青海湖流域生態修復樹種選擇策略基于全新世青海湖孢粉與碳屑記錄

孫滿平, 鄂崇毅,*, 魏海成, 侯光良, 孫永娟,

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青海湖流域生態修復樹種選擇策略基于全新世青海湖孢粉與碳屑記錄

孫滿平1, 鄂崇毅1,2*, 魏海成2, 侯光良1, 孫永娟1,2

1. 青海省自然地理與環境過程重點實驗室, 青海師范大學地理科學學院，西寧 810008 2. 青海省鹽湖地質與環境重點實驗室, 中國科學院青海鹽湖研究所，西寧 810008

隨著全球氣候變暖和人類活動的增強, 青海湖流域生態環境有逐步惡化的趨勢, 作為維系青藏高原東北部生態安全的重要地區, 其生態環境問題不容忽視。在現有生態修復策略的基礎上科學選取生態修復樹種對該區生態系統修復及可持續發展具有重要意義。基于動態演變視角的第四紀地質學理論, 綜合分析全新世一萬多年以來青海湖流域考古遺址中的碳屑、孢粉等數據, 得出在全新世長期存在的樹種為柳樹、云杉、松屬和樺屬。結合現代及未來氣候特征, 篩選出適應未來氣候變化背景的優勢樹種為云杉, 備選樹種為柳樹和樺屬。

青海湖流域; 孢粉; 碳屑; 云杉

0 前言

青藏高原是地球“第三極”, 對氣候變化異常敏感, 生態環境非常脆弱。其中青海湖流域東連黃土高原半干旱區, 西接柴達木極端干旱區,是遏制柴達木盆地沙漠化向東發展的重要屏障。但隨著全球氣候變暖和人類活動的增強, 該區生態環境有逐步惡化的趨勢。目前已有大量分析青海湖流域生態現狀的成果發表, 且有很多針對青海湖水面下降、水質惡化、草地退化日益嚴重、土地沙漠化面積不斷擴大、水土流失嚴重、珍稀瀕危野生動物瀕臨滅絕等生態環境問題的防治對策[1–9], 該區生態修復已有一定的成效, 但對具體修復樹種選擇的研究較少, 科學選取生態修復樹種對該區生態系統修復具有重要意義。當前樹種選擇主要是基于對現有生態系統觀測結果下的生態學理論, 例如: 適地適樹原則、生態優先原則、多目標兼顧原則、生物多樣性原則、以喬木為主原則和重視鄉土樹種原則等[10]。然而在全球變暖背景下, 不考慮樹種對未來氣候變暖的適應性有可能對區域生態保護和可持續發展帶來風險。因此基于動態演變視角的第四紀地質學理論, 系統了解全新世這一和現代及未來氣候狀況非常接近的地質歷史時期植被演替情況尤為重要, 選取與該區未來氣候變化趨勢相似并能在此背景下長期穩定生存的樹種作為區域生態修復樹種對該區生態保護和可持續發展具有重要的現實意義。

青海湖地處青藏高原東北部, 作為中國最大的咸水湖受亞洲季風和西風交互作用, 是重建過去氣候環境變化的優質載體, 同時青海湖也是青藏高原史前人類活動遺址最為豐富的地區, 已有大量古生態相關成果發表。因此, 本文以青海湖流域為例, 系統梳理青海湖湖泊沉積物中已發表的孢粉記錄和考古遺址中的碳屑記錄, 獲取青海湖地區地質歷史時期不同氣候背景下的樹種組合, 結合未來該區氣候變化趨勢, 為該區科學選擇樹種為區域可持續發展提供決策依據。

1 研究區概況與材料來源

1.1 研究區概況

青海湖位于青藏高原東北緣, 是我國最大的內陸咸水湖, 湖面海拔3200 m, 湖泊面積4400 km2, 其流域地理位置36°15′—38°20′ N, 97°50′—101°20′ E, 流域面積29660 km2[11]。青海湖流域處于蒙新荒漠、青藏高原和黃土高原交匯區, 也是我國東部季風區、西北部干旱區和西南部高寒區的交匯地帶[12](圖1), 屬于典型的高原大陸性氣候, 冬春季寒冷且多大風天氣, 夏秋溫涼, 受“湖泊效應”的影響, 該區具有干旱少雨、太陽輻射強、氣溫日較差大等特征[13]。1958—2012年平均氣溫為-0.24 ℃, 生長季(5—10月)均溫為7 ℃, 年降水量為381.4 mm, 生長季降水為357.69 mm, 占全年降水量的90%以上。植被以針葉林、灌叢、草原、草甸、高寒流石坡植被為主[14]。

