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晚第四纪被约100 ka的周期划分为一系列冰期—间冰期旋回,并被许多气候记录所证实[1⁃3]。为深入理解气候旋回中冰期向间冰期转换（简称冰消期）的机制,需要借助高分辨率气候信息载体对各个冰消期内部结构进行深入剖析[4]。倒数第三次冰消期（简称“倒三冰消期”）由于时段较老、测年精度与分辨率较低等原因,相对末次、倒二冰消期而言研究尚不够充分。湖北省永兴洞石笋以可靠的U/Th年龄、清晰的纹层重建了245 ka左右高分辨率δ18O气候变化序列,在倒三冰消期发现了类似于末次冰消期的千年弱季风事件,简称“类YD事件”[5]。本研究将辅以石笋δ13C、纹层生长直径、岩性等多种指标,以期进一步完善倒三冰消期气候演变细节,揭示完整的环境演化信息,为气候机制探索提供有力支撑。
近年来,石笋δ13C在重建局域生态环境演化过程中得到了进一步发展。印度Valmiki洞末次冰消期石笋氧碳同位素比对表明δ13C能够反应局域植被变化,并与水文气候条件存在密切联系[6]；江西神农洞的两支晚全新世石笋δ13C与微量元素序列表明δ13C主要反映了洞穴上覆植被的变化过程[7]；综合比对石笋SN17和JL1的氧碳同位素记录发现4.3~3.0 ka厄尔尼诺频率发生改变,且δ13C指示的局域环境可能受水文气候调控[8]。仍有诸多研究证明石笋δ13C能够指示区域生态环境的演化过程,可以作为研究季风降水变化的辅助指标[9⁃10]。
石笋纹层由于能够为更老时段的气候研究给予精确的年代学支持[11],同时还可以提供高分辨率气候变化信息[12],因此越来越引起关注。已有研究表明,石笋纹层作为一种常见的岩溶沉积形态,能够响应于气候和环境的变化[13]。这是因为,不同时期洞穴滴水条件的变化可能使石笋纹层形成明暗交替的沉积韵律[14]。相关指标中,石笋纹层类型[15]、厚度[16]、灰度[17]、沉积学特征[18]等指标已有了初步研究,但有关石笋纹层生长直径的研究却较少。其实,Franke[19]早在1965年就提出,石笋生长可能与当地的降水量之间存在着一定的关联。石笋生长模拟研究结果也显示石笋生长形态可能受到洞内温度、滴水速率、CO2等因素的影响[20]。而纹层生长直径作为石笋形貌学上的重要特征,理论上也能够反映石笋发育状况及其与降水的关系。例如,湖北清江和尚洞HS4石笋顶部35 cm的生长直径与研究区的洪涝频率存在相关性[21],进一步说明石笋纹层生长直径可以作为降水替代指标。
基于此,本文对一支采自湖北永兴洞石笋（编号：YXB）进行碳同位素、石笋纹层生长直径和岩性特征分析,重建倒三冰消期亚洲季风气候变化序列,进一步丰富和完善对亚洲季风冰消过程特征和机制的认识。
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永兴洞位于湖北神农架地区保康县歇马镇东10 km处（图1a）,其经纬度为31º35′3.7″ N,111º14′42.3″ E。该地区属扬子准地层区的大巴山—大洪山分区,以山高、坡陡、谷深为主要特征,石灰岩分布广泛,山势峭拔。该地区属于亚热带季风气候,主要受亚热带气候环流系统控制,大部分地区年霜期超过200天,且具高山气候的特点[22]。
Figure 1. Location of Yongxing Cave (a) and the inner condition of Yongxing Cave[5] (b)
永兴洞洞口海拔约800 m,洞穴发育在奥陶纪石灰岩地层中,上覆岩层厚约50 m,洞穴上覆植被茂盛,以多年生木本植物（C3）为主。2016年1—9月监测结果显示,洞内温度约稳定在14.3 ℃,相对湿度接近100%,洞穴环境稳定[23]。本研究使用的石笋YXB采于II号洞厅（图1b）。前期研究已经表明石笋生长所依靠的洞穴滴水直接来自上部地表降水的下渗,无其他外缘水的混入,因此石笋能直接记录洞穴上部的气候和生态环境信息[24]。
