1.什么是沉积相

　　沉积相（sedimentary facies）是沉积物的生成环境、生成条件和其特征的总和，是反映一定自然环境特征，具有一定岩性和古生物标志的地层单元。沉积相概念首先由瑞士人A·Gressly于1838年提出，他认为具有相似的岩性和古生物两方面特征的岩石单元才能作为同一个“相”。

　　从沉积相的概念可以看出，通过判别地层沉积相能够判断沉积时的环境和作用过程。因此，沉积相判别是研究过去环境变化最直接的方式之一。

　　举个栗子：

　　在沙漠地区，由于干旱化和沙漠化作用，该地区主要堆积颗粒较粗的风沙沉积。如果在地层剖面中含有这种风沙堆积层，则可以断定沉积时的环境是干旱少雨的沙漠环境。

　　图1 风沙堆积（图片来自网络）

　　再举个栗子：

　　在沼泽湿地，水分充裕，草本植物生长茂密，该地区堆积物以有机质含量较高的细粒物质或是泥炭为主。如果在地层剖面中含有这种有机质含量较高的淤泥或是泥炭层，则可以断定沉积时的环境是沼泽湿地。

　　图2 沼泽湿地（图片来自网络）

　　2.什么是末次冰期、什么是末次冰盛期、什么是末次冰消期

　　在地质历史上，地球上的气候环境经历了多次寒冷的时期，其中有三个持续时间较长的冷期，被称为大冰期，如：震旦纪大冰期、石炭纪至二叠纪大冰期和第四纪大冰期。在大冰期内部，也有气温的冷暖波动，冷的时期被称为冰期（Glacial period），而暖的时期被称为间冰期（Interglacial period）。

　　末次冰期（Last Glacial）是地球上发生时间最近的一次冰期，这次冰期发生在第四纪的更新世晚期，从距今7万年前开始，到距今1.15万年前结束。

　　末次冰盛期（Last Glacial Maximum，简称LGM），顾名思义，就是末次冰期中最寒冷的那一段时间。距今2.6万年到距今1.8万年是末次冰期中最寒冷的时期。

　　末次冰消期（Last Deglaciation）是从末次冰盛期（距今约1.8万年）向全新世（距今约1.1万年以来）过渡的一个地质历史时期，全球气候在增温背景下经历了一系列百年到千年尺度的快速突变事件（包括Heinrich 1冷事件、B?lling-Aller?d 暖期和新仙女木冷事件等）。

　　3.有机碳积累（Organic carbon accumulation）

　　地球上有机碳的主要来源是植物光合作用。

　　植物通过光合作用将大气中的CO₂转化为有机碳并固定到植物体内；植物呼吸作用消耗掉一部分有机碳；草食性动物食用植物，使有机碳向动物界转移；动物呼吸作用消耗掉一部分有机碳；微生物再将死后的动植物残体分解为CO₂（或是甲烷等）气体，释放到大气中；未被分解的动植物残体被埋藏在地层中，成为被固定的净增加的有机碳。净增加的有机碳量被称为有机碳积累。

　　图3 有机碳的固定、转移转化和埋藏过程

　　由有机碳生成、转移、转化过程可见，净增加的有机碳受多个过程影响（如植物光合作用的生产过程、植物被动物利用的转移过程、动植物被微生物分解的降解过程等），其中植物光合作用的生产过程和微生物降解过程是两个最重要的影响因素。

　　基本概念介绍完了，现在我们来了解，如何利用沉积相变化揭示中国南北方末次冰消期以来水文变化和碳积累过程

　　人们早已注意到中国南北方降水变化呈“跷跷板”状，即“南涝北旱”或“南旱北涝”。青藏高原东缘的泥炭沉积记录和东北地区的泥炭沉积记录对比显示两个地区最近一万年以来降水变化呈近似相反的趋势（Hong et al., 2005）。云南程海湖湖面重建研究显示，程海湖湖面变化与影响东亚地区降水的太阳辐射变化在轨道尺度上呈不同步变化（out-phase）(Xu et al., 2020)。气候变化的数值模拟研究显示，类似于厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）发生时的气候状态，是导致中国南北方降水变化呈相反趋势的主要原因（Shi et al., 2012）。

