徐晓琳, 李志忠, 3 , 靳建辉, 3, 程 延, 于晓莉, 赖海成, 申健玲, 苑秀全



近2000年来福建南部海岸沙丘记录的风沙活动序列

徐晓琳1, 2, 李志忠1, 2, 3, 靳建辉1, 2, 3, 程 延1, 2, 于晓莉1, 2, 赖海成1, 2, 申健玲1, 2, 苑秀全1, 2

(1. 福建师范大学地理科学学院, 福建福州350007; 2. 湿润亚热带生态地理过程省部共建教育部重点实验室, 福建福州350007; 3. 福建师范大学地理研究所, 福建福州350007)

对福建南部漳浦地区赤湖海岸沙丘(CH)和大澳海岸沙丘(CDS)近2 000年以来海岸风沙活动历史及其东亚冬季风(EAWM)的关系进行研究。在野外沙丘剖面沉积构造考察基础上, 通过光释光(OSL)测年技术重建研究区海岸风沙活动序列。结果表明: (1)漳浦海岸有近2 000年来发育的多期海岸风沙沉积, 其中, CH沙丘记录的风沙活动期分别为BC100–AD300年、AD500–AD870年、AD1050–AD1380年; CDS沙丘记录了AD200年左右、AD1040–AD1280年以及AD1410–AD1710年3个风沙活动期。(2)研究区海岸风沙活动期与我国东部海岸、东北亚及西北欧海岸风沙活动期大体一致。可能反映了近2 000年以来北半球气候环境发生了大范围的阶段性变化, 各个区域海岸风沙活动起止时间的不同, 反映了各地所处大气环流系统位置的分异或是地方性因素的差异。(3)东亚冬季风对福建南部沿海的风沙活动有明显影响。一般来讲, EAWM强盛时, 海岸风沙沉积比较活跃。虽然在最近2 000年的冷暖期都有海岸风沙沉积, 但在暖期仅限于EAWM相对强盛的时期。EAWM影响范围广阔, 是东亚海岸风沙活动周期具有准同时性的基本驱动因素。此外, 北大西洋涛动(NAO)通过影响EAWM的强度驱动海岸风沙活动的阶段性发生, 因而对研究区海岸沙丘发育产生间接影响。本文讨论近2 000年以来季风区海岸沙丘演变序列及驱动机制, 可提取百年尺度上的海岸沉积古环境信息, 探讨东亚冬季风演化特征。

海岸沙丘; 光释光(OSL)测年; 东亚冬季风; 福建漳浦

海岸沙丘的发育受控于沙源供应、风况特征、海平面变化、植被覆盖状况和人类活动等因素[1-3]。因此, 在精细的年代学研究基础上, 通过海岸沙丘演化序列的综合分析, 可以为重建过去的海岸风沙活动历史, 反演海岸带古环境古气候变化以及人类活动等提供十分有价值的信息。20世纪80年代发展起来的光释光(Optically-stimulated Luminescence, OSL)测年技术, 则为确定以石英砂为主的海岸沙丘年代提供了可靠的解决方案[4-5]。

近年来, 国外学者对世界各典型海岸带的海岸沙丘发育历史进行了广泛研究, 并在区域海岸风沙活动序列、驱动机制及环境演变等方面取得了许多研究成果。Clemmensen等[6]研究了丹麦日德兰半岛西海岸的海岸沙丘发育的阶段性特点及其成因机制, 发现BC2200年、BC800年、AD100年、AD1050– AD1200年以及AD1550–AD1650年前后均有海岸沙丘发育或再活化记录, 特别是在小冰期(Little Ice Age, LIA), 丹麦海岸有多处海岸风沙活动的记录[7-9]。在爱尔兰西南部沙嘴上的海岸沙丘测得的光释光年龄集中于最近600年以来[10]。加拿大纽宾士域省Buctouche沙嘴的海岸沙丘释光年龄范围为距今(765±45) a~(5±30) a[11]。

