受太阳辐射变化等影响，全新世气候变化存在周期性波动^[1-3]。作为与人类活动联系最密切的时期，全新世高分辨率的古气候环境及其变化机制研究，有助于了解未来全球变化趋势，现已成为当前研究的热点。中低纬度地区的厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）和亚洲季风（AM）在亚非地区的降水乃至全球气候变化中扮演了重要角色^[4-6]。研究表明，中全新世ENSO活动性很弱，到晚期ENSO活动性逐渐增强^[7-10]。亚洲季风主要包括东亚季风和印度季风2个单元，对于不同尺度两者的变化关系仍存在争议。

中国南方热带全新世研究在海南双池玛珥湖^[11-15]、湛江湖光岩玛珥湖^[16-26]、沿岸珊瑚礁^[27-28]，以及南海^[29-30]等地区做了大量的工作，在气候环境演变、海平面变化、海水温度重建等方面取得了诸多研究成果，但全新世以来的环境演化过程及其机制还存在不同的认识。受东亚季风和印度季风的共同影响，雷州半岛全新世以来湖相沉积发育，但其南部全新世缺乏高分辨率的研究资料。湖泊沉积具有连续性好、储存信息量大、沉积速度快、时间分辨率高等优点，在古气候研究中具有重要地位^[31]。本文以雷州半岛南部湖相沉积物为载体，通过粒度、磁化率、色度、总有机碳、总氮含量等指标探讨该地区早中全新世以来的气候环境演变，为中国热带地区全新世气候研究提供资料。

1.   研究区概况与分析方法

1.1   研究区概况

研究区位于雷州半岛南部徐闻县境内（图 1-a、b），属热带-亚热带季风气候区，年平均气温约23℃，年平均降水约1400mm, 集中于5~10月（图 2），多雷阵雨和暴雨。主要植被类型为热带季雨林^[33]。

图  1  研究区位置(a)、剖面位置（b, 据参考文献[26]修改）和剖面照片（c）

Figure  1.  Location of the study area (a), location of JM section (b) and photo of JM section (c)

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图  2  徐闻月平均气温与降水图（1981—2010年）^[32]

Figure  2.  Mean monthly temperature and precipitation in Xuwen County during AD1981-2010

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剖面地点位于九亩村东侧约200m（北纬20°22′8.54″、东经110°01′58.90″），海拔高度约5m, 表层覆有约5cm的耕植土。研究区基岩主要为玄武质火山岩^[34]。全新世以来海平面在该地区的最高变幅为2~3m^[27-28]，因此认为剖面未受到海平面变化的影响。

1.2   分析方法

去除表层耕作层后，人工挖掘深1.54m的湖相沉积剖面（JM剖面）（图 1-c），从顶部开始以2cm间隔连续采样77个，同时用边长为2cm的标准古地磁塑料方盒采集古地磁样品。室内对样品的粒度、色度、总有机碳（TOC）、总氮（TN）指标进行分析测试。

粒度分析按照常规方法进行^[35]，去除有机质和碳酸盐，加入分散剂震荡后，采用英国Malvern公司的Mastersizer 2000型激光粒度仪测试，测试范围为0.02~2000μm。磁化率测试使用英国Bartington公司生产的MS2型高低频磁化率测量仪测量样品的低频磁化率，通过计算得到其质量磁化率。样品干燥研磨后，采用柯尼卡美能达公司CM-700D分光测色计测试色度指标。研磨样品加酸后冲洗至中性，冷冻干燥后称量15~20mg样品于锡杯中，采用意大利Costech公司生产的元素分析仪（Costech4024）进行总有机碳和总氮含量测试。

2.   分析结果

2.1   地层与年代

JM剖面自上而下可分为8层（图 3）：0~10cm, 灰白色粉砂，与上覆耕作层界线清楚，无层理，顶部含有现代植物根系和细粒炭屑；10~48cm, 青灰色含粘土粉砂，水平层理发育；48~56cm, 浅棕色粘土质粉砂，略具水平层理；56~90cm, 杂色含粘土粉砂，层理略显水平；90~114cm, 杂色含粘土粉砂，无层理；114~148cm, 浅红棕色粘土质粉砂；148~152cm, 青灰色砂质粘土质粉砂；152~154cm, 灰褐色砂质粘土质粉砂（未见底）。

