孤山屯沼泽地晚更新世以来气候演化的植硅体记录

李楠楠，介冬梅，王刘奎，刘洪妍，刘利丹，陈雪松，阳金秀

（1.东北师范大学地理科学学院，吉林 长春 130024；2.国家环境保护湿地生态与植被恢复重点实验室，吉林 长春 130024）

植硅体是发育在高等植物细胞间隙的特殊形态的二氧化硅矿物［1］，不同形态的植硅体记录着不同的植物生态和环境信息［2］.自上世纪中叶植硅体分析技术兴起以来［3］，植硅体分析已经被广泛应用到考古学［4］、植物分类学［5］、第四纪地质学［6－7］等领域.前人的研究表明，不同的植硅体组合特征蕴含了不同的环境信息［1，3］，近年来现代增温、CO2浓度倍增等模拟实验进一步证明随着环境的变迁，植硅体的组合特征乃至大小都会发生相应变化［2，8］.因而，植硅体分析技术在恢复古环境研究中具有重大意义.

东北长白山区处于我国温带地区，是气候变化敏感区之一［9］.长白山区泥炭以其沉积速率大、连续性好、气候信息丰富等特点［10］吸引了许多第四纪研究工作的开展，以泥炭为载体的全新世古气候研究取得了丰硕的成果，孢粉分析［11］、植硅体分析［12－13］、同位素分析［14］等多个古气候代用指标从不同角度恢复了该地区古植被、古降水及古气候演化历史.孤山屯沼泽地处于长白山西麓，植被繁茂.上世纪80年代，刘金陵通过孢粉记录恢复了该区13000年来的古植被、古气候演化历史［15］；随后，王金权又采用碳同位素、氨基酸分析进一步丰富了该沼泽地的气候演化史［16］.然而关于该区域乃至整个东北地区完整的植硅体记录的全新世气候演化资料却少有报道.随着近年来加速质谱放射性14C测年技术（AMS）的发展与广泛应用，14C测年的精度有了很大的提高，为古环境研究提供了便利.为验证植硅体组合特征，反映气候变化的敏感性，以进行区域对比，本文对孤山屯沼泽地750cm的泥炭样芯进行了植硅体分析，结合高密度14C测年数据，与以往研究相比更加准确地重建了该地区自晚更新世以来的古环境演化特征，为东北地区古植被、古气候研究积累了基础资料，丰富了区域研究成果.

1 研究区域概况

孤山屯沼泽地位于长白山西麓、吉林省辉南县境内，该地区平均海拔约500m，周围被玄武岩台地包围，台地中部由于地形较低，长期积水形成沼泽（见图1）.该区属大陆性季风气候，年平均温度为5.5℃，年平均降水量为800mm.采样区内可见到中、湿生植物群落，主要包括山槐（Albizia kalkora）、油桦（Betula ovalifolia）等灌木，以及水湿柳叶菜（Epilobium palustre）、粗根老鹳草（Geranium dahuricum）、苔草 （Carex tristachya）、三褶脉紫菀 （Aster ageratoides）、聚花风铃草（Campanula glomerata L.）、柳叶绣线菊（Spiraea salicifolia）、千屈菜（Spiked loosestrlfe）、鸢尾（Iris tectorum）、地耳草（Hypericum japonicum）等草本植物.

图1 孤山屯沼泽地采样区示意图

2 材料及方法

2.1 样品采集

通过钻孔法采集750cm深的泥炭样芯，并及时记录出土泥炭颜色、质地等泥炭性状.从顶部的草根层到底部的青灰色黏泥层大致可分为9层，各层特征如图2所示.样品采回后，间隔1cm切割样品并将泥炭装入自封袋中备用.本次研究每隔10cm抽取样品进行植硅体分析.

