南海北部深海沉积物孢粉记录的环境变化及其对气候变化的响应

南海北部深海沉积物孢粉记录的环境变化及其对气候变化的响应

根据比较，东亚季风区、印度季风区和亚非季风区上新世-更新世气候数据，2.8.2.5日和1.8.1.6ma时存在明显的气候变化[1.4]。其中大部分时间集中在北半球冰盖的形成和发展对世界变化的影响上新世。根据最近的研究，以西北太平洋赤池为中心的热带海域在全球气候变移中发挥了重要作用。在古代的海洋学研究中，南海被广泛关注[13.20]。东亚季风气候是世界气候系统的主要组成部分之一。其原因是来自西太平洋冷池和亚洲大陆之间不同陆地炎热的影响。具体特点是风、风、雨季节的变化。以往的植物形态在初始阶段的相似分析中，由于寒冷时期末次冰期的加强和夏季的减少，气候变干。到目前为止，关于亚速带古代气候变化的研究主要集中在黄土的粒度、磁化率和粘土矿物的分布，而海洋中几乎没有证据。根据南海北部odp184号和143号的碳粉测定，肖等人[22.24]。将树木的总碳粉分解率和蕨类植物的总含量作为冬季和夏季风的替代品，并研究了过去1年以来的植被和气候发展历史。袁金红等人根据南海南部odp184号143号的碳粉测定数据，恢复了3.2米。波罗角及其周边岛屿的植被和气候发展。通过研究水平位的深海沉积物和碳粉含量在南海北部的变化，以及3.2.2.5ma期间从东亚风气区转移的轨迹轨迹，并重建了3.2.5ma期间亚速带沿线的碳粉含量。通过odp11045站在3.15.0.67ma时高分辨率深海沉积物硫酸盐的收集数据，我们研究了3.3.3.3.4期间的碳粉区域，以及亚速带的植被和东海流的历史发展。1中国南海中央海洋带的环境演变南海为西太平洋最大的边缘海之一.陆架宽165~278km,长约100km,面积约400000km2,水深0~150m.地形广阔平坦,坡度很小,平均仅约5″.平缓的南海北部大陆架外缘接下去是较为陡峭的大陆坡,水深1500~3200m.ODP1145站(19°35.05′N,117°37.86′E)位于南海北部大陆坡上.南海北靠中国大陆,南属西太平洋暖池,西侧其集水盆地直上青藏高原,东边以巴士海峡连通西太平洋.南海气候主要受东亚季风气候系统控制,夏季盛行由海洋吹向大陆的暖湿的西南季风,冬季盛行由亚洲大陆吹向海洋的干冷的东北季风.南海的形态和地理位置决定了其对环境变迁的灵敏性,而南海陆坡又以其高沉积速率和碳酸盐保存条件,其深海沉积物记录成为研究全球气候变化及东亚季风变化的绝佳材料.中国大陆东南部和台湾岛的植被是南海北部深海沉积物花粉沉积的两个主要源区.大陆东南部很平坦,有一些海拔不到150m的丘陵,个别孤立的山脉,海南地区最高峰为1870m,台湾最高为3950m.该区年平均温度为20~22℃到25~26℃;年平均降水为1500~2000mm,降水分布不均匀,从5~9月,西南夏季风带来充足降水(1000~1800mm),为全年降水量的80%.低地地区(海拔>500m)秋冬季节相对干燥,覆盖半常绿林,主要有桑科Moraceae、无患子科Sapindaceae、楝科Meliaceae、椴科Tiliaceae、大戟科Euphorbiaceae、番荔枝科Annonaceae、木棉科Bombacaceae、山榄科Sapotaceae和龙脑香科Dipterocarpaceae.低山地区(海拔600~1500m)发育热带山地雨林和季节性常绿林,主要有樟科Lauraceae、壳斗科Fagaceae、木兰科Magnoliaceae.中山地区(>1500m)发育温带落叶阔叶林,主要有鹅耳枥属Carpinus、桦属Betula、桤木属Alnus等.随着海拔升高,出现热带山地针叶林,有罗汉松属Podocarpus、鸡毛松属Dacrycarpus、陆均松属Dacrydium、铁杉属Tsuga、油杉属Keteleeria.