2020, Vol.40
在漫长的地质历史时期，气候经历了数次的冷暖干湿波动，特别是在晚上新世-早更新世时期，该时期是全球气候发生转折的重要时期，也是北极冰盖大规模扩张和青藏高原快速隆升的重要演化期[1~2]；在此期间，亚洲地区的地貌格局也发生了显著变化，亚洲内陆的干旱化过程不断加剧，东亚季风气候格局逐渐发展[3~5]。近些年来，我国科研工作者在青藏地区和黄土高原地区开展了一系列关于晚上新世-早更新世时期的古环境研究工作，并取得了大量的研究进展，积累了丰富的研究资料，但已有的研究更多的是讨论了晚上新世-早更新世时期的古环境演化特征，而关于该时期的古气候周期研究的资料相对较少[6~8]。研究晚上新世-早更新世时期的古气候演变过程及驱动机制，可以使我们更好地了解我国现代自然环境格局的形成及东亚季风的演化特征；同时，对该时期气候演化周期的研究，也对我们理解地球轨道参数变化和气候演变之间的关系具有重要的意义。
地球轨道要素的周期性变化能够驱动气候的波动变化，因而Milankoviteh(米兰科维奇)理论可以对古气候的周期性特征做出较好的解释并被广泛地应用在古气候的研究之中[2, 9]。Milankoviteh理论涉及到的地球轨道参数主要包含偏心率、地轴倾角和岁差，其中地球轨道偏心率的主导周期为400 ka和100 ka；地球倾角的主导周期为41 ka，而受偏心率调控的岁差周期为23 ka和19 ka(平均21 ka)。
目前，众多长尺度的古气候记录中都可以体现出气候的周期性变化，如深海氧同位素记录可以清晰地反映出100 ka、41 ka和21 ka的轨道周期[10]；黄土高原的洛川剖面和宝鸡剖面的磁化率、粒度指标也分别记录到倾斜率、岁差和偏心率的周期信号[6~7, 11]；贝加尔湖晚中新世-上新世的气候变化也体现出40 ka的周期[12~13]。这些都反映出气候的环境演变和地球轨道参数变化之间的高度相关性。
然而，对于陆地上大面积的冲洪积沉积，至今仍缺少连续的、高分辨率的生物化石记录来揭示古气候的变化周期，而这种陆相冲洪积沉积记录能否成为研究高分辨率古气候记录的良好载体？能否很好地反映轨道驱动因素的影响？这些都成为亟待研究的问题。植被孢粉一直被认为是气候变化的敏感器，并能很好地保存在沉积地层中，是古气候研究中较为常用的代用指标[14~18]，而处于干旱半干旱过渡地区的银川盆地，对于环境变化的反映非常敏感，并积累了巨厚的、连续的沉积物，为古气候研究提供了很好的材料。在银川盆地之前的古气候周期研究中，曾认为在早更新世时期的Olduvai阶段，孢粉指标的变化可以反映出21 ka的轨道变化周期，并认为该时期的气候波动是受到地球轨道因素的影响；但是由于该研究时段较短，无法明确证明长时间尺度的古气候周期变化特征是否可以清晰地反映出轨道变化周期[19]。因此，本文通过分析银川盆地晚上新世-早更新世时期的孢粉组合特征，以探讨研究区该时期的古气候变化周期。
1 银川盆地区域概况银川盆地(37°50′~39°20′N，105°20′~106°50′E)位于我国西北地区，属于宁夏回族自治区。该研究区处于青藏高原东北部，黄土高原西北部(图 1)。黄河贯穿整个盆地，形成宁夏平原(图 1)，其第四系沉积物最大沉积厚度可达1600 m[20~22]。此外，银川盆地处于季风与非季风的过渡地带，又是干旱与半干旱区域的交界处；因此，该区域也成为研究全球气候和东亚季风演化的理想区域[23]。研究区处于亚洲季风和西风影响的边界地带，湿润气流主要来自东亚夏季风，冬季较寒冷干燥，属于典型的温带大陆性气候。研究区内植被主要为荒漠草原，群落结构相对简单。区内优势种为旱生植物，主要以多年生禾草和小灌木为主，如短花针茅(Stipa glareosa)、细柄茅(Ptilagrostis mongholica)、红砂(Reaumuria soongarica)等；另外，还有盐生灌丛群落、油蒿(Artemisia ordosica)沙生群落、假苇拂子茅(Calamagrostis pseudophragmits)中生草甸群落及沼泽植被等[14]。银川盆地西部近南北走向的贺兰山，山地海拔高，相对高差大，植被组成及分布主要受降水量或土壤湿度的影响呈现出明显的垂直带分异。其中，山地垂直带谱中分布最宽的为寒温带针叶林，分布在海拔2400~3100 m的阴坡和半阴坡处，主要生长着青海云杉(Picea crassifolia)；而在海拔2000~2500 m的阳坡，由于干燥度较大，生长着耐旱性强的灰榆(Ulmus glaucescens)阔叶林，形成了一个特殊的灰榆疏林景观带，并伴生一些灌木和半灌木[19, 24~25]。