图  3  JM剖面沉积年龄与深度对应关系

Figure  3.  Relationship between age and depth for JM section

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选取剖面中4个样品送至美国Beta实验室进行¹⁴C年代测定，应用OxCal4.2软件采用IntCal13校准曲线^[36]对测年结果进行校正，测年及校正结果见表 1。应用基于R语言的Bacon包^[37]构建JM剖面的年龄-深度模型（图 3），采用的计算方法为区间线性差值。根据¹⁴C测年结果，JM剖面校正后年龄范围为10.5~6.5cal ka BP，JM剖面0~32cm沉积速率为0.12cm/a, 33~98cm为0.04cm/a, 98~154cm为0.03cm/a。剖面平均沉积速率为0.04cm/a。

表  1  JM剖面沉积物¹⁴C测年结果

Table  1.  AMS radiocarbon dates for JM section

样品编号	实验室编号	深度/cm	测年材料	14C年龄/a BP	校正年龄/cal a BP
13jm-3	Beta-416459	5~6	沉积物	5730±30	6445~6633
13jm-27	Beta-434636	53~54	沉积物	5940±30	6673~6851
13jm-50	Beta-434638	99~100	沉积物	7540±40	8325~8408
13jm-66	Beta-416461	131~132	沉积物	8610±30	9526~9655

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2.2   粒度组分及参数

参照Udden-Wentworth^[38]粒度分级标准，将沉积物粒度分为中粗砂（D>250μm）、细砂（125~250μm）、极细砂（62.5~125μm）、粗粉砂（31.2~62.5μm）、中粉砂（15.6~31.2μm）、细粉砂（7.8~15.6μm）、极细粉砂（3.9~7.8μm）和粘土（D＜3.9μm）8级。用矩阵法定量计算^[39]出平均粒径（Md）、标准偏差（σ）、偏度（SK）、尖度（K）等主要粒度参数。平均粒径与平均运输动力的强度有关；标准偏差用来表示沉积物的分选程度，即颗粒大小的均匀性；偏度用来度量频率曲线的不对称程度；尖度（峰度）主要用来表示频率分布曲线与正态分布曲线相比峰的宽窄尖锐程度^[40]。

JM剖面粒径以粉砂为主，最低含量为44.62%，最高含量为91.87%，平均含量达82.44%；粘土含量范围为7.05%~37.78%，平均含量为13.90%；砂含量变化范围为0~26.65%，平均含量为3.66%。平均粒径（Mz）变化范围为4.70~6.86Φ，变化幅度小；标准偏差（σ）变化范围为1.19~2.63，分选性差；偏度（SK）变化范围为-0.50~1.92，除底部少部分样品为负偏外，其余都是正偏，偏幅较大，沉积物粒径趋向粗粒。尖度（K）变化范围为2.06~7.34，变化范围较大，尖度很尖-极尖。

根据剖面不同深度各级粒径含量及粒径参数的变化（图 4），将剖面自下而上分为4段。

图  4  JM剖面粒度组分及粒度参数

Figure  4.  Grain size composition and parameter of JM section

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154~130cm, 粘土、极细粉砂、粗粉砂含量为剖面的最高值，细粉砂和中粉砂含量为剖面中低值且总体呈上升趋势，砂质组分含量为1.13%~30.82%，砂质组分存在较大幅度的波动，但总体向上粒级趋向细粒。中值粒径和平均粒径均呈现大幅度的波动。标准偏差为剖面高值段，平均可达1.85，偏度由负偏转向正偏，呈增大趋势，尖度为剖面低值。粒径频率分布曲线基本呈现出双峰，但变化较大。在136~132cm处极细砂和细砂组分含量的突然增加，使得其他各粒度组分含量和粒径参数突变，如粘土、细粉砂等含量突然降低，粗粉砂含量、标准偏差突然升高。

130~107cm, 粘土、极细粉砂含量为剖面中的相对高值且向上呈下降趋势，细粉砂在130~116cm呈稳定高值，之后迅速下降，中粉砂和粗粉砂含量较低且向上呈增加趋势，无砂质组分的存在。平均粒径和中值粒径向上趋向粗粒，频率曲线为单峰，正偏，尖度逐渐增加至剖面最大，最高可达7.34，标准偏差逐渐降低。

107~53cm, 以细粉砂和中粉砂含量为主，各组分含量相对稳定，无显著波动，无砂质组分段。中值和平均粒径无明显变化，频率曲线为单峰，偏度和尖度逐渐降低，标准偏差较稳定。

