黄河口外泥质区全新世古植被与古环境演化

黄河口外泥质区全新世古植被与古环境演化

1黄河口外泥质区沉积特征渤海是一个半封闭的内陆海，只有渤海公路与海面相连。由于深入大陆,水文要素受陆地地形、气候及径流的影响很大,使该海区水动力格局多变,加之河流入海携带物质粗细差异悬殊和海底地形的影响,海区沉积物呈斑状分布,其中黄河口外、渤海中部等处为大片泥质沉积区。黄河口外泥质区的沉积物主要由来自黄河的细颗粒物质组成,其沉积层序连续性好,沉积速率高,记录了古气候变化、海平面波动、黄河变迁和黄河三角洲的演化等多方面信息。对该区沉积物进行研究对于我们了解渤海地区全新世高分辨率古气候、古环境演化具有重要的意义,但是由于缺少高质量沉积岩心,冰后期海侵以来具有精确年代标定的高分辨率的古环境记录在渤海地区鲜有报道。孢粉研究是揭示地质历史时期陆地植被对气候变化的有力证据,海洋沉积物中的孢粉由于来自于陆地,它的记录更是大陆与大洋气候演变信息直接对比的资料。因此,本文拟通过对黄河口外泥质区获取的BH-264孔的孢粉进行分析,在对渤海周边地区全新世植被进行恢复的基础上,对该区古环境演化特征及其可能影响因素进行探讨。2ams14c年代测试BH-264孔(38.15°N,119.32°E,水深20.1m)于2007年由国家海洋局第一海洋研究所取自黄河口外泥质区,柱长295cm。岩性特征是292-264cm(距今9.5~8.8ka)沉积物为砂质粉砂,264-219cm(距今8.8~7.6ka)沉积物为粉砂,219-116cm(距今7.6~5.0ka)砂质粉砂和粉砂交替出现,116cm至表层(距今5.0ka以后)沉积物为粉砂。在对沉积物进行系统观察和描叙并完成古地磁分析的基础上,在主要沉积界线沉积物中选取底栖有孔虫混合种完整壳体在美国伍兹霍尔海洋研究所AMS年代测试中心进行AMS14C年代测试(表1),送测的年代数据均属正常事件序列,没有发现倒转现象。将原始数据利用CALIB5.0.2程序校准到日历年龄,该海区35a的大气和海水之间14C年代差将由该程序自动减去,从而建立起该孔的年代模式。对年代控制点内的年代序列采用线性内插法,控制点以外的采用线性外推法。通过校正,BH-264孔最底部记录的沉积年代为距今9.5ka。用于孢粉分析的样品按10cm间隔采取,共获样品30个。孢粉分析流程依据Moore等的方法稍微作了改动。取5cm3样品烘干、称重,加入1粒外来石松孢子药片;加入15%盐酸除去样品中的钙质,加入40%氢氟酸除去样品中的硅质;再将样品放在超声波发生器中振荡,用孔径10μm尼龙筛过滤,将处理干净的样品制成薄片,在显微镜下鉴定。鉴定孢粉时主要参考《中国植物花粉形态》和《中国蕨类植物孢子形态》。3孢粉组合带类型BH-264孔中孢粉含量丰富,每份样品统计的孢粉数目从298粒到500粒不等,共鉴定74类不同孢粉类型,其中木本植物花粉以松属(Pinus)和落叶栎属(Deciduousquercus)为主,草本植物花粉以藜科(Chenopodiaceae)、菊属(Dendranthema)、蒿属(Artemisia)为多,另外还见少量杉科(Taxodiaceae)、柏科(Cupressaceae)、桦木属(Betula)、槭树科(Acer)、胡桃属(Juglans)、枫杨属(Pterocarya)、榆科(Ulmus)、栗属(Castanea)、无患子科(Sapindaceae)、桑科(