汞作为唯一主要以气相形式存在于大气的重金属元素，具有低水溶性、低干沉降速率、化学形态稳定等特点，在大气中的滞留时间约为0.5~2 a，可以参与全球大气循环^[1-4]，并可以经过植物叶片进入植物体内^[5]。泥炭是由植物残体在厌氧环境下经微生物分解后形成的具有时间层次的第四纪沉积物，以其连续性好、分辨率高、环境信息丰富、测年准确等优点成为古气候学研究的重要材料^[6]。泥炭植物在特殊沼泽环境下，直接从当时外界大气中获取养分，记录当时大气汞含量信息^[7]。泥炭地低温和适当的pH环境对汞的保存十分有利^[8]。前人利用泥炭汞含量在古环境研究中做了大量工作，Martine Cortizas A等通过对西班牙泥炭的研究获得了4 000年来大气汞的累积状况，并分离出自然状态和人类影响状态下不同热稳定性汞的沉积特点，进而反映气候变化信息^[9]。F Roos Barraclough等通过对EGR2A泥炭柱样的分析，认为雨养型泥炭的汞浓度不受地下水和母质影响，并通过汞沉积速率捕捉到新仙女木和火山爆发期的强烈信号, 认为泥炭汞浓度可以作为一种新的气候代用指标来反映气候变化^[10]。通过泥炭中汞含量的研究可以反演泥炭形成时期周围大气的汞信息，从而推断当地气候的冷暖情况，对全新世气候环境变化具有重要参考意义。

青藏高原全新世气候变化一直以来都备受古气候研究学者关注，通过对高原冰川、高原湖泊沉积物等的研究已经取得了丰富的研究成果：姚檀栋等通过对敦德冰心和古里雅冰心的研究建立了过去2 kaBP和过去125 kaBP的连续时间序列^[11]；Broxton W Bird等通过对帕鲁错湖泊沉积物叶蜡长链烷烃(δD_wax)的氢同位素测定反映了11 kaBP以来印度洋季风对青藏高原东南地区的影响^[12]。泥炭方面，徐海、洪业汤等对红原泥炭纤维素氧同位素的测定反演了6 kaBP以来温度变化^[13]；周卫建等通过对红原泥炭中孢粉记录的分析得到了青藏高原东北缘13 500年以来高山湿地生态系统的变化历史^[14]；侍文芳、冯新斌等测定了150年以来红原泥炭中汞的沉积记录^[15]。本文通过对西藏七弄沟地区过去9 100~3 500年的泥炭汞含量温度代用指标序列分析，反映青藏高原东南地区温度演变特征。研究发现，七弄沟气温在研究时期内气温总趋势与中国其他地区以及北大西洋、格陵兰等地存在一致性；汞浓度曲线对全球性气候事件有比较明显的响应；通过周期分析发现该地区气温与太阳活动周期上的一致性，为深入认识该地区的历史气候演变提供参考依据。

1.   区域概况及实验方法

七弄沟位于西藏自治区拉萨市当雄县羊八井镇，念青唐古拉山脉东南麓。该区域属于大陆性高原寒温带季风型气候，多年平均温度1.3 ℃；长冬无夏，春秋短促, 七月平均温度10.7 ℃；冬春季节风雪大, 气候干燥严寒, 一月平均温度为-10.4 ℃，大地霜冻，封冻期150天(11月至翌年3月)，全年无霜期仅62天，夏秋季气候暖和湿润, 多雨多雹，年均降水量476.8 mm^[16]。七弄沟泥炭层发育在晚更新世沉积物所在的山间低洼谷地上^[17]，厚度约为1.5 m，采样地点为30.1°N、90.6°E, 海拔4 270 m(图 1)。

图  1  西藏羊八井七弄沟泥炭地位置示意图

Figure  1.  The location of QNG peat

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样品采于2014年，采用剖面取样法。挖取新鲜泥炭剖面，除去顶部扰动层后, 最终泥炭柱样长1.25 m，自地表向下可分为6层：①0~13 cm为黑褐色泥炭层，植物残体多，含水量高；②14~31 cm为黑褐色草本泥炭层，植物残体较多，含一定的水分，较紧实；③32~56 cm为褐色泥炭层，基本看不到植物残体，质地紧实；④57~86 cm为褐色含砂泥炭层，植物残体较多，在68和79 cm左右处出现白色钙质结核；⑤87~100 cm为黑褐色草本泥炭层，植物残体明显增多；⑥101~200 cm为黑褐色泥炭层，植物分解完全，质地紧实，含水量少(图 2)。柱样按0.5 m每段进行分段采样，并固定密封冷冻保存。前处理阶段剔除泥炭柱样表层后，按照1 cm间距进行分割，共获得125个样本，部分样品送至美国Beta放射性碳同位素测年实验室进行年代测定，结果见表 1。样品¹⁴C放射年龄为8 200~3 260 aBP，经树轮校正后获得其日历年龄跨度为9 150~3 510 aBP。

