六盘山地区矿养泥炭地沉积速率与全新世气候变化

王鹏 陆爱国 李蓓

（宁夏回族自治区煤炭地质局 宁夏银川 750001）

0 引言

泥炭地的生态价值、科研价值已越来越受到科研工作者的重视，其所记录的古环境变化信息对于研究碳循环和气候变化已发挥了重要的作用。目前对于泥炭记录的研究多集中在东北长白山地区及青藏高原三江源地区，研究成果显著，同时也积累了丰富的研究方法。宁夏六盘山地区地处黄土高原西部，系祁连山地槽与华北地台的过渡带，属中温带季风区半湿润向半干旱过渡性气候区。有别于上述研究区域，六盘山地区降水量较少，难以形成大范围雨养泥炭地。得益于得天独厚的自然地理条件，在许多山间洼地及山前坡地上形成了多处矿养泥炭地。因此，六盘山泥炭地形成条件更为复杂，加之地处黄土高原，其独特的地域代表性更具研究价值。

1 区域背景

研究区位属祁连山褶皱带东缘，近似南北的狭长地带，东部有白垩系基岩出露，中部和西部被第四系风积砂或古近系的紫红色黏土所覆盖。最高海拔美高山2 942 m，大部分区域在1 900～2 500 m 之间。泥炭地发育多位于山间洼地及山前坡地形成的地下水排泄区。各泥炭地区块泥炭赋存层位不同，除少数泥炭地（如靳家沟泥炭地）为含表露泥炭地层，其由泥炭层及其下部沉积物所组成外，其他大部分为含埋藏泥炭地层，即由泥炭层及其上、下部沉积物组成。

2 研究区泥炭地分布及其特征

据走访调查、现场踏勘，确定具有研究意义的泥炭地区块20 个，基本沿六盘山主山脉西侧分部，总面积58 hm2。泥炭层全区稳定连续分部的泥炭地11 个，莲花沟北、田堡、毛庄、槽子梁等；泥炭层平均厚度＞0.3 m 的泥炭地10 个；平均厚度＞0.5 m的泥炭地5 个；垂向上，泥炭层一般分布在垂深0.50～3.50 m范围内，最深8.9 m（陈靳南），最浅0.03 m（靳家沟）。调查区内泥炭多为暗褐、黑褐，泥炭的结构多呈粗纤维状、中纤维状、纤维状，少数为细纤维状、碎纤维状。泥炭的自然含水量平均为20%～60%，最高为65.9%，最低为5.60%。干容重为0.90～1.31 g/cm3，真密度2.01～2.69，纤维含量4.26～37.63%。有机质含量较低，一般在10%～30%，最高35.37%，最低6.26%。腐殖酸含量为0.20%～0.88%，泥炭灰中铝成分不高，硅成分稍高。各泥炭地泥炭层之间灰成分变化不大。

3 年代框架与沉积速率分析

六盘山西麓泥炭沉积深度集中在0～8.8 m，除裴家后沟以外，多数厚层泥炭层沉积在5.0 m 以内的深度。各区域沉积深度及沉积年代差异较大，外源沉积物的成分及沉积速率也各不相同。将槽子梁剖面年代数据及其他区域泥炭层深度年代数据投至沉积物深度—年代关系图（图1）上，建立六盘山西麓泥炭地年代序列。

图1 沉积物深度—年代关系图

从剖面年代图（图1）上可以看出，泥炭层沉积多集中在5 000～6 000 a B.P.间以及3 000 a B.P.后的时间范围内。从沉积时间上来看，5 000～6 000 a B.P.间以及3 000 a B.P.后的时间范围应该更有利于泥炭地的发育，相对温度和湿度配置较好。

各区块地层平均沉积速率在0.34～4.4 mm/a 之间。沉积速率最小为田堡，沉积物以含砾细砂、含砂黏土、黏土及泥炭为主，其中泥炭层厚度共计0.28 m；沉积速率最大为裴家后沟，沉积物以粉质黏土、砂质黏土为主及泥炭为主，其中泥炭层厚度共计0.61 m。代表剖面槽子梁地层平均沉积速率0.48 mm/a，沉积物以砂质黏土、黏土及泥炭为主，泥炭层厚度共计1.15 m，泥炭层沉积速率0.13 mm/a。靳家沟沉积速率1.27 mm/a，沉积物全部为泥炭层，厚度2.38 m；山河泥炭层沉积速率0.27 mm/a。地层沉积速率柱状图（图2）显示地层沉积速率从1 680 a B.P.开始明显加快，说明环境剧烈变化造成了外源物大量入侵或内生物大量生产沉积。

