（生态学专业论文）云南白水台最近1500年气候环境变迁.pdf

摘要 近2 0 0 0 年气候与环境变化研究在国际地圈一生物圈计划( i g b p ) 中古全球变化计划 ( p a g e s ) 和全球气候研究计划( w c r p ) 中气候变率和可预报性研究( c l i v a ) 中均有特殊重要 性。过去2 0 0 0 年的气候和环境变化研究，要求尽可能高的时间分辨率，在此基础上取得的 气候指标统计基础，才有可能在其中寻找气候和环境变化的信息，以寻求气候演变的规律， 预测术来发展趋势。 本文通过同顾碳氧同位素古环境重建所取得的成果，指出了当前该领域存在的问题。 通过研究指出影响钙华6 ”0 的因素。在前人研究的基础上，初步论述了西南地区氧碳同何 素指标的环境意义。 钙华在重建占环境方面有着自己的优点：分辨率高。钙华沉积速度快，一年可以沉 积1 2 0 m m 。用钙华进行古环境重建研究可以将分辨率提高到年级变化和季节变化。灵敏 度高。钙华中的碳氧同位素蕴涵的古环境信息直接反映的主要是地表的环境信息变化，比 如钙华中的氧同位素反映的古温度可能就是当时地表的温度，而石笋反映的则可能是当地 的年均温度。 钙华的沉积速率一般高于石笋，是石笋沉积速率的1 0 1 0 0 倍，而且，钙华中发育丰富 的徽层，微层厚度及延伸宽度足以进行同位素和微量元素的分析，使得利用钙华进行占气候 环境的研究可达到季一月的高分辨率。本文对一大约7 c m 厚的白水台老钙华样晶进行了加密 碳氧同位索分析。结果发现周期性的6 ”0 的变化。6 0 的低值点在钙华剖面上的对应点的 颜色都为土黄色疏松层，而高值点在钙华剖面上的对应点则为颜色比较暗淡的致密层。因为 黄色的疏松层主要是在夏季形成的，而暗淡色的致密层是在冬季形成的所以我们认为6 ”0 两个相邻高值间即为1 个完整的年层。因此，由钙华剖面上6 ”0 ( 或61 ) 高值点或低值点 数目，即可实现对钙华年层的计数和定年( 假设没有年层的缺失) 。 通过对云南白水台地区钙华剖面进行高精度t i m s u 系测年和氧碳稳定同位素分析，重 建了白水台地区中近1 5 7 0 a 以来高分辨率的古气候演化序列。白水台地区自1 5 7 0 a b p 以来 的气候演化可以分为四个气候阶段：1 ) 1 5 7 0 1 1 2 0 a b p 为温暖湿润到寒冷干燥的快速降温 期，温度- 决速降低，降水减少，而在1 1 2 0 a b p 至1 0 5 2 a b p 气温快速回升。表明该阶段土要 为季风气候衷退期，温度年降水都持续减少，地表植被持续恶化，而1 1 2 0 a b p 后则恢复刮 原来的温暖湿润环境；2 ) 1 0 5 2 a b p 剑钙华山现第一次沉积间断期间为缓速降温期，碳氧同 位素变化趋势显示气温缓慢降低的趋势，生态环境进一步恶化3 ) 钙华两次间断期间为缓慢 升温期。西南季风和东弧季风在这一时期可能开始逐渐强盛，气濡回升，降水有所增加， 生态向良性方向发展；4 ) 钙华最后一次间断到4 0 0 a b p 期间为深部环境巨变时划，深部活 动可能相对于前三个时期出现了人幅度的减弱，导致泉水中深部来源的c 0 2 的含量降低，从 而导致了6 的急剧降低。 关键词：岩溶化学沉积物；氧碳同位素；云南白水台；钙华；气候变化 a b s t r a c t t l eu f f o r m a t i o no fc l i m a t i ca n de n v i r o n m e n t a lc h a n g ei nt h ep a s t2 0 0 0 ai sv e r yi m p o r t a n ti n i n t e m a t i o n a lp r o g r a m ss u c h p a g e s w c r pa n dc l i v a t h ep r o g r a m e sr e q u i r eh i g h e rt i m e r e s o l u t i o ns oa st of i n do u th o wc l i m a t ea n de n v i r o n m e n tc h a n g e ，r e v e a l i n gt h er e g u l a t i o no ft h e c l i m a t ee v o l u t i o n ，t h ed i r e c t i o no ft h ef u t u r ec l i m a t ec h a n g ec o u l db ef o r e c a s t t h i st h e s i sr e v i e w e dt h ea c h i e v e m e n t so fp a l e o e n v i r o n m e n tr e c o n s t r u c t i o no b t a i n e dc a r b o n a n do x y g e ns t a b l ei s o t o p e s ，a n dr a i s e dt h ep r o b l e m se x i s t i n gw