湖泊科学   2019, Vol. 31 Issue (6): 1758-1769.  DOI: 10.18307/2019.0618.
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研究论文

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游爱华, 薛积彬, 谢露华, 程嵘, 魏志强, 钟巍, 海南东部小海潟湖沉积物地球化学特征及对古台风活动的指示. 湖泊科学, 2019, 31(6): 1758-1769. DOI: 10.18307/2019.0618.
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YOU Aihua, XUE Jibin, XIE Luhua, CHENG Rong, WEI Zhiqiang, ZHONG Wei. Geochemical characteristics of sediments in the Xiaohai lagoon (Eastern Hainan) and implications for the paleo-typhoon activities. Journal of Lake Sciences, 2019, 31(6): 1758-1769. DOI: 10.18307/2019.0618.
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基金项目

国家自然科学基金面上项目(41671194)和华南师范大学研究生创新计划项目联合资助

作者简介

游爱华(1992~), 女, 硕士研究生; E-mail:2016022023@m.scnu.edu.cn

通信作者

薛积彬, E-mail:jbxue@scnu.edu.cn

文章历史

2019-02-28 收稿
2019-05-07 收修改稿

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海南东部小海潟湖沉积物地球化学特征及对古台风活动的指示
游爱华1 , 薛积彬1 , 谢露华2 , 程嵘1 , 魏志强1 , 钟巍1     
(1: 华南师范大学地理科学学院, 广州 510631)
(2: 中国科学院广州地球化学研究所, 广州 510640)
摘要:为探讨海南东部历史时期的气候环境变化,2015年于海南岛东海岸小海潟湖中采集了一根长73 cm的柱状样(XH15-02),在年代学(210Pb和AMS14C)测试的基础上,开展了多环境代用指标(总有机碳(TOC)、总氮(TN)、有机碳稳定同位素、干密度等)的测试和分析.结果表明,XH15-02柱状样TOC与TN含量有很好的相关性,C/N比值在10.41~23.33之间变化,有机碳稳定同位素(δ13Corg)值在-25.14‰~-23.29‰之间.通过对多气候环境代用指标的分析,以及与历史文献资料和其他自然代用指标的综合比对,认为XH15-02孔岩芯沉积记录了研究区过去1100多年来较为丰富的气候环境、台风活动以及人类活动影响等信息.近千年来,小海潟湖沉积有机物主要以陆源输入为主,据估算该岩芯有机碳陆生来源约占47.00%~73.43%,但在不同时期变化幅度较大,该陆源有机碳含量变化可能主要反映了历史时期海南东部地区的干湿变化历史;自1850年以来,XH15-02孔岩芯沉积通量的显著增加与当地人口的快速增长历史一致,反映了研究区近二百年来可能受到的人类对自然界的开发活动影响强烈;多个具有显著偏正δ13Corg记录的时期同史料记载以及周边区域地质记录中的"大风"、"海溢"、"风暴"等事件发生时间较为相近,可能揭示了历史时期的台风或高海平面事件,进而认为小海潟湖沉积在重建历史时期海南地区台风活动等方面具有很大潜力.
关键词小海潟湖    有机碳同位素    人类活动    强台风    
Geochemical characteristics of sediments in the Xiaohai lagoon (Eastern Hainan) and implications for the paleo-typhoon activities
YOU Aihua1 , XUE Jibin1 , XIE Luhua2 , CHENG Rong1 , WEI Zhiqiang1 , ZHONG Wei1     
(1: School of Geographical Sciences, South China Normal University, Guangzhou 510631, P. R. China)
(2: Guangzhou Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, P. R. China)
Abstract: Coastal lagoons with small catchment influenced both by seawater and river inflow, are highly sensitive to natural processes and anthropogenic activities, which make it ideal regions to study the paleo-environmental and paleo-climatic changes. To better understand the past climatic and environmental changes of the eastern Hainan Island, a 73 cm-long sediment core (XH15-02 core) was collected from the Xiaohai Lagoon, eastern Hainan Island in January, 2015. 210Pb and AMS14C dates were determined, respectively, and multiple proxies including the total organic carbon (TOC), total nitrogen (TN), organic carbon stable isotopes (δ13Corg), and dry density, were analyzed. In addition, based on the data mentioned above, deposition rate and flux of sediment and organic carbon were calculated, respectively. The results show that there is a good correlation between the content of TOC and TN; the ratios of C/N show remarkable variations ranging from 10.41-23.33, and δ13Corg values vary between -25.14‰ and -23.29‰; and the proportion of terrestrial organic carbon sources vary from 47.00% to 73.43% with some obvious low values during the last 1100 years, the terrestrial organic carbon content may record the precipitation changes in the eastern Hainan during the last millennium. Deposition rate and flux of sediment and organic carbon were relatively steady before 1850s, however, it increased rapidly after 1850s, especially since 1950s. The significant accelerated sedimentation process during the last two hundred years was probably related to the population growth and intensified anthropogenic activities in the Hainan Island at the same period. Based on the analysis of multi-proxies and comparison with the historical literature records and other climatic records from other regions, we assume that the XH15-02 core sediment drilled from the Xiaohai Lagoon may record some high sea level and/or strong typhoon events during the historical period. Especially, our results suggest that the δ13Corg records of XH15-02 core may be a valuable proxy to reconstruct the paleo-typhoon activities during the last millennium.
Keywords: Xiaohai Lagoon    organic carbon stable isotopes    anthropogenic activities    strong typhoons    