2.2 实验处理

①将泥炭样品置于烘箱内烘干至恒重并记录；②将烘干泥炭置于15mL的PVC试管中，向其中加入浓HNO3溶液并进行水浴加热，直至有机质被完全氧化，结束后用蒸馏水清洗；③加入密度为2.35g／cm3的ZnBr2溶液进行浮选，取上清液，离心后所得沉淀即为植硅体；④向植硅体中加入石松孢子片并使用稀盐酸溶解（便于计算浓度），并用蒸馏水洗至中性；⑤向所得混合物中加入乙醇，然后采用加拿大中性树胶制成永久玻片.在MoticTM生物显微镜下放大600×观察统计，原则上每个层位泥炭样品统计植硅体数目不少于300粒.

2.3 年代序列

为了建立起孤山屯泥炭样品的年代序列，选取了孤山屯泥炭中共计9个样品送往北京大学AMS14C年龄测定实验室进行放射性14C年龄测定，测试结果见表1.对所获年龄数据采用Calib Rev6.0.1程序［17］校正至日历年龄（2σ校正结果），将9个数据点进行线性回归，得到方程y＝18.428x－430.632（见图3）.其中y表示日历年龄（a），x表示采样深度（cm）；该回归方程的相关系数R＝0.999，F检验值为2351.696，表明拟合结果很好.其余剖面年龄可通过线性内插获得，进而建立起全剖面的年代序列，经计算剖面样品时间分辨率为185a.

图2 孤山屯泥炭剖面分层图示及剖面描述

图3 孤山屯泥炭采样深度同14C年龄关系回归曲线

表1 孤山屯泥炭剖面放射性14C年龄测试结果

3 结果与讨论

3.1 植硅体组合特征

整体看来，全剖面植硅体含量丰富，形态类型多样.剖面中的植硅体主要来自于禾本科植物，少数为菊科，偶见蕨类植物以及裸子植物、阔叶树等木本植物类植硅体［1］.其中可观察到蕨类植物的三棱柱型，裸子植物及阔叶树中的扁状棒型和不规则立方体型（以下简称为不规则型），其余为禾本科等草本植物中常见的植硅体类型.与此同时，本剖面中还观察到了海绵骨针、硅藻等.本文选取其中16种具有代表意义的植硅体类型进行统计，主要包括光滑棒型、突起棒型、刺状棒型、齿型（包括二齿型、三齿型和多齿型）、帽型、尖型、哑铃型（包括十字型）、多铃型、扁状棒型、导管型、鞍型、扇型、方型（包括方型和长方型）、不规则型、三棱柱型和海绵骨针（见图4）.

经显微镜下鉴定统计，全剖面74个样品中共鉴定出22370粒植硅体，其中各类型植硅体及其百分含量变化情况如图5所示，结合有序聚类结果将孤山屯植硅体组合划分为5个谱带，代表着5个气候演化时期.

阶段Ⅰ（13390－11179cal.a B.P.）：棒型－尖型组合带.这一时期，棒型植硅体含量达到了剖面中的最大值，平均值为71.95%；同时，诸如尖型、帽型等其他示冷型植硅体也具有较高含量，哑铃型、鞍型、扇型等示暖型植硅体含量极低，表明本时期植硅体组合以示冷型植硅体为主.蕨类植物植硅体含量0.71%，接近于全剖面平均水平的0.97%，而木本植物植硅体在本时期含量也相对较低.综合各类型植硅体组合特征，说明本时期以冷干气候为主.

图4 孤山屯沼泽地泥炭剖面典型植硅体形态

阶段Ⅱ（11179－6572cal.a B.P.）：棒型－方型－尖型组合带.进入本阶段，棒型植硅体含量有所降低，平均含量降至64.73%，其他示冷型植硅体含量同样有所减少.示暖型植硅体较前一阶段增加，尤其是多铃型、扇型和方型植硅体.木本植物中的扁状棒型、不规则型植硅体相对增多，结合孢粉分析结果推测本时期相对适宜的气候为木本植物生存繁衍提供了条件［15］，蕨类植物植硅体在本时期也相对上升，表明环境湿度也有所增加.总体看来，本阶段气候转暖转湿，条件相对适宜.