台湾中部和南部的高山地区(>3000m)发育山地针叶林如冷杉属Abies和云杉属Picea.中国东南海岸散布着红树林,主要是红树科Rhizophoraceae.2孢粉样品处理ODP1145站(19°35.05′N,117°37.86′E)位于南海北部大陆架(图1),水深3175m,为连续完整、未受扰动的深海沉积,主要为橄榄色、绿色、浅灰绿色和绿灰色的富含超微化石的黏土或黏土,碳酸盐含量在5%~30%.本次研究共分析ODP1145站213.62~91.9m层段608个深海沉积物孢粉样品.因缺乏同位素年龄控制采用微体古生物化石的年龄数据作参考(见表1).其中,深度(mbsf)为钻孔实测深度,深度(mcd)是同一个站位3个钻孔综合之后的合成深度.利用这些数据,进行线性内插,获得各个层位的年龄数据.取样间隔为20cm,时间分辨率约为4.0ka.孢粉样品处理在同济大学海洋地质国家重点实验室进行,每个样品用量为6~26mL沉积物.先用盐酸溶液去掉沉积物中的钙质,再用氢氟酸洗去硅质,最后用7uf06dm的尼龙筛在超声波中过滤,去掉杂质,可以得到干净富集的孢子花粉.为了计算孢粉浓度,在样品处理前加入含石松孢子的片剂一片.样品统计标准为每个样品陆生植物花粉200粒以上,花粉含量少的样品外加石松孢子统计数目在1000以上,力求得到更加真实的实验统计结果.以石松孢子数量为参照,可以得到每个样品各花粉类型的沉积率(单位时间、单位面积沉积的花粉粒数).每个孢子和花粉类型的百分比以陆生种子植物花粉总数为基数求得.3孢粉组合变化共鉴定120类孢粉类型,依据生态类型,将松属(Pinus)以外孢粉类型划分了几个组:温带落叶乔木组(Temperatebroadleavedtaxa):桦属(Betula)、桤木属(Alnus)、鹅耳枥属(Carpinus)、胡桃属(Juglans)、榆属(Ulmus)等.热带亚热带常绿植物组(Ttopical-subtropicalevergreentaxa):栎属(Quercus)、阿丁枫属(Altingia)、冬青属(Ilex)、拷属/石栎属(Castanopsis/Lithocarpus)、野桐属/血桐属(Mallotus/Macaranga)等及使君子科(Combretaceae)、大戟科(Euphorbiaceae)、棕榈科(Palmae),野牡丹科(Melastomataceae)、楝科(Meliaceae)、桑科(Moraceae)等.草本植物花粉组(HerbaceousGroup):以蒿属(Artemisia)、禾本科(Gramineae)、莎草科(Cyperaceae)为主,还见有菊科(Compositae)、藜科(Chenopodiaceae)等.山地针叶乔木组(Montaneconifers):云杉属(Picea)、冷杉属(Abies).热带山地针叶乔木组(Tropicalmontaneconifers):罗汉松属(Podocarpus)、鸡毛松属(Dacrycarpus)、泪杉属(Dacrydium)、铁杉属(Tsuga)等.淡水水生植物组(Aquatics):香蒲属(Typha)、狐尾藻属(Myriophyllum)、莕菜属(Nymphoides).红树林(Mangroves):以红树属(Rhizophora)和海桑属(Sonneratia)为主.此外还有大量的蕨类孢子(如里白属Gleichenia、骨碎补科Davaliaeceae、凤尾蕨属Pteris、桫椤属Cyathea)以及零星的角苔属(Anthoceros).根据孢粉沉积率(单位时间单位面积内沉积的孢粉数)及孢粉百分比(孢粉百分比为所统计的各类型孢粉数占全部陆生种子植物花粉总数的百分比)曲线变化,将ODP1145孔213.62~91.9m沉积物中孢粉组合变化划分为3个带(图2和3).(1)P1带:213.62~195.52m,3.15~2.58Ma.