近1800年来云南洱海流域气候变化与人类活动的湖泊沉积记录

近1800年来云南洱海流域气候变化与人类活动的湖泊沉积记录 近1800年来云南洱海流域气候变化与人类 活动的湖泊沉积记录 冲7一?哆 第l2卷第4期 2000年12月 湖泊科学 JOURNAlOFLAKESCIENCES vo1.12.No4 Dec..2000 近1800年来云南洱海流域气候变化 与人类活动的湖泊沉积记录 张振克,吴瑞金沈吉 朱育新潘红玺 1:南京太学太地海洋科学系.南京210093 2:中国科学院南京地理与湖泊研究所.南京210008) 吴艳宏 提要对云南洱海湖泊岩芯沉积物进行了多环境指标(年代学,色素,硅藻,有机碳稳定 同位紊,磁化率,化学元素)的,建立了近1800年来云南洱海流域 气候与环境变化的序列,气 候演化具有暖干,冷湿交替的组台特点一些特征气候阶段如中世纪温暖期,小冰期气候特征在洱 海湖泊沉积记录中均有反映洱海湖泊沉积记录的气候暖干一冷湿交替变化规律.反映了西南季 风影响下的气候滇化特征.湖泊沉积记录中包古丰富的人类活动的信息,磁化率,元素Fe,色素与 历史时期人类活动的强度变化过程具有较好的一致性.多环境指标的综合分析.可以判识人 类活动和气侯变化的湖泊沉积响应.对高分辨率研究2000年时段湖泊沉积记录并合理解释环境 指标变化具有重要意义.…,… 关键词塑塑塑璺!堕堡!苎至掰j;夤|/拍际分类号P532P3433 2哆2 我国西南地区主要受西南季风气候系统的影响,无论是过去气候变化还是近代气候变化, 西南季风区和青藏高原,东亚季风区的气候变化具有十分密切的联系;西南地区湖泊众多.由 于湖泊沉积忠实地记录了气候变化与流域环境变化过程.并具有连续性好,分辨率高,包含信 息丰富的特点….因此.近年来.中外学者对西南季风区不同时间尺度湖泊沉积环境的研究曰 益广泛深入.并取得一批重要研究成果[2-s].其中对2000年时段高分辨率的研究还有待进一 步加强.近2000年来人类活动对湖泊环境的影响无疑保存在湖泊沉积地质记录中.国际过去 全球变化领域正积极开展”土地利用与气候变化的流域系统响应”(LandUseandClimaticIm— Dacts0nF1uvialSystem)研究项目,将研究人类活动过程中的土地利用变化置于重要的位 置_91.对历史时期流域系统自然记录的系统研究.有助于认识和预测流域环境系统对现代和 未来土地利用,气候变化的响应规律和趋势. 本文根据洱海湖泊沉积记录的多环境指标的分析结果.用岩芯平均沉积速率建立年代序 列.恢复了1800年来洱海流域的气候变化过程,结合历史记录探讨人类活动的湖泊沉积响应. 1采样与分析 洱海南部有范围较大的水下中央平台.水深5m左右.其东西两侧为水下深槽区.水深多 ?中国博士后基盘,国家自然科学基盘(49672132)与中国科学院创新重大项目(KZCXl—Y一05)资助项目 收稿日期:2000—01—12;收到修改稿日期{2000—09—26张振克.男,1963年生,博士.博士后 湖泊科学12卷 在10—20m.1996年利用活塞式重力采样器,在中央平台区(水深4.6m)采得柱状岩芯.野外 按2em间隔分样,在沉积物有机质”C测年的基础上.对样品的总氮(TN),有机碳(TOC),磁 化率,色素,硅藻,有机碳稳定同位素等环境指标进行分析;用于Cs沉积速率分析的柱状岩 芯采样间隔为lcm,样品在野外即装入塑料袋闭光,封闭保存,有关实验分析在中国科学院湖 泊沉积与环境开放实验室进行.岩芯100em,146em附近有机碳”C测年为4473?40aBP和 5828?85aBP,上部100cl”n,146em平均沉积速率分别为0.22ram-a-’和025ram-a_.,反映采 样点沉积速率比较稳定;沉积物Cs的蓄积在lem以下即消失,沉积速率小于0.25ram?a-1. 与C测年结果计算的平均沉积速率大体一致. 造成洱海南部中央平台沉积速率稳定,速率较低的原因是:洱海中部,北部为深水区域,水 深多大于10m.