2017, Vol.37
② 河北师范大学资源与环境科学学院, 河北省环境演变与生态建设重点实验室, 石家庄 050024;
③ 中国地质科学院水文地质环境地质研究所, 石家庄 050061)
近5000年，尤其是最近2000年是过去全球变化研究中具有特殊意义的时段[1~8]，也是评估20世纪气候变暖和预测未来气候变化最相关的时期。探讨生态敏感区5000年以来，特别是小冰期和中世纪温暖期植被和气候水文环境变化，有助于认识生态系统对气候变化的响应，进一步理解现代气候环境的背景，为预测未来气候环境变化趋势提供科学依据。
位于内陆干旱、半干旱地区的封闭湖泊对气候变化的响应十分敏感，是全球变化研究的理想场所[9~14]。河北坝上地区位于内蒙古高原的南缘，是典型的农牧交错区和森林草原交错带，也是东亚季风气候边缘区，属中温带干旱-半干旱季风气候。安固里淖湖是坝上高原最大的内陆湖泊，是气候变化敏感地区。不少学者从矿物磁学、地球化学分析、孢粉分析等不同角度对该区全新世环境变化进行研究[15~20]，但已有研究关注重点主要在中全新世[4, 18~23]，晚全新世研究相对较少，仅有个别研究利用地球化学元素讨论近400年以来的环境变化[15, 24]。本文拟通过对安固里淖湖94个样品的孢粉分析，结合地球化学元素和粒度分析，探讨安固里淖湖近5000cal.a B.P.来的环境变迁历史，揭示小冰期和中世纪温暖期坝上地区的环境状况，为更好地认识坝上地区晚全新世环境变化历史，进行未来环境和气候变化预测提供重要的科学依据。
2 研究区概况安固里淖湖位于内蒙古高原前缘的河北省张北县境内，是河北坝上地区最大的内陆封闭湖泊，地理坐标为41°18′~41°24′N，114°20′~114°27′E，海拔1313m。湖区属中温带大陆性半干旱季风气候，多年平均气温2.6℃，多年平均降水量401.6mm，降水集中在6~8月，蒸发量1500~2000mm[15]。注入湖泊的河流多为季节性流水或者仅在雨后成河，较大的河流有黑水河、三台河等(图 1)。
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图 1 安固里淖湖及取样位置图 Fig. 1 Location of the Anguli-Nuur Lake and the sampling site |
安固里淖湖自然区划属于温带草原，植被为干草原类型，植物种类较少，植物群落以耐寒的多年生草本植物为主，间有小灌木伴生。主要植被类型有盐渍化滩地盐类植被、低洼地草甸类植被和坡梁地禾草类植被等。乔灌类植物种多为人工栽培，主要有山杨(Populus davidiana)、柳属(Salix)、榆属(Ulmus)、柠条(Caragana korshinskii)、沙棘(Hippophae rhamnoides)、枸杞(Lycium barbarum)等，且多为农田防护林，另有少量华北落叶松(Larix principis-ruprechtii)、青扦(Piceawilsonii)、白扦(Piceameyeri)、樟子松(Pinus sylvestnis var. mongolica)等[25]。
3 材料与方法 3.1 样品采集与沉积物岩性沉积物样品采集地点位于安固里淖湖西南部，地理坐标41°19′03.6″N，114°20′50.2″E；海拔高度1307m。2013年7月进行了沉积物样品采集，取样深度共120cm，其中0~70cm为剖面采样，每1cm采集一个样品；70~120cm为重力采样器采样，每2cm采集一个样品(69~72cm为3cm采样)，共取得样品94个。采集的样品均为现场分样，将分好的样品放进先前准备好的贴有标签纸的聚乙烯薄膜样品袋中并密封，运回实验室冷藏、风干以便在后期实验中备用。沉积物总体颗粒较细，以粉砂和粘土为主，细砂及63μm以上粗颗粒比例多低于7 %，剖面28cm以下为绿灰色粘土质粉砂，28cm以上为黑灰色粘土质粉砂，整个剖面没有明显的沉积间断的痕迹。
3.2 年代测定为了确定剖面地层的年代，从剖面地层中选取采集了4个泥质样品送交美国Beta测年实验室，采用AMS方法完成14C测定，实验室测试结果经过采用Calib Rev 5.0.1计算机程序软件[26]校正为日历年龄(表 1)。在沉积速率估算的基础上，因为没有发现明显的沉积间断的痕迹，采用线性内插的方式获得其他样品的年龄，从而得出本剖面年代序列，同时考虑湖泊的碳库效应。
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表 1 安固里淖湖剖面AMS14C测年结果 Table 1 Result of AMS14C dating in the Anguli-Nuur Lake profile |
封闭湖泊的“碳库效应”一直是学术界的难题之一，本剖面采用沉积物样品只进行了(AMS)14C测年，可能难以精确评价湖泊的“碳库效应”。但吴艳宏等[27]在邻近的岱海地区通过表层沉积物、不同深度湖水、水草、鱼骨和湖岸土壤样品的14C年代测定，探讨岱海现代碳库效应，认为岱海湖心表层沉积物存在2000a左右(1900~2100a)的碳库效应。岱海与安固里淖湖相距仅160km左右，二者均位于内蒙古高原南缘，同属一个植被及气候区，湖泊性质、测年材料相近，因此可以认为有类似的碳库效应，且该碳库效应值与线性回归的方法所获得的碳库效应年龄相近。因此本文采用2000年作为安固里淖湖的碳库效应(图 2)。