Moraceae)、金楼梅科(Hamamelidaceae)、爵床科(Acanthaceae)、麻黄科(Ephedraceae)、茜草科(Rubiaceae)、唐松草属(Thalictrum)、旋花科(Convolvulaceae)、大戟科(Euphorbiaceae)、唇形科(Labiatae)、玄参科(Scrophulariaceae)、伞形科(Apiaceae)、禾本科(Poaceae)、莎草科(Cyperaceae)、香蒲科(Typhaceae)等类型花粉和一些孢子。依据主要孢粉类型变化特征并结合年代地层,从下到上可将孢粉谱划分为5个孢粉组合带(图2)。现将各孢粉组合带特征简述如下。P5带的深度为286~219cm,距今9.5~7.6ka。见少量罗汉松科和北方针叶乔木云杉属和冷杉属花粉。松属(31.8%~45.5%)、落叶栎属(平均值为19.2%)花粉含量高,桦木属、桤木属、胡桃科、榆科、柳属、桑科、山茶科、楝科等花粉亦频繁出现;草本植物花粉莎草科含量丰富(5.8%~11.4%),菊属、蒿属和藜科含量较低,均不超过10%;孢粉含量(1700~2700粒/克)和淡水水生植物香蒲科花粉含量(6%~16.8%)为整个岩心最高值。P4带的深度219~149cm,距今7.6~5.8ka。松属花粉百分含量(55.6%~68.5%)明显上升,落叶栎属(平均值为11.7%)、桦木属、胡桃科、山茶科等花粉含量不同程度下降;草本植物花粉与P5带相比有所降低,其中莎草科花粉含量降至1.8%~5.3%,菊属、蒿属和藜科均不足6%。此带中孢粉浓度和淡水水生植物香蒲科花粉含量亦明显降低,并且自此以后,孢粉浓度和香蒲科花粉含量虽时有波动,但总体变化并不明显,其值一直比P5带的要低。P3带的深度为149~85cm,距今5.8~3.7ka。松属花粉含量(40.2%~47.9%)急剧降低,落叶栎属花粉含量略有上升(平均值为13.7%),桦木属变化不明显,其他常绿阔叶和落叶阔叶乔木花粉零星出现;草本植物花粉中藜科(9.6%~15.2%)增加最明显,莎草科(2.8%~8.5%)、蒿属(平均值为9.2%)和菊属亦有不同程度的增加。P2带的深度为85~14cm,距今3.7~0.6ka。松属(34.5%~37.7%)、落叶栎属(平均值为7.3%)花粉含量降低,栗属出现频率增加;草本植物藜科(13.5%~18.7%)、蒿属(平均值为9.9%)、菊属花粉与P3带相比均有所增加。P1带的深度为14cm至表层,距今0.6ka至现今。松属、落叶栎属等花粉含量均明显降低,草本植物花粉在此阶段达到全剖面最高峰,以蒿属为主(可达25.3%),其次是藜科(可达19.4%)、菊属等。4讨论4.1陆缘植物花粉海洋沉积物中的孢粉都是由陆地经过各种途径传播而来的,了解花粉母体植物的生态及花粉源区对解释花粉谱有重要意义。BH-264孔表层沉积物中木本植物花粉含量较低,以松、栎、桦、胡桃、枫杨、榆、桑等为主。渤海现代表层沉积物孢粉分布特征显示松属和阔叶树花粉的分布格局比较类似,在莱州湾东部和渤海湾两者含量较高,在莱州湾西部至黄河口外泥质区两者含量偏低。王开发等认为渤海海区表层孢粉组合和陆缘植被间关系密切。在渤海东北陆缘的辽东半岛植被为赤松、麻栎林,在翼辽山地丘陵为油松、辽东栎和槲树林区,所以在莱州湾东部和渤海湾松属和阔叶树花粉含量丰富,渤海的西南陆缘为黄河平原栽培区,多为灌木和草本植物,导致莱州湾西部和黄河口外泥质区松属和阔叶树花粉含量较少。