阿拉善沙漠全新世钙质根管形成机制及其古环境指示意义：来自微观形态学证据

李卓仑，高有红，李若兰，王乃昂，朱瑞霞

兰州大学资源环境学院 兰州大学冰川与沙漠研究中心，兰州 730000

0 引言

钙质根管(Calcareous root tubes/rhizoliths)是陆生高等植物在生物沉积作用下，形成于存在土壤水分季节性亏损的干旱和半干旱地区石灰质土壤中的次生碳酸盐结壳[1-5]。在黄土—古土壤序列[6-8]、海岸沙丘[9-11]以及干旱内陆地区[12-15]均有报道。年代学研究结果表明全新世时期钙质根管的14C年代结果在千年尺度可靠性较高[4,16-17]，并且形成时间远小于其他次生碳酸盐[18]。此外，钙质根管具有纯的生物成因源特征[5,19]。上述研究揭示了钙质根管具有分布广泛、测年结果可靠性较高、环境指示意义相对明确等优势，是建立千年尺度环境演变序列的良好材料，已被广泛应用于古环境重建中[20-22]。因此，对钙质根管深入研究，有望为古环境重建提供新的信息载体，亦可为区域古环境变化研究提供新的证据。

虽然前人对钙质根管的分类[1,23]和形成机制[6,18,24]等方面进行了研究，但由于钙质根管分布地区自然环境特征的差异性、不同环境下形成的钙质根管外观结构的特殊性，导致对钙质根管的形成机制研究存在较大的争议。此外，其环境指示意义也有待于进一步的深入研究。以阿拉善沙漠钙质根管为例，其在巴丹吉林沙漠、腾格里沙漠和乌兰布和沙漠都有大量的分布[15]，高尚玉等[25]认为腾格里沙漠钙质根管产自砂质古土壤中的蚀余堆积；陈建生等[26]认为巴丹吉林沙漠钙质根管是由地下水中的碳酸盐重结晶作用形成。但不同的观点则认为阿拉善沙漠钙质根管主要是由于气候湿润时期高降水量所形成的，可以指示湿润气候[4,12]。这些分歧无疑造成了钙质根管的形成机制及其环境指示意义在该区域尚不明确，限制了其在古环境重建中的应用。同时，上述分歧的存在对钙质根管是否具有明确的古环境指示意义提出了需要进一步深入探讨的问题。

基于上述，本研究以近10年已采集的32组阿拉善沙漠全新世钙质根管样品为基础，采用扫描电镜分析的方法，明确该区域钙质根管的微观特征并以此探讨该区域钙质根管的形成机制及其古环境指示意义，为沙漠腹地古环境研究提供新的信息载体。

1 区域概况

阿拉善沙漠位于内蒙古北部及甘肃北部，主要包括巴丹吉林沙漠、腾格里沙漠和乌兰布和沙漠，面积约10×104km2(图1)。海拔高度1 000～1 500 m左右，地势由南向北倾斜，地面起伏不大，仅有少数山地超过2 000 m，最低处居延海附近为820 m。高原上有若干相对高差100～250 m的干燥剥蚀丘陵低山，把高原分割成为许多内陆盆地。地表物质西部以戈壁为主，东部沙漠面积广。自然景观主要以荒漠草原、流动沙丘、戈壁为主。