海岸带地区是重要的人口集聚地, 也是全球经济发展最有活力的地区, 但自然灾害和人为因素造成的生态环境破坏常给沿海地区造成巨大的损失.正确认识不同区域不同时期的气候环境演变和人类活动对自然过程的改造是探索气候环境变化规律、预测未来可能发生的自然灾害进而规避风险和创造价值的前提, 特别是在当前全球气候变暖的大背景下, 这一问题显得更为重要.潟湖是沿海地区物质沉积的理想场所, 能够滞留外部海水及入湖径流携带的物质[1-2].由于潟湖水动力条件相对河流与海洋而言较弱, 沉积物可以很好地保存下来, 因而潟湖沉积能够很好地记录当时当地的气候水文或人为活动引起的环境变化信息[3-5], 诸如台风、人类活动、河流水量和潟湖口门变化等因素引起的环境变化大都可以从潟湖沉积物中寻得一些踪迹[4-7].

海南省位于中国大陆最南端, 是中国最大且唯一的省级经济特区, 在国家发展战略中的重要地位日益凸显.然而, 海南岛也是我国受热带气旋活动影响最为严重的地区之一.据统计, 近40年来海南平均每年约有7个热带气旋影响、2.4个热带气旋登陆[8], 经常给该地区带来重大社会经济损失和人员伤亡.在当前全球变暖背景下, 影响海南地区的热带气旋活动将会出现何种变化?由于历史上海南岛距离国家政治中心远、经济地位不突出, 历史文献记载较为稀少, 仅近500年来相关记载较为丰富, 因而寻找和利用一些合适的自然载体(如海岸带潟湖沉积物)并从中提取历史时期海南地区的气候环境变化规律和特征就显得尤为必要.海南东部沿海分布了众多的海岸潟湖, 其中, 地处万宁市境内的小海潟湖是海南岛最大的潟湖, 为研究海南地区的气候环境演变、自然灾害以及人类活动影响等提供了良好的研究载体[9-11].目前, 针对小海潟湖的研究主要集中在近百年左右的沉积环境特征与演变[9-11]、环境破坏与工程治理[12-13]、潮汐特征与水位变化[14-15]等方面, 仍缺乏较长时间尺度的环境变化研究.本文拟通过对小海潟湖沉积物中总有机碳(TOC)含量、总氮(TN)含量、C/N比值、有机碳稳定同位素(δ13Corg)、干密度等指标的测试分析, 揭示各地球化学指标可能蕴含的气候环境指示意义, 进而重建该地区历史时期以来的气候环境变化过程.

