基于高分辨率泥碳记录的古植被与古季古风候变迁

基于高分辨率泥碳记录的古植被与古季古风候变迁

越来越多的人关注冬季和夏季季风气候的不稳定性以及重要气候事件的研究。沙漠/黄土过渡带高分辨率的泥碳记录为我们提供了一套13kaBP以来连续且完整的地质_生物记录。本文试图利用花粉、δ13C等替代性气候指标以及高精度的年代学数据,重建这一季风气候敏感区的古植被与古季风变迁序列。中国沙漠/黄土过渡带位于鄂尔多斯高原的东南缘,东亚夏季风的西北缘,地势南高北低,西部风沙滩地,地势平缓,有流动、半固定、固定沙丘与小型盆地。本区属大陆性季风半干旱气候,夏季炎热,冬季寒冷,对于随季节转换的东亚冬、夏季风气候十分敏感。年均降水量395.4mm,年均温7.8℃。该区生物气候带属于半干旱干草原区,植被资源以农作物和林草为主,主要是杨、柳、槐、榆、沙柳等,草本以茅草、冰草、白草、禾草为主,该区散布着许多末次冰消期以来形成的积水洼地和季节性河流谷地。河湖沼相的沉积较发育,沉积厚度大,层位较稳定,分辨率高。1细菌粒径及土壤条件柳树湾剖面(37°39′N,108°37′E)位于陕北靖边城东约25km的海则滩乡柳树湾村,海拔约1400m,由季节性积水洼地或封闭的湖盆形成,剖面可见厚度13.8m,自下而上描述如下:1380~1240cm堆积平均粒径为70μm的灰黄色风成沙。1240~1140cm淡黄色_浅灰绿色粉沙,平均粒径为54μm,含植物残体。1140~1090cm灰黑色粉沙质泥炭,含植物残体。1090~1020cm灰绿色粉沙质淤泥含淡水螺壳。1020~970cm灰黑色粉沙,夹淤泥条带,其间分布淡水螺壳。粉沙平均粒径为54μm。970~900cm灰黑色粉沙质泥炭,含植物残体和黄豆大小的钙结核。900~835cm浅黄色风成沙,平均粒径75μm。835~650cm黑色粉沙质泥炭,该层底部有厚约35cm的灰黑色粉沙。650~550cm灰黑,黑黄色粉沙,下部含植物残体。550~310cm灰黑色至黑色粉沙质泥炭、含大量植物残体和淡水螺壳。310~80cm灰黄、灰绿色粉沙夹淤泥条带。80~0cm发育灰褐、灰绿色粉沙质古土壤。古土壤顶部覆盖着现代半固定_活动沙丘。我们对120余块样品进行了花粉分析并测定有机碳含量及有机碳δ13C值,对21个14C样品进行测年,其材料包括埋藏木、泥炭及炭屑,主要使用美国Arizona大学的串列静电加速器。14C测年数据的可靠性主要受控于测年材料。当我们将泥炭粗细颗粒的14C年龄与木质纤维素和碳屑的年龄数据比较后,发现泥炭细颗粒与木质纤维素和炭屑年龄较为吻合。因此采用木质纤维素、炭屑及泥炭颗粒的14C年龄作为研究剖面的年代标尺。2中国西部干旱—花粉分析结果及季风演化序列柳树湾剖面120块花粉样品全部采用无酸碱分析法及外加花粉法分析,大多数样品鉴定花粉在300粒以上。分属42个科属,有卷柏属(Selaginella)、水龙骨科(Polypodiaceae)、膜蕨科(Hymenophyllaceae)、凤尾蕨科(Pteridaceae)、松属(Pinus)、云杉属(Picea)、冷杉属(Abies)、铁杉属(Tsuga)、麻黄属(Ephedra)、桦属(Betula)、栎属(Quercus)、桤木属(Alnus)、椴属(Tilia)、胡桃属(Juglans)、柳属(Salix)、漆树属(Rhus)、蒿属(Artemisia)、藜科(Chenopodiaceae)、白刺属(Nitraria)、唐松草属(Thalictrum)、莎草科(Cyperaceae)、苋科(Amaranthaceae)、豆科(