黄土高原南缘塬区植被恢复与重建的孢粉记录

黄土高原南缘塬区植被恢复与重建的孢粉记录

通过对黄土-古土壤中的高分辨率硫醇粉研究，可以恢复洛杉矶高原的植被状况，为洛杉矶高原未来生态环境的改善和植被重建提供直接的生物学证据，并为制定“山川美工程”政策和措施提供依据。黄土高原(图1)位于33°43′～40°16′N、100°45′～114°33′E,总面积约4.4×105km2,地势西北高而东南低,年平均气温2.2～15℃,年降水量150～700mm,气温和降水均由东南向西北逐渐减少。由于黄土性疏松,富含钙质,易溶解于水,经流水长期侵蚀,在地域广阔的黄土高原形成了特殊的地貌,其主体是以塬、梁、峁与其间的沟谷组成。刘东生、周昆叔等,孙湘君等、孙建中等、柯曼红等、李小强等对不同地貌单元的黄土-古土壤序列开展了重要的孢粉研究工作。史念海、朱志诚等也从历史地理和植物地理的角度,对黄土高原历史时期和现代植被状况进行了探讨。由于从黄土中提取孢粉相当困难,黄土高原高分辨率的孢粉分析工作不多,已有的孢粉研究结果所显示的塬区、沟谷区植被状况在同一历史时期差异很大,因此,对黄土高原的植被状况,特别是全新世以来的植被与生态状况有很大的争议。本文研究了最新的遥感环境信息所恢复的黄土高原生态特征,更深入地认识黄土高原塬区和台塬区现代植被状况,在前人大量黄土研究工作的基础上,选择位于黄土高原南缘塬区的耀县剖面,采用新设计的黄土筛滤分析方法,进行最近12000aBP高分辨率孢粉研究,对比其他有代表性的塬区剖面孢粉记录,重建12000aBP以来黄土高原塬区的植被特征。1塬面为轻侵蚀、水土流失,植被覆盖度低TM卫星影像图显示了关中平原和运城平原以北,包括西部的泾河黄土残塬丘陵区的洛川塬、东部韩城至延长、大宁一带的黄河两侧黄土塬和运城盆地北侧的峨嵋台塬以及关中平原北侧淳化、耀县、蒲城、合阳一带的黄土台塬区的环境状况(图2)。在泾河黄土残塬丘陵地区,塬面上为轻度侵蚀,沟谷中则为中、强度侵蚀,植被以旱作农作物为主,洛川塬介于子午岭、崂山与黄龙山等低山之间,包括了陕西的富县、洛川、黄陵和宜君等县。塬面为轻度侵蚀,植被同样以旱作农作物为主;而黄河峡谷韩城至延长段,地形破碎,塬面较小,水土流失严重,植被以低覆盖度为主,最北部则为极低覆盖度。在渭河以北黄土台塬区和运城盆地以北峨嵋台塬区,包括合阳西北部、澄城、蒲城和富平以及铜川市、耀县和白水等地,同样为旱作农业区,以水力微度侵蚀为主,植被覆盖度中等。总之,黄土塬区和台塬区已经不存在原生植被,目前是典型的旱作农业生态系统,水平分异明显,生态环境的稳定性较差,当受到外界干扰时变化较大,恢复能力低。因此,重建历史时期黄土高原的植被特征,不仅有助于了解植被和环境状况,而且对于“退耕还林、草”等政策措施的实施具有重要意义。2土壤孢粉样品的采集耀县地区属暖温带大陆性半湿润气候,年均温12.3℃,年降水量554mm,耀县剖面(35°56′N、110°10′E)位于陕西省耀县城南1km的儒家堡(图1),西安至铜川高速公路旁。露头剖面包括S3古土壤底界以上23m的黄土-古土壤序列,上部全新世部分厚近4m,剖面描述如下:0～30cm全新世黄土,疏松,颗粒较粗,未见生物扰动。30～65cmS01古土壤。棕褐色,含大量白色CaCO3菌丝体。65～138cm全新世黄土,灰黄色,松散,大空隙,垂直节理发育。138～228cmS02古土壤。228～340cm全新世黄土。340～392cmS03古土壤。392cm以下L1LL1黄土。以4cm间距在耀县剖面采集全新世黄土-古土壤样品100个,共分析孢粉样品67块,TL测年样品2个,在澳大利亚Wollongong大学TL实验室完成年龄测定。由于黄土-古土壤处于通风的环境中,长期的氧化和CaCO3的淋溶作用使孢粉保存很困难。常规的黄土孢粉分析需要的样品量大、周期长、成本高,孢粉获得率低,高分辨率的孢粉工作很难开展。耀县剖面67个孢粉样品全部采用筛滤分析法,在德国Tuebingen大学地质与古生物系完成。筛滤孢粉分析仪主要由真空泵、集气瓶、洗样管、10μm筛网与聚水容器等组成,其结构简图见图2。筛滤分析法为我们提供了一套从黄土-古土壤中提取孢粉的新途径、新方法。