东营港附近海域植硅体特征及其古环境指示意义

南学良，杜 军，李培英，刘世昊，李 平

（国家海洋局 第一海洋研究所，山东 青岛266061）

植硅体是植物通过根系把土壤中的硅经过维管束传送到植物细胞内腔或细胞之间不断沉淀形成的水合硅，最终以难溶的微晶型硅酸颗粒存在于植物体内［1］。植硅体的直径从一微米到几十微米不等，不同种属植物来源的植硅体在形态上也各有差异［2］。植硅体能在一定的程度上记录植物细胞的形态，通过不同的植硅体组合可以恢复研究区的古环境［3］。另外，植硅体可以在氧化环境中较好的保存，因此，植硅体的形态组合经常被用于古环境重建、考古和古生物学等研究领域［4－11］，对于研究古环境和古地理形态有重要意义。

东营港附近海域是我国第二大油田——胜利油田主产区，油气资源丰富，具有良好的开发远景。第四纪以来，研究区历经多次海、陆交互作用，对古环境及气候变化较为敏感。本文以东营港附近海域GYDY钻孔地层中发育的植硅体作为主要研究对象和古环境气候变化的替代性指标，对植硅体特征所反映的古环境气候的演化过程进行研究，对于研究区海域地层划分和对比，地壳演化研究以及矿产资源成因和探测都有指导意义。

1 材料与方法

GYDY钻孔岩芯是国家海洋局第一海洋研究所2012－08在现代黄河口西北侧约45km处，东营海港东北约15km处（119°09′E，38°42′N）使用XY－2型钻机连续取芯所得，以国家85高程为基准，孔口高程为－10.55m，最大取芯深度40.2m，取芯率82.17%。由于所取样品在31m以下有扰动，因此选取上31m为主要研究对象。钻孔位置如图1所示。

1.1 植硅体的提取与鉴定

GYDY钻孔岩芯每20cm间隔取样，部分层位加密取样。通过分析从地层中提取植硅体的方法［12－15］，总结出从海域钻孔地层中提取与鉴定植硅体的具体过程。

图1 GYDY钻孔位置Fig.1 Geographic position of GYDY core

提取植硅体时，将1g样品放入试管中低温烘干，并加入体积分数为10%稀盐酸，用超声波振荡仪震荡试样使黏粒完全分散；然后加入蒸馏水，离心处理15min，以清洗盐酸，待样品沉淀完全后，倒出上清液；再加入纯硝酸，水浴加热，待溶液澄清时，说明有机质去除完全，在试管中加入蒸馏水，离心处理，倒掉上清液，重复操作2～3次，以洗去多余的硝酸；接着在试管中加入剩余液体体积2倍的2.3g／cm3的重液，搅拌均匀后离心处理20min，将上层液倒入相应的试管中；并在重液试管中加入蒸馏水，离心处理，去除上清液，重复多次，直至含植硅体的溶液呈中性，再用无水乙醇离心清洗一次，保留最终溶液。

植硅体制片鉴定时，将含有植硅体的最终溶液振荡均匀，每个载玻片滴液2～3滴，酒精灯均匀加热，待乙醇蒸发后，滴上1～2滴中性树胶，盖上盖玻片，制成固定片。将制片在MOTIC 2.0生物显微镜下鉴定统计样品，各样品植硅体鉴定个数如图2所示。

图2 植硅体数量在剖面中的分布Fig.2 Distribution of phytolith amount in the peat profile

1.2 样品测年分析

美国贝塔分析实验室（Beta Analytic Inc）对选取的10份代表性样品做了AMS14C测年分析，并将其做了年龄校准，所得结果如表1所示。

表1 GYDY孔测年结果Table 1 Dating results for GYDY core

利用SPSS软件对测年数据做线性回归分析，建立测年数据与取样深度的线性关系（图3），所建立线性关系为：

然后利用内插法得出由植硅体组合所划分各层面的估计年龄，即按东营港海域GYDY孔不同时间区间内沉降速率的不同获得所划分的不同地层的估计年龄，对所划分的不同地层加以具体的断代。

图3 测年数据线性关系图Fig.3 Liner relationship between the dating data and sample＇s depths

2 结果分析

2.1 植硅体组合特征及指示

植硅体具有分类学上重要的形态差异，并且生产量巨大［16］，在一定程度上可以代表来源物种的种属，进而利用植物的种属对环境的要求可以较为理想地恢复出古环境情况。

禾本科植物植硅体中，光滑棒型和尖型大多来自于草本植物的表皮细胞，可以代表寒冷气候；帽型和齿型主要来自早熟禾亚科，也是代表寒冷气候的主要植硅体类型；哑铃型、十字型、多铃型主要来自于禾本科中的黍亚科，常作为温暖气候的植硅体指示类型。