在东亚海岸带, 近年也陆续发表了海岸风沙活动和海岸沙丘发育重建序列的研究成果。Tamura等[12-13]通过探地雷达(Ground-penetrating Radar, GPR)探测沙丘沉积序列、OSL测年及多期地形图相结合的方法, 探讨了日本鸟取海岸沙丘的发育模式和风沙活动特征, 研究发现在过去1 000年鸟取海岸均有风沙活动记录, 但在12–15世纪存在沉积间断, 海岸沙丘的发育过程主要是受东亚冬季风(East Asian Winter Monsoon, EAWM)强弱变化的影响。Yu 等[14]重建得到的韩国安眠岛西海岸的沙丘活动序列表明, 在全新世中晚期以来, 研究区海岸沙丘也有多期发育特征。辽宁省辽河平原南部的盘锦海岸沙丘形成于近800年以来, 也表现出多期间断发育的特点[15]。福建东部沿海是海岸沙丘测年工作较集中的区域。通过对福州长乐海岸带东山沙丘进行系统分析, 并结合沙丘中保留的古人类活动文化层, 研究发现在近6 000年以来, 海岸沙丘主要存在5个沉积期和3个沉积间断期[16]。在福建晋江海岸沙丘人类遗址进行的研究表明, 近1 000年以来有AD1050–AD1300年、AD1470–AD1600年及AD1720–AD1950年3期海岸沙丘发育阶段[17]。

福建省地处我国东南沿海, 在台湾海峡西岸各个入海河口附近海岸分布有较大面积的海岸风沙沉积和海岸沙丘。自北而南, 闽江长乐入海口海岸、晋江海岸、九龙江漳浦海岸等地, 都分布有全新世晚期以来发育的典型海岸风沙和海岸沙丘[18-20]。如前所述, 虽然前人已经在中国东部沿海开展了海岸沙丘测年研究工作, 但总体上OSL测年样本数量不足, 且所作海岸沙丘测年研究, 主要集中在福建东部沿海。本文选择台湾海峡西岸南部漳浦六鳌半岛上发育的典型海岸沙丘进行研究, 在野外剖面综合考察的基础上, 通过OSL测年手段对海岸风沙沉积进行定年, 并对比台湾海峡和东北亚其他海岸风沙沉积年代序列, 确定研究区海岸沙丘发育的年代学框架, 基于2 000年来东亚冬季风演变序列探讨东亚冬季风波动与海岸沙丘发育之间的关系, 以期从更宽广的时空尺度上揭示海岸沙丘所记录的海岸风沙活动规律以及海岸环境演变历史。

1 研究区概况

台湾海峡是东亚近海区冬季风风力较大的地区之一(图1A)。海峡东侧的台湾岛有高度在2 000 m以上的中央山脉, 对低层气流起到了阻挡作用, 使得低层东北气流堆积在山脉东部。这种“挤压”作用导致气压梯度加大, 风速加大, 而在台湾西南侧则形成低压地形槽[21]。另外, 海峡西侧福建省的戴云山脉与台湾中央山脉近乎平行, 均为NE-SW走向, 加之海峡呈北窄南宽的喇叭形态, 对南下气流起着“狭管效应”, 进一步加大了偏北风的风速[22]。基于气候模型模拟的分析表明, 台湾岛地形对海峡风场的影响主要体现在冬季, 而夏季时的大风主要来自热带气旋的奉献, 几乎不受地形影响[23]。另外, 受“狭管效应”的影响, 由北向南台湾海峡西侧沿海冬季平均风速有增加的趋势。而且, 冬季主导风向由北部NNE方向逐渐转为南部的ENE方向[24]。

A. 研究区冬季风流场[25]; B. 研究区地理位置; C. 海岸沙丘类型及采样沙丘剖面位置

A. the modern winter monsoon system in East Asian[25]; B. location of the study area; C. types of coastal dunes of the study area

六鳌半岛地处福建省南部漳浦县东部, 东临台湾海峡(图1B)。研究区属南亚热带海洋性季风气候, 水热充足。全年平均气温21.2℃, 基本无霜。年平均降水量1 728.9 mm, 但季节差异大, 夏半年平均降水量达1 401.7 mm, 占全年降水量的81%(图2A)。漳浦年均风速为6.0 m/s, 1月和7月平均风速分别为7.1 m/s以及4.3 m/s(图2A), 夏季平均风速比冬季小。夏季风向以SSE-SE向为主, 冬季风向以NW- NNW向和NNE-ENE向为主, 季节更替明显(图2B)[26]。全年最大风速的风向出现在N向, 其次SSE向、NNE向, 分别有21、20、18 m/s。冬季风速较大, 加之冬季降水少, 海岸砂物质含水量小, 易被吹扬搬运。强风和干旱期的耦合, 使得冬半年特别是冬季(11–1月)成为漳浦沿海风沙活动最为强烈的季节, 东北风为研究区风沙活动的主导风向。

研究区第四系地层主要属全新统, 包括海积层和风积层两大类。海积层由灰黑色淤泥、砂质淤泥、黏土及砂组成, 六鳌附近的海积层厚度可达12.1 m。风积层分布在赤湖、六鳌、古雷等地迎风海岸带, 覆盖在海积层之上[27]。在丰富的海滩沙源、强劲的偏北起沙风和海岸带植物共同作用下, 在六鳌半岛东部迎风海岸带广泛发育了典型的海岸风沙地貌, 主要沙丘类型包括横向沙脊、风影沙丘、抛物线沙丘、新月形沙丘和沙席等(图1C)。