图2 地层沉积速率柱状图

从泥炭层的沉积速率来看，靳家沟沉积速率最大1.27 mm/a，其沉积年代为1 870 a B.P.后。但同属3 000 a B.P.后年代区间的山河泥炭层沉积速率只有0.27 mm/a。说明矿养泥炭地受到多种环境条件影响，比大范围雨养泥炭地形成更为复杂，沉积速率不能很好地代表气候环境条件。

4 孢粉分析

孢粉鉴定共分析孢粉样品32 组，样品在实验室里经过酸、碱等化学处理，最后制活动玻片在生物显微镜下进行观察、鉴定、统计。共统计陆生植物花粉5 670 粒，平均每个样品196 粒，孢粉总浓度为4 725 粒/g，共发现并鉴定了60 个科属的植物花粉。

由孢粉数量、浓度分布图（图3）可以看出，除靳家沟样品（1 870 a B.P.）孢粉总数为55 粒以外，其他样品孢粉数量均在100 粒以上。从区块划分来看，孢粉总数在同一区块不同年代的数值较为接近，而孢粉总数在不同年代区间的分布并无明显的规律性变化。说明样品孢粉受远距离植被孢粉传播的影响较小，受地形及花粉传播距离等条件影响，样品孢粉基本代表了区块附近的植被发育情况。

图3 孢粉数量、浓度分布图

从孢粉占比分类统计图（图4）上看，木本植物孢粉占比在12 420～10 470 a B.P.间为51%～74%，9 400～3 160 a B.P.间占比较大，随后总体占比减少，以草本植物为主。蕨类植物孢粉占比在2 870～1 680 a B.P.间占比增加。

图4 孢粉分类占比条形图

为进一步确定环境气候特征，需从不同代表植被的孢粉特性及其代表的环境特征进行分析。

（1）云杉属、松属。云杉属花粉的含量在一些时段比较高，成为乔木花粉的主要成分，对恢复其古植被有重要意义。许多学者曾研究云杉花粉的飞翔能力，对云杉花粉传播能力的实验证实，内蒙古大兴安岭的西坡锡林河流域纯云杉林内，表土样品中云杉花粉的含量＞50%，最多达84.2%，距云杉林30 m处，其含量降至35%，距云杉林300 m 外，含量降至1%［1］。以上研究表明云杉花粉在风媒的环境下不能远距离传播，符合本文孢粉只代表附近环境特征的推论。六盘山泥炭地云杉含量超过15%，部分样品云杉含量超过30%的阶段，指示在相应沉积环境下的孢粉源区范围内有云杉林发育。

（2）阔叶树。阔叶树孢粉含量比针叶树低，主要是桦木属、栎属、榆属、胡桃属，其中栎属占比最大，大多数＜10%。5 490 a B.P.出现峰值达到57.6%，其次为2 930 a B.P.的23.8%及300 a B.P.的24.9%。根据采样区块的环境现状推断300 a B.P.阔叶树孢粉浓度较大，极有可能是因为植树造林等人类活动影响。多数时段低含量阔叶树花粉表明研究区周围没有大面积阔叶林生长，可能在周围山地区域存在与针叶林混杂生长而形成的小面积针阔混交林，故有少量的阔叶树花粉沉积。

（3）莎草科。莎草科为多年生或一年生草本，常生于潮湿处或沼泽中。莎草科植物是草甸、沼泽草甸和草甸草原的主要组分，相对喜湿。同时，许多研究也表明，莎草科花粉是干旱地区区域性特征花粉之一［2］。莎草科植物经常分布于河滩地、滞水洼地以及湖盆周围的沼泽草甸类隐域性植被中。若尔盖地区的孢粉研究表明莎草科花粉含量同时也反映了草甸的沼泽化程度［3］。此外，该研究区的表土花粉研究显示：莎草科植物主要分布在高山草甸和沼泽泥炭地，莎草科花粉来源于莎草科植被苔草和篙草。由于莎草科植物多生长在冷湿的环境，故其花粉可以很好地指示高山草甸。六盘山样品中莎草科孢粉自2 090 a B.P.开始大量出现，显示草甸、草原发育状况良好。

根据镜下孢粉鉴定统计分析结果，按照植物气候类型代表性特征选取孢粉总浓度、孢粉总数、木本植物、草本植物、蕨类孢子、云杉属、落叶栎属、常绿栎属莎草科、蹄盖蕨、单缝孢等指标。根据聚类分析所得结果划分为4 个孢粉组合带，各孢粉组合带特征及所反映的植被类型和气候分述如下：

