2021, Vol.41
2 中国科学院西北生态资源环境研究院兰州油气资源研究中心, 甘肃 兰州 730030;
3 天津师范大学城市与环境科学学院, 天津 300387;
4 东华理工大学地球科学学院, 江西 南昌 330013)
气候变化一直是全球科学研究的热点之一。国际地圈生物圈计划(IGBP)的一个重要研究计划就是过去全球变化研究(Past Global Changes，简称PAGES)，而PAGES计划的核心之一则是全新世气候变化的精细化研究。
辽南地区是我国东部沿海较早依据孢粉学研究，提出一万年以来的气候变化期三分方案的地点，陈承惠等[1]将其划分为早全新世普兰店期(8~10 ka)、中全新世大孤山期(2.5~8.0 ka)和晚全新世庄河期(2.5 ka以来)，期间的植被演替自早至晚依次经历了桦木林、阔叶林和针阔混交林；随后，李雪铭[2]依据辽南大莲泡剖面沉积物粒度和孢粉(主要是草本及蕨类)研究，重建了该古湖泊形成到消亡的过程。海平面变化研究方面，一些学者认为辽宁海岸带约在距今7000年以前达到最大海侵范围，近5000年以来海面在下降过程中有短暂的波动和稳定时期[3]；辽南地区保存有较多的古湖沼、潟湖相沉积，多分布在山间谷地及河口海岸，在全新世期间由于局地水文地质条件差异，亦多见有泥炭沉积[4]。因此，各地古湖泊、泥炭发育情况及古气候信息等尚需要进一步深入研究。
本文报道了辽南金州区七顶山街道西团瓢剖面湖沼-泥炭相沉积，其中的AMS 14C年代数据记录了该地古湖及泥炭的形成时间，孢粉及硅藻组合记录了新仙女木期(Younger Dryas，简称YD)以来的环境变迁过程，为本区气候重建研究提供重要的科学依据。
1 研究区概况西团瓢盆地位于辽东半岛西南部(图 1)，系金州断裂带北西盘的构造盆地，盆地周边是由七顶山及大东山等组成的低海拔丘陵，岩性主要为寒武系白云质灰岩及团块灰岩[2]。剥蚀丘陵山麓地带广泛发育有薄厚不等的滨海黄土，而相对低洼的盆地则堆积了含有沼泽相的第四纪沉积物[5]，并含有全新世晚期泥炭层[4]。西团瓢“湖水”于几十年前水利改造工程抽干，除丰水年有少量积水外，现多已辟为农田。
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图 1 辽南地区位置及西团瓢盆地地质图 Fig. 1 Location of southern Liaoning and the geological map of Xituanpiao basin |
西团瓢剖面(39°14′50.63″N，121°43′21.21″E)位于大连市金州区七顶山街道西团瓢村，地貌上属于丘陵间盆地，且西北方向通过三十里铺河与渤海贯通，地面高程为5 m。2018年12月进行剖面挖掘及样品采集，剖面总厚354 cm (图 2)，以2 cm间距共采集177块样品，取40块各重200 g样品进行孢粉分析。本文以220 cm以上的湖沼相沉积为主要研究对象。
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图 2 西团瓢剖面岩性图 Fig. 2 Lithologic map of Xituanpiao profile |
选取剖面96 cm处的孢粉浓缩物、114 cm处泥炭、186 cm处腹足类壳体以及220 cm处有机质样品共4个，由美国Beta实验室完成AMS 14C测年，经Intcall13曲线进行树轮年代校正，并基于R软件平台的Bacon包实现年龄-深度模型的构建[6]，从而进行年代插值。
2.2 孢粉及硅藻样品的处理与鉴定孢粉分析选取了40块样品，委托中国科学院西北生态资源环境研究院兰州油气资源研究中心进行孢粉分析和鉴定，每块样品鉴定统计数目不少于300粒。采用Tilia 2.1.1制作孢粉谱。
硅藻分析与鉴定在天津师范大学粒度分析与微体古生物实验室进行，首先在剖面等间距选取10块样品制作硅藻树脂薄片，每块样品共做4个树脂薄片，依据硅藻含量进一步加密样品数量，因硅藻种类及含量较少，硅藻科属达到1种以上即进行统计，最终取100~116 cm层段10个样品进行鉴定和统计。