1 研究区概况

小海潟湖地处海南省万宁市境内(图 1), 属热带季风气候, 年平均气温为24℃, 年平均降雨量为2400 mm左右.该地区在夏秋季节受热带气旋影响频繁, 自1950年以来, 平均每十年有4.7次至少热带风暴级别的热带气旋直接登陆万宁境内, 而台风期间引发的台风增水极值可达1.67 m[16].小海潟湖现代水域面积约为46 km2, 是海南省境内最大的潟湖湾, 呈腹大口小的葫芦状, 海岸类型为典型的沙坝-潟湖海岸.该潟湖发育初期可能由一系列断续岛状沙堤环抱而成, 有多条通道与外海联通[16], 但目前仅有潟湖东北角有一条单一通道与南海相通.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33 ‰左右, 潟湖内的平均盐度由北向南递减, 潟湖潮汐汊道区平均盐度为8.6 ‰ ~31.0 ‰, 由潮汐通道口门至潟湖上游盐度逐渐变小, 涨潮期间盐度大, 落潮期间盐度小[10].自1973年口门北侧修建防沙堤之后, 南沙嘴快速发展使口门不断束窄, 目前口门的宽度只有30 m左右[15].小海潟湖湾内大部分水深在1.0~1.5 m之间, 湖底略向南倾斜, 湾北的盐墩村西北沟槽处和潟湖中心低洼处较深.潟湖四周地势平坦, 仅南面见花岗岩残丘, 如东山岭、后山岭、大长岭等.流域内水系发达, 有多条河流入湖, 如龙头河、龙尾河、东山河、港北河、白石溪等, 原小海潟湖最大的补给径流太阳河已于1972年经人工改道而直流南海, 干流不再入湖[16].

图 1 小海潟湖在海南省的位置(a)与岩芯采样点位置(b)示意图 Fig.1 Study area and the location of sampling site
2 材料与方法

课题组于2015年1月在小海潟湖西南部使用活塞取样器采集了2个柱状样岩芯(XH15-01和XH15-02), 本文主要对XH15-02孔岩芯(18°49′11″N, 110°27′12″E;采样点水深约为1.4 m, 位置见图 1)开展了年代学和多代用指标的实验分析. XH15-02孔岩芯长度为73 cm, 以2 cm间距取样进行总有机碳(TOC)含量、总氮(TN)含量和δ13Corg测定, 以1 cm间距做干密度分析.根据干密度、沉积速率和有机碳测试结果计算该孔岩芯沉积物沉积通量和有机碳沉积通量.对岩芯上部30 cm以1 cm间距取样, 经冷冻干燥、略微研磨后进行210Pb年代测试, 该测试在中国科学院南京地理与湖泊研究所完成.采用恒定比活度模式(Constant Rate of Supply, 简称CRS模式)建立顶部30 cm沉积物年代序列[17].此外, 在距离顶部18、42、57、70 cm处取样进行加速质谱(AMS) 14C年代测试, 由美国BETA实验室完成, 测年误差为±30 a.最后, 使用Bacon软件[18-20]对获得的AMS14C年代结果进行日历年校正.

沉积物TOC、TN和δ13Corg测试的前处理过程[21]大致如下:取适量样品加入5 %浓度的稀盐酸(HCl)去除碳酸盐;用蒸馏水清洗样品, 使其呈中性;之后进行冷冻干燥、研磨至粉末状并过150目筛, 然后取适量样品包入锡舟后放入自动进样器使用英国Isoprime公司生产的稳定同位素质谱仪(Isoprime 100型)连接德国Elementar公司生产的元素分析仪(Vario PYRO cube型)进行分析测试, 测试精度分别为5 %、5 %和0.15 ‰, δ13Corg分析结果采用V-PDB标准, 该测试在中国科学院广州地球化学研究所完成.