图  2  西藏羊八井七弄沟泥炭剖面岩性及年龄

Figure  2.  Lithology of QNG section and chronology

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表  1  QNG泥炭样品年代测试结果

Table  1.  The age of the QNG peat

样品号	样品深度/cm	13C/12C/‰	14C放射年龄/aBP	日历年龄2σ/cal.aBP
QNG-01	0~1	-25.9	3 260±30	3 505±60
QNG-02	46~47	-26.5	4 530±30	5 260±50
QNG-03	83~84	-27.8	5 590±30	6 358±53
QNG-04	124~125	-25.9	8 200±30	9 150±120

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根据2σ日历年龄结果，结合泥炭柱样, 通过线性内插的方法获得未测年样品年代，根据r = h / t分别计算得到各段的沉积速率。其中0~46 cm段的沉积速率为0.262 mm·a^-1，47~83 cm段的沉积速率最大，为0.337 mm·a^-1，84~125 cm段的沉积速率最小，为0.150 mm·a^-1。

对其他样品进行前处理，样品的存放、干燥条件和干燥程度、研磨工具、空气中的暴露时间以及测量过程中分解时间的设定都能对测试结果产生影响。样品采用真空冷冻干燥(T < -50 ℃, P < 15 Pa)，以防止低稳定性汞在高温条件下释放^[14]及在开放干燥环境下发生汞交换。干燥后样品经石英研钵研磨后密闭冷冻封存。汞含量检测采用原子吸收光谱法(atomic absorption spectroscopy, AAS)，通过汞的基态原子蒸汽对特征辐射的吸收对汞含量进行定量分析。使用Leco AMA 254测汞仪测试样品中的总汞含量，采用美国环境保护署(Environmental Protection Agency，EPA)第7473号检测方法^[18]。该测汞仪的检测分辨率为0.01 ng Hg，检测范围为0.05~600 ng Hg，与重检值之差小于被测值的1.5%。采用推荐设置程序：30 s(干燥)、125 s(分解)，45 s(等待)。标准样品(浓度为100 ng·g^-1)测定的RSD≤0.78%，加标回收率为92%~108%。

2.   结果与讨论

Martine Cortizas A等对西班牙西北部泥炭汞含量研究表明，在人类工业活动以前自然条件下泥炭中汞浓度约为30 ng·g^-1[9]，这与F Roos Barraclough等在瑞士EGR2A泥炭得到的汞浓度相近^[10]。而位于中国吉林的哈尼泥炭其汞含量平均浓度约为45 ng·g^-1[19]。

如图 3所示，QNG泥炭中汞浓度范围为11.14~97.95 ng·g^-1，最高值97.95 ng·g^-1出现在56~57 cm处(约5 350 aBP), 最低值11.14 ng·g^-1出现在69~70 cm处(约5 770 aBP)，平均值53.77 ng·g^-1。从QNG泥炭汞浓度时间变化序列来看，共记录了6次变冷事件，依次发生在8 700、8 100、7 600、6 200、4 600、3 900 cal.aBP。从整体趋势来讲，泥炭汞浓度含量变化可分为3个阶段：