i t h i nt h i sf i e l d o nt h eb a s i so f f o m a e rr e s e a r c h ，t h em e a n i n g so fo x y g e n - c a r b o ni s o t o p ea n do r g a n i cc a r b o nc l i m a t ep r o x y i n d e x e si ns o u t h w e s tc h i n aw e r ed i s c u s s e d t r a v e r t i n eo rt u f ah a si t so w na d v a n t a g ei nt h er e c o n s t r u c t i o no fp a l e o c l i m a t i cc h a n g e ：1 1i t h a sh i g h e rd e p o s i t i o nr a t eu pt ol 2 0 m mp e ry e a r w h i c hi n c r e a s et h er e s o l u t i o nt ob es e a s o n a l a n da n n u a l ；2 1t h ei n f o r m a t i o no fp a l e o c l i m a t er e c o r d e db yc a r b o na n do x y g e ni s o t o p e si n t r a v e r t i n er e f l e c t st h ec h a n g e so fr e l a t e de n v i r o n m e n to f 也ee a r t h ss u r f a c e w h e r e a sc a v e s t a l a g m i t er e f l e c t st h ea v e r a g ei n f o r m a t i o no fl o c a la r e a t h ed e p o s i t i o nr a t eo ft r a v e r t i n er e a c h s1 2 0 r n mp e ry e a r ，c o n s i s t i n go fa b u n d a n t m i c r o b a n d i n gl a y e r s ，t h et h i c k n e s sa n dt h ew i d t h o f t h em i c r o - b a n d i n go fs i n g l eb a n da r ee n o u g h f o ra n a l y z i n gs t a b l ei s o t o p e sa n dt r a c ee l e m e n t ss ot h a tw ec a na c h i e v et h eh i 曲e rr e s o l u t i o no f s e a s o no rm o n t hi np a l e o c l i m a t er e c o n s t r u c t i o nw i t ht r a v e r t i n e w eu s e dat r a v e r t i n es a m p l ei n 7 c mt h i c k n e s sf r o mb a i s h u i t a i ，y u n n a np r o v i n c e ，s wc h i n at og e ti s o t o p ed a t ao fc a r b o na n d o x y g e n ，f r o mw h i c hd i s c o v e r e dap e r i o d i cc h a n g eo f 8 i s 0w a sf o u n d ，m o r e o v e rp o i n t so f l o w8 ) 8 0 v a h i ei nt r a v e r t i n ea r ei nk h a k ic o l o rm a dl o o s es t r a t u m m o r e o v e rh i g h6 ”op o i n t si nt r a v e r t i n e a r ei ng r a yc o m p a c tl a y e r t h ek h a k ia n dl o o s el a y e rw a sd e p o s i t e di ns u m m e ra n dt h eg r a y c o m p a c tl a y e ri nw i n t e rt i m e s o t h ep a s tb e t w e e nt w oa d j a c e n th i g h6 ”0r e p r e s e n tac o m p l e t e a n n u a ll a y e r t h et i m es