孤山屯沼澤地晚更新世以來氣候演化的植硅體記錄

李楠楠，介冬梅，王劉奎，劉洪妍，劉利丹，陳雪松，陽金秀

（1.東北師范大學地理科學學院，吉林 長春 130024；2.國家環境保護濕地生態與植被恢復重點實驗室，吉林 長春 130024）

植硅體是發育在高等植物細胞間隙的特殊形態的二氧化硅礦物［1］，不同形態的植硅體記錄著不同的植物生態和環境信息［2］.自上世紀中葉植硅體分析技術興起以來［3］，植硅體分析已經被廣泛應用到考古學［4］、植物分類學［5］、第四紀地質學［6－7］等領域.前人的研究表明，不同的植硅體組合特征蘊含了不同的環境信息［1，3］，近年來現代增溫、CO2濃度倍增等模擬實驗進一步證明隨著環境的變遷，植硅體的組合特征乃至大小都會發生相應變化［2，8］.因而，植硅體分析技術在恢復古環境研究中具有重大意義.

東北長白山區處于我國溫帶地區，是氣候變化敏感區之一［9］.長白山區泥炭以其沉積速率大、連續性好、氣候信息豐富等特點［10］吸引了許多第四紀研究工作的開展，以泥炭為載體的全新世古氣候研究取得了豐碩的成果，孢粉分析［11］、植硅體分析［12－13］、同位素分析［14］等多個古氣候代用指標從不同角度恢復了該地區古植被、古降水及古氣候演化歷史.孤山屯沼澤地處于長白山西麓，植被繁茂.上世紀80年代，劉金陵通過孢粉記錄恢復了該區13000年來的古植被、古氣候演化歷史［15］；隨后，王金權又采用碳同位素、氨基酸分析進一步豐富了該沼澤地的氣候演化史［16］.然而關于該區域乃至整個東北地區完整的植硅體記錄的全新世氣候演化資料卻少有報道.隨著近年來加速質譜放射性14C測年技術（AMS）的發展與廣泛應用，14C測年的精度有了很大的提高，為古環境研究提供了便利.為驗證植硅體組合特征，反映氣候變化的敏感性，以進行區域對比，本文對孤山屯沼澤地750cm的泥炭樣芯進行了植硅體分析，結合高密度14C測年數據，與以往研究相比更加準確地重建了該地區自晚更新世以來的古環境演化特征，為東北地區古植被、古氣候研究積累了基礎資料，豐富了區域研究成果.

1 研究區域概況

孤山屯沼澤地位于長白山西麓、吉林省輝南縣境內，該地區平均海拔約500m，周圍被玄武巖臺地包圍，臺地中部由于地形較低，長期積水形成沼澤（見圖1）.該區屬大陸性季風氣候，年平均溫度為5.5℃，年平均降水量為800mm.采樣區內可見到中、濕生植物群落，主要包括山槐（Albizia kalkora）、油樺（Betula ovalifolia）等灌木，以及水濕柳葉菜（Epilobium palustre）、粗根老鸛草（Geranium dahuricum）、苔草 （Carex tristachya）、三褶脈紫菀 （Aster ageratoides）、聚花風鈴草（Campanula glomerata L.）、柳葉繡線菊（Spiraea salicifolia）、千屈菜（Spiked loosestrlfe）、鳶尾（Iris tectorum）、地耳草（Hypericum japonicum）等草本植物.

圖1 孤山屯沼澤地采樣區示意圖

2 材料及方法

2.1 樣品采集

通過鉆孔法采集750cm深的泥炭樣芯，并及時記錄出土泥炭顏色、質地等泥炭性狀.從頂部的草根層到底部的青灰色黏泥層大致可分為9層，各層特征如圖2所示.樣品采回后，間隔1cm切割樣品并將泥炭裝入自封袋中備用.本次研究每隔10cm抽取樣品進行植硅體分析.