图5 孤山屯泥炭剖面各类型植硅体组合及分带图

阶段Ⅲ（6572－4913cal.a B.P.）：哑铃型－方型－鞍型组合带.本阶段木本类植硅体含量增多，裸子植物的扁状棒型、阔叶树种的不规则型植硅体增加.哑铃型、多铃型、方型、扇型等示暖型植硅体均较前一时期有明显增多，与之相比，棒型植硅体的百分含量则有明显下降，表明本阶段气候承接了阶段Ⅱ气候转暖的趋势，气候变得更加温暖湿润，为本区气候最适宜时期，与全新世大暖期相当［18］.

阶段Ⅳ（4913－2149cal.a B.P.）：齿型－哑铃型－鞍型组合带.本阶段与前一阶段相比示冷型植硅体有所增加，各类型植硅体百分含量波动变化明显.本阶段气候开始转凉，推测可能是受到了新冰期的影响.

阶段Ⅴ（2149cal.a B.P.—）：齿型－哑铃型－帽型组合带.本阶段齿型、帽型植硅体有明显的增多，棒型植硅体则达到全剖面中的最低值，平均值仅为46.06%（剖面平均值59.60%），裸子植物植硅体含量在0.67%～3.92%之间变化，气候有所转凉.除此以外，本时期气候的又一典型特征是气候波动频繁，示冷、示暖型植硅体百分总量交替上升.进入近300年，示暖型植硅体总量有所增加，代表着人类活动影响的海绵骨针型植硅体百分含量也有所增加［19］，气候转暖.

综上，依据不同时期的植硅体组合特征，孤山屯沼泽地地区气候演化过程经历了冷干—转暖—温暖湿润—温凉的变化过程，揭示了孤山屯沼泽地晚更新世以来的气候演化史和植被史.

3.2 温暖指数变化特征及讨论

随着植硅体在第四纪地质学中的广泛应用，植硅体分析在恢复重建古环境中出现了许多古温度、古湿度模型，在诸多模型中，温暖指数模型是最简单也是最为常用的计量方法［20］.本文选用植硅体温暖指数变化序列作为孤山屯地区晚更新世以来古温度的代用记录，其中温暖指数变化序列与哈尼地区泥炭纤维素δ18O曲线［14］及北大西洋染色赤铁矿颗粒百分含量变化曲线反映的8次浮冰碎屑（Ice Rafting Detritus）事件［21］综合对比表明（见图6），孤山屯植硅体温暖指数与长白山哈尼地区δ18O曲线变化特征相似；此外，温暖指数变化曲线与染色赤铁矿颗粒百分含量变化曲线对比表明，本区也出现了一些同浮冰碎屑事件相对应的气候转冷时期或气候冷事件，植硅体温暖指数变化序列能够很好地反映出晚更新世以来该区的古温度变化特点.

3.2.1 快速振荡的晚冰期气候

在距今约13.4ka前，孤山屯地区植硅体温暖指数较低，该时期对应于第四纪晚冰期.本阶段初期冰川前进、气候寒冷，只有一些耐寒植物生存［15］.12.4～11.8ka间，本区进入了短暂的冰消期，温暖指数上升，表明温度升高、气候转暖，冰川后退，这一短暂的温暖期可与阿勒罗德暖期（Allerød）相对应.很快，阿勒罗德暖期被发生在11.7ka前的一次强烈的降温事件打断，该事件也即新仙女木事件（Younger Dryas）.目前较为公认的新仙女木事件发生在距今11～10ka前［22－23］，其中Bond等人认为新仙女木事件发生在12.9～11.5ka前［21］，本文可与之很好对比.新仙女木事件在本区持续时间并不长，此后，孤山屯地区植硅体温暖指数缓慢上升，气候转暖，进入全新世.由以上可以看出，在晚冰期气候逐渐转暖的背景下，本区古气候出现了“冷—暖—冷—暖”的气候振荡，表明晚冰期、冰川消融期出现了若干系列的冰川“前进—后退”事件，植硅体记录很好地揭示了晚冰期气候系统的振荡性与复杂性.

