（自然地理学专业论文）长白山北坡1500年来林线变迁及环境演化.pdf

， 独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师指导下独立进行研究 工作所取得的成果。据我所知，除了特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。对本人的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本声明的法律结果由本人 承担。 学位论文作者签名：壶! 【- 红犁耻一日期： 学位论文使用授权书 本学位论文作者完全了解东北师范大学有关保留、使用学位论文的规 定，即：东北师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的 复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北师范大学可以将 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或其它复制手段保存、汇编本学位论文。 。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：丕l l 组响 日 期：砼l qs6 8 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 指导教师签名：企奎趱 日 期：趟q ：6 ：3 。 电话： 邮编： 东北师范大学硕士学位论文 摘要 垂直带性是山地最显著的特征，在山地许多生态过渡带中，高山林线是高山 区一条重要的生态界限，它是长时间尺度气候变化的产物。由于气候处于不稳定 状态，因而高山林线对全球和区域的气候变化的反映十分敏感，得到了广泛的关 注。反演古气候及研究高山林线的变迁可为预测未来山地气候变化提供一定的理 论依据。 植硅体作为一种新的环境代用指标，能较好地反映地方性植被的状况，可以 恢复古植被、古气候，本文把它应甩于高山林线的研究中。本研究在长白山北坡 的各垂直带中选取了六个典型植被样方并采集典型木本植物的叶片和表层土壤， 在赤池泥炭地采集3 0 c m 厚的泥炭剖面进行植硅体分析，通过实验得到不同科属 的特征植硅体形态。通过表土中的植硅体形态推出它的母原植物，并把林线处的 特征植硅体组合应用到泥炭剖面中，得到1 5 0 0 年以来的林线变迁情况，反演古 温度、古植被，结果表明： 1 ) 随海拔高度的增加，长白山北坡垂直植被带中典型木本植物能够产生形态各 异的特征性植硅体，其中示冷型的植硅体含量整体呈上升趋势，而示暖型的 植硅体含量整体呈下降趋势。 长白山北坡垂直植被带表土植硅体种类丰富，其中含有少量的木本植硅体， 并与地表植物的植硅体有一定的对应性。 在林线处植硅体组合特征明显，木本类植硅体的百分含量锐减，到苔原带时 降为0 6 ，草本植硅体的百分含量明显增加。 3 0 e m 厚的赤池泥炭剖面年龄约为1 5 0 0 a b p 。通过回归分析，推测出泥炭剖 面五个层位由下至上的古温度分别约为：3 5 、一o 7 、一8 7 、3 和 3 8 。 5 ) 1 5 0 0 a b p 以来，长白山赤池周围的植被可能经历了针阔混交林一暗针叶林一 高山苔原一针阔混交林一岳桦林的演替过程。 东北师范大学硕士学位论文 6 ) 长白t h u g 坡在1 5 0 0 a b p 时林线大约上侵1 0 0 0 m ，在1 2 5 0 a b p 时林线大约上 侵4 0 0 - - - , 5 0 0i n ，在1 0 0 0 a b e 时林线下降约将近2 0 01 1 1 ，在5 0 0 a b e 时林线大 约上侵1 0 0 0 m ，在2 5 0 a b e 时林线的位置与现在基本一致。 关键词：长白山北坡；植硅体；古气候；林线变迁 东北师范大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h en a t u r eo fv e r t i c a lz o n ei st h em o s ts i g n i f i c a n tf e a t u r eo fm o u n t a i n a m o n g m a n ye c o l o g i c a lt r a n s i t i o nz o n e si nt h em o u n t a i n s ，a l p i n et i m b e r l i n ei sa ni m p o r t a n t e c o l o g i c a lb o u n d a r y i t i st h ep r o d u c to fl o n g - t i m ec l i m a t ec h a n g e d u et ot h e u n s t a b l es t a t eo ft h ec l i m a t e ，i tr e f l e c t ss e n s i t i v e l