3 结果 3.1 年代

因XH15-02孔岩芯的210Pb比活度在距顶部21 cm处基本达到稳定, 故而采用CRS模式建立XH15-02柱状岩芯上部21 cm的年代序列, 其对应年代为1839-2013 AD(图 2a). AMS14C测年结果列于表 1.综合AMS14C和210Pb两种测试结果发现, 距离顶部18 cm处的210Pb年代为1933 AD, 而同一层位的AMS14C年代为1670 AD, 由此确定小海潟湖沉积物的碳库年龄大致为263年.使用Bacon软件[18-20], 选取Marine13作为该年代-深度模型的校正曲线, 对AMS14C测年数据进一步进行碳库校正和日历年校正, 进而建立整个岩芯的沉积年代序列(图 2b).最终结果表明, XH15-02孔岩芯大致记录了过去1100年(910-2013 AD)以来的气候环境变化信息.

图 2 XH15-02孔岩芯年代-深度模型 Fig.2 Age-depth model of the XH15-02 core
表 1 XH15-02孔AMS14C测年结果 Tab. 1 AMS14C dating results of the XH15-02 core
3.2 TOC、TN、C/N、δ13Corg值和干密度

XH15-02孔岩芯TOC、TN、C/N、δ13Corg值和干密度分析结果如图 3所示. XH15-02孔岩芯TOC含量在0.39 % ~1.09 %之间, 整体变幅不大, 但峰谷转换明显, 平均值约为0.71 %, 表层到14 cm深度TOC含量均在0.90 %以上, 在38 cm和40 cm处达到剖面较低值, 分别为0.39 %和0.45 %. XH15-02孔岩芯TN含量在0.03 % ~0.11 %之间, 平均含量约为0.054 %. TOC与TN的相关性系数为0.80(置信水平为0.95), 两者变化基本一致. C/N比值变化介于10.41~23.33之间, 平均值约为16.08, 由表层到34 cm处变化比较频繁, 由36 cm至岩芯底部变化比较稳定, 但在46 cm和62 cm处C/N比值较高, 分别达到22.78和20.07. δ13Corg值变化范围为-25.14 ‰ ~-23.29 ‰, 平均值约为-24.30 ‰, 在44 cm和62 cm处分别达到最低值和最高值.干密度值在1.17~2.29 g/cm3之间变化, 平均值约为1.69 g/cm3.

图 3 XH15-02孔岩芯TOC、TN、δ13Corg、C/N和干密度分析结果 Fig.3 Variations of TOC, TN, δ13Corg, C/N ratio and dry density records in XH15-02 core
4 讨论 4.1 小海沉积物中不同来源有机碳所占比例的估算

在湖泊、河口或者三角洲等自然环境系统内, 沉积物来源不同是导致沉积物中有机质C/N比值和δ13Corg不同的直接原因, C/N比值结合δ13Corg是判别物质来源的有效方法[22-25].通常情况下, 典型的海洋藻类C/N比值在3~8之间, 陆生高等植被因富含纤维素, 其C/N比值≥20[26-27], 且陆生C4植物比C3植物的C/N比值更高(图 4)[22]. Milliman等[28]对长江口多支沉积物岩芯的有机物来源进行了研究, 将C/N比值大于12的归为陆源有机物, 小于8的划分为海源有机物.此外, 不同来源的有机质碳稳定同位素组成特征会存在显著差异[29-33], 典型的海洋植物δ13Corg值介于-19 ‰ ~-22 ‰之间, 平均值约为-20 ‰, 典型的陆源C3植物δ13Corg的分布范围介于-35 ‰ ~-20 ‰之间, 平均值约为-27 ‰, C4植物的δ13Corg介于-14 ‰ ~-9 ‰之间, 平均值约为-13 ‰.从XH15-02孔柱状样的C/N比值(10.41~23.33)和δ13Corg(-25.14 ‰ ~-23.29 ‰)(图 4)的分布可以看出, 小海潟湖沉积物中的有机质应该是由海源和陆源混合而成的.