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图 2 安固里淖湖剖面深度、岩性及年代 Fig. 2 Lithology and depth-age model of the Anguli-Nuur Lake profile |
据此年龄推算，剖面底部深度120cm处约为5000年左右的沉积，整个剖面沉积速率均较慢，平均为0.024cm/a，与前人在安固里淖湖地区研究结果类似[15, 17, 19, 21, 22]。根据Wang等[19]对安固里淖湖地区100年来的沉积物的观测研究，湖泊有过3~4年极短暂干枯，但因为安固里淖湖是坝上最低洼地势，很快之后又重新恢复，3~4年相对于百年或千年尺度是一个极短暂的时间，因此可以大体认为湖泊在百年或千年尺度没有明显的长时间的沉积间断。
3.3 孢粉分析实验室孢粉提取采用常规的HCl-NaOH-HF处理法[28]，化学处理前每个样品中加入一粒现代石松孢子片(27637±563粒)做指示剂，以计算孢粉浓度，实验处理好的样品采用重液浮选的方法收集样品中的孢粉。孢粉鉴定与统计在400倍Olympus光学显微镜下完成，每个样品鉴定统计孢粉500粒以上或近500粒。孢粉鉴定主要参考《中国植物花粉形态》[29]和保存在河北省科学院地理科学研究所、河北师范大学资源与环境科学学院环境演变与生态建设重点实验室的现代孢粉标本。
3.4 粒度分析粒度测试在中国地质科学院水文地质环境地质研究所利用英国马尔文公司生产的Mastersizer 2000激光粒度仪测试完成，该仪器的测量范围为0.02~2000μm，重复测量误差小于3 %。粒度测试在遮光度为15 %~20 %的条件下进行，经过3次测量并取其平均值作为其最终结果。测试前用常规处理方法[30, 31]对样品进行了去除有机质、碳酸钙等处理，测试过程中将处理好的样品放入粒度分析仪中进行粒径的测量，并记录数据。
3.5 常量元素分析常量元素分析由南京师范大学环境演变与生态建设重点实验室完成。实验步骤如下：将已经自然风干的样品磨至200目以下，称取4g样品，加入适量硼酸，在30t/m2的压强下对样品进行压片处理后用荷兰飞利浦公司生产的Magix PW2403型X-射线荧光光谱仪进行常量元素Ca、Mg、Fe、Al、K、Na和Si含量测定，结果以氧化物形式给出，单位为百分比，元素分析分别进行了至少3个样品的重复分析与标样分析，分析元素的相对误差小于5 %。
4 研究结果 4.1 孢粉分析安固里淖湖剖面94个孢粉样品共鉴定出78个孢粉类型，其中包括21种乔、灌木植物花粉类型、47种草本植物花粉类型和10种蕨类孢子与藻类。共统计孢粉49091粒(包括藻类)，平均每个样品统计522粒，最多统计775粒/样，最少为435粒/样。
其中常见的乔木植物花粉类型包括松属(Pinus)、云杉属(Picea)、冷杉属(Abies)、榆属(Ulmus)、胡桃属(Juglans)、桦木属(Betula)、栎属(Quercus)、椴树属(Tilia)、盐肤木属(Rhus)等；常见的灌木植物花粉类型主要有虎榛子属(Ostryopsis)、胡颓子属(Elaeagnus)、麻黄属(Ephedra)等；草本植物花粉类型主要有蒿属(Artemisia)、藜科(Chenopodiaceae)、禾本科(Poaceae)、菊科(Asteraceae)、百合科(Liliaceae)、莎草科(Cyperaceae)、蓼科(Polygonaceae)、毛茛科(Ranunculaceae)、萝藦科(Asclepiadaceae)、荨麻属(Urtiea)和葎草属(Humulus)等；蕨类孢子以中华卷柏(Selaginella sinensis)为主，卷柏(Selaginella)、三缝孢(Triletes)和单缝孢(Monolete)有少量出现；藻类主要为环纹藻(Concentricystes)。孢粉百分比计算所用孢粉总数是除环纹藻以外的所有孢粉总和，使用CONISS软件对孢粉百分比数据进行有序聚类分析，结合孢粉浓度的变化情况，将安固里淖湖剖面孢粉谱从下至上划分为5个带(图 3和4)：
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图 3 安固里淖湖剖面孢粉百分比图 Fig. 3 Pollen percentages in the Anguli-Nuur Lake profile |
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图 4 安固里淖湖剖面孢粉浓度图 Fig. 4 Pollen concentrations in the Anguli-Nuur Lake profile |