3 研究结果 3.1 岩性描述及年代剖面岩性图及描述见图 2及表 1。剖面深354 cm，沉积物以粘土和粉砂为主，在76 cm处开始出现泥炭沉积(42 cm厚)，AMC 14C测定其为全新世晚期沉积，与此前认识[4]一致。在176~220 cm富集了0.1~2.0 cm大小的腹足类壳体，主要为萝卜螺未定种(Radix sp.)、田螺未定种(Cipangopaludina sp.)及白小旋螺(Gyraulus albus (O. F. Müller))等淡水属种。220 cm以下主要为砂及棕黄色沉积物，底部为表层风化的寒武系灰岩，与上覆黄棕色沉积物呈不整合接触。
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表 1 西团瓢剖面岩性特征 Table 1 Lithology of Xituanpiao profile |
此剖面的4个年代样品结果见表 2，其中泥炭部分96 cm处年代为1120 cal.a B.P.，采用Bacon建立的年龄-深度模型[6]进行插值。文中涉及176 cm一处插值年龄为该模型依据底部实测数据以恒定沉积速率推算得到年代为9869~12651 cal.a B.P.，中值年代为11359 cal.a B.P.，综合孢粉数据，取其中值年代作为此点位的年代，具有一定的合理性及可参考性，可满足讨论需要。最终得到剖面最底部220 cm处年代为13.5 cal.ka B.P.，测定年代未出现数值倒置。
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表 2 AMS 14C年代数据 Table 2 AMS 14C radiocarbon dating data |
本次研究共分析了40块孢粉样品，在31块(2~220 cm)样品中获得250~1000粒不等的孢粉，其他9块(220~354 cm)(深度分别为220 cm、226 cm、230 cm、238 cm、242 cm、278 cm、298 cm、344 cm和350 cm)基本未见孢粉，少量样所见零星孢粉不具有统计意义，未计入孢粉谱。共分析鉴定出45个孢粉类型，其总数被用来计算孢粉科属类型的百分含量。
孢粉组合总体以灌木和草本花粉为主，含量为29.6 % ~72.3 %不等，平均为53.4 %。灌木和草本树种花粉以禾本科(Gramineae)和莎草科(Cyperaceae)为主，其他类型还有香蒲属(Typha)、蒿属(Artemisia)、藜科(Chenopodiaceae)、百合科(Liliaceae)、蓼科(Polygonaceae)、菊科(Compositae)和狐尾藻(Myriophyllum)等。落叶乔木花粉仅在部分层段含量较高，平均含量为29.5 %，以榆属(Ulmus)、栎属(Quercus)、鹅耳枥属(Carpius)、胡桃属(Juglans)、山核桃属(Carya)和柳属(Salix)等常见。针叶树花粉含量整体较低，平均为3.8 %，包含有杉科(Taxodiaceae)、松属(Pinus)、落叶松属(Larix)、柏科(Cupressaceae)、铁杉属(Tsuga)和云杉属(Picea)。其他见少量的湿生蕨类植物孢子，如水龙骨科(Polypodiaceae)、卷柏科(Selaginellaceae)、里白科(Gleicheniaceae)、骨碎补科(Davalliaceae)和中国蕨科(Sinopteridaceae)等；水生藻类仅见双星藻(Zygnema)和环纹藻(Concentricystes)，以双星藻科含量较多，平均10.8 %。依据剖面主要孢粉类型的百分比图谱(图 3)，结合岩性分析，该剖面自下而上可划出分3个孢粉带及带Ⅱ的两个亚带：
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图 3 西团瓢剖面孢粉谱(%) Fig. 3 Pollen percentage diagram for main taxa of Xituanpiao profile (%) |
孢粉带Ⅰ(220~176 cm，13500~11400 cal.a B.P.，新仙女木期)，此带水生植物占据一定比重，乔木科属较为单一。其中乔、灌木以榆属(12.5 % ~37.4 %)、栎属(2.7 % ~16.4 %)为主，其他科属较少。水生植物以狐尾藻属(0.9 % ~9.3 %)、香蒲属(7.6 % ~17.6 %)为主。陆生草本以禾本科(6.1 % ~23.9 %)、蒿属(1.2 % ~4.2 %)、莎草科(0~4.6 %)居多，并见少量藜科(1.2 % ~4.2 %)和百合科(0.5 % ~2.5 %)。