e q u e n c eo fh i g hr e s o l u t i o np a l e o c l i m a t i cc h a n g es i n c et h e1 5 0 0 ab p _ h a sb e e n r e c o n s t r u c t e db yt h eh i g hp r e c i s i o nt i m s us e r i e sd a t i n g sa n dt h ea n a l y s i so fc a r b o na n do x y g e n i s o t o p e so ft h et r a v e r t i n ed e p o s i t e sa tb a i s h u i t a i i tr e v e a l e dt h a tt h ep a l e o c l i m a t i cc h a n g e ss i n c e 1 5 0 0ab pa tb a i s h u i t a ic a nb ed i v i d e di n t of o u rc l i m a t ep e r i o d sa p p r o x i m a t e l y ：1 ) i nt h ef i r s t p e r i o d f r o m1 5 7 0 a b pt o 1 0 5 2 a b p , t e m p e r a t u r ed e c r e a s e dq u i c k l y f o l l o w e d b y s u d d e n t e m p e r a t u r er i s i n g2 ) f r o m1 0 5 2 a b pt ot h et i m eo ff i r s tc l a yl a y e rf o r m a t i o n ，i ti st h es e c o n d c l i m a t ep e r i o d ，w h e nt e m p e r a t u r ed e c r e a s e da g a i nb u ts l o w l y 3 ) i nt h et h i r dp e r i o df r o mt h ef i r s t c l a yl a y e rf o r m a t i o nt ot h es e c o n dc l a yl a y e rf o r m a t i o n ，t e m p e r a t u r ei n c r e a s e ds l o w l y4 ) i nt h e f o r t hp e r i o d ，f r o mt h es e c o n dc l a yl a y e rf o r m a t i o nt o4 0 0 ab p , i ts e e m e ds o m e t h i n gh a p p e n e dt o r e d u c ec 0 2r e l e a s ef r o md e e pe a r t h ，w h i c hm a d ec a r b o ni s o t o p eb em u c hl i g h t e r ( 4 0 ) k e y w o r d s ：k a r s tc h e m i c a ld e p o s i t ；o x y g e n c a r b o ni s o t o p e ；y u n n a n b a i s h u i t a i ；t r a v e r t i n e 6 第一章引言 进入2 0 世纪，在全球经济发展的同时，出现了日益严重的环境问题。寂静的弃天 唤醒了人们的环境意识；9 2 1 世纪议程使人们对环境问题的关注由局部扩展到全球”“： 温室效应、e n s o 等环境灾难使人f f j 对环境问题由一般的关注发展成严重的危机感1 。如今， 人们比以往任何时候都更为迫切地希望了解整个地球环境的行为规律，全球变化问题从此 成为国际科学界瞩目的前沿课题，受到世人的普遍关注。在当今全球变化的研究中，气候一 环境变化及其相关的研究处于十分突山的地位，许多全球变化问题均与气候变化有着密切 的关系。要深入研究气候一环境变化的原因和规律，对未来的全球变化趋势做出科学的预测， 就必须注重环境变迁历史的研究。重建古环境的研究方法有多种：历史文献或者观测记录 都可以作为研究占环境的信息源，但由于受人类历史的限制，这类信息源的时间尺度较短。 人类最长的气象观测记录也只有3 0 0 年。这样，对丁长时间尺度的环境变化研究就必须借 助地质记录。用地质记录研究全球变化，是地质学发展、科技进步和学科交义的结果”。 1 1 全球变化研究的历史 人类在很早就注意到气候一环境的变化，x e n o p h a n e s 早在6 1 4 b c 就提出海陆变迁的思 想。对全球变化的研究可以追溯到1 9 世纪初，受科学发展水平、研究方法和技术手段的制 约，早期的全球变化研究主要是依据地质历史时期所形成的残余信息推断过去环境变化的 历史，对导致全球变化的过程很少涉及，有关成因机制的解释多带有假说性质。