孤山屯沼澤地晚更新世以來氣候演化的植硅體記錄

李楠楠，介冬梅，王劉奎，劉洪妍，劉利丹，陳雪松，陽金秀

（1.東北師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，吉林 長春 130024；2.國家環(huán)境保護(hù)濕地生態(tài)與植被恢復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長春 130024）

植硅體是發(fā)育在高等植物細(xì)胞間隙的特殊形態(tài)的二氧化硅礦物［1］，不同形態(tài)的植硅體記錄著不同的植物生態(tài)和環(huán)境信息［2］.自上世紀(jì)中葉植硅體分析技術(shù)興起以來［3］，植硅體分析已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到考古學(xué)［4］、植物分類學(xué)［5］、第四紀(jì)地質(zhì)學(xué)［6－7］等領(lǐng)域.前人的研究表明，不同的植硅體組合特征蘊(yùn)含了不同的環(huán)境信息［1，3］，近年來現(xiàn)代增溫、CO2濃度倍增等模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明隨著環(huán)境的變遷，植硅體的組合特征乃至大小都會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化［2，8］.因而，植硅體分析技術(shù)在恢復(fù)古環(huán)境研究中具有重大意義.

東北長白山區(qū)處于我國溫帶地區(qū)，是氣候變化敏感區(qū)之一［9］.長白山區(qū)泥炭以其沉積速率大、連續(xù)性好、氣候信息豐富等特點(diǎn)［10］吸引了許多第四紀(jì)研究工作的開展，以泥炭為載體的全新世古氣候研究取得了豐碩的成果，孢粉分析［11］、植硅體分析［12－13］、同位素分析［14］等多個(gè)古氣候代用指標(biāo)從不同角度恢復(fù)了該地區(qū)古植被、古降水及古氣候演化歷史.孤山屯沼澤地處于長白山西麓，植被繁茂.上世紀(jì)80年代，劉金陵通過孢粉記錄恢復(fù)了該區(qū)13000年來的古植被、古氣候演化歷史［15］；隨后，王金權(quán)又采用碳同位素、氨基酸分析進(jìn)一步豐富了該沼澤地的氣候演化史［16］.然而關(guān)于該區(qū)域乃至整個(gè)東北地區(qū)完整的植硅體記錄的全新世氣候演化資料卻少有報(bào)道.隨著近年來加速質(zhì)譜放射性14C測年技術(shù)（AMS）的發(fā)展與廣泛應(yīng)用，14C測年的精度有了很大的提高，為古環(huán)境研究提供了便利.為驗(yàn)證植硅體組合特征，反映氣候變化的敏感性，以進(jìn)行區(qū)域?qū)Ρ?，本文?duì)孤山屯沼澤地750cm的泥炭樣芯進(jìn)行了植硅體分析，結(jié)合高密度14C測年數(shù)據(jù)，與以往研究相比更加準(zhǔn)確地重建了該地區(qū)自晚更新世以來的古環(huán)境演化特征，為東北地區(qū)古植被、古氣候研究積累了基礎(chǔ)資料，豐富了區(qū)域研究成果.

1 研究區(qū)域概況

孤山屯沼澤地位于長白山西麓、吉林省輝南縣境內(nèi)，該地區(qū)平均海拔約500m，周圍被玄武巖臺(tái)地包圍，臺(tái)地中部由于地形較低，長期積水形成沼澤（見圖1）.該區(qū)屬大陸性季風(fēng)氣候，年平均溫度為5.5℃，年平均降水量為800mm.采樣區(qū)內(nèi)可見到中、濕生植物群落，主要包括山槐（Albizia kalkora）、油樺（Betula ovalifolia）等灌木，以及水濕柳葉菜（Epilobium palustre）、粗根老鸛草（Geranium dahuricum）、苔草 （Carex tristachya）、三褶脈紫菀 （Aster ageratoides）、聚花風(fēng)鈴草（Campanula glomerata L.）、柳葉繡線菊（Spiraea salicifolia）、千屈菜（Spiked loosestrlfe）、鳶尾（Iris tectorum）、地耳草（Hypericum japonicum）等草本植物.