1.2 材料來源

近年來, 青海湖流域孢粉研究已取得一些重要成果, 楊惠秋等、山發壽等、杜乃秋等、孔昭宸等、劉興起等通過對湖泊鉆孔系統孢粉分析, 盡管年代上稍有差異, 均認為云杉、松、樺為主的喬木樹種的存在幾乎貫穿了整個全新世, 大致經歷了冷干轉暖、大暖期和逐漸冷干階段, 全新世大暖期森林繁盛期喬木孢粉占總孢粉量的20%以上[15–19]；李文漪等研究了云杉花粉的傳播效率問題, 討論了云杉花粉含量與傳播距離的關系[20]；尚雪等、呂厚遠等在現代表土中發現祁連山北部云杉花粉較多, 且確定了云杉花粉含量指示的海拔范圍、年均溫及年均降水量[21–22]。

注: 1.SNHD; 2.SHQX; 3.AQY; 4.LLW;5.CDH; 6.WBT; 7.BWC; 8.TH; 9.HZYC; 10.YWY; 11.JXG; 12.HMH

Figure 1 The situation of Qinghai Lake Basin

本文材料來源為已發表的QH—2000鉆孔孢粉數據和青海湖周邊考古遺址碳屑記錄[18,23]。其中對Rhode文中14C測年數據利用‘CALIB REV 7.0.2’程序進行校正[24]。全新世以來的氣候背景采用張彭熹青海湖水位變化和溫度變化數據[25]。現代氣象數據以青海湖北岸的剛察站數據為代表, 為便于對比, 選取青海湖流域生長季均溫與生長季降水量作為參考(數據來源: 中國天氣網—www.weather. com.cn)。

湖泊孢粉數據通常代表的是整個流域甚至是流域附近的植被情況, 因此完全依賴湖泊孢粉數據可能無法客觀反映流域內的實際情況。根據許清海等的研究[26], 松孢粉含量在30%以上時, 周圍才可能有松林的存在, 樺孢粉含量高于5%, 周圍可能有樺屬的存在, 云杉花粉在地表環境中散布距離較短、對植被的指示性較為敏感, 在距離云杉植被較遠的表土樣點中其花粉含量一般小于5%[27–30], 本文以虛線形式表示在圖中(圖2)。因此, 嚴格采用以上不同樹種孢粉濃度標準結合考古地層碳屑鑒定結果確定不同地質歷史時期的樹種組合。

(注: 數據引自張彭熹, 1994；侯光良, 2012； Rhode, 2016；劉興起, 2002)

Figure 2 Pollen content of major plants in Qinghai Lake Basin, records of carbon crumbs in the archaeological sites and climate record since Holocene

2 結果與討論

2.1 全新世以來青海湖流域植被演化

青海湖流域自全新世大暖期以來氣溫呈波動性下降趨勢。侯光良等按照水汽來源不同將青藏高原降水劃分為4個區域, 青海湖所在的Ⅰ區為青藏高原東部東亞季風影響和向內陸過渡區, 全新世早中期降水波動較大, 4000 a以來呈緩慢增加趨勢[31]。全新世不同時段氣候狀況與植被恢復情況總結如下(圖2):

12000—8000 a B.P.氣候開始由冷干轉暖, 隨溫度升高, 冰川大量融化, 降水波動性上升[32–33], 湖泊水位較低, 青海湖水溫逐漸升高[25]。此時青海湖流域植被為疏林、森林草原, 喬木以云杉、樺、松為主, 松孢粉含量逐漸增多, 最高可達29%, 但還未達到能夠指示周圍可能有松林存在的界限值[26]。樺與云杉孢粉含量達到最大值, 最多可達22%和50%。其次為蒿屬、藜科、禾本科和莎草科[18,32], 由于氣候偏干, 有少量的菊科和麻黃科出現[34]。青海湖周邊考古遺址中發現柳樹、云杉和沙棘碳屑[23]。

8000—3500 a B.P.為全新世氣候最宜時期, 出現較持續的暖濕氣候[32–33], 青海湖水位明顯升高, 最高可高于現代水面約18 m[25]。該時期青海湖流域森林繁盛, 木本花粉含量多在30%以上[35], 形成以云杉為主的針葉闊葉混交林, 林下蕨類植物增多[15]。草本仍以蒿為主, 且孢粉含量逐漸增加, 禾本科、藜科、含量稍有增加態勢, 出現毛茛科、薔薇科、傘科和十字花科等高山草原植被組分且其孢粉含量均有增長[18,34]。在青海湖周邊考古遺址點發現有云杉碳屑[23]。

