中国黄土高原洛川剖面S5以来的孢粉学记录

张 立 原

中国科学院地质与地球物理研究所，北京 100029

中国黄土高原洛川剖面S5以来的孢粉学记录

张 立 原

中国科学院地质与地球物理研究所，北京 100029

中国黄土-古土壤序列记录了距今约2.6 Ma以来的环境变迁。孢粉作为恢复植被演替的敏感指标，被广泛用于古植被重建，但是针对高原中部地区长时间尺度植被演替历史的孢粉学研究还较缺乏。通过对黄土高原洛川剖面S5以来的黄土-古土壤序列开展较高分辨率的孢粉学工作，揭示出该区约0.6 Ma以来的植被演化历史。孢粉谱分析表明，洛川地区0.6 Ma以来以温带草原植被为主，不支持塬区历史时期存在大范围落叶阔叶林的观点。现代黄土高原缺少森林植被主要是由自然原因引起，因此塬区的现代生态恢复应以退耕还草为主。

孢粉；黄土-古土壤序列；S5；古植被；古气候

0 引言

中国黄土高原作为一个独特的地质单元，其近乎连续发育的黄土-古土壤序列记录了距今约2.6 Ma以来自然环境变迁的过程[1-2]。诸多古气候替代性指标如粒度、磁化率、碳氧同位素、植物硅酸体、蜗牛化石等曾被广泛地用于古气候信息的提取。植被变迁对气候变化的响应非常敏感，但是有关黄土高原植被演替历史的研究程度依然较低。现在还不确定大范围的落叶阔叶林是否曾经存在于黄土高原之上，草原植被是否是黄土高原的顶级群落也有待进一步澄清。

图1 黄土高原及采样点地理位置示意图Fig. 1 Location of the Chinese Loess Plateau and the sampling site

保存在黄土、古土壤中的花粉是对高原植被变迁及环境变化的直接记录。由于黄土中的花粉较难保存[3]和提取，尽管长时间尺度的孢粉学工作已有报道[4-15]，但是研究区域仅限于黄土高原西部地区，黄土高原中部地区高分辨率的植被及环境变迁资料亟待充实。洛川黄土-古土壤剖面位于黄土高原腹地，地层连续性好、古气候信息记录全面[1]，是开展古环境研究最具代表性的剖面。因此笔者选择洛川剖面中更新世以来的沉积物开展孢粉学工作，旨在重建黄土高原中部地区较长时间尺度的古植被及古气候演化历史，同时为高原水土流失地区的植被恢复提供理论指导。

1 研究区概况

洛川黄土塬位于黄河中游、黄土高原中部地区(图1)，是以中生代盆地为基础，历经燕山和喜马拉雅运动的影响，在中新生代长期剥蚀的准平原上发展起来的大型黄土沉积盆地[1]。洛川剖面位于陕西省洛川县京兆乡坡头村附近(35.7°N, 109.4°E)。整个剖面厚约130 m，出露33层黄土和32层古土壤，下伏约10 m厚的上新世红黏土(未见底)，基底为三叠纪砂页岩[1]。

研究区现代气候属暖温带半湿润半干旱大陆性季风气候。年均气温9.2 ℃，年均降水量621.6 mm，全年最大蒸发量1637.5 mm[16]。现今植被具有如下特点：低山丘陵上覆有保存尚好的次生森林，主要树种有辽东栎(Quercusliotungensis)、油松(Pinustabulaeformis)、山杨(Populusdavidiana)、白桦(Betulaplatyphylla)、侧柏(Platycladusorientalis)等；沟壑坡地可见长芒草(Stipabungeana)、茭蒿(Artemisiagiradii)等草原植被，伴生狼牙刺(Sophuoraviciifolia)、酸枣(Zizyphussativavar.spnosus)等落叶灌丛；塬面则多被开垦为农田，种植小麦、玉米、糜子、谷子、高粱、豆类等；散生在塬上的栽培树种有苹果(Maluspumila)、胡桃(Juglansregia)等[17]。

2 材料与方法

孢粉样品采自剖面顶部至S5底部地层，沉积厚度约为41 m，以20～50 cm间距采集样品123 块。据黄土天文调谐时间标尺[18]可知，采样地层为约0.6 Ma以来的沉积。实验室分析选取风干样品200～250 g，先以质量分数为36%的HCl去除碳酸盐，洗至中性后加入质量分数为7%的K2CO3溶液去除有机质，再次洗样至中性后过筛(筛网孔径为10 μm)，收集样品至离心管后进行ZnCl2重液浮选，最后收集样品并甘油保存，制片后开展显微镜下鉴定。部分孢粉底样杂质较多，通过加入过量38%的HF方式去除硅酸盐。所有孢粉学实验均在中国科学院新生代地质与环境重点实验室完成。