2.2 實驗處理

①將泥炭樣品置于烘箱內烘干至恒重并記錄；②將烘干泥炭置于15mL的PVC試管中，向其中加入濃HNO3溶液并進行水浴加熱，直至有機質被完全氧化，結束后用蒸餾水清洗；③加入密度為2.35g／cm3的ZnBr2溶液進行浮選，取上清液，離心后所得沉淀即為植硅體；④向植硅體中加入石松孢子片并使用稀鹽酸溶解（便于計算濃度），并用蒸餾水洗至中性；⑤向所得混合物中加入乙醇，然后采用加拿大中性樹膠制成永久玻片.在MoticTM生物顯微鏡下放大600×觀察統計，原則上每個層位泥炭樣品統計植硅體數目不少于300粒.

2.3 年代序列

為了建立起孤山屯泥炭樣品的年代序列，選取了孤山屯泥炭中共計9個樣品送往北京大學AMS14C年齡測定實驗室進行放射性14C年齡測定，測試結果見表1.對所獲年齡數據采用Calib Rev6.0.1程序［17］校正至日歷年齡（2σ校正結果），將9個數據點進行線性回歸，得到方程y＝18.428x－430.632（見圖3）.其中y表示日歷年齡（a），x表示采樣深度（cm）；該回歸方程的相關系數R＝0.999，F檢驗值為2351.696，表明擬合結果很好.其余剖面年齡可通過線性內插獲得，進而建立起全剖面的年代序列，經計算剖面樣品時間分辨率為185a.

圖2 孤山屯泥炭剖面分層圖示及剖面描述

圖3 孤山屯泥炭采樣深度同14C年齡關系回歸曲線

表1 孤山屯泥炭剖面放射性14C年齡測試結果

3 結果與討論

3.1 植硅體組合特征

整體看來，全剖面植硅體含量豐富，形態類型多樣.剖面中的植硅體主要來自于禾本科植物，少數為菊科，偶見蕨類植物以及裸子植物、闊葉樹等木本植物類植硅體［1］.其中可觀察到蕨類植物的三棱柱型，裸子植物及闊葉樹中的扁狀棒型和不規則立方體型（以下簡稱為不規則型），其余為禾本科等草本植物中常見的植硅體類型.與此同時，本剖面中還觀察到了海綿骨針、硅藻等.本文選取其中16種具有代表意義的植硅體類型進行統計，主要包括光滑棒型、突起棒型、刺狀棒型、齒型（包括二齒型、三齒型和多齒型）、帽型、尖型、啞鈴型（包括十字型）、多鈴型、扁狀棒型、導管型、鞍型、扇型、方型（包括方型和長方型）、不規則型、三棱柱型和海綿骨針（見圖4）.

經顯微鏡下鑒定統計，全剖面74個樣品中共鑒定出22370粒植硅體，其中各類型植硅體及其百分含量變化情況如圖5所示，結合有序聚類結果將孤山屯植硅體組合劃分為5個譜帶，代表著5個氣候演化時期.

階段Ⅰ（13390－11179cal.a B.P.）：棒型－尖型組合帶.這一時期，棒型植硅體含量達到了剖面中的最大值，平均值為71.95%；同時，諸如尖型、帽型等其他示冷型植硅體也具有較高含量，啞鈴型、鞍型、扇型等示暖型植硅體含量極低，表明本時期植硅體組合以示冷型植硅體為主.蕨類植物植硅體含量0.71%，接近于全剖面平均水平的0.97%，而木本植物植硅體在本時期含量也相對較低.綜合各類型植硅體組合特征，說明本時期以冷干氣候為主.

圖4 孤山屯沼澤地泥炭剖面典型植硅體形態

階段Ⅱ（11179－6572cal.a B.P.）：棒型－方型－尖型組合帶.進入本階段，棒型植硅體含量有所降低，平均含量降至64.73%，其他示冷型植硅體含量同樣有所減少.示暖型植硅體較前一階段增加，尤其是多鈴型、扇型和方型植硅體.木本植物中的扁狀棒型、不規則型植硅體相對增多，結合孢粉分析結果推測本時期相對適宜的氣候為木本植物生存繁衍提供了條件［15］，蕨類植物植硅體在本時期也相對上升，表明環境濕度也有所增加.總體看來，本階段氣候轉暖轉濕，條件相對適宜.

