伊金霍洛旗楊家灣古土壤剖面古氣候分析

現在，中國每年減少2000公里和2公里的土地。究其成因,有的學者認為自然因素起主導作用,有的認為人類活動是誘導土地荒漠化的主要原因,更多的則認為是二者共同作用的結果。鄂爾多斯高原是我國土地荒漠化最為嚴重的地區之一,近年來的氣候干旱化、土地沙化、草場退化、物種多樣性簡單化等一系列生態問題日趨突出,不僅嚴重地阻礙著當地的經濟發展,而且成為沙塵暴的重要沙源,對周邊,特別是我國經濟比較發達的東部地區的經濟建設和社會生活構成了威脅。因此,研究鄂爾多斯環境變化和人類活動對生態環境的影響及其相互作用,對本區的經濟開發和生態環境的可持續發展具有重要的指導意義。1研究區的自然條件研究區位于鄂爾多斯高原東南部,行政區劃屬伊金霍洛旗、準格爾旗和東勝市。地貌多為有沙地分布的丘陵區,自東向西丘陵的相對高度逐漸降低,而沙地分布卻自東向西逐漸增多,直至伊金霍洛旗的西部,逐漸過渡為毛烏素沙地的一部分。氣候上,本區屬溫帶半干旱氣候,年均氣溫6°～6.5℃,年均降水量350～450mm,年均氣溫和年均降水量均是自東向西逐漸降低和減少,但溫度的空間差異比降水小。溫度的空間最大差值為其最大值的39%,而降水的則高達63%。研究區的植被特點是:東南邊緣為松(Pinus)、棗(Zizyphus)、杠柳(Periplocasepium)、榆(Ulmus)、側柏(Platycladusorientalis)與白羊草(Bothriochloaischaemum)、茭蒿(Artemisiagiraldi)、本氏針茅(Stipabungeana)群落交織而成的森林或灌叢草原,其余大部分地區為本氏針茅、百里香(Thymusmongolicus)組成的草原區,西部邊緣為沙地油蒿(Artemisiaordosica)組成的荒漠草原。研究區是鄂爾多斯高原自然環境條件相對較好的地區,因而也是人類活動比較集中的地區。東勝市的人口戶數密度最大,為>20戶/km2,準格爾旗的人口戶數密度為6～20戶/km2,伊金霍洛旗的人口戶數密度最小,為2～6戶/km2。牲畜的密度,準格爾旗多為100～120羊單位/km2,東勝和伊金霍洛旗多為80～100羊單位/km2。2植物花粉和喬木花粉楊家灣古土壤剖面(黑壚土)位于伊金霍洛旗中國科學院植物研究所鄂爾多斯沙地草地研究站東南3.6km處(39°28′08″N,110°09′92″E),海拔1219m,出露的厚度為2.38m,是毛烏素沙地迄今發現的最厚的一個裸露古土壤層剖面。該剖面的14C測年1)結果得到:底部(2.27～2.31m)為4200±95aB.P.,中下部(1.75～1.79m)為3780±65aB.P.,頂部(0～0.04m)為2380±65aB.P.,表明該古土壤剖面形成于大約4200～2400aB.P.。實驗室孢粉分析每隔2cm取一個樣品,樣品間的時間分辨率為15.6～16.1a。楊家灣古土壤剖面共取孢粉樣品115個,分析結果得出其孢粉百分比和孢粉濃度的變化(圖1,2)揭示了鄂爾多斯高原東部地區地理環境演變的3個不同時段:(1)4200～3550aB.P.(孢粉I帶)孢粉組合以蒿屬(Artemisia)為主(整個剖面均是以蒿為主,其百分比含量多在90%以上,所以下面討論孢粉組合變化時,重點討論其他植物的花粉百分比變化),還有一定量的藜科(Chenopodiaceae)、禾本科(Gramineae)、茄科(Solanaceae)、毛茛科(Ranunculaceae)、牛兒苗科(Geraniaceae)、草(Humulus)、紫菀(Aster)、唐松草(Thalictrum)、蒼耳(Xanthium)、石竹科(Caryophyllaceae)、旋花科(Convolvulaceae)、唇形科(Labiatae)、十字花科(Cruciferae)、豆科(Leguminosae)、蓼科(Polygonaceae)、蕁麻科(Urticaceae)、白刺(Nitraria)等花粉和少量喬木花粉,如松(Pinus)、冷杉(Abies)、胡桃(Juglans)、榆(Ulmus)、柳(Salix)、槭(Acer)、樺(Betula)、楊(Populus)和柏科(Cupressaceae)等,特別是在剖面的1.8m(約3780aB.P.)