2 材料与方法

2.1 剖面特征

本文选取漳浦3个典型海岸沙丘的人工采砂剖面进行研究, 自北向南分别是赤湖剖面(CH)、上大澳剖面(SDA)和大澳剖面(CDS)(图1C)。

A. 各月降水量、最大风速和平均风速; B. 夏、冬半年风向频率

A. monthly precipitation and wind speed; B. wind frequency in summer and winter

CH剖面位于赤湖镇赤湖溪北岸(24°6′16.18′′N, 117°53′33.01′′E), 东面距海岸线1.7 km。剖面所在沙丘是赤湖溪北岸河口附近起伏和缓的灌草丛沙垄地和沙席。CH剖面(图3A)出露厚度约有6 m, 未见底, 出露部分底部海拔10 m。剖面发育有水平层理和交错层理(图4A)。埋深1.5~2 m和5.5~5.8 m有明显的红化现象, 前者为红棕色, 与下覆风成沙丘层段为明显的角度不整合接触, 后者以淡红棕色为主。剖面其余层段显灰黄色-灰棕色。

SDA剖面在六鳌半岛六鳌镇上大澳村(23°58′00.63′′N, 117°46′38.03′′E), 东、西面分别距海岸线0.5 km和2.9 km。采样剖面位于抛物线沙丘的背风坡(图3B), 出露厚度约5 m, 未见底, 出露部分底部海拔17 m。剖面发育风成水平层理, 含多层2~10 cm厚灰黑色弱碳化植物根系层或碎屑细砂层, 整体显示为灰黄色-淡灰黄色。毗邻剖面露头, 可见倾向SW、SSW方向, 倾角25°~30°的前积层理(图4B)。

A. 赤湖剖面(CH)上部; B. 上大澳剖面(SDA)上部; C. 大澳剖面(CDS)上部

A. the upper section of profile CH; B. SDA; C. CDS

A. 赤湖剖面(CH); B.上大澳剖面(SDA)

A. photos of CH profile; B. photos of SDA profile

CDS剖面位于六鳌半岛六鳌镇大澳村(23°56′51.11′′N, 117°45′28.51′′E), 东距海岸线1.5 km。大澳村附近分布有6~7条海岸沙丘, 由一系列横向沙脊、风影沙丘、抛物线沙丘组合成东西两列复合型海岸沙丘带, 间有新月形沙丘分布, 整个沙丘带呈NE-SW走向。CDS剖面位于第二列沙丘带自东向西的第三列海岸沙丘(图3C), 剖面出露厚度约8.5 m, 未见底, 出露部分底部海拔14.5 m。剖面上部整体呈现淡灰棕色-灰黄色, 发育典型风成水平层理和缓倾斜层理, 下部以灰黄色细砂为主, 由淡灰黄色厚层细砂和灰黑色薄层粗砂交替构成缓斜交错层理。常见不均匀分布或呈不连续水平分布的薄层黑色植物碳屑层。

总体上看, CH、SDA以及CDS剖面沙丘沉积特征比较相似, 在垂直盛行风向的采样剖面上多见典型风成水平层理和缓斜层理, 在毗邻剖面的露头可见顺风向倾角较大的交错层理和前积层理(图4和5)。这些海岸沙丘砂的粒度组成以0.5 mm以下的中砂细砂为主, 少量粗砂, 未见砾石。其中, CH、SDA及CDS剖面的平均粒径(Mz)分别为325, 366, 444 μm, 分选性呈中等水平, 粒度频率曲线图均显示为单峰曲线, 负偏略多于正偏。因此, 可以判定三处沙丘均为风力作用而成的典型海岸风成沙丘。目前研究区海岸沙丘均被以木麻黄为主的人工植被所覆盖。最近几十年的文献中, 记载了漳浦于20世纪60年代初建立以木麻黄为主、相思树为次的海岸防风固沙植被带, 沿赤湖、深土、六鳌至古雷形成一条“绿色长城”, 20世纪80年代以来通过植树造林进一步重建。

2.2 实验方法

2.2.1 野外采样与样品前处理

野外在沙丘剖面新鲜刻槽面上, 将30 cm长, 内径6 cm的不锈钢管垂直砸入槽面, 填满砂样后取出钢管, 迅速用黑色塑料袋和胶带进行密封包裹。按间隔0.5 m或1 m选择样品进行OSL测量, 其中, CH剖面12个样品, CDS剖面8个样品。

