梵凈山湖沼沉積物記錄的全新世古環(huán)境演變

高洋 全明英 呂伊娜

【摘 要】梵凈山位于貴州省東北部，生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能完整。文章計劃從世界自然遺產(chǎn)突出普遍價值的角度探究梵凈山的古環(huán)境演變，采用孢粉和大化石分析法及AMS14C定年法等研究方法，結(jié)合湖泊全新世沉積特征，揭示其古植被與古氣候特征，探究梵凈山古生態(tài)環(huán)境演化過程。重建其古植被和古氣候特征，對挖掘梵凈山世界遺產(chǎn)的突出普遍價值提供了理論背景和重要支撐，進而得出梵凈山在全新世以來的古環(huán)境演變規(guī)律。

【關(guān)鍵詞】梵凈山；湖沼沉積物；全新世；古環(huán)境演變

【中圖分類號】P531 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2017）12-0077-05

1 研究意義、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析

1.1 研究意義

梵凈山位于貴州省東北部（27°47′50″～28°1′30″N，108°45′55″～108°48′30″E），處于我國亞熱帶中心，屬于中亞熱帶濕潤區(qū)山地生態(tài)系統(tǒng)，植被原生性強且覆蓋率高，垂直帶譜明顯，生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能完整。位于我國自西而東層層下降地勢第二階梯的云貴高原向第三階梯湘西丘陵的過渡地區(qū)。它是中國境內(nèi)自然植被保存較為完好的少數(shù)地區(qū)之一，尤其以殼斗科、樟科、山茶科、木蘭科等為主的亞熱帶常綠闊葉林保存較為完好、最為典型（周政賢，1990）。梵凈山生物多樣性豐富，且具有獨特性，大面積的山毛櫸科植物群落對生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的控制性極具代表性，黔金絲猴、梵凈山冷杉等幾百種珍稀瀕危和特有植物極具典型性和獨特性。

由于梵凈山獨特的生物生態(tài)方面價值，目前已經(jīng)啟動申報世界自然遺產(chǎn)的工作，先后有世界知名專家對梵凈山進行考察?？蒲泄ぷ髡咂毡檎J為梵凈山的生物生態(tài)的突出普遍價值較高，擁有高度豐富的生物多樣性和多種森林植被類型，是一個生物多樣性孤島（桑塞爾，2013）。為探究梵凈山的生物生態(tài)價值，即它能不能代表中國內(nèi)陸高山區(qū)到沿海低地生物是如何從亞熱帶過渡到溫帶的這樣一個特殊的地方（威廉姆斯，2014）；末次冰期從北往南遷移的過程中，溫度降低，是不是因為梵凈山具有穹隆狀的山體使得水青岡大面積地被保留下來；當冰期消退時，溫度升高，是不是因為梵凈山海拔較高，在其山頂處孑遺梵凈山冷杉等成為國內(nèi)外研究學者關(guān)注的焦點。因此，探究梵凈山古生態(tài)環(huán)境演化過程，重建其古植被和古氣候特征，對挖掘梵凈山世界遺產(chǎn)的突出普遍價值提供了理論背景和重要支撐。但是，目前針對梵凈山古環(huán)境并沒有進行深入研究，只是簡單重建了它古植被與古氣候特征，并沒有從湖泊沉積特征的角度去揭示梵凈山古生態(tài)環(huán)境的演變過程。本研究計劃從世界自然遺產(chǎn)突出普遍價值的角度探究梵凈山的古環(huán)境演變，通過孢粉和大化石分析法，并結(jié)合AMS14C定年法等研究方法，結(jié)合湖泊全新世沉積特征，從而揭示其古植被與古氣候特征。

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析

地球環(huán)境的發(fā)展演化必然伴隨著生物的演化與進化過程；生物的演化與進化過程與環(huán)境則有著密不可分的關(guān)系。地球環(huán)境的變化是影響生物演化與進化過程中極為重要的因素之一（許靖華，1984）。在地質(zhì)歷史時期，尤其是末次冰期以來的氣候環(huán)境變化是了解第四紀以來氣候環(huán)境變化的前提，同時與當今人類正在進行或即將經(jīng)歷的氣候存在很強的延續(xù)性（施雅風等，1997）。全新世是氣候變化研究中一個非常重要的時期，是與人類聯(lián)系最密切的氣候階段。在末次冰期結(jié)束以后，氣溫開始大幅度地上升，氣候從寒冷變得溫暖、濕潤。不同地區(qū)由于所處的地理位置和氣候系統(tǒng)的特殊性，因此全新世時期氣候變化的特征、持續(xù)時間、驅(qū)動機制、發(fā)生極端事件的時間等一系列因素，在不同的區(qū)域存在著明顯的差異性。而全新世氣候的周期性變化與太陽活動、溫鹽環(huán)流、北大西洋冰飄瑣屑事件之間一直存在著某種的聯(lián)系，一直以來也是科學家研究的熱點。國內(nèi)外學者對該時段氣候與環(huán)境變化給予了很多的關(guān)注。

