6 230～5 300 a B.P.是安固里淖湖面快速下降期，5 300 a B.P.以來湖面波動性下降，此剖面6000年來只有2個年齡。翟秋敏等[6]對安固里淖的研究結(jié)果顯示：7 453～4 617 a B.P.以濕潤氣候為主，但是存在相對干旱的時段(5 137～4 617 a B.P.)；4 617～574 a B.P.以干冷氣候為主；574 a B.P.以來，前期氣候向濕潤方向發(fā)展，但是在383 a B.P.以后又轉(zhuǎn)為干旱。另外同一剖面不同代用指標結(jié)果相互矛盾，陽小蘭等[7]研究結(jié)果顯示安固里淖5 000～1 070 a B.P.是氣候相對濕潤階段,中世紀溫暖期(1 070～620 a B.P.)氣候干旱化明顯,小冰期(620～45 a B.P.)干旱化及寒冷程度進一步加劇。劉林敬等[8]對同一剖面的研究結(jié)果則顯示：在5 030～3 070 a B.P.時期氣候相對濕潤；在3 070～1 120 a B.P.期間溫暖指數(shù)逐漸升高，降水減少；1 120～800 a B.P.期間，較高的溫暖指數(shù)指示氣候相對溫暖，降水量增加；800～270 a B.P.期間，溫暖指數(shù)的顯著降低，降水減少。

綜觀這些研究，發(fā)現(xiàn)造成這些分歧的主要原因是剖面年齡數(shù)據(jù)少、分辨率低，不同研究者利用相同指標或不同指標數(shù)據(jù)解釋存在差異，因此在未來可能增溫的背景下，環(huán)境變化需進一步研究。本研究采用較高分辨率年代數(shù)據(jù)重建了御道口地區(qū)8 000 a B.P.以來的環(huán)境變遷。

1 研究區(qū)概況

圖1 YDK剖面位置Fig.1 Location of YDK section

御道口剖面(YDK剖面：北緯42°07′14.04″東經(jīng)117°00′47.94″，見圖1)位于河北承德市圍場縣西北部的壩上地區(qū)。此區(qū)屬大陸性季風氣候，據(jù)塞罕壩氣象站多年氣象數(shù)據(jù)，1月平均氣溫 -21.76 ℃，7月平均氣溫16.28 ℃；年降水量在 258～652 mm之間。該地區(qū)地貌上屬內(nèi)蒙古高原的東南邊緣與冀西北山地的交匯帶，在地質(zhì)構(gòu)造上為內(nèi)蒙高原背斜面，屬大興安嶺余脈[9]。

2019年5月，在水平方向選擇第四系沉積物，垂直方向以 2.5 cm 間距，共采樣112個。剖面深度及巖性見圖2。

圖2 YDK剖面巖性柱和年代-深度曲線Fig.2 Lithology, age-depth curve of YDK section

2 研究方法

2.1 粒度分析測試

根據(jù)樣品粗細不同稱取0.1～1.5 g放入500 mL干凈燒杯中，加入10 mL 30%的H2O2搖勻。之后靜置1～2 h使其充分反應，去除有機質(zhì)。另加入10 mL 10%的HCl去除樣品中碳酸鹽，靜置12 h后，抽去上層清液備用。加入5～10 mL1 mol/L NaPO3超聲振蕩10 min,用英國Malvern公司Mastersizer3000激光粒度儀分析。為保證實驗精確性，將每個樣品測量時的遮光度都控制在2%～20%之間，并多次進行測量。粒度組分用Grain Analysis 2013-01軟件進行提取[10]。

2.2 年齡分析

剖面年齡標尺由5個AMS14C年齡控制，用全巖沉積物有機質(zhì)進行AMS14C年代測定。測試工作由美國Beta實驗室完成，結(jié)果見表1，并對獲得的年代通過BetaCal3.21:HPD method:INTCAL13進行日歷年校正。

表1 YDK剖面年齡測試結(jié)果

剖面年齡框架通過采用回歸插值法建立(方程為y=177.68e0.014 1x，R2=0.987 3)。校正后YDK剖面年齡跨度范圍184～8 000 cal.a B.P。