OSL样品的预处理和测片制备过程均在暗室红光条件(640±10)nm下进行。在暗室中打开样品包装, 去除钢管两端可能曝光部分, 保留中心部分供等效剂量(Equivalent Dose, De)测量。取20 g左右样品烘干并充分研磨, 供测定样品中的U、Th、K含量。

石英相对长石更容易晒退, 且不存在长石的异常衰减问题, 因此常规OSL测年均是利用样品中的石英矿物颗粒进行[28]。本次实验提取样品中的细颗粒组分(4~11 μm)用于等效剂量测试。首先取采样管中部砂样过180目筛, 用H2O2和HCL对筛后样品进行浸泡处理, 以去除样品中的有机质和碳酸盐类, 充分反应后加入H2SiF6以去除长石类矿物。终止反应后用蒸馏水清洗至中性。利用静水沉降原理从中性悬浊液中分离出4~11 μm粒组。最后以每个测片1 mg的样品量制好测片。

2.2.2 年剂量分析

OSL测年中, 年剂量(Dose Rate, Dr)的计算需要综合各种影响因素, 如U、Th、K含量, 样品含水量及宇宙射线等。U、Th、K含量用电感耦合等离子体质谱仪(Inductively-Coupled Plasma Mass Spectrometry, ICP-MS)测量。宇宙测线的奉献根据Prescott和Hutton[29]给出的宇宙射线剂量率计算公式进行计算。样品含水量对射线有一定的吸收作用, 但因为测试时样品已经干燥, 所以根据采样地点的水文特征和野外实际情况, 分别对样品含水量采用经验值5%±1%和8%±1%进行估算, 最后按有关参数对环境剂量率进行了修正。

2.2.3 等效剂量测试

样品的天然释光De测试采用细颗粒单片再生法(Single Aliquot Regenerative-dose, SAR), 用Daybreak 2200型光释光仪测量。测试石英释光信号的蓝光激发光源波长为470 nm, 半宽5 nm, 最大功率为60 mW/cm2; 红外光源波长880 nm, 半宽10 nm, 最大功率80 mW/cm2, 本次测量选择最大功率。预热温度(preheat)为260℃, 10 s; 实验剂量的预热温度(cut-heat)为220℃, 10 s。测片的辐照在801E辐照仪中进行, 辐照源90Sr-γβ的照射剂量率约为0.103 871 Gy/s。上述OSL测年实验在国土资源部地下水矿泉水及环境检测中心释光测年实验室完成。

OSL测年的年龄计算基本原理, 是矿物颗粒累积的De除以Dr, 即累积信号的速率, 从而得到矿物颗粒自最后一次曝光之后接受周围环境辐射的时间长度, 也就是埋藏时长[30]。因此, 不管是De还是Dr的准确获取, 都是保证释光年龄可靠性的前提。

3 结果

研究区CH剖面和CDS剖面OSL测年样品的释光年龄及相关参数见表1。由测试结果可知, 本文选择石英SAR-OSL测年方法获取的De分布比较集中, 循环比率波动范围小于5%。此外, 两个剖面OSL年龄的总体分布趋势是下老上新, 符合一般地层层序律的规律, 所以测试数据还是基本可信的。但两个剖面均有个别样品出现了年龄倒转的现象。其中, 比较异常的数据有CH17和CDS03样品。CDS03样品(埋深6.5 m)的Th含量在整个CDS剖面中是最高的, U的含量也较高。因此, 可能因为U、Th的相对富集使得Dr的计算结果比实际埋藏期间的数值偏高, 从而导致得到的释光年龄偏年轻。而CH剖面中, CH17样品(埋深2.5 m)的年龄也出现异常, 其原因尚需做进一步分析。

表1 福建漳浦六鳌半岛海岸CH、CDS剖面样品光释光测年结果

注:(U),(Th)表示U, Th质量比;(K)表示K质量分数

从测年结果分析, CH剖面最底部(埋深6.5 m)年龄为(1.8±0.1) ka BP, 最顶部(埋深1.25 m)年龄为(0.9±0.05) ka BP, 可见赤湖沙丘主要形成于倒数第二个千年期间。若剔除CH17样品的这个异常数据, 总体能表现出由底部向上年龄逐渐变小的趋势。根据数据相对集中情况, 可以将年龄分布区间分为2.0~1.8, 1.4~1.2, 0.9~0.7 ka BP三个时段。其中的淡红棕色层位, 即埋深5.5~5.8 m附近, 其样品(CH05)释光年龄为(2.0±0.1) ka BP, 对应罗马暖期(Roman Warm Period, Roman. W); 埋深1.5~2 m附近的红棕色层, 其样品(CH19, CH21)释光年龄为(0.8±0.08) ka BP, 对应中世纪暖期(Medieval Warm Period, MWP)。CDS剖面OSL年龄也可以分为3期, 分别为1.8, 0.9~0.8, 0.5~0.3 ka BP, 分别对应Roman. W、MWP和LIA。