孢粉带l (120~72cm，5030~1070cal.a B.P.)：本带为剖面底层，含25个样品，鉴定统计数均在500粒以上，孢粉浓度平均为6807粒/g。孢粉组合中，木本植物花粉百分比平均占到88.84 %，其中主要以松属(平均79.78 %)、云杉属(平均4.84 %)和榆属(平均3.01 %)花粉为主，桦木属、椴树属、枫杨属(Pterocarya)、胡桃属等花粉可见，但含量均低于1 %。草本植物花粉含量相对较低，平均为10.96 %，主要为藜科(平均3.36 %)、禾本科(平均2.60 %)、蒿属(平均1.69 %)等，菊科、莎草科、车前科(Plantaginaceae)、唇形科(Labiatae)、十字花科、毛茛科等常见，但含量均 < 1 %。蕨类植物占孢粉总百分比很低，仅为0.20 %，包括中华卷柏、三缝孢、单缝孢。根据孢粉组合变化，孢粉带1可以划分为1-1和1-2两个亚带。
1-1带(120~88cm，5030~1900cal.a B.P.)：花粉平均浓度7109粒/g，为全剖面最高。木本植物花粉含量平均为90.78 %，主要为松属(平均83.57 %)，其次为云杉属(平均4.41 %)和榆属(平均2.39 %)等；草本植物花粉含量较低，平均为9.02 %，主要有藜科(平均3.04 %)、禾本科(2.01 %)和蒿属(平均0.94 %)等。
1-2带(88~72cm，1900~1070cal.a B.P.)：与1-1带相比，花粉浓度有所降低，为6271粒/g。木本植物花粉百分比也有所下降(平均85.40 %)，其中松属花粉百分比下降了约9 %，但仍然以松属花粉为主(平均74.82 %)，云杉属(平均5.60 %)和榆属(平均4.12 %)花粉含量较1-1带有小幅增加，其他木本植物花粉变化不明显。草本植物花粉含量较之前有所增加，平均值达14.40 %，主要为蒿属(平均2.94 %)、禾本科(平均3.66 %)和藜科(平均3.93 %)含量的小幅增加，其他(科)属表现不明显。
孢粉带2(72~53cm，1070~620cal.a B.P.)：本带含17个样品，除55号样品未达到孢粉统计量( < 500粒)，其余均在500粒以上。本带孢粉总浓度较上带下降约50 %，平均为3200粒/g。主要花粉类型与带1相近，但云杉属含量(平均9.64 %)略有增加，榆属花粉含量明显降低至1 %以下。草本植物花粉百分比较孢粉带1减少了约4 %，平均为7.19 %，藜科(平均2.95 %)、蒿属(平均1.28 %)、禾本科(平均1.07 %)均小幅降低。
孢粉带3(53~45cm，620~490cal.a B.P.)：本带8个样品，鉴定统计数均在500粒以上，本带孢粉总浓度再次降低，平均仅2400粒/g。孢粉组合中，木本植物花粉百分比与前两带相比显著下降，平均含量仅为37.40 %，以松属(平均30.82 %)下降最为显著，云杉属(平均5.87 %)花粉百分比略有降低。草本植物花粉显著增加，平均达到62.43 %，其中藜科花粉增加最为明显，平均达到47.74 %，是全剖面最高值，其次为蒿属(平均5.72 %)、禾本科(平均3.13 %)、菊科(平均2.51 %)花粉含量均达全剖面最高值。
孢粉带4(45~16cm，490~45cal.a B.P.)：本带29个样品，鉴定统计数均在500粒以上，本带孢粉总浓度平均2064粒/g，为整个剖面最低值。孢粉组合中，木本植物平均所占百分比为81.43 %，仍以松属(平均67.74 %)、云杉属(平均12.37 %)为主。草本植物平均百分比为18.20 %，以藜科(平均5.81 %)、禾本科(平均3.82 %)为主要类型，萝藦科(平均2 %)、蒿属(平均1.97 %)和莎草科(平均1.51 %)花粉含量也可达1 %~2 %，根据百分比的变化可分为4-1和4-2两个亚带。
4-1带(45~30cm，490~250cal.a B.P.)：花粉浓度平均为1000粒/g。木本植物花粉含量平均为86.03 %，主要为松属、云杉属等；草本植物花粉含量较低，平均值达13.84 %，主要有藜科、禾本科和蒿属等。
4-2带(30~16cm，250~45cal.a B.P.)：与4-1带相比，花粉浓度有所增加，平均浓度3054粒/g。木本植物花粉含量下降约9 %，主要表现为松属花粉含量的减少。草本植物花粉含量增加约9 %，主要表现为莎草科、禾本科和萝藦科花粉含量的增加。
孢粉带5(16~0cm，45cal.a B.P.以来)：本带15个样品，孢粉统计平均498粒/样，总浓度6707粒/g，较孢粉带4有明显的增加。孢粉组合中，木本植物花粉百分比含量平均为61.4 %，仍以松属(平均51.14 %)、云杉属(平均7.77 %)为主。草本植物花粉所占百分比平均为38.34 %，主要为藜科(平均17.14 %)和禾本科(平均9.40 %)花粉，萝藦科、百合科、蒿属和莎草科花粉常见。
4.2 粒度分析湖沼沉积物粒度组成对湖泊水位波动反应迅速，而且基本不受早期成岩作用改造[32]，因而能灵敏地记录当时气候的干湿状况，是恢复过去古气候、古环境状况的重要替代指标之一。
已有研究表明[33, 34]，粒度的粗细代表了水动力的强弱、湖泊输入水量的相对大小，在一定程度上反映湖泊流域降水的变化，因而具有干湿变化的指示意义。一般认为[18, 35, 36]，粗粒沉积物指示低水位时期的干旱气候，细粒沉积物指示高水位时期的湿润气候；粉砂含量指示湖泊物质输入量的大小，粉砂含量越高，指示湖泊物质输入量越大。