图 4 XH15-02孔岩芯δ13Corg和C/N比值(图中黑点所示)与典型海洋和陆生植被δ13Corg和C/N比值分布范围[22]的比较 Fig.4 C/N ratio and δ13Corg values in the sediment of XH15-02 core, and in comparison with typical values of marine and lacustrine algae and land plants[22]

不同来源(海源或陆源)的有机碳所占比例的估算则相对较为复杂, 大多借助于沉积物C/N比值或者δ13Corg来做估算[34-36].运用Wu等[36]提出的经验公式(利用沉积物δ13Corg估算陆源和海源有机碳占比)计算了XH15-02柱状样中有机物的陆源有机碳占总有机碳的比例, 结果如图 5所示.从图 5可以看出, XH15-02岩芯沉积陆源有机碳占总有机碳的比例最多的年份可达73.4 %, 占比最小的年份约为47 %, 平均而言, XH15-02岩芯中陆源有机碳占60 %左右, 海源有机碳约占40 %.此外, 本文也尝试利用C/N比值法[34-35]估算了XH15-02柱状样中的陆源有机碳占比, 发现依据该方法估算得到的陆源有机碳含量占比较根据同位素方法[36]重建的结果变幅偏大, 个别年份甚至超过了100 %.相较C/N比值法而言, Wu等[36]采用的经验公式利用的是沉积物δ13Corg, 因同位素不易受粒度、生物活动等的影响, 重建的结果似乎更为合理[37].总的来看, 近千年来, 小海沉积物中有机碳来源表现出明显的波动变化, 陆源有机碳占总有机碳比例最大的时期约在1061 AD前后, 海源有机碳来源占比最大的时期约为1520 AD.值得指出的是, 在1350-1850 AD期间, 小海潟湖沉积物中陆源有机碳占比总体上偏低(图 5), 可能与小冰期(Little Ice Age)[38]期间研究区降水有所减少有关.

图 5 XH15-02孔岩芯多气候环境代用指标的对比 Fig.5 Comparison of multi-proxies records of the XH15-02 core

大量研究表明, 流域内植被的生长或者覆盖状况主要受气温、降水或相对湿度的影响. Li等[39]基于孢粉数据定量重建了中国北方地区过去2200年以来的气温和降水变化, 结果显示, 在过去2200年中中国北方地区的气温变化幅度在2℃以内;Ge等[40]重建的中国过去2000年的气温序列也显示, 近2000年的气温变化幅度很小;即便在温差相对较大的冬季, 中国东部的平均温度变化也在3℃以内[41].小海潟湖地处我国热带北缘, 年均温在24℃以上, 热量充足, 多年气温变幅相对较小.考虑到近2000年来中国不同地区已有的气温重建记录变幅以及海南小海所处的地理位置, 该地区在过去千年期间的气温变化幅度应该不大, 应不足以显著改变(减少)植被的生长或覆盖状况, 因而, XH15-02孔岩芯陆源有机碳含量在1350-1850 AD(小冰期期间)表现出的相对低值很可能主要受当地降水变化影响, 即该时期降水量有所减少, 导致流域内地表植被生产力(覆盖度)降低, 从而使得随河流搬运入湖的陆源有机碳含量减少.实际上, 与小冰期期间陆源有机碳含量的低值相对应, 该时期岩芯的干密度指标(图 5)和同一钻孔>63 μm的砂含量[42]均表现为相对高值, 支持前述的分析.由此认为, XH15-02孔岩芯陆源有机碳含量变化很可能反映了海南东部地区过去千年的降水变化, 即在陆源有机碳含量高值期, 降水相对丰富, 而在陆源有机碳含量较低的时期, 降水相对减少.

