岱海表层孢粉沉积特征及来源分析

岱海表层孢粉沉积特征及来源分析

1湖泊表层孢粉沉积湖泊污泥是研究区域气候和环境变化最理想的代用指标之一。这也是建立气候模型的重要依据（于秀，1997；cohompson，1988；kutzbah和街道绘画，1985）。然而,利用湖泊孢粉资料进行古环境重建时,首先必须要澄清湖泊孢粉的来源及其与植被的关系。许多研究认为河流是湖泊孢粉的主要来源(Crossetal.,1966;VincensandBonnefille,1988;Peck,1973;Bonny,1976,1978;DeBusk,1997),但Luly(1997)对澳大利亚Tyrrell湖的研究则认为,Tyrrell湖的孢粉主要是风吹来的,河流和地表径流带入湖中的孢粉微不足道。Pennington(1979)对英国西部一个封闭型湖泊和一个有河流注入湖泊孢粉的比较发现,封闭型湖泊的孢粉通量总是低于有河流注入湖泊的孢粉通量。小型池塘、沼泽、湖泊沉积的主要是当地植被的孢粉,大型湖泊会出现更多的区域性孢粉(DavisandBrubaker,1973;DavisandFord,1982;Jackson,1990)。显然,湖泊的大小,有河流注入和无河流注入都会对湖泊孢粉沉积产生重要影响。岱海位于半干旱区东部边缘,生态环境体系脆弱,对气候和环境变化敏感,是研究环境变化的理想地区,很多学者都已经或正在对其进行研究(王苏民等,1990;王苏民和冯敏,1991;李容全等,1990;李容全和贾铁飞,1992;沈吉等,2000;曹建廷等,1999,2000,2002;马燕和王苏民,1992;张振克等,1998;孙千里等,2001;乌云格日勒等,1998;乌云格日勒和刘清泗,1998),但关于岱海现代孢粉研究较少,仅王苏民等(1990)做过少量研究。中国其它湖泊表层孢粉沉积的研究报道也较少。本研究在系统采集湖表层沉积物样品的同时,还采集了湖周边主要入湖河流冲积物样品,以探讨岱海现代孢粉沉积及其来源和搬运介质。2岱海盆地的植被分布岱海位于内蒙古高原南缘,乌兰察布盟凉城县境内,地理坐标为112°33′31″E～112°46′40″E,40°29′7″N～40°37′6″N。西北侧为海拔2304m的蛮汉山,东南侧为海拔2100m的马头山,东北侧为脑包山,最高海拔1803m,西南侧地势较平坦,与桑干河分水垭口的海拔为1270m。盆地流域面积2289km2。岱海位于盆地的最低处,湖面海拔1221m,面积133.46km2,最大宽度9.62km,最小6.35km,最大水深16.05m,平均7.41m。入湖河流均为发源于盆地周围的季节性河流,较大的河流有弓坝河、天成河、五号河、步量河等。流域面积471.8km2(图1)。气候上岱海盆地属中温带半干旱季风气候区,冬季长而寒冷,夏季短而温暖。年均气温5.1℃,一月平均气温-13.0℃,七月平均气温20.5℃。年均降水量423.7mm,降水多集中在夏季,6～8月的降水占年降水量的66.9%。年蒸发量1100mm,为年降水量的2.9倍。(王苏民等,1990)岱海盆地的植被区划属温带南部草原区(吴征镒,1980)。