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图 1 研究区主要大气环流及PL02钻孔位置图 Fig. 1 The major atmospheric circulation systems in the study area and the location map of the core PL02 |
本文选取的PL02钻孔，其地理坐标为38°55′26.62″N，106°36′03.82″E，海拔为1103 m。钻孔位于银川盆地的东北部，靠近银川-平罗断裂带，又刚好处于盆地内部的沉降中心附近，这样可以保证在有效的深度内获得更加丰富的地层信息，有利于开展干旱与半干旱地区的古环境研究工作。PL02钻孔距贺兰山约35 km，距黄河约10 km，钻孔深度720.77 m，平均取芯率约为94.69 %。岩性主要以中砂和细砂为主，其次为粘土、粉砂，少数层位有粗砂和粉砂质粘土[19, 26]。在沉积物中可以看到明显的下粗上细的“二元结构”，有巨厚含炭屑的灰绿色砂岩、粘土及含炭屑的青灰色、浅灰色粉砂互层，可判定研究区的沉积相主要是以河流相和湖泊相为主，局部可见沼泽相，属典型沉降盆地的洪泛沉积环境[24, 27]。
2 材料和方法PL02钻孔的年代主要是依据古地磁测年[27]，其结果表明：钻孔底部深度为720.7 m，对应磁性地层年龄为3.4 Ma；另外，B/M和M/G界线分别位于137.2 m和496.3 m处，年龄对应为0.78 Ma和2.581 Ma；Jaramillo(1.07~0.99 Ma)、Olduvai(1.95~1.77 Ma)、Kaena(3.11~3.04 Ma)及Mammoth(3.33~3.22 Ma)等亚极性时对应的深度分别为179~162.4 m、333.8~284.3 m、640.3~606.8 m及704.1~680.3 m，这也反映了钻孔是连续的，未出现沉积间断。
本论文是以银川盆地PL02钻孔下部，深度为705.7~247.9 m(如图 2所示)的200个孢粉样品为研究对象。根据古地磁测年结果，并结合研究层位的沉积速率，利用线性内插的方法推算出705.7 m深度对应的年龄为3.34 Ma，247.9 m深度对应的年龄为1.58 Ma，孢粉样品在3.3~2.8 Ma阶段分布较密，分辨率约为4 ka；在2.8~1.5 Ma阶段分布较稀疏，分辨率仅为10 ka，在之前关于早更新世时期的孢粉研究中，Olduvai时期的孢粉样品的分辨率可达到2 ka[19]；磁化率样品在3.3~1.5 Ma阶段，分辨率为0.4 ka；粒度样品在3.3~1.5 Ma阶段，分辨率为0.9 ka。在实验室内采用氢氟酸筛选法对这200个样品进行孢粉提取，实验操作主要在首都师范大学和中国地质科学院孢粉实验室完成。为保证获取充足的花粉数量，依据样品岩性的不同，称取不同的重量置于烧杯中，具体选取标准为：粘土样品50 g，粉砂样品80 g，细砂样品100 g，中砂样品150 g，粗砂样品250 g。之后在样品内加入盐酸进行酸处理，再进行淘洗以去除样品内的植物残体，再加入氢氟酸除去硅酸盐和二氧化硅，最后再进行酸处理并过筛、离心，将获得的孢粉收集于指形管内并加入少量甘油进行封存，在孢粉鉴定室进行制片并在镜下进行观察。为获得清晰的花粉资料，一般采用400倍镜下鉴定，600倍镜下拍照记录，在鉴定过程中需要统计各种孢子和花粉的数量以及外加标志花粉的数量。为了保证能够获取高质量的孢粉数据，确保每个样品鉴定的陆生花粉粒数都要达到300粒以上[19, 24]。
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图 2 银川盆地PL02钻孔岩性及沉积速率 Fig. 2 Lithology and sedimentation rate of core PL02 in Yinchuan Basin |
周期分析主要采用频谱分析和小波变换。频谱分析常常被用来检验古气候记录中是否存在周期性变化，是古气候研究的一个重要工具。古气候时间序列经常是呈现不均匀间隔的，在实际研究中不容易对频率变化进行准确判断[28]。本研究主要运用Redfit对晚上新世-早更新世时期的气候进行频谱分析。小波分析可以较好的体现指标随着时间的推移在强度和频率上具有的明显周期性的变化，一般采用Morlet小波，本文中的小波分析是利用Matlab完成[29~30]。