孢粉带Ⅱ(176~60 cm，11400 cal.a B.P.~现代，全新世)，分带ⅡA和ⅡB。总体来看，乔木所占比例最大，并随时间的推移而趋于降低，其中以榆属(8.3 % ~42.4 %)和栎属(2.6 % ~24.1 %)为主。陆生草本含量随时间的推移而趋于增加，主要以莎草科(3.9 % ~39.5 %)和禾本科(8.0 % ~36.4 %)为主，其次为藜科(0.2 % ~23.6 %)和少量百合科(0.3 % ~7.4 %)等。水生植物，香蒲属(0~7.7 %)和狐尾藻属(0~2.5 %)逐渐减少。蕨类，如水龙骨科(0~6.8 %)、卷柏科(0~2.0 %)和骨碎补科(0~0.7 %)在孢粉带ⅡB中比例开始增加。
孢粉带ⅡA(176~114 cm，11400~1500 cal.a B.P.，早-中全新世)，乔木比例为全剖面最大，陆生草本呈增长趋势，水生植物保持稳定。该带榆属(20.7 % ~42.4 %)占绝对优势，较带Ⅰ有了大幅增加，其次为栎属(2.6 % ~24.1 %)。陆生草本以禾本科(8.0 % ~22.4 %)、莎草科(3.9 % ~38.5 %)、蒿属(0.2 % ~10.3 %)和藜科(0.2~23.6 %)为主。水生植物中狐尾藻属(0~2.5 %)和香蒲属(0~7.7 %)含量较带Ⅰ有所降低。
孢粉带ⅡB(114~60 cm，1500 cal.a B.P.以来，晚全新世)，乔木所占比例降低，其中榆属(8.3 % ~18.3 %)和栎属(3.0 % ~13.3 %)比例较带ⅡA有较大下降，并出现了少量松属(0~3.7 %)和麻黄属(0~ 3.5 %)。陆生草本含量达到剖面最大，以莎草科(15.2 % ~34.0 %)和禾本科(16.0 % ~36.4 %)含量最大，其次是蒿属(1.2 % ~5.5 %)、百合科(0.3 % ~7.4 %)和菊科(0~1.5 %)。水生植物进一步减少，蕨类比例有所增加，如水龙骨科(0~6.8 %)。
孢粉带Ⅲ(60~0 cm，现代耕作期)，榆属(10.6 % ~17.2 %)和栎属(2.0 % ~9.7 %)含量与带ⅡB持平，主要增加了杉科(0.8 % ~9.2 %)和落叶松属(0~1.6 %)。陆生草本比例降低，含有莎草科(9.8 % ~36.1 %)、禾本科(13.2 % ~20.1 %)、百合科(3.1 % ~6.5 %)、蒿属(1.0 % ~18.9 %)、藜科(0.4 % ~3.5 %)和菊科(0~3.1 %)。蕨类增加较多，如水龙骨科(0~8.2 %)、卷柏科(0~2.5 %)和骨碎补科(0~2.9 %)。
3.3 硅藻分析本剖面硅藻较少见，整体剖面中，含有少量的海绵古针及直链藻(Melosira)，可能是全新世早中期沉积和保存条件不稳定，不利于大量硅藻的保存，剖面仅在孢粉带Ⅱ B段100~116 cm处富集，分布于10个鉴定样品中。整个剖面只含有一个硅藻富集带，部分样品硅藻体破碎(图 4)。具体可鉴定属的主要是指示淡水沼泽相的桥弯藻(Cymbella)、短缝藻(Eunotia)和直链藻(Melosira)等，均属于广布种，此阶段硅藻得到了较多的保存，反映了阶段ⅡB沉积环境的稳定性。
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图 4 剖面部分硅藻图式 (a, g)短缝藻(Eunotia); (b, i)桥弯藻(Cymbella); (c)铁杆藻(Synedra); (f)直链藻(Melosira); (d, e, h)窗纹藻(Epithemia) Fig. 4 Diatom diagram for main taxa of Xituanpiao profile |
孢粉与硅藻主要记录本区的4个古环境变化时期及1个关键时间节点。
4.1.1 全新世古环境变化时期(1) 13500~11400 cal.a B.P.，此期间为新仙女木浅水湖期，植被为稀疏的榆-栎阔叶林。此阶段发育了较大规模的水生植被，如香蒲的最高含量高达17.6 %，狐尾藻属为9.3 %，二者共同指示了此时一定的浅水湖泊面积。乔、灌木树种含量及丰富性较低，乔木主要为榆和栎(35.4 %)，陆生草本中禾本科(16.0 %)占据较大比重，除此之外，还有表征干旱气候的藜属(3.6 %)和蒿属(2.8 %)。推测该时期的优势阔叶树种是由南部云杉林在冰后期温暖期北移至此而繁殖起来的[1]，此阔叶林优势种组成在新仙女木事件后并未有较大改变，在进入全新世后比例开始增大，同时陆生草本比例也开始增加。沉积物此时期岩性为均质浅灰色粉砂质粘土，水体较为稳定，表明降水相对稀少，为短暂的干冷期。
