黑河流域上中游不同类型农田表土花粉组合特征

黑河流域上中游不同类型农田表土花粉组合特征

作为重要的古环境世代指标，其表面活性剂分析在恢复旧植被和气候方面发挥着不可替代的作用。表面活性剂分析是其重要的基础。正确解释该层的花粉含量，定量再现旧植被和气候非常重要。因此，它直接影响岩石硫酸酯谱的正确解释，并影响古生态环境研究的精度。目前，国内外科学家对各种自然植被的表土花粉进行了研究，如森林、灌木、牧场、沙漠、草甸、苔藓等。然而，这些研究中选择了影响较小、自然植被保存完好的地区，而植被和硫酸钠结合在一起。没有具有人工繁殖影响的典型土地类型，即耕地花粉组合的特点。目前的全球环境变化是长期自然和人类活动共同作用的产物,其中人类活动已成为影响气候和环境变化的重要因素.孢粉分析不应只研究自然植被的花粉组合特征,还应开展人类活动扰动植被乃至人工植被现代花粉组合特征的研究.随着孢粉分析精度的提高,一些栽培作物孢粉类型能准确鉴定到种.越来越多的学者将孢粉学与生态学、考古学结合在一起,来探讨人类活动的过程及其对环境变化的影响,国际上已有很多成功的范例,国内也有许多学者开展了相关研究.然而这些研究只是选择一些遗址及其周围地区采样,很少选择长期受人类活动影响的农田进行现代过程研究.由于孢粉分析能够提供受扰动前的植被状况及扰动后植被变化的速率、模式和变化趋势,因而根据农田中表土花粉组合特征分析,有可能从地层花粉谱中推知古人类刀耕火种时的农业活动状况,这对于研究当时的农业耕作、农作物的种类、原始农业的起源以及推断古人类生活的自然环境、了解人类社会发展与其周围自然环境的关系有借鉴作用.鉴于此,本文选择生态环境非常脆弱的西北内陆河——黑河流域开展农田花粉组合特征研究.1降水量随风带风带的变化黑河地处河西走廊中段,流域地理范围为东经98◦∼102◦,北纬37◦50′∼42◦40′,面积13×104km2,河流干流全长821km,是河西干旱荒漠区三大内陆河之一.以莺落峡和正义峡为界,流域被分为上、中、下三部分:莺落峡以上为上游祁连山区,莺落峡至正义峡区间为中游河西走廊冲洪积平原区,正义峡以下为黑河下游区.河流最终流入额济纳旗的居延海.总体上,流域气候主要受中高纬度的西风带环流控制和极地冷气团影响,气候干燥,降水稀少而集中.但流域上中下游有所差异:上游年均气温0.5◦C,年均降水量435mm;中游年均气温7.6◦C,降水量从张掖市的甘州区向高台县依次递减,年均降水量116mm;下游年均气温8.3◦C,年均降水量38mm,且蒸发量远大于降水量.黑河流域植被在水平分布上自东南向西北逐渐荒漠化.上游祁连山山区植被属温带山地森林草原,垂直带谱明显,由高到低依次分布:海拔4200∼3900m为高山垫状植被带,海拔3900∼3600m为高山草甸植被带,海拔3900∼3400m为高山灌丛草甸带,海拔3400∼2500m为山地森林草原带,海拔2600∼2300m为山地草原带,海拔2300m以下为荒漠草原带.中下游地带性植被为温带小灌木、半灌木荒漠植被.中游山前冲积扇下部和河流冲积平原上分布有灌溉绿洲栽培农作物和林木,呈现以人工植被为主的绿洲景观.下游两岸三角洲与冲积扇缘的湖盆洼地里,生长有荒漠地区特有的荒漠河岸林、灌木林和草甸植被,主要树种有胡杨(PopuluseuphraticaOliv.)、梭梭(Haloxylon)、沙枣(ElaeagnusangustifoliaL.)