3 结果分析 3.1 孢粉记录在本研究中，经过对孢粉数据的统计可知，银川盆地PL02钻孔晚上新世-早更新世时段的200个孢粉样品鉴定到的花粉种属较为丰富，乔木、灌木和草本植物共有60个种属，主要包括：乔木植物花粉种属：Abies(冷杉属)、Picea(云杉属)和Pinus(松属)等针叶树种；Alnus(桤木属)、Quercus(栎属)、Ginkgo(银杏属)、Castanea(栗属)、Eucommia(杜仲属)、Juglans(胡桃属)、Ulmus(榆属)和Betula(桦木属)等阔叶树种；此外，还有Hippophae(沙棘)、Nitraria(白刺属)、Ephedra(麻黄属)、Elaeagnus(胡颓子属)和Tamarix(柽柳属)等耐旱的矮小灌木植物以及Poaceae(禾本科)、Chenopodiaceae(藜科)、Asteraceae(菊科)、Polygonaceae(蓼科)、Artemisia(蒿属)、Ranunculaceae(毛茛科)、Thalictrum(唐松草属)、Urtica(荨麻属)、Humulus(葎草属)和Rosaceae(蔷薇科)等草本植物；在某些层位样品还可以看到少量的蕨类孢子，如Sellaginella(卷柏属)和Polypodiaceae(水龙骨科)等。对获得的孢粉百分比图谱进行分析，基于主要科属植物孢粉百分比变化，并结合Tilia软件的聚类分析结果，依据PL02钻孔深度，自下而上共划分为4个孢粉组合带，各孢粉组合带中种属的具体变化描述如下(如图 3所示)。
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图 3 银川盆地PL02钻孔主要孢粉种属百分比图(深度：705.7~247.9 m) Fig. 3 Pollen percentage diagram for core PL02 showing selected taxa, Yinchuan Basin(depth:705.7~247.9 m) |
(1) 带Ⅰ (深度705.7~559.0 m，年龄3.3~2.8 Ma)
在该组合带中，草本植物占优势，其草本花粉的百分含量为25.41 % ~88.16 %，均值为68.68 %；灌木植物花粉百分比含量为0~38.21 %；乔木植物花粉百分含量为8.88 % ~81.65 %。花粉质量浓度为80粒/g，波动范围为7~1654粒/g。旱生植物花粉百分比均值为33.06 %，主要包含藜科(平均31.45 %)、白刺属(平均0.98 %)和麻黄属(平均1.03 %)。在乔木植物中，其针叶林植被花粉主要包含松属(均值16.72 %)、云杉属和冷杉属(均值5.8 %)；而阔叶乔木主要包含榆属、桦木属和栎属，它们的花粉百分含量均值分别为1.63 %、0.71 %和0.81 %。草本植物中的优势种除了藜科还有蒿属，其花粉百分含量均值为23.25 % (3.58 % ~41.77 %)，A/C(蒿属和藜科花粉数量之比)均值为0.85。AP/NAP(乔木植物与非乔木植物的数量之比)均值为0.56，达到整段剖面的最小值。
(2) 带Ⅱ (深度559~446 m，年龄2.8~2.4 Ma)
与带Ⅰ相比，在该组合带中，草本植物含量下降，花粉百分比均值为59.93 %，变化范围为8.79 % ~83.59 %；乔木和灌木植物有所上升，其中乔木花粉百分比均值增多至30.43 % (6.01 % ~88.37 %)，灌木植物花粉百分比均值为7.42 % (0.60 % ~29.97 %)。花粉质量浓度较带Ⅰ急剧上升，升至212粒/g(9~687粒/g)。旱生植物迅速减少，花粉百分含量均值为25.4 %，其中藜科下降最多(均值21.3 %)，而白刺(2.23 %)和麻黄(1.87 %)花粉百分比略微增加。乔木植物中的云杉和冷杉花粉百分含量迅速增加，均值为10.73 %；而阔叶木本百分比下降，其中栎属(均值0.38 %)、胡桃属(均值0.45 %)和榆属(均值0.99 %)百分比都有减少，而桦木属(均值0.79 %)有轻微增长。灌木植物中的白刺属、麻黄属和沙棘属(平均1.56 %)出现相应地增多，而胡颓子属(平均1.40 %)却表现出轻微地下降。草本植物中的优势种属藜科和蒿属花粉百分含量都大幅度减少，其均值分别为21.31 %和19.22 %，A/C均值为0.90；其他草本植物如禾本科(平均4.99 %)、菊科(平均3.80 %)、葎草属(平均2.08 %)、唐松草属(平均2.32 %)和蔷薇科(平均1.46 %)等花粉百分含量都有所增加，而毛茛科(平均1.06 %)、荨麻属(平均1.97 %)。AP/NAP的值为1.46，比带Ⅰ明显增加。
(3) 带Ⅲ(深度446.0~348.7 m，年龄2.4~2.0 Ma)
