第四纪研究  2016, Vol.36 Issue (3): 542-552   PDF    
山西浑源地区空气花粉组合特征及其与气候因子的关系
王俊婷 , 吕素青 , 李泽涛 , 李月丛 , 葛亚汶     
( 河北师范大学资源与环境科学学院, 石家庄 050024; 河北省环境演变与生态建设重点实验室, 石家庄 050024)
摘要: 选取黄土高原东部边缘地区的山西省浑源县为研究对象, 通过对比2007~2009年空气花粉数据, 研究和揭示空气花粉组合特征、通量及与气候因子之间的关系。花粉组合特征显示浑源地区2007~2009年花粉组合基本一致, 以草本植物花粉占绝对优势(80.9%), 显示草原植被的特点。不同季节和年份花粉通量的对比显示, 2007~2008年度春季木本植物和蒿属、藜科等花粉的通量高于2008~2009年度, 而其他季节均明显低于2008~2009年度, 尤以蒿属花粉最为明显; 两年花粉通量的峰值, 出现时间基本一致, 但2008~2009年间秋冬季节草本花粉通量明显较上年高。花粉通量与常见气候因子RDA分析显示: 该研究区主要花粉类型通量主要受平均风速、最大风速控制, 其次为相对湿度、温度和降水, 风向对其也有一定的影响。其中, 木本植物花粉通量主要受平均风速影响; 草本植物则受风向影响较大, 北-西北风有利于草本植物, 特别是蒿属、藜科、菊科、禾本科等花粉数量的增加。各季节花粉通量与气候因子的RDA分析显示, 春季花粉通量受温度的影响最显著; 夏季受最大风速风向及最大风速的影响最大; 秋、冬季受风速影响最为显著。
主题词浑源地区     空气花粉     花粉通量     气候因子     冗余分析    
中图分类号     Q944.571,P464                    文献标识码    A

空气花粉的研究是现代花粉研究的重要组成部分,在国内外已有许多成果,如空气花粉与气候关系[1~7]、 空气花粉污染[8, 9]、 空气花粉致敏[10~13]、 花粉飘散规律[14~16]以及在农业中的研究和应用[17, 18]等。空气花粉对研究地区植被、 气候、 环境、 预测未来气候等也有十分积极的作用。例如,郑卓等[19]在中国东部地区尘土孢粉分析显示,其花粉的含量分布具有明显的地带性,定量分析人工引种植物树种的分布界限,可获得人类对植被干扰程度的信息; 戴璐和翁成郁[20]通过分析走航收集西太平洋中的空气孢粉,发现冬季风可以从东亚大陆长距离携带大量花粉到东海陆架、 东菲律宾海,甚至赤道太平洋和南太平洋地区,进一步认识了冬季时西太平洋相关海域的孢粉传播特点以及植被源区、 冬季风与孢粉传播间的联系; 吕素青等[1]对陕西中部地区花粉组成及其与气候因子的研究为认识和预测当地植被变化和气候动态等提供了重要分析资料; 李月丛等[21]探讨了风速对黄土高原主要花粉类型传播距离的影响,认为蒿属和藜科花粉多数来自沙尘源区或路径区,加深了对黄土高原花粉来源的认识。

空气花粉是黄土高原花粉现代过程研究的重要组成部分。黄土高原地处我国季风区边缘,对气候变化敏感,学者们在此做过许多研究工作[22~26],为本研究提供了研究经验和数据基础。并且黄土主要与风成有关,风又是花粉传播散布的最主要动力之一。相较于其他气候因子,风是否对花粉组合的影响更大,对哪些花粉类型影响较为显著?因此本研究拟在黄土高原东部(浑源地区),以浑源2007~2009年度收集的空气花粉为例,进行空气花粉的研究,探讨不同气候因子,特别是风对花粉组合影响程度的差异,为黄土高原东部边缘区花粉组合的正确认识提供研究数据。

1 研究区概况

采样点位于山西省东北部大同市浑源县北的吴城村(39°50′11.28″N, 113°37′30.36″E; 海拔1252m)(图 1)。

图 1 采样点位置及周围植被据张新时[31]《中国1︰1000000植被类型图》数据 Fig. 1 Location of sampling site and vegetation composition. According to the Vegetation Map of the Peoples Republic of China (1︰1000000) by Zhang Xinshi[31]