處,喬木花粉不僅百分比含量達50%以上,其花粉濃度也較高,表明這一時期在土壤水分較好的地方有針闊葉混交林生長。目前在鄂爾多斯的最東部,年降水量達400～450mm的邊緣地帶尚有殘存的針闊混交林喬木樹種。楊家灣古土壤剖面位于毛烏素沙地的東部,年降水量不足350mm,也就是說,與3780aB.P.相比,現在的森林線向東位移了120km,當時的年降水量比現在多100mm左右,約為450～500mm。從圖2可以看到在4200～3500aB.P.時段的孢粉濃度整體較低,表明植被覆蓋度較低,特別是古土壤形成的初期。植被的增加是一個漸變過程,孢粉濃度的逐漸增高和剖面中古土壤顏色向上的逐漸加深也說明了這一點。(2)3550～2700aB.P.(孢粉II帶)喬木植物花粉基本消失,僅見到個別的松、樺花粉(見圖2),可以認定是遠處搬運而來的花粉,表明森林已遠離剖面附近。草本植物花粉類型也比前一時期明顯減少,物種多樣性趨于簡單化。森林的消失和草本植物物種多樣性減少都表明氣候向干的方面發展,降水量減少。但這一時期蒿花粉濃度比前一時期高(見圖2),表明當時的植被覆蓋度還是比較高的,氣候仍比較濕潤(至少比現在濕潤),推測當時的年降水量應比現在多50～100mm左右。(3)2700～2400aB.P.(孢粉III帶)花粉組合與前一時期基本上沒有明顯的變化,但藜科的花粉較孢粉II帶有較多增加,表明草原中藜科的成分增加。有人用蒿/藜花粉的比值來反映干旱的相對程度,藜的比值越高,氣候越干旱。剖面中藜科植物在草原植被中的增加,表明這一時期的氣候進一步向干燥的方面發展,但其花粉濃度仍比較高,表明植被覆蓋度仍較高,古土壤仍能繼續發育。推測這一時段的年降水量仍比現在略高一些。本剖面頂部的年齡為2400aB.P.,表明2400aB.P.以后古土壤停止發育。研究區的古土壤俗稱黑壚土。陳傳康曾認為黑壚土是暖溫帶或暖溫性草原帶在黃土分布區形成的地帶性土壤,中國科學院內蒙寧夏綜合考察隊也曾表述了類同的認識。但李博等則認為本區發育的黑壚土是全新世中期氣候適宜期所形成的森林草原和灌木草原下的古土壤,非現代生物氣候條件下的地帶性土壤。作者同意后者的認識,即黑壚土是在全新世中期溫暖濕潤的氣候條件下,由于水、熱氣候條件適宜,在晚更新世和全新世早期的風積沙丘上逐漸發育了植被,植被的發育使沙地不再流動,固定的沙丘更有利于植被的生長。風積粉塵和植被腐植質共同發育了古土壤,形成我們今天看到的黑壚土。當時的黑壚土可能是一種成片分布的地帶性古土壤。黑壚土的大面積消失是人類活動,特別是秦漢、隋唐、明清幾個農業文化和農牧文化長期開墾農田的結果。3炭屑濃度變化炭屑是有機物由火不完全燃燒產生的碎片,被風和水流從炭屑產生地帶到沉積地保存下來,因此炭屑常被稱為“火的化石”。炭屑含量的變化一方面反映了過去火災頻率和火災強度的變化,另一方面火災的發生往往又與人類活動有著密切的聯系,故炭屑含量的變化也可以反映研究區人口數量和人類活動強度的變化。在地層中保存的炭屑含量,既與火災發生的規模有關,又與地層的沉積環境有關。但鄂爾多斯楊家灣古土壤剖面是風成產物,不受或較少受到水流搬運和沉積環境的影響,因而可以較好地反映鄂爾多斯東部地區火災發生的規模、頻率以及人類活動的可能影響強度。