随着地质 学的发展，先后建立了一系列研究原理和方法为地质记录研究古环境奠定了理论基础： c h a r l e sl y e l l 发展利完善的均变论，为地质学及过去全球变化研究提供了最基本的原则： g r e s s l y 提出相( f a c ie s ) 的概念在环境状态与状态产物之间建立起联系。在这一时期，l o u i s a g a s s iz 用火冰期理论首次把冰川的进退与全球性的气候变化及生物变化有机地联系起来， 并说明了地球上气候可能变化的程度：a l b r e c h tp e n c k 等提出的四次冰期模式，证明全球 性气候的变化发生过多次。在全球变化的成因方面，m il a n k o v i c h 从大文因素的角度出发对 冰期的形成予以解释。2 0 世纪8 0 年代全球变化的科学概念形成”。 二战以后，随着放射性同位素、稳定同位素以及钻探技术应用于全球变化的研究当中， 解决了绝对年代测定、连续沉积序列的获取等一系列问题，全球变化在研究上获得了一系 列革命性的重人发现。利用地质记录米研究和恢复古气候，探索全球变化规律的研究t 作 已在世界范用内厂泛开展。占环境的研究也取得了重大进展，1 9 4 7 年，h a r o t dw r e y 提 出了深海有孔虫化石壳中氧同位素的变化能够反映气候的变化，并建立了深海沉积物6 0 的曲线来反映过去全球的气候变化，确立了全球变化的海洋模式“”“。随后，通过对黄十一 占十壤序列的研究建立了全球变化的大陆模式”3 ”1 。近年来，通过对冰芯“8 、树轮”】、 湖泊沉积物”3 ”i 、洞穴沉积物“等进行研究，对气候变化事件有了更进一步的认识，为预 测米来的环境变化奠定了基础。 1 2 近2 0 0 0 年古环境研究进展 近2 0 0 0 年气候与环境变化研究在国际地圈一生物圈计划( i g b p ) 中古全球变化计划 ( p a g e s ) 和全球气候研究计划( w c r p ) 中气候变率和可预报性研究( c l i v a ) 中均有特殊重要 性。过去2 0 0 0 年的气候和环境变化研究，要求尽可能高的时间分辨率，在此基础上取得的 气候指标统计基础，才有可能在其中寻找气候和环境变化的信息，以寻求气候演变的规律， 预测未来发展趋势。关于近2 0 0 0 年气候和环境变化的研究，在海洋、冰芯、孢粉、湖泊沉 积物和洞穴沉积物中，己做了比较详细的研究，并取得了较为满意的成果。 国内，姚槽栋等人利用对古里雅冰芯中6 ”0 、冰川积累茸和c a 等指标的研究，恢复了 过去近2 0 0 0 a 来气候环境的变化。”一”】。许青海等人根据岱海盆地9 9 a 孔l _ 8 4 m 以上地层较 高分辨率的孢粉资料，运用中国北方部分科属花粉一气候响应面定量恢复了岱海盆地1 5 0 0 ab p 以来的七月平均气温和年均降水量。”。康兴成利用树轮资料重建了青海都兰地区过 去1 8 3 5 a 的气候变化”。李红春、谭明等利用石花洞石笋的6 ”c 和6 ”0 同位素记录，重建 了北京地区3 0 0 0 a 以来的古气候和占环境变化”：杨保依据冰芯、树轮、沉积物分析和冰 川波动等各单点占气候代用资料，以及重建的综合温度变化曲线，分析了近2 0 0 0 年青藏高原 温度变化的整体性和区域性特征j 。青藏高原综合温度曲线显示中世纪暖期( 1 1 5 0 一1 4 0 0 年) 、小冰期( 1 4 0 0 - - 1 9 0 0 年) 以及公元4 0 0 5 0 0 年冷期的存在。竺可桢”“结台历史文献及 考占资料初步恢复了中国东部近2 0 0 0 年来的温度变化曲线。竺可桢认为我国近2 0 0 0 年最 寒冷时期山现在公元初年一公元6 0 0 年( 南北朝) 、公元1 0 0 0 1 2 0 0 年( 南宋) 、公元1 4 0 0 1 9 0 0 年( 明末清初) 。温暖期主要出现在秦汉以及隋唐和元朝。 1 3 岩溶化学沉积物重建古环境进展 全球广泛分布的碳酸盐岩是主要的碳库。碳酸盐岩的溶蚀、沉积等作用直接影u 自到 人气c o ：含嚣，冈此碳酸盐岩与全球环境变化有着密不可分的关系“。发育在碳酸盐岩区的 岩溶次生化学沉积物是千百年来在地质演化过程中逐步形成的，它蕴含了丰富的古环境信 息。是继树木年轮、冰芯、黄土和湖泊沉积物之后，陆地环境中的又一种重要的占气候信 息库。近几十年米，各国学者通过岩溶次生化学沉积物记录的碳氧同位索及各类替代指标 重建或恢复古环境，在这一方面的研究上作一直在继续并且取得了一些重要的结论和成果。 1 3 1 钙华在重建古环境中的优势 钙华是一种主要产于地表的淡，k 碳酸盐岩沉积物。钙华的形成是十壤和人气c o j 溶解碳 酸盐后，进入水中，当水中的c 觇分压高于周围的大气时，而从水中逸出，结果水的p h 值 升高，碳酸钙过饱和并发生沉积的结果。钙华作为重要的信息库，能够提供古气候的变化 记录，并且有白己独特的优势。在各种古环境信息体中，珊瑚的气候分辨率可以达到月， 记录的占气候信息可以达到数百年，但它仅分布在热带海洋。冰芯记录的古环境信息较长， 但只分布在南极和高寒地区。另外，冰：苎：年代会因为冰体的压实作用引起冰层措动或融化， 导致记年发生偏差。