yo nt h eg i o b a la n dr e g i o n a lc l i m a t e c h a n g e s ，w h i c hh a sg a i n e dv a s ta t t e n t i o n d e d u c t i n gt h es t u d yo fa n c i e n tc l i m a t ea n d t h ec h a n g e so fa l p i n et r e el i n eo nt h eo p p o s i t es i d ei sp r e d i c tt h ef u t u r eo fa l p i n e c l i m a t ec h a n g ew i t hc e r t a i nt h e o r e t i c a lb a s i s p h y t o l i t hi sc o n s i d e r e da san e ws t a n d - b yi n d i c a t o ro fe n v i r o n m e n t t h i sa r t i c l e h a v ei ta p p l i e dt ot h es t u d yo fa l p i n et i m b e r l i n e i s t h er e s e a c hs t a n do nt h eb a s i so ft h e n o r t h e r ns l o p eo fc h a n g b a im o u n t a i n , is e l e c ts i xt y p i c a lv e g e t a t i o nq u a & a tf r o m v a r i o u sv e r t i c a lz o n ea n dc a p t u r et h et y p i c a ll e a v e so fw o o d y p l a n t sa n ds u r f a c es o i l ， a n a l y s i so fp h y t o l i t hi s i n t h ea k a l k ep c a t l a n dt h a tc o l l e c t3 0 c mt t l i c k p e a t p r o f i l e s t h er e s u l t sp r o v et h a t ： 1 w i t ht h ei n c r e a s ei na l t i t u d et h ev e r t i c a lv e g e t a t i o nz o n e si nt h en o r t h e r ns l o p e o fc h a n g b a lm o u t a i nw i t ht y p i c a lw o o d yp l a n t sc a np r o d u c ed i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i c p a t t e r n so fp h y t o l i t h ， t h ec o n t e n to fc o l d t y p ep h y t o l i t hh a v eau p w a r dt r e n d , w h i l et h ec o n t e n to fw a r m t y p e p h y t o l i t hh a v ea d o w n w a r dt r e n d 2 t h ev e r t i c a lv e g e t a t i o nz o n e sa tn o r t hs l o p eo fc h a n g b a lm o u n t a i nh a v e v a r i o u sk i n d so fp h y t o l i t ht y p e sw i t hr i c ht o p s o i la n dc a ni d e n t i f yt h ew o o d yp h y t o l i t h , i th a st h ec o r r e s p o n d i n gr e l a t i o n s h i po ft h es u r f a c eo f p l a n tp h y t o l i t h 3 t h et r e el i n ea tp h y t o l i t ha s s e m b l a g ef e a t u r ei s s i g n i f i c a n t i nt h ep e r c e n t a g e o fw o o d yt y p ep h y t o l i t hs h a r pd r o p ，t h et u n d r az o n ed r o p p e dt o0 6p e r c e n t ，t