据此推测,BH-264孔木本植物花粉可能主要来自渤海的西南陆缘。BH-264孔表层沉积物中出现大量草本植物花粉,主要有藜、蒿、莎草和禾本等。首先,草本植物植株矮小,花粉大多不易远距离传播,在渤海西部的广大华北平原上,从35ue580N左右一直延伸至海滨,为海滨盐生草本植物,植被以藜、蒿为主,其他草本植物以禾本科和莎草科为多,木本植物只有柽柳、杞柳、旱柳、紫穗槐、单叶蔓剂、白刺等少数几种。其次,渤海现代表层沉积物孢粉分布特征亦显示藜科和蒿属均呈现出由渤海边缘向中央逐渐减少的分布格局。因此,我们推测BH-264孔中的草本植物花粉可能主要来自渤海西部沿岸。4.2早重新世—全新世气候、环境变化在BH-264孔的木本植物花粉记录中松属和落叶栎属占有重要的地位(见图2),孙湘君认为在7月均温为20~30℃,年均降水量为400~1000mm的环境下,松属花粉含量对温度反应敏感,即花粉含量受温度控制,随着温度的升高其含量增加。现代观测资料显示渤海地区7月均温为21~27℃,年降雨量为500~900mm,所以渤海地区松属树种的兴衰可能与温度关系比较密切。下文中将以松属、落叶栎属结合其他常绿阔叶和落叶阔叶木本植被的兴衰来反演渤海地区9.5ka来温度的波动。在BH-264孔中还出现了大量草本植物花粉,其中尤以旱生草本植物藜科、蒿属和菊属最重要,此类植被的多寡很大程度受有效湿度变化的影响,所以我们将以草本植物含量的变化来反映有效湿度的变化。此外,海洋沉积物中的孢粉主要通过风和地表径流由陆地传播而来,沉积物中不同类型孢粉含量的高低还与它们的传播能力有关,全新世期间海平面的波动、黄河三角洲的发育导致取样点离岸距离的改变亦会影响BH-264孔中孢粉含量的变化,下文中对孢粉资料进行分析时亦会考虑这方面的影响。参考孢粉浓度的变化将有助于理解研究区植被、气候的演化。孢粉浓度是单位体积沉积物中含有的孢粉数量,常见影响孢粉浓度的因素包括周围植被的浓密程度、运送孢粉的营力大小、沉积盆地的堆积速率及沉积环境的差异性等。BH-264孔中仅在早全新世(距今9.5~7.6ka)时孢粉浓度异常偏高,在中全新世—晚全新世孢粉浓度一直在低值徘徊。Liu等认为我国边缘海冰后期海侵分阶段进行,长期的缓慢(2~8mm/a)海侵过程中穿插着几个快速(约80mm/a)的海侵事件,在距今11.6ka时海平面从-58m快速升至-43m,导致北黄海短时间内被海水覆盖,并且海水开始进入渤海,在随后的1.8ka间海平面几乎没有变化(从-42m升至-38m),在距今9.8ka时海平面又开始快速上升,800a内由-36m上升至-16m(平均约25mm/a),之后海平面又开始缓慢上升。BH-264孔水深20.1m,依据海平面变化曲线推测,在距今9.5ka时海侵尚未到达该孔,在早全新世快速海侵结束时,该孔水深可能不足5m。因此,我们推测早全新世BH-264孔离岸距离可能较近,较短的离岸距离或许是导致该孔在早全新世高孢粉浓度的一个重要原因。对BH-264孔孢粉谱进行分析发现,早全新世孢粉组合中松属、落叶栎属含量丰富,其他的常绿阔叶和落叶阔叶树种如桦木属、桤木属、胡桃科、榆科、桑科、山茶科等亦频繁出现;草本植物以莎草科为主,并且出现了大量水生植物香蒲,旱生草本藜科、蒿属和菊属含量极低。大量松属和常绿阔叶、落叶阔叶树种的出现暗示此时渤海地区气候温暖,在渤海周围的山地、丘陵和平原地区植被以松属和落叶栎属为主,并伴生着桦木属、榆科、桑科等常绿阔叶和落叶阔叶树种。