3 結(jié)果與分析

3.1 粒度分布曲線

御道口剖面粒度分布曲線主要有a、b兩種類型(圖3)。每種分布圖由不同的粒度組分組成，C1粒徑<2 μm、C2粒徑2～15 μm、C3粒徑15～70 μm、C4粒徑70～700 μm。a類型有C1、C2、C3、C4四種不同的組分；b類型有C2、C3、C4三種不同的組分。

圖3 YDK剖面主要粒度曲線類型及組分Fig.3 The main types and five compoments of grain-size distribution of the YDK section

3.2 各粒級標準偏差

在0.01～3 500.00 μm量程的基礎(chǔ)上，利用對數(shù)劃分方法，分出100個粒級，并計算出每個粒級含量在剖面上的標準偏差，繪制出粒級-標準偏差曲線圖(圖4)。就整體而言，御道口剖面標準偏差曲線圖中有三個峰值，分別在0.2 μm、8 μm、309 μm左右，最突出的峰值是309 μm，表明此組分可較好地指示剖面環(huán)境變化。

圖4 YDK剖面粒級-標準偏差曲線圖Fig.4 Grain size-standard deviation curve of YDK section

3.3 粒度對環(huán)境的指示意義及對環(huán)境變化敏感的粒徑范圍

粒度是沉積物機械組成的一個重要參數(shù)，粒度因其明確的環(huán)境指示意義，成為恢復古氣候、古環(huán)境的重要代用指標之一[11]。不同粒級沉積物和沉降受不同的搬運營力控制，因此實測的沉積物粒度數(shù)據(jù)可按照粒徑區(qū)間進行劃分，反過來作為沉積動力環(huán)境研究的重要依據(jù)。

一般情況下，較強的動力條件能搬運較大顆粒，反之只能搬運細顆粒。風成粉塵的大氣動力學理論計算和實際觀測都表明，幾個微米以下的細粒組分可上升到幾千米以內(nèi)的任一高度作長距離的懸移，高空長距離懸浮是它的主要搬運方式。10～70 μm的粉砂組分則主要以短距離懸移方式搬運，砂和粉砂級粗粒組分(>70 μm)每次起動只能上升到近地表的幾厘米到幾米的高度，并在水平方向上躍移同樣量級的距離，形成風成沙[12]。

剖面沉積物粒徑分布共有4個組分，分別為C1、C2、C3和C4，其中值粒徑范圍，C1粒徑<2 μm，C2粒徑2～15 μm、C3粒徑15～70 μm、C4粒徑70～700 μm。組分C1、C2代表了在流體介質(zhì)中長期懸浮搬運組分和中粒懸浮組分，與湍流強度有關(guān)；C3是粉塵中重力沉降主導的粗粒懸浮組分；C4屬粗粒跳躍組分[13]。C1、C2、C3含量高地面植被好，能捕捉較多的懸浮顆粒，因此反映氣候濕潤；C4含量高說明懸浮顆粒少、跳躍顆粒多，反映地面植被差，指示氣候干旱。

剖面所有樣品同一粒級百分含量的標準偏差可指示該粒級含量的波動強度，標準偏差越大，表明該粒級顆粒含量在整個剖面中的變化幅度越大，可作為指示沉積特征變化的敏感組分[14-15]。整體而言，剖面標準偏差曲線圖中有三個峰值，分別在0.2，8，309 μm左右，最突出的峰值是309 μm，表明此組分可較好地指示剖面環(huán)境變化。剖面粗顆粒含量高，指示風力較大氣候干旱，反之細顆粒含量高，指示風力較小氣候濕潤。

4 御道口地區(qū)8 000 a B.P.環(huán)境變化與區(qū)域?qū)Ρ?/h2>

根據(jù)中值粒徑(Md)、粒級-標準偏差、粒度分布、各粒級百分含量變化可將剖面劃分為三個階段(圖5)：

圖5 御道口YDK剖面沉積物粒度指標特征隨年代的變化Fig.5 Changes of the characteristics of sediment grain index with age in YDK section