本带花粉总沉积率为113粒cm-2a-1(下同);松属花粉占孢粉组合的47.8%.温带植物组合花粉占12.5%;热带亚热带花粉平均为20%,热带山地针叶林花粉平均为10%.其他类型花粉含量很低;蕨类孢子百分比为75%.(2)P2带:195.52~171.5m,2.58~2.00Ma.本带花粉沉积率显著升高,其中花粉总沉积率为353.8粒cm-2a-1;约为P1带的3倍.松属花粉占孢粉组合的46.3%.温带植物组合花粉百分比升高(平均18.7%);热带亚热带花粉百分比下降(平均为12.7%),热带山地针叶林花粉平均为13%.其他类型花粉含量很低;蕨类孢百分比为62.8%,略有下降.(3)P3带:171.5~91.9m,2.00~0.67Ma.本带花粉沉积率继续升高,其中花粉总沉积率为685粒cm-2a-1;约为P1带的6倍.松属花粉含量有所上升(平均56%).温带植物组合花粉百分比下降,占13.5%;热带亚热带花粉百分比平均为13.3%,热带山地针叶林花粉百分比下降,平均为8.5%.其他类型花粉含量很低;蕨类孢子百分比为60.8%,略有下降.ODP1145站以松属、温带植物组合、热带亚热带植物组合花粉的交替变化为主.松属花粉(Pinus):松属花粉在整个剖面上都波动于40%~80%之间,占据优势,从图3可以看出,最高含量出现在P3带(2~0.8Ma之间),最高可达80%;此外P1带下部(约3~2.7Ma之间)略高,其他时段一般在50%上下波动.温带落叶阔叶植被花粉(Temperatetaxa):在整个剖面中,温带植物花含量基本低于20%(平均为14.5%),不过在P2带下部(2.58~2.20Ma时段),温带植物花粉含量较高,基本上高于20%,平均24.7%.其中主要以落叶栎属Quecurs(D),桤木属Alnus和榆属Ulmus为主,如图4所示,落叶栎属花粉在2.0Ma以前,含量低于5%,而在2.0Ma以后,百分比在5%上下波动;桤木属花粉在2.5Ma以前,仅零星可见;2.5Ma以后,百分比可达到5%上下波动,尤其是到1.40Ma以后和0.8Ma时段,桤木属花粉含量可达10%以上;榆属花粉在整个剖面含量普遍较低,恰恰在P2带(2.58~2.20Ma时段)含量较高,在10%上下波动;整个剖面中温带植物花粉也就是在这一时段升高.热带-亚热带植被花粉(Tropicalandsubtropicaltaxa):如图5,在整个剖面中平均含量为14.7%,其中在P1带含量最高(平均为20%),P2和P3带含量下降到13%.热带亚热带植物包括许多花粉类型,但是仅有个别花粉类型含量较多;其中,含量较多的有常绿栎属Quercus(E),阿丁枫Altingia等,在P1带含量较高;到了P2带,阿丁枫属花粉含量开始下降,常绿栎属花粉含量在整个剖面中为低值.山黄麻属Trema、天南星科Araceae、使君子科Combretaceae等,主要是在P2带(2.0Ma)以前出现;山核桃属Carya、锥栗属Castanoposis、黄杞属Engehadtia等在2.0Ma以后含量相对稍高.更多的热带类型花粉在整个剖面中含量都很低,仅在个别样品中零星可见.山地针叶林花粉(Montaneconifers):在整个剖面中含量不高,平均含量仅为3.7%.热带山地针叶林花粉(Tropicalmontaneconifers):在整个剖面中平均含量为10%.其中以罗汉松属Podocarpus(3%),陆均松属Dacrydium(2.4%),鸡毛松书Dacycarpus(4.1%)为主.热带山地针叶林花粉在2.0Ma以前含量相对较高,平均为10%以上,且成明显的周期性波动,变化幅度也较大;而2.0Ma以后,下降为8.5%,且比较稳定,变化幅度较小.草本植物花粉(Herbs),在整个剖面中含量不高平均百分比仅为5%,仅少数样品含量超过10%,个别样品最高不过20%,主要以藜科(Chenopodiaceae)蒿属(Artemisia)和禾本科(Gramineae)为主.