其中中部还存在大于20m的水域,和南部中央平台水域形成显着差异.在南部 中央平台两侧深槽水域的水文观测明,深槽带是洱海湖流域速度 较大的区域.而中央平台水 域水流速度很小1.所以,采样点所在的中央平台水域主要是细颗粒沉积,岩芯粒度分析显 示:上部100em沉积物比较均一.属于粘土级,平均粒径超过8,在一定程度上反映该区域沉 积速率稳定,沉积速率较低的沉积环境特点. 据洱海湖泊岩芯上都平均沉积速率(0.22ram?aI1)推算.上部40em岩芯代表1800年来 的沉积记录.作者对该岩芯上部100em沉积记录与历史记录的对比研究表明.按C年代推算 的岩芯特征时段与人类活动的考古,文献记录有较好的一致性j;D.Eisma等在洱海南部中 央平台水域所采的48号岩芯,其1DDcm附近的”C年代为4680170aBP[,和本文沉积物年 代测试结果一致.所以.按平均沉积速率推算岩芯近1800年时间序列.其误差不大. 2湖泊沉积记录的气候变化 2.1环境指标的气候意义 2.1.1色素湖泊沉积物中色素在沉积物中难以分懈,比较稳定,能够长期保存流域气候与 环境变化的信息.在湖泊沉积与环境研究中是十分有效的环境代用指标湖泊沉积环境研究中 研究较多的是:叶绿素及其衍生物(CD),类胡萝b素(TC),蓝藻叶黄素(Myx),颤藻黄素 (Osc);根据色素种类,含量的变化,可以反映湖泊的初级生产力和陆源有机质输入,湖泊初级 生产力与湖泊温度,光照,盐度,营养状况有关,间接地指示气候波动_1. 2.1.2C/N比值与有机碳稳定同位素(8C)c/N比值升高反映陆源有机质输入增加,降 低则说明内源有机质贡献增大[1;洱海湖泊沉积物的C/N比值多大于30,陆源有机质输入占 有主导地位;以陆源有机质输入为主的洱海湖泊沉积物,其有机碳稳定同位素(8c)对气候有 明显指示意义,8C值高反映气候偏暖,偏低则指示偏冷的气候_l. 2.1.3硅藻洱海湖泊沉积物中包古丰富的硅藻化石.由于洱海是一个出水湖,其丰度的变 化反映湖泊生物量的高低波动.间接地指示气候变化.即硅藻浓度上升,对应偏暖气候;硅藻浓 度降低,和偏冷气候一致. 22气候变化阶段 根据洱海湖泊沉积记录.近1800年来洱海地区的气候与环境变化划分五个阶段. 2.2.1阶段I(1790—1480aBP.40—33em)气候偏暖于该阶段的湖泊沉 积记录的气候略偏 暖干.由于光照条件改善,水温上升,色素各种色素总体为弱峰值段.有机碳稳定同位素在剖面 4期张振克等:近1800年来云南洱海流域气候变化与人类活动的湖泊沉积记录 底部出现峰值.反映气候偏暖.从C/N比值的变化来看,本阶段为低值段,反映湖泊暖干背景 下.采样点溯泊内源有机质的贡献增加围气候偏干.入湖径流减弱,陆源有机质输入减少,造 成碳氮比值偏低.岩芯底部硅藻丰度为峰值,反映偏暖气候下,湖泊硅藻生物量有较大增加.根 据历史记录.东汉末期为云南人口第一高峰值.人类活动加强对湖泊色素增加有贡献【11J 2.2.2阶段11(1480—890aBP.33,20cm)气候较冷湿本阶段反映气候冷干特征环境指标 是:有机碳稳定同位素处于偏低值段,色素含量在岩芯剖面上处于低值段,代表冷干背景下的 湖泊初级生产力降低;c/N比值为高值段,反映偏冷湿气候背景下.湖泊内源有机质的贡献较 小;由于气候湿润.入湖径流带来的陆源有机质的贡献相对增加该阶段硅藻丰度为低值段.反 映气候冷背景下,湖泊硅藻生物量降低,出湖径流的加快也会影响硅藻丰度降低. TCCDMOsecm硅藻浓度s”C ,unit?,./unit’./g’’,g’/10?g一./~oPDB 0.o0010n2000020401D02000501OO153O452{6-27-26-25 图1近1800年来洱海气候变化的湖泊沉积记录 Fig.1Lacustrinereo~rdsofclimatlcchangesduringthepast1800yearsinErI1 aiLake 22.3阶段III(890—450aBP.20—10cm)气候较暖干,存在明显岭湿波动湖泊沉积物的有 机碳稳定同位素为峰值;沉积物色素为嘎显波动的峰值段,反映气候温暖背景下,湖泊的初级 生产力水平增加;c/N比值波动降低,反映较暖气候背景下,湖泊内源有机质的贡献较大.