基于孢粉數據的全新世青藏高原降水定量重建

金孫梅, 王 英, 侯光良, 李生梅

(1.青海師范大學 地理科學學院, 青海 西寧 810008; 2.青海省基礎地理信息中心, 青海 西寧 810001;3.青海師范大學 青海省自然地理與環境過程重點實驗室, 青海 西寧810008)

青藏高原作為特殊的地理單元，對全球氣候變化響應敏感，巨大的面積和較高的海拔，誘發了地球上最強烈的季風系統[1]。青藏高原降水穩定同位素的觀測和模擬研究顯示[2]，夏季，暖濕的東亞季風、西南季風主要控制著高原東部、南部及東南部的大部分地區，并能夠經常深入高原內部；冬季，橫掃歐亞大陸的西風環流能夠躍上高原，對高原西部和北部造成深刻影響。孢粉在恢復過去氣候和環境變化方面具有不可替代的作用。現代孢粉數據及其與氣候因子相互關系是利用化石孢粉資料進行氣候重建的基礎[3]。在中國，已開展了一系列關于孢粉和氣候的定量關系研究[4-7]，并廣泛應用于古氣候定量重建[8-10]。自20世紀80年代以來，有眾多學者將轉換函數法和現代類比法運用到化石孢粉數據重建過去的植被和氣候中，取得了較為理想的成果[11-12]，這些方法考慮到孢粉與氣候間的非線性關系，從而提高了重建結果的可靠性。本文利用高原東部若爾蓋盆地及西部塔若錯湖芯的化石孢粉記錄，結合表土孢粉資料，采用加權平均偏最小二乘回歸(WAPLS)和現代類比法(MAT)定量重建青藏高原全新世以來的百年分辨率的降水序列，為青藏高原環境演變及其預測未來的氣候情景提供基礎數據資料[13]。

1 區域概況

若爾蓋盆地地處青藏高原東部(32°20′—34°05′N,102°10′—103°55′E)，海拔3 400～4 000 m，以寬谷緩丘為基本特征，面積達4 500 km2，土壤以沼澤土和山地草甸土為主，部分地區分布著大量泥炭，屬典型的高寒泥炭濕地[14]；氣候上為典型的大陸性高原寒溫帶濕潤半濕潤季風氣候，具有溫度偏低、降水較多的特點，是氣候波動的敏感區。這里年平均蒸發量1232 mm，年平均降水量約648.5 mm，年均氣溫1.1 ℃[15]。若爾蓋盆地屬于黃河水系，主要分布有黃河、白河、黑河3條河流，河道迂回曲折，河谷開闊平坦，湖泊眾多，主要有哈丘湖、措拉堅湖、花湖等。若爾蓋盆地植被以高山草甸和沼澤植被為主，該帶以莎草科蒿草屬(Kobresia)為優勢種屬，伴生有蒿屬(Artemisia)、禾本科(Poaceae)、毛茛科(Ranunculaceae)植物等[16]。

塔若錯湖區位于青藏高原西南部(31°03′—31°13′N,83°55′—84°20′E)，湖面海拔4 566 m，面積為486.6 km2，以岡底斯山脈北麓山間盆地為主，東北部為半封閉湖泊，湖泊呈東西向延伸。湖泊實測最大水深132 m，集水面積6 929.4 km2，主要靠南部冰川融水徑流補給(圖1)。湖區屬羌塘高寒草原半干旱氣候，據中國湖泊志[17]記載該湖區年均溫0.0～2.0 ℃,年降水量200 mm左右。該區兩種主要的植被類型為草原和草甸，以紫花針茅(Stipapurpurea)、小嵩草(Kobresiapygmaea)和羊茅(Festucaovina)群系占優勢,并有白草(Pennisetumflaccidum)、固沙草(Orinusthoroldii)、藏沙蒿(Artemisiawellbyi)、凍原白蒿(A.stracheyi)、羽狀針茅(S.basiplumosa)等[18]。