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石笋YXB长约403 mm,宽约110 mm,呈长柱状,外层风化状表皮为浅褐色,似覆盖一层黏土薄膜。沿石笋生长轴切开后,发现石笋距离顶部40~403 mm的部分生长轴未发生较大偏移,表明滴水中心基本稳定,为本次研究的主要部分。其剖面上可见次毫米级层厚的纹层,清晰而平直,弯曲弧度小,因而有利于减小在直径测定中产生的误差。
通过进一步观察,石笋YXB 40~403 mm的部分可以再细分为4个小段（图2）。其中：D段（40~207 mm）中的石笋纹层生长直径明显较短,且以烟灰色透光纹层为主；B段（256~338 mm）与D段存在较为明显的差别,主要表现在石笋纹层生长直径较长,发育大量白色不透光纹层；而C段（208~255 mm）、A段（339~403 mm）两段的纹层生长直径平均长度较D段大、但比B段小,烟灰色透光纹层和白色不透光纹层交替出现。
Figure 2. Profile and layers of stalagmite YXB
石笋YXB同位素样品采集与测试由南京师范大学洞穴同位素实验室完成,处理详情见文献[5]。石笋纹层生长直径的测定采用Muñoz-García et al.[25]提出的方法,即利用同一生长层上的顶面和左右两边的破发点限定碳酸盐晶体的生长区域,从而确定纹层生长直径。研究依据此方法使用游标卡尺,对YXB石笋的纹层生长直径进行测量,结果保留两位小数,分辨率为1 mm,最终共测得364个石笋纹层生长直径数据。
1.1. 研究区域与洞穴概况
1.2. 材料与方法
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陈仕涛等[5]以U-Th测年结果为框架、纹层统计结果为基础,结合石笋δ18O建立了倒三冰消期亚洲季风年纹层时标。此次研究进一步分析δ13C、石笋纹层生长直径以及石笋岩性特征变化,并探究它们与δ18O的关系。考虑到该石笋顶部可能存在沉积间断,本文主要对石笋40~403 mm连续生长部分进行分析。石笋YXB的δ13C、纹层生长直径随深度变化序列如图3所示。
Figure 3. Oxygen, carbon isotope, and laminae growth diameter with depth of stalagmite YXB
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整段记录中石笋δ13C的变化范围是-9.83‰~-12.97‰,均值为-11.37‰,振幅为3.14‰。总体上,将石笋δ13C与δ18O进行比对,发现二者相关性较好,且均表现出逐渐负偏的趋势。从细节对比看,石笋δ13C与δ18O在A、C、D段变化趋势比较相似,而在B段存在差异。具体而言,A段δ13C围绕-10.57‰震荡,振幅是1.37‰,变化幅度较δ18O小；B段与δ18O正偏并围绕一个均值上下波动不同,本段δ13C从-10.31‰变化到-12.18‰,持续负偏；C段δ13C从-11.46‰负偏到-12.79‰,变幅为1.33‰,与B段类似,因此从这个层面上讲,δ13C在C和B中可以视为连续变化的一段；D段δ13C围绕均值-12.17‰上下震荡,变化幅度为1.91‰与A段类似。
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整段记录中YXB纹层生长直径在3.88~8.14 cm内变化,均值是5.91 cm,并且其变化与石笋岩性密切相关,表现为白色不透光层的纹层生长直径整体上长于烟灰色透光层的纹层生长直径。相比δ13C,纹层生长直径序列与δ18O变化更相似,即δ18O负偏时,YXB纹层生长直径较短,而δ18O正偏时,YXB纹层生长直径相对较长。具体而言,A段YXB纹层生长直径变化与δ18O、δ13C类似,均值为5.77 cm,对应的岩性变化为一系列的烟灰色的透光层与白色的不透光纹层交替出现；B段中石笋纹层生长直径平均值为7.28 cm,为整个石笋纹层生长直径最长的部分,变幅为1.86 cm,对应的岩性变化为白色的不透光纹层夹少量的透明层,响应δ18O同步变化,而与δ13C相关性不明显,表明石笋纹层生长直径所传达的信号可能与δ18O存在联系；C段纹层生长直径变化趋势与δ18O、δ13C一致,为转型期,从7.61 cm变小到5.76 cm,其岩性与A段类似,夹杂两种不同岩性的纹层；D段纹层生长直径平均值是5.14 cm,且发育了大量烟灰色透光纹层,质地纯净,是整个记录中纹层生长直径最短的部分,与纹层生长直径较长、以白色不透光纹层为主的B段形成鲜明对比,暗示这两个阶段的石笋生长状况存在较大差异。