值 得注意的是该阶段内还存在气候与环境的波动,特别是1250—1350aAD为一个偏冷的时段, 色素中叶绿素及其衍生物,类胡萝h素,蓝藻叶黄素等为谷值段,C/N比值在该冷时期为峰值 段,表明较冷湿气候条件下湖泊内源有机质贡献较小,而囡降水增加,入湖径流带来的陆源有 机质的贡献相对增加硅藻丰度为峰值段,和总体偏暖的历史气候背景一致;同时,该阶段人类 活动在结束长期战乱之后开始迅速增加,并在元代出现人口高峰.人类活动加强,对湖泊营养 水平的增加有贡献.. 2.2.4阶段1V(450—130aBP,10—3cm)气候冷湿本阶段反映气候冷湿特征环境指标是:色 素含量在岩芯剖面上处于低值段,代表冷湿背景下的湖泊初级生产力降低,其中400—350aBP 左右的偏冷的特征最明显,有机碳稳定同位素为岩芯的偏低值段;从历史旱涝记录来看该阶段 是偏涝时段,与湖泊沉积记录一致.然而,历史记载明清以来洱海湖滨平原向湖推进,湖区 人口大量增加,受湖滨耕作农业规模扩大的影响,入湖径流中陆源有机质增加,故湖泊沉积物 湖泊科学l2卷 C/N比值为弱峰值段,反映湖泊内源有机质的贡献较小,陆源有机质的贡献增大.该阶段硅藻 丰度降低和气候偏冷环境一致. 2.2.5脐段V(130aBP以来,3cm以上)气候向偏暖于发展和前一个阶段相比,有机碳同位 素比值呈上升趋势,反映气候偏暖;色素有明显的上升,c/N比值为低值段+反映在偏暖干背 景下内源有机质在湖泊沉积物中有较大的贡献,和本阶段人类活动加强造成的湖泊营养水平 上升有关.根据历史气候记录和现代气候观测资料,可以进一步揭示区域气候在较短尺度上的 变化规律.历史干旱记录和气候观测明19世纪8O年代,2O世纪3O年代到50年代和 8O年代以来明显偏旱,其它时段则偏涝;气温的波动从19世纪7O年代到20世纪3O年代呈 上升趋势,之后下降至7O年代初,进入80年代以来气温再次上升f”r].受洱海采样分辨率的 限制,无法分辨洱海湖泊沉积物十年尺度气候变化的响应特征. 3湖泊沉积记录的人类活动 31洱海流域人类活动历史与过程 洱海流域及其相邻地区有丰富的新石器文化,其中已发现最早的洱海东部宾川县白羊村 遗址,其放射性碳同位素年代为3770?85aBP,白羊村出土的先民定居的窖穴,房址均有火塘 及使用火的遗迹,晚期多木胎泥墙,磨制石器和陶器大量使用,房址,窖穴中有动物骨骼,储藏 禾本植物叶子和谷物的遗迹[17].农业的出现和房址中木材的使用,较厚的灰烬层,烧制陶器的 使用等,说明对居址附近的植被有较大的影响洱海西岸新石器时代 的马龙古城遗址中.发现 有碳屑与陶片,”C年龄为3010?130aBP,陶片热释光年代为3456?202aBp[is].宋学良等【81 对云南中部杞麓湖的研究也发现:湖泊沉积物岩芯中3.6kaBP前后的植被组成的变化可能受 到人类活动的强烈影响.洱海湖泊沉积环境指标的变化显示100em以上磁化率,频率磁化率 参数同步迅速上升,间接地表明人类活动造成的土地利用方式的变化在4500aBP左右有一个 突变,原始的耕作农业发展很快.本文重点讨论近1800年来湖泊沉积记录的人类活动变化的 湖泊沉积响应 3.2人类活动的湖泊沉积响应 洱海流域及其邻近区域一直是云南省人口最集中的区域之一,人口变化过程和整个云南 人口变动一致.利用云南历史时期人口变化的记录_l,间接地指示洱海流域人类活动的强弱 变化这里选择云南人口变化的几个特征时期,探讨人类活动的湖泊响应(图2). 3.2.1东汉人口高峰值战国朱到东汉时期,进入云南的外来人口增加,并在东汉后期出现 人口第一高峰期,人口总数达到270万人_1.战国时期楚国将领庄乔 带兵进入云南滇池一带. 