根据历史文献分析以及环境考古研究, 在汉朝时, 漳浦赤湖沙丘所在地接近当时的海岸线位置, 之后海岸线一直向海推进(图6)。宋朝以前岸线前进速率较小, 仅有局部岸线前进, 之后研究区东北部岸线均发生大幅向东推进, 一直到现今岸线所在位置。赤湖沙丘开始发育的时间正是在汉朝时。而CH剖面没有AD1380年后的释光数据, 可能是由于在明朝之后沙丘距岸线较远, 近岸风沙流难以到达CH剖面所在沙丘区, 因此赤湖沙丘AD1380年之后少有甚至没有发生风成沉积。红化层位及海岸线的变迁历史也从侧面印证了本研究OSL年龄在总体上是具有一定可信度的。

OSL测年结果表明, 大澳海岸沙丘主要是近1 000年以来发育的, 这与历史考证所得到的汉唐以来六鳌半岛南部海岸线总体上稳定相一致。最近500年以来六鳌半岛南部迎风海岸带广泛发育风沙沉积, 可能与小冰期寒冷多风的海岸风沙环境有关。

4 讨论

4.1 福建南部海岸沙丘的主要发育阶段

福建南部漳浦海岸沙丘发育阶段集中在近2 000年以来, 呈现出多期发育的特征。赤湖沙丘较为集中的发育阶段为BC100–AD300年、AD500–AD870年、AD1050–AD1380年, 相当于欧洲的Roman. W、黑暗时期冷期(DA)以及MWP。大澳沙丘的发育阶段可以分为3期, 分别为AD200年左右、AD1040– AD1280年以及AD1410–AD1710年, 并且以后两期为主。与赤湖沙丘相比, 大澳沙丘的发育期集中在最近1 000年来, 且海岸沙丘发育的第三期发生在LIA。虽然SDA剖面暂未作OSL测年, 根据剖面灰白色、极为松散等沉积特征分析, 上大澳沙丘海岸沙丘年龄可能最为年轻, 很可能是在最近500年以来的小冰期发育的。已有研究表明, LIA期间气候总体有冷、干、灾害频发等特征[32-34]。在风大沙多的冷干气候背景下, 裸露的砂质海岸带特别容易发生风沙侵蚀、搬运和沉积活动, 早期的固定半固定海岸沙丘也容易发生再活化。福建中部长乐海岸带[16]就有光释光年龄0.8 ka BP~0.2 ka BP的多期海岸风沙沉积。福建晋江庵山海岸沙丘[17]的OSL测年结果同样显示在这一时期有风沙沉积发育。

从中国近2 000年冷暖波动序列[35]以及中国东部冬半年温度距平序列[36](图7A)可见, Roman. W和MWP时的气温总体较高, CH剖面相应层位也表现出因气候温暖而发生不同程度的红化作用现象。且从石笋记录重建得到的古降水序列[37]中可以发现, BC100年左右我国南部降水偏少; 福建仙山泥炭记录[38]显示, AD1200–AD1300年左右闽北地区降水量偏少。由此可知, 我国东部各个暖期存在降水较少的时期, 即呈现暖干的气候特征, 为海岸沙丘砂发生红化作用提供了适宜的水热条件。

4.2 福建南部海岸风沙沉积阶段与东亚季风环流演化序列

如前所述, 福建漳浦地区气候具有冬季冷干, 且风力强盛的特点。这样的气候环境为海岸带风沙流的发生发展提供了有利的动力条件。福建东南海岸分布的岸前沙丘走向多与冬季东北风平行。例如, 六鳌半岛大澳村附近分布的海岸沙丘带走向为NE-SW, 其中新月形沙丘前积层倾向、抛物线沙丘背风坡斜层理倾向均为SW或SSW, 海岸沙丘走向和层理产状明显受到区域东亚冬季风(EAWM)的影响。

近2 000年以来我国华南东亚冬季风变化序列, 以广东湖光岩玛珥湖沉积物的钛含量变化序列[39]为代表。研究表明, 广东玛珥湖岩性沉积物来自北方干旱区以及周边地区, 并通过EAWM输送到湖泊。因此, 当EAWM强盛时, 湖泊中沉积的富钛和富铁颗粒就会增加。从而, 湖泊沉积物中的钛含量成为指示EAWM强度的有效代用指标(图7B)。当湖泊沉积中的钛含量增多时, 表明此时的EAWM增强, 反之, 则减弱。