2.1. 石笋δ13C序列
2.2. 石笋纹层生长直径序列和岩性变化
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石笋YXB生长覆盖时段为241.00~245.70 ka,大致对应于倒三冰消期。和石笋ZLP2 δ18O记录的末次冰消期气候变化过程[26]类似：在北高纬夏季太阳辐射升高的背景下[27],亚洲季风在倒三冰消期的245.70~245.20 ka进入一个季风增强阶段,相当于末次冰消期的BA暖期,这里称之为类BA暖期；随着δ18O正偏进入明显的季风减弱阶段,持续了1 371±59 a,和末次冰消期的YD事件非常相似,这里称为类YD事件；之后气候经历74±4 a转型,δ18O负偏进入MIS 7e阶段（图4）。
Figure 4. Comparison of T I and T III
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轨道尺度上,石笋YXB的δ18O、δ13C序列呈现大致相同的变化,伴随北高纬夏季太阳辐射升高,δ13C与δ18O均经历了较为明显的负偏,表明δ13C响应了倒三冰消期气候变化。诸多研究表明,石笋δ13C的变化主要反应在温度降水等气候因子控制下的局域植被、土壤和洞穴环境的状况[28⁃29]。伴随冰消过程的进行,趋于良好的水热条件有利于C3植物发育,导致C3/C4植被类型比例增大,进而使δ13C负偏[30]。相比于寒冷干燥的环境,冰消期中局域植物发育状况逐渐变好,密度增大、呼吸作用变强、土壤微生物更加活跃、生产率提高,导致土壤中pCO2升高[31],最终使得石笋δ13C偏负,上述结果也得到了盘龙洞石笋[32]和现代监测结果[33]的支持。此外,洞穴环境也能够通过PCP作用、洞穴通风条件等因素影响石笋δ13C。尤其是在亚洲季风较弱、气候相对干旱的条件下,裂隙中的岩溶水易达到饱和,使得CO2逸出,发生先期沉淀,导致石笋δ13C增大[34],这与YXB所记录冰消期伊始δ13C偏正的结果是一致的。现代监测还发现洞穴通风状况可以通过影响滴水中CO2溢出速率使δ13C发生偏移[35],但永兴洞监测结果显示本研究采样区的洞穴环境较为稳定[23],说明YXB的δ13C能够反应较为纯净的环境演化信号。上述论述表明在轨道尺度上,YXB δ13C指示的局域气候和生态环境响应了冰消过程。
千年尺度上,发现石笋YXB的δ13C在倒三冰消期对δ18O记录的类YD事件没有明显响应,而是呈现出持续负偏的状态。可能是由于局域生态环境状况对千年尺度气候突变事件响应不敏感而导致的。轨道尺度冰期旋回产生的温湿差异显著,能够使赤道太平洋海表温差高达5 ℃[36],尤其在大陆或中高纬地区温差甚至更大,极有可能对生态环境状况造成巨大影响[37]。相对而言,千年尺度上温度、降水等气候要素变幅较小,使得代表局地植被土壤状况的δ13C指标对气候的响应相对较弱。例如,同一洞穴石笋YX55记录的末次冰期中,石笋δ13C虽然响应于δ18O指示的H事件和DO旋回,碳同位素的波动幅度普遍较小[17]。特别是在YXB记录的冰消过程中,尽管δ18O显示在类YD事件内东亚季风衰弱,但在倒三冰消期内北高纬夏季太阳辐射不断升高[27]、南极Vostok冰芯中记录的CO2总量升高[1]等大背景下,局域植被生长获得了较好生长条件的支撑,使得洞穴上方的生态环境状况并没有发生显著改变,最终导致δ13C对叠加在冰消期内的气候事件的响应不明显。这类δ13C对突变事件响应不明显或滞后的情况也存在于其他冰消期[26]。此外,热带印度洋SST[38]、西太平洋暖池初级生产力[39]等均对YD事件没有明显响应,说明在全球升温的气候背景下局域环境发生显著变化的概率降低。