巴丹吉林沙漠位于雅布赖盐湖与雅布赖山之西北，宗乃山、省道S218公路以西，黑河正义峡出山口、弱水东岸至古日乃湖以东，合黎山、北大山以北，拐子湖、古居延泽以南(图1)，面积为5.2×104km2，系我国第二大沙漠[28]。气候干旱，多年平均降水量由东南向西北逐渐减少，东南部约为120 mm，西北部不足40 mm，沙漠腹地降水量在100～110 mm并且90%以上的降水为单次小于5 mm降水[29]。与世界上其他沙漠明显不同的是，东南部的高大复合型沙山，相对高度一般达200～300 m，最高的超过430 m；沙山之间的洼地分布着许多大小不等的永久性湖泊，最大达1.5 km2，绝大多数属矿化度很高的盐碱湖，还有一定数量的淡水湖[30-31]。腾格里沙漠位于阿拉善沙漠东南部，介于贺兰山、祁连山与雅布赖山之间(图1)，面积约为4.27×104km2，是中国第四大沙漠[32]。区内地势总体呈现西南高，东北低的趋势，海拔1 100～2 000 m。沙漠内部分布着众多湖泊，大小不等，形态各异，除淡水湖泊之外，还有很多矿化度高的咸水湖及一定数量的干涸盐碱湖盆[33]。年平均降水量l25～160 mm。乌兰布和沙漠位于阿拉善沙漠东部(图1)，面积约1.1×104km2。包括河套以西、阴山以南一直到贺兰山以北的大面积流沙地区，东部与黄河紧邻。沙漠南部主要为高大沙山，北部以流动沙丘、固定—半固定沙垄为主[34]。该区域年平均温度为7 ℃，年降水量103 mm，65%年降水主要集中在夏季。

2 材料和方法

2.1 样品采集

钙质根管广泛分布在阿拉善沙漠腹地，呈水平或直立状分布于平沙地与丘间洼地中，并在巴丹吉林沙漠高大沙山上亦有分布[4,15]。本研究分别在巴丹吉林沙漠采集了5组钙质根管样品，在腾格里沙漠采集了14组钙质根管样品，乌兰布和沙漠采集了13组钙质根管样品，共计采集了32组全新世钙质根管样品，采样位置如图1所示。样品的宏观形态描述以及14C年代结果详见文献[15]。

图1 研究区示意图及阿拉善沙漠全新世钙质根管样品采样点分布Fig.1 Location of the study area and the Holocene calcareous root tubes sampled in the Alashan Desert

2.2 实验方法

扫描电镜实验在兰州大学物理科学与技术学院Hitachi S-4800扫描电子显微镜和MIRA 3 XMU场发射扫描电子显微镜下完成。将已经自然风干的钙质根管样品外侧石英砂胶结物、内部碳酸盐胶结物、以及全样钙质根管的横截面分别使用常规真空喷镀法喷金60秒后，放大30～30 000倍之间共14个倍数下观察并成像。累计拍摄扫描电镜图片433张。

钙质根管中方解石结晶垫结构和钙化细丝微观结构的形成与植物根系活动密切相关[1,27]，是受到真菌、蓝藻细菌、地衣、细菌和植物根系活动的影响而由生物作用形成的微形态结构[35-36]。因此，本文选取方解石结晶垫结构和钙化细丝微观结构进行统计。

3 结果分析

扫描电镜结果显示，本研究中的32组钙质根管样品全部含有方解石结晶垫结构或钙化细丝微观结构。其中20组钙质根管样品具有方解石结晶垫结构，占样品总数的62.5%；19组钙质根管样品具有钙化细丝微观结构，占样品总数的59.37%。此外，所有样品中未发现钙化细胞的存在。在巴丹吉林沙漠的5组样品中均发现了方解石结晶垫结构和钙化细丝结构。在腾格里沙漠，有2组样品既发现了方解石结晶垫结构又发现了钙化细丝结构，其余各自有6组样品分别有方解石结晶垫或钙化细丝结构。在乌兰布和沙漠，有7组样品含有方解石结晶垫结构，其余6组样品中含有钙化细丝结构。这种方解石结晶垫或钙化细丝结构，在不同区域或不同年代的钙质根管样品中，并没有明显的分布差别。