从广东玛尔湖沉积钛含量变化序列可见, 近2 000年来EAWM呈现明显波动变化。在AD1400–AD1634年期间EAWM最为强盛, 但其间仍有多个次级波动变化, 其中AD1500年左右的谷值仍然高于近2 000年来的平均值。此外, 上述代用指标表征的EAWM变化序列与中国东部冬半年温度距平序列(图7A)之间有很好的对应关系, 即, 当冬半年温度距平值为正时, EAWM为强盛期; 冬半年温度距平值为负时, EAWM偏弱。因此, 在年代际尺度上, 东亚冬季气温高低与EAWM强弱之间有很好的反相关关系。向荣等[40]通过济州岛西南泥质区敏感粒度组分重建得到近2 300年来的冬季风序列, 可以划分为4个阶段: BC278–AD50年和AD500–AD1170年为冬季风减弱期; AD50–AD500年和AD1170–AD1731年为冬季风增强期, 且季风减弱期与气候暖期相对应; 相反, 增强期则与冷期相对应。

A. 中国东部冬半年温度距平序列[36]; B. 东亚冬季风序列[39]; C. 北大西洋涛动指数序列[47-48]; D. 福建漳浦赤湖海岸沙丘(CH)活动序列; E. 福建漳浦大澳海岸沙丘(CDS)活动序列; F. 福建长乐东山海岸沙丘活动序列[16]; G. 福建晋江庵山海岸沙丘活动序列[17]; H. 日本鸟取海岸沙丘活动序列[12-13]; I. 韩国安眠岛西海岸沙丘活动序列[14]; J. 丹麦日德兰半岛西海岸沙丘发育开始时间序列[6]; 近2 000年冷暖期划分参照葛全胜等[35]。

A. Winter-half-year temperature in eastern China[36]; B. the intensity of East Asian Winter Monsoon[39]; C. a tree-ring and speleothem-based reconstruction of the NAO[47-48]; D-J: phases of coastal aeolian sand activity from CH dune(D) and CDS dune(E) compared with coast along Dongshan in Fujian, China(F)[16], Jinjiang in Fujian, China(G)[17], Tottori in Japan(H)[12-13], Anmyeon Island in Korea(I)[14], also the onset time of sand accumulation along the west coast of Jutland in Denmark(J)[6]; the dividing of warm/cold periods in the last two millennia after Ge et al.[35]

对比以上冬季风序列和冬半年温度矩平序列(图7)可以发现, 研究区漳州CH沙丘和CDS沙丘风沙层OSL年龄比较集中的时期, 都位于EAWM的峰值时期, 即CH沙丘(图7D)和CDS沙丘(图7E)的活跃发育阶段均落在EAWM较强盛时期。BC100–AD300年期间, 冬季气温呈现冷-暖-冷的波动, 冬季风在这一阶段也呈强-弱-强的波动。赤湖沙丘和大澳沙丘发育的第一阶段即为这一时期, 3个砂样的OSL年龄均落在冬季气温低、冬季风强盛的时段。AD500–AD600年期间EAWM比较强盛, 在这个时间段同样有3个砂样的OSL年龄。赤湖沙丘发育的第三阶段以及大澳沙丘发育的第二阶段发生在MWP期间, 处于暖期冬季风较强的时段。EAWM强度在LIA冷期达到最高值, 也是大澳沙丘的第三发育阶段, 同时上大澳一带海岸风成砂广泛沉积。由上述可知, 近两千年来福建南部海岸沙丘发育的气候条件, 包括冷期和暖期等不同温度状况, 但在暖期时仅限于在EAWM较强的时候发生海岸风沙沉积。

EAWM影响范围远不止亚热带福建东南沿海地区, 在我国北方温带辽宁盘锦海岸带[15]、东北亚韩国安眠岛海岸[14](图7I)和日本鸟取海岸[12-13](图7H)等地, 同时发生海岸风沙沉积。东亚海岸风沙沉积序列表现出的一定程度的同时性, 表明了东亚海岸沙丘的发育是在影响范围广大的EAWM的驱动下发生发展的。而各个地区海岸沙丘发育程度和风沙沉积序列起止时间的差异, 可能是地方性因素影响所致。