Leguminosae)、菊科(Compositae)、蓼属(Polygonum)、茜草属(Rubia)、车前属(Plantago)、酸模属(Rumex)、禾本科(Gramineae)、蔷薇科(Rosaceae)、百合科(Liliaceae)、唇形科(Labiatae)、伞形花科(Umbelliferae)、忍冬科(Caprifoliaceae)、川续断属(Dipsacus)、杜鹃科(Ericaceae)、无患子科(Sapindus)、石竹科(Aryophyllaceae)、香蒲属(Typha)、眼子菜属(Potamogeton)、双星藻属(Zygnema)、狐尾藻属(Myriophyllum)。它们包括了中国西部干旱—半干旱区绝大多数花粉类型。花粉图谱显示出末次冰消期以来,研究区以草本和灌木植物占明显优势,乔木植物较少,因此,传统的以乔木植物变化来反映古气候、古环境变化难以令人满意。草本植物多数是一年生长或季节性生长的植物,草原地区草地群落的演替一般只需要0.1kaBP或更长一些时间,对气候变化比较敏感。花粉浓度的变化可以间接反映植被盖度的变化,这将帮助我们了解季风气候特别是夏季风降水的变化。因此,我们主要依据花粉浓度图谱,辅以百分含量变化。根据现代不同植被类型区花粉组合特征,选择有生态指示意义的类型,兼顾其他类型,借助于14C年代并结合有机碳的δ13C的变化,将本区13kaBP以来的花粉变化分为9个有代表性的花粉组合及对应的9个植被演化阶段。2.1不超过500粒/g单调的旱生蒿属、藜科、麻黄属占陆生植物的80%,花粉浓度不高,一般不超过500粒/g。显示出冰后期全球气候逐步回暖,夏季风开始影响该地区,大约13kaBP前后,在以流动、半流动沙丘为主的荒漠上开始生长一些耐旱的藜科、麻黄属、蒿属等草、灌木植物,呈荒漠草原景观。2.2副8落叶落叶树种花粉种类逐渐丰富,草本仍以蒿、藜为主但不超过80%,一些中、湿生草本及少量水生植物出现,伴有桦属、榛属等落叶阔叶乔木属种。花粉浓度较高,最高达7000粒/g。表明夏季风影响的频次增加,降水逐步增多,使植物种类变得较丰富,盖度增大的干草原阶段,可与波林/阿勒罗德(Bolling/Allerd,B/A)事件对比。2.3大约11,2,10,6kabp1040.970cm仅有少量旱生草本、花粉浓度低,呈半荒漠景观。2.41花粉浓度分布花粉种类丰富、湿生、中生草本大量出现,水生植物达峰值。落叶阔叶乔木花粉浓度呈一峰值,尤以耐凉湿的桦含量较高,云杉、冷杉也出现明显峰值。花粉浓度较高,一般30000~50000粒/g。这是一个草原植物茂盛,种类丰富,少量落叶阔叶树生长,水生植物繁盛的湿润草原时期。2.51c-12a的干冷气候区该段是一厚层风成沙沉积,仅见个别花粉,是以流动沙丘为主,零星耐旱植物生长的荒漠阶段。11.2~10kaBP这一时期与YoungerDryas(YD)时段相当,季风气候发生了干冷—凉湿—干冷的颤动。几乎连续的14C年龄将该段时期分为3个时段。在11.2~10.6kaBP、10.2~10.0kaBP时段,它们各项代用指标均处于低谷,仅种类单调的耐旱草本,δ13C偏重指示了一种显著的冬季风占优势的干冷气候。而10.6~10.2kaBP湿润草原时期,草原植物种类多,阔叶树、水生植物出现峰值,δ13C偏负,间接指示了夏季风影响增强,夏季降水增加,而耐低温桦的增多以及暗针叶林云杉、冷杉的峰值则说明源地和研究区属于一种相对凉湿的气候。值得注意的是从YD结束,进入全新世适宜期为一快速转换过程,以堆积65cm的风成沙为特征,它是晚冰期向全新世转变过程中一次极度干冷的气候回返事件,可视为中国北方全新世即将来临的前兆。