论文摘要
全球变暖是目前人类最为关注的全球性环境问题之一,其中北极温度升高的速度是全球平均速度的两倍,这一现象也被成为北极放大效应,全球变暖还会引发一系列的次生灾害,如海平面上升、极端天气频发、扰乱生态系统等,研究表明近年来中纬度地区极端环境事件的频发就与北极放大效应存在密切的关系。只有了解过去才能更好的预测未来,因此,为了更好地应对全球气候变化,尽可能的降低气候变化对我国造成的影响,这就要求我们重建过去北极地区的气候变化历史以及我国中低纬度地区的极端环境事件记录。此外,南北极一直被大家视为地球上的最后一块“净土”,但是近年来人类频繁的南北极科考、旅游等活动也带来了另外一个问题——环境污染问题,那么目前南北极的环境现状如何?受人类活动干扰有多大?围绕上述问题,研究团队在北极斯瓦尔巴群岛、南海西沙群岛、浙江朱家尖以及南极菲尔德斯半岛等地采集了沉积柱、砗磲、古木层等多种研究载体,本研究据此探讨了全新世以来极地和中国近海典型地区的气候环境演变历史,并对南北极的环境污染状况进行了评估,本文将主要围绕以下几点讨论:1.斯瓦尔巴群岛中晚全新世气候变化及生态响应北极在全球气候系统中起着至关重要的作用,但是,北极地区的气候变化记录分布非常不均匀,尤其是斯瓦尔巴群岛地区,可能由于该地区小冰期期间的冰川是全新世以来最大的一次,从而破坏了大量的沉积序列。海蚀凹槽沉积不易受到外界扰动,是记录古气候、古环境变化的理想载体。本研究中,我们利用伦敦岛的古海蚀凹槽沉积序列,通过分析沉积物中与气候变化密切相关的风化指标,同时,结合反映研究区域古气候变化的替代性指标（TOC）,恢复了该地区中晚全新世以来的气候变化历史,重建的气候变化记录与北大西洋的冰筏事件以及格陵兰、冰岛和斯瓦尔巴群岛的冰川活动具有很好一致性。此外,碳氮比和碳同位素的结果表明沉积物中的有机质主要来源于湖泊藻类,本文通过碳氮比估算了自源和他源有机质的相对贡献比例,最终结合多个地球化学指标重建了伦敦岛地区古生产力的变化历史,对比周边区域气候记录发现,古生产力的变化与该地区的气候变化历史具有很好的一致性,古生产力的谷值很可能与距今1900年、2800年和4200年的冷事件有关。因此,伦敦岛地区古生产力的变化很可能主要受控于该地区的温度变化,在相对温暖的时期,古生产力升高,反之亦然。2.距今9400-2200年间新奥尔松地区光合生物量变化历史研究表明,植被生物量的变化对北极生态系统很多方面都有重要的影响,但是,目前关于斯瓦尔巴群岛地区全新世以来生物量变化的研究还相对较少。在本研究中,我们对新奥尔松地区古海蚀凹槽沉积剖面YN进行了详细的地球化学和有机分子标志物分析,重建了距今9400-2200年间的光合生物量变化记录,并对比了光合生物量记录与北极地区历史时期温度变化之间的关系。结果表明,该地区的光合生物量经历了四个发展阶段。首先,该地区光合生物量保持稳定增长,在全新世大暖期（HTM）期间保持在一个很高的水平,但是光合生物量在中全新世气候转型期间急剧下降,随后,在距今3000-2500年间又出现了一个小的峰值。总体来说,该地区的光合生物量变化记录与周边的温度记录具有很好的一致性,因此,温度变化可能是控制光合生物量变化的主要因素。3.小冰期冰川沉积物在古海蚀凹槽中的记录在新奥尔松地区采集到的古海蚀凹槽沉积剖面YN可以分成上（0-10cm）、中（10-70cm）、下（70-118cm）三段,其中,中段沉积物含有大量砾石,并且大多数砾石表面存在擦痕和撞击坑,其粒度特征和有机质来源也明显区别于其他两段,很可能为冰碛物。根据年代学分析,中段沉积物是在距今2219年至公元1900年期间形成的,而斯瓦尔巴群岛小冰期的发生时间在公元1500-1900年之间,因此,中段沉积物是小冰期期间冰川活动产生的冰碛物。小冰期时期的冰川前缘很可能跨越了采样位置,剥蚀掉前期已经存在的一部分沉积物,并导致了中段混杂沉积的产生。这也为斯匹次卑尔根岛西海岸的冰川规模在小冰期期间比新仙女木时期还要大这一结论提供了新的证据。4.公元1257年Samalas火山喷发在西沙群岛的记录通过对南海东岛湖泊沉积柱DY6的元素地球化学分析,沉积物中元素Ti、Al、Fe2O3的含量明显高于该地区的三个主要沉积端元（珊瑚砂、鸟粪和植物）,这些元素的可能来源包括陆源粉尘和火山灰。