图  3  西藏羊八井七弄沟泥炭汞浓度时间序列

Figure  3.  The time series of Hg concentration in peat

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第Ⅰ阶段(约9.1~7.2 kaBP)，温度较高，波动下降。9.1~7.2 kaBP期间QNG泥炭汞含量处于整个剖面的较高值，平均汞浓度为80.15 ng·g^-1，高于总平均值，并在波动中显示出下降趋势，表明气候渐冷，其中发生3次变冷事件，时间分别为8.8、8.1、7.6 kaBP, 其中8.8 kaBP为第一次降温事件，此次事件在3次降温事件中幅度最小、时间最长(约0.5 ka)。之后气温出现上升并恢复到起始水平，在图 3中表现为一次上升峰。8.1 kaBP左右发生了第二次降温事件，特点表现为降温迅速，持续时间短，此次事件在格陵兰冰心GISP2钻孔中表现更为剧烈，称其为“8.2 ka事件”^[20]，相比而言QNG泥炭汞所反映的变冷幅度更小且在忽略测年误差情况下发生时间略早。7.6 kaBP左右发生了此阶段中最为剧烈的一次降温，汞含量显示其下降幅度大、持续时间较长，汞浓度值达到此阶段最低，约为40 ng·g^-1，指示该地区在此时间段内经历了大幅度的降温事件和长时间的寒冷时期。总体而言，第Ⅰ阶段的泥炭汞含量处于较高水平，但从变化趋势来看三次降温事件逐次加强，呈现变冷趋势。

第Ⅱ阶段(约7.2~5.6 kaBP)，温度波动剧烈。本阶段在汞浓度值上表现为很大的起伏，表明这一阶段的外界环境温度波动剧烈。相对于第Ⅰ阶段末期的低温，在7.2 kaBP后气温略有升高，并在6.4 kaBP左右达到峰值，汞浓度约为75 ng·g^-1，之后在6.2~5.6 kaBP，便迎来了该泥炭记录温度最低、时间最长的一次降温事件，该事件中有两次明显的低值分别出现在6.1和5.8 kaBP，其中5.8 kaBP泥炭汞浓度值低至11.14 ng·g^-1，这与全新世著名变冷事件“5.9 ka事件”时间契合度良好，证明在5.8 kaBP左右七弄沟地区也发生过一次变冷事件。从汞浓度指标来看，第Ⅱ阶段的变化量约60 ng·g^-1，波动范围较大，表明此阶段该地区的温度变化剧烈，幅度较大。

第Ⅲ阶段(约5.6~3.5 kaBP)，温度下降、波动频繁。第Ⅱ阶段结束后七弄沟地区经历了由冷期迅速转暖的过程，并在5.3 kaBP左右达到最高值，随后进入波动下降阶段。5.2~4.2 kaBP波动频繁，呈明显的下降趋势。4.1 kaBP出现了比较明显的峰值，表征气候短时间迅速转暖，但随后又迅速下降，进入QNG泥炭汞浓度记录的最后一次变冷事件，起始时间约为4.0 kaBP，这与我国中部龙山文化的消亡时间相吻合，是“4.2 ka事件”在中国的体现^[21]。总之，第Ⅲ阶段汞浓度指标表明在约5.6~3.5 kaBP七弄沟地区的温度在频繁波动中逐渐下降，并进入冷期。

为进一步了解QNG泥炭样品汞浓度与全球温度变化的对应关系，将QNG泥炭汞浓度(图 4a)与青藏地区其他气候代用指标(图 4b、c)以及世界范围内著名气候代用指标(图 4d、e、f)进行对比。QNG泥炭记录跨越了全新世以来的10次北大西洋浮冰事件(IRD)中的3次，分别为8.2、5.9和4.2 ka事件^[22]。QNG泥炭对8.2 ka事件的响应与红原泥炭(如图 4c)、董哥洞δ¹⁸O(如图 4d)基本一致，与格陵兰冰心GISP2 δ¹⁸O(如图 4e)相比响应速度略慢，程度小。这与其他地区如Hoti洞石笋δ¹⁸O^[23]、阿拉伯海有孔虫记录^[24]相似；5.9 ka事件是QNG泥炭汞含量响应最大的一次变冷事件，从其他对比指标来看，此次事件在青藏地区以及董哥洞石笋D4 δ¹⁸O中的响应都很剧烈，但是在格陵兰冰心以及北大西洋地区表现并不明显，从一定程度上反映了5.9 ka事件对青藏高原及中国其他地区气温产生了极大的影响。4.2 ka事件是QNG泥炭记录的最后一次变冷事件，也是全球普遍存在的一次干冷事件。QNG泥炭汞响应的时间约为4.0 ka左右，持续时间较长，此次事件与董哥洞石笋D4 δ¹⁸O的记录较为一致。目前在北非^[25]、中东^[26]、红海^[27]、印度^[28]和北美^[29]地区都发现了此次降温记录。4.2 ka事件在气候记录里的发生时间约为3.6~4.4 ka，时间跨度可达0.6 ka, 可能是人类文明出现以来第一次遭遇全球范围内的自然灾变事件^[22]，若干研究表明它与西亚卡拉丁王国解体^[26]、希腊和埃及早期古代文明以及位于印度河谷的哈拉潘文明的衰落^[28]、中国中部新石器文化消亡^[30]，东部洪水泛滥，龙山文化和良渚文化迅速衰退^[30]有很大关联。