圖3是楊家灣古土壤剖面植物炭屑濃度變化圖。炭屑按其長軸的大小分為<50μm、50～100μm和>100μm3個級別,并對它們分別進行統計。炭屑分析的樣品處理與孢粉分析的樣品處理同步進行,炭屑濃度的計算與孢粉濃度的計算相同。從圖3可以看出,炭屑濃度變化與孢粉百分比和濃度的變化具有很好的相關性。大約4200～3550aB.P.(孢粉I帶)是炭屑含量最高的時期。炭屑含量多在20000片/克以上,最高達150000片/克,但炭屑濃度曲線呈多次明顯的波動,表明這一時段火災發生的頻率急劇而頻繁。根據炭屑濃度變化可以看出3次較大的火災發生期,分別為約3780aB.P.、3680aB.P.和3620aB.P.。孢粉統計揭示這一時段喬木花粉含量較高,特別是3780aB.P.左右出現喬木花粉高峰值,3780aB.P.之后即出現了3次炭屑濃度的高峰值,說明森林的存在有可能為火災的發生提供了充足的物質條件。另外,炭屑濃度的高含量還說明這一時期這里居住著較多的人口,人類為了生存,不斷地砍伐喬灌木,用于薪炭,也是產生大量炭屑的重要原因。3550～2700aB.P.(孢粉II帶)時期炭屑含量急劇下降,3種尺寸大小的炭屑含量均降至5000片/克以下或更少。此時孢粉組合中喬木花粉基本消失。表明氣候變干,降水量減少,森林從本地消失。但此時中旱生草本和小半灌木植物孢粉濃度較前一時期明顯增加,表明以蒿為主要優勢的草原植被覆蓋較高。何以炭屑濃度減少了呢?本人認為,氣候變涼干和人類活動強度的減弱是3550aB.P.以后炭屑含量大量減少的可能原因。3550～2700aB.P.為鄂爾多斯青銅器文化時期,該時期文化以牧業為主,氣候已變得不適宜農業生產,也說明氣候向涼干的方面變化。以牧業為主的游牧生活說明當時研究區的人口密度已大為減少。人口的減少,減少了柴草的消耗,產生的炭屑較少,草本植被得以較好地發育。2700～2400aB.P.(孢粉III帶)時期炭屑含量比孢粉II帶有所增加,多在5000～10000片/克之間。盡管孢粉組合與3550～2700aB.P.時期相比沒有明顯的變化,但更適應旱生條件的藜科、紫菀等的生長,其花粉濃度有所提高,在植被無明顯變化的情況下,炭屑濃度的變化更能說明人類活動強度的變化。推測這一時期的人口密度比3550～2700aB.P.時段有所提高,但應比4200～3550aB.P.時段低。人口的增加,因而產生了較多的炭屑。值得注意的是,與楊家灣古土壤剖面鄰近,年齡可資對比的楊家灣考古遺址中,還發現了4000～3600aB.P.朱開溝文化時期的磨制石斧、袋足鬲、三足甕、折肩罐等人類活動的遺存1),進一步說明人類活動對本區環境的影響。4年生時期古土壤的分布格局(1)鄂爾多斯伊金霍洛旗楊家灣古土壤剖面高時間分辨率的孢粉分析較完整地記錄了鄂爾多斯東部地區4000余年來的植被演替和氣候變化。4200～3550aB.P.,該區是針闊混交林草原植被,當時的氣候比較適宜,年降水量約為450～500mm;3550～2700aB.P.,氣候開始變干,降水量減少,針闊混交林從研究區消失,只剩下以蒿為主的草原植被;2700～2400aB.P.,氣候繼續向干旱的方面發展,草原植被中更多地增加了耐旱的藜科等植物組分。盡管3550～2400aB.P.的氣候是向干的方面轉變,但總的氣候格局仍較今濕潤,因而在研究區較普遍地發育了一層古土壤——黑壚土。(2)鄂爾多斯地區的炭屑分析較好地反映了人類活動的強度。4200～3550aB.P.時值鄂爾多斯龍山文化時期,以農業文化為主,人類活動強度大,對應的恰是炭屑濃度的高含量時期;3550～2400aB.P.,時值鄂爾多斯青銅器文化時期,以游牧文化為主,人類活動強度減弱,因而炭屑濃度明顯降低。由于與楊家灣古土壤剖面可資對比的楊家灣新石器晚期考古遺址中,