研究古環(huán)境和古氣候的方法多樣，如冰心記錄、海洋生物記錄、黃土記錄及石筍記錄，但是由于其樣品的某些特殊性而限制了其相應的研究范圍，簡單來說，就是冰心、海洋生物、黃土和石筍的分布范圍偏窄，從而限制了研究范圍（石勝強，2012）。然而，由于在自然環(huán)境中植被對生存環(huán)境和氣候的反應是極為敏感的，同時植被組成的特征受到環(huán)境改變和氣候波動等的直接影響，且古孢粉的分布范圍十分廣泛，因此運用孢粉學來反演古環(huán)境與古氣候是最直接、也是最重要的手段之一（楊振京，2002）。孢粉是孢子和花粉的簡稱，孢子和花粉發(fā)育成熟后，借助風、水、昆蟲或其他動物散播，孢粉迅速埋藏后經(jīng)漫長的地質(zhì)時期變成化石保存在地層中，進而形成孢粉化石（郝詒純等，1993）。對于孢粉的研究，需研究保存在沉積物中的花粉，確定他們與其母體植物的聯(lián)系，采用孢粉組合構(gòu)建地層沉積時期植被的定性或定量關(guān)系，從而可以推斷出地質(zhì)時期植被的演化規(guī)律與趨勢及植被與環(huán)境的關(guān)系，特別是植被與氣候的關(guān)系（司偉民等，2010）。孢粉是表征古植被與古氣候生物學的重要指標之一，是揭示古環(huán)境與古氣候變化的重要載體。

準確地重現(xiàn)某個地區(qū)的古環(huán)境與古氣候，單單依靠孢粉分析方法不足反演整個古環(huán)境特征，它只能推斷出某個地區(qū)的古植被特征，卻不能在時間尺度上重建其古環(huán)境的演變過程。因此，必須結(jié)合第四紀主要的定年方法對關(guān)鍵樣品進行測試，從而在時間尺度上得出古環(huán)境的演變。根據(jù)第四紀地質(zhì)年代學的研究，按照定年方法的特性，將其分為三大類，即數(shù)值定年法、相對定年法和校正定年法；按照理化性質(zhì)，將其分為兩大類，即放射性同位素定年法和物理年代學方法（田婷婷等，2013）。在放射性同位素定年法中，運用最為廣泛的是放射性14C定年法，其原理是14C是不穩(wěn)定碳同位素，極可能發(fā)生衰變，以致14C以指數(shù)逐漸減少，所以就可以通過測試樣品中14C的含量，并與現(xiàn)代的14C含量進行對比，確定該樣品的年代（Walker M，2005），其主要是通過年齡—深度關(guān)系曲線進行定年。然而，在物理年代學方法中，運用得最廣泛的是釋光測年法，包括熱釋光測年法（TL）和光釋光測年法（OSL），但是最主要運用的是光釋光測年法，其原理是測試沉積物的石英和長石礦物從上一次受熱或曝光事件后埋藏至今的時間（Godfrey-Smith D I et al，1988），它主要是通過在礦物的釋光信號強度與礦物所吸收的電離輻射劑量的時間函數(shù)關(guān)系進行定年（張克旗，2008）。

從傳統(tǒng)意義來說，在運用孢粉分析反演古環(huán)境演化的方法中，主要是通過孢粉直接解譯植被在不同地層年代的植被類型，進而得出古氣候與古環(huán)境特征。隨著國內(nèi)外孢粉分析法的不斷發(fā)展與演變，研究者們從宏觀的孢粉類型分析逐漸轉(zhuǎn)向微觀的孢粉形態(tài)的研究，從孢粉直接解譯植被類型的研究逐漸轉(zhuǎn)向構(gòu)建孢粉沉積物模型的研究。在研究古環(huán)境演變的方法中，最有效的方法就是將孢粉分析法和定年測樣法相結(jié)合，通過建立孢粉模型，運用沉積速率參數(shù)來研究生物授粉的意義、種群遺傳學及孢粉顆粒的功能形態(tài)（Stephen T. Jackson et al，1999），從而能夠更好、更準確地分析古環(huán)境的演變過程。再則，通過標準化的孢粉進行孢粉監(jiān)測，采用放射性碳年代定年和沉積速率，從而測定出地層的沉積物（Thomas Giesecke et al，2010）。