2 數據來源與方法

2.1 數據來源

本文數據來源包括表土孢粉，化石孢粉及表土孢粉點的降水數據。表土孢粉數據來源于東亞孢粉數據庫(http:∥eapd.sysu.edu.cn /database/)及青藏高原東北緣表土孢粉數據[19]。選取青藏高原及其毗鄰地區表土孢粉點共499個，基本上涵蓋了高原東、西部現代各種植被類型；分布范圍基本涵蓋整個高原，均有較好的植被類型代表性；表土孢粉點的降水數據取自青藏高原及周邊(新疆、甘肅、四川部分地區)126個氣象站點1950—1980年器測的逐年年平均降水數據(數據來自于中國氣象科學數據共享服務網http:∥www.data.ac.cn/xiazai/)(圖1)，由于地形對氣候變化影響很大，因此在ArcGIS中將分布不均勻的氣象臺站年均降水數據運用克里金空間插值法轉變成青藏高原面上的柵格數據，表土孢粉點所在的降水柵格數據即可以認為是該點的降水實際數據。根據青藏高原的梯度效應及水汽來源差異，將研究區劃分為東西部[20-21]，高原東部主要受東亞季風與西南季風控制，高原西部主要受西風帶與西南季風交替控制，本文的化石孢粉數據取自若爾蓋盆地[22]與塔若錯湖芯[18]相關文獻，兩序列的時間跨度均涵蓋了全新世(11.5～0 kaBP)，且具有較高分辨率，是重建降水變化的理想指標。需要提及本文年代均為日歷年，采用kaBP標記。

圖1 青藏高原及毗鄰地區499個現代表土孢粉分布

2.2 方 法

(1) 轉換函數法(WAPLS)。轉換函數法是指選取代表性表土孢粉類型，建立它們與現代氣候的線性回歸，將化石孢粉組合代入回歸關系式，即求得古氣候參數。目前最常用的方法為WAPLS法，其在利用孢粉數據建立轉換方程時采用加權平均偏最小二乘法降低了轉換方程的邊際效應[23]。通過加權平均回歸擬合表土孢粉組合與表土孢粉點降水數據之間的函數關系，然后利用WAPLS模塊的修正函數提高最終加權平均預測因子的組合參數，提高轉換函數降水模型的預測精度，最終獲得全新世若爾蓋地區的降水變化。其優點表現為考慮到孢粉與氣候間關系為非線性，采用孢粉組合而不是少數幾種孢粉類型來建立孢粉與氣候的關系，提高了重建結果的可靠性。通過使用leave-one-out交叉驗證測量值與預測值之間的信任度(R2)并評估統計性能[24]。本文若爾蓋盆地降水(PANN)重建使用C2軟件進行[25]。

(2) 現代類比法。現代類比法(MAT)，其原理是假設過去植被類型與氣候之間的關系是相對應的，將指示植被類型的地層孢粉譜與現代表土孢粉譜對比，揭示二者之間的相似性，再將其與對應點的現代降水數據進行矩陣運算，就能類比得到地層孢粉所對應的降水數據[26]。此方法在重建古植被氣候方面得到廣泛應用[4，10]，已有研究表明年降雨量的類比法模擬值與實際觀測值之間的相關系數最高達到0.95[27]，其運算方法是對地層孢粉譜與每個現代孢粉譜之間的非相似性距離進行計算，求取兩者之間距離最小的樣品[10]。該方法采用弦距平方公式，其計算公式為：

(1)

式中：Dij——孢粉樣品i與j之間的非相似距離;k——孢粉型;pik——孢粉類型k在樣品i中的百分比含量;pjk——孢粉類型k在樣品j的百分比含量。

塔若錯降水重建使用Polygon 2.2.4軟件將現代表土孢粉做為地層孢粉數據，再與青藏高原表土孢粉數據類比得出與其最相似的若干樣點，并計算出對應的降水模擬值。

(3) 全新世降水階段劃分與干濕階段的辨識。本文在全新世青藏高原降水變化趨勢與階段分析采用降水累積距平法，即對于全新世降水序列，第t時間段的累積距平表示為：

(2)