受水热和地形的影响,蛮汉山和马头山的阴坡和半阴坡分布着小片由山杨(Populusdavidiana)、白桦(Betulaphatyphylla)、落叶松(Larix)、油松(Pinustabulaeformis)、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)、云杉(Picea)、榆(Ulmus)、柳(Salix)等组成的森林,林下生长着绣线菊(Spiraea)、沙棘(Hippophaerhamn-oides)、虎榛子(Ostryopsisdavidiana)、山杏(Prunusarmeniaca)、胡枝子(Lespedazabicolor)等中生灌丛和苔草(Carexenervis)、艾蒿(Arte-misiaargyi)、铁杆蒿(Artemisiasacrorum)、山丹(Liliumpumilum)、知母(Anemarrhenaasphod-eloides)、地榆(Sanguisorbaofficinalis)等草本植物;海拔1900m以上为以贝加尔针茅(Stipabaicalensis)、羊草(Aneurolepidiumchinensis)、百合(Lilium)、地榆、铁杆蒿等组成的山地草甸。低山丘陵区分布着以克氏针茅(Stipakrylovii)、本氏针茅(Stipabungeana)、狗尾草(Setariavir-idis)、冷蒿(Artemisiafrigida)、铁杆蒿、野苜蓿(Medicagofalcata)、百里香(Thymusmongolicus)等组成的草原植被。河流阶地和水分条件较好的地方,生长着寸草苔(Carexsteno-phylla)、芨芨草(Achnatherumsplendens)、披碱草(Elymusdahu-ricus)、冷蒿、马蔺(Irislactea)、蒲公英(Taraxa-cummongolicum)、苔草、碱蓬(Suaedaglauca)、萎陵菜(Potentillachinensis)、蓄(Polygonumaviculare)等组成的草甸和盐生植被(凉城县志编纂委员会,1993)。3方法的基本原理入湖河流的冲积物样品采集于2001年6月,湖表层沉积物样品采集于2002年6月。冲积物采集于雨后刚从上游冲下来的新鲜沉积物,每条入湖河流冲积物多取样3个,共取11条河流37个样品。湖表层沉积物的获取采用自制的取样器(图2)。取样厚度为1～2cm,取样器顶部开有4个排水孔,样品进入取样器后顶端将水排出,底部做了一个活动阀,样品进入取样器后,拉动活动阀,将取样器底孔封住,以防样品从取样器中脱出。湖表层沉积物取样间距是,经度1.5′,纬度1′,共取表层沉积物样品28个。取样点位置见图3。孢粉的提取采用常规的酸碱处理、重液浮选的方法,实验室取样重量10g。样品化学处理前加入石松孢子11700粒,以计算孢粉浓度。孢粉鉴定统计在日本产Olympus光学生物显微镜下进行。在每个样品中鉴定统计孢粉300粒以上。木本植物花粉多鉴定到属,草本和灌木花粉多鉴定到科或属。孢粉百分比的计算以全部陆地植物孢粉为基数。全部样品的孢粉百分比进行了无倾向性对应分析(DetrendedCorrespondenceAnalysis,简称DCA),通过孢粉数据排序来确定样品间的相似性。DCA分析是由HillandGauch(1980)在相互平均法基础上发展起来的一种排序方法。它是以种类排序值的均值作为样品的排序值,同时以样品排序值的平均来计算种类新的排序值,平均的过程不断重复,直到出现一组稳定的样品排序值和种类排序值(这一过程收敛于一组唯一解)。用同样的方法可以得到排序的第二轴、第三轴等。RA的排序结果虽然好,但存在着两个明显不足:(1)第二排序轴(有时是维数更高的轴)与第一排序轴存在着较强的相关性,在排序图中产生一种拱形效应。