浑源县地处大同盆地东南边缘,气候属温带干旱半干旱大陆性季风气候,年平均气温4~8℃,1月平均气温-12℃,7月平均气温22℃; 年平均降雨量不足400mm,相对湿度在50%左右; 年均风速1.5~2.5m/s[27~30]

采样点附近主要为农田,种植玉米(Zea mays)、 苹果(Malus domestica)等作物,低山灌丛以虎榛子(Ostryopsis davidiana)、 绣线菊(Spiraea salicifolia)、 沙棘(Hippophae rhamnoides)、 山刺玫(Rose davurica)等为主,草坡多为针茅(Stipa capillata)、 蒿属(Artemisia)、 菊科(Asteraceae)、 藜科(Chenopodiaceae)、 十字花科(Brassicaceae)和其他禾本科(Poaceae),稀疏分布油松(Pinus tabuliformis)、 桦树(Betula)、 杨树(Populus)、 刺柏(Juniperus)等乔木植被[30]

2 研究方法 2.1 样品采集与实验室处理

本研究采用风标式花粉收集器[1, 32],利用其上放置的涂有硅油的纱网(20cm×20cm)片粘附收集空气花粉。样品每半个月收放1次,自2007年3月25日至2009年3月25日,共收集样品48个。每个样品各取1/2纱网进行实验室处理,经过浓H2SO4炭化、 酸碱处理和重液浮选等过程提取花粉。化学方式处理前每个样品加入1粒石松孢子片(27637±563粒/片),以计算研究区的花粉通量。花粉鉴定统计在400倍日本Olympus(BX51)光学生物显微镜下进行,每个样品鉴定统计花粉300粒以上。

2.2 孢粉通量计算方法

孢粉通量计算公式:φ=(Nx×Is)/(Ns×S×t/15)

其中φ为孢粉通量(单位为粒/cm2·15d); N为鉴定的孢粉数量,Nx为鉴定的某一类型孢粉数量,Ns为鉴定的石松孢子数量; Is为加入的石松孢子数量; S为纱网面积的1/2,即200cm2; t为样品收集的天数。该研究为便于对比分析,花粉通量以15天计算。

2.3 数据处理

利用TILIA(Version1.7.16)软件绘制空气花粉百分比和通量图,在TGVIEW(2.0.2)和CorelDRAWX3(Version12)软件中修改润饰图片。利用ArcGIS(10.2)软件数字化区域植被图。利用Canoco软件(Version4.5)[33]对研究区23种花粉的花粉通量进行冗余分析(Redundancy Analysis,简称RDA)。气候数据来源于中国气象科学数据共享服务网—中国地面国际交换站气候资料日值数据集[34]

3 结果 3.1 浑源地区及其周围植被覆盖

距研究区约150km范围的植被图(图 1)显示,该区域乔木以杨树(小叶杨(Populus simonii)和山杨林(Populus davidiana))、 华北落叶松林(Larix principis-rupprechtii)、 油松、 栎属(栓皮栎(Quercus variabilis)、 辽东栎(Quercus liaotungensis)、 麻栎(Quercus acutissima Carruth.))和白桦(Betula platyphylla)等为主,灌木以绣线菊、 虎榛子、 沙棘等为主,草本植物以农田、 禾本科(白羊草(Bothriochloa ischaemum)、 长芒草(Stipa bungeana Trin)、 克氏针茅(S.krylovii Roshev.)等)、 蒿属(铁杆蒿(Artemisia sacrorum)、 茭蒿(A. giraldii)、 裂叶蒿(A.tanacetifolia Linn.)、 苔草(Carex tristachya))等植物类型为主。