4.2 小海西南部沉积物沉积通量和有机碳沉积通量变化

图 6可知, 小海西南部沉积物的沉积通量与有机碳沉积通量变化非常一致.具体来看, 1850年之前, 沉积物沉积通量范围为0.305~2.633 g/(cm2·a), 平均值为0.931 g/(cm2·a),有机碳沉积通量范围为0.002~0.012 g/(cm2·a), 平均值为0.005 g/(cm2·a), 二者都比较小且保持稳定, 仅在1423-1454 AD期间表现为明显峰值;1850年之后两者波动变化比较大(分别介于1.302~13.830和0.009~0.087 g/(cm2·a)之间, 平均值分别为5.01和0.040 g/(cm2·a), 其中沉积物沉积通量在约1878-1892 AD和1926-1931 AD期间表现为明显峰值, 1950s以后两者均表现为显著上升趋势, 表明这些时期潟湖西南部沉积物质的大量增加.这种沉积特征的明显变化除了可能与自然因素(诸如台风、洪水事件等)有关之外, 可能与近200年来海南地区人口数量的增加以及随之而来的人类活动对自然界的影响逐渐增强具有很大关系.

图 6 XH15-02孔岩芯沉积通量、有机碳沉积通量与万宁市人口变化[44]的对比 Fig.6 Comparison of the sediment fluxes and organic carbon sediment fluxes of the XH15-02 core with the population of Wanning City[44]

XH15-02孔岩芯沉积通量变化在1850年之后的持续上升过程中有两个明显的峰值期, 结合史料记载[43]分析认为, 1926-1931 AD时期较高的沉积速率、沉积物和有机碳沉积通量可能与该时期较为频繁的台风活动及其带来的强降水有关.有资料记载[43], 1933年, 万宁“11月1、2、3、4日(九月十四、十五、十六、十七), 大雨滂沱, 至5日(九月十八)晨, 忽吹飓风, 县城各机关屋宇、县政府、县中学等吹塌, 民房十之八九倒塌;附城第一区平地水深五六尺, 多日未退, 禾谷初受风灾, 继被水淹, 民众牲畜杂物水冲溺毙不知凡几”;该记载与前述沉积通量峰值出现的时间(约1931年)相近.在约1926-1931 AD时期, 沉积物沉积通量为高值, 同一钻孔的粉砂含量[42]也表现为高值.根据《中国海湾志·第十一分册(海南省海湾)》[16]的研究认为, 小海潟湖泥沙大致有3个来源, 分别是来源于东岸沙坝由风力吹扬和雨水冲刷而来的坝上泥沙、潮流由北部通道携带来的泥沙以及陆地径流在雨季特别是洪水季节携带而来的泥沙.考虑到XH15-02孔岩芯采样点位于小海潟湖的西南部, 距离东部沙坝海岸和东北部的口门较远, 且该潟湖最大的补给径流太阳河也是从潟湖西南部入湖, 在台风强降水期间由河流搬运而来的陆源物质大量增加可能是导致这一时期沉积通量以及有机碳沉积通量显著增加的重要原因.另一个沉积通量峰值期大约出现于1878-1892 AD时期, 此时陆源有机碳输入占比和有机碳含量均有显著增加(图 5).通常沉积物的快速沉积可能与台风、洪水等事件有关, 但查阅史料文献[43]并没有发现关于该时期该地区旱灾、风灾或者洪水发生的记载, 反而是查阅海南省各县县志[44]发现该时期各地人口普遍有显著增加, 据此推测, 1878-1892 AD时期的快速沉积可能与该时期海南地区人口大量增加进而人类活动开发强度增强有关. 1818年以前, 万宁市人口数量相对较少, 之后人口显著增加(图 6).人口数量的多少直接关系到自然资源的开发程度、利用方式和规模大小, 对自然环境的改造程度加强会影响到土壤侵蚀和植被破坏程度, 使得径流可携带的物质增加, 进而使得沉积物沉积通量和有机碳沉积通量都随之增加, 同一时期XH15-02孔岩芯中>63 μm的砂含量[42]也较高.因而, 岩芯沉积物沉积速率和沉积通量及有机碳沉积通量在1850年之前都比较小且稳定, 可能与该时期人口数量较少从而对自然环境的影响较弱有关, 而1850年之后沉积物沉积通量及其波动幅度均变大, 可能主要与同时期以万宁为代表的海南各地区人口显著增加有关(图 6).此外, 自20世纪50年代特别是80年代末以来, 沉积物沉积通量和有机碳沉积通量也均呈现出快速上升的趋势, C/N比值下降、TOC、TN含量显著增加, 这种快速上升在海南东南部的新村潟湖等其他海岸潟湖中也均有体现[4, 45], 可能与该时期的人类耕作、水产养殖、城镇建设等人类活动增强有关[46].