、红柳(TamarixramosissimaLedeb)、白刺(Nitraria)等.2花粉的提取、鉴定和利用2009年8月,在黑河流域共采集43个农田表土样品(图1),主要包括玉米地、油菜地、小麦地及以上作物的混作地和苜蓿地.采样范围基本涵盖黑河流域上中游地区.采样时记录了每个样点的海拔高度、经纬度、植被类型,植被覆盖度以及主要植物科属(表1).样品采集以梅花式布点,即在样方四周及中心取表土(0∼2cm),经混合后作为一个样品表土样品花粉的提取采用氢氟酸过筛法,处理前样品中加入1粒石松孢子片剂,用于计算样品的孢粉浓度.每个样品鉴定统计花粉至少500粒以上,所有样品平均统计900粒以上.鉴定时参照正式出版的图版手册以及现代花粉标准片,人工禾本科和自然禾本科的鉴定以制作的小麦和玉米花粉的标准片作为参考,也根据前人的研究结果(花粉直径40µm)进行鉴定.孢粉数据处理、作图和分析使用Excel,C2以及CorelDraw软件完成.3结果分析3.1草本植物花粉43个农田表土样品中共鉴定出孢粉类型55个,其中乔木花粉类型7个,灌木花粉类型8个,草本花粉类型40个.乔木花粉常见的有云杉属(Picea)、松属(Pinus)、桦木科(Betulaceae)、榆科(Ulmaceae)等科属;灌木花粉出现最多的有白刺属(Nitraria)、麻黄属(Ephedra)、胡颓子科(Elaeagnaceae)、蔷薇科(Rosaceae)、柽柳科(Tamaricaceae)等;草本花粉以人工禾本科(PlantedGramineae)、禾本科(Gramineae)、十字花科(Cruciferae)、藜科(Chenopodiaceae)、蒿属(Artemisia)和菊科(Compositae);花粉出现率最高,莎草科(Cyperaceae)、毛茛科(Ranunculaceae)、唐松草(Thalictrum)、豆科(Leguminosae)、唇形科(Labiatae)、伞形科(Umbelliferae)、蓼科(Polygonaceae)等花粉也经常出现;蕨类孢子常见的有水龙骨科(Polypodiaceae).3.2湿/中生草本花粉由于所含孢粉科属较多,为了较直观地显示农田花粉组合特征,将出现频率较低和百分含量较少的科属进行合并.为了讨论花粉与湿度的对应关系,考虑花粉组合中湿/中生草本花粉百分含量(含农作物花粉)与旱生草本花粉百分含量的比值,记作W/D.依据样品的海拔高度绘制了孢粉百分比图谱(图2).由图2可知,研究区孢粉组合以草本植物花粉为主.农作物以外的草本花粉百分含量最高达85.8%,平均为50.4%,其中旱生草本植物花粉百分含量平均为21.2%,以藜科为主(平均21.1%),并含有少量蒺藜科(Zygophyllaceae)(百分含量仅0.1%).湿/中生草本植物花粉,百分含量平均为29.2%,以禾本科(平均8.3%)、蒿属(平均6.6%)、菊科(平均5.2%)花粉为主.百分含量较低的湿/中生草本花粉还有莎草科、豆科、毛茛科(有一个样点花粉百分含量高达6%,原因可能是虫媒、浇灌等作用将其传播过来)、香蒲属(Typha)(有一个样品中百分含量高达7%,样点在水库附近,可能是由于灌溉或风动力将水库边的香蒲花粉搬运过来);另外伞形科、唇形科等科属植物花粉也有零星出现,其总百分含量平均为4.3%.灌木植物花粉百分含量较低,平均为4.3%,主要有麻黄属(平均1.1%)和白刺属(平均1.0%),其他几种灌木植物花粉百分含量平均为2.3%.