貴州雷公坪山地沼澤泥炭年代學(xué)和沉積速率研究

張 輝，李 松，司云云，劉 蕊，羅 璇，何嚴(yán)華

(1.貴州師范學(xué)院，貴州 貴陽 550018；2.貴州大學(xué)，貴州 貴陽 550025；3.貴州省流域地理國(guó)情監(jiān)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽 550018)

1 緒論

泥炭沼澤是濕地生態(tài)系統(tǒng)中的比較特殊的種類型，與其它濕地生態(tài)類型最終要的差別是有大量的有機(jī)物質(zhì)積累，沉積形成具有一定厚度的黑色泥炭層。人們對(duì)泥炭沼澤的關(guān)注和研究有著較為悠久的歷史，早在兩千年前的古羅馬時(shí)代就有關(guān)于開采泥炭用于燃料的記錄(陳槐 等，2021)。上世紀(jì)70年代，由于全球能源危機(jī)的產(chǎn)生，人們對(duì)泥炭的開發(fā)利用研究重點(diǎn)在于泥炭資源化的利用，但隨著近代科學(xué)的發(fā)展，尤其是人們對(duì)可持續(xù)發(fā)展理念的不斷深入理解，越來越認(rèn)識(shí)到泥炭沼澤濕地對(duì)于地球生態(tài)環(huán)境的重要意義，于是人們對(duì)泥炭沼澤開發(fā)利用轉(zhuǎn)為保護(hù)和建設(shè)(陶發(fā)祥，1996；王華 等，2003)。隨著全球氣候變化加劇，帶給了人們對(duì)未來氣候變化的擔(dān)憂，而探求未來氣候變化的趨勢(shì)必須要更好的對(duì)過去地球氣候變化有著清晰的認(rèn)識(shí)，因此，當(dāng)今氣候變化研究的一個(gè)熱點(diǎn)是通過多種研究手段力求探明地球過去千萬年的氣候變化情況。而在眾多的古氣候環(huán)境演變研究載體中，泥炭無疑是一種良好的古氣候地質(zhì)信息載體。

以泥炭為載體進(jìn)行古氣候環(huán)境研究具有較為悠久的歷史，早在1876年人們就通過對(duì)泥炭地層的發(fā)育情況和泥炭層中的生物遺存狀況來推斷過去的氣候狀況。相比于其他的古氣候環(huán)境演變研究載體而言，泥炭具有經(jīng)濟(jì)易得、沉積連續(xù)性好、時(shí)間尺度較長(zhǎng)和古氣候環(huán)境代用指標(biāo)較為廣泛等優(yōu)勢(shì)，是一種優(yōu)良的古氣候環(huán)境演變研究載體。尤其是山地泥炭沼澤中的泥炭由于海拔拔較高，受人為影響較小，其形成和發(fā)育完全是受到當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境變化影響，能夠更為準(zhǔn)確的記錄下當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境變化信息，因此備受第四紀(jì)研究學(xué)者的重視。(張愈 等，2015)通過對(duì)浙江千畝田山地泥炭沼澤的研究表明該區(qū)泥炭沉積始于4 ka左右，期間經(jīng)歷多個(gè)氣候變化周期；李遠(yuǎn)平 等(2017)通過大九湖泥炭植硅體研究，對(duì)大九湖泥炭沼澤地13 ka以來的古水位變化進(jìn)行了還原，反演出該區(qū)域的全新世以來的氣候變化過程。全明英(2019年)通過對(duì)貴州東部梵凈山地區(qū)山地泥炭研究表明該地泥炭形成于11 ka，以孢粉為環(huán)境代用指標(biāo)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域氣候11 ka以來經(jīng)過了五個(gè)冷暖干濕周期變化。

