DOI: 10.16562/jki.0256-1492.2021031603
西沙岛东岛湖泊沉积记录的近1 000年来热带降雨与人类活动历史
张玲，杨小强，商圣潭，张庭伟，李冠华，阮骄杨
中山大学地球科学与工程学院，珠海 519000
摘要：近1000年来区域气候变化模式的研究，是在人类活动与自然变率双重影响因素之下，正确预测和评估未来气候变化趋势的基石。众多的气候载体和代用指标, 揭示了热带海洋和季风变化等对中国不同地区气候的影响，但是关于热带区域的降雨特征与季风活动的关系仍然未有清晰的答案。本文选择西沙岛东岛的牛塘湖泊，以湖泊沉积物的粒度组分含量和环境磁学参数为替代指标，探讨公元1000—1700年热带区域降雨变化规律及岛礁上记载的人类活动历史。结果表明，东岛的降雨受ENSO 活动和热带辐合带移动的双重影响，ENSO 的频繁活动和热带辐合带向南回撤均会促使热带区域降雨的增多，这一变化与季风气候呈现反向模式。岛上人类活动强盛时期发生在南宋和明代晚期，该时期区域降雨较多，气候湿润。同时，公元1000—1200年和1450—1600年在中国北方发生的两次强沙尘暴事件，在西沙岛也有相应的记录，反映了北方粉尘物质在空气中长距离运移和沉降的模式。
银行贷款需要什么手续和证件关键词：热带降雨；人类活动；粉尘记录；东岛湖泊中图分类号：P532 文献标识码：A
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Tropical rainfall variations and human activities of last 1 000 years recorded by lake deposits on the Dongdao Island, Xisha Islands
ZHANG Ling, YANG Xiaoqiang, SHANG Shengtan, ZHANG Tingwei, LI Guanhua, RUAN Jiaoyang
Department of Earth Sciences and Engineering, Sun Yat-sen University, Zhuhai 519000, Guangdong, China.
Abstract: A series of paleoclimate researches have been made in the South China Sea for the past 1000 years, that provided the insights to the understanding of regional climate change pattern and served as the basis to predict and evaluate the future trends of climate change under the joint actions of the human and the nature. Numerous natural archives and proxies are adopted to reveal the climate changes in different regions of China influenced by monsoon and tropical ocean processes. However, due to the lack of high-resolution climate records, our knowledge about the link between precipitation patterns and monsoon variability remains incomplete, particularly in the tropical region. In order to study the rainfall patterns and the history of anthropogenic activities in tropical zones during the time of AD 1000—1700, we studied such proxies as grain-size distribution and magnetic parameters collected from the sediments of the Cattle Pond on the Dongd
ao Island of the Xisha Islands. The results show that the precipitation on the Dongdao Island is mainly influenced by ENSO activities and the movements of the Intertropical Convergence Zone. Both of the factors will increase rainfall in the study area, which is opposed to the pattern of the Monsoon system. Human activities on the island were vigorous during the Southern Song Dynasty and the Late Ming Dynasty when the climate is humid and rich in rainfall. There are two periods characterized by sandstorms occurred in northern China during the time of AD 1000—1200 and AD 1450—1600respectively in the Xisha Islands, reflecting the long-distance migration and precipitation of dust by air.Key words: tropical rainfall; human activity; dust record; Dongdao lake