h e p e r c e n t a g eo fh e r b a lp h y t o l i t hi n c r e a s e 4 3 0 c mt h i c kr e dp o o lo fp e a tp r o f i l ei sa tt h ea g eo f1 5 0 0 a b e t h r o u g h l 东北师范大学硕士学位论文 r e g r e s s i o na n a l y s i s ，i n f e r i n gf i v el a y e r so fp e a tp r o f i l e sf r o mt h eb o t t o mu p3 5 、 - - 0 7 、8 7 、3 a n d - - 3 8 c 。 5 s i n c e 1 5 0 0 a b p , a k a i k ev e g e t a t i o na r o u n dt h e c h a n g b a im o u n t a i n sc a n e x p e r i e n c e am i x e dc o n i f e r o u s 一d a r kc o n i f e r o u s f 0 r e s t - a l p i n e t u n d r a 一 c o n i f e r - - e r m a n sb i r c hf o r e s ts u c c e s s i o np r o c e s s k e y w o r d s ：n o r t h e ns l o p eo fc h a n g b a im o u n t a i n ，；p h y t o l i t h ，：a n c i e n tc l i m a t e ： t r e el i n ec h a n g 东北师范大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t l 认c t i i i 1 绪论1 1 1 引言1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 国内外林线研究现状2 1 2 2 国内外植硅体的研究现状4 1 3 研究目标与意义6 1 3 1 研究目标6 1 3 2 研究意义6 1 4 技术路线6 2 长白山地区地理概况8 2 1 地理位置8 2 2 地质与地貌8 2 3 气候与水文1 0 2 4 植被和土壤1 0 3 实验分析方法1 2 3 1 野外采样1 2 3 1 1 样方选择1 2 3 1 2 现代植物样品的采集1 2 3 1 3 表层土壤及地层剖面样品的采集1 3 3 2 实验室分析1 3 3 2 1 现代植硅体的分析方法1 3 3 2 2 土壤和地层中植硅体的分析方法1 4 3 3 植硅体的观察与鉴定1 4 3 3 1 植硅体的分类及命名1 4 3 3 2 植硅体的统计与鉴定1 5 4 实验结果1 6 4 1 现代木本植物的植硅体特征组合1 6 4 2 不同群落下表土中的植硅体特征组合2 l 4 3 泥炭剖面中不同层位的植硅体特征组合2 5 5 长白山古气候的恢复与林线变迁2 9 5 1 现代植物群落与表土的植硅体组合的对应关系2 9 5 2 林线变迁3 0 东北师范大学硕士学位论文 5 2 1 岳桦林、苔原带过渡带植硅体组合特征3 0 5 2 2 泥炭剖面不同层位的植硅体聚类分析3 0 5 2 3 表土样品与现代温度的回归分析3 1 5 2 4 古植被、古林线的恢复3 2 6 结论与讨论3 5 参考文献3 6 附录3 9 致谢4 l 东北师范大学硕士学位论文 1 1 引言 1绪论 长白山国家级自然保护区建立于1 9 6 0 年，面积近2 0 万公顷，是我国最早建 立的自然保护区，也是首批加入“国际人与生物圈 的保护区，是目前全球为数 不多的保存比较完整的自然生态系统之一，是拥有大量物种资源的基因库。特别 是随着海拔高度的变化呈现出明显的山地垂直分布带谱，构成了独特的自然景观 格局，成为东北亚地区唯一的自然原始植被的珍贵遗产。在水平距离仅4 0 多公 里的坡面上，包罗了从温带到极地水平上数千公里的植被景观，不仅拥有完整的 森林生态系统和明显的垂直带谱，还拥有东亚大陆唯一较完整的高山冻原，是欧 亚大陆北部特别是东北亚地区的典型代表，是欧亚大陆从中温带到寒带主要植被 类型的缩影。长自山不仅是我国北方生物多样性最丰富的地区，也是北半球地区 生物多样性最丰富的区域，是欧亚大陆北部特别是东北亚地区的典型代表，在我 国的生物多样性研究及保护中具有极其重要的地位n 1 。 强烈的生态梯度来源于巨大的地形梯度，地形梯度取决与许多要素，如海拔 高度、坡向、坡度、坡位、起伏程度、地貌形态，以及山体的大小等，从动态的 观点，还应包括地貌过程( 风化、侵蚀、堆积等) ，因为地貌过程在山区进行得 特别强烈。由于存在上述差异，在很小的范围内，光、热、水、气、土等生态因 素重新分配，从而形成强烈的生态梯度。地质、地形和土壤的差异性与强烈的环 境梯度结合，产生了不同空间尺度上的生境多样性嗍。