因总体百分比偏低,整个剖面看不出明显的变化规律.其他如水生植物以及红树林在剖面中含量极低,仅零星出现,可以忽略不计.蕨类孢子百分比在整个剖面中变化不大,基本都在50%以上,平均为64%;其中在P1带平均为75%,P2,P3带比值略有下降,仅为62%和60%;2.0Ma以后,呈现比较有规律的周期性波动,波动幅度也较大.4南海沉积体系深海沉积物孢粉组合受控于植物源区、传播机制、路线以及海洋水动力等条件.姚伯初之前的研究认为,南海海盆形成于早中新世,到上新世晚期,菲律宾岛弧北端与亚洲大陆发生碰撞,将陆缘抬起、压缩,形成台湾岛.大洋钻探ODP184航次所取得的南海演变的沉积证据表明:今天南海南北沉积环境的差异,在300多万年以前已经形成了与今天相似的格局.本文1145站位所研究的时间段,也正好是处于这一时间段.依据南海表层沉积物中的花粉分布,孙湘君等人的研究表明,南海北部海域绝大多数的花粉(以飞翔能力强的松属花粉及漂浮能力强的蕨类孢子占优势),其分布格局与冬季的东北风及由它驱动的洋流方向一致,冬季风及洋流为其传播的主要动力;花粉源区可能相当广阔,不仅包括北部海域毗邻的大陆及岛屿[31~33],可能还包括东部沿海地区.南海北部深海沉积物表层样品中松属花粉一般高达80%,一般视松属花粉为远距离搬运的花粉.另一类个体小,密度大的花粉类型如栎属及大多数热带亚热带植物花粉,数量由沿岸向深海递减,表明河流及沿岸流为其花粉传播的主要动力,代表近距离搬运的花粉.4.1冬季风特征及对比根据孢粉绝对数量及相对数量的变化,3.15Ma以来南海北部植被与环境在约2.58Ma和2.0Ma界限上发生过重大变化,该区植被和环境经历了3个不同发展时段.第一时段(P1,3.15~2.58Ma):花粉沉积率低是这个时段最突出的特点.在组合中,热带亚热带花粉(平均为20%)和蕨类孢子(平均为75%)百分比均为整个剖面的高值;而松属(47.8%)和温带植物花粉(12.5%)百分比为整个剖面的最低值.初步断定孢子、花粉的来源地——我国大陆的南端当时覆盖着热带森林,植物种类繁多,以常绿栎属、阿丁枫属以及山麻黄属(Trema)、天南星科和使君子科等为主,林下覆盖着蕨类及天南星等草本植物.数量众多的热带及蕨类植物指示了湿热的环境.前已提及南海北部深海沉积物中的花粉大多是由大陆吹来的冬季风携带而来,在此时段低的花粉沉积率以及低的松属花粉含量都指示了此时的冬季风在整个研究时段是最弱的.第二时段(P2带,2.58~2.0Ma):花粉沉积率突然跳跃地大幅度上升;花粉百分比显示热带亚热带花粉含量减少,尤其是阿丁枫属花粉含量降低明显.而温带植物花粉含量升高,热带亚热带山地针叶林花粉在这一时段含量也有所升高;这些都反映了2.58Ma以来,气候开始变冷,导致温带植物南移,热带亚热带植物成分减少.花粉沉积率尤其松属花粉绝对含量的升高,表明此时冬季风开始增强,可以携带来更多的风动力远距离传播的松属花粉;按照花粉组成变化可以分为两个亚带:下部2.58~2.2Ma时段,主要是榆属含量增多,此前很少出现的桤木属花粉含量也开始增加;2.2~2.0Ma,松花粉百分比上升(平均56%);温带植物百分比降低,落叶栎属为主,桤木属花粉含量开始升高,榆属含量降低;热带植被中,开始出现较多的常绿栎属花粉,阿丁枫属含量降低,此外还含有少量的山麻黄、使君子科、天南星科花粉;第三时段(P3带,2.0~0.67Ma):在2.0Ma前后,花粉沉积率又一次跳跃上升,约为第一阶段的6倍.其中松属花粉百分含量增加极为突出,最高可达80%,蕨类孢子在中下部含量为全剖面最低,在上部约1Ma以来有所升高.热带亚热带植物含量没有明显变化,组成上却有突出的改变.