(2) 11400~1500 cal.a B.P.，此期间为本区的全新世大湖期，植被为繁盛的榆-栎阔叶林。此时期乔、灌木及陆生草本比例均有较大的增加，喜暖喜湿的榆、栎得到大规模发展，总和所占比例最高达66.5 %，表明了此时期具备很好的水热组合条件。水生植物所占比例降到最低，表明湖盆水体增加到最大。此时该区植被非常繁盛，湖水规模达到最大，表明了本区全新世总体温暖湿润的气候条件。
(3) 1500 cal.a B.P.至现代，此期间为晚全新世古湖萎缩期，植被景观转为针阔混交林。此时期乔、灌木减少而陆生草本相对增加，水生植物减到最少。乔、灌木方面，榆、栎明显减少，出现了少量指示寒冷气候的松属、落叶松属等针叶树种[7]，麻黄的较多出现则表明了有效降水的减少。陆生草本方面，莎草科的比例最高达到38.5 %，表明了水体变浅、沼泽化的阶段。此外，蕨类植物，如水龙骨科、骨碎补科以及一些耐旱耐贫瘠的植物，如菊科和藜科等大量涌现，均表明气候的寒冷与干燥，硅藻的出现也指示了此阶段的沼泽发育环境。随着泥炭的形成，陆地面积增大，气候也在泥炭形成过程中由前期的温暖湿润转为寒冷干燥。
(4) 现代耕作期，除了延续晚全新世的优势乔木外还增加了杉科，可能受区域性近代人为引种等影响。具有指示降温的落叶松属增加，进一步表明了气候的寒冷。陆生草本比例有所降低，且种类更为丰富，含有莎草科、禾本科、百合科、蒿属和藜科。指示气候寒冷干燥的陆生草本，如菊科和蕨类的进一步增加，均表明此时期比上一阶段要寒冷干燥。结合野外考察，西团瓢“湖”在近代改造前为一处水草丰美、鱼虾成群的浅水池塘。相对于千年尺度的气候变化，近百年辽南地区的气候进一步趋于干燥。
4.1.2 重要的时间节点泥炭发育期(1500 cal a B.P.以后，76~118 cm)，此时期开始沉积泥炭，测定114 cm处年代为1387~1529 cal.a B.P.(中值年代1466 cal.a B.P.)。泥炭的开始发育表明了此时总体相对干冷的气候背景。同时，此时期为我国南北朝(公元420~589年，即距今1430~1599年)时期，竺可桢[8]通过南京覆舟山冰房的记载推测出了当时低温的气候环境。
4.2 西团瓢晚全新世泥炭成因辽东半岛拥有丰富的泥炭资源，泥炭层在全新世的早期(8~11 ka B.P.)，中期(2.5~8.0 ka B.P.)及晚期(2.5 ka B.P.以来)都有形成发育，其发育种类、位置及背景各异，以沿海潟湖型泥炭最为丰富[9]。依据成因分为3种类型：潟湖型、河漫滩型和沟谷型。在泥炭层的分布上，绝大部分位于沿海冲积、海积平原、三角洲平原的河漫滩洼地、沿海低山及丘陵台地(或阶地)上的沟谷洼地[5]。
本区发育于沿海的泥炭层均与海平面变化紧密相关，随着海水的进退变化，主要有3个有利于泥炭发育的时期：首先为全新世早期，由于海侵造成地下水位抬升，河流排水不畅；其次为海侵最大时期，海平面停滞；最后为全新世中期后，海退过程中的几次停滞期。
本区泥炭是与上述类型具有一定的不同，其属于淡水泥炭，并且是该区在特定的沉积环境与气候变化作用下形成的综合产物，即在前期气候主体温暖湿润情况下由古湖沼泽化形成的产物：全新世早中期气候湿润，雨量充沛，植物生长繁茂，古湖较大，为泥炭的发育和堆积提供了充分的物质来源和良好的沉积环境；晚全新世随着气候转为寒冷干燥，大量植物残体进入湖泊沉积保存，并在缺氧的条件下发育成了泥炭，随着后期气候进一步的干燥，水源补给的减少，加之人类活动等影响，泥炭发育进入衰退期，最终被掩埋成为埋藏泥炭。综上所述，本区泥炭层属于晚全新世(1387~1529 cal.a B.P.)开始形成的低位型沟谷草本泥炭[5]。
同时，全新世晚期的泥炭剖面还有大莲泡泥炭663±65 a B.P.(536~690 cal.a B.P.)[3]，其位于研究区西南方向，推测在全新世大湖期，二者属同一古湖，随着全新世晚期气候的不断恶化，古湖逐渐沼泽化到消失。