3500 a B.P.以來, 氣候趨于冷干, 氣溫與降水都顯著降低, 青海湖水位明顯下降。3500—2700 a B.P., 草灌孢粉尤其是柳屬達到高峰后下降[36], 以松為主的喬木花粉含量基本在20%以下[35], 云杉和樺的孢粉含量迅速減少, 可能與人類活動強度增加有一定的關系[37]。蒿、莎草為主的草本植物包括薔薇科、菊科等孢粉含量持續增加, 植被由森林到疏林草原逐漸演化為以蒿為主的草原[11,34]。此外與湖泊鉆孔略有差異的是青海湖周邊考古遺址在該時段發現大量柳樹碳屑[23], 但在湖泊鉆孔中并未發現, 可能與柳樹花粉低代表性和較弱的散布有關。

2.2 現代青海湖流域樹種分布

現代青海湖流域以云杉植被為主的森林植被帶主要呈塊狀或帶狀分布于青海湖以北祁連山東部山地陰坡, 伴有少量草本、灌木植物, 形成森林-草原復合生態系統[22,38]。云杉林常形成以該種群為主的單優群落, 群落一般分為4層, 喬木層主要由青海云杉組成, 林下為灌木層、草本層和苔蘚層[38]。根據林內植物組成和結構以及分布海拔高度的差異, 將青海云杉林分為蘚類—青海云杉林、灌木—青海云杉林、苔草—青海云杉林和馬先蒿—蘚類—青海云杉林四種主要林型, 其中蘚類—青海云杉林是最穩定的林型[38–39], 灌木—青海云杉林貯水能力較強[39]。群落中有維管束植物96種, 喬木種4種, 灌木種29種, 草本63種, 油松、山楊和祁連圓柏僅出現在局部地區與青海云杉共構成混交林[38]。柳屬在青海湖盆地也分布較廣泛[36]。

2.3 全球變暖背景下該地區的樹種選擇

全新世大暖期青海湖7月平均水溫為14.54 ℃, 高于現代1 ℃以上, 高溫期水溫平均比現代高約1.8 ℃, 最高時可比現代高2.2 ℃[25]。全新世早期, 10000—8500 a增溫幅度最大, 水溫上升了1.8 ℃, 增溫速率約為每百年0.1 ℃。工業革命以來, 全球氣溫逐漸上升, 2007年IPCC第四次評估報告中給出: 1906年以來的100 a中, 全球平均溫度大約上升了0.74 ℃[40–41]。青藏高原是全球氣候變化的驅動機與放大器[42], 據剛察氣象站1958—2012年的數據觀測, 青海湖流域生長季均溫為7 ℃, 且具有明顯的波動上升趨勢, 增溫速率達到每十年0. 2 ℃, 顯著高于全球平均值與該區地質歷史時期, 降水量為357.69 mm, 增長速率約為每十年6 mm, 尤其是1990年以來具有明顯的增長態勢(圖3)。

鄭卓等在對部分植物生長所需要的氣候區間和中位數進行對比中得出, 樺屬植物生長所需的年均溫為–3.3—8.8 ℃, 中值為2.0 ℃, 符合青海湖流域現代氣候, 但年降水量區間為458—964 mm[43], 略高于現代青海湖年降水量均值, 但在全新世大暖期, 湖泊鉆孔中孢粉含量高達20%, 所以在全球變暖降水增加的背景下, 可選為備選樹種。現分布于青海地區的油松對生長環境年均溫和年降水量的要求為2.0—7.6 ℃和450—623 mm[44], 均高于現代青海湖流域氣溫與降水。祁連圓柏現分布于青海省東部、東北部及北部、甘肅河西走廊及南部、四川北部[45], 其分布區年均溫在–4—5.5 ℃, 年降水量在120—621.1 mm[46–49], 能夠適應全球變暖趨勢。云杉樹種生長所需的年均溫在–1.2—9.3 ℃, 中值為2.9 ℃, 年降水量在245—905 mm, 中值為685 mm[43], 在全新世大暖期其孢粉含量高, 對環境具有較好的適應能力。青藏高原主要云杉屬植物為: 分布在四川西部、甘肅、青海的瑪柯河、多可河、隆務河流域的紫果云杉, 其生長條件為年平均氣溫2.4—5.2 ℃, 年降水量在450—650 mm[50]；雪嶺云杉現主要分布于天山地區, 年均溫為0—3 ℃, 年降水量約為500 mm[51]；青海云杉現分布區的年均溫在0.3—6.2 ℃, 年降水量在300—620 mm[52–53]。只有青海云杉能夠更好地適應該區現代氣候和未來全球變暖趨勢, 故可選為青海湖流域生態修復的優勢樹種。柳屬生長所需年均溫在–3.4—1.6 ℃, 中值為–0.8 ℃, 年降水量在323—642 mm,中值為463 mm[43], 能夠適應現代青海湖流域氣候變化, 且在青海湖附近考古遺址點中也發現有較多的柳屬碳屑[23], 所以可將柳屬作為該區域生態修復的備選樹種。