　　然而，对于华南地区和中国北方沙漠-黄土边界带而言，降水变化是否也存在“跷跷板”现象？这还需要更多地质记录去验证。

　　同时，考虑到中国南北方降水量的巨大差异，两地降水状况对湿地植被的影响可能存在差异。

　　在前面展示的图2中，红色椭圆圈起来的区域因为水位相对过高，植物已无法生长。因此，在南方，过多降水可能导致湿地积水过多，从而抑制成炭植物的生长。只有在降水相对较少的时段，才是成炭植物适宜生长的时期。

　　但在北方的沙漠-黄土边界带，只有在降水较为丰沛的时期植物生长才最为茂盛。

　　这两种近乎极端的水文条件对植物生长的影响，可以用图4来表示。在干旱地区，土壤水分增加可以促进植物生长，从而增加地表有机碳积累（如图4情景A所示）；而在湿润地区，水分继续增加则抑制植物生长，从而降低地表有机碳积累（如图4情景B所示）。

　　图4 水文状况对植物生长的影响以及不同水文条件与碳积累的关系（Yu et al., 2020）

　　在上述两种极端水文状态下，水文变化可能导致一个地区在某些时段不能生长植物，而在有些时段则出现植被茂盛的景象，对应在地质剖面上可能会出现沉积相的变化，如泥炭层和河湖相砂层的互层，或是泥炭与风成沙的互层。

　　因为沉积相的变化代表水文状态的变化，所以通过判别地质剖面上沉积相的类型，可以直接重现过去水文变化的历史。

　　最近，中国科学院地球环境研究所的研究人员选择中国南北两个具有沉积相变化的剖面，开展了基于沉积相变化的水文变化历史重建研究。

　　如图5所示，北方的剖面是位于沙漠-黄土边界带的糜地湾剖面，南方的剖面是位于南岭地区的大湖剖面。这两个剖面都是泥炭与其他类型沉积地层互层的剖面，代表了较为显著的水文变化过程。前人已对这两个剖面开展了较为系统地研究（Zhou wt al., 1997; Zhou et al., 2004; Zhou et al., 2005; Zheng et al., 2009; Zhong et al., 2011），为开展基于沉积相变化的水文重建奠定了良好基础。

　　图5 中国南北方两个具有不同水文特征的沉积剖面位置

　　研究人员分别给泥炭沉积、风成沙、河湖相砂层代表的水文状况赋值，来重建两个研究地点过去水文变化。如图6所示，泥炭层代表水文状况既不多也不少，适宜植物生长，所以给泥炭层赋值0；风沙层代表沙漠化和干旱化过程，水分状况不适合植物生长，所以赋值-1到-3；河湖相砂层代表水量过剩，也不适宜植物生长，故赋值1-3。

　　图6 两个剖面不同沉积相代表的水文等级（Yu et al., 2020）

　　结合前人对两个剖面总有机碳含量的测试分析数据（Zhou et al., 1997; Zhou et al., 2004），可以分别讨论中国南方和北方水文变化对碳积累的影响。

　　图7 重建的两个剖面水文变化和碳积累变化（Yu et al., 2020）

　　如图7所示，蓝色阶梯状线条是水文重建的结果，绿色线条是剖面中总有机碳含量的测试结果。

　　末次冰消期以来，南北两地水文变化在大多数时间内都呈反相位变化，与前文提及的南北方降水变化的“跷跷板”现象一致。

　　两个地点的碳积累却对水文变化表现出不同的响应，在北方碳积累与水文变化呈相同的趋势，降水较多则碳积累较多；而在南方，碳积累与水文变化呈相反趋势，降水较多则碳积累较少。

　　这种碳积累对水文变化相反的响应，进一步验证了前文关于两个极端水文状态对碳积累影响的推断（图4）：在干旱地区降水增加会促进碳积累，而在湿润地区，降水增加反而会抑制碳积累。

　　正是两地碳积累对水文变化具有相反的响应模式，而两地水文变化也具有相反的变化趋势，导致两地碳积累呈现出大致同步的变化趋势。

　　中国南北方降水的反相位变化也可以在现代器测数据中得到验证。图8是最近50年中国591个站气象点记录的降水变化趋势，通过110个有显著变化趋势的站点可以看出中国降水变化具有明显的南北差异性，两个研究剖面恰好位于变化趋势相反的南方和北方。

　　这说明当前气候变化的空间格局可以作为一个“历史相似型”去理解过去环境变化格局。

　　图8 气象站点记录的中国降水变化趋势空间格局（Yu et al., 2020）

　　该项研究受国家重点研发计划专项（2016YFA0601902）和黄土第四纪地质国家重点实验室自主部署课题共同资助。

   文章链接：https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/feart.2020.00192