3 孢粉记录

洛川剖面共有93个样品孢花粉统计数量达到100粒以上(蕨类孢子和藻类不在统计范围之内)，分属109个科属，其中绝大多数属于黄土高原现有的温带植物：乔木花粉主要有槭属(Acer)、臭椿属(Ailanthus)、桦属(Betula)、鹅耳枥属Carpinus)、榛属(Corylus)、栎属(Quercus)、柏科(Cupressaceae)、云杉属(Picea)、冷杉属(Abies)、松属(Pinus)、榆属(Ulmus)、柳属(Salix)、胡桃属(Juglans)、椴属(Tilia)、白蜡树属(Fraxinus)、木犀科(Oleaceae)等；灌木花粉主要有麻黄属(Ephedra)、蔷薇科(Rosaceae)、胡颓子属(Elaeagnus)、白刺属(Nitraria)、卫矛属(Euonymus)等；草本植物花粉则主要来自蒿属(Artemisia)、菊科(Compositae)、藜科(Chenopodiaceae)、禾本科(Gramineae)、毛茛科(Ranunculaceae)、十字花科(Cruciferae)、蓼科(Polygonaceae)、豆科(Leguminosae)、葎草属(Humulus)、石竹科(Caryophyllaceae)、虎耳草科(Saxifragaceae)、唇形科(Labiatae)等；蕨类植物孢子主要有水龙骨科(Polypodiaceae)、卷柏属(Selaginella)、里白属(Hicriopteris)等。少数花粉代表跨越温带和亚热带的植物，如漆树属(Rhus)、栗属(Castanea)等。此外，还见有淡水藻类环纹藻(Concentricystes)、双星藻(Zygnema)等。

自S5底部向上无论是黄土层还是古土壤层均以草本植物花粉为主(图2)，尤其是蒿属、藜科、葎草属、禾本科花粉占据显著地位。木本植物花粉中，松属和桦科(Betulaceae)花粉在多数层位出现，含量相对丰富。花粉含量(花粉数分数)反映的是各类花粉数量的相对变化。而在我国西北地区，花粉浓度更代表了植物生长的水分条件。洛川剖面孢花粉浓度随地层深度变化明显。在S0和S1阶段，花粉总浓度呈现高值；自S1向下，花粉总浓度显著减小。湿生环纹藻浓度在S1和S2阶段呈现高值。

根据孢粉谱信息，将洛川剖面从下至上划分为5个孢粉组合带(图2)。

Ⅰ带(距顶部41.0～28.4 m) 本带植物花粉浓度较低，花粉总浓度为3.56～32.09 粒/g，平均为8.32 粒/g。本带以草本植物花粉占优势(74.55%～96.64%)，主要花粉类型为Artemisia(27.27%～61.46%)、Humulus(0%～36.80%)、Chenopo-diaceae(8.33%～25.71%)和Gramineae(0.87%～23.33%)。乔木花粉含量为0～18.18%，平均为6.26%。主要乔木花粉种类是Pinus(0%～3.77%)和Betulaceae (0%～3.74%)。

Ⅱ带(距顶部28.4～11.7 m) 本带植物花粉浓度较上带有所升高，花粉总浓度为0.68 ～40.99 粒/g，平均为10.11 粒/g。本带中部(对应S2 阶段)环纹藻连续出现，其最高浓度达到28.74 粒/g。本带仍以草本植物花粉占优势(85.71%～100%)，主要花粉种类是Artemisia(25.20%～81.13%)、Humulus(1.89%～42.20%)、Chenopodiaceae(5.46%～32.04%)和Gramineae(0%～13.86%)。乔木花粉含量较Ⅰ带有所减少(0%～7.34%)，平均为2.86%。主要乔木花粉种类是Pinus(0%～2.97%)。

Ⅲ带(距顶部11.7～9.5 m) 本带花粉总浓度较之前各带明显增大，为63.36 ～453.20 粒/g，平均为202.80 粒/g。环纹藻也突然连续大量出现，浓度最高达63.03 粒/g。本带以草本植物花粉占优势(86.0%～92.07%)。主要花粉种类是Artemisia(23.33%～57.27%)、Humulus(0.47%～22.17%)、Chenopodiaceae(0.88%～8.33%)和Gramineae(1.42%～10.29%)。乔木花粉含量增多(7.05%～12.26%)，平均为10.37%。主要乔木花粉类型是Betulaceae (0.88%～10.89%)和Pinus(0%～7.55%)。本带花粉总浓度较之前各带明显增大，环纹藻亦有连续大量出现。

图3 洛川剖面总有机碳质量分数、花粉浓度以及蒿/藜随深度变化图Fig. 3 The TOC、pollen concentration and A/C of the Luochuan section