4.3 中国东部海岸沙丘发育阶段与北大西洋涛动的遥相关分析

由于中国地域广阔, 东西经向范围跨度很大, 中国东部沿海发生的气候变化或突变事件, 不仅与东部亚洲-北太平洋海气系统相关, 同时受到中高纬度大气环流异常波动的影响, 如北大西洋涛动(North Atlantic Oscillation, NAO)[41]。NAO是北大西洋地区大气系统的显著模态, 反映了十年际至数十年际尺度上, 北大西洋上两个大气活动中心(冰岛低压和亚速尔高压)之间的气压变化反相位关系[42]。有研究表明, NAO不仅对北大西洋海区和欧洲冬季天气状况和气候变化起主导作用, 甚至对北美东部地区以及北非区域的冬季气候有明显的影响[43]。

近年研究发现, 东亚地区的冬季气温也会受NAO影响[42, 44]。许多学者探讨了NAO影响中国东部气候的大气动力学机制, 大体上可以总结为, NAO变化引起的北大西洋环流系统改变, 可能会导致西风带槽脊系统发生变化, 进而对地处欧亚大陆西风带下游的我国气候产生影响[45]。有学者利用全球模式研究指出, 当太阳辐射值减少时, NAO为负相位, 导致冬季北半球陆地区域气温下降[46]。Trouet 等[47-48]基于树轮和洞穴沉积物重建的NAO指数曲线(图7C)显示, 在MWP暖期时NAO为正相位; LIA冷期内NAO相对较弱, 且NAO指数呈正负波动。Ortega等[49]利用48个代用指标(包括冰芯、湖泊沉积物、洞穴沉积物和树轮)重建得到最近1 000年的NAO指数序列, 这个序列也表现出MWP暖期NAO为正相位, LIA冷期NAO指数呈正负波动的情形。从图7中可以发现, MWP暖期时, NAO指数呈正相位, EAWM减弱; LIA冷期时, NAO呈负相位, EAWM增强。即北大西洋涛动与东亚冬季风之间存在明显的反相位关系。因此, 研究区的海岸风沙活动和沙丘发育可能间接受到NAO变动的影响。但这种反相位的关系可能仅存在于百年际尺度上。

通过对比可以发现(图7), 近2 000年来福建漳州沿海地区的海岸沙丘发育阶段与国外已发表的海岸沙丘发育序列, 如日本鸟取海岸沙丘(图7H)、韩国安眠岛西海岸沙丘(图7I)以及丹麦日德兰半岛西海岸沙丘(图7J)有相当程度的一致性, 仅在起止时间上有一定差异。这可能反映了近2 000年以来, 北半球的气候环境发生了大陆尺度甚至半球尺度的大范围波动变化。例如, NAO序列(图7C)显示, 在AD1450年左右, 也就是MWP/LIA转换时期, NAO指数迅速由正转负, 并进入小冰期。在这一转换期冬半年气温距平值和冬季风分别表现出迅速降低和增强的趋势。即, 在MWP末期向LIA过渡阶段, 北半球大气环流系统发生大范围的变异, 且变异程度比较高。这种区域气温迅速降低、海岸风力迅速增强的气候环境条件, 促使北半球多处海岸沙丘活化或发育新的海岸沙丘。

5 结论

1) 本项研究获得的海岸风沙OSL测年结果, 在CH、CDS两个剖面均整体上表现出下老上新的一般地层年代顺序, 测年结果也得到了海岸线变迁历史考古年代控制等的校验。另外, 研究区海岸沙丘发育期和风沙活动期与国内外学者的研究结果之间也有较好的一致性, 表明本文获得的海岸沙丘的OSL年代学框架是可信的。其中, 个别样品的OSL年龄出现倒转, 可能与海岸沙丘发育的地方性因素有关, 具体原因尚需进一步探讨。

2) 福建南部海岸保留有近2 000年来发育的海岸风沙沉积。其中, 赤湖沙丘记录了BC100–AD300年、AD500–AD870年、AD1050–AD1380年3个风沙活动期; 大澳沙丘记录了AD200年左右、AD1040–AD1280年及AD1410–AD1710年3个风沙活动期。大澳沙丘发育的第三阶段出现在LIA, 而赤湖沙丘缺少LIA发育的风沙层, 这可能是因为明朝之后赤湖地区的海岸线前进速度加快, 赤湖沙丘距海岸线太远而无法获取近岸砂物质所致。研究区海岸沙丘发育受到EAWM的影响。EAWM强盛时, 海岸风沙活动比较活跃。在最近两千年间的冷暖期都有海岸发育海岸沙丘, 但在暖期时仅限于EAWM相对强盛的时段。