4.3 小海沉积物对历史时期强台风活动的可能指示意义

海岸潟湖沉积物δ13C值已被成功用来识别台风(飓风)活动. Lambert等[47]以1717AD的“Pénicaut's Storm”为例, 分析了飓风时期Shelby湖有机质碳、氮同位素的变化特征, 认为有机碳、氮同位素显著偏正能够指示强飓风带来的海水侵入, 并据此提取了该地区过去682年的灾害性飓风信息. Das等[7]也曾根据海岸地区沉积物中偏正的碳同位素值与典型海洋物质输入增加的关系, 识别出地化元素中隐藏的飓风/海啸事件, 重建了佛罗里达州西北海岸近4000年来的台风/海啸变化过程.实际上, 在台风(飓风)期间, 台风会带来大量降水, 使得湖泊水量骤增, 大量水流入海或者台风引起的高海浪猛烈冲刷口门, 导致湖泊与外部水体交换通道扩大, 随之入湖潮流增加.入湖海水的增加会带来更多的营养物质, 使潟湖环境更适宜海洋藻类的生长, 随海水增加而带来的大量无机碳使植物光合作用中的无机碳源增加, 分馏过程中碳同位素偏重, 因而海水的增加能够使潟湖沉积物δ13Corg值偏正[47].前已述及, XH15-02孔岩芯沉积物δ13Corg值在多个时期明显增大, 海源有机碳占比显著增加, 表明这些时期小海潟湖更加偏向海洋生态环境.由图 5中δ13C值变化序列以及据δ13C值推算的陆源有机碳占比可知, 大约在1025、1115、1254、1366、1423、1441、1520、1571、1669、1820、1933 AD等时期, XH15-02孔岩芯沉积物δ13C值较为偏正、陆源有机碳占比偏少(海源有机碳占比增加), 可能意味着这些时期曾发生过能够引起海洋来水显著增加的活动或事件(如台风活动或海平面升高), 尤其是上述多个时期与历史文献记载中的海南东部地区一些“大风”、“海溢”、“飓大作”等灾害事件的记载时间较为接近.举例来说, 如1520 AD前后δ13C值最高, 海源有机碳占比最多, 就可能是由于这一时期入湖海水水量显著增加造成.根据史料记载[43], 1524 AD海南东部“万州大风, 海溢数十里”(明代时, 万宁称万州), 考虑到沉积岩芯的年代误差, 该事件可能与岩芯记录的1520 AD前后高δ13C值期相对应.史料记载中“海溢”现象多是由大风(史料中尚没有“台风”的说法, 多记为“大风”、“飓风”)活动造成, 大风天气给当地带来大量降水, 导致流域内洪水快速入湖, 而潟湖水体因受海水顶托, 短时间内无法将大量来水排出, 与此同时, 大量水流从潟湖排出将加大对口门通道的冲刷使得口门通道的淤积减少, 这又会反过来进一步增加入湖的海水量.入湖海水的增加会带来更多海源物质, 使潟湖环境更适宜海洋藻类的生长, 增加的盐分使植物光合作用中的无机碳源增加, 当植物以溶解性碳酸氢盐为碳源时, 分馏过程中碳同位素更偏重[48], 因而增加的海水输入使δ13Corg值更偏正.据此有理由推测, 1520 AD前后δ13C值显著偏正可能意味着该时期潟湖受海水影响增加、潟湖偏向海洋环境, 可能与该时期台风活动频繁有关.将XH15-02孔岩芯沉积δ13Corg值记录所揭示的偏海洋生态环境变化的时期与史料记载[43]作进一步的对比分析, δ13C值偏正的1423 AD前后与大风(台风)活动引起海水涨溢的1423 AD琼州(与万宁相距仅数十公里)“海水涌溢”记载时间相近;δ13Corg值偏正的1571、1820 AD前后分别与1572 AD万州“大飓风, 海水溢”、1818 AD万州“飓大作, 海水涨溢”的时间相近, 1933 AD前后海南也遭遇了严重的台风强降水灾害.此外, δ13C值偏正的1025 AD前后与袭击西沙东岛的1024 AD前后的超强台风[49]发生时间相近;1064±30、1336±9 AD南海周边地区也曾发生了大的风暴/海啸[50], 在时间上基本能够与XH15-02岩芯δ13Corg值偏正的1115±30、1366±30 AD时期相对应;δ13C值偏正的1441 AD前后与南海珊瑚块记录的1443±9年的强风暴/海啸[50]时期相近.有点特别地是, 在大约1254 AD前后, 小海沉积物δ13Corg值较其他时期的δ13Corg值更为偏正, 但在史料记载或其他文献中并未发现该时期海南或南海地区有台风或者海啸发生的记录.聂宝符等[51]曾报道雷州半岛南端高于现代海平面的最年轻的一个原生珊瑚礁的14C年代值为1170 a BP, 转化为日历年龄约为700 cal.a BP[52], 即1250 AD, 这与本文中XH15-02孔岩芯δ13Corg值显著偏正的1254 AD前后非常相近, 可能意味着1254 AD前后XH15-02孔岩芯的δ13Corg高值期很可能与该时期南海海平面阶段性升高有关.考虑到岩芯沉积的年代误差, 上述δ13Corg值显著偏正的时期与历史文献记载以及其他地质载体记录的台风或风暴、海啸事件以及阶段性高海平面发生时期较为吻合, 表明小海潟湖沉积物在重建历史时期海南地区的台风或风暴活动等方面具有很大潜力.