树小年轮只适用于温带干旱、f 干旱地区气候的研究有时还可能现 “假年轮”的现象。湖泊沉积物覆盖面j ，沉积连续，但其测年技术相对滞后。黄士记录 2 虽有较长的时间序列，但古环境重建的分辨率难以提高。石笋虽然有较长的时间序列保 存信息完整，代片j 指标丰富可精确定年等优点但是其分辨率很难提高剑季1 y 变化。钙华 占环境重建的优点：分辨率高，钙华沉积速度陕，一年可以沉积1 2 0 m m 。刚钙华进行占 环境重建研究可以将分辨率提高到年季变化和季节变化。灵敏度高。钙华中的碳氧同位 素蕴涵的古环境信息直接反映的主要是地表的环境信息变化，比如钙华中的氧同位素反映 的占温度就是当时地表的温度，而石笋反映的是年均温度。沉积厚度大，可选择剖面丰 富。不受样品限制，可进行多剖面平行研究。 1 3 2 钙华重建古环境重建的重要进展 住利用钙华进行占环境和占气候重建方面。国外，1 9 7 3 年g i e g e n g a c k 探讨了利削“c 方法测定钙华年龄可信度的问题”。1 9 8 3 年s r d o cd 利用钙华中放射性碳同位素进行测 年并研究古气候重建问题”“。1 9 8 8 年波兰的p a z d u ra 对波兰南部的全新世钙华进行了定 年并利用碳氧同位素作为重建古气候的指标重建当地占气候”。1 9 8 8 年l a oy 利川u 系法 测年测定了美国加利福尼亚州和i 山华达州的l a h o n t a n 盆地的钙华年龄并在删年基础上进行 了占环境重建分析”。2 0 0 2 年意大利的m s o l i g o 利_ h j ”o t h ”4 u 方法测定了意人利中部 m i d d e v e l i n ov a l l e y 钙华的年龄，并探讨了利用钙华碳氧同位素作为占气候代用指标重 建该地区古环境的可能性”“。2 0 0 2 年p a z d u ra 利用“c 方法测定了波兰尔南部的钙华和 印度尔部奥立萨邦的钙华的年龄并在年龄数据的基础上结合碳氧同位素分析，获得了两地 区1 3 5 0 0 ab p 的古气候变化曲线”。 国内在利用钙华进行古环境古气候重建方面相对于利用石笋进行古气候和占环境重建 而言做的 ：作还不多。主要的进展有，1 9 9 8 年刘犀利用e s r 测年法，对云南路南石林地区 钙华测定了其生成年代，并结合钙华的地质产状，对该地区地质活动，环境演变进行了讨 论”j 。2 0 0 1 年李义连对山西娘子关泉群钙华进行了同位素分析，并用热秆光法进行定年， 通过碳氧同位索变化曲线得到了距今1 8 6 1 k a 一3 6 2 k a 以来娘子关气候变化信息”。2 0 0 2 年刘再华利用“c 方法测定了贵州荔波响水河钙华的年龄，并结合钙华碳氧同何索变化曲线， 获得了近4 0 0 0 年米该地区的气候环境变化趋势“”。2 0 0 2 年刘再华对利用云南白水台钙华景 区的热水钙华进行古环境重建研究中值得注意的问题进行了讨论”“。 1 4 论文选题的背景和意义 我国地处曲伯利弧高压、青藏高原和西太平洋热池相互影响的季风地带，具有雨热同 季、气温差异较大、气候类型多样的特点，在全球变化的研究中处丁较重要的地位。在研 究我国气候变化的过程中，北方的黄土、青藏高原的冰芯和湖泊沉积物等已做了大苗的：r 作，获得了重要进展。但在西南岩溶区由于缺乏类似的地质记录，开展全球变化研究工作 相对较困难，对该领域的研究仍比较薄弱。但在西南地区分布着人面积的岩溶，通过岩溶 发育与环境的关系研究发现，岩溶发育过程及其形成物对环境的变化相当敏感，通过岩溶 记录可以恢复和重建古气候。通过近几十年的研究和探索，已经形成了一套利_ i = j 洞穴化学 沉积物重建古环境的方法。有不少学者用岩溶区洞穴化学沉积物成功重建西南地区的古环 境，并发现和证实了西南地区过去气候变化中的一系列冷事件及其相关的环境变化过程， 初步建立了南方古气候一环境的变化模式。本论文就是在曲南地区岩溶沉积物重建占环境研 究的背景f 确立的研究课题，在稳定同位素基础上，重建了云南香格丽拉向水台地区近1 5 0 0 年的环境变迁。 1 5 指导思想和技术路线 以地球系统科学为指导，以岩溶作用对环境的敏感性为基础，对钙华记录的环境信息 进行提取，从钙华的稳定同位素气候环境指标入手，对云南香格里拉白水台地区过去近1 5 0 0 年以来的气候一环境进行多指标解译，重现环境的变化过程。 为了了解钙华的沉积速率和样品中碳氧同位素与自水台泉水和l 当地温度的关系。同时 在白水台一号泉上中游和二号泉上中游选点放置用微侵蚀计测量过的木块作为钙华沉积核 心。每季度测鼍一次以计算钙华的沉积速率。同时取钙华样品和水样进行同位素分析。同 时取一块老钙华进行加密取样，研究其碳氧同位素的变化规律与年层关系。 d 第二章岩溶次生化学沉积物重建吉环境的理论研究 h 岩溶次生化学沉积物重建古环境，是以岩溶作用对环境的敏感性为基础。钙华在形 成过程中，将外部的环境信息，通过同位素分馏、有机质含量变化以及孢粉类型变化等方 式记录在钙华中。 21 岩溶作用过程及钙华碳氧同位素演化 岩溶动力系统理论指出：岩溶作用发生r 开放的c a c 0 ，( 同) 一c 0 ：( 气) 一h z 0 ( 液) 二相不平衡系统，包括碳酸盐岩的溶解作用和沉积作川。