(2)梯度两端的点在第一排序轴上被压缩,因此排序空间的距离未能真实地反映种类组成的变化,DCA分析则克服了上述缺陷。4湖表面与入湖河流的冲积物烯粉组合特征4.1乔木植物花粉28个湖泊表层沉积物,共鉴定出63个孢粉类型。所有样品都是以草本植物花粉为主(高于75%),木本植物花粉次之,蕨类孢子最少(低于1%)(图3)。草本植物花粉中,蒿属(Artemisia)所占比例最高,多在50%以上;其次为藜科(Chenopodiaceae),高于10%;禾本科(Gramineae)为1%～7%;湿生植物(0～9.1%)主要为莎草科(Cyperaceae);水生植物不超过2.5%,可见狐尾藻(Myriophyllum)、眼子菜(Potamoget),香蒲(Typha)等;其它草本植物花粉有菊科(Compositae)、唇形科(Labiatae)、蓼(Polygo-num)、酸模(Rumex)、萎陵菜(Potentilla)、伞形科(Umbelliferae)、虎儿草科(Saxifragaceae)、地榆(San-guisorba)、桔梗科(Campanulaceae)、龙胆科(Gentian-aceae)、豆科(Leguminosae)、唐松草(Thalictrum)、荨麻科(Urticaceae)、石竹科(Caryophyllaceae)、毛茛科(Ranunculaceae)、草(Humulus)、玄参科(Scrop-hulariaceae)、十字花科(Cruciferaceae)、胡麻科(Peda-liaceae)、旋花科(Convolulaceae)、百合科(Liliaceae)、茄科(Solanaceae)、车前科(Plantaginaceae)、鹿蹄草科(Pyrolaceae)等。乔木植物花粉百分比多在10%以下,个别可达21.2%,主要为松(Pinus)1%～9.1%,桦(Betula)0～3%,栎(Quercus)0～1.7%,其它有云杉(Picea)、冷杉(Abies)、落叶松(Larix)、榆(Ulmus)、漆属(Rhus)、柳(Salix)、杨(Popu-lus)、椴(Tilia)、桤(Alnus)、栗(Castanea)、胡桃(Juglans)、鹅耳枥(Carpinus)等,灌木花粉主要为虎榛子(Ostryopsis)0～5%。其它包括榛(Corylus)、白刺(Nitraria)、狼毒(Stellera)、马鞭草科(Verbenaceae)、忍冬科(Caprifoliaceae)、木犀科(Oleaceae)、柽柳(Tamarix)、绣线菊(Spiraea)、胡颓子科(Elaeagnaceae)、麻黄(Eph-edra)、虎儿草科(Saxifragacea)、狼毒(Stellera)、蔷薇科(Rosaceae)等。湖表层沉积物孢粉浓度多在10000粒/克以下,仅有4个样品超过10000粒/克,最高达14782粒/克。湖区中部沿西南-东北方向为高值区,自湖泊中部向边缘迅速降低,东南边缘低于150粒/克,其它多降至3000粒/克以下(图4)。4.2植物及入湖表层物37个入湖河流冲积物样品共鉴定出42个孢粉类型,均为湖泊中出现的类型。孢粉组合特征与湖泊基本相似。主要存在以下不同:(1)花粉类型较湖表层样品明显减少,如在湖表层中出现的云杉、冷杉、落叶松、漆、杨、木犀科、酸模、绣线菊、虎儿草科、豆科、荨麻科、桔梗科、石竹科、马鞭草科、十字花科、胡麻科、三白草科、忍冬科、百合科、车前科等不出现于河流冲积物中;(2)乔木花粉百分比略高于湖表层样品;(3)不见或少见水生植物花粉,如狐尾藻、眼子菜等;(4)入湖河流孢粉浓度变化较大,但普遍要高于湖泊表层沉积物孢粉浓度。