该组合带的花粉质量浓度与带Ⅱ相比迅速下降，均值为146粒/g。草本(均值54.76 %)及灌木(均值7.31 %)植物出现下降趋势，而乔木植物(均值36.70 %)相应地增加，达到研究范围内的最大值。乔木植物中的阔叶木本植物略有上升，包括榆属和桦木属，均值分别为1.6 %和1.1 %；而栎属(0.3 %)和胡桃属(0.4 %)略有下降；针叶林植被中的松属、云杉和冷杉属比带Ⅱ明显增多，松属花粉百分含量均值为18.15 % (2.28 % ~47.80 %)，云杉和冷杉属花粉百分含量均值为14.33 % (1.20 % ~51.45 %)。在灌木植物中，麻黄属、白刺属和沙棘属的花粉含量比带Ⅱ出现明显降低，其均值分别为0.59 %、1.98 %和1.31 %；胡颓子属(平均2.78 %)迅速增多。草本植物中的藜科和蒿属花粉百分含量下降较快，均值分别为19.84 %和15.55 %，A/C均值为0.81；禾本科(平均4.49 %)变化不大；此外，中生草本植物如菊科(均值3.27 %)、蔷薇科(均值1.16 %)和荨麻属(均值1.31 %)表现出略微下降，而毛茛科(平均1.09 %)、唐松草属(平均4.19 %)相应地增加。AP/NAP比值比带Ⅱ下降，均值为1.1。
(4) 带Ⅳ(深度348.7~247.9 m，年龄2.0~1.5 Ma)
在该组合带，草本植物花粉百分含量与带Ⅲ相比，增长幅度较大，其均值为64.18 % (11.08 % ~92.77 %)；灌木植物也出现略微增多，其花粉百分含量均值为8.09 %；相应地，乔木植物花粉百分比均值明显下降为26.77 % (6.16 % ~86.08 %)。花粉质量浓度下降为131粒/g(16~897粒/g)。旱生植物花粉百分含量明显增加，主要是由于藜科花粉的百分含量不断增加，其均值为28.21 % (3.31 % ~53.82 %)；灌木植物中的白刺属迅速增加，均值达到最大，为3.66 %，麻黄属和胡颓子属则有很小的变化，略微下降为0.29 %和1.56 %；在草本植物中，蒿属花粉百分含量有轻微的增加，均值为15.90 %，A/C均值为0.58；同样增多的还有禾本科(平均5.00 %)、荨麻属(平均3.47 %)和菊科(平均4.27 %)，而毛茛科(平均1.04 %)、唐松草属(平均3.16 %)和蔷薇科(平均0.73 %)则有所下降。AP/NAP均值降为1.12，比前一带略有增加。
孢粉分析可以被用来恢复过去植被的面貌及演替规律，所以孢粉常常被作为研究古气候和古环境的代用指标[31~35]。在第四纪沉积物中发现的云杉属和冷杉属花粉，常常被当作寒冷湿润气候的指示物，尤其是在孢粉组合中云杉和冷杉占较大比例时，很自然地被认为是冰期的出现[36]。银川盆地的云杉属多为青海云杉，生长在周围海拔2200~3100 m的山地阴坡和半阴坡；与云杉花粉相比，冷杉花粉不仅含量较低，散布距离也较短[37]。阔叶树往往生长在向阳温暖并且湿度适中的地区，当其百分含量较高时可以指示相对温暖湿润的气候条件[21, 38]。麻黄属是干旱区的典型植物代表，其生境条件较差，花粉具有超代表性，可以用来指示干旱的环境，常见于荒漠及荒漠草原地区；白刺属常见于我国西北干旱区荒漠、荒漠草原地带[39]。蒿属和藜科花粉是干旱区花粉组合中主要的组成成分，但藜科比蒿属更耐干旱，藜科植物多数是荒漠植被的主要成分，藜科在干旱区分布较广；蒿属和藜科花粉数量之比(A/C)常常被作为分析干旱区植被生态特征的重要指标之一。A/C值越低，代表研究区植被生境越干旱[37, 40~41]。因此综上所述，在银川盆地地区，PL02钻孔花粉中的云杉属和冷杉属可以作为指示冷湿气候的指标，针叶林一般生长在高海拔的山地，当气温低，湿度大时含量增多。阔叶乔木被认为是指示气温冷暖的重要指标，当气候较温暖时，阔叶乔木面积扩增。藜科、蒿属、麻黄属和白刺属可以作为指示干旱气候的重要指标，一般在平原地区生长较多，它们数量出现的多少标志着气候的干旱程度变化[19, 42]。
从选取的银川盆地PL02钻孔的主要孢粉记录的指标变化曲线来看，在晚上新世阶段，阔叶乔木的百分含量与早更新世早期相比明显较高(图 4c)，说明在晚上新世时期气候相对温暖湿润；同时也可以看到在2.8 Ma之前，A/C数值相对较高，之后数值出现下降(图 4d)；而云杉和冷杉属花粉的百分含量在2.8 Ma之后出现显著的增多(图 4a)；旱生植被的百分含量在晚上新世时期(3.2 Ma附近)虽然较高，但在2.8 Ma附近达到较低值，之后在2.6 Ma附近出现逐渐增高的趋势(图 4b)，这些数值的变化都说明在2.8 Ma前后，气候已经开始变冷变干；而在进入早更新世时期，气候冷暖波动明显，随着白刺属、麻黄属和藜科等耐旱植物花粉的增加，喜湿、喜暖的阔叶乔木数量减少，气候快速地向干旱化方向发展，之后又经历了一系列波动性的干旱化加强的过程，开始了冰期-间冰期的冷干-暖湿的气候旋回；在2.2~2.0 Ma期间，该时期阔叶木本花粉含量明显增多，旱生植物减少。在早更新世Olduvai时期(1.8 Ma附近)，针叶树种显著增多，其中云杉属花粉含量达到最大值，说明该时期气候湿度很大[19]。