53~0cm, 以中粉砂为主，平均含量达34.8%，细粉砂含量有增加趋势，粗粉砂含量相应减少，出现砂质组分段，各砂质组分近同步变化，该段粘土和粉砂质组分存在较大波动。中值粒径和平均粒径呈下降趋势，偏度、标准偏差和尖度整体与107~53cm阶段变化一致，但因砂质组分的波动变化，使得频率曲线由单峰变为双峰，标准偏差突然增大，偏度突然降低。

2.3   TOC，TN，TOC/TN和磁化率、色度

JM剖面TOC和TN含量均较低。TOC含量的变化范围为0.18%~0.55%，平均值为0.29%；TN含量小于0.10%，变化范围为0.036%~0.087%，平均值为0.054%；两者在JM剖面中的变幅不大，约10cm处向上含量明显增加。TOC/TN值变化范围为3.7~7.9，平均值为5.5。

质量磁化率（10^-8m³/kg）变化范围为0.91~19.43，以130cm和53cm为界，自下而上分为明显的高-低-高值3段，平均值分别为9.54、2.78和6.90。

亮度L^*变化范围为71.5~84.7，95~125cm为最高值段，平均高达83.47，至上呈“阶梯式”下降；红度a^*变化范围为0.08~8.45；黄度b^*变化范围为10.04~22.13，两者变化相似，均呈现出先增后减少的变化趋势。130~150cm色度值存在近“V”形的大幅波动，在135cm左右L^*值达到剖面最低，a^*和b^*值为剖面最高。

3.   讨论

3.1   各指标的环境指示意义

湖泊沉积物的粒度分布蕴含运输动力和沉积环境变化的信息，碎屑物质入湖主要来自水力和（或）风力搬运^[35，41-44]。对于湖面有较大波动的湖相沉积，粗颗粒含量的增加代表低水位时的干旱气候条件，反之则代表高水位的湿润气候条件。而当湖面相对稳定时，湖相沉积物主要受控于入湖径流量及其强度，常受降雨及集水区植被状况的控制^[45-47]。JM剖面粒度组分反映了湖面变化引起的水动力变化，粗粒指示了较低湖面，有效降水较少。湖泊磁性矿物来源一般认为以外源为主，其代表的环境意义需要结合其他指标综合判定^{[13，23，48]}。JM剖面湖泊沉积物磁化率与砂质组分正相关（r=0.523，P < 0.01，n=77），与标准偏差呈现出同步变化趋势（r=0.695，P < 0.01，n=77），表明当湖泊水面较低时，湖泊水动力较强，带来大量较粗颗粒组分，沉积物分选差，磁化率高。即磁化率高值反映有效降水较少的干旱气候条件。

沉积物L^*主要受碳酸盐、有机质、硅藻含量等影响^[49-52]。JM剖面沉积物的碳酸盐含量极低，无法用气量法测试，可忽略其对L^*的影响，剖面L^*值与TOC无显著相关性，这可能与剖面碳含量过低有关。剖面含有较丰富的硅藻，镜下硅藻个体为20~40μm, L^*与20~40μm粒级含量呈显著正相关（r=0.533，P < 0.01，n=77），与磁化率呈显著负相关（r=-0.617，P < 0.01，n=77），推测JM剖面L^*主要受硅藻含量的影响，高值指示较好的水热条件，适宜硅藻生长；a^*和b^*具有显著的强正相关（r=0.924，P < 0.01，n=77），研究中常用a^*指示环境变化信息，a^*主要与沉积物中磁铁矿、针铁矿等主要致色矿物的含量有关，能够反映沉积时的氧化还原条件^[48-52]，当水深较浅时，湖底处于相对氧化的环境，a^*具有较高值。

湖泊TOC来源包括内源和外源，沉积环境对有机质的保存能力对其影响显著，JM剖面低TOC含量类似于双池玛珥湖底部12~7.2ka BP的测试结果^[12]，这可能是因为湖底处于相对氧化的环境，有机质沉积后被大量分解，难以保存。JM剖面TOC和TN呈现显著正相关性（r=0.504，P < 0.01，n=77），剖面TOC/TN值变化范围为3.7~7.9，平均为5.5，一般低等植物的碳氮比小于10，硅藻为5.5~7.0^[54-55]，表明沉积物中有机质主要来自水生藻类，TOC含量反映了湖泊生产力的变化。