其中也带去当时较先进的耕作农业技术,推动云南耕作农业的发展[i9].近1800年洱海湖泊沉 积记录中,东汉人口高峰带来的湖泊沉积响应十分显着:岩芯底部40crn湖泊沉积物磁化率参 数为较高的峰值,反映人类活动造成的土壤侵蚀加强;洱海流域以亚热带的红壤为主要土壤类 型,土壤发育过程中受淋溶过程的影响,Fe是土壤中相对富积的元素.所,人口增加,耕作农 业的发展时期,由于对流域植被的破坏,造成地表土壤侵蚀加强,会导致湖泊沉积物中Fe元素 含量的增加.沉积物化学元素Fe在岩芯40cm附近含量为较高值段,是东汉人口高峰期人类 活动加强,耕作农业发展的结果.洱海湖泊沉积物色素含量在40cm左右出现的弱峰值可能与 这一时期人口增长和人类活动加强有关,反映人为富营养化的c含量上升最为显着 4期张振克等:近1800年来云南洱海流域气候变化与人类活动的湖泊沉积记录301 湃度,cITI Fe/mg?kg’.CD/unit?g...Osc/B?磁化率门??kg 0’?2002?2503c0 L—J——L——_JL—J——L——_JL—J——L—J—_jL—J——L—J—_j 图2洱海流域历史时期人类活动的湖泊沉积响应 Fig2Responsesofsed!ments【0thehistoricalhumanactivitiesinthecatchmentofErhaiLake 3.2.2宋,元代人口快速增长靳宋朝战乱造成中原人口向云贵高原迁移,土地开垦进入一 个新的时期人口统计显示,1102年云南人口尚不足30万人,至1276年云南人口超过东汉人 口高峰,人口总数达到570万人,出现第二人口高峰时期L1.元朝统一云南后,由于戍边,屯垦 和人口迁徙至云南从事农业生产,云南人口持续快速增长.在洱海湖泊沉积记录中,宋一元代 人口快速上升时期的磁化率参数也表现为明显上升,元素Fe的含量表现为快速上升;色素记 录在20cm附近出现突变,和人类活动快速增加一致明清以来,磁化率参数,色素处于较高值 段,和洱海流域人口持续增加,人类活动加强的直接相关. 3.2.3东汉之后战乱造成的人口低谷期云南人口在东汉人口高峰之后,因战乱造成人口迅 速减少,据不完全统计,公元464年云南人口为3.6万人,隋代大业五 年(公元609年),人口也 只有7.5万人L1,人口增长处于低速增长阶段,持续到北宋后期.该阶段人口减少,耕作农业 衰退,植被一定程度得到恢复,土壤侵蚀和水土流失强度降低,受人类活动迅速减弱的影响,洱 海湖泊沉积物磁化率急剧降低,元素Fe含量,色素变化和人口变化趋势一致,呈降低态势. 值得一提的是洱海表层沉积物中的元素Fe含量降低,与磁化率的高值段反差明显,其原 因是:离子状态的Fe被水生植物大量吸收.造成上部岩芯元素Fe的含量降低;而磁化率参数 受铁磁性矿物影响,人类活动影响下大量细铁磁性矿物在湖泊沉积,造成磁化率高值段. 4结论与讨论 4.1洱海湖泊沉积记录气候变化特征问题 根据近1800年洱海湖泊沉积记录的气候变化,洱海地区在百年尺度上具有冷湿,暖干的 气候变化特征.近期,蒋雪中等对云南高原鹤庆盆地[,陈敬安等对云南程海?不同时间尺度 湖泊科学l2卷 的湖泊沉积记录的研究,同样发现冷湿一暖干的气候演化特征.因此. 西南季风区云南高原气 候冷暖干湿组合的演化不同于中国东南季风区黄土和历史文献记录的冷干一暖湿组台特征 是否代表整个西南季风区不同时间尺度的气候变化,还有待更大范围,更多资料的验证. 42气候冷湿一暖干变化和亚洲季风活动的关系 现代气候研究发现近4O年西南地区的干湿变化与气温变化趋势一致,即暖期偏干,冷期 偏湿【2.八十年代在北半球陆地气候变化变暖背景下.西南地区与青藏高原出现降水偏少的 干旱,与地面大气环流形势变化有关,西太平洋副热带高压强烈西伸,阻止西南暖湿气流进入 西南地区和青藏高原[t6,20因此可以推断西南地区的气候变化与东亚夏季风与西南季风的强 弱变换有关,东亚夏季风加强.气候偏暖干;东亚夏季风减弱,则东亚冬季风加强,西南季风相 对加强,气候偏冷湿.