它与常规的黄土孢粉分析相比,具有以下优点:(1)仅需样品30～50g,大大降低了样品的重量;(2)分析流程短,一个流程仅需3天左右;(3)孢粉丢失极少,几乎不破坏孢粉的结构、纹饰,孢粉干净、清晰。这种快捷、低成本的方法保证了高质量孢粉数据的获得,提高了黄土孢粉研究的精度,为历史时期黄土高原植被的重建提供了保证。3飞展沉积速率的计算耀县剖面67块孢粉样品共统计出孢粉14948粒,每个样品统计孢粉在200～400粒之间,大多在250粒以上。分属于以下27个科属:卷柏(Selaginella)、松属(Pinus)、云杉属(Picea)、冷杉属(Abies)、杉科(Taxodiaceae)、桦属(Betula)、栎属(Quercus)、榛属(Corylus)、柳属(Salix)、椴属(Tilia)、胡桃属(Juglans)、桤木属(Alnus)、柽柳科(Tamaricaeae)、蒿属(Artemisia)、藜科(Chenopodiaceae)、麻黄属(Ephedra)、菊科(Compositae)、蓼科(Polygonaceae)、莎草科(Cyperaceae)、唐松草属(Thalictrum)、苋科(Amranthaceae)、萝摩科(Aschepiadaceae)、唇形科(Labiatae)、禾本科(Gramineae)、酸模(Rumex)、伞形花科(Umbelliferae)。包含了黄土高原大部分有代表性的科属。年代标尺的建立是运用TL年龄确定地层层位,通过年代模式建立年代标尺。深度为104和280cm的两个TL样品的年龄分别为(2900±400)和(6600±700)aBP。计算控制点之间样品点的年龄,建立剖面年代标尺的一种简单模式是对控制点之间样品点进行线性内插,对较高精度的研究而言,获得沉积速率的代用指标是必要的。由于风成粉尘的粒度大小与沉积速率存在密切关系,它们之间的单调正相关关系已得到现代沉积学研究的证实。平均粒径、中值粒径及特征粒径含量等粒度参数都可以作为沉积速率的代用指标。黄土高原南部的耀县剖面,因成土作用较强,本文运用大于40μm粒径数据进行年代标尺的建立。以粒度作为沉积速率计算年代控制点之间样品年龄的公式如下:Tm=T1+(T2−T1)(∑i=1mA−1i)(∑i=1nA−1i)−1Τm=Τ1+(Τ2-Τ1)(∑i=1mAi-1)(∑i=1nAi-1)-1式中:Tm为某一测量面m的年龄;T1为开始的年龄控制点;T2为结束的年龄控制点(T1<Tm<T2);A为任一测量面大于40μm的含量(%);m为某一测面数;n为总测面数。根据实测年龄和公式推算出耀县剖面为12000aBP以来的一套沉积,3.89m处为12000aBP,3.53m处为10000aBP,1.76m处大致为5000aBP,以67个分析样品计,分辨率高于200年。耀县剖面孢粉百分比图谱(图3)孢粉类型分布显示,草本植物总量占全部孢粉总量的93.6%,而乔木植物总量仅占4.7%。最近12000aBP以来的孢粉组合以草本植物花粉为主,含量最高可达95%以上,乔木植物花粉含量很少,即使不扣除高产量松树花粉对孢粉谱的影响,乔木植物花粉含量也仅有一个样品达到38%(其中松属占33%),一般均在20%以下。而代表温暖、半湿润气候的落叶、阔叶乔木花粉仅在个别层段少量出现,最高含量3%左右,一般在1%以下。现代花粉研究表明,在无松树情况下,也有松属花粉存在,且其值可达23.5%～30%,这也就是说花粉组合中,30%以下松粉含量都可能是无松地带;现今这些针叶或落叶、阔叶乔木分布在黄土高原的基岩山区及部分沟谷区。总的来看,最近12000aBP以来,黄土高原南缘塬区的植被演化大致可分为5个阶段:(1)约12000～8800aBP(深度3.91～3.20m)出现多种类型的草本植物,以蒿属、菊科占极大优势,少量松属和云杉、冷杉属花粉,极少落叶、阔叶乔木,是以蒿属植物为主的干草原,气候温和半干旱,地面干燥。(2)约8800～5300aBP(深度3.2～1.8m)以中生蓼属及唇形科占绝对优势,旱生、半旱生的蒿属、藜科和麻黄属等含量较低,个别榆、栎、桦落叶、阔叶乔木孢粉和少量松属孢粉,说明这一时段的气候较前期干草原时期温暖、湿润。这一阶段为全新世高温期,植被属于湿润性草原。