第1階段(8 000～6 100 aB.P.)氣候干旱：此時段粒度分布曲線主要為a型，Md值較大，波動較小，<0.87 μm百分含量較少，0.87～45.6 μm和>45.6 μm百分含量較多，各粒級百分含量變化不大。此時段C1、 C3含量少，C2、C4含量高。此時段動力較大，粉塵距源區(qū)較近，風沙活動較強，攜帶較多粗顆粒物質(zhì)造成粒徑較粗，氣候干燥，區(qū)域植被較差。

此時段區(qū)域研究結(jié)果存在較大分歧，孫建中等通過研究壩上地區(qū)賦存的黃土與古土壤，古沙丘與古土壤和湖泊沉積物中的環(huán)境變化信息得出8 200～5 700 a B.P.氣候冷濕潤[3]。安固里淖研究結(jié)果顯示8 000～6 000 a B.P.以森林草原植被為主，氣候濕潤[4]。呼倫湖重建降水量較高(圖6e)[16]。此階段有些記錄結(jié)果相反，達里湖δ13C呈增加趨勢,指示湖區(qū)大氣濕度逐漸降低(圖6g)[17]。三江平原風沙含量8 000～6 200 a B.P.較高，指示相對干旱[18](圖6h)。翁牛特磁化率值低，呈上升趨勢，指示降水量少[19](圖6i)。

圖6 YDK剖面中值粒徑和其他記錄對比Fig.6 Comparison of the Md of this study with other records

第2階段(6 100～1 700 a B.P.)為濕期：此階段粒度分布線類型為a型，與第Ⅰ階段相比，Md減小，為剖面最低階段，且減小的幅度較大，從90～100 μm減小到20 μm左右；<0.87 μm百分含量增加，從2%增長到7%左右;0.87～45.6 μm百分含量增加，為剖面最大階段；>45.6 μm百分含量減小，含量減少了約10%，為剖面最小階段。此時段C1、C2、C3含量高，C4含量低。此時段動力較小，粉塵距源區(qū)較遠，粗顆粒物質(zhì)減少，估計此時段氣候濕潤，區(qū)域植被較好，風沙活動減弱。此時段以3 700 a B.P為界可劃分為兩個亞段，2a比2b小于0.87 μm、C1、C3含量高，Md較小，應該更濕潤。

此時段劉永慧等[2]研究顯示御道口地區(qū)5 692～5 356 a B.P.氣候涼略濕，5 356～4 684 a B.P.氣候特征為涼干，4 684～947 a B.P.氣候變得相對略濕或濕。陽小蘭等[7]研究結(jié)果顯示安固里淖5 000～1 070 a B.P.是氣候相對濕潤階段(圖6d)。孫建中等[3]研究結(jié)果顯示此時段氣候有多次波動，5 700～4 600 a B.P.為干冷氣候，4 600～4 000 a B.P.為溫濕氣候，4 000～3 500 a B.P.為冷干環(huán)境，3 500～3 000 a B.P.氣候暖濕，3 000 a B.P以來干旱。遼西地區(qū) 5 000 a B.P.以來環(huán)境演變顯示此時段喬木含量較高相對濕潤，期間存在氣候波動，5 000～4 400 a B.P.環(huán)境為冷干，4 400～2 750 a B.P環(huán)境以溫暖濕潤為主，2 750～1 200 a B.P.環(huán)境為冷干[20](圖6f)。內(nèi)蒙古呼倫湖定量重建降水量6 100～1 700 a B.P.大部分時間較高，4 400～3 350 a B.P.，湖區(qū)耐旱的藜科植物大量生長，荒漠化十分嚴重，降水和溫度都明顯降低(圖6e)[16]。內(nèi)蒙古達里湖δ13C指示湖區(qū)大氣濕度較高，自高位波動下降[17](圖6g)。三江平原風沙含量 6 200～1 700 a B.P.較低，指示此時段相對濕潤[20](圖6h)。翁牛特6 000～3 900 a B.P.磁化率值高，指示植被覆蓋好，氣候相對濕潤，3 900 a B.P.之后磁化率降低[19](圖6i)。內(nèi)蒙古輝騰錫勒5 390～3 300 a B.P.氣候偏濕，3 300～2 380 a B.P氣候偏干，2 380～1 160 a B.P.氣候涼濕[21]。內(nèi)蒙古巴汗淖湖6 100～3 400 a B.P.氣候溫暖濕潤，3 400～2 700 a B.P.氣候向干旱化方向發(fā)展,2 700 a B.P.以來氣候進一步變干[22]。