本文研究如图 5所示，安固里淖湖沉积物颗粒分布在1~1000μm之间，中值粒径平均为15.3μm。剖面岩性粒度总体较细，未发现明显的沉积间断的痕迹，主要为粉砂(粒径4~63μm)(平均含量81.70 %)和粘土( < 4μm)(平均含量11.84 %)，根据剖面整体粒度特征以及自下而上的变化，与花粉组合相对应，也可以划分为5个带。
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图 5 安固里淖湖剖面元素比值与粒度变化曲线 Fig. 5 Element ratios and grain size parameter curves in the Anguli-Nuur Lake profile |
带1(120~72cm，5030~1070cal.a B.P.)：该段中值粒径平均为17.08μm (10.88~21.60μm)，以粉砂为主，其中粘土的平均含量为7.34 % (4.64 %~11.40 %)，粉砂的平均含量为88.10 % (85.37 %~91.15 %)，>63μm粗颗粒的平均含量为4.56 % (1.24 %~8.47 %)，多低于5 %。
带2(72~53cm，1070~620cal.a B.P.)：该段中值粒径平均为15.76μm (11.43~18.93μm)，平均粒径变小，但>63μm粗颗粒(平均为7.61 %，在0.67 %~12.35 %之间)和粘土(平均为10.36 %，在7.85 %~15.11 %之间)含量上升，粉砂平均含量为82.03 % (79.21 %~89.52 %)，较带1略下降。
带3(53~45cm，620~490cal.a B.P.)：该段中值粒径平均为14.21μm (11.85~15.22μm)，中值粒径进一步变小，其中粘土含量上升明显，平均为12.40 % (9.57 %~15.46 %)，>63μm (2.98 %~7.07 %)粗颗粒的含量也略有下降，但高于带1，平均为5.15 %。粉砂含量为82.45 % (80.49 %~83.94 %)，与带2持平。
带4(45~16cm，490~45cal.a B.P.)：该段中值粒径平均为16.26μm (9.75~21.69μm)，平均粒径变小，与带2相近，但粘土(平均为12.50 %，在8.49 %~19.26 %之间)和>63μm粗颗粒(平均为9.76 %，在3.78 %~15.16 %之间)均高于带2， > 63μm粗颗粒含量为最高；粉砂的平均含量为77.74 % (75.91 %~81.99 %)，低于带2，粒度均匀程度变差。
带5(16~0cm，45cal.a B.P.以来)：该段中值粒径平均为9.57μm (7.91~11.78μm)，为全剖面最低值，显示粒径为全剖面最小，其中粘土的平均含量上升至19.47 % (15.22 %~23.20 %)，粉砂的平均含量为77.90 % (74.09 %~82.40 %)，>63μm粗颗粒的平均含量为2.62 % (0~5.41 %)。
根据不同深度沉积物不同粒径所占的百分比含量，可以看出由带1到带5，粘土含量百分比逐渐增加；粉砂含量百分比呈阶梯式下降；>63μm粗颗粒的平均含量波动较大，在带2和带4含量较高，带5含量最低。
4.3 地球化学元素比值分析及其环境意义沉积物地球化学元素分析近年来越来越受到重视[15, 37~42]。本研究根据元素分析数据，计算了CaO/MgO比值、干旱指数、退碱系数。CaO/MgO比值常用来表示湖泊内自生CaCO3的含量[15, 40~42]，低值说明湖泊中自生碳酸钙含量低，标志着湖面较高，有效降水增加，气候相对湿润；反之，则表明湖面收缩，气候相对干旱。干旱指数计算用(K+Na+Ca+Mg)/(Fe+Mn)值来表示[43, 44]，湖泊沉积物中的Fe、Mn等元素在湿润条件下，活性大，迁移能力强，趋于集中；反之在干冷条件下，其活性降低，趋于分散。Ca、Mg、K、Na在干旱条件下，趋于集中，湿润条件下分散[43, 44]。因此(K+Na+Ca+Mg)/(Fe+Mn)值可以作为干旱程度的代用指标[44]，此值越大，气候越干旱，反之越湿润。退碱系数用(CaO+K2O+Na2O)/Al2O3比值来表示，Al2O3在风化过程中淋失较少、相对稳定，但是CaO、K2O、Na2O的化学性质较活泼，容易发生淋溶和积聚[45, 46]。因而，本区某一地层单位该值增大时，反映降水偏少时期的干旱气候，低值反映降水较多时期的湿润气候。
(1) CaO/MgO
CaO/MgO的计算结果(图 5)显示该比值由下往上逐渐升高，到30cm左右(250cal.a B.P.)迅速上升。底部120~72cm (5030~1070cal.a B.P.)段比值最低，多低于0.73(0.47~0.73)，平均为0.57；72~53cm (1070~620cal.a B.P.)段有所增高(0.58~0.76)，平均为0.63；53~45cm (620~490cal.a B.P.)段继续增高(0.68~0.76)，平均达0.72；45~25cm (490~170cal.a B.P.)段，该比值有所降低(0.64~0.79)，平均为0.66，25cm以上升高明显；最上部16cm (45cal.a B.P.以来)以上为全剖面最高，在1.10~1.80之间波动，平均为1.39。