在有人类历史记载以来，气候变化模式与人类活动的相互作用备受关注。比如最受人们关注的中世纪暖期和小冰期等时期的温度和水文变化，无
数科学家已进行了大量的研究，但在区域空间变化特征和动力机制等方面，目前仍然是国内外学者讨论的焦点[1-3]。已有的研究表明，热带辐合带的南北
资助项目：广东省重点基金项目“晚更新世以来南海南部深层洋流演化特征”（2018B030311064）；中山大学科研培育专项项目“典型岛礁三维地质结构构建及其地质灾害评估”
作者简介：张玲（1994—）女，硕士研究生，主要从事第四纪地质与环境研究，E-mail ：*************
*******.edu 通讯作者：杨小强（1972—）男，教授，博士，主要从事古地磁学和第四纪地质研究，E-mail ：****************.edu 收稿日期：2021-03-16；改回日期：2021-04-13. 文凤英编辑
ISSN 0256-1492海 洋 地 质 与 第 四 纪 地 质
第 41 卷 第 3 期CN 37-1117/P
MARINE GEOLOGY & QUATERNARY GEOLOGY
Vol.41, No.3
移动[4-5]、海陆热力差异[6]和ENSO活动的强弱[7]等，是影响亚洲季风区和热带区域千年以来不同降雨格局的主要因素[7-9]，但亚洲季风动力学复杂的控制过程和多变的内在机制使得上述观点仍存在争议，尤其是类厄尔尼诺和类拉尼娜现象对中国北方、南方、东南亚和西太平洋等不同区域降雨时空模式的影响存在诸多的不确定性[6-7,10-12]。
历史时期，这些不同的气候条件直接影响了区域的生态系统、农业发展、人口密度、人口迁徙和文明演变[13-16]；而另外一方面，在某些情况下，强烈的人类活动也可能会影响环境的变化，导致水土流失、土地荒漠化[17-19]以及沙尘暴频发等恶劣气候的出现[20]。虽然区域内气候变化与人类活动关系的探究已屡见不鲜，但二者之间的响应在宏观地理尺度上的联系仍知之甚少。
本文选择西沙岛的东岛牛塘湖泊近1 000年以来的沉积物，以珊瑚砂粒度组分含量和环境磁学参数为替代指标，讨论热带区域百年时间尺度的降雨变化和可能的人类活动历史，并通过对比中国北方近千年以来的强沙尘暴记录，探讨中国北方粉尘事件传输至低纬度区域的可能性及其区域气候响应特征。
1 研究材料与方法
1.1 采样位置与样品描述
东岛（16°39′～16°41′N、12°43′～112°45′E）位于西沙岛东部（图1），是一长椭圆形的热带珊瑚岛屿，发育在独立的礁盘上，大约形成于全新世晚期，海拔3～6 m。东岛四周高，中间低，其东、南、西部均被沙堤包围，沙堤高约6 m；沙堤之内是平坦的盆地，海拔约3 m。牛塘是东岛内部一个长约120 m、最宽约20 m的淡水湖，位于岛的西南侧，距离海边的沙堤约120 m[21]。
2018年在牛塘湖泊的东南部以重力活塞取样的方式钻取了3条长约80 cm的钻孔（图1），编号分别为DD、DD-1和 DD-2，本文主要研究钻孔DD-1。
图 1 西沙岛、采样钻孔及公海湖位置
a. 西沙岛以及公海湖的位置（黑方框为西沙岛的位置，红圆点为公海湖的位置）;
b. 东岛的位置（黄方框为牛塘湖泊的位置）;
c. 钻
孔位置（黄虚线为牛塘湖泊大体边界，红方块为钻孔位置）。
Fig.1 Map of Xisha Islands and Gonghai Lake showing the location of the boreholes
a. The location of Xisha Islands and Gonghai Lake (the black box is the location of Xisha Islands and the red dot is the location of Gonghai Lake);
b. The location of the Dongdao Island (the yellow box is the location of Cattle Pond);
c. Borehole location (the yellow dotted line is the boundary of Cattle Pond, the
red square is the drilling location).
第 41 卷 第 3 期张玲，等：西沙岛东岛湖泊沉积记录的近1 000年来热带降雨与人类活动历史183
钻孔顶部约5 cm的沉积被严重扰动，取样时没有保存。钻孔整体岩性为珊瑚砂，顶部为浅灰至灰褐的黏土质珊瑚较粗砂，含动物粪便纤维、植物残体以及微体生物，中部为浅灰褐细粒砂质沉积物，底部为淡黄较粗粒砂质沉积物，含白珊瑚、贝壳碎屑较多。诺珉宇女友
1.2 实验方法