上述初步的认识,还需要进一步的完整,并从不角度进行验证, 4.3人类活动的湖泊沉积响应 湖泊沉积物的磁化率,元素Fe,色素等环境指标对人类活动具有明显反映,人口增加,人 类活动加强时期的湖泊沉积环境指标有强烈的响应,呈明显高值段; 反之,在人口减少,人类活 动减弱阶段.湖泊沉积物上述指标也有反映.为较低值段.受人类活动影响明显的磁化率参数, 元素Fe,色素湖泊沉积物环境指标的变化在环境考古学研究中具有广阔的应用前景. 4.4多环境指标综合方法是研究2000年时段湖泊沉积记录的重要途径 2000年时段湖泊沉积记录受到人类活动和气候变化的双重影响,洱海近1800年湖泊沉 积记录的气候变化,人类话动湖泊响应的研究表明,依靠多环境指标综合分析方法,可以判识 人类活动和气候变化的湖泊沉积响应,为合理解释湖泊沉积环境指标的变化,高分辨率研究 2000年时段的气候变化奠定基础. 致谢夏威岚高I,羊向东副研究员参加野外采样.李升峰博士分析硅藻浓度.王苏民研 究员始终给予指导和帮助.并对本文提出修改建议,在此一并致谢. 参考文献 lWangS—m,zh目Zh哪hNewproigessbke鲥I不毗s蝴d蚰mt恤幛鹄佗啪fch|?China.Chlne~Science Bulletin.1999.44(19):l744,1754 2EismaD.SunS,SongXalSedh~entatloninErhailake.Yunnanprovince.Chi na,潮泊科学,20?.12(1){25—37 3HodellDA,Brettne~M.Kart{oushSL.ec81Pdozctimteofs0uthwe-sce~C hi眦f0rthepa50000yr1”edfrombs- rtlerttr咖|ds.OuaternaryResearch.1999.52:369—380 4张振克.吴瑞金.王苏民等近8ka来云南洱海地区气候变化的有机碳稳定同位素记录海洋地质与第四纪地质.1998.18 f3):145—152 5陈敬安,万国江,黄荣贵程棒近代气候变化的化学记录.海洋地质与第四纪地质.2000.20(1):39—42 6蒋雪中.王苏民.羊向东.云南鹤庚盆地30ka以来的古气候与环境变迁湖泊科学,1998,1O(2):l0一l6 7吴艳宏.吴瑞金.薛滨等.13kaBP来滇池地区古环境演化湖泊科学.1998.10(2):5—9 8束学良.李百辐.BrennerM等云南中部石灰岩地区高原潮泊古潮沼学研究昆明:云南科学技术出版社.1994l一120 9RJWassonL1l吕eandclJntateimpacts.nfluvi~systemsduringtheW.~odofagriculture.PAGES Wo~hopReport.Series 96—2.19961—51 l0倪华.姚齐衡.宫春生.洱海盐地新构造运动与古地理问题.见:沈仁湘编.云南洱海科学论文集.昆明:云南民族出版 社.1989186—190 儿张振克.吴瑞盒.朱育新等.云南洱海流域人类活动的嘲泊沉积记录分析地理.2000.55(1):66—74 4期张振克等:近1800年来云南洱海流域气候变化与人类恬动的湖泊沉积记录303 12马燕,王苏民,播红玺硅藻和色素在古环境演化研究中的意义——以固城湖为倒.湖泊科学,1996,8(1):16—26 13王苏民,余源盛,晏瑞盘等岱海——湖泊环境与气候变化.台肥:中国科学技术大学出版社.1990,142 14沈吉,王苏民,羊向东.湖泊沉积物中有机碳稳定同位素测定及其古气候意义.海洋与湖沼,1996,27(4);40o一404 15镣裕华西南气候北京:气象出版社,1991294—297 16李克让,尹思明,沙万英.中国现代干旱灾害的时空特征地理研究.1996,18(3):6—15 17云南省博物馆云南宾川自羊村遗址考古,1981.3:349—368 18李样根大理盆地全新世沉积,断层与洱海古湖岸线变迁问题中国第四纪研究.1989,8(1):65—73 19邹启宇,苗文俊中国人口(云南分册).