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图 4 银川盆地PL02钻孔晚上新世-早更新世时期的孢粉指标变化 (a)云杉属和冷杉属花粉百分含量总和；(b)旱生植物百分含量(包括藜科、白刺属和麻黄属)；(c)阔叶乔木花粉百分含量；(d)蒿属花粉与藜科花粉百分含量比值 Fig. 4 Changes of pollen indexs during the Late Pleistocene-Early Pleistocene period from the core PL02 in the Yinchuan Basin. (a)The sum of pollen percentages of Picea and Abies; (b)Percentage of xerophytic taxa(Chenopodiaceae, Nitraria and Ephedra); (c)Percentages of broadleaved trees pollen; (d)The ratios of Artemisia to Chenopodiaceae of core PL02 |
根据本研究孢粉分析的结果，主要选取了银川盆地PL02钻孔晚上新世-早更新世时期孢粉记录的具有生态指示意义的代表性指标来进行周期分析(频谱分析和小波分析)，分别选用的是能够代表冷湿气候的云杉属和冷杉属等针叶树种花粉的百分含量；能够指示干旱气候的旱生植物指标，主要包括耐旱的麻黄属、白刺属和藜科花粉的百分含量总和；能够指示温湿气候的阔叶乔木的百分含量和可以反映干旱区湿度变化的A/C数值。除此之外，为了验证周期的准确性，我们也对银川盆地PL02钻孔该时段的磁化率和粒度指标进行相关的周期对比。
频谱分析的结果显示(图 5)，云杉属和冷杉属的周期成分600 ka最为显著，置信度超过了99 %的检验线，其次是21 ka的周期较为明显，置信度在95 %检验线之上；同时置信度在95 %之上的周期还表现为79 ka；置信度在90 %检验线之上的周期主要有34 ka和25 ka(图 5a)。从图 5b显示的结果可以看到旱生植被表现出来的周期成分，其中表现最为明显的周期是21 ka和36 ka，其置信度均在99 %检验线之上，并且21 ka表现的最为强烈；其次周期363 ka也较为显著，置信度在95 %检验线之上，同时也可以表现出46 ka的周期，置信度在90 %之上(图 5b)。根据阔叶乔木的频谱结果可以看出，有一个较强的信号是900 ka，置信度在99 %以上，之后在95 %的检验线之上出现了129 ka的周期，周期79 ka置信度在90 %以上，而40 ka、21 ka和19 ka的周期置信度都较低，在80 %的检验线之上(图 5c)。对比A/C的频谱分析结果，90 %的置信度检验线之上出现的周期主要有450 ka、165 ka、36 ka，而周期95 ka、40 ka、22 ka均在80 %的检验线之上(图 5d)。磁化率的频谱分析结果表明，600 ka周期信号较强烈，置信度在99 %之上，之后还有259 ka、129 ka、39 ka、25 ka的周期信号在95 %之上，周期20 ka的信号相对较弱，但也在检验线90 %以上(图 5e)。进一步验证了中值粒度的频谱结果，发现164 ka、129 ka、95 ka和67 ka周期信号较为明显，其次是20 ka的周期信号也较为强烈，置信度均在90 %的检验线之上(图 5f)。
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图 5 银川盆地PL02钻孔晚上新世-早更新世时期的孢粉、磁化率和粒度指标频谱分析图谱 Fig. 5 Spectrum analysis results of the pollen record, magnetic susceptibility and mean grain size during the Late Pliocene-Early Pleistocene from the core PL02 in the Yinchuan Basin |
为了进一步研究PL02钻孔沉积物记录的气候周期演化特征，本研究又对云杉属和冷杉属花粉的百分比、旱生植被花粉的百分比、阔叶乔木花粉百分比、A/C、磁化率和粒度等指标进行了小波分析，结果如图 6所示。