3 結果分析

3.1 信度分析

目前青藏高原的氣象站點主要分布在高原的東部、南部、中部，受特殊的地理環境及嚴酷的自然條件限制，高原西部及西北部氣象站點分布較少；運用克里金空間插值法模擬氣象站點缺乏地區氣候指標已得到廣泛應用[10,21,29]，該方法彌補了高原西部氣象站點較少的不足；將青藏高原及毗鄰地區499個表土孢粉點的降水觀測值與WAPLS得到的降水模擬值進行Pearson相關系數分析相關系r=0.898，在0.01檢驗水平下顯著(雙側)(圖2)，該指數表明青藏高原東部泥炭沼澤廣布的若爾蓋地區使用基于孢粉的WAPLS方法重建古氣候降水的可信度較高。而采用現代類比法得到西部塔若錯湖芯的降水模擬值,并分析模擬值與降水觀測值之間的關系，得到年均降水因子相關系數r=0.893，也表明基于表土孢粉和化石孢粉，利用MAT方法來重建塔若錯湖芯降水有較高的可信度。

圖2 降水模擬值與表土孢粉點對應降水觀測值之間的關系[10]

3.2 全新世降水變化的階段劃分與趨勢

(1) 從重建的時間變化來看，本文把全新世的年代范圍劃為11.5 kaBP～0 kaBP(1950年)。對若爾蓋盆地集成重建的全新世降水序列進行階段性分析發現(圖3)，全新世若爾蓋降水平均值為566.55 mm；8.9 kaBP和3.5 kaBP累計距平曲線發生了明顯的轉折，故可以將若爾蓋全新世降水變化可以分為3個階段，即全新世早期(11.5～8.9 kaBP)、全新世中期(8.9～3.2 kaBP)和全新世晚期(3.2 kaBP以來)。全新世早期，該地區降水總體特征較現代略低，波動較大。降水量約由10.4 kaBP降水距平-4 mm(降水距平指降水量與全新世若爾蓋降水平均值566.55 mm的差值，下文相同)，下降至10.1 kaBP的-22 mm，降水最大值為660 mm，最小值為501 mm，降水的波動幅度(相對于11.5～9.0 kaBP的平均降水量546.4 mm)在45.4～113.6 mm之間。此后降水仍有下降趨勢，至9.5 kaBP達到全新世早期降水的最低值。全新世中期，也被稱為全新世大暖期，全新世中期又可以劃分3個階段： ①8.9～6.7 kaBP是波動上升階段，同時伴隨有若干的干事件。 ②6.7～5.3 kaBP為第二階段，重建降水量總體偏高，波動起伏較大，呈下降趨勢。降水量約由6.7 kaBP的降水距平124.3 mm，下降至6.2 kaBP的-75.9 mm。降水量鼎盛期出現在6.7 kaBP，達到690.9 mm，高出現代42.4 mm。 ③第三階段為5.3～3.2 kaBP，降水波動下降，但總體降水仍高于現代。全新世晚期，降水明顯下降，總體比現代降水低121.3 mm。

注：a東部降水集成序列； b東部降水集成序列。

通過計算，全新世時期若爾蓋盆地大致經歷了4個偏濕階段，分別發生在3.0～3.2 kaBP，3.8～5.2 kaBP，6.3～6.6 kaBP，6.9～8.0 kaBP；其中降水量激增的濕事件發生在0.9，2.7，5.0，6.7 kaBP；全新世時期也夾雜了一些偏干階段，分別發生在1.6～2.3 kaBP，5.4～5.5 kaBP，6.0～6.2 kaBP，9.0～9.2 kaBP，9.6～9.8 kaBP；青藏高原東部全新世主要百年尺度干事件發生在1.8，3.4,6.2和9.5 kaBP前后。