3) 研究区海岸沙丘发育阶段与我国东部沿海其他地区、东北亚以及西北欧的海岸沙丘发育阶段比较一致, 仅是在发育阶段的起止时间上有一定差异。表明EAWM影响范围广大, 是东亚地区海岸沙丘发育阶段具有近同时性的基本驱动力。此外, 在百年际尺度上, NAO与EAWM呈反相位变化, NAO对东亚冬季风气候系统也有显著影响。这可能反映了近千年来北半球的气候环境、中高纬环流系统发生了大范围变化, 促使北半球各个海岸带沙丘活化或发育海岸风沙沉积。

4) 作者在本项研究中也注意到, 无论在现代还是历史时期, 福建东南沿海的台风活动都十分频繁, 在每年夏秋季节常见因台风过境引起的大风及风暴潮侵袭海岸带。即, 除了在常态的东亚冬季风作用下发育海岸风沙地貌, 台风引发的风暴作用是对海岸风沙地貌过程影响较大的突变驱动因子。台风风暴潮对海岸风沙地貌过程的影响机制, 除了与风暴强度和持续时间有关外, 还受到海岸带小地形、植被状况等因素的影响, 风暴潮引发的风蚀-沉积过程较为复杂。因此, 夏秋季节突发的风暴活动对海岸带常态风沙沉积序列的影响程度, 是未来深入探讨华南海岸风沙活动规律、重建东亚季风区海岸环境演变历史的重要内容。

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Episodes of coastal dune development over the last 2000 years on the south coast of Fujian

XU Xiao-lin1, 2, LI Zhi-zhong1, 2, 3, JIN Jian-hui1, 2, 3, CHENG Yan1, 2, YU Xiao-li1, 2, LAI Hai-cheng1, 2, SHEN Jian-ling1, 2, YUAN Xiu-quan1, 2

(1. College of Geographical Sciences, Fujian Normal University, Fuzhou 350007, China; 2. Key Laboratory of Humid Subtropical Eco-geographical Process (Fujian Normal University), Ministry of Education, Fuzhou 350007, China; 3. Institute of Geography, Fujian Normal University, Fuzhou 350007, China)

Nov. 5, 2016

[National Natural Science Foundation of China, No. 41771020, No.41271031, No.41301012; Natural Science Foundation of Fujian province, No.2017J01460; the Graduate Innovation Project of the School of Geographical Sciences of Fujian Normal University]

Extensive dunefields characterize part of the coastal areas in Fujian Province, indicating a history of aeolian activity that goes back thousands of years. In this study, coastal dune profiles (CH and CDS) were investigated in Zhangpu coast, south of the Fujian Province in China. We use optically stimulated luminescence (OSL) dating to reconstruct the coastal aeolian activity sequence of the study area. The results show that: 1) there are multi periods of coastal aeolian sediments developed in the Zhangpu coast in the last two millennia. The CH dune recorded the aeolian sand movement in three phases: between BC100 and AD300, between AD500 and AD870, and between AD1050 and AD1380; whereas the CDS dune recorded the movement around AD200, between AD1040 and AD1280, and between AD1410 and AD1710. 2) The periods of the aeolian sand activity in the study area is roughly consistent with that of the coast of eastern China, northeast Asia, and northwest Europe. It may reflect that a wide range of changes occurred in the Northern Hemisphere in the last two millennia. The reasons their starting and finishing times are different may be the difference of local factors. 3) The East Asian Winter Monsoon (EAWM) plays a significant role for aeolian processes of the southern coastal region of Fujian. Generally, when the EAWM is strong, the coastal aeolian deposits will be more active. Coastal aeolian deposits occurred in both cold and warm periods in the last two thousand years. But in the warm period, it is limited to the time that the EAWM is relatively strong. The EAWM has a large circle of influence, and it is the basic driving factor that the aeolian deposits activity in East Asia exhibits quasi-simultaneity. In addition, the North Atlantic Oscillation (NAO) has an indirect effect on the coastal dune development in the study area by affecting the intensity of the EAWM.

coastal dune; optically stimulated luminescence (OSL) dating; East Asian Winter Monsoon; Zhangpu of Fujian Province

(本文编辑: 刘珊珊)

P736.22

A

1000-3096(2017)06-0079-13

10.11759/hykx20161105001

2016-11-05;

2017-01-06

国家自然科学基金项目(41771020, 41271031, 41301012); 福建省自然科学基金项目(2017J01460); 福建师范大学地理科学学院研究生创新基金项目

徐晓琳(1992-), 女, 广东汕尾人, 硕士研究生, 主要从事风沙地貌与环境演变研究, 电话: 13215987561, E-mail: 986404918@ qq.com; 李志忠, 通信作者, 男, 教授, 博士, 主要从事风沙地貌与环境演变研究, 电话: 13799382329, E-mail: lizz@fjnu.edu.cn