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图 6 银川盆地PL02钻孔晚上新世-早更新世时期孢粉、磁化率和粒度的小波分析图谱 图中阴影部分为边缘效应区域，黑色实线代表 95 %的置信水平 Fig. 6 Wavelet analysis results of the pollen record, magnetic susceptibility and mean grain size during the Late Pliocene-Early Pleistocene from the core PL02 in the Yinchuan Basin. The edge effects region is shown as a lighter shade and the thick black contour designates the 95 % significance level |
从图 6可以看出，PL02钻孔孢粉、磁化率和粒度等指标在晚上新世-早更新世时期具有明显的轨道周期性变化。云杉属和冷杉属的百分含量在2.8 Ma以来的地轴倾角周期(40 ka)较显著，岁差周期(21 ka)具有一定的阶段性演化特征，在2.9~2.6 Ma间的100 ka周期也较明显(图 6a)。旱生植被(藜科、麻黄属、白刺属)的地轴倾角(40 ka)和岁差周期(21 ka)在整个晚上新世-早更新世时期都较显著且具有阶段性，同时2.0 Ma以来偏心率的周期(100 ka)也较明显(图 6b)。阔叶乔木花粉百分比的小波分析结果表明，除地轴倾角(40 ka)和岁差周期(21 ka)具有明显的阶段性变化，在晚上新世(3.33~2.70 Ma)具有较显著的偏心率(100 ka)和200 ka的周期变化(图 6c)。而从A/C的小波图谱可以看出，在岁差周期(21 ka)变化的基础上同时体现了较强的偏心率(100 ka)和地轴倾角(40 ka)的周期，且在晚上新世时期基本同时存在显著的100 ka、40 ka和21 ka的周期性变化(图 6d)。然而，从磁化率和粒度的小波分析结果也可以看到，PL02钻孔沉积物的磁化率和粒度的轨道周期变化并不明显(图 6e和6f)，不能反映出频谱分析结果所反映到的明显周期。本文研究对象主要为河湖相沉积，其磁化率和粒度可能都需要考虑到河流的影响，孢粉也不可避免的会受到河流搬运的影响，但是在研究中我们发现较多的针叶林花粉可能是来自于周边山地，而阔叶乔本含量较低，被河流远距离携带的可能性也较小，高含量的草本花粉，其花粉较小，重量较轻，更多的是反映出盆地内部的植被面貌。因此，河流和磁化率以及粒度他们之间的关系是一个较为复杂的过程，其具体原因还需要进行深入研究探讨。
4 讨论 4.1 晚上新世-早更新世时期的环境演化特征晚上新世和早更新世的分界线是在2.6 Ma附近，自进入2.6 Ma以来，全球很多区域都在此时发生了环境转变的记录事件，全球气候发生重大改变，此时北半球冰盖大规模的扩张，南中国海和俄罗斯湖泊出现大幅降温[43~44]，全球开始逐渐变冷；大西洋中的氧同位素比值也开始不断增大，太平洋里的深海风成碎屑物质的含量也有了明显的增多[45~46]。但是从银川盆地的孢粉记录来看，气候在2.8 Ma已经表现出开始变冷的现象，针叶林花粉数量明显增多；而在北半球普遍发生的气候变冷记录，最早始于晚上新世时期[43]，我国的古地理轮廓，也是早在晚第三纪就已经接近于现代[44]。兰州地区的磁化率、中值粒径等指标表明在2.8 Ma该地区出现了一次迅速寒冷的事件，之后温度回升，2.7 Ma以后又进一步变冷变干[1]。进入早更新世之后，气候波动变化较明显，2.2~2.0 Ma期间存在着一小段相对暖湿的气候，可以在同时期其他地区找到相关研究记录，泥河湾盆地大道坡剖面在同期孢粉组合中的乔木植物花粉较多，气候总体温暖湿润[47~48]；而在北半球纬度较高地区的俄罗斯El'gygytgyn湖的孢粉记录显示，在2.2 Ma附近研究区气候较为暖湿[49]。以上这些研究记录均与银川盆地孢粉记录在该时段表现出较为一致的气候变化。而早更新世Olduvai时期的湿润气候期，在研究区周边的柴达木盆地和临夏盆地也都有类似的气候记录[19]。所以，银川盆地的孢粉记录表明该地区的环境变化并非仅仅是显示局地气候变化，而是与全球环境变化同步的。