(2) 干旱指数
干旱指数的计算结果(图 5)显示，72cm以下(1070cal.a B.P.以前)，干旱指数变幅为2.95~3.42，平均为3.10，多低于3.42，为整个剖面最低值；72~53cm (1070~620cal.a B.P.)，干旱指数迅速上升，且变幅增大，在3.44~3.89，平均为3.60；53~16cm (620~45cal.a B.P.)段，干旱指数与上段持平，略有下降，变化范围为3.19~3.72之间，平均为3.57(其中53~45cm (620~490cal a B.P.)变化范围为3.40~3.72之间，平均为3.53；45~30cm (490~250cal.a B.P.)变化范围为3.56~3.70，平均为3.63；30~16cm (250~45cal.a B.P.)变化范围为3.19~3.70，平均为3.53)；16cm (45cal.a B.P.以来)以上干旱指数变化范围在2.24~3.41，平均为2.95，为全剖面最低值，显示气候转暖湿。
(3) 退碱系数
退碱系数的计算结果(图 5)显示：剖面底部120~72cm (5030~1070cal.a B.P.)段退碱系数在1.25~1.44，平均为1.31，多低于1.44，为本剖面低值和相对最稳定阶段；72~45cm (1070~490cal.a B.P.)段，退碱系数迅速升高，在1.44~1.60之间波动，平均为1.54(其中72~53cm (1070~620cal.a B.P.)在1.45~1.60之间波动，平均为1.53；53~45cm (620~490cal.a B.P.)在1.46~1.77之间波动，平均为1.56)；45~30cm (490~250cal.a B.P.)段，退碱系数进一步升高，达剖面最高值，波动范围1.62~1.75，平均为1.67，为剖面最高值；30~13cm (250~20cal.a B.P.)段，退碱系数下降，变幅0.99~1.52，平均为1.27；13cm (20cal.a B.P.以来)以上，退碱系数持续下降，最低达0.8，为剖面最低，可能受人类活动影响较大。
5 讨论 5.1 高含量松花粉的来源本研究中整个剖面松花粉百分比多超过50 %，但不同时期松花粉浓度差异十分显著，在1070cal.a B.P.之前，松花粉浓度多高于5000粒/g，最高达20000粒/g，1070cal.a B.P.以来，松花粉浓度多低于1000粒/g。那么是湖泊周围一直存在松林，还是松花粉是被风刮过来或被水流带来？综合分析剖面的位置及植被情况及前人研究结果[47~49]，笔者认为松花粉不应来自周围植被，而应该多数为水流自河流上游山地携带而来，高含量的松花粉主要反映入湖河流上游山地植被组成，而不是湖泊周围的植被。主要原因如下：
(1) 前人研究显示，北方地区有河流注入的湖泊，花粉来源主要是入湖河流[47~49]，甚至贡献率高达90 %[48]。本文研究结果显示，1070cal.a B.P.之前，退碱指数及干旱指数较低，指示安固里淖湖流域气候仍相对比较湿润，入湖河流水量充足，因此松花粉浓度较高，1070cal.a B.P.之后河流水量变小，水动力较弱，因此松花粉浓度较低。
(2) 安固里淖湖位于草原区，2000年以来的文献记载[21]周围植被应主要以草原为主，不适合松属等生长。但入湖河流均发源于南部的坝头山麓地区，这些地区有松属植物生长。
(3) 采样点靠近湖区南部，距离三台河河口比较近，易受河流影响。
5.2 安固里淖湖环境的1000年来的快速干旱化从安固里淖湖孢粉、粒度及地球化学元素特征均显示，1000cal.a B.P.之前气候温暖湿润。花粉浓度为全剖面最高，多高于6000粒/g，榆属等阔叶树占一定比例，出现枫杨等暖温带树种，显示气候较温暖湿润；>63μm粗颗粒含量较低，多低于5 %，粉砂含量为全剖面最高，达90 %左右，显示入湖河流水量充足且稳定，由水流带来的物质较为丰富；CaO/MgO比值、干旱指数及退碱系数等均较低且变幅小，也反映了较为温暖湿润的环境。Liu等[21]认为该时期植被以森林或森林草原为主。
1000cal.a B.P.以来，花粉浓度迅速降低，特别是900~250cal.a B.P. (65~30cm)时段，总花粉浓度多低于1300粒/g，是1000cal.a B.P.之前平均花粉浓度的1/4。620~490cal.a B.P. (45~55cm)段出现了以藜科、蒿属等为主要类型的花粉组合，显示湖水位变浅，物质输入量减少，气候干旱明显。粒度分析也显示同样的结果，900~250cal.a B.P. (65~30cm)段，>63μm粗颗粒物含量多高于10 %，为全剖面最高值。依据前人研究结果[15, 19, 21]，粗颗粒物含量增多，显示低水位时期的干旱气候。1000cal.a B.P.以来粉砂含量较之前明显减少，为全剖面最低值，显示物质输入量减少，也代表了一种干旱化的环境。地球化学元素分析同样支持1000年以来快速干旱化的趋势；干旱指数及退碱指数均在72~30cm (1030~250cal.a B.P.)段达全剖面最高值，并且明显高于其他时段(图 5)。