c o z 气体在岩溶动力系统中起着重 要的驱动作用( 如图2 一1 ) ，当较多c 旺进入岩溶动力系统时，就发生碳酸盐的溶蚀作州，表 现为水中c a ”和h c 吼浓度增加。反之，若c 0 2 由该系统中逸出，将发生碳酸盐的沉积作川， 水中c a 。利h c 0 , 浓度降低。 泉水钙华的物质来源是泉水补给区内的可溶岩和土壤。大气降水一f 渗入十壤后，溶解 十壤中生物成因的c o 。或是接受深部来源的c 0 。或是两者的混合，成为具有侵蚀性的水，对 可溶岩和土壤进行溶蚀、淋滤和搬运，成为碳酸钙过饱和的泉水。泉水出露屙，由于水中 的c o z 分压高于周同的人气，而从水中逸出，结果导致碳酸钙过饱和并发生沉积形成钙华。 来源丁人气降水的泉水携带了丰富的气候信息，敏感地响应了地表环境的变化。 钙华中氧同位素演化经历两个阶段：第一阶段：从大气降水中的氧同位索组分十 壤水氧同位素组分_ 岩溶水氧同位素组分。在这一系列过程中，6 0 的值与降雨量莹负 相关，反映的是雨量效应；第二阶段从饱和岩溶水到钙华的形成。在这一阶段氧同何素可 能经历两种演化方式：一是平衡分馏条件f ，氧同位素在介质水和碳酸钙之间平衡分馏， 这时碳酸钙与水之间的氧同位素分馏系数仅决定于外界环境中的温度。二是在1 f 平衡条件 f 进行演化，这样会引起氧同位素的不规则分馏，氧同位素在介质水和碳酸钙之间的分配 很复杂，结果难以预料。碳同位素的演化较氧同位素更复杂，这是因为：( i ) 形成岩溶泉水 的c 0 ：成因复杂：( 2 ) 当c 0 2 进入土壤水，成为溶解c n 和h c 0 s ：过程中，它们之间又有着不 同的分馏作用。 2 2 钙华沉积物中碳氧同位素分馏及其控制因素 碳氧同位素研究通常以6 ”0 和6 ”c 的形式表达，他们是样品和标准样品的相关同位 素之比的千分著，表达形式为： 8 d ( ) = ( r # “- - r # ) r 镕$ 】1 0 0 0 d = ”0 ，r = ”o ”0 或d = ，r = “c ”c 1 ? 婪 扩散边界层b l ) t 固鬻 磷酸盐沉积 一 岩石圈 图2 - 1 岩溶作用概念模型( 据袁道先等，2 0 0 2 ) 2 2 1 钙华中氧同位素的控制因素 自从0 n e i l 和h e n d y 等提出利用氧同位素重建古气候的方法以来，氧同位素作为一 个占温度或古降水的指标已被研究者所接受，并得到广泛应用。洞穴化学沉积物中的氧同 何素主要来源于火气降水，其氧同位素组成主要受大气降水的氧同位素组成和钙华形成时 外界环境所决定。 22 1 t 大气降水对钙华61 。0 的影响 钙华的61 沁值在很大程度上决定于大气降水，因此能够对大气降水6 ”o 造成影响的 冈素，势必影响钙华的8 ”o 。为了说明钙华6 ”o 的影响因素，首先要了解对大气降水6 o 的影响因素。 大气降水稳定同位素分馏过程服从瑞利定律，冈此可以用r a y l e i g h 分馏公式描述人气 降水过程”4 “1 ： 8 ”o r = ( 8 ”o o + 1 0 0 0 ) f ”一1 0 0 0( 1 ) 式中6 0 ，为初始水蒸气的6 1 a 0 ，6 ”o 。为分流后残余水蒸气的6 ”0 ，f 为残余水蒸气的卣分 比，为水一气间平衡时氧同何素的分馏系数： a = 1 0 1 1 2 0 o 0 0 1 t ( * c ) + 2 5 8 9 1 0 + 7 t 2 爿0 1 1 2 8 2 6 7 8 1 0 5 t ( 2 ) 同时，这一分馏系数义可以写成如下形式： 占”0 一+ 1 0 0 0 口2 萨石丽 其中a ls o 。为降水的6 奄值。由以上三式得到大气降水的6 ”o 。与气温和降水量的关系： 8 t8 0 d = 邮”0 。+ 1 0 0 0 ) f “”一1 0 0 0 = ( 1 叭1 2 8 2 6 7 8 x 1 0 5 t ) ( 6 18 0 0 + 1 0 0 0 ) t ( 1 o 82 6 7 8 ”5 1 ( 4 ) 由此可以看出人气降水的a ls o 。值取决丁大气温度、降水量和初始水蒸气的6 18 0 。值。f 面 就影响降水6 “0 值的各因素进行讨论。 6 ( 1 ) 降雨量对6 ”o 。值的影响 在( 4 ) 式中f 值体现了降雨量的作用，f 值越小，即残余水蒸气与初始气团的比值越 小；也就是越多的水汽冷凝成雨水被带走。f 值越小，水一气间的氧同位素分馏系数越大。 如果将f 值看成是平均降雨程度。那么，在一个给定的6 ”0 。值的条件f 8 0 值和6 ”0 、 值与降水为反相关：将( 4 ) 两边对f 求导，可得 坐竺型：嘶o r - 1 ) ( 6 1 8o o + 1 1 0 0 0 0 一= 硝 l ( d u 。+u u m 一 彤 由丁6 他o 。 1 0 0 0 ，驴1 ，所以掣在f 取值区间( o ，1 ) 内总是止值，也就是说6 1 8 0 p 可 是f 的增函数：f 越大( 降雨量越小) 6 18 0 p 越正； f 越小( 降雨量越大) 6 ”o p 越负。 所以，降水的6 ”o 。与降雨量呈反相关。