通過孢粉分析和放射性同位素定年法或光釋光測年法，得出在不同地貌單元第四紀孢粉記錄的古環(huán)境特征。在長江、珠江流域和云南、貴州、廣西等西南地區(qū)，更新世以木本植物孢粉為主，到了全新世主要以喬木孢粉和蕨類孢粉為主，氣候從寒冷干燥向溫暖、濕潤演變（李杰等，2013；王曉靜等，2010；童國榜等，1990；杜榮榮等，2013；王麗娟，1989）。在華北、渤海等北方地區(qū)主要的孢粉組合是草本植物和木本植物花粉占大多數(shù)，氣候由溫暖濕潤向溫涼略干演變（張玉蘭等，1987；孟廣蘭等，1987）。在柴達木盆地、青海湖盆地、新疆地區(qū)主要以草本植物花粉、苔蘚花粉、蕨類植物花粉為主，其古氣候變化分為2個時期，前期氣候溫暖濕潤，后期氣候干燥（康安等，2003；楊惠秋等，1965；閏順，1991）。美國、巴西和德國等地區(qū)主要的孢粉類型是喬木花粉，植被的演變基本上都是從草地或灌叢向喬木演化，最后演化成森林，在該地區(qū)古氣候變化為季節(jié)性干旱—較為濕潤—濕潤—溫暖—寒冷（Edwards，M.E，1990；Hermann Behling et.al，2004；Christoph Herbig et.al，2013）。日本、韓國和尼泊爾及東亞地區(qū)第四紀植被最終演化為闊葉落葉林或針葉闊葉林，其氣候變化為溫暖—寒冷干燥—溫暖（Zhuo Zheng et.al，2011；Chull-Hwan Chung，2007；Chuh Yonebay-

ashi et.al，1997）。

湖泊沉積物是一個高分辨率的氣候信息庫，它能很好地記錄湖泊流域內(nèi)氣候變化的特征，具有分辨率高、連續(xù)性強、信息量大的特點。安成邦等學者研究亞洲中部干旱區(qū)的湖泊沉積記錄發(fā)現(xiàn)，全新世氣候變化具有明顯的階段性；而有效濕度的變化框架有一致性變化，與亞洲季風變化模式存在著一定的差異性。

在梵凈山的國內(nèi)古生態(tài)研究中，代表性的文章有《貴州梵凈山九龍池一萬年以來的植被和氣候變化》（陳佩英等，1992）；《貴州省梵凈山九龍池剖面全新世孢粉組合與古環(huán)境》（陳佩英，1989）；《定量重建貴州梵凈山一萬年以來的植被與氣候》（喬玉樓等，1996）。達成的普遍共識為在孢粉分析和14C測定年齡資料的基礎(chǔ)上，以現(xiàn)代梵凈山植被帶及其氣候狀況進行類比，定量重建貴州梵凈山1萬年以來的古植被和古氣候演化歷史，將其劃分為升溫期，高溫期和降溫期。然而由于14C測年樣品太少，所以分析結(jié)果有待進一步研究。

2 研究內(nèi)容、研究目標及擬解決的關(guān)鍵問題

2.1 研究內(nèi)容

（1）梵凈山末植被與氣候演化過程：通過對該區(qū)域地層剖面AMS14C定年，孢粉提取與鑒定，結(jié)合孢粉，大化石和定年結(jié)果進行分帶，分析不同時間序列孢粉組合特征，反演梵凈山全新世以來古植被與古氣候演變過程。

（2）湖泊全新世沉積特征：通過梵凈山九龍池的湖泊沉積物的環(huán)境代用指標的分析，獲得湖泊沉積物的氣候周期變化信息，分析全新世以來梵凈山湖泊記錄氣候演化特點，對其氣候的驅(qū)動機制進行探討。

2.2 研究目標

本文以重建梵凈山古環(huán)境為出發(fā)點，研究梵凈山九龍池沼澤剖面在時間尺度上的孢粉記錄及湖泊沉積特征，旨在揭示梵凈山古植被、古氣候與古環(huán)境的特征，反演其古環(huán)境的演變過程。

2.3 擬解決的關(guān)鍵問題

（1）重建梵凈山全新世以來的主要古植被類型。

（2）揭示梵凈山全新世以來的古氣候與古環(huán)境特征，反演其古環(huán)境演變過程。

3 研究方案

本文以反演梵凈山古環(huán)境演變過程為出發(fā)點，擬在貴州省銅仁市江口縣梵凈山九龍池的洼地沼澤上，采用野外采樣和室內(nèi)實驗分析相結(jié)合的方法進行研究，具體方案如下。