2.61气调与气调wab草本花粉种类丰富,以湿生、中生草本为主,水生植物花粉含量很高。落叶、阔叶乔木的桦属、栎属、榛属、榆属花粉均有出现,还有喜暖的胡桃、铁杉零星出现。花粉浓度高,这是草灌木植物茂盛,小片落叶、阔叶树生长的疏林草原时期。10kaBP以后从极度干冷的气候中很快回返为全新世气候中最为适宜的一段时期,在此期间,气候仍有多次湿润和略为暖干的波动,但主要以温暖、湿润的气候为主。该时段所定义的气候适宜期,是指以季风降水以及温度、蒸发和降水三者相关的有效湿度最大值出现的时期,是以有利于植被繁茂的温度和湿度的最佳配合作为标准的。过渡区内的这种适宜期气候在神木的杨桃峁等剖面得到证实*。2.77.松树湾剖面花粉浓度图谱花粉浓度较低,一般小于500粒/g,旱生中旱生蒿属、藜科花粉占较明显优势,种类单调,几乎无木本植物出现,见零星香蒲、眼子菜等水生植物。属荒漠草原时期。虽然太阳辐射强,气候温暖,但夏季风图2.最近13ka年以来柳树湾剖面花粉浓度图谱(100粒/g)。Fig.2.Diagramaticprofileofpollenconcentrationforthepast13kaBPinLiushuwanprofile.降水的减少以及蒸发的加强导致有效湿度较低,出现不利于草原植被生长发育的暖干气候时期。2.84.水生植物花粉花粉种类较丰富,浓度较高,一般20000~60000粒/g,草本占优势,中湿生草灌木种类较丰富,极少落叶阔叶乔木,但云杉、冷杉花粉出现高峰值。有少量水生植物花粉出现,属典型草原时期。新冰期以后温度较低,蒸发相对降低,夏季风再次加强使夏季风对沙漠/黄土过渡带影响的频次增多,产生较多的降水,产生了沙漠/黄土过渡带又一个温度、蒸发、湿度配合较佳的时期。2.93花粉浓度低草本花粉为主,蒿属占有优势,乔木花粉除少量松属外,少见其他种属,花粉浓度较低,一般2000粒/g以下。这是一个生长少量耐旱草本的荒漠化草原阶段。在自然和人为因素的双重影响下,草原退化并极度缩小,沼泽面积逐步缩小并最终消失,气候再次转向冷干气候。3气候适宜期的影响3.1在可靠定年的基础上,利用花粉分析,配合有机碳的δ13C等环境指标的测试,进行古气候、古环境序列的重建是十分有意义的。3.2沙漠/黄土过渡带YD时段季风气候颤动的记录,指示了10.6~10.2kaBP降水增加,与巴谢、扎赉诺尔湖记录一起反映了当时夏季风锋面位于现今东亚季风区北缘一线。而11.2~10.6kaBP和10.2~10.0kaBP降水的极度减少表明锋面向南的退却。可以说YD时期东亚季风气候的颤动既是对极地、内陆冷气团与来自海洋暖湿气团相互作用的一种相应,也可视为北半球地表所接受的太阳辐射与下垫面变化引起的东亚海陆气压梯度变化的一种响应。3.3沙漠/黄土过渡带全新世气候适宜期出现于10.0~7.5kaBP。这是由于进入全新世以后,北半球夏季太阳辐射在距今9000年达到最大,随后太阳辐射逐步减小,导致冬季风的逐步增强夏季风相应萎缩,使得夏季风降水出现穿时性,造成全新世适宜期在中国各地出现时段并不一致。对有别于北欧的中国季风区而言,在充分考虑植物生长季温度发生较大幅度变化的基础上,须重视从降水和有效湿度的角度去研究和了解全新世气候适宜期。因此,降水以及与温度、蒸发和降水三者相关的有效湿度,尤其对季风变化敏感的干旱、半干旱、半湿润地区要比温度本身对植被及生态环境影响显得更为重要。属干旱、半干旱的沙漠/黄土过渡带处于东南季风的西北缘,对季风气候相当敏感,受季风降水影响甚大