Ⅳ带(距顶部9.5～1.6 m) 本带花粉总浓度较上带明显减小，为21.83 ～270.88 粒/g，平均为67.09 粒/g。本带以草本植物花粉占优势(65.45%～98.51%)。主要花粉种类是Artemisia(16.83%～57.14%)、Compositae(1.82%～50.50%)、Gramineae(1.79%～30.0%)和Chenopodiaceae(0.75%～11.54%)。乔木花粉含量为1.49%～32.73%，平均为10.87%。主要乔木花粉有Pinus(0%～15.31%)、Fagaceae (0%～9.09%)、Betulaceae(0%～10.89%)和Cupressaceae(0%～12.73%)。本带花粉总浓度较Ⅲ带明显减小。

Ⅴ带(距顶部1.6 m至顶部) 本带花粉总浓度较上带明显增高，为15.69～488.77 粒/g，平均为158.16 粒/g。

本带以草本植物花粉占优势(69.34%～93.33%)。主要花粉种类是Artemisia(0.81%～48.89%)、Chenopodiaceae(2.22%～50.41)、Gramineae(5.19%～21.57%)和Compositae(1.42%～17.65%)。乔木花粉含量为6.67%～25.0%，平均为18.74%。主要乔木花粉是Cupressaceae(0.94%～11.76%)、Pinus(0.94%～8.94%)和Castanea(0.81%～3.77%)。本带的植物花粉总浓度较Ⅳ带明显增高。

4 讨论

4.1 花粉浓度在S1之下骤减的原因

由图2显示，洛川剖面花粉总浓度在S1之下骤减。为了查明原因，笔者对所有孢粉样品分别取样1 g进行总有机碳(TOC)含量(质量分数)测试。结果显示，剖面TOC质量分数整体偏低，平均为0.22%。由图3可知，TOC质量分数随深度增加呈现和花粉浓度大致相当的变化趋势，也表现为自S1向下，TOC质量分数急剧减小。因此认为，洛川剖面的花粉浓度降低可能与长期地质埋葬导致的有机质降解有关。

虽然针对黄土-古土壤序列0.6 Ma以来的连续地层孢粉浓度研究仅见于甘肃省朝那剖面[14-15]，但是同样问题于朝那地区亦有体现，其花粉浓度表现为自L2底部向下快速降低。另外，孙湘君等[19]对渭南剖面S1以来的黄土沉积序列的研究亦指出，S1-1以上样品均含孢粉，而之下所有样品均不含孢粉。因此笔者疑问，长尺度的黄土序列中花粉浓度的降低是否为普遍现象？这种与气候变化相关性不明显的花粉浓度降低是否与埋葬介质有关？

不同的花粉沉积环境会导致不同的降解过程发生[20]。相较其他破坏方式而言，孢粉更容易被氧化作用破坏[21]。对洛川黄土中Eh值的测定表明，黄土的Eh值为420～470 mV[1]，反映了氧化环境，且古土壤中的Eh值略高于黄土层。另外，花粉浓度随土壤的pH值升高呈指数形式递减，pH值7.6以上，花粉浓度迅速降低[22]。洛川剖面pH值变动于7.5～8.6，属弱碱性介质条件，且黄土层pH值高于古土壤层[1]。因此笔者认为，洛川剖面自S1向下花粉总浓度的急剧降低与孢粉长期处于氧化及碱性环境难以保存有关。此外，黄土的大孔隙度使得空气和水分流通较好，氧化作用促使微生物侵蚀孢粉，使得原本耐酸碱的孢粉壁易溶于弱碱[20]，孢粉的保存随着时间推移而破坏程度加剧。可以推断，这种与气候变化相关性不明显的花粉浓度降低与埋葬介质有关。另外笔者发现，孢粉参数蒿藜比(A/C)也大致呈现和花粉浓度相似的变化趋势(图3)。S2之下，A/C并未像其他孢粉参数一样随深度变化呈现明显变化。可见，A/C值同样受到了孢粉保存的影响。

据以上分析可知，洛川剖面自S1向下的黄土和古土壤层的孢粉浓度所反映的植被盖度可能与真实的植被盖度存在差异。孢粉浓度受保存介质影响，以往通常认为“孢粉浓度在干旱、半干旱地区对生态环境变迁有良好指示意义[11]”的观点并不完全适用于长时间尺度的黄土序列研究。同样，孢粉参数A/C也不适合单独用作长时间尺度的黄土序列古气候研究指标，而是要与其他指标综合对比。