这一现象在低纬度亚热带地区和中纬度夏季风气候 地区已被人量的实测数据所证实。 ( 2 ) 温度对6 ”0 。的影响 水汽中同位索分馏系数( a ) 与温度( t ) 为负相关关系，在分馏过程中，重同位素偏向于 液相，因此，分馏后的残余水蒸气的8 18 0 。值总是与温度成正相关的。降水的6 1 8 0 。与温度 关系复杂，除了温度对t $ 1 8 0 。有影响外，雨量也对它产生作用。李红春1 认为：6 1 8 0 。与t 的相关关系会因f 值的增人而改变：f o 3 8 时( 5 18 0 。 与t 为负相关关系；( 图2 - 2 ) ( 3 ) 初始气团8 18 0 。对8 t o 。的影响 降水气团的初始8 0 值是气团迁移的函数，气团从水汽发源地迁移的距离越远，从地 面向高【爬升的越高，所经历的降雨次数越多，气团中8 18 0 。越轻。这是冈为在液相干气相 间分馏时6 ”0 偏向丁二液相。因此，分馏的结果使早期降水中6 ”0 偏止残留气团的8 1 + 0 变负。这就是所谓的纬度效应和高程效应。另外水汽发源地海水的表面温度和表面海水的 6 ”0 也可以影响降水气团的8 1 8 0 0 值。但这两个因素在全新世对降水的8 1 1 1 0 影响不大。 t 迷 童 葛 吧 凄 。 奄 图2 2 雨水和残余水蒸气的6 ”0 与温度的关系 a 剀为残余水蒸气与温度的关系b 图为雨水与温度的芙系( 据李红春，t 9 9 8 ) 综上所述，降雨对钙华6 ”0 的影响主要表现在两方面：一是雨量效应，降雨揖越大， 钙华的6 ”0 越负；二是水汽来源和运移方式对钙华的影响，在某一地区地理位置和高 程不变，钙华6 “0 的变化，只受气团来源和运移方式的影响。 2 2 2 碳同位素的分馏机理及其影响因素 地球表层稳定碳同位素的分馏作州有两种形式：( 1 ) 碳同位素的交换；( 2 ) 生物过程 的动力学分馏。在自然界中”c 在各种物质中的差异主要由植物的光合作用引起的。钙华中 的碳同位素主要来源于三方面：大气降水中溶解的c o 。，植物进行光合作用时，根部呼出的 c o 。以及有机体降解放出c o ：和深部来源的c o z 。但由r 十壤c o z 和十壤溶液中溶解的碳酸氢 根( b o o ，一) 处。r 完全的同位素平衡状态，周此，石灰岩的溶蚀不会在次生沉淀的碳酸钙的同 位素组成中留f 痕迹。岩溶动力系统研究结果表明：土壤生物成因的c o 。与降水是岩溶动力 系统的主要驱动力”“。作为岩溶作用输出端的产物钙华，其6 1 c 值也受十壤c 0 。的制 约。冈此，对钙华中6 c 起控制作用主要是”c 在生物过程中的动力学分馏。 在植物光合作用中，通常发生y y i j 化学反应： 6 c 0 2 + 1 i h ：0 一c n h n 0 ”+ 6 魄 在这一单向反应中空气中的”c 0 ：键比”c o z 易破裂，因此光合作用使植物组织优先吸收 ”c o 。，使有机物富集”c ，空气中富集”c 。此外，在进入植物体的c 0 2 中，”c 0 2 通过酶的作 用优先转移到磷酸甘油酸中，使残余的溶解c o z 宫集”c 。这些重c 6 在呼吸作用中被排出。 植物进行光合作用过程中，不同植物的生态习性和同碳方式有较大的差异。陆生植物按其 光合作州的途径可以分为c 。、c 。和c a m 三种类型。c 3 植物的光合作用( 乔本树小及大部分 的灌木等) 遵循c a l v i n 循环，其6 ”c 值人致在一3 2 一2 3 ( p d b ) 之间，其平均值约在一2 5 ，而c 4 植物的光台作用( 牧草、小米、玉米、高梁等) 则通过h a t c h s a c k 途径，其6 1 c 值人致在一1 4 一8 ( p d b ) 之间，一般情况f 其值约为一1 3 ( p d b ) 。两者由人气c o ：台成 所生成的有机化合物，它们的6 ”c 值可达一1 5 。可见植物的c 3 c 4 比列的改变对土壤c o z 的6 ”c 值的影响最为显著。在暖湿气候条件下，c 3 c 4 升高、6 ”c 变轻；而干冷条件下， c 3 c 4 降低、61 3 c 变重。此外在人类活动改变十地利用结构，如毁林造地造成严重水十 流失的情况下，人气来源c o ：( 6 ”c = 一7 ) 在系统中的比例增加，此条件f 产生的钙华 也具有较高的6 。c 值。当深部来源的c o 。的含量在系统中增加时，由于深部米源的c 0 。的6 c 偏正( 刘再华等，2 0 0 0 中国科学) ，所以形成的钙华也具有较高的6 ”c 值。 2 3 西南地区钙华碳氧同位素记录的环境解译 由_ 二日前国内很少做过利用钙华中碳氧同位素进行古环境重建的工作。但是同为岩溶 次生化学沉积物的年i 笋国内却做了人量的l ：作。在本文中我 r l n 用石笋的碳氧同位素的环 境解译，来说明钙华碳氧同位素记录的环境解译。 4 i 笋气候指标的环境解译，有明显的区域特征。由于陆地气候系统的复杂性，不同地 区对石笋稳定同位素指标解译人不相同，甚至完全相反。因此对不同地区的气候指标进行 系统硼：究是正确重建占环境的关键。我国曲南地区受印度季风和东弧季风影响的强度较人， 与我国北方地区气候有较大差别，在气候指标的环境解译方面也有较人的不同。