木本植物植硅体中，棱条型、方块型、团块型大多源于高大乔木，常作为温暖气候的代表类型；突起棒型、凹槽棒型和星型主要来源于低矮的阔叶灌木，用于指示温暖气候的类型；鞍型、扇型、三棱棒型、光滑片型和环状植硅体源于湿润环境下的植物。其中，鞍型和扇型来源于芦苇；三棱棒型来源于蕨类植物；海绵骨针是海绵的硅化骨骼；光滑片型和环状植硅体的来源植物推测可能是一些水生植物。具体如表2所示：

表2 不同植物类型植硅体形态的气候指示［12，17］Table 2 Different types of plants form phytoliths and its climate indicators［12，17］

东营港GYDY孔共鉴定植硅体16 785个，样品植硅体平均鉴定数量为182个。植硅体分析结果显示，该剖面中植硅体含量丰富，主要包括平滑棒形、齿形、帽形、尖形、刺状棒形、长方形、正方形、扇形、鞍形，含有少量的哑铃形、多铃形、不规则多边形、不规则齿轮状、三棱柱形（图4）。

图4 GYDY钻孔典型植硅体形态Fig.4 Phytoliths morphologic types in GYDY core

通过东营港GYDY孔植硅体百分含量变化曲线及有序聚类分析结果（图5），将研究钻孔分为4个组合带，各带的植硅体组合特征：

1）组合带IV（31.0～19.4m，36.17～19.50ka BP）

此组合带中，仅有植硅体302个，存在较多的植硅体缺失情况，只有20.00和25.21m处发现植硅体，也就是说在此组合带存在两段植硅体空白区域。这一阶段的植硅体组合中，草本植物类型植硅体百分含量优势明显，占了73.9%，也说明这是一个草本植硅体大区。其中，组成比例为尖形51%～53%，平滑棒形10%～12%，刺状棒形3%～5%，帽形3%～7%，齿形1%～2%。整体上，示冷植硅体百分含量从71%增加到79%，示暖植硅体百分含量从29%降到21%。由于温暖指数可用于反映植硅体组合与温度之间的关联性［18］，在此区域，温暖指数从0.3变化到0.2。这种植硅体组合特征说明此阶段气候寒冷而且干旱。

2）组合带Ⅲ（19.4～12.7m，19.50～8.16ka BP）

此组合带中，有植硅体3 009个，草本植物植硅体百分含量为74.13%，较组合带VI有所增加，尖形百分含量仍为最高，但有所减少，扇形、哑铃形、平滑棒型、刺状棒形都有不同程度增加，发现了鞍形和三棱柱形植硅体。组成比例为尖型35%～64%，刺状棒形2%～20%，平滑棒形6%～29%，扇形2%～22%，正方形3%～17%，鞍形0～3%，三棱柱形0～3%。草本植物类型植硅体百分含量有所增加，从73.9%增加到74.1%，百分含量最高可达96.7%，表明在此组合带草本植物仍为优势种；木本植物类型植硅体百分含量下降明显，从18.4%到12.8%，百分含量最高可达28.3%；湿生植物类型植硅体百分含量增加，以扇形、鞍形为主，最高可达12.5%。温暖指数的变化范围为0.1～0.4，说明在此阶段气候变化幅度较大，存在剧烈的气候变化过程。在这一阶段，深度为12.9m大约10ka BP时示冷植硅体百分含量为97.8%，达到全孔最大，确定此时可能受到新仙女木事件的影响［19］，以示冷植硅体为主。也就是说，在此阶段，研究区古气候虽有多次波动，但仍存在一个从温暖向急速降温再缓慢回升的过程。

3）组合带Ⅱ（12.7～2.9m，8.16～5.90ka BP）

此组合带中，有植硅体10 163个，草本植物植硅体较组合带Ⅲ有所增加，达到76.7%，木本植物植硅体较组合带Ⅲ也有增加，湿生植物植硅体下降幅度最大，百分含量从13.21%下降到9.36%。尖形植硅体百分含量仍为最高，但较组合带Ⅲ下降3%。平滑棒形、刺状棒形、长方形、鞍形和三棱柱形都有所增加，增加程度不太明显，扇形、齿形和不定形都略有降低。其中，组成比例为尖形27%～57%，刺状棒形0～17%，平滑棒形3%～36%，扇形2%～16%，长方形2%～24%，正方形0～8%，哑铃形0～3%，帽形2%～13%，鞍形0～11%。草本植物类型植硅体百分含量的变化范围为55%～90%，说明草本植物植硅体仍然为优势物种，木本植物植硅体百分含量从12.79%增加到13.97%，说明木本植物数量有所增加，而在此组合带中湿生植物植硅体百分含量下降了3.85%，说明此阶段气候不利于湿生植物发展。温暖指数的变化范围为0.09～0.40，研究区古气候先缓慢降温，然后通过多次冷暖波动后趋于稳定。从整体来看，该阶段研究区古气候以温暖为主。