图6 孤山屯植硅体温暖指数与哈尼泥炭纤维素δ18 O曲线、北大西洋浮冰记录对比结果

3.2.2 全新世开始与大暖期气候

有关全新世开始时间的讨论，学术界一直存在不同看法，然而普遍观点是全新世气候相比冰期气候明显转暖，全新世古温度波动也相对平缓［14］.孤山屯沼泽地植硅体温暖指数记录的古温度代用曲线表明，新仙女木事件结束后，气候转暖，古温度逐渐攀升至相对稳定并进入全新世.孢粉分析结果同样表明在距今1万年前后，气候转暖，完成了由晚冰期向全新世的过渡［15］.

全新世大暖期是全新世气候最适宜的时期，我国全新世大暖期的起讫时间通常被认为是8.5～3ka前［18］，孤山屯剖面植硅体温暖指数变化特征表明，本区最适宜气候期发生在7～3ka间，这一时期温度较高，植被繁盛，适合各类生物繁衍.贵州董哥洞石笋δ18O曲线也记录了本时期湿润的气候，石笋记录表明本时期δ18O变轻，石笋生长速率增加，气候转湿，夏季风活动加强［24］.王晓岚等通过郑州西山黄土Kd值也发现7～4ka前气候相对湿润［25］.尽管如此，孤山屯剖面植硅体记录仍显示在全新世大暖期该区还是发生了若干次气候变冷事件，在7～3ka间，就出现了4.7ka及4ka的冷事件，可与贵州董哥洞石笋δ18O曲线所记录的4.75ka，4.4ka事件相对应［24］.

3.2.3 全新世气候转冷事件

孤山屯沼泽地植硅体温暖指数古温度代用曲线表明本区发生了多次气候转冷事件，其中有6次气候转冷能够与Bond等人发现的北大西洋浮冰碎屑事件很好对应（见图6）.进入全新世，植硅体温暖指数逐步下降，约在9ka左右降至最低，这可能与北大西洋冰芯记录的9.2ka事件相对应［26］；贵州董哥洞石笋δ18O曲线也记录了本次降温事件，在9.2ka左右贵州董哥洞石笋δ18O突然变重，变化幅度为1.4‰，表明气候转干转冷［24］.与此同时，对全新世气候影响最大的“8.2ka”快速降温事件［22，26］，在本区也有所记录，受到该事件影响，植硅体温暖指数下降至0.1，Mayewski等人通过全球多个记录证明9～8ka前存在明显的气候转冷事件［27］.进入近3ka，本区气候进入新的气候时期——新冰期［22］，新冰期气候相对转凉，且波动更加频繁，振动幅度也较大，植硅体温暖指数记录本时期出现了多次冷—暖交替事件，其中包括发生在近百年的小冰期（Little Ice Age）事件.

4 结论

孤山屯沼泽地晚更新世泥炭岩芯中植硅体类型丰富，其中以草本类植硅体为主要类型，此外还包括部分木本植物及蕨类植物的植硅体.主要类型包括棒型、齿形、帽型、尖型等示冷型植硅体，以及哑铃型、鞍型、方型等示暖型植硅体.

依据不同层位的植硅体组合特征可将全剖面划分为5个组合带，分别代表5个不同的气候演化时期，植硅体组合很好地揭示了本区气候变化经历了冷干—转暖—温暖湿润—温凉的变化过程.

基于温暖指数的孤山屯沼泽地古温度代用曲线，很好地记录了该区古气候演化历史，反映出了东北地区全新世气候的变化特征.以植硅体为代用指标的古环境重建结果与δ18O曲线及北大西洋浮冰碎屑事件具有一定的可比性，同时也具有区域差异.总的来说，植硅体温暖指数对古气候变化记录结果相对准确.

依据植硅体组合特征及温暖指数变化特点，以植硅体为气候代用指标的古气候重建可以较好地反映出气候演化的各个阶段，对气候事件的识别也相对准确，可为区域古气候研究及对比提供参考；同时也反映出植硅体分析方法在古气候研究中具有广阔的应用前景.

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