山地气候垂直变化的速率 比平原大1 0 0 0 倍，水平方向变化的梯度也远大于平原。山区极大的生态梯度， 不仅表现为垂直带被“压缩 ，生态过渡带变窄、多样性的植被类型并存，同时 表现为水平空间的紧缩。例如，南迦巴瓦峰( 海拔7 7 8 2 m ) 的南坡，从山麓到山 顶分为9 个自然带，类似于从热带到极地的景观变化，不同生命带和巨大的生境 东北师范大学硕士学位论文 差异被压缩在几公里的范围之内。 在山地许多生态过渡带中，高山林线带对于气候变化的响应最为敏感。在全 球气候变化的背景下，容易发生物种的迁移、景观格局的变化和景观界限的摆动。 例如，随着全球变暖，在水平带上发生物种分布界限北进的现象，在垂直带上则 表现为界线上移担1 。正是由于长白山及高山林线所具有的特殊地位，近年来倍受 关注。本文选用植硅体这一环境指标来研究长白山1 5 0 0 年来的的高山林线变迁 情况及环境演化。 植硅体是存在于高等植物组织细胞中的各种形态的固体非晶质含水二氧化 硅颗粒，蕴含重要的考古学和古环境方面的信息。它的一个显著特点是抗分解能 力很强，具有耐腐蚀、抗高温特性， 7 0 0 加热，物理、化学性质不会有大的变 化嘲。植硅体在植物死亡或植物器官脱落后，经过风化、腐烂、分解、埋藏等作 用返回到土层或沉积物中很好地保存下来。可以恢复古植被、提高古植被记录的 准确度，提供与孢粉学数据相当的资料；可以划分对比地层，提高地层的分辨率； 可以恢复古环境、古气候，确定古年代等。因此植硅体能较好地反应地方性植被 的状况，在草本植物的恢复方面，可以鉴定到属甚至有些可以到种，这比孢粉分 析更为精确。运用植硅体和孢粉分析相互对比验证，可以在很大程度上提高古气 候与古植被研究的精度。同时，木本植物与草本植物植硅体的形态特征差异非常 明显，据此可以推断林线的位置及其迁移情况。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国内外林线研究现状 1 2 1 1 国外高山林线研究 早期的高山林线研究集中在高山植物的生理生态方面。欧洲学者的研究工作 主要集中在阿尔卑斯山、斯堪的纳维亚山脉和英国的高山和亚北极地区h 町。阿 尔卑斯山地是近代高山林线研究的摇篮。d a n i k e r 是第一位研究阿尔卑斯山高山 林线的学者。s c h r o t e r 的高山植物生活一书，对2 0 世纪前二三十年代高山 植物生理方面的研究进行了总结h 1 。北美学者早期主要从事高山植物地理学研 究，后来植物生理生态研究占据了主导地位，对洛杉矶林线和林线以上高山植物 2 东北师范大学硕士学位论文 的营养与气体交换进行了大量研究。2 0 世纪3 0 年代以来，苏俄学者一直致力于 中亚和高加索山地高山植物的水分和c 0 2 交换的研究口1 。除了植物生理生态方面 的工作以外，以p i s e k 为首的研究组，对林线和林线以上的高山植物的生态功能 群进行了大量研究盯1 。2 0 世纪后半叶，l a r c h e r 领导的研究群体，先后参加了i b p 和m a b 计划，对高山生态系统过程进行了大量研究。 2 0 世纪8 0 年代以来，全球变化研究的深入大大推动了高山林线研究陋1 。面 对山地日益突出的生态问题，一些国际组织，还有政府间机构也在近年来开展了 更多的研究。 在2 0 世纪的最后十年间，接连出版了几部气候变化与山地研究的专著，如 b e n i s t o n 主编的 m o u n t a i ne n v i r o n m e n t si nc h a n g i n gc l i m a t e a ) ( 气候变 化中的山地环境) 嘲，p r i c e 的 g l o b a lc h a n g ei nt h em o u n t a i n a ) ( 全球 变化在山地) d 川，k o r n e r 的( a i p i n ep l a n tl i f e ：f u n c t i o n a lp l a n te c o l o g y o fh i g hm o u n t a i ne c o s y s t e m s ( 高山植物的生活) 5 1 。进入新千年以来，又 有一系列总结性的专著出版，如b e n i s t o n 的 ：e n v i r o n m e n t a lc h a n g ei n m o u n t a i n sa n dd y n a m i c s ( 山地林线：生态学、破碎性和动态) 1 1 o 以上著作 都从一个全新的视角，对山地尤其是高山林线与气候变化的关系进行了系统的探 讨。 1 9 9 9 年，奥地利教育学文化部启动了全球高山环境网络计划( g l o r i a ) ，目 前，已在全球设立了2 4 个目标区( t a r g e tr e g i o n s ) 。2 0 0 1 年，三个全球环境 研究的国际组织i g b p 、g t o s 和i h d p 联合提出了山地研究纲要( 胀i ) 的全球 变化与山区研究计划，并提出山区环境变化的指示体与长期监测与分析等4 项研 究活动n 羽。