云杉作為全新世以來生長在青海湖流域的本土樹種, 隨著人類活動的影響, 其分布范圍逐漸向高山退縮[38], 重建以云杉為主的生態系統對青海湖流域植被修復、涵養水源具有重要意義。

圖3 剛察氣象站氣象數據

Figure 3 The meteorological data of Gangcha weather station

表1 部分植物生長對應的氣候區間和中位數對比表

(注: 數據引自鄭卓, 2008)

3 結論

本文以青海湖流域為研究區, 通過對前人在該區域對全新世以來植物孢粉、碳屑數據分析, 結合剛察氣象站資料和全球變暖趨勢, 對研究區樹種進行重建。青海湖流域生長季升溫速率為每十年0.2 ℃, 遠高于全球平均值。經歷了全新世大暖期的云杉樹種具有較好的適應能力, 蘚類—青海云杉林為較穩定的林型[38], 灌木—青海云杉林有很強的貯水能力[40], 可選為適合該區域的生態修復林型。柳屬和樺屬生長所需溫度、降水能夠適應未來全球變暖, 故作為備選樹種。祁連圓柏現分布于青海東部等地區, 但在青海湖流域湖泊鉆孔孢粉和考古遺址碳屑中均未發現祁連圓柏, 其原因還有待探討。

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A strategy of selecting tree species for ecological restoration in Qinghai Lake Basin Based on the Holocene vegetation records of pollen and wood charcoals in the Qinghai Lake

SUN Manping1,2, E Chongyi1,2*, WEI Haicheng3, HOU Guangliang1,2, SUN Yongjuan3

1.Key Laboratory of Physical Geography and Environmental Processes of Qinghai Province, School of Geographical Science, Qinghai Normal University, Xining 810008, China 2.Qinghai Provincial Key Laboratory of Geology and Environment of Salt Lake, Qinghai Institute of Salt Lakes, Chinese Academy of Sciences, Xining 810008, China

Under the global warming and human activity enhancing, the ecological environment in Qinghai Lake Basin is gradually deteriorated. As an important area for maintaining ecological security in the northeastern Qinghai-Tibetan Plateau, the problem of local ecological environment in Qinghai Lake is severe, andthe necessarity of restoring local ecological system is very urgent. Thus, it is very important and economical to select suitable tree species which will adapt to the future climate warming. In this study, based on the dynamic evolution perspective from the theory of Quaternary science, wood charcoal and pollen records of Qinghai Lake during Holocene were comprehensively analyzed, and the vegetation variations of Qinghai Lake Basin during Holocene were reconstructed. The results show that willow, spruce, pinus, and betula existed a long time in the Qinghai Lake Basin during the entire Holocene. Combined with the modern climate condition and future warming trends of Qinghai Lake Basin, spruce can be selected to be the most suitable species for local ecological restoration in future; willow and betula can be taken as important alterative species.

Qinghai Lake Basin; pollen; wood charcoals; spruce

10.14108/j.cnki.1008-8873.2019.01.008

Q948

A

1008-8873(2019)01-057-07

2018-01-26;

2019-01-03

青海省自然科學基金(2017-ZJ-901); 國家自然科學基金項目(41761042); 中國科學院西部之光青年學者A類項目

孫滿平(1994—), 女, 河南漯河人, 碩士研究生, 主要從事第四紀沉積物年代學研究, E-mail: smp13195796958@163.com

鄂崇毅, 男, 博士, 教授, 主要從事第四紀地質學研究, E-mail: echongyi@163.com

孫滿平, 鄂崇毅, 魏海成, 等. 青海湖流域生態修復樹種選擇策略基于全新世青海湖孢粉與碳屑記錄[J]. 生態科學, 2019, 38(1): 57-63.

SUN Manping, E Chongyi, WEI Haicheng, et al. A strategy of selecting tree species for ecological restoration in Qinghai Lake Basin Based on the Holocene vegetation records of pollen and wood charcoals in the Qinghai Lake[J]. Ecological Science, 2019, 38(1): 57-63.