3.2   剖面的环境记录

根据剖面的各个指标变化（图 5），自下而上可以分为3个变化阶段。

图  5  JM剖面色度、质量磁化率、TOC、TN及粒度组分

Figure  5.  Color reflectance values, magnetic susceptibility, total organic carbon (TOC) total nitrogen (TN), atomic TOC/ TN(C/N) and grain size composition of JM section

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第一阶段，154~130cm（10426~9527cal a BP），粘土含量为相对高值且呈降低趋势，粉砂含量为相对低值，呈上升趋势，平均含量71%，砂含量波动较大且向上粒径减小，频率曲线呈双峰且变化较大，均指示了较强的水动力环境。a^*值为剖面中的最高段，代表当时为相对氧化的环境，可能是因为较浅的水体环境。磁化率值剖面最高，呈现减少的趋势，表明整体有效降水较少，但有效降水呈增加的趋势。亮度L^*平均值为75，为剖面中的低值，TOC含量为相对低值段，有增加的趋势，平均值为0.25%，湖泊生产力较低，气候条件较差。综上表明，本阶段湖泊水深较浅，气候较干燥，有效降水较少，但有向湿润方向发展的趋势。该时期可对应周缘多个地区的环境记录，如湖光岩玛珥湖叶绿素a、磁化率等指标呈现季风降水增强期的低值段，相对干燥^[18-19，23]，海南双池玛珥湖记录的该时期为降水相对较多的气温回升期^[11-13]，雷州半岛下录地区泥炭孢粉指示早全新世以来的降水逐渐增加^[56]，福建盆地钻孔孢粉揭示的9cal ka BP之前为降水增加期^[57]，云南西北部的天才湖粒度等指标指示10ka BP左右气候偏干^[58]。

第二阶段，130~53cm（9527~7250cal a BP），各指标总体较为稳定。粘土平均含量12.47%，为相对低值，粉砂含量87.63%，为剖面的高值段，无砂质粗粒组分，频率曲线单峰且稳定，反映较弱的水动力和稳定的沉积环境。磁化率值为剖面低值段，有效降水较多。L^*值为剖面的高值段，平均达81.74，TOC平均含量为0.29%，为相对高值段，该阶段硅藻较丰富，指示湖泊水热条件较好，生产力较高。推测该时期湖泊水位较高，环境稳定，气候较湿润，有效降水较多。这种相对湿润的气候环境在中国南方有多处记录，福州盆地钻孔孢粉数据指示在9~7.5calka BP为暖湿的气候条件^[57]，与湖光岩地区^[18-19]和亚洲季风区的石笋^[3，59-60]揭示的强降水记录一致，天才湖在8.7~7.2cal ka BP指示气候最湿润^[58]。

第三阶段，53~1cm（7250~6495cal a BP），粘土含量平均值为13.98%，有增加趋势，粉砂平均含量79.53%，较上一段略有降低，砂含量呈波动变化，粒径参数延续上阶段变化，含砂质组分频率曲线都呈现出较一致的双峰类型，总体反映较强的水动力条件，沉积环境相对稳定。磁化率值较第二阶段增加，为相对高值，表明有效降水相对上阶段减少。a^*值为剖面最低，且有降低的趋势，表明氧化条件不断减弱。L^*值相对上阶段较低，TOC含量在20cm之前是下降趋势，20cm到顶部呈快速上升的趋势，顶部的高值可能受到耕植的影响，不能准确反映环境变化信息，总体上该段湖泊水热条件较上阶段差，生产力低，推测本阶段湖泊水深相对上一阶段变浅，有效降水相对降低。该阶段的气候环境变化可能代表了中国南方全新世中期以来的气候干燥期，如天才湖粒度指示7.2~2.7ka BP降水偏少，气候干旱^[58]，湖光岩玛珥湖孢粉研究表明在7.8~4.2ka BP温度湿度呈现降低趋势^[16]，基于南方石笋氧同位素重建的湿润指数也呈现下降的趋势^[61]。