f 面以桂 林地区为代表，就两南地石笋气候指标的解译作出简要论述。 2 3 1 西南地区石笋氧同位素的环境效应 在洞穴次生化学沉积物氧同位素平衡分馏的洞穴条件f ，石笋的8 ”0 值仅受滴水8 0 羽f 滴水温度控制。洞穴滴水来源丁大气降水，洞穴温度基本与地面的年平均气温相等。冈 t 1 ：4 i 笋碳酸盐中6 ”0 值主要受区域降水的8 ”0 值和地面平均漏度控制。覃嘉铭等。根据桂 林雁山气象站1 6 年的监测数据研究了桂林地区石笋氧同位素的环境效应，为我国两南地区 t i 笋氧同位素环境解译奠定了基础。研究结果显示：桂林地区年降水的6 0 与年总降水昔 不相关，与年复季风降水量和年总降水量的比值呈显著的负相关。( 图2 - 3 ) 4 6 8 ( p x p t ) 图2 - 3 棒林雁山1 9 8 3 1 9 8 8 年降水的6 ”0 与p x p t 相关图( 据覃嘉铭，2 0 0 0 ) 我国两南地区主要受东亚季风和西南季风的影响，降水主要有两种形式：( 1 ) 中低纬 度天气系统相互作用形成的锋面雨；( 2 ) 台风季节热带天气系统形成的复季风雨。据张素 琴等”的研究，我国东亚季风对全球变化的相应规律是：全球变暖，夏季风增强：全球变 冷，夏季风减弱。全球气温上升，夏季风增强p 、p 变大。由此得到嘲南地区气候变化与 t i 笋8 0 的相关关系： 石笋8 ”0 值偏轻一夏季风降水年降水比值增大一夏季风增强，温度升高； ji 笋8 “0 值偏重一夏季风降水年降水比值减小一夏季风减弱，温度降低： 另外，从降水的月际关系看月均6 ”0 值与爿平均气温之间也旱显著的负相关( 图 2 4 ) 。但降水6 ”0 与温度之间的负相关实际上是一种假的负相关，它实际上雨量效应的结 果。因为雨鼙大时正好温度也高。 月平均气温 c 图2 - 4 桂林雁山大气降水月平均6 0 与月平均气温相关幽( 据覃嘉铭，2 0 0 0 ) 2 3 2 西南石笋碳同位素的环境效应 在开放的岩溶系统中，土壤c 吼供应充足，碳同位素在c a c o a ( 园) 一c o ：( 气) 间平衡 分馏： 6 1 3 c c a c 0 3 = 6 1 3 cc 0 2 - f c 0 2 c 虻 其中6 c 0 2 c 。c 为c a c o 。( 剧) 一c 0 2 ( 气) 问的分馏系数。据f r i d m a n 和0 n e i l ”1 在l o 和2 0 。c 时分馏系数值分别为一1 1 8 和一l o 7 9 。由此可以看出，在温度相差t o 。c 的情况下，碳酸钙的6 “c 差值仅为1 o ，因此在中全新世温度变化对石笋中6 c 值影 艮小。 石笋中6 ”c 的变化主要由c 3 c 4 植被变化引起。如果忽略人类活动的影响，气候因素是石 笋中6 ”c 值变化的原因，生态因素起到了放大器的作用。在温暖多雨的条件下，植被以c 3 植物为主，c o 。主要来源于c 3 植物的呼吸和分解。形成的碳酸盐有很轻的6 ”c 值。在气候 极端寒冷干旱条件f ，地袁植被难以生长，c o 。主要米白大气，形成的碳酸盐有很重的8 “c 值。如果气候介于丽者之间，虽然干冷，但c 4 植物还可以生长，则形成碳酸盐的6 ”c 值 介丁 两者之间。由此可以得到两南地区石笋6 ”c 值j 气候的对应关系： ( 1 ) f i 笋碳酸钙中6 4 c 变轻一c 3 植被增加，c 4 植被减少一气候趋于暖湿： ( 2 ) t i 笋碳酸钙6 “c 变重一c 4 植被增加，c 3 植被减少一气候趋于干冷。 1 0 第三章研究区及研究对象 3 1 研究区概况 3 1 1 自然经济地理 本课题选择的研究区域是云南省迪庆藏族自治州香格里拉县东南约1 0 0k m 处的二坝乡 r 1 地村的白水台( 剀3 1 ) 。海拔约为2 3 8 0 2 6 l o m 。该研究区属丁滇埘北横断高山峡谷地 带，而蜿蜒曲折的金沙江从本区的东南流过，区内附近的河流一一向水河即为金沙江的一 条支流。由丁金沙江和其支流的深切结果，造成悬崖峭壁发育，地形错综复杂。纵观全区 地势两高东低。 白水台1 生纬度上处于哑热带地域，但因景r 海拔高度与地势高著均很人，冈此其立体 气候十分明显：即在同一山坡或沟谷中，兼有暖温带( 海拔2 2 0 0 2 5 0 0 m ) 、寒温带( 海拔 3 0 0 0 3 5 0 0 m ) 和寒带( 海拔3 5 0 0 m 以上) 。由于缺乏当地的气象观测资料赵希涛“等根 据香格里拉县气象站( 海拔大约3 3 0 0 m ) 的气象记录( 见表3 一l 和表3 - - 2 ) 年该地区的年 均气温垂直递减率与降水量递增率推算，得出白水台项面( 约2 6 0 0 m ) 的年均气温为9 1 ， 年均降水量为7 1 4 m m ，平均雨季开始丁6 ，i = j 上旬，结束于1 0 月上旬。这表明该地区的气候 主要受印度洋西南季风和行星西风带的控制。 气候的明显分带性造成了向水台景区附近植被的鲜明的垂直分带现象和“一季四时景， 四季景交替”的立体生态景观。白水河上游与十三角山体原始森林保存完好，景区内森林 覆盖率高达8 0 以上。原始森林土要由海拔3 7 0 0 4 1 0 0 m 的冷杉林群系、海拔3 4