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与δ13C对δ18O的响应不同,石笋YXB的纹层生长直径不仅在轨道尺度上与δ18O基本一致,而且在千年事件以及一些细节上均与δ18O对应良好。对比石笋YXB的δ18O和纹层生长直径序列发现,当气温升高、降水增多时,石笋YXB的生长纹层生长直径变短,反之亦然。例如,类YD事件的δ18O为整段记录中最偏正的部分,这一范围内的平均纹层生长直径也是整段石笋中最长的部分,达7.28 cm。相反,伴随冰消期结束,进入MIS 7e阶段,δ18O相比于类YD期负偏2.27‰,石笋的平均纹层生长直径也随之减小,仅有5.14 cm,与类YD事件形成了鲜明对比。上述变化与石笋沉积的机理有关。已有研究表明,石笋的沉积经历了气—水—固三相系统的运行过程,CO2在三相开放系统中的转相是岩溶作用向溶解或沉积方向进行的主要驱动力[15]。而滴水速率、洞穴内部pCO2等要素能够对CO2的脱气过程产生显著影响[40],进而控制碳酸盐的沉积情况。从永兴洞现代监测结果可以看出,洞穴滴水速率与外部降水量存在密切关系[23],故而,石笋YXB的直径应当反映了区域降水量与洞穴沉积环境的变化。在倒三冰消期中,伴随亚洲季风的增强,降水量显著增加,导致洞穴滴水速率变快。但过短的滴水间隔可能导致石笋表面水膜中的CO2没有足够时间释放,使得碳酸盐沉积减少[41]、石笋纹层生长直径变短,而较为寒冷干燥的类YD事件内则恰好反之。此外,当水热条件较好时,洞穴上覆土壤中微生物活跃,土壤内部pCO2增大[42⁃43],雨水将这部分CO2淋滤进岩溶系统[38],则会使洞穴内部pCO2升高。而过高的pCO2并不利于岩溶水中CO2脱气,导致石笋生长受限,类YD事件内则反之,这一结果与石花洞的现代监测结果一致[44]。这同时说明,使用石笋纹层生长直径作为古气候替代指标时,需要考虑影响碳酸盐沉积的各类因素,结合多指标分析方法,综合讨论。
与石笋纹层生长直径类似,石笋YXB的岩性也响应了倒三冰消期及其中的类YD事件,且在细节对应上也有一定可比性。对比石笋YXB的δ18O序列和岩性发现,在类YD事件对应范围中,YXB发育了大量白色不透光纹层；相反,在较为温暖湿润MIS 7e对应范围内,YXB发育了大量烟灰色透光纹层,白色不透光纹层显著减少；而在二者的过渡时段范围内,则表现为白色不透光纹层与烟灰色透光纹层交替出现。这一现象与石笋中的杂质含量的差异有关。由于石笋中杂质的多少受到不同气候条件下降水的多寡以及洞穴上覆土壤的发育程度所制约,所以石笋YXB的岩性变化应当记录了区域古气候和古环境演化。降水量能够通过影响岩溶水的滞留时间控制杂质含量。永兴洞现代监测表明[23],冬季下渗水会带来一定量杂质,特别在降水较少的条件下,由于地表雨水在土壤带和渗滤通道滞留时间较长[45],可能夹带更多杂质进入石笋,这与YXB记录的类YD事件类似。汪永进等[46]也发现南京葫芦洞石笋中乳白色层段对应于气候条件比较干冷时期（如YD和H事件）。洞穴上覆土壤发育程度能够影响其对杂质的过滤能力,进而控制进入岩溶系统杂质的含量。对于石笋YXB而言,当类YD事件所引起的气候波动干扰超过了土壤所能维持自身稳定变化的阈值,可能导致洞穴上覆土壤退化。这时,石笋母液所携带的杂质会直接经过岩石孔隙构成的渗水通道向下渗透[17],形成杂质含量较高的白色不透光纹层。而MIS 7e内水热条件好,土壤发育程度高,过滤作用强,能够进入岩溶系统的杂质相对较少,从而形成了石笋YXB的烟灰色透光纹层。此外,YXB的岩性变化对类YD事件的内部结构也进行了非常清晰的响应,表现为烟灰色透光纹层、白色不透光纹层的沉积旋回,且纹层生长直径长短也有相应变化。这一特征在MIS 7e、类BA暖期中也有体现,说明石笋的岩相学特征能够记录同一气候状态下的次一级变率。