方解石结晶垫结构分布在钙质根管样品的内侧。方解石结晶垫在形态上为表面布满了长粒状或针状的方解石结晶，结晶方向随机，具有锯齿状边缘(图2)。巴丹吉林沙漠样品的方解石结晶有粒状方解石结晶和针状方解石结晶两种类型(图2a，b)：其中粒状方解石结晶长约45～50 μm，直径约2～5 μm(图2a)；针状方解石结晶长度小于50 μm，直径小于5 μm(图2b)。腾格里沙漠样品的方解石结晶垫上的结晶有米粒状结晶和针状方解石结晶两种类型(图2c，d)：米粒状的结晶中间粗，两端细，其长约2～7 μm，直径约0.5～2 μm(图2c)；针状方解石结晶长度不足5 μm(图2d)。乌兰布和沙漠钙质根管方解石结晶垫上的结晶则以粒状方解石结晶(图2e)和极细针状方解石结晶(图2f)两种类型为主：粒状方解石结晶(图2e)与巴丹吉林沙漠方解石结晶垫上结晶形态相似，极细针状方解石(图2f)直径小于5 μm。

图2 阿拉善沙漠全新世钙质根管方解石结晶垫微观特征a，b.巴丹吉林沙漠钙质根管的方解石结晶垫；c，d.腾格里沙漠钙质根管的方解石结晶垫；e，f.乌兰布和沙漠钙质根管的方解石结晶垫Fig.2 Micromorphology (calcite crystal cushion) of the calcareous root tubesa, b. sampled from the Badain Jaran Desert; c, d. sampled from the Tengger Desert; e, f. sampled from the Ulanbuh Desert

钙化细丝微观结构由菱形方解石构成，在钙质根管结构内侧和外侧均有分布。巴丹吉林沙漠样品中钙化细丝长约0.4～6 μm，宽约0.1 μm，与粒状和块状的钙化结晶均匀相交分布(图3a)；长粒状钙化细丝长约1.5～5 μm，直径约0.3～0.7 μm，与长粒状方解石结晶之间紧密胶结(图3b)。腾格里沙漠钙质根管钙化细丝表面粗糙，最长可达165 μm，直径4～6 μm(图3c，d)。乌兰布和沙漠片状钙化细丝结构分布于钙质根管结构外侧，表面粗糙，具有折角，长约4～60 μm，宽约1～6 μm(图3e，f)。

在路径规划中，需先对环境信息进行描述。由于复杂的海面环境导致算法不能直接被利用，采用坐标法建立海平面二维模型，并将复杂的海面地理信息进行简化，把障碍物适当扩大安全距离，转化成简单的封闭几何图形(见图1)。图1a)地图位于印度尼西亚附近海域，由部分岛礁组成中心经度为123°38′，纬度为01°57′；图1b)地图在坐标平面内以黑色部分表示障碍物，(0，0)为起始点，(40，40)为目标点。

4 讨论

4.1 钙质根管的形成机制

在不同区域钙质根管的形成机制可能存在一定差异。生长在酸性中和度较高的石灰质土壤和盐碱土壤中的植物会通过根系的呼吸作用，呼出CO2，同时交换周围土壤中的Ca2+和H+供植物生长的营养所需，并溶解周围土壤中的矿物质和营养元素。矿物质和营养元素逐渐在植物根部表皮细胞中沉淀胶结并形成钙化细胞[6]，即细胞内钙化机制，无微生物活动的参与。

另一种观点则认为，在干旱环境条件下，土壤溶液沿植物根部移动的过程中Ca2+会积累在根围并被转化成碳酸盐，在蒸发作用下碳酸盐围绕着植物根系沉淀形成了管状的胶结[5]。与此同时，植物根系和根围的微生物向根围释放CO2和黏液，并且植物根系在死亡腐烂期间，微生物降解亦能向周围环境释放大量的CO2，上述植物根系以及微生物活动产生的CO2与有效水结合形成碳酸，溶解根围的含钙矿物进一步形成碳酸盐沉淀，并且植物根系释放的黏液有利于胶结周围土壤形成坚硬的外壳。此机制即为根围钙化机制。根围钙化机制发生在植物活着和腐烂期间，并需要有植物根系活动和根围微生物的参与。并且，与其他次生碳酸盐相区别的是，由于受到真菌、蓝藻细菌、地衣、细菌和植物根系活动等生物作用的影响，加快了次生碳酸盐的沉淀[35-36]，使钙质根管的形成时间远小于非生物成因的次生碳酸盐[37]。