圖1 孤山屯沼澤地采樣區(qū)示意圖

2 材料及方法

2.1 樣品采集

通過鉆孔法采集750cm深的泥炭樣芯，并及時(shí)記錄出土泥炭顏色、質(zhì)地等泥炭性狀.從頂部的草根層到底部的青灰色黏泥層大致可分為9層，各層特征如圖2所示.樣品采回后，間隔1cm切割樣品并將泥炭裝入自封袋中備用.本次研究每隔10cm抽取樣品進(jìn)行植硅體分析.

2.2 實(shí)驗(yàn)處理

①將泥炭樣品置于烘箱內(nèi)烘干至恒重并記錄；②將烘干泥炭置于15mL的PVC試管中，向其中加入濃HNO3溶液并進(jìn)行水浴加熱，直至有機(jī)質(zhì)被完全氧化，結(jié)束后用蒸餾水清洗；③加入密度為2.35g／cm3的ZnBr2溶液進(jìn)行浮選，取上清液，離心后所得沉淀即為植硅體；④向植硅體中加入石松孢子片并使用稀鹽酸溶解（便于計(jì)算濃度），并用蒸餾水洗至中性；⑤向所得混合物中加入乙醇，然后采用加拿大中性樹膠制成永久玻片.在MoticTM生物顯微鏡下放大600×觀察統(tǒng)計(jì)，原則上每個(gè)層位泥炭樣品統(tǒng)計(jì)植硅體數(shù)目不少于300粒.

2.3 年代序列

為了建立起孤山屯泥炭樣品的年代序列，選取了孤山屯泥炭中共計(jì)9個(gè)樣品送往北京大學(xué)AMS14C年齡測定實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行放射性14C年齡測定，測試結(jié)果見表1.對(duì)所獲年齡數(shù)據(jù)采用Calib Rev6.0.1程序［17］校正至日歷年齡（2σ校正結(jié)果），將9個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行線性回歸，得到方程y＝18.428x－430.632（見圖3）.其中y表示日歷年齡（a），x表示采樣深度（cm）；該回歸方程的相關(guān)系數(shù)R＝0.999，F(xiàn)檢驗(yàn)值為2351.696，表明擬合結(jié)果很好.其余剖面年齡可通過線性內(nèi)插獲得，進(jìn)而建立起全剖面的年代序列，經(jīng)計(jì)算剖面樣品時(shí)間分辨率為185a.

圖2 孤山屯泥炭剖面分層圖示及剖面描述

圖3 孤山屯泥炭采樣深度同14C年齡關(guān)系回歸曲線

表1 孤山屯泥炭剖面放射性14C年齡測試結(jié)果

3 結(jié)果與討論

3.1 植硅體組合特征

整體看來，全剖面植硅體含量豐富，形態(tài)類型多樣.剖面中的植硅體主要來自于禾本科植物，少數(shù)為菊科，偶見蕨類植物以及裸子植物、闊葉樹等木本植物類植硅體［1］.其中可觀察到蕨類植物的三棱柱型，裸子植物及闊葉樹中的扁狀棒型和不規(guī)則立方體型（以下簡稱為不規(guī)則型），其余為禾本科等草本植物中常見的植硅體類型.與此同時(shí)，本剖面中還觀察到了海綿骨針、硅藻等.本文選取其中16種具有代表意義的植硅體類型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，主要包括光滑棒型、突起棒型、刺狀棒型、齒型（包括二齒型、三齒型和多齒型）、帽型、尖型、啞鈴型（包括十字型）、多鈴型、扁狀棒型、導(dǎo)管型、鞍型、扇型、方型（包括方型和長方型）、不規(guī)則型、三棱柱型和海綿骨針（見圖4）.

經(jīng)顯微鏡下鑒定統(tǒng)計(jì)，全剖面74個(gè)樣品中共鑒定出22370粒植硅體，其中各類型植硅體及其百分含量變化情況如圖5所示，結(jié)合有序聚類結(jié)果將孤山屯植硅體組合劃分為5個(gè)譜帶，代表著5個(gè)氣候演化時(shí)期.