北京:中国财政经济出版社,1989.10—58 20孙鸿翻青藏高原的形成演化上海:上海科学技术出版社.1996100—193 LacustrineRecordsofClimaticChangeandHumanActivitiesinthe CatchmentofErhaiLake,YunnanProvinceSincethePast1800Years ZHANGZhenke-wURuijin2SHENJi WUYanhongzZHUYuxinPANHongxi (1:Departmentand月science.NanjingUnlver$1ty,Na210093-P.R.China; 2:NanjingInstituteofGeogrgpkyandLimnotogy.Chi~seAcademy0,鼬n ?.Nanjing210008,PR.China) Abstract Basedontheresultsofmulti—environmenta1proxies(chronology,pigment s,diatomconcen— tration.stableisotopeoforganiccarbon,magneticsusceptibility,chemicalelement)oflakesedi— mentfromErhaiIake.YunnanProvince.theseriesofclimaticvariationsinthecatchmentofEr— halLakeduringthepast1800yearshasbeenestablished.Theclimaticchangeswithwarm—dry andcold.wetalternationsinErhaiLakearedifferenttOtheloessrecordsinEastAsiarzlonsoon withwarm—wetandcold—dryfeatures.Thecharacteristicperiodssuchasthemedievalwarmperi+ odandLittleIceAgearebothrecordedintheIakesedimentsfromErhaiLake.Theclimaticchar— acteristicswithwarm-dryandcold.wetalternationfromthe1acustrinerecord sinErhaiLakehave theregionalfeatureinYunnanPlateauaffectedbysouthwestmonsoononthecenturyscale.The 1akesedimentfromErhajLakeisrichwithinformationofhumanactivities.The1:~roxiessuchas magneticsusceptibility,chemic~element—Fe,pigmentshavecloserelation shipwiththehuman activitiesduringthehistoricalperiod.Themethodofmulti—environmenta1 proxiesanalysisisUse— fultodeterminetheresponseofclimaticchangesandhumanactivities.whichhasimportantsig— nificancefortheresearchaswellasrationaIexplanationonthehigh—resoluti onrecordsof1acustrine sedimentinthepast1800years. KeyWordsLakesediment,ErhaiLake.climaticchanges.humanactivities