黃土高原南緣塬區植被恢復與重建的孢粉記錄

通過對黃土-古土壤中的高分辨率硫醇粉研究，可以恢復洛杉磯高原的植被狀況，為洛杉磯高原未來生態環境的改善和植被重建提供直接的生物學證據，并為制定“山川美工程”政策和措施提供依據。黃土高原(圖1)位于33°43′～40°16′N、100°45′～114°33′E,總面積約4.4×105km2,地勢西北高而東南低,年平均氣溫2.2～15℃,年降水量150～700mm,氣溫和降水均由東南向西北逐漸減少。由于黃土性疏松,富含鈣質,易溶解于水,經流水長期侵蝕,在地域廣闊的黃土高原形成了特殊的地貌,其主體是以塬、梁、峁與其間的溝谷組成。劉東生、周昆叔等,孫湘君等、孫建中等、柯曼紅等、李小強等對不同地貌單元的黃土-古土壤序列開展了重要的孢粉研究工作。史念海、朱志誠等也從歷史地理和植物地理的角度,對黃土高原歷史時期和現代植被狀況進行了探討。由于從黃土中提取孢粉相當困難,黃土高原高分辨率的孢粉分析工作不多,已有的孢粉研究結果所顯示的塬區、溝谷區植被狀況在同一歷史時期差異很大,因此,對黃土高原的植被狀況,特別是全新世以來的植被與生態狀況有很大的爭議。本文研究了最新的遙感環境信息所恢復的黃土高原生態特征,更深入地認識黃土高原塬區和臺塬區現代植被狀況,在前人大量黃土研究工作的基礎上,選擇位于黃土高原南緣塬區的耀縣剖面,采用新設計的黃土篩濾分析方法,進行最近12000aBP高分辨率孢粉研究,對比其他有代表性的塬區剖面孢粉記錄,重建12000aBP以來黃土高原塬區的植被特征。1塬面為輕侵蝕、水土流失,植被覆蓋度低TM衛星影像圖顯示了關中平原和運城平原以北,包括西部的涇河黃土殘塬丘陵區的洛川塬、東部韓城至延長、大寧一帶的黃河兩側黃土塬和運城盆地北側的峨嵋臺塬以及關中平原北側淳化、耀縣、蒲城、合陽一帶的黃土臺塬區的環境狀況(圖2)。在涇河黃土殘塬丘陵地區,塬面上為輕度侵蝕,溝谷中則為中、強度侵蝕,植被以旱作農作物為主,洛川塬介于子午嶺、嶗山與黃龍山等低山之間,包括了陜西的富縣、洛川、黃陵和宜君等縣。塬面為輕度侵蝕,植被同樣以旱作農作物為主;而黃河峽谷韓城至延長段,地形破碎,塬面較小,水土流失嚴重,植被以低覆蓋度為主,最北部則為極低覆蓋度。在渭河以北黃土臺塬區和運城盆地以北峨嵋臺塬區,包括合陽西北部、澄城、蒲城和富平以及銅川市、耀縣和白水等地,同樣為旱作農業區,以水力微度侵蝕為主,植被覆蓋度中等。總之,黃土塬區和臺塬區已經不存在原生植被,目前是典型的旱作農業生態系統,水平分異明顯,生態環境的穩定性較差,當受到外界干擾時變化較大,恢復能力低。因此,重建歷史時期黃土高原的植被特征,不僅有助于了解植被和環境狀況,而且對于“退耕還林、草”等政策措施的實施具有重要意義。2土壤孢粉樣品的采集耀縣地區屬暖溫帶大陸性半濕潤氣候,年均溫12.3℃,年降水量554mm,耀縣剖面(35°56′N、110°10′E)位于陜西省耀縣城南1km的儒家堡(圖1),西安至銅川高速公路旁。露頭剖面包括S3古土壤底界以上23m的黃土-古土壤序列,上部全新世部分厚近4m,剖面描述如下:0～30cm全新世黃土,疏松,顆粒較粗,未見生物擾動。30～65cmS01古土壤。棕褐色,含大量白色CaCO3菌絲體。65～138cm全新世黃土,灰黃色,松散,大空隙,垂直節理發育。138～228cmS02古土壤。228～340cm全新世黃土。340～392cmS03古土壤。392cm以下L1LL1黃土。以4cm間距在耀縣剖面采集全新世黃土-古土壤樣品100個,共分析孢粉樣品67塊,TL測年樣品2個,在澳大利亞Wollongong大學TL實驗室完成年齡測定。由于黃土-古土壤處于通風的環境中,長期的氧化和CaCO3的淋溶作用使孢粉保存很困難。常規的黃土孢粉分析需要的樣品量大、周期長、成本高,孢粉獲得率低,高分辨率的孢粉工作很難開展。耀縣剖面67個孢粉樣品全部采用篩濾分析法,在德國Tuebingen大學地質與古生物系完成。篩濾孢粉分析儀主要由真空泵、集氣瓶、洗樣管、10μm篩網與聚水容器等組成,其結構簡圖見圖2。篩濾分析法為我們提供了一套從黃土-古土壤中提取孢粉的新途徑、新方法。