在P1和P2带连续出现的热带植物如山麻黄、使君子科、天南星科花粉在P3带(约1.8Ma前后),几乎完全消失,阿丁枫明显减少;同时出现一些新的热带植物类型,如山核桃属(Carya)、黄杞属(Engelhardtia)、锥栗属(Castanopsis)以及少量的血桐属(Mallotus),常绿栎类也增加明显.花粉资料显示,2Ma以来中国南部沿海地区仍然以热带亚热带植物为主,如常绿栎类、山核桃属(Carya)、黄杞属(Engelhardtia)、锥栗属(Castanopsis)、血桐属(Mallotus)、阿丁枫以及棕榈科植物.与前两阶段相比较,P3带植被的热带性质明显减弱;上述所列主要科属均可分布到亚热带,如锥栗属最北可分布到日本和韩国.高的花粉沉积率和大量松属花粉都指示了约2Ma以来冬季风加强,热带植被减少,说明这时气候明显变冷.4.2孢粉组合变化、沉积率、冬季风、夏季风南海表层沉积物花粉研究表明,南海北部海域深海沉积绝大多数的花粉(以松、罗汉松及蕨类孢子为主)是以冬季爆发的东北风及由其驱动的洋流为主要传播动力.其中松属在中国大陆南部及东南沿海均有分布,松属花粉产量很高,易于传播.一般早春花开正值冬季风及洋流尚且强劲之时,大量松粉可随冬季风及洋流由台湾海峡及巴士海峡进入南海.北部海域大量孢粉由冬季风及洋流为主要动力的推断,还可以从沉积过程得到证实.沉积捕集器研究沉积物颗粒通量的结果表明,南海北部垂直通量及陆源物通量的最高值出现在冬季11~1月,说明陆源物质主要是由冬季风和洋流通过北部海峡带入.海平面变化会引起岸线变化,进而引发花粉源区与沉积地点的距离变化,在一定程度上也会影响到松属花粉沉积率的变化.ODP1144站位深海沉积物孢粉组合变化显示,在MIS2,4,6期草本植物花粉含量较高;而在150ka(MIS6期)之前的各次冰期中,草本植物花粉含量并不高.Sun等人对ODP1144站位松属花粉与草本植物花粉含量比值(H/P)的研究认为,大约150ka(MIS6期)以来南海北部才形成广阔的大陆架,与我国沿海平原MIS5期以来才有明显的海侵记录对应.而在MIS6期以前,南海北部陆架范围较窄.与ODP1144站位研究结果一致的是,整个ODP1145钻孔剖面(3.15~0.67Ma时段),草本植物花粉含量很低,基本低于10%,一方面是因为与ODP1144站位相比,ODP1145站位离岸相对稍远;另一方面,与南海北部在3.15~0.69Ma时段尚未形成宽广的大陆架有关.Sun等人[22~24]利用总的乔木花粉沉积率和蕨类孢子与花粉的比值分别作为冬、夏季风的替代指标讨论了过去1Ma以来植被和季风演化的历史.考虑到乔木花粉总沉积率包括相当数量的近距离搬运的花粉,其搬运动力主要为河流及沿岸流;而松属花粉为远距离搬运的花粉,冬季风及其所驱动的洋流为其传播的主要动力,冬季风越强,沉积物中花粉(尤其是松属花粉)的绝对数量越多,因此利用松属花粉沉积率变化可能更能反映冬季风强度的变化.从图6可以看出,花粉沉积率有2次跳跃式的增加,第一次约在2.6Ma,第二次发生在2.0~1.8Ma时段;黄土红黏土序列研究所揭示的冬季风在2.6Ma前后开始加强;南海北部深海沉积物有孔虫氧同位素记录的分析也揭示了大约在2.7Ma前后全球冰量达到现在的水平;ODP1145站位孢粉沉积率在2.6Ma前后跳跃式的增加,应该与北半球冰盖形成以及全球冰量增加[8~10]有关;各大洋与非洲大陆的研究也都发现,2.0Ma前后,海洋环流、古生产力、季风系统以及北半球冰盖都发生了很大变化.北大西洋深层水在2.0Ma前后逐渐变浅,导致冰期时经向热传递减弱,可能与巴拿马地峡隆起有关;印尼海道的最后关闭,导致纳米比亚岸外表层海水在2.1~1.9Ma期间降低,南非大陆的人出现以及适应干旱环境的哺乳动物的出现;1.8Ma前后印度洋表层海水生产力的增加可能与此时南亚季风的强化有关.在2.0~1.8Ma,ODP1145站位花粉沉积率再次明显升高说明冬季风进一步增强,可能与此时全球冰量增长有