(3)约5300～2000aBP(深度1.8～0.9m)草本植物恢复到以蒿、菊科、藜以及麻黄等中、旱生植物为主,气候又转干。1.8～0.9m出现耐旱的藜科花粉峰值,最高含量可达40%,中生的蓼属花粉等处于相对低值,一般在30%以下,蒿属与藜科的比值在剖面中呈现最低值,植被特征表现为干旱的干草原。(4)约2000aBP(深度0.9～0.65m)中生的唇形科和蓼属出现峰值,花粉含量可达60%左右,是一个短暂的湿润时期,植被属湿润草原。(5)晚于2000aBP(深度0.65～0m)植被转向以中、旱生灌木、草本植物占绝对优势,出现零星的落叶、阔叶乔木植物花粉,是一个较典型的草原阶段,表明环境又向较干的方向发展。因此,孢粉反映的近12000aBP以来黄土高原南缘塬区植被,主要经历干草原—湿润性草原—干草原—湿润性草原—草原5个阶段,植被均以草原植被为主,并未出现森林植被发育阶段。4阴山塬区带性植被主要集中于森林植被一些学者认为黄土高原处于暖温带半干旱、半湿润气候区,气候条件适合森林生长。一些考古点和历史文献也有乔木或森林生长的记载,倾向于黄土高原历史时期的植被以森林植被为主,认为目前黄土高原塬区缺少森林植被,在沟谷区有乔木植物小片成林现象,是人类活动长期破坏的结果。但考古点和历史文献的记载多为山区和谷地,如山西吕梁山、中条山、函谷关等。虽然一些黄土剖面如富平温泉阶地剖面、姚村剖面、蓝田东城剖面以及兰州黄土剖面,显示出全新世有针叶林、针阔混交林及疏林草原等孢粉组合阶段,但这些剖面地点存在于黄土高原的河谷阶地或沟谷区,从黄土高原塬区孢粉、古土壤、有机碳同位素和植物硅酸体的研究来看,目前还没有森林发育的记录,因此,对于黄土高原不同区域的历史植被状况,有必要进行更为细致的划分和研究。孙湘君等研究的渭南姜村剖面(34°24′N、109°30′E),属黄土高原南缘塬区剖面,由于其位于渭河之南,自然条件优于耀县,年均温12℃,降水量600mm,属温暖、半湿润气候,地带性植被应以暖性森林植被为主,但孢粉结果显示出11800～2200aBP乔木花粉含量较少,整个时段不超过孢粉总量的25%,落叶、阔叶乔木花粉仅少量出现,是以蒿属占优势的蒿草草原,可能还有草甸草原存在。洛川剖面(35°49′N、109°30′E)位于黄土高原中部塬区,属暖温带半湿润气候,年均温9.2℃,年降水量可达621.7mm,孙建中等的研究指出,全新世以来的植被是以蒿、藜、菊为主的干草原。在洛川剖面以北,属同一气候区的陕西富县塬区剖面(36°N、109°20′E),年均温9℃,年降水量达600mm,植被为蒿、藜、菊占优势的干草原。因此,从黄土高原塬区的姜村、洛川、富县和耀县4个剖面的植被状况来看,黄土高原塬区全新世植被,即使在全新世气候适宜期,也以灌木、草本植物占绝对优势,呈现草原植被景观,并无森林生长。郭正堂等用古土壤学方法对若干代表性地区全新世土壤的研究也表明,黄土高原全新世以草原植被为主。林本海等的有机碳同位素的研究也显示出1.3Ma以来黄土高原塬面均以草本植物占优势。植物硅酸体的研究也不支持全新世黄土高原塬面上有森林植被的观点。另外,在沙漠/黄土过渡区的全新世糜地湾剖面和孟家湾剖面同样没有森林生长。虽然人类活动对黄土高原的植被有重要影响,但是现今黄土高原塬区乔木植物的缺乏,不存在森林原因,并非是人类活动的直接结果,而是由其自身的自然环境决定的。在半干旱、半湿润地区,大气降水及土壤水分条件是决定植被类型的主要因素,而后者是直接的主导因子。黄土高原大部分地区年降水量为400～600mm,但分布极不均匀,6—8月的降水量占全年降水的40%～60%,年蒸发量达1000～1400mm。黄土高原地域辽阔,地貌形态多种多样,造成了塬区、丘陵及沟谷区水、热、空气运动和土壤水分极大的差异,导致黄土高原植被既具有地带性特征,又具有非地带性特征,同一植被带的植被状况并不相同。张信宝等指出,半干旱地区不同岩土组成的坡地,其土壤水分对植被类型有很大的影响,黄土高原森林的分布与黄土厚度有很大的关系,现有森林均分布于基岩山地和黄土厚度小于50m的黄土区。黄土高原塬区黄土属厚层细粒土,具有低容重、高孔隙度、大比例毛细空隙等特征,田间持水量高,水分不易入渗,下渗的降水主要存储在浅层土体内。高蒸发量及植物的蒸腾作用基本可以耗尽储存在浅层土体中的水分。由于黄土高原塬