（1）孢粉带Ⅰ（12420～10 470 a B.P.）。孢粉总浓度为8 687 粒/g，孢粉组合中木本植物花粉（46.75%～81.64%，平均58.15%）占优势，其次是草本植物花粉（17.7%～52.07%，平均37.79%），蕨类孢子（0.66%～15.24%，平均4.06%）少。木本植物花粉中以松属（25.75%）和云杉属（21.3%）居多，其次是落叶栎属（5.1%）、常绿栎属（1.31%）、麻黄属（1.13%）、榆属、桦属和鹅耳枥属等；草本植物花粉中主要有蓼科（11.86%）、蒿属（9.33%）、莎草科（5.87%）、菊科（2.64%）、毛茛科（1.51%）、藜科（1.32%）、蒲公英属（1.22%）和禾本科等；蕨类孢子中可见少量的蹄盖蕨（7%）和单缝孢（1.49%）等。本阶段孢粉浓度高，其中以针叶树云杉的含量最高，阔叶树为落叶栎、常绿栎、榆属和桦属等，含量较低，表明阶段气候相对寒冷，草本植物中蓼科较多，可见一定数量喜潮湿的莎草科。综合分析当时的气候环境是较寒冷的，植被类型是以针叶树云杉为主的针阔混交林-草原。

（2）孢粉带Ⅱ（10 470～5 330 a B.P.）。孢粉总浓度为3 296 粒/g，孢粉组合中草本植物花粉（25.45%～88.63%，平均55.22%）稍多，木本植物花粉（11.37%～73.64%，平均41.98%）次之，蕨类孢子（0～12.26%，平均2.79%）零星。草本植物花粉中以莎草科（17.1%）和蒿属（15.47%）为主，其次是菊科（6.39%）、十字花科（4.45%）、藜科（3.18%）、蓼科（3.13%）、禾本科（2.26%）和毛茛科等；木本植物花粉中松属（21.64%）和云杉属（10.81%）占优势，还有少量的常绿栎属（1.7%）、落叶栎属（1.51%）、榆属（1.09%）、沙棘属、麻黄属和鹅耳枥属等；蕨类孢子中可见蹄盖蕨（1.1%）和单缝孢等。本阶段孢粉浓度降低，其中草本植物占优势，出现了较多的莎草科植物，木本植物中云杉属所占比例明显减少，喜暖的常绿栎和榆属稍有增加，推测此阶段气候较Ⅰ阶段相对温湿一些。

（3）孢粉带Ⅲ（5 330～1 680 a B.P.）。孢粉总浓度为3 996 粒/g，孢粉组合中木本植物花粉（10.7%～90.24%，平均54.04%）所占比例上升，其次是草本植物花粉（3.64%～86.05%，平均42.34%）和蕨类孢子（0～14.55%，平均3.62%）。木本植物花粉中松属（28.68%）和云杉属（11.76%）较II 带含量上升，其次是落叶栎属（5.36%）、桦属（2.13%）、沙棘属（1.33%）、常绿栎属（1.09%）、榆属和麻黄属等；草本植物花粉中蒿属（14.35%）稍多，还有莎草科（8.45%）、十字花科（5.68%）、藜科（3.08%）、菊科（2.07%）、禾本科（1.41%）和紫菀属（1.34%）等；蕨类孢子中有蹄盖蕨（2.91%）和单缝孢等。本阶段的突出特点是喜湿润环境的莎草科明显减少，木本植物中出现了一定数量的落叶栎和桦属，云杉属也稍有增加，由此推测当时的气候较II 阶段凉偏干。

（4）孢粉带Ⅳ（1 680～50 a B.P.）。孢粉总浓度为4 186 粒/g，孢粉组合中木本植物花粉占5.36%～90.87%，平均55.96%，其中以松属（33.66%）为主，其次是云杉属（15.16%），还可见落叶栎属（2.21%）、麻黄属、鹅耳枥属和桦属等；草本植物花粉（7.47%～94.64%，平均42.49%）中以蒿属（15.39%）居多，其次是藜科（7.32%）、蒲公英属（5.33%）、菊科（4.82%）、莎草科（4.81%）、禾本科（1.27%）和紫菀属等；蕨类孢子（0～2.88%，平均1.25%）中可见零星的蹄盖蕨和单缝孢等。本阶段木本植物占优势，其中松属和云杉属较多，阔叶树零星出现，草本植物中蒿属、藜科、蒲公英和菊科居多，综合分析当时的气候凉干。