这些正在进行的研究计划，无疑将进一步推进高山林线的全面深入研 究。 1 2 1 2 中国的高山林线研究 早期国内专门研究高山林线的文献较少，但是许多文献涉及森林上限的结构 与气候的关系，以及全球气候变化对物种的影响等n 匐。 ：中国植被一书对寒温 性针叶林上限的植被组成及其形成因素做了初步探讨，在“冻原和高山植被”等 章节中多次论证了高山林线的重要性。李文华等、徐文铎、郑元昌从植被与气候 关系的角度定量地研究了森林上限与有关气候因子的关系，厘定了森林上限处各 3 东北师范大学硕士学位论文 种植被类型上下界的海拔高度。1 9 7 0 年代末至1 9 8 0 年代初，李文华在西藏的植 被、欧亚大陆暗针叶林分布规律等多项研究中探讨了林线植被的分布规律，建立 了相关的数学模型n 劓。1 9 8 0 年代中期，他又翻译出版了t r a n q u i l l i n i 的著作 高 山林线的生理生态。 2 0 世纪9 0 年代末期以来，国内高山林线研究也取得了较快的进展，崔海亭 等在太白山和五台山、石培礼等在贡嘎山系统地开展了高山林线对气候变化的响 应研究。石培礼还在进行长白山森林一冻原过渡带碳平衡对树线动态的指示研究 n 习0 主要成果集中在林线动态及其与气候变化的关系方面，如崔海亭等分析了太 白山高山林线的稳定性；童国榜等借助孢粉分析手段，对秦岭太白山地区林线以 上高山带千年以来的气候变化进行了比较细致的研究n 盯；石培礼和李文华探讨了 林线性状与木本植物向高山带入侵的关系n 7 1 ；刘鸿雁等根据沉积物的粒度、磁化 率和孢粉证据推断了太白山2 0 0 0 年以来的气候变化过程并与平原区的变化进行 了对比n 射。在林线植物生理生态、种群生态方面，主要工作有刘鸿雁等对我国东 部暖温带高山林线乔木的光和作用及其与环境因子的关系进行了初步研究；邹春 静等和沈泽昊分别研究了长白山和贡嘎山高山林线种群的性质n 帕；吴宁分析了贡 嘎山针叶林的林窗动态。在林线景观方面，曹艳丽等研究了五台山高山林线的植 被景观啪。其他方面的工作还有戴君虎等利用树木年轮资料，进行太白山高山林 线近3 0 0 年和五台山近1 0 0 年生态气候要素的重建，证明该山地的气候变化可能 具有区域和全球意义；王建让以及唐志尧等对太白山高山林线及其附近的植被进 行了数量分析m 1 ；石培礼等分析了卧龙林线生态过渡带种一多度关系。 从研究地点来看，除了太白山和五台山等少量山地外，在高山林线对气候变 化的响应方面，我国温带高山林线的研究工作依然是零星的。 1 2 2 国内外植硅体的研究现状 1 2 2 1 国外植硅体研究 最早发现植硅体的是德国微体古生物研究的先驱者e h r e n b e r g ，他对这种小 颗粒进行了研究，建立了最早的植硅体分类系统。植硅体分析这门学科的发展是 2 0 世纪中期以来的事情，早期主要用在植物学和生态学领域，在国外，把植硅 体应用到地质学特别是第四纪地质学中，只有四十多年的历史。1 9 6 4 年，w i t t y 4 东北师范大学硕士学位论文 和k n o x 通过土壤中植硅体分析研究了古代森林与草原的边界，获得了成功。1 9 7 1 年，i r o v n e r 对以前的植硅体工作做了总结，指出它在恢复古生态研究中有着很 大的应用潜力。此外，英国( s m i t h s o n ，1 9 5 8 ) 、澳大利亚( b a k e r 1 9 5 9 ) 、加拿大 ( d o r m a ra n dl u t w i c k ，1 9 6 9 ) 、美国( b e a v e r sa n ds t e p h e n s ，1 9 5 8 ：j o n e sa n d b e a v e r s ，1 9 6 4 ；n o g r e n ，1 9 7 3 ：t w i s s ，等) 、日本( 加滕芳朗，1 9 8 8 ) 等很多国家 曾对古土壤中的植硅体做了分析凹1 。 仅就植硅体在第四纪地质学中的应用来讲，国外很多学者都已经开始重视植 硅体在古植被重建和古气候古环境恢复中的应用【2 3 列。k i n o u e 和t s a s e 通过日 本东北部1 w a t e 火山脚下的火山灰、风积物和相关古土壤的植硅体测定了该区古 植被和古气候的变化，获得的古气候层序与深海氧同位素曲线相当接近，表明植 硅体分析在用风积物和火山灰沉积确定问冰期冰期循环中起了很重要的作用 2 5 1 。g l e ng f r e d l u n d 和t a r r yl t i e s z e n 运用现代植硅体组合解释了堪萨斯和内布 拉斯加晚更新世的古气候特征，证明了植硅体在重建北美洲大平原草地植被和气 候中的效用，论证了植硅体分析可以与孢粉分析相互补充或替代【2 6 l 。c l a i r e d e l h o n 等人采用植硅体组合恢复了地中海北部全新世的古植被，分析了该区的 古环境，证明在缺乏其它植被指示标志的土壤或沉积物中，用植硅体组合重建古 植被是一种很有前途的方法i 韧。