前人在安固里淖湖及邻近地区的研究结果(图 6)多显示1000年来存在快速干旱化的倾向[18, 19, 21, 50~53]，只是受测年方法及是否进行碳库效应校正等因素影响，开始及结束的时间存在一定差异。如邱维理等[18]对安固里淖湖岸线的研究显示，5000年来湖岸一直在下降过程中，1000年来，至少存在2次(即660a B.P.和580a B.P.)明显的湖岸线后退；翟秋敏等[50]对邻近地区泊江海子的研究显示600~270a B.P.冬季风强盛，气候干冷，湖面最低；Peng等[51]对邻近岱海地区湿润指数的研究显示，1000年来湿润指数持续明显下降；Liu等[21]认为安固里淖湖地区1600年以来植被由原来的森林为主变为以草原为主，同样揭示了气候的快速干旱化过程；Wang等[19]对安固里淖湖磁性矿物的研究认为安固里淖湖地区最干旱化的时段发生在2200~480cal.a B.P.；许清海等[52]研究显示，830~200cal.a B.P.岱海地区降水量较今平均减少50~90mm；Zheng等[53]对中国东部1000年来干湿指数的研究显示1000~720cal.a B.P.和520~420cal.a B.P.是2个相对较干的阶段(图 6)。
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图 6 不同学者对安固里淖湖及邻近地区2000年的气候特征的对比 Fig. 6 Comparison of climate characters since 2000cal.a B.P. in the Anguli-Nuur Lake and nearby area from different researchers |
但1000年来干旱化程度存在差异(图 3~6)。中世纪温暖期(1070~620cal.a B.P.)的干旱程度要略低于小冰期(620~100cal.a B.P.)。主要表现为：1)花粉浓度多在3000粒/g以上，小冰期多低于2000粒/g以上，蒿属、藜科花粉含量在小冰期也明显高于中世纪温暖期；2)>63μm粗颗粒含量中世纪温暖期也略低于小冰期；3) CaO/MgO及退碱指数均显示中世纪温暖期要低于小冰期。其主要原因与研究区域位置有关。Chen等[56]认为，受ENSO影响，中国中纬度地区中世纪温暖期及小冰期降水量的变化存在南北模式及东西模式，中国北方季风气候区多表现为温暖湿润的中世纪温暖期及寒冷干燥的小冰期。中国西北部受西风影响则正好相反。本研究区因为已经处于尾闾区，季风影响相对减弱，但仍有中国北方东部季风地区的特点，也受西风带的影响，其主要表现为中世纪温暖期的仍然为干旱，但干旱程度略低于小冰期。
小冰期最干旱的阶段出现在490~250cal.a B.P.，该段花粉浓度为全剖面最低值，云杉属花粉百分比较高(图 3~5)。中值粒径为全剖面最大，>63μm粗颗粒物含量最高，退碱系数以及干旱指数均为全剖面较高，表明气候最为寒冷干旱，应为小冰期的最盛期。前人研究也有类似结论，Yang等[57]重建的中国近2000年气候曲线显示，17世纪中期是中国近1000来最冷的时期；姚檀栋等[58]对敦德冰芯氧同位素的分析认为，小冰期的3个冷期分别为530~430a B.P.(1420~1520A.D.)、380~270a B.P.(1570~1680A.D.)和180~60a B.P.(1770~1890A.D.)，其中最冷期为第2冷期；张德二[55]利用历史文献记载统计的近1000年以来的10次重大干旱事件中，有5次发生在490~250cal.a B.P.之间；陈颖等[54]对北京地区明清时期旱灾研究发现，530~251a B.P.(1420~1699A.D.)为旱灾最为多发时段，共发生旱灾190次，平均每1.47年发生1次；杨保[59]依据树轮资料分析认为，青藏高原15世纪后半叶的干旱事件是一次大尺度的年代际干旱事件。
250cal.a B.P.以来，安固里淖地区干旱程度有了一定缓解，草本植物花粉种类增多，特别是指示湿润气候的莎草科花粉比例明显升高，出现了喜湿的蕨类孢子。从元素分析来看，该阶段干旱指数和退碱系数均有所降低，显示气候有向暖湿的方向转变。
5.3 人类活动的影响20世纪(45cal. a B.P.以来)以来16cm沉积物研究显示，花粉浓度升高至3000粒/g以上，干旱指数、退碱系数及中值粒径均呈下降趋势，表明气候向暖湿的方向发展。但CaO/MgO比值大幅上升，表明湖泊自生碳酸盐含量升高，可能指示湖水水量进一步减少；该时段湖水水量的减小，一方面与全球温度升高导致蒸发量升高相关，另一方面人类活动影响也是重要因素。