图  4  西藏羊八井七弄沟泥炭汞浓度与其他气候代用指标对比

Figure  4.  Comparison with other climatic proxies

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除去3次IRD事件之外，QNG汞浓度指标还分别在7.5、6.3、4.7 kaBP出现明显的谷值。7.5 kaBP处于早全新世晚期，此时亚洲季风极盛期(8.0~7.8 kaBP)逐渐衰退，进入极盛期后的寒冷期，气候偏干冷^[31]，此次事件在董哥洞石笋(图 4d)、格陵兰冰心(图 4e)的δ¹⁸O中都有响应，另外在祁连山的敦德冰心δ¹⁸O^[32]、太湖硬黏土沉积物化学元素、南屯泥炭化学元素^[33]、哈尼泥炭汞浓度^[19]指标中均有体现。6.3 kaBP左右出现的变冷事件目前在中国地区的各种气候代用指标中信号较为强烈。在QNG泥炭汞含量指标中6.3 ka事件强度远大于8.0 ka事件，在红原泥炭的灰分指标也体现出此特点；此外普若岗日冰心δ¹⁸O中(图 4b)对6.3 ka事件信号响应也十分明显。4.7 ka事件的响应时间较短，程度有限，但从其他代用指标尤其是红原泥炭δ¹³C、董哥洞石笋、格陵兰冰心的δ¹⁸O以及IRD等指标来看，同一时期在世界其他地区依然有很好的响应。

影响地球气候变化的诸多因素都具有周期性，如太阳轨道变化周期33 Ma^[34]，米兰科维奇周期为96 ka^[35]，40~41 ka的黄赤交角周期^[36]和19~23 ka的岁差周期^[37]以及太阳活动的11 a周期^[38]等。对QNG泥炭汞浓度用PAST3中的REDFIT进行周期分析发现，其所反映的周期有1 100、650、450、310、192以及110 a(如图 5)。1 100 a周期接近树木年轮中¹⁴C含量变化重建太阳黑子数序列发现的太阳活动千年准周期^[39]。650 a周期可能对应太阳活动第6级周期(704 a)。450 a周期目前还没有合理解释，但在红原泥炭总有机碳以及纤维素氧同位素中分别含427和444 a的周期^{[13, 40]}。310 a周期与太阳活动第四级周期变化非常吻合。192 a周期的置信水平不高，但明显呈现峰值，与全新世太阳黑子波动周期(220 a)和董哥洞氧同位素周期(210 a)^[41]十分接近。110 a在红原泥炭^[40]、金川泥炭^[42]以及福建北部山地泥炭^[43]中都有出现，被公认为与太阳活动的调制作用以及太阳活动的Gleissberg周期有关^[44]。由此可见QNG泥炭浓度能够很好地响应太阳活动变化。

图  5  西藏羊八井七弄沟泥炭汞浓度序列红色噪声谱分析

Figure  5.  The red noise spectrum analysis of QNG mercury concentration

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3.   结论

(1) 青藏高原东南部地区泥炭中汞浓度含量指示了温度的变化，汞浓度高则温度高，汞浓度低则温度低。

(2) QNG泥炭汞浓度变化记录了七弄沟地区9 100~3 500 aBP的温度变化趋势，主要包括以下阶段：第Ⅰ阶段(约9.1~7.2 kaBP)，温度较高，波动下降；第Ⅱ阶段(约7.2~5.6 kaBP)，温度波动剧烈；第Ⅲ阶段(约5.6~3.5 kaBP)，温度下降、波动频繁。3个阶段分别反映了3次北大西洋浮冰事件(IRD)(8.2 ka事件、5.9 ka事件和4.2 ka事件)。此外，在7.5、6.3、4.7 kaBP左右也出现了变冷事件。

(3) 利用REDFIT对QNG泥炭汞浓度进行红色噪声谱分析发现其存在1 100、650、450、310以及110 a周期，反映了青藏高原地区对太阳活动变化的响应。