(2) 對塔若錯集成重建的全新世降水序列進行階段性分析發現：全新世塔若錯降水量低于高原東部，降水平均值為354.8 mm；在1.5，5.1，5.9，7.2，8.9 kaBP時累計距平曲線發生了明顯的轉折，故可以將塔若錯全新世降水變化可以分為4個階段：11.5～8.8，8.8～7.2 ,7.2～5.1,5.1 kaBP以來。11.5～8.8 kaBP時期降水下降趨勢明顯，由10.2 kaBP的降水距平(降水距平指降水量與全新世塔若錯降水平均值354.8 mm的差值，下文相同)62.9 mm下降到9.6 kaBP的-49.05 mm，9.6 kaBP降水305.83 mm，達到該時段的最低值。8.8～7.2 kaBP時期降水顯著增加，達到該地整個全新世降水的最大值，平均降水量383.27 mm，較現代高183.27 mm；7.2～5.1 kaBP時期降水出現顯著波動，波動幅度(相對于7.2～5.1 kaBP的平均降水量351.52 mm)在37.7～89.2 mm之間，6.2 kaBP降水值303.3 mm,達到該時段的最低值；5.6～6.1 kaBP階段降水量急劇增加，由6.1 kaBP的降水距平—51.5 mm上升到5.6 kaBP的37.6 mm；5.1 kaBP以來降水總量較少，波動平緩，1.2 kaBP左右降水量出現一個峰值，降水量由1.2 kaBP的降水距平-8.8 mm下降至5.1 kaBP的-34.48 mm，平均降水量達到339.6 mm，較現代高139.6 mm。

全新世時期，塔若錯大致經歷了4個偏濕階段，分別發生在4.0～4.8 kaBP，5.3～6.0 kaBP，7.4～8.8 kaBP；其中降水量激增的濕事件發生在1.2，3.2，5.6，7.4，8.6 kaBP；全新世時期也夾雜了一些干冷事件，分別發生在1.5～2.9 kaBP，3.3～3.8 kaBP，6.6～7.2 kaBP，9.0～9.6 kaBP；全新世主要百年尺度干事件發生在1.7，3.3 ，5.3，6.2和9.6 kaBP前后。

4 討 論

本文定量重建的全新世青藏高原的降水變化與其他環境演變記錄對比顯示較為一致(圖4)，降水波動較大，呈現早中期降水充沛，平均降水量高于現代的顯著特征，晚期氣候呈現干冷趨勢[21]。暗示青藏高原東西部可能受不同驅動因素的影響，降水量變化存在顯著差異。

注：a若爾蓋降水集成序列； b青海湖TOC含量[35]； c若爾蓋北部ZB08-C1孔森林植被[22]； d天門洞氧同位素[40]； e塔若錯降水集成序列； f錯鄂湖TOC含量[45]； g戈令錯介殼氧同位素[34]； h普莫雍錯TOC含量[44]； i共和盆地沉積物[42]； a，b，c，d，i代表青藏高原東部環境記錄； e，f，g，h代表青藏高原西部環境記錄。

圖4青藏高原東、西部降水集成序列與其他高低分辨率環境記錄對比

根據降水重建結果顯示，全新世青藏高原東西部降水變化趨勢與階段性存在一致性，降水量均為早中全新世較高，期間伴隨有部分百年尺度干事件；具體表現為全新世早期(11.5～8.9 kaBP)青藏高原降水豐富且存在顯著波動，該高原東部地區的泥炭地大量發育開始于10.3 kaBP[30-31]，開額剖面顯示共和盆地早全新世(10.0～8.6 kaBP)氣候不斷向暖濕化發展[30]，10.0～8.5 kaBP青海湖孢粉濃度尤其是莎草科所占比例迅速增長，表明區域降水量和溫度大幅提升[32]；同時期青藏高原西部地區降水經歷劇烈波動后于8.9 kaBP左右達到較高水平。自11.7～10 kaBP 后西南季風取代西風成為控制該地區主要因素[33]，錯鄂湖TOC含量逐漸升高，戈令錯介殼氧同位素含量在8.9 kaBP左右顯著增加。但是發生在9.6 kaBP左右的百年尺度干事件在高原東西部重建結果中均有反映，該時段若爾蓋盆地周邊山地針葉林在約9.7～9.5 kaBP曾發生泥炭地退化，針葉林退縮[20]，塔若錯孢粉濃度為同時期最低值。