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为进一步研究倒三冰消期内部的气候变率,在对石笋YXB的δ18O、δ13C与生长纹层生长直径数据使用Change Point去趋势后,利用Past 3软件进行功率谱分析,结果显示石笋YXB的三个指标均存在系列百年、年代际的周期信号（图5）。其中,δ13C的周期变化相对更为明显,主要有522 a、261 a、130 a、80 a共4个周期成分超过80%置信度,与殷自强等[47]采用EMD对全新世石笋、冰芯δ18O和树轮Δ14C含量变化进行分析发现的百年尺度周期波动具有相似性。上述部分周期也存在于石笋δ18O与生长纹层生长直径中,但其周期信号不如δ13C分解成果清晰,这可能是由于δ13C所指示的局域土壤、植被生产力放大了初始信号所导致的[48],上述结果同时说明了δ13C是研究气候变化对古生态影响的有力指标。
Figure 5. Power spectral analysis of stalagmite YXB δ18O, δ13C, and laminae growth diameter
百年尺度上,522 a周期在石笋YXB的δ13C与生长纹层生长直径中均有体现。曾雅兰等[49]对640 ka以来长时间序列石笋δ18O进行分解,发现亚洲季风中存在500 a的百年尺度变化。Champan et al.[50]使用北大西洋NEAP15k岩心亮度作为北大西洋深层水循环的指标,发现其也存在显著的550 a周期。YXB的δ18O也有类似的百年尺度变化,这可能是由于北高纬的气候信号通过西风带影响东亚季风强度,进而导致土壤、植被生产力改变所产生的。此外,223 a与139 a、261 a与130 a、145 a周期信号分别存在于YXB的碳氧同位素和纹层生长直径记录中,分别与太阳活动中的205 a与120 a[51⁃52]、大气Δ14C序列中的229 a与121 a[53]准周期对应,说明东亚季风、土壤植被和岩溶系统能够在百年时间尺度上响应于太阳活动变化。类似的分解周期也存在于杨少华等[54]基于EEMD分析的全新世石笋氧碳同位素中。
年代际尺度上,YXB的碳氧同位素中存在70~80 a周期,而这一结果与Huggett[55]于20世纪提出由于太阳直径的扩张和伸缩变化产生的80~90 a太阳活动周期相契合。由于YXB纹层生长直径的数据测定密度较氧碳同位素高,分辨率达14 a,能够揭示更短尺度的年代际气候变化,故而分解出56 a、30 a两个周期,其中56 a周期与Wang et al.[56]从末次间冰期石笋中分解出的60 a周期极为相似。Nagovisyn[57]认为70~80 a、120~130 a是太阳活动的主导周期,而模拟结果显示太阳活动60 a周期较为微弱,可能难以直接对地球气候产生显著影响[58],但是具有近60年周期的变化特征的AMO（北大西洋多年代际涛动）可能通过海气耦合对亚洲季风产生影响[56]。此外,30 a周期与杨少华等[54]分解出的29 a周期一致,其中可能也存在太阳活动、海汽相互作用之间类似的耦合关系。
3.1. δ13C对气候变化的响应
3.2. 石笋纹层生长直径和岩性特征对气候的响应
3.3. 倒三冰消期季风气候周期分析
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通过对永兴洞石笋YXB进行δ13C、纹层生长直径测定和岩性分析,并与δ18O数据比对,得到以下结论。
（1） 石笋δ13C在整体上与δ18O变化大致相同,说明洞穴上覆生态环境在轨道尺度上受控于冰消过程。但δ13C对δ18O记录类YD事件几乎没有响应,可能是由于在冰消期回暖大背景下,局域生态环境受气候事件影响较小所致。
（2） 石笋纹层生长直径和岩性变化无论在轨道尺度还是千年尺度上,都与δ18O变化一致。石笋纹层生长直径变化与降水密切相关,因而石笋纹层生长直径可能是一个有效降水的替代指标,有望在石笋古气候的研究中得到应用。
（3） 功率谱结果显示,石笋YXB记录中存在522 a、223~261 a、130~145 a、73~82 a、64 a、30 a等周期分量,与太阳活动、海气相互作用等周期接近,并有可能受到二者耦合的影响。此外,3个指标当中δ13C的周期最为显著,可能是由于局域土壤放大了百年—年代际气候变率信号所致。
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