但目前只有a d r i a n a l c a r n e l l i 等对阿尔卑斯亚 高山一高山植被的植硅体形态和分布做了分析，填补了以植硅体为基础的高山林 线的研究在该区的空白网。 1 2 2 2 中国的植硅体研究 我国从1 9 8 8 年开始，把植硅体应用到了地质学、考古学等方面1 2 9 - 3 2 1 。1 9 8 9 年王永吉、吕厚远利用植硅体对青岛附近海岸阶地做了恢复古环境的尝试工作， 分析了气候变化经历了温一冷一温一冷的过程，并与海平面的升降变化做了对比 1 3 3 1 。吴乃琴等人对c 3 和c 4 植物的植硅体进行了研究，并利用全国1 6 2 块表层 土壤样品的植硅体组合及气候资料，建立了植硅体一气候因子转换函数，并估算 出渭南晚冰期以来的年均温和年均降水量【3 4 弼。吕厚远在1 9 9 6 做了宝鸡黄土植 硅体组合的季节性气候变化，对黄土高原和南海陆架古季风演变的生物记录( 包 括植硅体在内) 与h e i n r i c h 事件进行了分析对比，1 9 9 9 年对末次间冰期以来黄 土高原南部植被演替的植硅体记录做了分析【刈，然而，长白山林线的研究尚未 5 东北师范大学硕士学位论文 深入地开展，尤其是运用木本与草本植物植硅体形态类型上明显差异研究林线位 置迁移的工作意义重大。 1 3 研究目标与意义 1 3 1 研究目标 利用植硅体这一环境指标来研究长白山1 5 0 0 年以来的林线变迁情况及环境 演化。 1 3 2 研究意义 垂直带性是山地最显著的特征，在山地许多生态过渡带中，高山林线是高山 带一条重要的生态界限，它是长时间尺度气候变化的产物。由于气候处于不稳定 状态，因而对全球和区域的气候变化的反映十分敏感。在全球气候变化的背景下， 容易发生物种的迁移、景观格局的变化和景观界限的摆动。本文把植硅体分析与 地理区域相结合，并把植硅体作为一种新的环境代用指标应用在高山林线的研究 中，弥补了孢粉分析等方法的不足。通过现代林线处的典型植硅体形态组合，再 把泥炭剖面中不同层位中植硅体的组合与之对照，通过回归分析来推断1 5 0 0 年 以来长白山北坡林线的变迁及古环境演化【3 6 】。通过高山林线对气候变化的响应 来预测未来的气候变化，为我国温带地区未来气候变化及其生态响应预测提供科 学依据。 1 4 技术路线 6 东北师范大学硕士学位论文 本文的技术路线具体如图1 1 图1 1 研究总体框架图 f i g 1 1t h e o v e r a l lf r a m eo ft h er e s e a r c h 7 东北师范大学硕士学位论文 2 长白山地区地理概况 长白山国家级自然保护区建立于1 9 6 0 年，面积近2 0 万公顷，是我国最早建 立的自然保护区，也是首批加入“国际人与生物圈 的保护区，是目前全球为数 不多的保存比较完整的自然生态系统之一，是拥有大量物种资源的基因库。特别 是随着海拔高度的变化呈现出明显的山地垂直分布带谱，构成了独特的自然景观 格局，成为东北亚地区唯一的自然原始植被的珍贵遗产。在水平距离仅4 0 多公 里的坡面上，包罗了从温带到极地水平上数千公里的植被景观，不仅拥有完整的 森林生态系统和明显的垂直带谱，还拥有东亚大陆唯一较完整的高山冻原，是欧 亚大陆北部特别是东北亚地区的典型代表，是欧亚大陆从中温带到寒带主要植被 类型的缩影i l 】。因此，对长白山地区的气候变化进行研究，尤其是对林线附近的 古气候变化的研究，对研究林线变迁及对未来气候的预测具有重要意义。 2 1 地理位置 长白山位于我国吉林省的东部，是东北地区松花江、鸭绿江和图们江三大河 流的发源地，它是我国著名的休眠火山，位于北纬4 0 。5 8 7 _ 4 2 。6 ，东经1 2 7 。 5 4 - 1 2 8 。8 。长白山是我国东北地区最高的山体，在我国境内最高的山峰白云 峰海拔2 6 9 1 m 。最高峰海拔二千七百米左右，座落在中朝两国的边境线上，是闻 名中外的巨型复式火山。火山周围为大片熔岩台地，台地周围为群山环抱。 2 2 地质与地貌 长白山处于东亚大陆边缘，濒临太平洋的新华夏构造带第二隆起带与阴山一 天山纬向构造带的复合部位。自下而上主要由玄武岩台地、玄武岩高原和火山锥 体三大部分组成，是一个年青且典型的火山地貌区域。随着新生代喜马拉雅造山 运动，伴有火山的间歇性喷发，地壳发生了一系列断裂、抬升，地下深处的岩浆 8 东北师范大学硕士学位论文 大量喷出地面，构成玄武岩台地。第四纪到来之前，地壳运动进入一个新的活动 时期，火山活动趋于活跃，由原来裂隙式喷发转为中心式喷发，喷出的熔岩和各 种碎屑物堆积在火山口四周的熔岩高原和台地上，筑起了以天池为主要火山通道 的庞大的火山锥。长白山火山地貌分布范围较广，在我国境内，总面积可达一万 多平方公里。 