入湖河流中,孢粉浓度超过10000粒/克的样品有16个,另有7个样品超过20000粒/克,最高值达75563粒/克(图4)。5工程分布的一致性和主要由河流造成的差异草本花粉的分布特征主要受蒿属、藜科、禾本科和莎草科等控制,乔木花粉分布主要受松、桦、虎榛子等影响,蕨类孢子主要是中华卷柏。重点讨论下面各科属孢粉的分布特征。蒿属湖区蒿属花粉百分比及浓度高值更集中于湖区的东北部,百分比高于65%的样品全部集中于此,浓度普遍高于6000粒/克,最高值为12059粒/克,西南部略低于东北部(图5A,图6A)。弓坝河和五号河蒿属花粉百分比低于60%,其它入湖河流在70%以上,花粉浓度普遍高于湖泊样品。分布特征同草本植物。湖区和入湖河流蒿属分布显示出很好的一致性,表明其主要由河流搬运而来。藜科湖区藜科花粉的百分比分布中心与蒿属相反,湖区西南部较高,多数样品在10%～20%之间,东北部则低于8%。花粉浓度遵从湖区中部高边缘低的原则。入湖河流藜科花粉百分比的高值集中于湖泊西南方向的弓坝河、五号河及石天沟,在10%以上,浓度多低于500粒/克。其它方向的河流花粉百分比多在10%以下,但浓度多高于1000粒/克。湖区和入湖河流藜科花粉分布也显示出较好的一致性,表明其也主要由河流搬运而来(图5B,图6B)。禾本科湖区禾本科花粉百分比自北向南增大,大于5%的样品皆位于南部,浓度分布中心也位于西南部,最高值为547粒/克。入湖河流除西南部五号河和东部泉子沟花粉百分比超过5%外,其余河流在近河口处花粉百分比均低于5%。浓度较高的河流仍为北部和东部河流,最高值出现于泉子沟(766粒/克)。禾本科花粉在湖区和入湖河流中的分布虽有相近之处,但总体上湖区略高于入湖河流,显示出其花粉来源的复杂性(图5C,图6C)。莎草科不论是花粉百分比还是浓度,都表现为湖泊边缘高于湖泊中心区,最高百分比(9.1%)出现于湖泊南部边缘的F6号样品。其次为北部E1号样品(3%),但浓度最高值(192粒/克)出现于湖泊西南部的D5号样品。入湖河流花粉百分比及浓度均较低,多数样品百分比低于1%,有些样品中甚至未发现莎草科花粉。花粉浓度大于100粒/克的仅见于元子沟近河口处(146粒/克)(图5D,图6D)。莎草科花粉分布显示其由河流搬运来的较少,湖区花粉更可能是风从湖边低地吹来的。松百分比大于3%的样品皆位于湖泊的东南缘及西北缘,最高值为9.4%,花粉浓度中部高,边缘低,最高值为509粒/克。西南岸的五号河、石天沟、步量河百分比较高,尤其五号河7个样品中有6个样品大于8%,步量河近河口处高达22.9%。其余河流多在3%以下。花粉浓度在西岸的弓坝河、五号河及东南海岸的泉子沟稍低,多数河流在200～500粒/克之间(图5E,图6E)。湖区和入湖河流松花粉分布的一致性较差,显示出其花粉来源的复杂性。桦湖区南部近边缘部分花粉百分比较高(最高3%),其余部分多在1%以下。花粉浓度仍遵从中部高,边缘低的规律,最高为207粒/克。入湖河流花粉百分比普遍高于湖区,最大值为5.2%,且自上游至下游方向略有降低的趋势。西南岸弓坝河和五号河花粉浓度较低,其它河流花粉浓度高于200粒/克。入湖河流桦花粉百分比和浓度都略高于湖区,显示河流是湖区花粉的主要来源。湖区花粉百分比和浓度减少可能与湖区花粉保存有关(图5F,图6F)。