4.2 孢粉谱显示黄土高原历史时期缺少森林植被的原因

风力是黄土高原花粉传播和搬运的主要途径。洛川剖面黄土的粒度组成显示，0.01～0.05 mm粒级的体积分数一般为40%～60%[1]，而孢粉颗粒直径通常为0.01～0.20 mm。古土壤发育期洛川沉积物粒径以<0.016 mm为主[1]，风力搬运强度和速率较低，除具气囊的裸子植物花粉外，大部分花粉为原地沉积或者近距离沉积。本文分析表明，古土壤层的孢粉组成以草本植物花粉占绝对优势，说明即使在水热条件相对较好的古土壤发育期，黄土高原依然是以草本植物为主。

在中国干旱、半干旱地区，与温度相比，大气降水或者有效湿度对生态环境影响更强烈，决定着植被覆盖的密度以及林线的海拔高度。在洛川地区，虽然间冰期较为温暖湿润，但是与森林植被相比，温度和季节性降水更为C4草本植物提供了有利的生存条件，另外，土壤结构也是控制当地植被类型的一个重要因素，它决定了土壤的水分条件。首先，黄土塬区黄土属厚层的细粒土，具有低容重、高孔隙度、大比例毛细空隙等特点，水分下渗容易但是持水能力很差；其次，黄土高原地区的蒸发作用强烈，高蒸发量及植物的蒸腾作用基本可以耗尽贮存在浅层土体中的水分。由于塬区土层厚实，地下水埋藏较深，乔木生长需水量大，根系难以到达地下水补给深度。如此的环境条件只适合草本植物生长而不适合乔木成林。因此，尽管人类活动改变了黄土高原的自然面貌，但是森林发展受限应该更多地归因于自然生态的限制。

4.3 黄土高原生态恢复原则

黄土高原地域辽阔，地貌形态多样，造成了塬区、丘陵区及沟谷区水、热、空气运动和土壤水分的极大差异。因此，生态恢复必须区分不同地理、地貌单元的环境状况，遵循植被地带性分布规律和植被演替规律。沟谷区由于大量黄土被侵蚀，黄土层相对较薄，地下水位不深，并且有河流等提供地下水调剂，乔木可以获得足够生存的水分条件，可以植树造林。但是，洛川剖面孢粉记录显示，0.6 Ma以来黄土高原中部地区整体植被面貌以草本植物为主，因此，依据孢粉学地质记录，黄土塬区的生态恢复仍然应以退耕还草为主。

5 结论

通过对洛川剖面0.6 Ma以来的风成沉积物的孢粉学研究表明：

1)无论是黄土层还是古土壤层均以草本植物花粉为主，古植被发展总体表现为温带草原植被景观，未识别出大范围的落叶阔叶林存在的信息。

2)剖面孢花粉浓度自S1向下显著减小，这一现象主要与成壤过程中埋葬环境的有机质降解有关。

3)现代黄土高原塬区森林植被覆盖率低主要受土壤结构、温度、季节性降水等多种自然因素影响，因此现代生态恢复应以退耕还草为主。

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Palynological Records from the Luochuan Section of the Chinese Loess Plateau Since S5 Stage

Zhang Liyuan

InstituteofGeologyandGeophysics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100029,China

The loess-paleosol sequence in northwest of China is considered as one of the most continuous continental records since the last 2.6 Ma. Pollen, a direct recorder for vegetation change, has been widely used to reconstruct paleovegetation. However, the pollen record of long time scale especially in the central Chinese Loess Plateau has not been well studied. In this study，we preliminarily focus on the palynological records of the loess-paleosol sequence at Luochuan and aim to understand the vegetation evolution spanning the last 0.6 Ma in this region. The palynological results show that the grassland has been dominant vegetation in the Luochuan area since 0.6 Ma. The present steppe environment on the loess plateau is mainly caused by natural conditions. Therefore, the restoration and reconstruction of ecosystem on the loess plateau area should be focused on planting grassland rather than forests. These discoveries provide a solid theoretical foundation for revegetation of “Yuan” region, and have significant practical significance.

pollen; loess-paleosol; S5; paleovegetation; paleoclimate

10.13278/j.cnki.jjuese.201401118.

2013-06-18

国家自然科学基金项目(41004023，41272202)

张立原(1976-)，女，博士，主要从事新生代孢粉环境学研究，E-mail:zhangliyuan@itpcas.ac.cn。

10.13278/j.cnki.jjuese.201401118

Q914.81

A

张立原.中国黄土高原洛川剖面S5以来的孢粉学记录.吉林大学学报:地球科学版,2014,44(1):222-229.

Zhang Liyuan.Palynological Records from the Luochuan Section of the Chinese Loess Plateau Since S5 Stage.Journal of Jilin University:Earth Science Edition,2014,44(1):222-229.doi:10.13278/j.cnki.jjuese.201401118.