5 结论

对采集于海南东部小海潟湖的XH15-02柱状岩芯进行了210Pb和AMS14C测年, 开展了TOC、TN、δ13Corg等环境代用指标的测试, 探讨了该柱状岩芯沉积物有机地球化学特征及其可能的气候环境指示意义, 进而揭示了近千年以来小海潟湖及其周边地区的气候环境变化及历史时期的台风活动信息.结果表明, XH15-02孔岩芯沉积物中有机质为混合来源, 主要以陆生C3植物和海洋藻类组成, 有机碳多数时期以陆源输入为主, 陆源有机碳含量在1350-1850 AD(小冰期)期间占比相对较少, 这很可能与小冰期期间海南地区降水有所减少进而导致流域地表植被生产力或覆盖度降低有关. XH15-02孔岩芯沉积通量和有机碳沉积通量在1850年之前较小且较为稳定, 在1850年之后两者均快速增加, 可能与近千年来海南地区人口数量的变化历史尤其是近两百年来人口迅速增加导致人类活动对自然环境的开发、影响增强具有很大关系.通过对比分析XH15-02孔岩芯沉积记录和海南地区史料记载以及南海周边其他地质沉积记录发现, δ13Corg值显著偏正时期与历史文献记载的海南地区多个台风(史料中多称为“大风”、“飓风”)频发时期非常相近, 与来自南海多个岛屿湖泊或潟湖的地质沉积记录的风暴/海啸事件发生时间也较为接近, 表明小海潟湖沉积物在重建历史时期海南地区的台风或风暴活动等方面具有很大潜力, 该潟湖沉积δ13Corg可以作为重建历史时期海南地区台风活动的重要替代指标.

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