图3 阿拉善沙漠全新世钙质根管钙化细丝微观结构a，b.巴丹吉林沙漠钙质根管的钙化细丝结构；c，d.腾格里沙漠钙质根管的钙化细丝结构；e，f.乌兰布和沙漠钙质根管的钙化细丝结构Fig.3 Micromorphology(calcified filaments) of the calcareous root tubesa, b. sampled from the Badain Jaran Desert; c, d. sampled from the Tengger Desert; e, f. sampled from the Ulanbuh Desert

前人的研究表明，钙质根管中方解石结晶垫结构和钙化细丝微观结构的形成与植物根系活动密切相关[1,27]，由生物作用形成[35-36]。本研究结果表明，所有样品中均未观测出钙化细胞的存在，表明阿拉善沙漠钙质根管的形成，与植物细胞内的钙化无关。相反，方解石结晶垫结构或钙化细丝结构在全部钙质根管样品中均存在，表明了根围微生物活动参与了钙质根管的形成过程。Lietal.[22]对本研究的钙质根管样品中有机地球化学分析结果显示，阿拉善沙漠钙质根管中含有大量以C16为主峰的短链正构烷烃，揭示了微生物作用对钙质根管的形成具有重要的影响。这也证明了钙质根管的形成不是受到细胞钙化机制的影响。换言之，阿拉善沙漠钙质根管的形成过程伴随着微生物活动作用，即符合根围钙化机制。

李卓仑等[38]研究指出，阿拉善沙漠钙质根管碳酸盐矿物主要以方解石为主，不含文石，是典型的次生碳酸盐。陈建生等[26]曾认为，巴丹吉林沙漠钙质根管主要是由地下水重结晶作用所形成。但值得注意的是，从目前已采集的40余组钙质根管样品的14C年代结果分布，其主要在MIS 3a阶段和全新世中晚期，并无小于1 cal kyr B.P.的年代结果[4,15]。即使考虑了14C测年结果的误差，单纯的地下水重结晶作用仍无法解释为何在该区域未有近1 ka时期的钙质根管的形成，同时也无大量现代钙质根管的形成。

钙质根管是一种次生碳酸盐的沉积[27,39]，这一特点限制了钙质根管形成所需的水分条件，即除需要有微生物活动的参与外，还需要满足土壤水分的季节性亏损前提，才能够形成钙质根管这种类型的次生碳酸盐的沉积[27,39]。当降水量过高会导致土壤水分的强烈下渗而无法形成次生碳酸盐的沉积；当降水量过低，低土壤含水量无法溶解方解石并产生碳酸盐溶液。因此，土壤含水量过高和过低均会影响钙质根管的形成。已有研究表明[5,40-41]次生碳酸盐沉积往往发生在年降水量小于500 mm的地区，在多年平均降水量为150～400 mm 地区分布最为广泛。Lietal.[4]对阿拉善沙漠钙质根管形成所需的降水量阈值研究认为，其钙质根管形成时，多年平均降水量可能在200 mm以上。阿拉善沙漠位于中国北方干旱区，该地区表层土壤中的水分含量主要受控于降水量的多寡，并存在明显的季节性土壤水分亏损[29，42]。由于该地区年降水量多在150 mm以下，导致了低土壤含水量无法溶解方解石更无法产生碳酸盐溶液，亦即无法形成钙质根管。因此，该地区已发现并报道的钙质根管均为地质历史时期的产物[4,12,15,25-26]，尚未有关于现代钙质根管大量分布的报道。

综上，阿拉善沙漠钙质根管的形成主要是由于土壤水分的季节性亏损，在蒸发作用的影响下，土壤中的次生碳酸盐在植物根系周围形成了管状的沉积。而非由地下水重结晶作用形成的。