乔木植物花粉百分含量也很低,平均仅为1.6%(以云杉和松为主,平均为0.9%),其次为桦木科(平均0.4%)、榆科、杨属(Populus)和柳属(Salix)也有零星出现.农作物花粉百分含量最高达92.4%,平均为43.6%.农作物不同,农田花粉组合特征有差别(表2和图3).油菜(Brassicacampestris)地以油菜花粉为主,平均百分含量高达85.8%,乔、灌木花粉百分含量最低,花粉浓度和W/D比值在所有样点中最大.苜蓿地样点农作物花粉百分含量明显少于其他农田的,豆科花粉百分含量为4.7%,其他农作物花粉百分含量为5.7%,农作物以外的草本花粉和乔、灌木花粉百分含量较大,花粉浓度仅次于油菜地的.三种禾本科作物样点——玉米(Zeamays)地、小麦(Triticumaestivum)地和大麦(Hordeumvulgare)地花粉组合虽都以草本花粉为主,但人工禾本科花粉、花粉浓度、W/D比值及乔灌木花粉百分含量却相差很大.其中小麦地花粉浓度和W/D比值在三者中最大,玉米地人工禾本科花粉和灌木花粉百分含量最高,而大麦地乔木花粉百分含量则最高.以小麦、玉米与青稞(H.vulgarevar.nudum)、胡麻(Linumusitatissimum)及葡萄(Vitisvinifera)等作物混合的农田样点,农作物花粉以人工禾本科和十字花科花粉为主(两者总百分含量为29.3%),其他作物花粉百分含量较少(百分含量平均为3.7%).农田花粉浓度变化较大,最低为2741粒/g,最高为74743粒/g,平均为18594粒/g.剔除农作物花粉,自然植被花粉浓度平均为6279粒/g,占花粉总浓度的56.4%.农田花粉组合中W/D比值平均为10.9.3.3农田花粉和人工东南角花粉图2,3表明某些花粉的百分含量、花粉浓度和W/D比值随海拔高度呈规律性变化.为了清楚地了解这些变化规律,将藜科、蒿属、人工禾本科、十字花科、乔木等花粉百分含量、花粉总浓度和W/D比值与海拔高度进行相关分析(图4),结果如下:藜科花粉百分含量随海拔的升高逐渐降低:在2600m以下花粉百分含量较高,为5%∼40%,且随海拔的升高略有降低;海拔超过2600m以后藜科花粉极少且随海拔的升高百分含量快速降低,在海拔3100m处降到最低(0.6%).蒿属花粉百分含量在所有样品中都不高(5%∼15%),而在海拔超过2800m以后,蒿属花粉几乎消失.农田中乔木花粉属于外源花粉,在所有样品中都较低(0.5%∼4.5%).人工禾本科的高百分含量花粉主要出现在海拔2000m以下(5%∼45%),最高达70%;海拔超过2000m以上,人工禾本科花粉几乎消失.样品中十字花科花粉主要是油菜的花粉,其百分含量和浓度随海拔的升高都呈上升趋势,在海拔2000m以下,花粉百分含量和浓度均较低,分别为0%∼20%与0∼1000粒/g,且随海拔高度变化不明显;在2000m以上,花粉百分含量和浓度迅速增加,在2800m达到最高值,分别为90%和70000粒/g.农田花粉总浓度与海拔高度存在相同的变化规律,而十字花科花粉以外的其他花粉浓度与海拔高度的关系则不然,其浓度为5000∼15000粒/g,随海拔高度的变化波动.样品湿/中生草本花粉主要包括农作物花粉以及农作物花粉以外的如蒿属、禾本科、菊科、莎草科、豆科、毛茛科等杂草花粉,旱生草本花粉主要是藜科和蒺藜科花粉.W/D比值随海拔的升高呈上升趋势,在2400m以下,为1∼10,在2400m以上,W/D比值大幅度增加.4讨论4.1农田花粉组合孢粉百分比图示(图2)表明:农田花粉组合以草本花粉为主,农作物花粉不占绝对优势.