图2 1 长白山地理位置示意图( 据祝廷成等，2 0 0 8 修改) f i g 2 1t h eg e o g r a p h i c a ll o c a t i o no fc h a n g b a im o u n t a i n s 9 东北师范大学硕士学位论文 2 7 2 i 一1 5 0 0 t ， - 1 0 2 03 0 4 e 5 ，- 啊i 团l 妇2 田3 田4 团s 圃6 目7 口l 图2 2 植被垂直分带及采样点分布图( 据祝廷成等，2 0 0 8 修改) f i g 2 2v e r t i c a lv e g e t a t i o nz o n e sa n ds a m p l i n gs i t e so ft h en o r t h s l o p ei nc h a n g b a i m o u n t a i n s 1 一高山苔原2 一岳桦林3 针叶林4 一阔叶林5 一玄武岩6 凝灰岩、集块岩、 火山角砾岩等7 l 粗面岩、集块岩、泥熔岩及凝灰岩等8 采样点；a - 针阔混交 林带b 针叶林带c - 岳桦林带d 高山苔原带 2 3 气候与水文 长白山在中纬度亚洲大陆东岸，隔日本海面向太平洋，是温带大陆季风型高 山气候。但由于高大山体的阻隔，除具有一般山地气候特点外，还有明显的垂直 气候变化带。至下而上分别为针阔混交林气候带、针叶林气候带、岳桦林气候带 和高山苔原气候带【3 7 瑚l 。总的特点是：冬季漫长凛冽，夏季短暂温凉，春季风大 干燥，秋季多雾凉爽，生长季短。1 月份最冷，月平均气温一2 0 左右，7 月份 平均气温不超过1 0 ，年均气温在一7 3 之间。在高空正处西风带，终年 以偏西风为多，山的顶部全年吹西风。近年来，温度有升高的趋势，这对林线附 近的植被状况有很大的影响。 2 4 植被和土壤 山体的高低、坡向和土壤等一些自然因素影响着高山植被的分布。长白山的 植被呈垂直地带性分布，主要是由于海拔高度所引起水热条件的差异，使植被从 1 0 东北师范大学硕士学位论文 长白山的基带向上随海拔高度的升高而呈有规律的分布。长白山是我国东北地区 最高的山体，垂直分布明显，体现了温带至寒带植被水平分布的各个类型。长白 山以山势雄伟，资源丰富，植被类型多样和生长繁茂而闻名世界，也是东北亚大 陆上唯一研究原始高山植被的宝库m 。长白山北坡自下而上可分为针阔混交林 带、针叶林带( 明针叶林带和暗针叶林带) 、岳桦林带、高山苔原带和高山荒漠 带。 长白山北坡的土壤自基带随海拔高度的升高而依次更替，为正向垂直带性。 土壤分布的垂直带性是在水平地带性的基础上发展起来的，各基带生物气候条件 的差异，必然导致土壤垂直带谱的组成不同。长白山地处暗棕壤地带，其基带土 壤为暗棕壤，其垂直带谱由山地暗棕壤、山地棕色针叶林土、亚高山森林草甸土、 高山苔原土组成【4 l 】。 东北师范大学硕士学位论文 3 1 野外采样 3 实验分析方法 本论文的采样时间为2 0 0 8 年7 月初，采样地点位于长白山北坡海拔9 0 0 - 2 1 0 0 m 范围内。在五个垂直带内共选取六个样方，分别采集植物样品及对应群落下的 表土样品，并在赤池附近采集泥炭样品。 3 1 1 样方选择 在长白山北坡海拔高度为2 0 1 1m ( 高山苔原带) 、1 9 8 5m ( 岳桦林带) 、1 8 3 1 m ( 赤池附近) 、1 5 2 2 m ( 暗针叶林带) 、1 1 2 1 m ( 亮针叶林带) 、9 8 2 m ( 针阔混交林带) 的垂直带内设定样方。在针阔混交林带内的一号样地选取1 0 1 0m 的植被典型、 地势平坦开阔的样方，采集典型乔木、灌木及草本的叶片样品，装入自封袋并做 好标记。目测乔木、灌木的大致高度，及其在样方内所占的百分含量。估测乔木 盖度及森林的郁闭度。取四角及中心五点的表土，混合均匀装入自封袋。 在明针叶林带、暗针叶林带、岳桦林带及岳桦林与苔原过渡带均在典型植被 处选取1 0 1 0m 的样方，采集方法同上。 在高山苔原带海拔2 0 1 1 m 处选择2 2 m 的植被典型的样方，采集典型的灌 木及草本样品。 3 1 2 现代植物样品的采集 由于植物叶片中的植硅体含量比较丰富，因此本文采集木本与草本植物的叶 片进行植硅体研究。本文在长白山北坡不同垂直高度带进行植物样品的采集，进 行样方调查，特别要注意选取植被的优势种或重要的生态指示物。对现代植物中 植硅体的研究十分重要，人们正是从现代植硅体组合与现存植被及其所属气候类 1 2 东北师范大学硕士学位论文 型的对应关系，深刻地领悟到，唯建立植硅体分类和检索系统，才可能合理地解 释不同地层土壤中的植硅体类型和组合1 4 2 l 。因此，现代植硅体样本是植硅体研 究的基础和重要组成部分。 3 1 3 表层土壤及地层剖面样品的采集 采样地点位于长白山北坡海拔9 0 0 - 2 1 0 0m 范围内。在每一个植被带中采集 一个表土样品，具体采样方法为：在1 0 0 m 2 的范围内五点梅花法采集表土样品， 在每一点先去枯枝落叶表皮，再用铲子轻轻铲取2 c m 以上的表土样品。把每一 个样方内的五个点的样品混合均匀装入样品袋。在赤池附近采集泥炭剖面样品， 地层剖面的样品采集要保证清洁不被污染，还要注意顺序编号。在采集的剖面中， 每5 c m 处取泥炭样品进行植硅体研究。 表3 1 表土采样点地理位置及植被概况一览表 t a b l e3 1 s a m p l i n gs i t e sa n dm a i nv e g e t a t i o np r o f i l e s 3 2 实验室分析 3 2 1 现代植硅体的分析方法 本文采用湿式灰化法对现代植物进行植硅体分析，具体步骤如下： 1 ) 植物预处理。