总之，JM剖面磁化率、粒度等指标指示10.5~6.5ka BP雷州半岛南部干-湿-干的变化格局，与中国南方地区的环境记录一致，但在起止转换时间上存在一定的差异。干湿变化主要受温度和降水的控制，进而反映季风的变化趋势。剖面L^*整体上以109cm（8740cal a BP）为界呈现出先增后减的变化趋势，而以107cm（8665cal a BP）为界，粒度组分、粒径参数及磁化率发生了较明显的转折变化，向上标准偏差逐渐增加，粉砂含量逐渐降低，磁化率则缓慢增加，反映有效降水在8.7cal ka BP开始可能呈现缓慢降低趋势（图 6-a、b）。湖光岩玛珥湖磁化率，叶绿素a等反映季风强弱变化的指标也表现出相似的变化^[19]（图 6-c、d），表明整个雷州半岛地区全新世早中期的气候整体呈同步变化。最近研究表明，中国南方地区石笋δ¹⁸O变化可能并不能反映东亚季风演变，而是受西南季风降雨的影响^[62-63]，通过对研究剖面和湖光岩玛珥湖的气候指标与董歌洞^[59]和阿曼石笋^[59]的δ¹⁸O记录对比，可以看出其变化趋势近乎一致（图 6-a~f），因此雷州半岛全新世早中期的气候变化可能主要受印度季风的影响。另外，贵州茂兰石笋^[64]、古里雅冰心^[65]记录的约8.27ka BP的降温事件（Bond事件5），以及6.7~7.2cal ka BP之间雷州半岛珊瑚所揭示的高频率、短尺度的“雷州事件”^[66]，在JM剖面指标上并没有明显的表现，其中L^*和TOC在8.2cal ka BP左右的低值期，可能与“8.2ka事件”相对应。

图  6  不同区域指标综合对比图

a—剖面磁化率；b—剖面亮度；c—湖光岩玛珥湖饱和磁化强度^[19]；d—湖光岩玛珥湖叶绿素a吸收^[18]；e—董哥洞石笋δ¹⁸O^[60]；f—Oman南部Qunf cave石笋δ¹⁸O指示ISM变化^[59]；g—Cariaco盆地Ti含量指示的ITCZ的移动（高值指示向北移动）^[69]；h—20°N夏季平均太阳辐射^[68]

Figure  6.  Comprehensive comparison of proxies in different areas

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3.3   气候变化的驱动

剖面磁化率指标揭示的有效降水变化与北纬20°夏季平均太阳辐射变化整体一致，即在全新世早期呈增加趋势，9ka BP左右达到最大值，之后逐渐减小^[67-68]（图 6-b、h）。北半球夏季太阳辐射的增加会使热带辐合带（ITCZ）位置向北移动，而一般ITCZ北移会导致北半球热带地区季风降雨增加^[17-18，69]。研究区气候环境在全新世早中期的变化趋势同Cariaco盆地中Ti含量所指示的ITCZ移动相一致，即全新世早期ITCZ向北移动，雷州半岛地区降水呈现增加的趋势，在8~9ka BP之后ITCZ呈现向南移动的趋势，雷州半岛地区的降水也随之减少（图 6-a~d、h）。用redfit方法^[70]对剖面指标的时间序列进行红色噪声谱分析（图 7），其中L^*存在3个明显的周期：2597a, 862a, 112a（95%置信度），在其他指标分析中还发现了1298a, 259a, 105a周期。这些千年—百年的周期变化虽然与石笋^[3]、泥炭^[71]、湖泊^[21]、海洋^[72]中记录的1450a, 1150a, 250a, 206a, 102/84a等周期存在差异，但总体上反映太阳活动变化。

图  7  JM剖面亮度时间序列红色噪声谱分析

Figure  7.  Red noise spectrum analysis of L^* in JM section

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4.   结论

雷州半岛东南部徐闻九亩村东1.54m深的湖相沉积剖面能够反映该地区10.5~6.5ka BP的气候环境变化。通过对粒度、磁化率、色度和有机碳氮指标分析，得出以下结论。

（1）剖面粒度和磁化率指示沉积动力变化，进而代表了有效降水的变化，结合色度和有机碳氮指标，表明在9.5cal ka BP之前，湖泊水体较浅，气候较干燥；9.5~7.2cal ka BP，水体环境稳定，气候较湿润；7.2cal ka BP之后，水面下降，气候变干。

（2）剖面磁化率等指标反映研究区降水先增加后缓慢降低的变化趋势。综合湖光岩等地区的研究资料，雷州半岛在全新世早—中期的气候变化主要受印度季风的影响。研究剖面对快速气候变化事件表现不明显。

（3）雷州半岛气候与北半球夏季太阳辐射及其影响下的ITCZ位置移动同步变化，对剖面各指标时间序列的周期分析表明存在2597a, 862a, 1298a, 259a, 112a, 105a周期，总体反映研究区气候环境变化受太阳活动的影响。