虎榛子总的来看,湖区边缘花粉百分比大于中部地区,东北边缘最高(4.7%),而西部边缘浓度最高(507粒/克)。东西两侧入湖河流花粉百分比略高于南北两侧,最高值出现于五号河(8%)。北岸河流花粉浓度略高,其余河流多在200粒/克以下(图5G,图6G)。湖区和入湖河流虎榛子花粉分布也显示出较好的一致性,也表明其主要由河流搬运而来。蕨类孢子蕨类孢子主要为中华卷柏,其百分比在湖区南部边缘较高,最高达15.2%,湖区中北部则低于0.5%,浓度最高值出现于中部DH样品(96粒/克)。河流中的蕨类孢子百分比也是南岸、东南岸稍高,也表现出与湖泊较好的一致性(图5H,图6H)。6孢粉来源在河流冲积物和湖泊的dca分析为了进一步认识湖泊孢粉沉积特征及其孢粉来源,根据其在样品中的百分比及所反映的环境信息,将63个孢粉类型归并成松、桦、虎榛子、其它木本植物(主要为阔叶树)、蒿、藜、禾本科、莎草科、其它草本及蕨类孢子等10个孢粉类型,对包括入湖河流在内的所有孢粉样品(孢粉总数少于100粒的不在计算范围内)进行了DCA排序,图7(a)是孢粉类型的DCA排序结果,图7(b)是所有样品的DCA排序。DCA排序的前两个主轴的累积方差贡献率为0.59。第一主轴的特征值为0.09,第二主轴的特征值为0.038,第一主轴特征值明显大于第二主轴,表明样品主要由第一主轴所反映的环境因素控制。受河流搬运作用影响较多的松、桦、虎榛子、其它木本植物(主要为阔叶树)、蕨类孢子、蒿、藜等区域性孢粉类型位于第一主轴的正方向,禾本科、莎草科和其它草本等湖周边当地花粉类型,位于第一主轴的负方向,因此第一主轴的环境意义应与河流搬运作用的影响有关,越趋向于正方向,孢粉受河流搬运作用的影响越大,孢粉来源越趋向于区域性。样品的DCA排序结果(图7(b))表明,样品绝大部分均位于第一主轴的正方向,表明所有样品孢粉组合主要受河流搬运作用影响,反映了区域性植被的组成。湖泊样品与河流冲积物样品在DCA图中的距离很近,变化范围约在1个单位范围内,表现出其孢粉组成的相似性和受控环境的相似性。但河流样品较湖泊样品更趋向于两轴正方向,表明其区域性孢粉变化更大,而湖泊孢粉则较当地孢粉百分比的变化更大。靠近目花河入湖口处的3个样品(G1,G2,G3)不能与河流样品(尤其是目花河与索代沟中的样品)分开,则证明了湖泊样品与河流样品孢粉来源的相似性。7分析与讨论7.1孢粉源模型假设孢粉源是利用孢粉资料重建古气候、古环境需首先解决的问题,不少人对此进行了研究,还建立了孢粉源面积理论模型(Prentice,1985;Jackson,1990;Sugita,1993,1994),但由于孢粉源是一个复杂的概念,受许多不确定因素的控制,而理论模型的建立是在许多假设的前提下提出来的,往往与实际结果还有一定的差距,这就需要有更多的实验数据去修正,以使模型更具有实用性。岱海表层沉积物和入湖河流冲积物孢粉研究表明,岱海孢粉来源是多种因素的混合,既有入湖河流搬运的孢粉,也有风力吹进的孢粉,可能也有少量由昆虫或人类活动带来的孢粉。7.1.1孢粉类型分布及dca分析(1)岱海是有众多小河注入的半封闭型湖泊,入湖河流是湖泊水量的主要补给源,因而河流携带的孢粉应是岱海孢粉的主要来源。(2)湖泊表层孢粉组合与河流孢粉组合非常相似,主要孢粉种类如蒿、藜科、桦、虎榛子、蕨类孢子等的分布,无论是孢粉百分比,还是孢粉浓度,湖区和入湖河流孢粉都表现出较好的一致性。桦、虎榛子花粉尽管属风媒传播,但传播距离较近,离开森林2～3km的地方已是偶然出现(Dodson,1977),因而可以认为这些花粉系由入湖河流搬运而来。