它與常規的黃土孢粉分析相比,具有以下優點:(1)僅需樣品30～50g,大大降低了樣品的重量;(2)分析流程短,一個流程僅需3天左右;(3)孢粉丟失極少,幾乎不破壞孢粉的結構、紋飾,孢粉干凈、清晰。這種快捷、低成本的方法保證了高質量孢粉數據的獲得,提高了黃土孢粉研究的精度,為歷史時期黃土高原植被的重建提供了保證。3飛展沉積速率的計算耀縣剖面67塊孢粉樣品共統計出孢粉14948粒,每個樣品統計孢粉在200～400粒之間,大多在250粒以上。分屬于以下27個科屬:卷柏(Selaginella)、松屬(Pinus)、云杉屬(Picea)、冷杉屬(Abies)、杉科(Taxodiaceae)、樺屬(Betula)、櫟屬(Quercus)、榛屬(Corylus)、柳屬(Salix)、椴屬(Tilia)、胡桃屬(Juglans)、榿木屬(Alnus)、檉柳科(Tamaricaeae)、蒿屬(Artemisia)、藜科(Chenopodiaceae)、麻黃屬(Ephedra)、菊科(Compositae)、蓼科(Polygonaceae)、莎草科(Cyperaceae)、唐松草屬(Thalictrum)、莧科(Amranthaceae)、蘿摩科(Aschepiadaceae)、唇形科(Labiatae)、禾本科(Gramineae)、酸模(Rumex)、傘形花科(Umbelliferae)。包含了黃土高原大部分有代表性的科屬。年代標尺的建立是運用TL年齡確定地層層位,通過年代模式建立年代標尺。深度為104和280cm的兩個TL樣品的年齡分別為(2900±400)和(6600±700)aBP。計算控制點之間樣品點的年齡,建立剖面年代標尺的一種簡單模式是對控制點之間樣品點進行線性內插,對較高精度的研究而言,獲得沉積速率的代用指標是必要的。由于風成粉塵的粒度大小與沉積速率存在密切關系,它們之間的單調正相關關系已得到現代沉積學研究的證實。平均粒徑、中值粒徑及特征粒徑含量等粒度參數都可以作為沉積速率的代用指標。黃土高原南部的耀縣剖面,因成土作用較強,本文運用大于40μm粒徑數據進行年代標尺的建立。以粒度作為沉積速率計算年代控制點之間樣品年齡的公式如下:Tm=T1+(T2?T1)(∑i=1mA?1i)(∑i=1nA?1i)?1Τm=Τ1+(Τ2-Τ1)(∑i=1mAi-1)(∑i=1nAi-1)-1式中:Tm為某一測量面m的年齡;T1為開始的年齡控制點;T2為結束的年齡控制點(T1<Tm<T2);A為任一測量面大于40μm的含量(%);m為某一測面數;n為總測面數。根據實測年齡和公式推算出耀縣剖面為12000aBP以來的一套沉積,3.89m處為12000aBP,3.53m處為10000aBP,1.76m處大致為5000aBP,以67個分析樣品計,分辨率高于200年。耀縣剖面孢粉百分比圖譜(圖3)孢粉類型分布顯示,草本植物總量占全部孢粉總量的93.6%,而喬木植物總量僅占4.7%。最近12000aBP以來的孢粉組合以草本植物花粉為主,含量最高可達95%以上,喬木植物花粉含量很少,即使不扣除高產量松樹花粉對孢粉譜的影響,喬木植物花粉含量也僅有一個樣品達到38%(其中松屬占33%),一般均在20%以下。而代表溫暖、半濕潤氣候的落葉、闊葉喬木花粉僅在個別層段少量出現,最高含量3%左右,一般在1%以下。現代花粉研究表明,在無松樹情況下,也有松屬花粉存在,且其值可達23.5%～30%,這也就是說花粉組合中,30%以下松粉含量都可能是無松地帶;現今這些針葉或落葉、闊葉喬木分布在黃土高原的基巖山區及部分溝谷區。總的來看,最近12000aBP以來,黃土高原南緣塬區的植被演化大致可分為5個階段:(1)約12000～8800aBP(深度3.91～3.20m)出現多種類型的草本植物,以蒿屬、菊科占極大優勢,少量松屬和云杉、冷杉屬花粉,極少落葉、闊葉喬木,是以蒿屬植物為主的干草原,氣候溫和半干旱,地面干燥。(2)約8800～5300aBP(深度3.2～1.8m)以中生蓼屬及唇形科占絕對優勢,旱生、半旱生的蒿屬、藜科和麻黃屬等含量較低,個別榆、櫟、樺落葉、闊葉喬木孢粉和少量松屬孢粉,說明這一時段的氣候較前期干草原時期溫暖、濕潤。這一階段為全新世高溫期,植被屬于濕潤性草原。(3)約5300～2000aBP(深度1.8～0.9m)草本植物恢復到以蒿、菊科、藜以及麻黃等中、旱生植物為主,氣候又轉干。