3.2 浑源地区空气花粉组合基本特征

48个样品共统计鉴定出花粉类型90个,其中乔木花粉类型18个,百分含量为0~67%,平均9.8%,以松属(Pinus)(平均3.9%,最高48.4%)、 榆属(Ulmus)(平均2.7%,最高55.8%)、 杨属(Populus)(平均1.2%,最高31.9%)、 栎属(Quercus)(平均0.6%,最高8.4%)、 桦属(平均0.5%,最高3.5%)等为主; 灌木花粉类型18个,百分含量为0.2%~66.2%,平均8.6%,以虎榛子属(平均3.9%,最高37.4%)、 胡颓子科(Elaeagnaceae)(平均2.4%,最高32.3%)、 蔷薇科(Rosaceae)(平均1.3%,最高6.5%)等为主; 草本花粉类型48个,百分含量为15.5%~99.7%,平均80.9%,以蒿属(平均36.5%,最高90.9%)、 藜科(平均17.4%,最高43%)、 禾本科(Poaceae)(平均11.6%,最高75.2%)、 农作物禾本科(Cereals)(平均6.4%,最高66.2%)、 菊科(平均3.5%,最高26.6%)、 十字花科(平均1.4%,最高40%)等为主; 蕨类孢子类型6个,百分含量为0~4%,平均0.8%,以中华卷柏(Selaginella)(平均0.6%,最高4%)等为主。

从花粉百分比图 2中可以看出,两年主要植物类型含量基本类似,乔木和灌木的花粉百分比峰值均主要出现在春季末期,草本峰值主要在夏季,蕨类植物的百分比峰值主要在秋季,花粉百分比值很低。两年对比发现,松属、 栎属和杨属的百分比峰值在2008~2009年度较前一年略有降低,榆属和柳属略有增加; 灌木花粉百分比大多都较前一年略有增加,峰值比2007~2008年度提早了一个月,并且较高峰值维持了约两个月的时间。另外,虎榛子、 胡颓子峰值持续时间比上年延长半个多月左右。

图 2 浑源2007~2009年花粉百分比图 Fig. 2 Pollen percent in Hunyuan from 2007 to 2009

3.3 两年花粉通量特征对比 3.3.1 总花粉通量特征对比

通过对2007~2008年和2008~2009年花粉通量的对比(图 3图 4)发现,草本植物花粉通量远高于其他类型,乔木和灌木植物花粉通量值较为相近,蕨类植物花粉通量值最小; 2007~2008年度乔木、 灌木植物花粉通量高于2008~2009年度,草本植物花粉远低于2008~2009年度; 2007~2008年除春季花粉总通量高于2008~2009年度外,其他季节均明显低于2008~2009年度。

2007~2008年总花粉通量为11788粒/cm2·a,有3个高值期(图 4),第一个高值期在3月25日~4月10日,总花粉通量2166粒/cm2·15d,以蒿属花粉为主,藜科花粉次之; 第二个高值期在5月10~25日,总通量1499粒/cm2·15d,以虎榛子属、 松属花粉为主,第三个高值期在8月10~25日,总通量1921粒/cm2·15d,以蒿属、 藜科花粉为主。2008~2009年度与2007~2008年度相比,年总花粉通量高达36200粒/cm2·a,在8月10~25日出现一个极高峰期,总花粉通量为13492粒/cm2·15d; 与其相邻的7月25日~8月10日以及8月25日~9月10日样品总花粉通量虽不如前者高,但也高达4682粒/cm2·15d; 此外11月25日~12月10日总花粉通量也达2768粒/cm2·15d,这几个高值期均以蒿属和藜科花粉为主。就不同季节花粉通量的变化情况来看,两年中春季和夏末秋初花粉通量波动情况较一致,而冬季差异明显。 2007~2008年度花粉通量波动变化不明显; 而2008~2009年花粉通量波动明显,且变化幅度较大,其秋冬季节草本花粉通量值明显较上年高,而此前2008年4月、 5月份要少。

图 3 浑源2007~2009年花粉通量图(单位: 粒/cm2·15d) Fig. 3 Pollen influxes in Hunyuan from 2007 to 2009(unit: grain/cm2·15d)

图 4 浑源2007~2008年和2008~2009年不同月份空气花粉总通量(单位: 粒/cm2·15d) Fig. 4 Pollen influxes in different months during 2007~2008 and 2008~2009(unit: grain/cm2·15d)

3.3.2 主要花粉类型花粉通量特征对比

本文选取花粉组合中含量较高的松属、 榆属、 虎榛子属、 胡颓子科、 禾本科、 农作物禾本科、 蒿属和藜科花粉进行分析对比,图 5显示松属、 虎榛子属和胡颓子科花粉2007~2008年的年花粉通量高于2008~2009年,而榆属、 禾本科、 农作物禾本科、 蒿属和藜科花粉与前3种花粉类型相反,花粉通量2007~2008年度较2008~2009年度低; 禾本科、 蒿属、 藜科花粉通量明显高于其他5种花粉类型。