盡管有些研究年代相差較遠，但較高分別率研究顯示此時段大部分時間相對濕潤。

第3階段(1 700 a B.P.至今)為干期：Md為剖面最大階段，Md及各粒級百分含量波動明顯，可以分為兩個子階段：

3a階段：(1 700～900 a B.P.)：此時段粒度分布曲線主要為b型，1 700 a B.P. Md迅速增大，由 20 μm 增長到356 μm左右，<0.87 μm百分含量為剖面最低，0.87～45.6 μm由10%下降到3%左右，>45.6 μm百分含量在90%～96%之間，波動幅度不大。此時段C1、C2、C3含量減少，C4含量增加。

3b階段(900 a B.P.至今)：此時段粒度分布曲線主要為a型，Md與上一階段比明顯下降，總體在130 μm～245 μm之間波動。<0.87 μm百分含量仍較低，大部分都在2%以內(nèi)，0.87～45.6 μm和 >45.6 μm 兩個粒級百分含量變化呈負相關(guān)，含量比上一階段增加。此時段C1含量少，C2、C3含量增加，C4高位波動。1 700 a B.P.至今動力較大，粉塵距源區(qū)較近，估計此時段氣候變干，區(qū)域植被較差，風沙活動強。

從區(qū)域研究結(jié)果看雖然年代略有差異但總體來說均顯示此時段干旱。劉永慧等[2]御道口牧場的研究結(jié)果顯示947 a B.P.至今的氣候總體為涼略干。陽小蘭等[7]認為安固里淖1 000 a B.P.以來，干旱程度加劇(圖6d)。遼西地區(qū)1 200 a B.P.～現(xiàn)在環(huán)境干旱[20](圖6f)。內(nèi)蒙古輝騰錫勒1160 a B.P.以來氣候向溫涼偏干轉(zhuǎn)變[21]。呼倫湖最近1 700年里降水先減少后增加，孢粉譜中伴人植物花粉藜科和禾本科同時大量出現(xiàn)，而最近的500年里湖區(qū)氣候逐漸向暖濕的方向發(fā)展[16](圖6e)。藜科孢粉指示干旱，其增長說明氣候變干，御道口剖面900年以來中值粒徑比1 700～900 a B.P.小，說明這一階段是干旱時段里濕度略增階段。達里湖δ13C指示湖區(qū)大氣濕度呈先低后高趨勢(圖6g)和YDK剖面中值粒徑變化趨勢一致。三江平原風沙含量先減少后呈增加趨勢指示氣候逐漸變干。

5 結(jié)論

本文利用5個 AMS14C年齡建立御道口剖面年代框架，根據(jù)112個樣品粒度數(shù)據(jù)，重建了河北壩上御道口地區(qū)8 000 a B.P.以來的古環(huán)境古氣候，并把這 8 000 年分成3個階段：

第一階段：8 000～6 100 a B.P.，此時段中值粒徑較大，細顆粒物百分含量低，粗顆粒百分含量高，各粒級百分含量變化不大。粒度指標指示此時段動力較大，粉塵距源區(qū)較近，風沙活動較強，攜帶較多粗顆粒物質(zhì)造成粒徑較粗，估計此時段氣候干燥，區(qū)域植被較差。

第二階段：6 100～1 700 a B.P.,此時段中值粒徑值為剖面最小階段，懸浮組分含量高，粗顆粒物質(zhì)減少，指示動力較小，粉塵距源區(qū)較遠，估計此時段氣候濕潤，區(qū)域植被較好，風沙活動減弱。區(qū)域?qū)Ρ冉Y(jié)果看此時段大部分時間濕潤。

第三階段：1 700 a B.P.至今，中值粒徑為剖面最大階段，C4含量高，懸浮顆粒少、跳躍顆粒多，動力較大，粉塵距源區(qū)較近，估計此時段氣候變干，區(qū)域植被較差，風沙活動強。從區(qū)域研究結(jié)果看雖然年代略有差異但總體來說近年來研究結(jié)果顯示氣候趨向于干旱。