5 孢粉记录与其他代用指标的对比分析

根据中国科学院青藏高原研究所高寒生态学与生物多样性重点实验及刘贤赵等对物种的叶δ13C 研究发现，植物类型的总有机质δ13C 数据与环境湿润指数或年均降水量之间具有比较显著的负相关关系［4］。干密度是样品蒸发掉水分后干样品的密度，可以反映泥炭的保存状况并有一定的环境指示意义。泥炭的分解作用越强烈，泥炭越紧实，则干密度越大；反之，其分解作用越弱，干密度越小。在气候温暖湿润的环境条件下，有机质生产量高且容易被埋藏形成泥炭，此时泥炭分解作用弱，干密度小；气候条件冷干，有机质分解作用强烈且积累量少，干密度大［5］。因此，干密度可以指示泥炭地表层湿度环境从而作为反映气候条件的指示因子。

六盘山全新世早中期干密度及有机碳样品数据较少，从干密度及有机碳含量图（图5）上可以直观的看出9 400～8 880 a B.P.干密度有明显的增大，同时有机质含量降低，显示环境变干燥。从孢粉数据来看，此时间段也出现了木本植物大幅度减少的现象，与上述环境变干冷的推断吻合。5 490～5 330 a B.P.出现了干密度增大，有机质含量减少的现象，推断为环境变干燥，同时孢粉数据显示木本植物大量减少，尤其椴属、落叶栎属等阔叶木本植被孢粉含量突降为0，且δ13C 数据陡然增大（图6），验证了5 330 a B.P.环境干冷的结论。

图5 六盘山样品δ13C-年代图

图6 干密度及有机碳含量图

进入3 000 a B.P.以后，干密度及有机碳含量明显的波动加剧，说明环境湿度变化较为复杂。2 930～2 800 a B.P.干密度较大，有机质含量较高，指示了环境湿度较高，δ13C 数据降低也显示了湿度的增加，阔叶属孢粉数量大增，蕨类植物孢粉数量陡然增加，均说明此时环境湿度较大，与干密度有机碳判断结果吻合；1 680 a B.P.出现干密度变大，有机质含量降低，δ13C数据上升，指示了环境湿度的下降；970 a B.P.干密度增大，有机碳含量降低，显示环境湿度有所增加；至350 a B.P.干密度陡然增大，有机碳含量急剧减少，显示环境湿度再一次下降。期间形成了由湿润到干燥再到湿润的2 个旋回。

6 结论

在较多的年代数据支撑下建立了可靠的年代框架，并在对应层位上进行了样品孢粉鉴定、干容重及有机碳测定、有机沉积物δ13C 测定。重建了12 420 a B.P.以来六盘山地区植被发育及环境气候变化，对比了各环境代用指标的代表性，找出了气候突变事件。得到结论如下：

（1）孢粉鉴定分析显示12 420～10 470 a B.P.孢粉浓度高，其中以针叶树云杉的含量最高，阔叶树为落叶栎、常绿栎、榆属和桦属等，含量较低，气候相对寒冷，草本植物中蓼科较多，可见一定数量喜潮湿的莎草科。气候环境是较寒冷的，植被类型是以针叶树云杉为主的针阔混交林-草原。10 470～5 330 a B.P.孢粉浓度降低，草本植物占优势，出现了较多的莎草科植物，木本植物中云杉属所占比例明显减少，喜暖的常绿栎和榆属稍有增加，温度及湿度达到较好配置，森林-灌丛-草甸草原植被发育良好，气候较前阶段更加温湿。5 330～1 680 a B.P.喜湿润环境的莎草科明显减少，木本植物中出现了一定数量的落叶栎和桦属，云杉属也稍有增加，气候较凉偏干。1 680～50 a B.P.木本植物占优势，其中松属和云杉属较多，阔叶树零星出现，草本植物中蒿属、藜科、蒲公英和菊科居多，气候凉干。

（2）通过多个环境代用指标的对比发现，以往研究常用的沉积速率在六盘山矿养泥炭地代表性较差，说明矿养泥炭地的发育条件较雨养泥炭地更为复杂。但同时沉积速率又可以说明外源物入侵等其他沉积环境的改变。

（3）各项代用指标同时记录了8 880 a B.P.、5 330 a B.P.、2 800 a B.P.时期的气候事件，且气候变化与新仙女木事件、仰韶大暖期基本吻合，说明六盘山的植被变化能够响应全新世气候的快速变化。