貴州地處我國(guó)西南地區(qū)，獨(dú)特的地理位置使其處于冬季風(fēng)和夏季西南季風(fēng)、東南季風(fēng)的共同影響，是氣候變化的敏感地區(qū)。因此，在貴州地區(qū)尋找山地泥炭沼澤地、通過對(duì)其進(jìn)行年代學(xué)和沉積學(xué)的研究，能夠?qū)υ谠搮^(qū)域進(jìn)行以山地泥炭為載體的古氣研究有著重要的意義。近期對(duì)貴州山地泥炭沼澤調(diào)查過程中，在貴州東南地區(qū)雷公山國(guó)家自然保護(hù)區(qū)雷公坪發(fā)現(xiàn)近面積約20公頃的山地泥炭沼澤。經(jīng)實(shí)地探勘表明，該地泥炭沉積厚度大、沉積連續(xù)，受人為擾動(dòng)小，是難得的泥炭古氣候環(huán)境演變研究載體。本研究旨在探明雷公坪泥炭沉積年代學(xué)問題，通過沉積速率初步探究其形成過程并嘗試推斷該區(qū)古氣候演變情況。

2 研究區(qū)域概況及采樣

3 實(shí)驗(yàn)方法及結(jié)果

14C測(cè)年方法是美國(guó)物理學(xué)家Libby于1949年創(chuàng)造出來的(Libby WF et al，1949)。其原理是有機(jī)體內(nèi)的碳元素會(huì)隨著物體死亡而停止與外界進(jìn)行物質(zhì)交換，于是體內(nèi)所含的14C就會(huì)隨著時(shí)間的變化按照指數(shù)規(guī)律進(jìn)行衰減，通過測(cè)試有機(jī)體中的現(xiàn)存14C含量，經(jīng)過計(jì)算便可以推算出有機(jī)體停止碳元素交換的那一時(shí)刻，即為該有機(jī)體死亡的時(shí)刻。14C測(cè)年技術(shù)的出現(xiàn)，改變了根據(jù)觀察和經(jīng)驗(yàn)判斷有機(jī)物形成年代的方法，在考古學(xué)中，尤其是在沒有文字記載的古物年齡斷代上，得到廣泛應(yīng)用。隨著科技的發(fā)展，14C測(cè)年手段也不斷進(jìn)行優(yōu)化，歷經(jīng)了固體法、氣體計(jì)數(shù)法、液體計(jì)數(shù)法，尤其是在上世界八十年代出現(xiàn)的加速器質(zhì)譜(AMS)14C測(cè)年方法，更是達(dá)到了前所未有的定年精度和廣度(Bard E，1988)。相較于傳統(tǒng)的14C測(cè)年方法，AMS14C測(cè)年所需樣品少，測(cè)試樣品材料可以為木炭、貝殼、泥炭、淤泥、植物炭纖維素等等，極大的拓展了14C測(cè)年的應(yīng)用范圍。

由于科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，在地球地質(zhì)不同歷史時(shí)期，由于受到太陽活動(dòng)、宇宙環(huán)境、地球氣候變化及海平面升降等因素的影響，大氣中含有的14C的濃度也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變，因此會(huì)導(dǎo)致在14C測(cè)年過程中出現(xiàn)年齡計(jì)算結(jié)果偏差。如果要消除這種偏差，就必須得到不同時(shí)期大氣中14C的濃度，在計(jì)算年齡的過程中加以校正。由于樹木、珊瑚等動(dòng)植物在生長(zhǎng)過程中具有年輪生長(zhǎng)特性，因此就可以根據(jù)測(cè)量此類現(xiàn)生動(dòng)植物體內(nèi)在不同生長(zhǎng)時(shí)期年輪上的14C濃度，經(jīng)過數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算后可以得到相應(yīng)的14C年代校正曲線。目前國(guó)際上14C測(cè)年采用的最新北半球14C年代校正曲線為INTCAL13(Reimer PJ et al，2013)。

雷公坪泥炭年代學(xué)測(cè)試由美國(guó)BETA實(shí)驗(yàn)室完成，年代校正曲線采用的是INTCAL13，測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 雷公坪泥炭年代學(xué)測(cè)試結(jié)果Table 1 Tested results of peat chronology in Leigongping

4 討論

4.1 年代學(xué)