1.8～0.9m出現耐旱的藜科花粉峰值,最高含量可達40%,中生的蓼屬花粉等處于相對低值,一般在30%以下,蒿屬與藜科的比值在剖面中呈現最低值,植被特征表現為干旱的干草原。(4)約2000aBP(深度0.9～0.65m)中生的唇形科和蓼屬出現峰值,花粉含量可達60%左右,是一個短暫的濕潤時期,植被屬濕潤草原。(5)晚于2000aBP(深度0.65～0m)植被轉向以中、旱生灌木、草本植物占絕對優勢,出現零星的落葉、闊葉喬木植物花粉,是一個較典型的草原階段,表明環境又向較干的方向發展。因此,孢粉反映的近12000aBP以來黃土高原南緣塬區植被,主要經歷干草原—濕潤性草原—干草原—濕潤性草原—草原5個階段,植被均以草原植被為主,并未出現森林植被發育階段。4陰山塬區帶性植被主要集中于森林植被一些學者認為黃土高原處于暖溫帶半干旱、半濕潤氣候區,氣候條件適合森林生長。一些考古點和歷史文獻也有喬木或森林生長的記載,傾向于黃土高原歷史時期的植被以森林植被為主,認為目前黃土高原塬區缺少森林植被,在溝谷區有喬木植物小片成林現象,是人類活動長期破壞的結果。但考古點和歷史文獻的記載多為山區和谷地,如山西呂梁山、中條山、函谷關等。雖然一些黃土剖面如富平溫泉階地剖面、姚村剖面、藍田東城剖面以及蘭州黃土剖面,顯示出全新世有針葉林、針闊混交林及疏林草原等孢粉組合階段,但這些剖面地點存在于黃土高原的河谷階地或溝谷區,從黃土高原塬區孢粉、古土壤、有機碳同位素和植物硅酸體的研究來看,目前還沒有森林發育的記錄,因此,對于黃土高原不同區域的歷史植被狀況,有必要進行更為細致的劃分和研究。孫湘君等研究的渭南姜村剖面(34°24′N、109°30′E),屬黃土高原南緣塬區剖面,由于其位于渭河之南,自然條件優于耀縣,年均溫12℃,降水量600mm,屬溫暖、半濕潤氣候,地帶性植被應以暖性森林植被為主,但孢粉結果顯示出11800～2200aBP喬木花粉含量較少,整個時段不超過孢粉總量的25%,落葉、闊葉喬木花粉僅少量出現,是以蒿屬占優勢的蒿草草原,可能還有草甸草原存在。洛川剖面(35°49′N、109°30′E)位于黃土高原中部塬區,屬暖溫帶半濕潤氣候,年均溫9.2℃,年降水量可達621.7mm,孫建中等的研究指出,全新世以來的植被是以蒿、藜、菊為主的干草原。在洛川剖面以北,屬同一氣候區的陜西富縣塬區剖面(36°N、109°20′E),年均溫9℃,年降水量達600mm,植被為蒿、藜、菊占優勢的干草原。因此,從黃土高原塬區的姜村、洛川、富縣和耀縣4個剖面的植被狀況來看,黃土高原塬區全新世植被,即使在全新世氣候適宜期,也以灌木、草本植物占絕對優勢,呈現草原植被景觀,并無森林生長。郭正堂等用古土壤學方法對若干代表性地區全新世土壤的研究也表明,黃土高原全新世以草原植被為主。林本海等的有機碳同位素的研究也顯示出1.3Ma以來黃土高原塬面均以草本植物占優勢。植物硅酸體的研究也不支持全新世黃土高原塬面上有森林植被的觀點。另外,在沙漠/黃土過渡區的全新世糜地灣剖面和孟家灣剖面同樣沒有森林生長。雖然人類活動對黃土高原的植被有重要影響,但是現今黃土高原塬區喬木植物的缺乏,不存在森林原因,并非是人類活動的直接結果,而是由其自身的自然環境決定的。在半干旱、半濕潤地區,大氣降水及土壤水分條件是決定植被類型的主要因素,而后者是直接的主導因子。黃土高原大部分地區年降水量為400～600mm,但分布極不均勻,6—8月的降水量占全年降水的40%～60%,年蒸發量達1000～1400mm。黃土高原地域遼闊,地貌形態多種多樣,造成了塬區、丘陵及溝谷區水、熱、空氣運動和土壤水分極大的差異,導致黃土高原植被既具有地帶性特征,又具有非地帶性特征,同一植被帶的植被狀況并不相同。張信寶等指出,半干旱地區不同巖土組成的坡地,其土壤水分對植被類型有很大的影響,黃土高原森林的分布與黃土厚度有很大的關系,現有森林均分布于基巖山地和黃土厚度小于50m的黃土區。黃土高原塬區黃土屬厚層細粒土,具有低容重、高孔隙度、大比例毛細空隙等特征,田間持水量高,水分不易入滲,下滲的降水主要存儲在淺層土體內。高蒸發量及植物的蒸騰作用基本可以耗盡儲存在淺層土體中的水分。由于黃土高原塬