4.2 晚上新世-早更新世时期的古气候周期变化在万年时间尺度上，晚新生代的气候变化受到米兰科维奇周期的驱动，全球冰量变化显示出轨道周期[2, 50]；地球接受的太阳辐射变化引起的气候长周期变化，或许可以被认为是控制亚洲内陆气候干湿变化的主导因素[2, 51~53]。通过上述频谱分析和小波分析等周期分析结果可以看出，银川盆地PL02钻孔晚上新世-早更新世时期的孢粉指标均不同程度地记录了地球轨道参数的周期。我们在频谱分析中可以发现，孢粉、磁化率和粒度指标均能表现出明显的岁差周期(21 ka，或19~23 ka波动变化)，除粒度指标外，其他指标也可以体现出倾斜率周期(41 ka)；但是偏心率周期(100 ka)则表现不明显，只有A/C和粒度指标的频谱分析结果可以表现出95 ka。在周期的研究中普遍认为，低纬地区一般以显著的20 ka岁差周期为主导，100 ka的偏心率周期并不显著。北半球冰量变化决定了全球气候变化的周期性，但是在许多低纬度地区却是很难体现出100 ka周期，这表明低纬度部分地区的气候旋回受到局地太阳辐射变化所驱动，而并不是由北半球冰盖的扩张和收缩所决定[54]。而从小波分析的结果中可以看出，PL02钻孔沉积物记录的气候演化也存在明显的轨道周期，主要为地轴倾角和岁差周期，在某些阶段A/C和云杉属与冷杉属指标记录的偏心率周期也有显示。以上所有记录均能表现出20 ka的岁差周期，且置信度都较高；Tian等[19]在对银川盆地Olduvai时期高分辨率的古植被和古气候演化进行研究中发现，该时期的孢粉记录的频谱分析和交叉谱分析结果均能反映出20 ka的岁差周期。这些结果均说明银川盆地PL02钻孔的沉积记录是较为连续的沉积，提供了较高分辨率的古环境记录。除了这些主周期外，频谱结果和小波分析的结果还记录到其他非轨道周期成分，频谱分析中存在着一些非米兰科维奇周期，如600 ka的周期，还有一些轨道谐振周期，如129 ka、79 ka和67 ka等；小波分析中，阔叶乔木和粒度出现的200 ka(100 ka的2倍)周期，推测这些杂音信号可能是受周期谐振的影响[53]或者是太阳辐射量变化周期与其他因子变化周期相互叠加的结果。李新玲[55]在对银川盆地3.4 Ma以来的周期进行研究的过程中，发现该地区表现出600 ka的周期变化，此外，贝加尔湖BDP98钻孔的粒度研究中也曾提到过600 ka周期的存在[56]，结合本研究晚上新世-早更新世时期的阶段性气候研究，依然在磁化率和云杉、冷杉的记录中体现出该周期，这表明600 ka周期并不是偶然出现的周期信号。但是这样一个长周期的形成机制并不能简单的归结于天文因素的解释，需要进一步寻求更多的证据来阐述其具体原因。
深海氧同位素LR04曲线来自全球57个站点的海洋底栖生物δ18O记录，其主要受控于太阳辐射量变化所导致的全球冰量变化，具有明显的100 ka、41 ka和20 ka的周期性变化[57]。晚上新世堆积的红粘土和第四纪时期的黄土-古土壤序列的磁化率和粒度指标也记录着米兰科维奇周期[6~7, 53, 58]。与LR04曲线[57]和黄土记录相比[58]，PL02钻孔沉积物孢粉记录也反映了相同的轨道周期变化，且地轴倾角(41 ka)和岁差(21 ka)周期显著，有阶段性演化的特征。这说明银川盆地内孢粉指标及粒度、磁化率指标反映出的古气候周期变化与深海和黄土记录相似，其区域的古气候演化特征与全球气候变化较为同步，这也进一步表明本研究的沉积序列是一个连续的、高分辨率的沉积记录，而这种陆地的冲洪积沉积可以作为古环境研究的良好载体，亦可以作为古气候周期研究的良好材料。
5 结论晚上新世-早更新世时期在地质历史时期是一个非常重要的气候过渡期，对于该时期古环境的研究，有助于我们更好地了解气候的整体变化规律。目前，关于晚上新世-早更新世时期的古环境研究记录主要集中在陆地的长时间尺度的沉积记录中，但是对该时期的古气候周期的相关研究相对较少。本研究选取具有大面积冲洪积沉积的银川盆地作为研究对象，对研究区PL02钻孔下部(深度705.7~247.9 m)3.3~1.5 Ma的孢粉、磁化率和粒度等指标分析，恢复了晚上新世-早更新世时期研究区的环境演化特征，并结合频谱分析和小波变换等方法，探讨了该时期气候变化的周期性特征，主要结论如下：
(1) 银川盆地在晚上新世时期(约2.8 Ma)旱生植被开始逐渐增加，A/C数值降低，云杉和冷杉属花粉含量增高，阔叶乔木数量明显下降，这些都指示开始逐渐变冷变干的气候特征；进入早更新世，随着白刺属、麻黄属和藜科等耐旱植物花粉的增加，喜湿、喜暖的阔叶乔木数量减少，研究区气候变得更加干旱且冷暖波动较大。
(2) 通过频谱分析和小波分析等周期分析结果可知，银川盆地PL02钻孔在晚上新世-早更新世时期的孢粉指标均不同程度地记录了地球轨道参数的周期，能够表现出明显的岁差周期(21 ka)和倾斜率周期(41 ka)，蒿藜比和粒度指标的频谱分析结果还可以表现出相似的偏心率周期(100 ka)。这些结果都表明了银川盆地PL02钻孔的沉积记录是较为连续的沉积，可以提供较高分辨率的古环境记录，并且该时期的气候变化可能受到地球轨道参数变化的影响，与其他区域的环境变化具有一致性。
致谢: 感谢审稿专家和编辑部杨美芳老师所提出的宝贵修改意见!