图 5 浑源2007~2008年和2008~2009年主要花粉类型年花粉通量(单位: 粒/cm2·a) Fig. 5 The annual pollen influxes of major pollen taxa during 2007~2008 and 2008~2009 in Hunyuan(unit: grain/cm2·a)

4 讨论 4.1 空气花粉组合的年际差异及原因

从该研究地的花粉主要类型中可以看出,该地以草本植物花粉占优势,但各花粉类型在花粉组合中所占比例及花粉通量差异明显。浑源地区乔木和灌木植物花粉数量相近,其平均百分比分别为9.8%和8.6%,草本植物花粉高达80.9%。这与当地草本占优势,乔木植物较少的植被特点相一致[35]

从花粉峰值季节性的情况来看,乔木和灌木花粉通量较多,其峰值主要出现在春季,草本植物峰值主要出现在夏末秋初。这主要与植物的花期有关。春季是木本植物的花期,所以木本植物在春季时花粉量要大。另外由表 1不同季节主要气候因子特征中可以得知,一年中春季风速比较大,大风可以促使更多的区域外花粉来到该地[21],这也使得处于春季的花粉通量更高。夏末秋初是蒿属和藜科花粉(草本植物的主要类型)的花期,所以草本花粉通量的峰值一般都在这个时间段。过了花期之后,由于冬季的风速要较其他季节大,不仅可以随沙尘带来更多的区域或区域外花粉,而且可以将秋季开花落至地表的蒿属、 藜科、 菊科、 禾本科等草本植物花粉重新带入空气中,使得这些植物花粉相较于其他类型通量要大许多。

表 1 不同季节主要气候因子特征 Table 1 The characteristics of major climate factors in different seasons during 2007~2008 and 2008~2009

图 35中可以明显地看出花粉通量分布存在较大差异,大部分乔木和灌木植物花粉在2008~2009年度减少,而大部分草本植物在2008~2009年度相较于前一年的秋冬季节更丰富。这应该与大部分的草本植物的花期在秋季前后,且2008年冬季的最大风速较大有关,也与2008~2009年的降水和相对湿度值略高且较为稳定有关(表 1)。

4.2 不同气候因子对主要花粉类型通量影响程度的差异

(1)从4.1分析中,可知气候因子对花粉组合影响显著,为了更加详细地了解主要花粉类型通量与气候因子的相互关系,我们将温度、 降水、 相对湿度、 平均风速、 最大风速、 最大风速风向和极大风速风向这7个因素同该研究区2007~2009年度主要花粉类型通量做多元统计分析。首先运用Canoco程序软件对样点23种花粉的花粉通量进行去趋势对应分析(Detrended Correspondence Analysis,简称DCA),依据其环境梯度长度的大小来决定哪种分析方式更为合适。选取的这23种花粉(松属、 桦属、 栎属、 柳属、 杨属、 榆属、 蔷薇科、 胡颓子、 虎榛子、 白刺、 禾本科、 农作物禾本科、 菊科、 蒿属、 藜科、 莎草科、 荨麻属和葎草属、 唇形科、 十字花科、 毛茛科、 豆科、 蓼科、 中华卷柏属)的通量占所有花粉总通量的90%以上,包括乔木、 灌木、 草本和蕨类。Lep和milauer[33]认为如果4个轴中最长(最大值)超过4,选择非线性模型的CA(Correspondence Analysis,对应分析)、 CCA(Canonical Correspondence Analysis,典范对应分析)、 DCA更合适; 如果小于3,选择线性模型的RDA、 PCA(Principal Component Analysis,主成分分析)比较合适; 如果介于3~4之间,这些模型都是合适的。研究区数据结果显示环境梯度长度小于3(表 2),因此我们认为探讨花粉通量与气候因子的关系采用冗余分析更加合适。

表 2 浑源地区2007~2009年主要花粉通量DCA分析结果 Table 2 The statistics of DCA for the first four axes based on major pollen influxes from 2007~2009