根據(jù)表1和圖1可以看出，雷公坪泥炭測(cè)年結(jié)果顯示泥炭年齡沒有出現(xiàn)倒置，說明此處剖面泥炭沉積較好，未受到外部因素?cái)_動(dòng)，基本上呈現(xiàn)出自然沉積狀態(tài)，在年齡上呈現(xiàn)出下老上新的正常沉積序列。底部樣品LGP-150的年齡為13 360±40 a B.P.，其時(shí)代為晚更新世晚期，因此可以基本上可以確定，雷公坪泥炭主要是全新世這一時(shí)間段的產(chǎn)物。現(xiàn)有研究表明我國(guó)泥炭發(fā)育主要分為四個(gè)發(fā)育期：新近紀(jì)、早更新世、晚更新世和全新世(文雪峰 等，2012)。其中，全新世泥炭發(fā)育最為廣泛，通常認(rèn)為這一時(shí)期氣候更加適泥炭發(fā)育，是我國(guó)淺表性泥炭的主要成炭期(陳槐 等，2021)。在我國(guó)泥炭研究較為深入的四川若爾蓋地區(qū)(Hong YT et al，2005；劉利娟 等，2018)、湖北大九湖(李遠(yuǎn)平 等，2017)、福建仙山(雷國(guó)良 等，2014)等地區(qū)的淺表泥炭，雖然開始沉積時(shí)間和年代跨度上有所差別，但基本上全新世時(shí)期發(fā)育的泥炭都占到主導(dǎo)地位。貴州地區(qū)泥炭研究較為全面的是草海地區(qū)，雖然其泥炭發(fā)育由多個(gè)層次，但沉積厚度最大、發(fā)育程度最好的仍是全新世時(shí)期泥炭。近些年通過貴州龍里地區(qū)、梵凈山地區(qū)山地泥炭研究表明，貴州山地泥炭在全新世早期開始發(fā)育，其發(fā)育過程涵蓋整個(gè)全新世(林樹基 等，1984；喬玉樓，1994；全明英，2019)。其中在貴州中部龍里地區(qū)，山地泥炭開始發(fā)育于8 820 a B.P.左右，貴州東部梵凈山九龍池沉積剖面上有機(jī)質(zhì)開始明顯積累始于10 472 a B.P.左右，而根據(jù)雷公坪泥炭剖面年代深度-模式換算結(jié)果表明，在剖面深度140 cm處泥炭開始豐富積累時(shí)的年代應(yīng)為12 261 a B.P.，其時(shí)代明顯要早于九龍池。通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，雷公坪和九龍池均為高山盆地沼澤沉積，但由于雷公坪海拔高度相較于九龍池2 200 m的海拔高度低近400 m，且雷公坪緯度相較于九龍池低近1.5°左右，因此可以初略估算雷公坪同時(shí)期平均溫度相較于九龍池高3℃左右，因此泥炭發(fā)育時(shí)間雷公坪早于九龍池是不同海拔和緯度在同種氣候條件下影響的必然結(jié)果。