圖5 孤山屯泥炭剖面各類型植硅體組合及分帶圖

階段Ⅲ（6572－4913cal.a B.P.）：啞鈴型－方型－鞍型組合帶.本階段木本類植硅體含量增多，裸子植物的扁狀棒型、闊葉樹種的不規則型植硅體增加.啞鈴型、多鈴型、方型、扇型等示暖型植硅體均較前一時期有明顯增多，與之相比，棒型植硅體的百分含量則有明顯下降，表明本階段氣候承接了階段Ⅱ氣候轉暖的趨勢，氣候變得更加溫暖濕潤，為本區氣候最適宜時期，與全新世大暖期相當［18］.

階段Ⅳ（4913－2149cal.a B.P.）：齒型－啞鈴型－鞍型組合帶.本階段與前一階段相比示冷型植硅體有所增加，各類型植硅體百分含量波動變化明顯.本階段氣候開始轉涼，推測可能是受到了新冰期的影響.

階段Ⅴ（2149cal.a B.P.—）：齒型－啞鈴型－帽型組合帶.本階段齒型、帽型植硅體有明顯的增多，棒型植硅體則達到全剖面中的最低值，平均值僅為46.06%（剖面平均值59.60%），裸子植物植硅體含量在0.67%～3.92%之間變化，氣候有所轉涼.除此以外，本時期氣候的又一典型特征是氣候波動頻繁，示冷、示暖型植硅體百分總量交替上升.進入近300年，示暖型植硅體總量有所增加，代表著人類活動影響的海綿骨針型植硅體百分含量也有所增加［19］，氣候轉暖.

綜上，依據不同時期的植硅體組合特征，孤山屯沼澤地地區氣候演化過程經歷了冷干—轉暖—溫暖濕潤—溫涼的變化過程，揭示了孤山屯沼澤地晚更新世以來的氣候演化史和植被史.

3.2 溫暖指數變化特征及討論

隨著植硅體在第四紀地質學中的廣泛應用，植硅體分析在恢復重建古環境中出現了許多古溫度、古濕度模型，在諸多模型中，溫暖指數模型是最簡單也是最為常用的計量方法［20］.本文選用植硅體溫暖指數變化序列作為孤山屯地區晚更新世以來古溫度的代用記錄，其中溫暖指數變化序列與哈尼地區泥炭纖維素δ18O曲線［14］及北大西洋染色赤鐵礦顆粒百分含量變化曲線反映的8次浮冰碎屑（Ice Rafting Detritus）事件［21］綜合對比表明（見圖6），孤山屯植硅體溫暖指數與長白山哈尼地區δ18O曲線變化特征相似；此外，溫暖指數變化曲線與染色赤鐵礦顆粒百分含量變化曲線對比表明，本區也出現了一些同浮冰碎屑事件相對應的氣候轉冷時期或氣候冷事件，植硅體溫暖指數變化序列能夠很好地反映出晚更新世以來該區的古溫度變化特點.

3.2.1 快速振蕩的晚冰期氣候

在距今約13.4ka前，孤山屯地區植硅體溫暖指數較低，該時期對應于第四紀晚冰期.本階段初期冰川前進、氣候寒冷，只有一些耐寒植物生存［15］.12.4～11.8ka間，本區進入了短暫的冰消期，溫暖指數上升，表明溫度升高、氣候轉暖，冰川后退，這一短暫的溫暖期可與阿勒羅德暖期（Aller?d）相對應.很快，阿勒羅德暖期被發生在11.7ka前的一次強烈的降溫事件打斷，該事件也即新仙女木事件（Younger Dryas）.目前較為公認的新仙女木事件發生在距今11～10ka前［22－23］，其中Bond等人認為新仙女木事件發生在12.9～11.5ka前［21］，本文可與之很好對比.新仙女木事件在本區持續時間并不長，此后，孤山屯地區植硅體溫暖指數緩慢上升，氣候轉暖，進入全新世.由以上可以看出，在晚冰期氣候逐漸轉暖的背景下，本區古氣候出現了“冷—暖—冷—暖”的氣候振蕩，表明晚冰期、冰川消融期出現了若干系列的冰川“前進—后退”事件，植硅體記錄很好地揭示了晚冰期氣候系統的振蕩性與復雜性.