对DD-1钻孔以0.5 cm为间隔进行连续取样，共采取样品124个。从每个样品中取2 g左右用聚乙烯保鲜膜包裹，置于规格为2 cm×2 cm×2 cm的无磁性塑料盒中，压实固定后用于磁学参数测量；同时采取平行样品冷冻干燥，充分分散之后进行沉积物粒度测试。
对所有盒装样品进行如下环境磁学实验。首先在卡帕桥MFK1-FA磁化率仪进行高、低频磁化率测试，测试频率分别为15 616和976 Hz，场强为200 A/m。对测量完磁化率的所有样品，施加80 mT 的交变场和0.05 mT的直流场，测量非磁滞剩磁（ARM）；之后，对样品分别施加1 000、–100和 –300 mT 的脉冲场，测量相应的等温剩磁（IRM），两项实验均利用2G-760 超导磁力仪测量。1 000 mT场强时的剩磁视为饱和等温剩磁（SIRM）。用（SIRM+IRM−300mT）/ 2计算得到HIRM, 一般表示样品中赤铁矿的含量，S300=（IRM−300mT/SIRM）一般表示样品中高矫顽力矿物的相对含量（IRM−300mT指的是−300 mT时的剩磁），ARM/SIRM表示磁性矿物粒度的相对大小。根据SIRM的变化，分别选择其高、低值处的代表性样品进行磁滞回线以及磁化率随温度变化的实验，识别磁性矿
林志玲假胸物的类型。磁滞回线在MicroMag3900振动磁强计完成，最大磁场为1 T。磁化率随温度变化实验在MFK1-FA磁化率仪完成，温度区间为室温至700 °C。
采用振动筛析法对样品进行粒度分析。将冻干分散后的样品置于分析筛上，充分振荡进行筛分。筛子直径分别为5、2、1、0.5、0.25、0.125、0.063 mm，分别对筛分后各个粒级的物质进行称重。
ARM和IRM实验在中国地质大学（武汉）古地磁实验室完成，其他实验在中山大学地球科学与工程学院磁学实验室进行。
2 钻孔沉积物年代框架
在3个钻孔中挑选粒径＞0.125 mm的底栖有孔虫、植物种子和贝壳共20个样品，加入500 μL乙醇放置在超声波振荡仪中清洗30 s，并用纯水清洗之后，送往Beta实验室进行AMS 14C测年，测量结果见表1。测年数据用Calib 704软件校正至日历年龄，由于东岛“牛塘”为淡水湖泊，校正曲线采用Intcal 13。
由表1可见，3个钻孔的测量年龄均存在倒转现象，甚至同一层位植物种子和有孔虫的年龄也存在很大差异。为建立可靠的沉积物年龄模式，首先基于沉积物岩性和磁化率的变化，对3个钻孔进行对比，确定不同钻孔沉积物的对比方案，然后对3个钻孔的年龄进行综合分析，挑选合适的测年数据进行年龄框架的重建。3个钻孔为相邻的平行钻孔，岩性变化代表了相同的沉积过程，而磁化率的相对大小
吴妍书 李章宇热恋变化是岩性变化的良好反映。以显著的岩性变化为标志、以磁化率值的高、低变化为可对比层位，建立3个钻孔沉积物的分布模式（图2）。根据3个钻孔磁化率的对比，DD-1钻孔21.5 cm和50 cm两个层位的测量数据900±30 a、700±30 a应该为异常数据，在建立年龄模式时删除。根据前人对在同一湖泊沉积顶部210Pb的测量结果，顶部约13 cm 的沉积年代为1861—2003年，约20～21 cm处的AMS14C年龄为1476—1661AD（2 sigma）[22]。可能由于打钻过程中的压实作用，DD-1钻孔在约10 cm 处的AMS14C测年结果与前人在20～21 cm处的基本相同，沉积厚度减小一半，估算近100年来的沉积可能只有约5～6 cm厚。而在打钻的过程中顶部约5 cm的样品由于扰动未取样，故无法对沉积钻孔顶部进行年龄限定。对DD-1钻孔其他数据，使用基于R语言的Bacon程序建立年龄-深度模型（图3）[23]。
3 实验结果
3.1 沉积物粒度分布及湖泊水动力条件变化
沉积物颗粒物质主要为珊瑚砂，含有介形虫和有孔虫等微体生物。通过体视显微镜观察，当有机质含量高时，微体生物含量低，而当珊瑚砂等含量高时，微体生物的含量也相对增加，其在珊瑚砂中的占比基本不变。从测试结果可见（图4），沉积物主要为1～0.063 mm的珊瑚砂（平均含量约81%），仅有个别样品存在＞5 mm的成分，＜0.063 mm的珊瑚砂含量低于25%。5～0.125和＜0.063 mm两个端元的组分呈相反的变化趋势，代表了两种不同的水动力条件。前者表示水动力条件较大，后者表示水动力条件较小。水动力条件的变化可以分为
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3个过程，即公元1000—1100、1100—1400年和1400年之后，水动力从强-弱-较强的变化。
3.2 磁性参数与碎屑物质输入量变化
典型样品的磁滞回线结果表明，沉积物中磁性矿物类型的变化分为两大类（图5）。第一种类型的沉积物具有软磁性物质主导的磁滞回线特征，在200 mT时可以达到闭合，矫顽力（B c）为9～17 mT，这种类型的沉积物具有较高的SIRM值；而另一种类型为抗磁性物质主导，饱和磁化强度（M r）为负值，这种类型的沉积物具有很低的SIRM值。平行样品的磁化率随温度变化曲线进一步表明，对第一种类型的沉积物，加热曲线的磁化率在约585 °C有明显的快速衰减，表明了磁铁矿的存在。两种类型的沉积物（顶部具有最高SIRM值的沉积物除外）加热曲线在200～400 °C之间随温度升高磁化率均显著下降，有可能是样品中的抗磁性物质随温度变化对磁化率的影响加大，但不能排除沉积物中可能含有磁赤铁矿。冷却曲线在约585 °C有明显的升高，之后变化相对平缓，其值低于初始磁化率值，或者基本相等，表明在加热过程中没有明显的新的磁铁矿产生，样品中磁铁矿的信息应该来自原始沉积物。