圖1 雷公坪泥炭年代-深度模式圖Fig.1 Age-depth model of Leigongping peat

4.2 沉積速率

本文雷公坪泥炭沉積速率計(jì)算公式為

r=h/t

式中：r為沉積速率，cm/ka；h泥炭沉積厚度，cm；t為沉積時(shí)間，ka。

通過計(jì)算表明(圖2)，雷公坪泥炭在上部沉積速率最大，為23.81 cm·ka-1；中部沉積速率為14.46 cm·ka-1；下部沉積速率最小，為9.10 cm·ka-1；其平均沉積速率為11.23 cm·ka-1。相較于貴州草海泥炭和梵凈山九龍池沉積速率均在30 cm·ka-1以上來說，雷公坪泥炭沉積速率相對(duì)較慢，但與貴州中部龍里草原泥炭(12.47 cm·ka-1)和湖北大九湖泥炭(14.16 cm·ka-1)沉積速率較為相似。雖然在不同地區(qū)泥炭沉積速率不一致，但總體上仍處在一個(gè)數(shù)量級(jí)上，說明不同區(qū)域泥炭沉積都是一個(gè)較為緩慢穩(wěn)定的過程。通過圖1可以看出，雷公坪泥炭沉積年代與剖面深度呈現(xiàn)出較好的線性關(guān)系，說明雷公坪泥炭沉積過程較為穩(wěn)定，未出現(xiàn)較大沉積過程突變。雷公坪泥炭沉積速率由下往上逐漸增大，一方面可能是由于泥炭沉積物質(zhì)效率呈現(xiàn)出隨年代變化越來快的趨勢(shì)，另一種原因可能是隨著泥炭剖面深度的增加，泥炭受到的壓實(shí)作用越來越強(qiáng)導(dǎo)致的。通過對(duì)整個(gè)泥炭剖面的觀察可以發(fā)現(xiàn)，下部泥炭呈現(xiàn)出密度大，由下向上剖面泥炭密度越來逐漸變小，也可以說明這個(gè)情況。整個(gè)泥炭剖面從140 cm向上，沉積均為泥炭，未出現(xiàn)砂、礫層，結(jié)合年代學(xué)數(shù)據(jù)可以說明雷公坪泥炭是晚更新世晚期一直延續(xù)整個(gè)全新世的連續(xù)沉積的泥炭。

圖2 雷公坪泥炭沉積速率圖Fig.2 Sedimentary rate of Leigongping peat

4.3 古氣候

相關(guān)研究表明，湖泊、沼澤中沉積物中的有機(jī)碳同位素是一個(gè)很好的氣候環(huán)境代用指標(biāo)，可以很好的反映沉積物中有機(jī)質(zhì)的來源、沉積區(qū)域的植被變化等情況(陶發(fā)祥 等，1996；張輝 等，2012；雷國(guó)良 等，2014)。根據(jù)表1可知，雷公坪泥炭在底部、中部和上部的三個(gè)泥炭有機(jī)碳同位素δ13C分別為-27.5‰、-28.8‰、-28.5‰，說明在該泥炭區(qū)域植被以C3植被為主，與現(xiàn)階段雷公坪植被多為苔蘚較為類似，說明整個(gè)泥炭沉積過程中氣候較為暖濕。三個(gè)階段同位素值對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，在雷公坪泥炭沉積的早期，氣候環(huán)境應(yīng)該比后來更加暖濕，而后氣候變化逐漸趨于穩(wěn)定。這也與草海泥炭和梵凈山九龍池所反映的貴州地區(qū)全新世氣候總體趨勢(shì)較為一致。

5 結(jié)論

通過研究表明，貴州東南部雷公坪泥炭沉積開始于13 ka左右，沉積速率為11.23 cm·ka-1，整個(gè)泥炭沉積過程雖然較為緩慢，但沉積連續(xù)且沉積過程貫穿整個(gè)全新世，是研究該區(qū)域全新世古氣候環(huán)境演變的良好載體。通過泥炭剖面底部、中部和上部三個(gè)測(cè)年點(diǎn)位的有機(jī)碳同位素δ13C測(cè)試結(jié)果表明，該區(qū)域泥炭沉積是暖濕氣候環(huán)境條件下的產(chǎn)物。

由于剖面年代學(xué)控制點(diǎn)位少，整個(gè)泥炭形成過程的年代學(xué)研究還有待深入。泥炭是古氣候環(huán)境記錄的良好載體，含有大量的古氣候環(huán)境演變信息，通過多種氣候環(huán)境代用指標(biāo)對(duì)雷公坪泥炭剖面進(jìn)行細(xì)致研究，可以較為準(zhǔn)確且詳細(xì)的恢復(fù)該區(qū)域古氣候環(huán)境變化特征，這也是下一步相關(guān)研究工作的重點(diǎn)。

致謝：感謝雷山縣方祥鄉(xiāng)村民李建洲為本研究做野外向?qū)Ш烷_挖剖面工作。