4）组合带Ⅰ（2.9～0.0m，5.90ka BP）

此组合带中，有植硅体2 912个，是植硅体最丰富的组合带，植硅体百分含量最高的仍为草本植物，百分含量比其他组合带都高，达到78.9%；木本植物类型植硅体减少较多，百分含量比其他组合带均低，达到11.85%，湿生植物类型植硅体较组合带Ⅱ下降不太明显。尖形植硅体百分含量为37.37%，较组合带Ⅱ下降明显，但仍为最高；刺状棒形、长方形、扇形、齿形和三棱柱形均有下降，未发现不规则齿轮形；平滑棒形、哑铃形、帽形和鞍型均有增加；不定形较组合带Ⅱ变化不大。百分含量组成比例为尖形32%～50%，扇形2%～13%，长方形2%～12%，正方形0～7%，哑铃形0～3%，多铃形0～2%，帽形2%～13%，鞍形0～11%，齿形0～3%，不规则多边形1%～10%。草本植物类型植硅体百分含量为65%～89%，木本植物类型植硅体百分含量为4%～27%，湿生植物类型植硅体百分含量为5%～17%。温暖指数的变化范围为0.09～0.30，说明整体区域比组合带Ⅱ带气候有所变冷。

图5 植硅体百分含量图示Fig.5 Percentage of different type phytoliths in sediments

2.2 古环境降温事件的对比

基于对不同植硅体组合特征的分析，引入青海湖孢粉总浓度［20］、古里雅冰芯δ18O［21］与植硅体温暖指数进行对比，以确定研究区古环境降温事件［22］。植硅体温暖指数是用示暖型植硅体在植硅体中所占比例来表示，利用温暖指数＝示暖型植硅体／（示暖型植硅体＋示冷型植硅体）进行定量计算［17］。GYDY孔中示暖型植硅体包括扇形、长方形、正方形、哑铃形、多铃形、鞍形和三棱形；示冷型植硅体包括刺状棒形、平滑棒形，齿形，尖形、帽形、不规则多边形和不规则齿轮形。通过计算得到GYDY孔植硅体温暖指数，并与青海湖孢粉总浓度及古里雅冰芯δ18O的比较，结果如图5所示。

图6 GYDY孔植硅体温暖指数、青海湖孢粉总浓度及古里雅冰芯δ18 O的比较Fig.6 Comparisons of phytoliths in the GYDY core，Pollen concentration in the Qinghai Lakeδ18 O values in the Guliya ice－core

由图可知，新仙女木事件、9～10ka降温事件和6～7ka降温事件这3次全球性的冷事件在东营港GYDY孔植硅体温暖指数曲线上均有显著体现。

新仙女木事件，在东营港GYDY孔植硅体温暖指数表现非常明显，降温幅度大。青海湖孢粉总浓度所呈现的新仙女木事件最大冷峰大致出现于12.8ka，古里雅冰芯中记录的最大冷峰出现于12.0ka，GYDY孔植硅体温暖指数中反映该事件冷峰出现于12.7ka，3个地区不同指示方式对新仙女木事件的表现相差不大。

9～10ka降温事件在东营港GYDY孔和青海湖地区表现更为明显，降温幅度较大，发生时间比较一致，最大冷峰在9.4ka左右出现。古里雅冰芯记录的该事件降温幅度较小，持续时间也很短。

对6～7ka降温事件而言，东营港GYDY孔植硅体温暖指数所呈现的最大冷峰出现在6.4ka，古里雅冰芯最大冷峰出现在6.2ka，青海湖孢粉总浓度最大冷峰出现在7.0ka左右，也就是说，青海湖孢粉总浓度对该事件表现更强烈，不仅发生时间较早而且降温幅度也较大。

通过对比分析东营港GYDY孔植硅体温暖指数与青海湖孢粉总浓度、古里雅冰芯δ18O对3次降温事件的响应，可以看出，东营港GYDY孔植硅体对3次全球性降温事件的响应都比较明显，发生时间与青海湖孢粉总浓度和古里雅冰芯δ18O较为接近。

3 结论

东营港GYDY孔中植硅体类型丰富，草本植物类植硅体百分含量占76.4%、木本植物类植硅体百分含量占13.5%、湿生植物类植硅体百分含量占10.1%。依据植硅体的不同组合特征，利用有序聚类分析法将整个剖面划分为4个组合带，来指示4个不同的气候演化过程。也就是说，东营港GYDY孔植硅体组合揭示出在东营港地区古环境经历了干冷－变暖－湿润温暖－温凉的变化过程。

通过验证东营港GYDY孔植硅体对环境的指示，选取青海湖孢粉总浓度和古里雅冰芯δ18O与东营港GYDY孔植硅体进行对比研究，可以看出东营港GYDY孔植硅体对新仙女木事件、9～10ka降温事件和6～7ka降温事件这3次全球性降温事件都有很好的指示，因此，东营港GYDY孔植硅体对古环境的指示较为准确，可作为该海域古气候变化新指示性指标。

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