在早全新世BH-264孔旱生草本植物的低含量可能暗示此时渤海地区降雨量比较丰富,而大量水生植物香蒲的出现则可能与此时的低海平面有关。对孢粉飘移距离的研究显示,水生植物孢粉不利于远距离传播,仅降落于生长处。早全新世当海平面相对较低时,渤海部分出露成陆,取样点离岸距离缩短,此时丰富的降雨量导致在出露的陆地上出现大量沼泽湿地,上面生长着香蒲和莎草等植被,从而使大量香蒲科被传播到研究点沉积。在距今7.6~5.8ka间,BH-264孔中除了松属花粉含量明显增加外,其他类型花粉含量均呈下降趋势,如阔叶树种落叶栎属、草本植物莎草科、水生植物香蒲科含量均明显减小,藜科、蒿属和菊属花粉含量更是降为9.5ka以来的最低值。在距今7.6~5.8ka松属花粉含量的显著增加在一定程度上可能暗示着此时气候变得更加温暖。此外,在距今8.0~7.0ka又有一次快速的海平面上升事件,在距今7.0ka时海平面可能比现今还要高2~3m,使此时岸线向西推进200km。BH-264孔中距今7.6~5.8ka孢粉组合的变化可能还与此时海平面的上升、研究点离岸距离的增大有关。王开发等认为不同类型孢粉传播的距离存在明显差别,松树的花粉由于比重较轻,而且具有两个气囊,传播距离最远,阔叶树花粉次之,草本花粉传播距离最短。在距今7.6~5.8ka当海平面达全新世最高时,研究点离岸距离亦在全新世达最大,导致适于长距离搬运的松属花粉含量增加,阔叶树花粉含量相对降低,草本植物花粉含量更是降为全新世期间的最低值。在距今7.6ka以后孢粉浓度明显降低亦可能与此时海平面的上升、取样点离岸距离的增大有关。在距今5.8ka以后BH-264孔中草本植物花粉含量显著增加,并以旱生草本藜科、蒿属和菊属为主,与此相对应,松属花粉含量逐步降低,落叶栎属花粉含量在距今5.8~3.7ka相对上一阶段虽有所升高,但变化幅度并不太明显,在距今3.7ka以后落叶栎属含量达整个岩心的最低值。在距今5.8ka以后孢粉的这一变化特征可能是由中全新世—晚全新世太阳辐射量逐步减少、东亚夏季风逐渐减弱、温度和降雨量逐步降低所引起的渤海及沿岸地区属于暖温带季风气候,冬季寒冷而干燥,夏季高温而多雨,年降雨量大部分集中在夏季。文中将BH-264孔中旱生草本植物藜科花粉百分含量与董哥洞石笋δ18O记录进行对比(图3),结果显示9.5ka以来BH-264孔旱生草本植物花粉百分含量变化特征与董哥洞石笋δ18O曲线间存在着很好的对应性,特别自中全新世—晚全新世以来,董哥洞石笋记录显示中全新世—晚全新世夏季风强度存在几次突然减弱期,第1次季风突然减弱期开始于距今(5650±70)a,此时在非洲地区有效湿度突然降低,湿润期结束;第2次季风强度突然减弱期发生于距今(3550±59)a,此时在北大西洋Cariaco盆地钛含量突然减小,ITCZ南移。在误差允许范围内,我们发现董哥洞石笋所记录的中全新世—晚全新世夏季风强度的两次突然减弱期正好对应着BH-264孔旱生草本植物含量的两次突然增加期,这也进一步印证了距今5.8ka以后BH-264孔旱生草本植物花粉含量的增加与此时渤海地区夏季风的减弱、降雨量的减少密切相关。上文已介绍了海洋沉积物中草本植物含量的高低受离岸距离远近的影响很大。自距今5.8ka以来海平面变化幅度不大,据此来看,在距今5.8ka之后BH-264孔离岸距离应该比较远,