大同盆地晚更新世以来气候变化

杨宗园1，苏志珠2

（1山西大学环境与资源学院，太原030006；2山西大学历史文化学院，太原030006）摘要：为了更好地了解大同盆地过去气候的变化过程，找出其气候变化规律，预测未来气候变化趋势，更好地指导农业生产。本研究通过对沉积剖面地层的观察与样品的测年，运用磁化率和粒度指标，恢复了大同盆地晚更新世以来的气候变化：整体呈现出“暖湿—冷干—暖干”的气候旋回特征，分为上更新世许家窑组暖湿期、马兰组干冷期及全新世暖干期，并且气候有逐渐干旱化趋势。部分学者对近些年降水与气温变化的研究以及未来气候趋势的预测，更证实了这一结论的合理性。总之，大同盆地晚更新世以来气候总体呈干旱化趋势，此结论将为本区干旱化农业发展政策的制定提供可靠的科学依据。教育期刊网 http://www.jyqkw.com
关键词 ：大同盆地；晚更新世；气候变化；干旱

中图分类号：K903 文献标志码：A 论文编号：cjas15010007

基金项目：山西省科技重大专项计划(20121101011)。

第一作者简介：杨宗园，女，1986 年出生，硕士研究生，主要从事全球气候变化研究。通信地址：030006 山西省太原市小店区坞城路92 号山西大学环境与资源学院，Tel：0351-7010600，E-mail：2008xue0828@163.com。

通讯作者：苏志珠，男，1964 年出生，硕士生导师，主要从事全球气候变化研究。通信地址：030006 山西省太原市小店区坞城路92 号山西大学历史文化学院，Tel：0351-7010600，E-mail：suzhizhu@163.com。

收稿日期：2015-01-06，修回日期：2015-02-20。

0 引言

认识过去的气候是为了更好地了解现在和预测未来的气候变化，研究某地区过去的气温和降水变化是重建过去气候特征的关键。大同盆地处于季风边缘区，对季风的强弱变化非常敏感，是研究气候变化的理想区域；盆地中地层沉积特征连续，能很好地反映过去气候的变化过程。通过研究大同盆地过去气候变化，分析气候变化成因，能更好地了解现阶段的气候特征并预测未来的气候变化趋势，为本区农业生产等方面提供重要依据。

近年来，大同盆地的气候变化逐渐引起学者们的关注，并且已经做了一些研究。如关于盆地中桑干河河流阶地[1-3]的研究、大同火山的研究[4-5]、盆地中地下水和沉积物化学元素变化[6-9]等。通过这些研究，反映了大同盆地过去经历的一些气候变化事件。还有一些研究是通过对近些年大同地区气温、降水数据的统计与分析[10-13]，反映现阶段气候特征，预测未来气候变化的趋势。

在这些研究中，能够较连续地反映过去气候变化过程的文献不多，其中范淑贤等[14-15]运用孢粉指标对本区气候的研究还是比较具有代表性的，但是能较好地连续性地反映本区气候变化过程的研究仍较薄弱。因此，本研究将通过测年技术的运用、气候代用指标的分析，并结合过去学者们对地层的对比研究，反映本区晚更新世以来的气候变化过程，以期丰富和完善对本区晚更新世气候变化的研究，预测盆地未来气候变化趋势，更好地为与人类密切相关的农业生产的发展方向提供依据。

1 大同盆地的自然概况

大同盆地位于山西省北部，为北东向展布的半封闭盆地，盆地北、西、南三面环山，东面与阳原盆地相通。盆地内主干河流桑干河属海河水系，自西向东穿过本区流入阳原盆地（见图1）[16]。盆地处于东亚季风气候的边缘，属温带大陆性季风气候，为半湿润气候向半干旱气候过渡。

2 大同盆地晚更新世地层

之前有学者对本区地层有研究（见表1、图2），本研究根据对重点剖面的观察和区域对比，将本区晚更新世地层自下而上划分为：上更新统—许家窑组、马兰组、峙峪组；全新统[17]。

许家窑组(Q3x)地层广布于大同盆地内部及其边山地带，在桑干河、南洋河及其主要支流两岸常见出露，通常组成其三级阶地剖面的中下部和二级阶地的下部。岩性主要为灰黄、棕黄及灰褐色的亚砂土、亚粘土、粘土及砂层、砂砾层或砾石层，在盆地中常夹有灰绿层。本地层最具代表性的是许家窑遗址剖面，古化石铀系法测年约10 万年[18]。在虎头梁剖面相似地层中，发现的叠层石的ESR测年结果为(9.3~12.3)万年[19]。

马兰组(Q3m)地层分布于边山地带的梁坡之上，岩性为马兰黄土，为灰黄色亚砂土，明显具垂直节理。东咀剖面和分水岭剖面顶部以及大道坡和洞沟剖面顶部皆有马兰黄土沉积，黄土底部测年约7 万年，顶部约为1 万年[20]。本组地层年龄下界可对应萨拉乌苏地层中的城川组[21]。

峙峪组(Q3s)地层分布较广，基本组成桑干河和南洋河水系的二级阶地剖面的全部堆积。岩性为灰黄、浅棕、棕黄色的亚粘土、亚砂土与砾层、砂砾层或砾石层，间夹灰绿层。峙峪遗址文化层中发现的王氏水牛骨化石14C测年结果为28945+1370年[22]。