RDA分析特征值显示第一轴(0.209)和第二轴(0.037)贡献率最高(表 3),两者累积方差贡献率达77%。第三轴和第四轴的特征值较低,方差贡献率较低,表明孢粉组合主要受第一、 二轴所控制。第一轴和第二轴分别可以解释大约65%和12%花粉通量与环境因子的相关性,在解释花粉数据变量中最重要。特别是第一轴,特征值及方差贡献率远高于其他轴,对花粉组合贡献最大。

表 3 浑源地区2007~2009年主要花粉类型通量与气候因子的RDA分析结果 Table 3 The results of RDA based on 23 pollen taxa and 7 environmental variables from 2007~2009

RDA结果(图 6)显示平均风速(r=0.512)、 最大风速(r=0.555)与第一轴得分值显著正相关。温度(r=-0.531)和降水(r=-0.512)与第二轴得分值显著负相关。相对湿度与第一轴有一定的负相关,最大风速风向与第二轴有一定的正相关。从该分析可知,浑源地区主要花粉类型通量主要受风速控制,其次为相对湿度、 温度和降水。风向对其也有一定的影响。

图 6 浑源地区2007~2009年主要花粉类型通量与气候因子的RDA结果图 Fig. 6 The RDA results of major pollen influxes with climate factors in Hunyuan area from 2007 to 2009

从RDA对不同花粉类型通量影响来看(表 3图 6),平均风速与木本植物花粉的相关性较大,如桦属、 杨属、 松属、 胡颓子、 柳属、 栎属、 虎榛子属等; 草本植物花粉与风向的相关性较大,如农作物禾本科、 白刺属、 蓼科、 菊科、 蒿属等; 还有一些植物的花粉受到相对湿度的影响,如唇形科、 香蒲属、 禾本科、 十字花科、 藜科等,这些种类的花粉与湿度成一定的负相关(r=-0.383),相对湿度越大时,越不利于花粉的扩散。

4.3 不同季节主要花粉通量与气候因子的关系

由4.2 知道,风因子特别是风速对花粉通量影响最大,但是否每一个季节都如此呢?图 6显示蒿属、 藜科、 菊科等耐旱花粉主要受相对湿度影响,风速、 风向影响略小,这是否与各季节花粉组合的主要受控因子不同有关?为此我们还用RDA分析了气候因子对不同季节花粉通量的影响(图 7)。

图 7 浑源地区23种主要花粉类型与不同季节7种气候因子的RDA结果图 Fig. 7 The RDA results of pollen influxes for 23 pollen taxa coming from different seasons with 7 climate factors in Hunyuan

结果显示,春季温度与RDA第一轴得分值呈显著正相关,对花粉通量的影响最为显著(r=0.860)(图 7表 4),特别是对木本植物如栎属、 松属、 胡颓子属、 虎榛子属等影响较大。最大风速,以及极大风速风向也对花粉通量有一定影响,与第二轴得分值呈显著正相关。温度影响较大的原因主要是春季气温直接影响木本植物开花的时间。风力较强,会影响花粉的散布,但该时段降水较少,相对湿度低且变化不大,因此对花粉通量影响相对较弱。

表 4 浑源地区不同季节23种主要花粉类型通量与7种气候因子的关系 Table 4 The relationship between 23 pollen taxa with 7 climate factors in different seasons

夏季最大风速风向对花粉通量的影响最为显著(r=0.779),其次是最大风速(r=-0.513)(表 4)。由图 8可见,浑源地区西北方向的风居多,但各季节间相比,夏季比其他3个季节风向变化较大,不仅有西北风,东南方向的风向也偏多。东南风可能带来更多一些南部山地的乔灌木花粉,如松属、 栎属、 蔷薇科、 虎榛子属等。

图 8 2007~2008不同季节风向频率图 Fig. 8 The wind direction frequency in different seasons from 2007~2008

在秋季,众多气候因子中最大风速(r=0.622)对花粉通量的影响比较显著,平均风速对其也有一定影响。秋季干燥少雨,且多风,风速与大部分花粉的相关性密切。

冬季时风速与花粉通量的相关性最显著,平均风速(r=0.757)和最大风速(r=0.675)与第一轴显著正相关,并与绝大多数花粉的相关性十分显著。此时风向的影响不显著,这主要是因为此季节都是西北风这一个风向,不构成对花粉通量的控制。