从20世纪50年代到本世纪初，张北县人口增长了2.3倍，达到37.21万人，人口快速增长使得耕地面积的扩大，特别是水浇地和蔬菜种植面积的成倍增加，造成草场的大面积减少和用水量的激增，有资料显示自50年代以来，坝上地区草场面积减少了40 %，草场植被覆盖度降低了50 %以上，仅张北县的水浇地面积增长到建国前的190倍，用水量增加了11倍[60, 61]。草场植被的破坏以及农业用水的激增造成地下水位下降、水源涵养能力降低，地下水的严重超采在一定程度上影响了该地区的河流淖泊的水位以及植被的生长，并可能截断安固里淖地下径流补给渠道。
安固里淖湖上游修建了多处水库，功能主要为灌溉和防洪[62]，在入库水量不足的情况下，开始拦蓄地表径流，使得安固里淖湖基本没有水源补给。从而使得湖水位迅速下降直至干枯。
6 结论(1) 安固里淖湖近5000年来一直处于退缩过程中，特别是1000年以来，湖泊退缩及气候干旱程度加剧。
(2) 5030~1070cal.a B.P.期间，花粉浓度多高于6000粒/g，>63μm粗颗粒含量多低于5 %，CaO/MgO比值(多低于0.73，平均0.57)、干旱指数(多低于3.42，平均3.10)及退碱系数(多低于1.44，平均为1.31)等均为全剖面最低，反映了较为温暖湿润的环境。
(3) 中世纪温暖期(1070~620cal.a B.P.)研究区表现主要为干旱，平均花粉浓度降至3200粒/g以下，干旱指数(平均3.60)、退碱系数(平均1.53)迅速增加，温暖的特征不明显。
(4) 小冰期(620~45cal.a B.P.)气候最为寒冷干燥，花粉浓度进一步降低至2400粒/g以下，490~250cal.a B.P.为小冰期的最盛期，该阶段花粉浓度多低于1000粒/g，干旱指数(平均3.63)和退碱系数(平均1.67)最高，>63μm的粗颗粒物含量最高，250cal.a B.P.之后气候略变暖湿。
(5) 整个剖面松花粉百分比多超过50 %，但不同时期松花粉浓度差异十分显著，在1070cal.a B.P.之前，松花粉浓度多高于5000粒/g，最高达20000粒/g，1070cal.a B.P.以来，松花粉浓度多低于1000粒/g。安固里淖湖剖面孢粉组合中松属、云杉属应主要来源于研究区东南部的坝缘山地，由三台河、黑水河等河流搬运入湖。
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② Key Laboratory of Environmental Change and Ecological Development of Hebei Province, College of Resource and Environmental Sciences, Hebei Normal University, Shijiazhuang 050024;
③ Institute of Hydrogeology and Environmental Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Shijiazhuang 050061)
Abstract
The study of vegetation and climate changes of ecological sensitive area since 5000 years, especially the period of the Little Ice Age and the Medieval Warm Period will contribute to understanding how the ecosystem respond to climate change. A sediment sequence (1.2m in depth) from the Anguli-Nuur Lake (41°18'~41°24'N, 114°20'~114°27'E; 1313m a.s.l.), which is one of the largest inland lakes in the transition zone between a semi-humid and semi-arid climate parallel to the present limit of the southeast monsoon along the southeastern Inner Mongolia Plateau in the Bashang Plateau of Hebei Province, was selected to reconstruct the history of vegetation and climate since 5000cal.a B.P., based on pollen analysis, sediment grain size and major chemical elements analysis, combining with 14 C dating data. Totally 94 sample were collected, and the pollen analysis results indicated that a total of 49091 pollen and spore grains (more than 435 