階段Ⅰ（13390－11179cal.a B.P.）：棒型－尖型組合帶.這一時(shí)期，棒型植硅體含量達(dá)到了剖面中的最大值，平均值為71.95%；同時(shí)，諸如尖型、帽型等其他示冷型植硅體也具有較高含量，啞鈴型、鞍型、扇型等示暖型植硅體含量極低，表明本時(shí)期植硅體組合以示冷型植硅體為主.蕨類植物植硅體含量0.71%，接近于全剖面平均水平的0.97%，而木本植物植硅體在本時(shí)期含量也相對(duì)較低.綜合各類型植硅體組合特征，說明本時(shí)期以冷干氣候?yàn)橹?

圖4 孤山屯沼澤地泥炭剖面典型植硅體形態(tài)

階段Ⅱ（11179－6572cal.a B.P.）：棒型－方型－尖型組合帶.進(jìn)入本階段，棒型植硅體含量有所降低，平均含量降至64.73%，其他示冷型植硅體含量同樣有所減少.示暖型植硅體較前一階段增加，尤其是多鈴型、扇型和方型植硅體.木本植物中的扁狀棒型、不規(guī)則型植硅體相對(duì)增多，結(jié)合孢粉分析結(jié)果推測本時(shí)期相對(duì)適宜的氣候?yàn)槟颈局参锷娣毖芴峁┝藯l件［15］，蕨類植物植硅體在本時(shí)期也相對(duì)上升，表明環(huán)境濕度也有所增加.總體看來，本階段氣候轉(zhuǎn)暖轉(zhuǎn)濕，條件相對(duì)適宜.

圖5 孤山屯泥炭剖面各類型植硅體組合及分帶圖

階段Ⅲ（6572－4913cal.a B.P.）：啞鈴型－方型－鞍型組合帶.本階段木本類植硅體含量增多，裸子植物的扁狀棒型、闊葉樹種的不規(guī)則型植硅體增加.啞鈴型、多鈴型、方型、扇型等示暖型植硅體均較前一時(shí)期有明顯增多，與之相比，棒型植硅體的百分含量則有明顯下降，表明本階段氣候承接了階段Ⅱ氣候轉(zhuǎn)暖的趨勢，氣候變得更加溫暖濕潤，為本區(qū)氣候最適宜時(shí)期，與全新世大暖期相當(dāng)［18］.

階段Ⅳ（4913－2149cal.a B.P.）：齒型－啞鈴型－鞍型組合帶.本階段與前一階段相比示冷型植硅體有所增加，各類型植硅體百分含量波動(dòng)變化明顯.本階段氣候開始轉(zhuǎn)涼，推測可能是受到了新冰期的影響.

階段Ⅴ（2149cal.a B.P.—）：齒型－啞鈴型－帽型組合帶.本階段齒型、帽型植硅體有明顯的增多，棒型植硅體則達(dá)到全剖面中的最低值，平均值僅為46.06%（剖面平均值59.60%），裸子植物植硅體含量在0.67%～3.92%之間變化，氣候有所轉(zhuǎn)涼.除此以外，本時(shí)期氣候的又一典型特征是氣候波動(dòng)頻繁，示冷、示暖型植硅體百分總量交替上升.進(jìn)入近300年，示暖型植硅體總量有所增加，代表著人類活動(dòng)影響的海綿骨針型植硅體百分含量也有所增加［19］，氣候轉(zhuǎn)暖.

綜上，依據(jù)不同時(shí)期的植硅體組合特征，孤山屯沼澤地地區(qū)氣候演化過程經(jīng)歷了冷干—轉(zhuǎn)暖—溫暖濕潤—溫涼的變化過程，揭示了孤山屯沼澤地晚更新世以來的氣候演化史和植被史.