而从植被调查结果看来,99%农田植被盖度都达到100%,且主要植被是农作物.如苜蓿地样点,其农作物花粉百分含量仅为10.4%;又如玉米地样点,玉米花粉百分含量虽然平均为34.3%,但仍低于其他草本植物花粉的百分含量.此外,农田中几乎很少有乔木出现,只是周围偶尔有杨属和柳属植物,而花粉组合中乔木花粉的百分含量也只有1.6%,并且以样点中没有出现的云杉和桦木科植物的花粉为主.这可能与桦木科植物花粉与云杉花粉很强的传播能力和特殊的传播途径有关.农田中也没有麻黄和白刺等灌木植物出现,花粉组合中灌木花粉的百分含量为4.3%,并且麻黄和白刺花粉百分含量都在1%以上,这可能与麻黄花粉产量高且易于传播而白刺分布范围广且具有良好的传播特性有关.此外,去除样品中农作物花粉,自然植被花粉浓度占农田花粉总浓度的百分比平均为56.4%.农田花粉的这种组合特征表明:农田花粉组合不只代表农田本身的植被状况,也能反映地方和区域性的植被特征,因此通过花粉辨识古农田有很大的不确定性,但通过地层花粉中出现一定比例的农作物花粉可以判断当地或者附近可能有农田,这有助于利用孢粉指标推断古人类刀耕火种时的农业活动状况.农作物不同,农田的花粉组合特征有差别(图3和表2).油菜地中农作物花粉百分含量和花粉浓度在所有样点中最大,原因可能是油菜花粉产量高,且在开花后收获,其又在高海拔地区种植,海拔高,空气湿度大,花粉不易传播只能落在附近地面上.苜蓿地草本植物花粉百分含量高达85.5%,而农作物花粉百分含量仅10.4%,去除样品中农作物花粉,自然植被的花粉所占比例也高达87%.形成这种组合特征的原因可能一方面由于苜蓿是虫媒植物,本身花粉产量低;另一方面样点周围的植物花粉产量高且易于传播,如藜科、蒿属、白刺和麻黄等,其借助风力、水流等外界作用传播过来,影响了花粉组合特征;此外还可能由于苜蓿地是新开垦的,人类活动(除草、施肥等)还不太剧烈,对土壤中原有的花粉影响不大.种植禾本科作物的农田,人工禾本科花粉并不占优势,这可能与禾本科植物的分蘖生殖方式有关.小麦地样点花粉组合中人工禾本科花粉与十字花科花粉百分含量相当,这可能与当地以小麦和油菜轮作的种植方式有关.此外,小麦地周围有油菜地,而油菜花粉产量高且易于保存和传播的特性使小麦地里十字花科花粉百分含量相对较高.混作农田花粉组合,以人工禾本科和十字花科花粉为主,其他作物如茄科、亚麻科及葡萄的花粉百分含量则较低.这可能是由于混作农田的作物类型多,相应的每一种农作物花粉百分含量就会降低,并且混作地主要是禾本科作物夹杂少量其他的如葡萄、胡麻等作物,因此人工禾本科花粉百分含量比其他作物百分含量高.4.2农田样点w/d比值与海拔高度的关系孢粉百分比图谱(图2和图3)显示,农田花粉组合中农作物花粉以外的湿/中生草本和旱生草本花粉是主要成分,这些花粉在农田中基本都作为杂草花粉出现.有研究表明杂草是能够在人工生境中繁衍其种族的植物,其起源和传播与人类活动密切相关,因而认为杂草花粉是理想的人类活动指示体,所以农田中这些花粉的出现又可以为人类活动的研究提供一个依据.由于样点中蒿属和藜科花粉百分含量仅为6.6%和21.1%,并不占优势,因此A/C值(蒿属花粉百分比/藜科花粉百分比)不适宜于指示样点环境.而农田花粉组合中乔、灌木植物花粉百分含量较少,草本花粉占绝对优势,因此样品中的湿/中生草本花粉百分含量与旱生草本花粉百分含量的比值(W/D比值)可反映样点在人类活动影响下局地的干湿状况.