非磁滞剩磁（ARM）和饱和等温剩磁（SIRM）表示沉积物中磁性矿物浓度的变化，前者对稳定单畴的细粒物质更为敏感[24]。柱状剖面中，磁性参数最显著的变化在约1 600 AD 之后，SIRM和HIRM比前期高两个数量级以上，显示磁性矿物浓度的快速增加；S300比值保持在0.9以上，没有明显的降低，
ARM/SIRM减小，表示磁性矿物的类型没有发生大的变化[25]，粒度有所变粗[26]。SIRM另一比较明显的较高值发生在1 120—1 250 AD，同样ARM/SIRM也减小。这两处磁性参数明显变化的时期，反映了陆源的碎屑物质输入量增加，与中国历史文献记录中强风尘天气发生频次较高的记录一致[27]，该时期伴随着湖泊粗颗粒物质的减小。整个钻孔中沉积物（SIRM+IRM-100mT）/SIRM与HIRM/SIRM呈现基本
表 1 DD-1、DD-2和DD钻孔样品AMS 14C年龄测定结果
Table 1 AMS 14C dating results of core DD-1, DD-2 and DD
钻孔样品编号实验室编号深度/cm材料常规年龄/aBP校正年龄/（2σ,cal aAD）
DD-1DD-1018521 06310有孔虫300± 301 490—1 602 DD-1039513 10321.5有孔虫900 ± 301 115—1 210 DD-1072513 10436贝壳720 ± 301 246—1 302 DD-1074546 08640.5有孔虫900 ± 301 115—1 210 DD-1080546 08843.5有孔虫880 ± 301 117—1 221 DD-1086521 06446.5有孔虫960 ± 301 063—1 154 DD-1086546 08946.5有孔虫970 ± 301 063—1 154 DD-1093546 09050有孔虫700 ± 301 262—1 308 DD-1114513 10557贝壳980 ± 301 075—1 154 DD-1117513 10662有孔虫990 ± 30989—1 052 DD-1120517 59563.5有孔虫990 ± 30989—1 052
DD-2DD-286.5546 09636.5有孔虫940 ± 301 026—1 158 DD-260.5546 09549种子720 ± 301 246—1 302 DD-221-2546 09469有孔虫1 450 ± 30561—651 DD-221546 09369种子960 ± 301 063—1 154 DD-24.5546 09277.5种子1 130 ± 30860—998
DD DD 121513 1085有孔虫340 ± 301 470—1 639 DD 61.5546 09834.75种子690 ± 301 226—1 312 DD 37546 09747种子880 ± 301 117—1 221 DD 017513 10757有孔虫1 600 ± 30400—538
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一致的趋势，表明沉积物中矫顽力大于100 mT的磁性矿物主要是高矫顽力矿物（图6）。
4 讨论
研究生报考条件与要求4.1 过去近千年西沙岛降雨与季风气候的反向变化
一般情况下，封闭性湖泊的沉积物粒度能够反映湖泊水位的上升或下降，粒度越细表示湖泊水位越高[28]。但是牛塘湖泊位于珊瑚礁之上，湖泊四周为珊瑚砂，具有较高的孔隙度，水体易与海水之间相互渗透，使得牛塘的水位持续保持在0.5 m左右的状态[21]，湖泊沉积物的粒度可能并不反映湖泊水位的变化，而是表示将珊瑚砂从四周汇水面积区搬运至沉积区的水动力强度的大小[22,29]。在降雨期间，来自于沙堤的漫流将坡面及周边物质搬运至湖泊中沉积[22]。由于沙堤的阻隔，当海平面低于湖
泊沙堤之下时，一般正常的海浪对湖泊的珊瑚砂不产生影响。同时，整个钻孔沉积物主要由白的珊瑚砂组成，沉积物呈现贫有机质的特征，说明沙堤植被覆盖变化不大，对源区沉积物粒度变化的影响较小。整条钻孔中，沉积物中主要为1～0.063 mm的珊瑚砂，部分样品＞0.5 mm百分含量非常低，部分样品无＞1 mm的珊瑚砂，0.125～0.5 mm主要为珊瑚砂和微体生物壳体。由此可以认为排除微体生物壳体的影响之后，湖泊沉积物中颗粒珊瑚砂的含量（这里用0.125～0.5 mm的珊瑚砂含量表示），可以作为搬运水动力强弱的指标，其值越大，说明水动力较强，降雨量较大。而一些特别突然的粗颗粒
图 2 3条钻孔岩性和磁化率对比
绿数字为异常年龄点，红数字为正常测定年龄；红虚线代表3条钻孔对应的沉积层位。
Fig.2 Comparison of lithology and magnetic susceptibility of core DD-1, DD-2 and DD The red numbers represent the normal ages while the green numbers represent the uncertain ages; The red dotted lines show the correlation depositional
horizons among three boreholes.
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