(3)DCA分析表明,大多数湖泊孢粉样品所反映的环境信息与河流样品所反映的环境信息相似,孢粉类型DCA分析也表现出主要孢粉类型受控因素的一致性。样品DCA分析表明有些湖泊样品与河流样品无法分开,验证了湖泊与河流孢粉组成的相似性。7.1.2花粉分布的一致性(1)岱海面积133.46km2,周围植被又以草原为主,地域开阔,空气流通顺畅,其中的孢粉也应是岱海孢粉的重要来源之一。(2)湖区和入湖河流样品中,松、禾本科、莎草科花粉分布的一致性较差,表明这些类型的花粉不单单是入湖河流带来的。松花粉由于有气囊,易于被风搬运,远离源区数百公里的地方都可有松花粉出现(李文漪,1998;王开发和王宪曾,1983)。因此,岱海湖表层中的松花粉,一部分由入湖河流搬运而来,还有一部分由风吹来。禾本科与莎草科花粉,湖区花粉百分比多高于入湖河流,浓度及百分比中心皆位于湖泊边缘,且与入湖河流高值分布中心位置不一致,因此我们认为这两种花粉主要是湖周禾本科和湖边低地莎草科植物的花粉被风吹入湖中的。7.1.3植物花粉的传播湖泊样品中有21个花粉类型未出现于入湖河流样品中。这些花粉类型的共同特征是花粉所占百分比低,仅在少数样品中出现。入湖河流样品中的花粉是由2002年6月下旬一次降雨后地表片流带来的表土孢粉,采样时有些植物,如乔木植物花期已过,因而取样时的河流样品中没有这些植物的花粉。而其它灌木和草本植物却正值花期,它们在湖表层中出现,而在入湖河流中的缺失,一方面说明这些植物距河流较远,另一方面说明其花粉来源的复杂性。这些花粉大部分属蜂媒或虫媒传播,它们可以由昆虫或鸟类等动物携带而来,同时也可由人类活动带入。岱海属于旅游区,来自不同地区的游客,可将不同地区的花粉带进岱海,这在一定程度上也增加了湖泊花粉来源的复杂性。7.2花粉和草原区现在岱海地区的植被主要为草原植被,孢粉组合也是以蒿、藜科、禾本科为主。因此,岱海湖泊孢粉组合特征可以较好地反映区域植被状况。但由于孢粉来源的复杂性,湖区不同部位孢粉组合的差异则更多的反映出湖周围植被的变化。如,岱海北岸及东岸以草原植被为主,因而,湖区北部和东部成为蒿分布中心。湖区西南岸地势低平,湖面变化形成的广阔的湖滨滩地生长有较多的藜科、莎草科、芦苇等盐生、沼生植物,因而湖区西部和西南部藜科、禾本科、莎草科等花粉百分比呈现出最高值或次高值。蒿藜比是反映干旱半干旱地区环境湿度变化的重要指标,李文漪(1998)认为当蒿藜比大于1时,代表草原环境。岱海正好处于典型草原区,所有样品蒿藜比都大于1,表明前人的结论是可信的。但这并不表示蒿藜比越大,气候越湿润,在岱海,更可能反映了湖区周围环境的差异。如该比值在湖区东北与西南方向相差很多,西部在1～3之间,而东北部则在10以上。这一现象在我们进行地层或钻孔孢粉研究时应引起注意。7.3岱海现代表层孢粉沉积特征岱海现代表层孢粉沉积的重要特征是沿湖泊主轴中心部位孢粉浓度高,边缘孢粉浓度低。这一现象在非洲Malawi湖中也有发现,DeBusk(1997)认为是湖泊中心碎屑物少的原因。作者认为,除该原因外,湖水的波浪作用应是另一重要原因。岱海位于夏季风尾闾区,具有广阔的水面。因此,湖区波浪作用引起的水流循环十分活跃,湖边缘波浪作用强烈,使得湖水处于经常性的运动状态,不仅不利于孢粉的沉积,而且还易于把原来沉积的孢粉进行再搬运。强烈的波浪作用同时还可以使湖水的氧化性增强(王苏民等,1990),从而不利于孢粉的保存。易于保存的松及孢子百分比在湖边缘较