3.2 溫暖指數(shù)變化特征及討論

隨著植硅體在第四紀(jì)地質(zhì)學(xué)中的廣泛應(yīng)用，植硅體分析在恢復(fù)重建古環(huán)境中出現(xiàn)了許多古溫度、古濕度模型，在諸多模型中，溫暖指數(shù)模型是最簡單也是最為常用的計(jì)量方法［20］.本文選用植硅體溫暖指數(shù)變化序列作為孤山屯地區(qū)晚更新世以來古溫度的代用記錄，其中溫暖指數(shù)變化序列與哈尼地區(qū)泥炭纖維素δ18O曲線［14］及北大西洋染色赤鐵礦顆粒百分含量變化曲線反映的8次浮冰碎屑（Ice Rafting Detritus）事件［21］綜合對(duì)比表明（見圖6），孤山屯植硅體溫暖指數(shù)與長白山哈尼地區(qū)δ18O曲線變化特征相似；此外，溫暖指數(shù)變化曲線與染色赤鐵礦顆粒百分含量變化曲線對(duì)比表明，本區(qū)也出現(xiàn)了一些同浮冰碎屑事件相對(duì)應(yīng)的氣候轉(zhuǎn)冷時(shí)期或氣候冷事件，植硅體溫暖指數(shù)變化序列能夠很好地反映出晚更新世以來該區(qū)的古溫度變化特點(diǎn).

3.2.1 快速振蕩的晚冰期氣候

在距今約13.4ka前，孤山屯地區(qū)植硅體溫暖指數(shù)較低，該時(shí)期對(duì)應(yīng)于第四紀(jì)晚冰期.本階段初期冰川前進(jìn)、氣候寒冷，只有一些耐寒植物生存［15］.12.4～11.8ka間，本區(qū)進(jìn)入了短暫的冰消期，溫暖指數(shù)上升，表明溫度升高、氣候轉(zhuǎn)暖，冰川后退，這一短暫的溫暖期可與阿勒羅德暖期（Aller?d）相對(duì)應(yīng).很快，阿勒羅德暖期被發(fā)生在11.7ka前的一次強(qiáng)烈的降溫事件打斷，該事件也即新仙女木事件（Younger Dryas）.目前較為公認(rèn)的新仙女木事件發(fā)生在距今11～10ka前［22－23］，其中Bond等人認(rèn)為新仙女木事件發(fā)生在12.9～11.5ka前［21］，本文可與之很好對(duì)比.新仙女木事件在本區(qū)持續(xù)時(shí)間并不長，此后，孤山屯地區(qū)植硅體溫暖指數(shù)緩慢上升，氣候轉(zhuǎn)暖，進(jìn)入全新世.由以上可以看出，在晚冰期氣候逐漸轉(zhuǎn)暖的背景下，本區(qū)古氣候出現(xiàn)了“冷—暖—冷—暖”的氣候振蕩，表明晚冰期、冰川消融期出現(xiàn)了若干系列的冰川“前進(jìn)—后退”事件，植硅體記錄很好地揭示了晚冰期氣候系統(tǒng)的振蕩性與復(fù)雜性.

圖6 孤山屯植硅體溫暖指數(shù)與哈尼泥炭纖維素δ18 O曲線、北大西洋浮冰記錄對(duì)比結(jié)果

3.2.2 全新世開始與大暖期氣候

有關(guān)全新世開始時(shí)間的討論，學(xué)術(shù)界一直存在不同看法，然而普遍觀點(diǎn)是全新世氣候相比冰期氣候明顯轉(zhuǎn)暖，全新世古溫度波動(dòng)也相對(duì)平緩［14］.孤山屯沼澤地植硅體溫暖指數(shù)記錄的古溫度代用曲線表明，新仙女木事件結(jié)束后，氣候轉(zhuǎn)暖，古溫度逐漸攀升至相對(duì)穩(wěn)定并進(jìn)入全新世.孢粉分析結(jié)果同樣表明在距今1萬年前后，氣候轉(zhuǎn)暖，完成了由晚冰期向全新世的過渡［15］.