全新统(Q4)地层主要分布于大同盆地底部以及边山地区，通常多组成现代河床，河漫滩以及阶地堆积，岩性主要是砂层、砂砾层和砾石层。典型剖面为阳高县东水头剖面[14]。

3 大同盆地晚更新世以来气候变化

本研究采样剖面位于盆地东南部，处于河流交汇的三角洲地带。剖面厚度4.6 m，在剖面0.4 m和1.6 m处采用ESR测年结果分别是7.1 万年、13.8 万年，结合许家窑组和马兰组岩性特征，可以推断剖面1.6m 处自下而上是上更新统许家窑组和马兰组地层，下伏中更新统晚期湖相沉积，本研究重点讨论晚更新世以来（13.8 万年）的沉积特征和气候变化。因此，根据频率磁化率(Xfd%)和平均粒度(MzΦ)曲线，结合岩性分析和测年数据，确定许家窑组地层年代为(13.8~7.1)万年，马兰组年代下限为7.1 万年。

风成沉积的研究表明磁化率和粒度指标是反映东亚季风气候变化的敏感的替代性指标，并已得到广泛的应用。当气候温湿期，沉积物成壤作用增强，粒度变细，由于磁性矿物的淋溶富集作用，促使铁磁性颗粒富集，磁性颗粒浓度增加，导致沉积物磁化率值较高；反之，气候干冷期，沉积物成壤作用减弱，粒度变粗，磁化率值降低[23]。因此，在风成沉积中，沉积物中高磁化率值和细颗粒指示暖湿的气候环境，低磁化率值和粗颗粒反映干冷的气候环境。磁化率和粒度曲线变化表明本区晚更新世以来气候经历了暖湿和冷干的变化，并且表现出多个次一级波动：许家窑组，(13.8~7.1)万年，沉积物磁化率平均值为5.33%，平均粒径为4.38Φ；马兰组，7.1 万年以来沉积物磁化率平均值为4.23%，平均粒径为4.23Φ。结合数据和曲线，许家窑组磁化率值较马兰组高，沉积颗粒粒度较马兰组细，说明许家窑组时期气候较温暖湿润，夏季风势力较强，成壤作用较强，沉积物颗粒较细；马兰组时期气候较干冷，冬季风势力增强，成壤作用减弱，沉积粒度较粗。曲线上表现出5 个突出的峰值和谷值，表明气候经历了多个次一级的冷干和暖湿的波动（见图3）。本采样剖面上部全新世地层剥蚀严重，因此采用范淑贤等[14]对东水头剖面孢粉植被的研究结果作为补充，建立晚更新世以来完整的地层序列。研究表明，全新世气候不稳定，总体温暖偏干，共划分为5 个阶段，为2 次相对暖湿和3 次冷干气候变化过程。因此，结合本剖面和东水头剖面的研究结果，大同盆地自晚更新世以来气候整体趋向于干旱化，经历了1 个“暖湿—冷干”的气候旋回，期间有多个次一级的冷暖波动。

4 结论与讨论

（1）研究结果表明，大同盆地自晚更新世以来，气候经历了上更新统许家窑组暖湿期、马兰组冷干期以及全新统暖干期的旋回，期间有几个次一级的冷暖波动，气候整体趋向于干旱化，此气候变化特征与全球有很好的对应。

（2）上更新统许家窑组时期气候暖湿，盆地中虎头梁剖面发现叠层石[24]，黑山南四沟剖面[15]也发育古土壤。本阶段年代及气候特征恰与全球的末次间冰期对应[25]，此时黄土高原发育S1古土壤层[26]，萨拉乌苏滴哨沟湾剖面发育湖相堆积[27]，都是这一暖湿气候阶段的产物。上更新统马兰组时期，气候较冷干，在盆地中发现了水菱镁矿[28]、古冰楔和古砂楔构造[29-30]，黑山南四沟剖面发育黄土。本段对应末次冰期以来的地层沉积，此时黄土高原发育L1 黄土层[31]，萨拉乌苏剖面发育风成沉积，都表明这一时段气候的干冷。结合全新统气候极不稳定，整体温暖偏干，经历了3 次较冷干和2 次较暖湿气候旋回，这种变化过程与西北内陆干旱区黄土高原西部区临夏塬堡黄土剖面[32]相接近。结合近些年来学者们对大同及其周边地区气温与降水量变化的研究[33-37]，大同地区近些年来气温在逐步上升，降水量呈缓慢减少趋势，气候整体上呈现出干旱化趋势，与本研究的结果也达到很好的契合。

（3）本采样地层剖面沉积连续，因此在反映过去气候变化时也具有较好的连续性，填补了本区晚更新世气候研究的空缺。研究气候变化是为了更好地服务于人类的生产生活，对气候敏感地区农业生产的影响尤为重要[38]，因此有很重要的研究意义。不少学者分析了气候趋向于干旱化对农业产生的影响[39-41]，并提出了一些在极端气候条件下的应对措施[42-45]，将更好地为农业生产提供科学依据。

（4）本研究通过对剖面沉积物的观察与分析，较连续地反映了盆地晚更新世以来的气候变化过程，丰富了本区过去气候研究的内容，并与全球有很好的对应，也与本区现代气候特征达到很好的契合，进一步充实了本区气候呈干旱化趋势变化的依据。但是，由于采样剖面上部风化剥蚀较严重，需借助东水头剖面地层做补充，2 个剖面在契合时还需要一些确切的年代数据，因此，本研究还有待进一步的深入。

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