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Abstract
The Late Pliocene-Early Pleistocene period is a transitional period of major changes in the global environment. The Yinchuan Basin(37°50'~39°20'N, 105°21'~106°50'E) is located in Northwestern China and in the junction of arid and semi-arid regions. The basin is an ideal area for studying the evolution of the paleoenvironment since it's abundant Cenozoic sediments. A depth 720.77-m core PL02(38°55'26.62″N, 106°36'03.82″; 1103 m a.s.l.) is located in the subsidence central of Yinchuan Basin and it is typical flood sedimentary environment of subsidence basin. In this study, we reconstructed paleoenvironment evolution characteristics during the Late Pliocene-Early Pleistocene(3.3~1.5 Ma) period in Yinchuan Basin by pollen(200 samples), magnetic susceptibility and mean grains size of the bottom of the core PL02(depth:705.7~247.9 m). Moreover, we also analyzed the paleoclimate change cycle of this period through spectrum analysis and wavelet transform methods. The results show that the climate in the study area has gradually become cold and dry during the Late Pliocene period(since 2.8 Ma), and has become more arid and fluctuates greatly in the Early Pleistocene period. In addition, pollen, magnetic susceptibility and mean grains size reflected that the paleoclimate changes in Yinchuan Basin from the Late Pliocene to Early Pleistocene period have a relatively significant cycles of ca. 20 ka of the precession and of ca. 40 ka of the obliquity, but the cycles of ca. 100 ka of the eccentricity is only reflected in individual indicators. Moreover, these results are more consistent with the climate change cycle of the Late Pleistocene-Early Pleistocene revealed by the records of the Loess Plateau and the deep-sea oxygen isotope records. Therefore, it can be speculated that the climate fluctuations in the Yinchuan Basin during this period may be affected by the Earth's orbital factors and similar to global environmental change.