由此可见,不同季节花粉组合的主要受控因子存在明显差异。风的影响主要集中于秋冬季节,蒿属、 藜科等因为花期主要集中在夏末,使得他们受风向和相对湿度的影响大于风速。

5 结论

(1) 两年花粉组合特征显示浑源地区以草本植物花粉占绝对优势,平均达80.9%,乔木和灌木的花粉不足10%,与该地区草原植被占优势一致。

(2) 两年花粉通量的对比显示,2007~2008年度春季木本植物和蒿属、 藜科等花粉的通量高于2008~2009年度; 而其他季节均明显低于2008~2009年度,尤以蒿属花粉最为明显,总通量以2008~2009年为高。

(3) 浑源地区两年花粉通量的峰值,出现时间基本一致。但2008~2009年间秋冬季节草本花粉通量值明显较上年高,而此前2008年4月、 5月份要少。

(4) 不同气候因子对浑源地区主要花粉类型通量影响程度有差异,该地区主要受平均风速、 最大风速控制,其次为相对湿度、 温度和降水,风向也有一定的影响。从气候因子对不同花粉类型通量影响来看,平均风速主要影响木本植物花粉通量,如桦属、 杨属、 松属、 胡颓子属、 柳属、 栎属、 虎榛子属等; 草本植物花粉通量更多受到风向的影响,如农作物禾本科、 白刺属、 蓼科、 菊科、 蒿属等; 还有一些植物花粉与相对湿度和降水呈现一定负相关,如十字花科、 禾本科和唇形科等。

(5) 从各季节的RDA分析得出,春季木本植物受温度的影响较显著; 夏季与最大风速风向及最大风速的相关性较大; 秋季最大风速对花粉通量的影响比较显著; 冬季时受平均风速和最大风速的影响显著。整体来说,风速和风向在各季节都是影响花粉通量的重要气候因子,且风速越高,花粉通量越大,北-西北风有利于草本花粉通量的增加。

致谢: 真诚感谢审稿专家和编辑部老师建设性的修改意见!

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The airborne pollen assemblages and their relationship with climatic factors in Hunyuan County, Shanxi Province
Wang Junting, Lü Suqing, Li Zetao, Li Yuecong, Ge Yawen     
( College of Resources and Environmental Sciences, Hebei Normal University, Shijiazhuang 050024; Key Laboratory of Environmental Change and Ecological Development of Hebei Province, Shijiazhuang 050024)

Abstract

This paper tries to reveal the characteristics of airborne pollen assemblages and their relationship with climatic factors based on the pollen trap data collecting from 2007 to 2009 at the eastern Loess Plateau in Hunyuan County, Shanxi Province. The airborne pollen assemblages show that the herbaceous taxa dominate the pollen assemblages with their percentages higher than 80.9% , which is consistent with the steppe vegetation in this study area. The pollen influxes of trees and Artemisia and Chenopodiaceae in 2007~2008 are higher than that in the spring of 2008~2009, but lower than that in other seasons of 2008.The peak time of pollen influxes is similar for the two study years, while the herbaceous pollen influxes coming from fall and winter of 2008~2009 are obviously higher than in 2007~2008.The RDA analysis between pollen influxes and climate factors show that the pollen assemblages at Hunyuan are mainly influenced by the average wind speed and maximum wind speed, then by the relative humidity, temperature and precipitation. In addition, the wind direction also has some effects, and the influxes of different pollen taxa are influenced by different climatic factors. The arboreal pollen influxes are mainly influenced by the average wind speed, but the herbaceous pollen influxes have more significant correlation with the wind direction. Because the wind in the study area usually comes from north to northwest, which will bring more steppe pollen taxa, such as Artemisia, Chenopodiaceae, Asteraceae, Poaceae etc. The RDA analysis of pollen influxes and climatic factors in different seasons show that temperature is the major factor to the pollen influxes in spring, while the wind direction of maximum wind speed become more important in summer, and the wind speed shows significant correlation with pollen influxes in winter and autumn.
Key words: Hunyuan     airborne pollen     pollen influxes     climatic factors     RDA