grains in each sample) and 78 pollen types, including 21 arboreal and shrub pollen types, 47 herbaceous types and 10 fern types were identified. In different period, pollen concentrations, sediment grain size and ratios of chemical elements changes obviously. From 5030cal.a B.P. to 1070cal.a B.P., the pollen concentrations are more than 6000 grains/g, and the drought index ((K+Na+Ca+Mg)/(Fe+Mn)) is less than 3.42, alkali index ((CaO+K2O+Na2O)/Al2O3) are lower than 1.44 and CaO/MgO are values lower than 0.73 respectively, indicating relative humid climate and relative stable water area and depth. In the Medieval Warm Period (1070~620cal.a B.P.), the average pollen concentrations decreased below 3200grains/g and the average grain diameter and variable amplitude enlarged, in the meantime, the drought index value (average 3.60) and alkali index value (average 1.53) increased rapidly, suggesting that the regional climate not only become very unstable but the drought were enhanced. In the Little Ice Age (620cal.a B.P. to 45cal.a B.P.), the pollen concentrations averagely decreased below 2400 grains/g, the drought index and alkali index values reach to the maximum in all sequence, indicating the drought were enhanced further more. The maximum of the Little Ice Age is from 490cal.a B.P. to 250cal.a B.P., when the pollen concentrations are less than 1000 grains/g, combined with the highest drought index value (average 3.63) and alkali index value (average 1.67). Thus it can be seen that the lake has been shrinking since 5000cal.a B.P., and the drought trend has been become more and more serious, especially since 1000cal.a B.P. Since 45cal.a B.P., the climate has become a little warm and wet, but the content of the lake carbonate got much higher than before, represented by higher CaO/MgO values (more than 1), suggesting that the lake areas and depth continue shrink. That should be mainly affected by serious human activities and the reconstruction of reservoir in the river upstream. The high content of Pinus and Picea in pollen assemblages should mainly come from the mountains located in the south-east of Bashang Plateau, and then transport to the lake by inflow river water.