在沉积柱的61 cm（公元1300年左右）处,元素Ti、Al、Fe2O3的含量出现了一个异常的峰值,而陆源粉尘的输入无法解释这一现象,通过对该层位的沉积物进行Sr和Nd同位素分析,发现其同位素组成与火山物质非常接近,但明显区别于陆源粉尘,这说明该层位存在火山物质的输入,进一步对比发现,这次异常很可能与公元1257年发生在印度尼西亚的Samalas火山喷发事件有关。5.中晚全新世砗磲碳同位素记录及其控制机制生物碳酸盐中的碳同位素分馏非常复杂,控制其季节性变化和长时间尺度变化的影响因素一直存在很大的争议。本研究详细分析了 5个砗磲的高分辨率碳同位素值来研究其季节性变化,5个砗磲的碳同位素都显示出了相对明显的周期性变化,这可能与周围环境因子的季节性变化有关（如初级生产力、盐度、营养、溶解无机碳等）。另外,所有57个砗磲的碳同位素变化记录用于研究其在千年尺度的变化,并尝试探讨中晚全新世以来砗磲碳同位素在长时间尺度上变化的控制机制。在距今500-5500年期间,砗磲碳同位素记录与太阳活动记录显著相关,这可能跟砗磲体内的虫黄藻有关。太阳活动可以显著影响虫黄藻的代谢效率,从而改变砗磲内部的微环境,进而影响砗磲的碳同位素组成。砗磲碳同位素和太阳活动记录在距今200年左右开始解耦,这可能与海洋的Suess效应有关。本研究从季节性尺度和长时间尺度上探讨了中晚全新世以来砗磲碳同位素的变化历史,提高了我们对砗磲碳同位素的了解。6.舟山群岛距今5600-5900年一次极端生态灾难事件在中国东海的舟山群岛发现了一厚约3.3米、长约74.5米的古木堆积层。除了表皮发生弱硅化现象以外,古木层中的植物保存完好,并且含有丰富的叶片、果实和种子。孢粉和种子分析结果表明古木堆积所代表的植被类型属于亚热带常绿、落叶阔叶混交林,与河姆渡遗址保存的植被类型一致。古木层的分布特征以及保存完好的树桩说明这些古木是原生的,未经过长距离搬运。古木层中的植物、叶片、种子和果实都保存完好,说明这是一次突然的快速沉积事件。根据古木层的定年结果以及对古气候记录的对比分析,距今5900-5600年期间是一段气候异常时期,强盛的冬季风和夏季风伴随微弱的ENSO活动,这种气候条件极易发生极端风暴潮事件,并且此时也处在海平面快速升高的晚期,因此,古木堆积层很可能与风暴潮和海平面升高的共同作用有关。7.南极重金属污染评价菲尔德斯半岛上分布着多个科学考察站,频繁的人类活动对该地区的环境造成了严重的影响,而企鹅作为一种从海洋向陆地传输污染物的重要媒介,却很少有研究评估企鹅对南极环境的影响。在本研究中,我们在菲尔德斯半岛采集了32个湖泊表层沉积物样品,在阿德雷岛采集了 8个湖泊表层沉积物样品来确定其Cu、Zn、Pb、Ni、Cr、Cd、Co、Sb、Hg和P的含量,结果显示阿德雷岛湖泊表层沉积物中重金属元素的含量显著高于菲尔德斯半岛。菲尔德斯半岛上的污染物主要来源于人类活动,而阿德雷岛上的污染物是经过食物链一系列的生物放大作用之后以企鹅粪便的形式输入的。显然,在南极某些特定的区域,企鹅对南极环境的影响已经超过了人类活动的影响。因此,未来需要更加关注动物活动对南极环境的影响。8.北极重金属污染评价过去100年来,人类在新奥尔松地区开展煤矿开采、科学考察以及北极旅游等活动给当地的环境造成了严重的影响,但是目前对该地区的环境评价还主要集中在表层土壤和海洋表层沉积物方面,对过去100年来该地区的重金属污染历史和污染现状仍不清楚。本研究利用采自新奥尔松地区的古海蚀凹槽沉积剖面YN,分析了沉积物中6种典型的重金属元素（Cu、Pb、Cd、Hg、As、Se）的含量变化,并通过污染负荷指数（PLI）、地质累积指数（Igeo）和富集系数（EF）这三个指标评估了该地区在历史时期的污染状况,结果表明,过去100年来,沉积剖面中的重金属元素含量快速升高,其中重金属元素Pb、Cd、Hg和Se污染相对较为严重,并存在显著的富集现象,这些污染主要与新奥尔松地区的汽油发电、煤矿开采、站区影响、北极旅游以及污染物的长距离传输有关。
论文目录
文章来源
类型: 博士论文
作者: 杨仲康
导师: 孙立广
关键词: 全新世,斯瓦尔巴群岛,气候,古生产力,光合生物量,西沙群岛,火山,砗磲,碳同位素,舟山群岛,生态灾难,南极,环境污染
来源: 中国科学技术大学
年度: 2019
分类: 基础科学
专业: 地质学,地质学
单位: 中国科学技术大学
分类号: P532;P534.632
总页数: 221
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