3.1 梵凈山全新世植被氣候與演變

3.1.1 研究地點

研究地點梵凈山位于貴州省銅仁市江口縣內(nèi)，地理坐標為N27°53′03″，E108°41′56″。前期樣品采集與處理：在梵凈山九龍池剖面，對淤泥部分進行連續(xù)采樣，并按5 cm間隔對該樣品進行分樣，對黏土部分主要按10 cm或20 cm分層取樣。樣品除去風化表面，自下而上采集，避免花粉受污染，然后將其密封保存。

3.1.2 樣品分析

用常規(guī)酸堿法處理樣品，重液懸浮結(jié)合過篩法收集孢粉，在光學顯微鏡下對該樣品進行孢粉鑒定。并在所采樣品中選擇3～4個樣品進行AMS14C定年。

3.1.3 數(shù)據(jù)處理

利用Tilia軟件對孢粉類型進行聚類分析，以完成孢粉分帶，并繪制孢粉圖式。

3.2 梵凈山九龍池湖沼沉積物特征

（1）實驗分析法。對沉積物的各種代用指標進行實驗分析，利用Masttersize 2000型激光粒度儀測試樣品的粒度；用MAT-253質(zhì)譜儀測量C、N同位素值；利用磁化率儀進行高、低頻率磁化率的測試；用Flash EA 1112 HT 型元素分析儀來測定樣品總有機碳和總氮的含量，并且計算出總有機碳與總氮的比值（C/N）。

（2）數(shù)據(jù)處理法。運用Bayesian年代—深度模型對已有的14C年代數(shù)據(jù)進行處理，重建巖芯的時間序列。

4 研究結(jié)果初探

4.1 全新世以來梵凈山植被對氣候變化的響應

2015年8～10月，對梵凈山九龍池全新世鉆孔樣柱狀樣品進行孢粉分析。從孢粉記錄看，第四紀孢粉記錄了提名地全新世植被與氣候的變化。植被演化過程為草甸和闊葉落葉林—常綠落葉闊葉混交林—落葉闊葉林和草甸，氣候的演化過程為溫涼干燥—溫暖濕潤—溫涼干燥。

梵凈山完整地記錄了全新世早期、中期、晚期的生態(tài)環(huán)境特征，并且在全新世中期存在一個穩(wěn)定的氣候適宜期。其中，水青岡的孢粉的含量在這一時期一直是比較高的，并且是一直處于平穩(wěn)狀態(tài)，鐵杉的含量雖然低，但是在這一時期一直是有存在的，并且在距今9 000年左右發(fā)現(xiàn)冷杉花粉。

在全新世早期（9516aBP—9903aBP），草本含量較高，闊葉落葉木本也具有相對較高的含量，此外松屬花粉及蕨類孢子含量也較高，而闊葉常綠木本花粉含量較少。氣候變化不穩(wěn)定，氣候以溫涼干燥為主。

在全新世中期（3852aBP—9516aBP），常綠闊葉成分開始占據(jù)絕對主導地位，而草本含量急劇降低，落葉闊葉類及針葉類花粉也都略微減少，蕨類孢子含量明顯降低。氣候溫暖濕潤，降雨量多。這個時期屬于全新世氣候適宜區(qū)。

在全新世晚期（248aBP-3852aBP），草本逐漸增多，常綠闊葉類花粉顯著減少，落葉闊葉類花粉總體含量減少，同時屬種組成也有明顯轉(zhuǎn)變，松屬花粉及蕨類孢子都有明顯增加。氣候轉(zhuǎn)變?yōu)闇貨龈稍?，降雨量少?/p>

花粉含量及氣候信息如圖1所示；孢粉百分含量圖譜如圖2所示。

4.2 梵凈山孢粉記錄的全新世以來植被隨海拔變化

全新世時期梵凈山以常綠落葉闊葉混交林為主，同時混生有少量的針葉類型，并且在個別時期的局部環(huán)境中有草原或草甸的形成。因此，該時期的演化很好地體現(xiàn)了梵凈山亞熱帶山地氣候下的植被特點，即常綠落葉闊葉混交林和亞高山針闊混交林生態(tài)交錯帶的植被。在這樣的交錯帶中，植被對氣候的響應十分明顯：當氣候變?yōu)闇嘏睗駮r，低海拔植被和常綠成分增多，植被垂直帶譜向上移動，并在全新世中期達到頂峰；而氣候變得相對寒冷干燥時，高海拔植被向下擴張，落葉成分增加，同時在局部環(huán)境下開始發(fā)育草原或草甸，植被垂直帶譜向下移動，因此較好地展現(xiàn)了梵凈山的高山效應。

參 考 文 獻

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