4.2 古环境指示意义

在阿拉善沙漠地区，钙质根管的形成除受到生物因素的影响外，还受到土壤含水量(或降水量)以及蒸发量的控制。因此，钙质根管的形成过程会记录当时的古气候特征。在全新世中期，该区域夏季降水量较现代增加[43]，蒸发量较现代偏低，气候相对湿润，在腾格里沙漠和巴丹吉林沙漠腹地湖泊水位较高，形成了全新世高湖面和泛湖期[44-46]。在此气候背景下，土壤水分会形成季节性亏损，有利于钙质根管的形成。Lietal.[15]统计分析了阿拉善沙漠34组全新世钙质根管的时间分布频率，其中62%的钙质根管分布在全新世中期(8.0～5.0 cal kyr B.P.)，与该地区其他代用指标所揭示的气候相对湿润特点相一致。这一结果一方面揭示了该区域钙质根管的形成受到气候因素(有效湿度)的影响：气候相对湿润时期有利于钙质根管的形成，气候干旱时期则不利于钙质根管的形成；另一方面亦表明，干旱沙漠地区钙质根管具有明确的古环境指示意义：大量钙质根管的存在可以指示气候相对湿润时期，并且钙质根管的时间分布频率可以指示区域有效湿度的变化[15]。但是由于太湿润和太干旱气候条件下，均不利于次生碳酸盐的积累和钙质根管的形成[5,40-41]，因此钙质根管可能无法指示极端的气候事件。此外，沙漠腹地湖泊周围的丘间洼地和局地滞水环境下的土壤含水量往往会相对较高，因此即使在干旱气候条件下局地滞水环境下亦可能形成少量的钙质根管[15]，这种钙质根管更多的指示了一种局地土壤水分环境而非古气候环境。故而，单个钙质根管具体的环境指示意义需要结合沉积地层以及沉积环境进行详细的分析[15]，才能确定其指示的是局地环境还是一个区域环境。

土壤中碳酸盐溶液沉淀形成管状胶结的过程中，由于受到蒸发作用的影响，土壤溶液中的元素往往会发生化学分异过程，故而钙质根管中的化学元素比值可以很好的记录当时的环境信息[47]。譬如，在降水较多、土壤水分充足的条件下，离子半径较小的Ca会比Sr更容易迁移，Ca会先被土壤水溶解达到饱和，Sr则会继续溶解。故土壤中水分含量越高、土壤水中Sr的含量越高。因此，钙质根管中Sr/Ca比值即可以指示有效湿度的变化[47]。此外，由于钙质根管的形成受到了植物根系以及微生物作用的影响，故而在形成过程中可以记录当时的植被信号[22,37,48]。Lietal.[22]研究表明，阿拉善沙漠钙质根管中正构烷烃主要来源于高等植物的根系和微生物，高等植物中的正构烷烃主要以C27为主，揭示了沙漠腹地中全新世以来主要以木本植被为主的特点。因此，钙质根管中的有机地球化学特征往往可以揭示沙漠腹地的古植被特征。

5 结论

通过对阿拉善沙漠钙质根管的微观形态分析，明确了阿拉善沙漠钙质根管的形成机制，证实了植物根系和根围微生物活动参与了该地区钙质根管的形成。阿拉善沙漠钙质根管的形成主要是由于土壤水分的季节性亏损，在蒸发作用的影响下，土壤中的次生碳酸盐在植物根系周围形成了管状的沉积。而非由地下水重结晶作用形成的。

阿拉善沙漠钙质根管在形成过程中，不仅受到了土壤含水量以及蒸发量的影响，还受到植物根系和微生物作用的影响。因此，钙质根管中记录了区域古环境和古植被信息，是沙漠腹地古环境重建良好的信息载体。我们可以从钙质根管中提取古环境信息，重建沙漠腹地古气候以及古植被的变化。但是对沙漠腹地湖泊周围的丘间洼地和局地滞水环境下形成的钙质根管，更多的指示了一种局地土壤水分环境而非区域古气候环境。

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