农田样点中W/D比值平均为10.9,且绝大多数样点W/D比值都大于1.其与海拔高度关系(图4)显示,W/D比值总体上随海拔的升高而增加,该变化趋势指示了环境湿度随海拔的升高而增加,这与实际情况相符合.W/D比值在低海拔地区(2400m以下)随海拔高度的变化不明显,这可能与人类活动的影响有关.为了清楚地了解低海拔地区W/D比值随海拔高度的变化特征及其指示意义,将农田样点的W/D比值与该区域平原地区(2400m以下)荒漠样品和农田周边荒地的W/D比值进行对比.通过计算,本流域的14个荒漠样品的W/D比值为0.1∼1.6,平均为0.6;而已有的对西北干旱区荒地表土孢粉组合研究中,W/D比值为0.3∼8.9,平均为3.1.W/D比值越大,说明湿/中生草本花粉百分含量越高.农田的W/D比值比荒地和荒漠的大,表明农田中的湿/中生草本花粉百分含量比荒地和荒漠的高.农田湿/中生草本花粉的高百分含量是由人类活动通过灌溉提高土壤湿度进而生长大量湿/中生草本植物造成的,因此W/D比值在一定程度上可以反映人类活动对土壤环境的改造和影响作用.此外,农田和荒地W/D比值波动较大且远大于自然的荒漠植被,这是由于二者都不同程度地受到人类活动的影响.农田比周边的荒地和荒漠湿润,也适宜于农作物生长,这是人类活动改造利用土地的结果,而孢粉分析的结果也证实了这一点.因此,低海拔的平原地区(2400m以下)W/D比值的相对变化可能指示了人类活动对局地环境的影响.4.3蒿属花粉随海拔高度变化特征结果农田花粉与海拔高度关系表明:藜科花粉百分含量随海拔的升高而降低,且在2600m以上随海拔的升高急剧降低.形成这种组合特征的原因可能是海拔在2600m以下适合藜科植物生长,藜科花粉本身产量高,其借助风力、虫媒等外力作用传播过来,使这些样点内藜科花粉百分含量较高;而海拔超过2600m以后,空气的有效湿度增加,不适合藜科植物生长,藜科花粉也很少能从低海拔的地区传播过来;此外在此高度采样点是油菜地,低的藜科花粉百分含量还可能与油菜花粉产量高且易于保存有关.蒿属花粉在海拔2800m以下,百分含量较高且随海拔的升高呈上升趋势,而在2800m以上,几乎没有蒿属花粉.原因可能是在2800m以上的样点已不是草原带,而蒿属植物多生长在海拔相对较高,湿度相对较大的草原带.藜科和蒿属花粉随海拔高度的变化特征与实际情况相符合:藜科植物多生长在较低海拔处,构成荒漠带;海拔较高处,湿度较大,蒿属植物多,常组成草原带.农田中乔木花粉百分含量较低且随海拔的升高变化不大,尤其是在海拔较高的地区.而在海拔较高的山区(距离较远)虽有云杉等乔木植物生长,其原因可能与乔木花粉的横向扩散能力差有关.人工禾本科花粉主要出现在2000m以下的地区,在2000m以上极为少见.由于在2000m以上,不适宜种植禾本科的农作物,同时也表明人工禾本科花粉的分布海拔与小麦、玉米及绿洲农业的分布海拔相符合,和之前我们的研究结果类似,禾本科的产量低而且传播能力差,因此,人工禾本科花粉可以作为(古)农业活动出现的标志花粉.十字花科花粉百分含量和浓度在2000m以下都很低,在2000m以上二者随海拔直线上升.原因可能是在海拔2000m以上采样点是油菜地或采样点周围有油菜地(如31,32号样点),油菜本身花粉产量高,所以花粉百分含量和浓度都很高.农田花粉总浓度及十字花科以外花粉浓度随海拔高度变化显示,在2500m以下两者变化基本一致,在此高度以上总浓度随海拔直线上升而十字花科以外花粉浓度则上下