圖6 孤山屯植硅體溫暖指數與哈尼泥炭纖維素δ18 O曲線、北大西洋浮冰記錄對比結果

3.2.2 全新世開始與大暖期氣候

有關全新世開始時間的討論，學術界一直存在不同看法，然而普遍觀點是全新世氣候相比冰期氣候明顯轉暖，全新世古溫度波動也相對平緩［14］.孤山屯沼澤地植硅體溫暖指數記錄的古溫度代用曲線表明，新仙女木事件結束后，氣候轉暖，古溫度逐漸攀升至相對穩定并進入全新世.孢粉分析結果同樣表明在距今1萬年前后，氣候轉暖，完成了由晚冰期向全新世的過渡［15］.

全新世大暖期是全新世氣候最適宜的時期，我國全新世大暖期的起訖時間通常被認為是8.5～3ka前［18］，孤山屯剖面植硅體溫暖指數變化特征表明，本區最適宜氣候期發生在7～3ka間，這一時期溫度較高，植被繁盛，適合各類生物繁衍.貴州董哥洞石筍δ18O曲線也記錄了本時期濕潤的氣候，石筍記錄表明本時期δ18O變輕，石筍生長速率增加，氣候轉濕，夏季風活動加強［24］.王曉嵐等通過鄭州西山黃土Kd值也發現7～4ka前氣候相對濕潤［25］.盡管如此，孤山屯剖面植硅體記錄仍顯示在全新世大暖期該區還是發生了若干次氣候變冷事件，在7～3ka間，就出現了4.7ka及4ka的冷事件，可與貴州董哥洞石筍δ18O曲線所記錄的4.75ka，4.4ka事件相對應［24］.

3.2.3 全新世氣候轉冷事件

孤山屯沼澤地植硅體溫暖指數古溫度代用曲線表明本區發生了多次氣候轉冷事件，其中有6次氣候轉冷能夠與Bond等人發現的北大西洋浮冰碎屑事件很好對應（見圖6）.進入全新世，植硅體溫暖指數逐步下降，約在9ka左右降至最低，這可能與北大西洋冰芯記錄的9.2ka事件相對應［26］；貴州董哥洞石筍δ18O曲線也記錄了本次降溫事件，在9.2ka左右貴州董哥洞石筍δ18O突然變重，變化幅度為1.4‰，表明氣候轉干轉冷［24］.與此同時，對全新世氣候影響最大的“8.2ka”快速降溫事件［22，26］，在本區也有所記錄，受到該事件影響，植硅體溫暖指數下降至0.1，Mayewski等人通過全球多個記錄證明9～8ka前存在明顯的氣候轉冷事件［27］.進入近3ka，本區氣候進入新的氣候時期——新冰期［22］，新冰期氣候相對轉涼，且波動更加頻繁，振動幅度也較大，植硅體溫暖指數記錄本時期出現了多次冷—暖交替事件，其中包括發生在近百年的小冰期（Little Ice Age）事件.

4 結論

孤山屯沼澤地晚更新世泥炭巖芯中植硅體類型豐富，其中以草本類植硅體為主要類型，此外還包括部分木本植物及蕨類植物的植硅體.主要類型包括棒型、齒形、帽型、尖型等示冷型植硅體，以及啞鈴型、鞍型、方型等示暖型植硅體.

依據不同層位的植硅體組合特征可將全剖面劃分為5個組合帶，分別代表5個不同的氣候演化時期，植硅體組合很好地揭示了本區氣候變化經歷了冷干—轉暖—溫暖濕潤—溫涼的變化過程.

基于溫暖指數的孤山屯沼澤地古溫度代用曲線，很好地記錄了該區古氣候演化歷史，反映出了東北地區全新世氣候的變化特征.以植硅體為代用指標的古環境重建結果與δ18O曲線及北大西洋浮冰碎屑事件具有一定的可比性，同時也具有區域差異.總的來說，植硅體溫暖指數對古氣候變化記錄結果相對準確.

依據植硅體組合特征及溫暖指數變化特點，以植硅體為氣候代用指標的古氣候重建可以較好地反映出氣候演化的各個階段，對氣候事件的識別也相對準確，可為區域古氣候研究及對比提供參考；同時也反映出植硅體分析方法在古氣候研究中具有廣闊的應用前景.

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