全新世中期(8.9～3.2 kaBP)降水量整體高于現代，持續溫暖和濕潤為特征的全新世氣候適宜期廣泛存在于青藏高原古氣候記錄中[35-39]。重建結果顯示8.9～6.7 kaBP東西部降水顯著增加且同時達到最大值，該時段天門洞石筍TM-18的氧同位素達到有記錄的最高值[40]，錯鄂湖TOC含量出現峰值；錯納湖、海登湖的孢粉記錄、茲格塘錯碳酸鹽含量與可溶鹽含量指標及重建該地區的降水結果表明8.8～7.4 kaBP為該地降水量最大[41]。6.7～5.3 kaBP青藏高原降水量仍處于較高階段且波動幅度較大，東部出現極端事件的頻率高于西部，自此之后高原降水較前期有所下降，氣候逐步向干轉變。這一時期東部共和盆地東緣發育弱古土壤[42]，達連海孢粉分析認為該時期溫濕配置為全新世最佳組合[43]。普莫雍錯TOC含量[44]也指示了高原西部中全新世濕潤的氣候特征；5.3～3.2 kaBP高原降水量較前期均有所減少，總體呈下降趨勢。該時段青海湖植被發生顯著退化，孢粉濃度及TOC出現下降趨勢[35]，共和盆地達連海地區3.8 kaBP以來溫濕程度逐漸下降，森林退縮、荒漠草原擴大，氣候趨于涼干[40]；錯鄂湖在4.9～4.2 kaBP氣候相對寒冷干燥[45]。全新世中期東西部出現偏干階段的時間存在不一致，高原東部偏干階段為6.0～6.2 kaBP 和5.4～5.5 kaBP時期，6.2 kaBP 降水達到全新世中期最小值；萬象洞石筍δ18O值時間序列記錄亞洲夏季風在5.7～4.9 kaBP突然出現減弱期[40]，紅原泥炭腐殖化度在5.6～5.2 kaBP出現明顯的急劇下降[43]，5.4 kaBP左右茶卡鹽湖轉化為超鹽性環境[46]；高原西部偏干階段為6.6～7.2,3.3～3.8 kaBP；位于塔若錯東部同屬羌塘高寒草原區的納木錯記錄了與重建結果相吻合干冷階段[47]。塔若錯泥炭性質指標、喬木孢粉百分含量在3.3～3.8 kaBP突然降低，指示了氣候以冷干為特征的百年尺度快速變化事件[18]；

全新世晚期(3.2 kaBP以來)青藏高原東西部降水變化趨勢有所不同，東部降水量呈下降趨勢且變化幅度較大，3.5 kaBP左右年保也則山泥炭記錄揭示該區氣候異常寒冷[48]。3.0～2.5 kaBP青海湖和共和盆地出現黃土與風砂沉積[42]，3.0 kaBP錯鄂湖區氣候突然變冷，并在此后階段干旱程度達到全新世最大[45]；共和盆地LG剖面顯示約1.5 kaBP區域溫濕組合大幅下降[32]。3.1～2.7 kaBP若爾蓋地區發生了快速的泥炭地退化、針葉林擴張和氣候變冷等事件[22]。與高原東部有所不同的是西部地區除3.3 kaBP左右出現干旱之外，自此西部降水量雖有所波動但基本處于濕潤狀態。3.8～2.5 kaBP期間仲巴地區氣候較濕潤，風沙活動較弱，植被條件良好[49]。茲格塘錯碳酸鹽沉積含量與可溶鹽含量在3.1～2.7 kaBP左右都很低，表明湖泊水體礦化度較低,處于較高的水位狀態[41]。

5 結 論

通過利用青藏高原現代氣象器測資料和表土孢粉、若爾蓋盆地泥炭化石孢粉、塔若錯湖芯化石孢粉及其他相關地區環境記錄指標，采用WAPLS和MAT重建了區域全新世百年尺度的古降水變化過程，重建序列表明：全新世青藏高原降水序列分為3個階段，10.5～8.9 kaBP為波動上升期，8.9～3.2 kaBP為濕潤期，3.2 kaBP以來為平穩遞減期。在全新世早期，青藏高原降水略高于現代。除3.4，5.3，6.2 kaBP左右全球性干事件影響之外，持續濕潤期降水量較為豐富。受季風影響東部降水量整體高于西部，且同一階段濕潤期持續時間較西部長；3.2 kaBP以來青藏高原東部降水明顯減少，氣候趨干旱，而高原西部受印度季風影響降水在1.2 kaBP后有所回升。此外，集成序列與高、低分辨率環境記錄指示的氣候變化趨勢基本一致，許多干濕事件也相互對應，具有較高的可比性。