全新世大暖期是全新世氣候最適宜的時(shí)期，我國全新世大暖期的起訖時(shí)間通常被認(rèn)為是8.5～3ka前［18］，孤山屯剖面植硅體溫暖指數(shù)變化特征表明，本區(qū)最適宜氣候期發(fā)生在7～3ka間，這一時(shí)期溫度較高，植被繁盛，適合各類生物繁衍.貴州董哥洞石筍δ18O曲線也記錄了本時(shí)期濕潤的氣候，石筍記錄表明本時(shí)期δ18O變輕，石筍生長速率增加，氣候轉(zhuǎn)濕，夏季風(fēng)活動(dòng)加強(qiáng)［24］.王曉嵐等通過鄭州西山黃土Kd值也發(fā)現(xiàn)7～4ka前氣候相對(duì)濕潤［25］.盡管如此，孤山屯剖面植硅體記錄仍顯示在全新世大暖期該區(qū)還是發(fā)生了若干次氣候變冷事件，在7～3ka間，就出現(xiàn)了4.7ka及4ka的冷事件，可與貴州董哥洞石筍δ18O曲線所記錄的4.75ka，4.4ka事件相對(duì)應(yīng)［24］.

3.2.3 全新世氣候轉(zhuǎn)冷事件

孤山屯沼澤地植硅體溫暖指數(shù)古溫度代用曲線表明本區(qū)發(fā)生了多次氣候轉(zhuǎn)冷事件，其中有6次氣候轉(zhuǎn)冷能夠與Bond等人發(fā)現(xiàn)的北大西洋浮冰碎屑事件很好對(duì)應(yīng)（見圖6）.進(jìn)入全新世，植硅體溫暖指數(shù)逐步下降，約在9ka左右降至最低，這可能與北大西洋冰芯記錄的9.2ka事件相對(duì)應(yīng)［26］；貴州董哥洞石筍δ18O曲線也記錄了本次降溫事件，在9.2ka左右貴州董哥洞石筍δ18O突然變重，變化幅度為1.4‰，表明氣候轉(zhuǎn)干轉(zhuǎn)冷［24］.與此同時(shí)，對(duì)全新世氣候影響最大的“8.2ka”快速降溫事件［22，26］，在本區(qū)也有所記錄，受到該事件影響，植硅體溫暖指數(shù)下降至0.1，Mayewski等人通過全球多個(gè)記錄證明9～8ka前存在明顯的氣候轉(zhuǎn)冷事件［27］.進(jìn)入近3ka，本區(qū)氣候進(jìn)入新的氣候時(shí)期——新冰期［22］，新冰期氣候相對(duì)轉(zhuǎn)涼，且波動(dòng)更加頻繁，振動(dòng)幅度也較大，植硅體溫暖指數(shù)記錄本時(shí)期出現(xiàn)了多次冷—暖交替事件，其中包括發(fā)生在近百年的小冰期（Little Ice Age）事件.

4 結(jié)論

孤山屯沼澤地晚更新世泥炭巖芯中植硅體類型豐富，其中以草本類植硅體為主要類型，此外還包括部分木本植物及蕨類植物的植硅體.主要類型包括棒型、齒形、帽型、尖型等示冷型植硅體，以及啞鈴型、鞍型、方型等示暖型植硅體.

依據(jù)不同層位的植硅體組合特征可將全剖面劃分為5個(gè)組合帶，分別代表5個(gè)不同的氣候演化時(shí)期，植硅體組合很好地揭示了本區(qū)氣候變化經(jīng)歷了冷干—轉(zhuǎn)暖—溫暖濕潤—溫涼的變化過程.

基于溫暖指數(shù)的孤山屯沼澤地古溫度代用曲線，很好地記錄了該區(qū)古氣候演化歷史，反映出了東北地區(qū)全新世氣候的變化特征.以植硅體為代用指標(biāo)的古環(huán)境重建結(jié)果與δ18O曲線及北大西洋浮冰碎屑事件具有一定的可比性，同時(shí)也具有區(qū)域差異.總的來說，植硅體溫暖指數(shù)對(duì)古氣候變化記錄結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確.

依據(jù)植硅體組合特征及溫暖指數(shù)變化特點(diǎn)，以植硅體為氣候代用指標(biāo)的古氣候重建可以較好地反映出氣候演化的各個(gè)階段，對(duì)氣候事件的識(shí)別也相對(duì)準(zhǔn)確，可為區(qū)域古氣候研究及對(duì)比提供參考；同時(shí)也反映出植硅體分析方法在古氣候研究中具有廣闊的應(yīng)用前景.

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