用去污剂除去植物叶片表面灰尘，用超声波清洗仪反复清 洗，再用蒸馏水清洗，然后放入烘干箱干燥，用剪刀剪成小段放入离心管中。 东北师范大学硕士学位论文 2 ) 放入氧化剂。在离心管中加入浓i - n 0 3 ，置于沸水中水浴加热以去除有 机质。直至样品不再呈粘稠状，溶液澄清为止。 3 ) 离心。在离心管中加入蒸馏水清洗样品，离心( 2 0 0 0 r p m m ) 1 5 分钟， 倒掉上部清液。重复离心两次，最后再用无水乙醇离心一次以快速干燥药品。 4 ) 制片。用一次性滴管取均匀样液一滴，滴在载玻片上，燃烧，样品均匀 散开并干燥，滴一滴中性树胶于样品上，趁热加盖片，做成固定片【4 3 l 。 3 2 2 土壤和地层中植硅体的分析方法 一般来讲，对土壤或其它沉积物中植硅体的成功提取过程有这样几点要求： 沉积物中代表性植硅体组合的恢复比较准确；植硅体的聚集；安全；高效【4 q 。 在提取过程中，要特别注意重液的选择和浮选过程。不同的学者对重液的选择有 不同的方法，王永吉和吕厚远曾给出这样几种重液：三溴甲烷一丙酮、三溴甲烷 一苯硝石、三溴甲烷一乙醇、四溴乙烷一纯乙基酒精、四溴乙烷一苯硝石、碘化 钾一碘化汞一水，由于有机溶液多数具有毒性、不易溶于水和难清洗等缺点，因 此本实验选用的是溴化锌溶液。我们所选择的方法是想得到这样的效果即得到的 植硅体样品清洁、丰富，并且重液本身没有毒性、可溶于水。 本文对表土和泥炭中植硅体的提取过程为：1 ) 于烘干箱中烘干，并取少量 样品放入5 0 m l 离心管中；2 ) 脱铁、去钙，用稀盐酸加热3 0 m i n - - l h ；3 ) 去除 有机质，用浓硝酸加热3 0 m i n - - l h ：4 ) 离心沉降去除粘土；5 ) 用比重为2 3 的 重液浮选，分离提取植硅体；6 ) 离心清洗至中性：7 ) 用中性树胶制成固定片， 待干后于镜下观察统计。 3 3 植硅体的观察与鉴定 3 3 1 植硅体的分类及命名 由于研究领域、研究对象、分类依据等的差别，不同的学者形成了不同的分 类方法。关于植硅体的分类目前主要流行两种方法，一种是基于植硅体本身形态 特征的形态分类，另一种是基于植硅体起源植物的自然系统分类【4 5 】。王永吉和吕 厚远根据国外某些分类方案，结合中国的具体情况，建立了一套植硅体的三级分 1 4 东北师范大学硕士学位论文 类系统m 。一级只分蕨类、树木类、禾本科类、其它类，二级对一级各大类型 再详细划分，三级分类对二级分类的再详细划分。在地层中，如果分析出的植硅 体形态比较简单，也可以只采用二级分类。中国现在普遍采用的是王永吉、吕厚 远基于禾本科的分类，即：哑铃型、短鞍型、多齿型、弱齿型、帽型、突起扇型、 无突起扇型、方型、长方型、板状棒型、平滑棒型、刺状棒型、长尖型和短尖型 等1 4 个类别。植硅体国际命名规则i c p n1 0 对植硅体的描述给出了特定的顺序 和描述词语。本论文对植硅体的分类命名参考了上述两种分类方案 4 7 , 4 8 1 。 3 3 2 植硅体的统计与鉴定 根据实际经验，每种大约统计植硅体3 0 0 粒左右，这种数目在统计意义上是 可行的。“每一类植硅体常常在各种分类水平上( 属、族、亚科和科) 代表特定植 物类群的特征，而且在植硅体类型和它们的母源植物的自然分类亲缘关系之间有 很好的对应性1 4 2 1 。确定植硅体母源植物的种类，可用植硅体的形态特征来作为 依据，从而为恢复古环境、古气候等提供理论依据。本文把提取出的植硅体制成 固定片后，结合王永吉和吕厚远1 9 9 3 的系统分类方案1 4 6 1 ，采用m o t i c 生物显 微镜鉴定统计样品，观察时放大9 0 0 倍，每个样品至少统计2 5 0 粒以上，根据样 品的形态进行分类、特征的描述，对具有代表性的植硅体进行形态参数的测量统 计。用显微镜成像系统照相，录入数据，进行分析和制刚删。 东北师范大学硕士学位论文 4 实验结果 4 1 现代木本植物的植硅体特征组合 本文研究了长白山北坡垂直植被带中1 4 种典型木本植物，统计了典型木本 植物叶片中的5 1 ) 4 ( i 粒植硅体形态。经过镜下鉴定发现了8 种特征明显的形态： 表面有突起、皱纹的椭圆型、卵型；具有螺旋纹的纺锤状以及导管型；弓型或“y 型；鸟嘴状：扁棒型；石块状；松树皮状；不确定型。 t a b l e4 1 表4 1 用于植硅体分析的长白山现代植物名录 t a x au s e df o rp h y t o l i t h a n a l y s i si nc h a n g b a im o u n t a n i n 科名 属名 序号种名 o e a c e a e 木犀科 b e t u l a c e a e 桦木科 t i l i a c e a e 椴树科 f r a x i n u s 厶棒属 c o r y l u s 榛属 b e t u l al 桦木属 p i c e ad i e t