4.3 气候演变模式西团瓢剖面湖相沉积于13.5 cal.ka B.P.前后形成，同时在这一时期，我国区域较多的沉积记录均显示了降水量的增加[10~12]，本区的全新世水热变化模式总体与其他东亚夏季风区的变化趋势基本一致，即湿润的气候存在于全新世早中期，而干燥气候存在于全新世晚期[13]，此外需要注意的是，本区末次冰期后暖期的开始要比东北北部地区早且持续时间长，由于早全新世本区未受到北部西风带的控制，更早地受到了增强的东亚夏季风影响，形成了与东北北部地区暖干的早全新世相反的气候[13]。1500 cal.a B.P.是本区暖期的一个显著转折期，进一步体现了温度的降低及有效降水量的减少。由于受到沉积载体自身特点限制，该剖面未能高分辨率呈现出该区全新世期间更多的气候事件，今后的工作中将进行多个剖面及钻孔的分析，对其气候变化细节做进一步补充。
5 结论本文对辽南金州区七顶山西团瓢剖面湖沼相沉积进行了报道。依据AMS 14C年代、岩性、孢粉及硅藻综合分析，对金州地区新仙女木时期以来的植被景观进行了复原，并讨论了对应的沉积环境与气候情况。研究表明：
西团瓢湖相沉积形成于13.5 cal.ka B.P.前后，沉积物以粘土和粉砂为主，并在76 cm处沉积了厚度约42 cm的泥炭层。该区植被主要以灌木和草本花粉为主，包括有榆属、栎属、禾本科、莎草科、蒿属、香蒲属和水龙骨科等，并在剖面100~116 cm处富集了以直链藻、短缝藻、桥弯藻为主的硅藻。该区植被景观主要经历了榆-栎阔叶林到针阔混交林两个演替阶段，基于孢粉记录的沉积环境经历了新仙女木浅水湖期、全新世大湖期、晚全新世湖水萎缩期和现代耕作期4个主要阶段，相对应的气候变化经历了寒冷干燥期、温暖湿润期、温暖湿润到寒冷干燥过渡期以及现代寒冷干燥期的4个阶段，其中晚全新世1387~1529 cal.a B.P.是该区的泥炭发育的起始期，是该区明显的气候转折期，标志着气候进一步由暖湿转为冷干。该研究进一步展示了辽南地区新仙女木以来的气候变化细节，为进一步研究本区气候演变过程提供了重要依据。
致谢: 感谢张明震老师对孢粉样品的提取与鉴定，感谢审稿专家和编辑赵淑君老师、杨美芳老师提出的宝贵修改意见，对本文质量的提升给予了极大帮助。
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2 Lanzhou Center for Oil and Gas Resources, Northwest Institute of Eco-Environment and Resources, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730030, Gansu;
3 College of Urban and Environmental Science, Tianjin Normal University, Tianjin 300378;
4 School of Earth Science, East China University of Technology, Nanchang 330013, Jiangxi)
Abstract
Holocene climate reconstruction is vital for the prediction of the future climate change, however, there is a long-standing controversy concerning the spatial and temporal pattern of the Holocene Optimum in East Asian monsoon region. Especially in the Northeastern China that typically dominated by East Asian monsoon systems, the Holocene paleoclimate records are still less studied. More work is needed to better understand the climate change, vegetation history during the Holocene in this region.In this study, we present a reconstruction of Holocene climate changes from a lacustrine sedimentary profile(39°14'50.63″N, 121°43'21.21″E) in southern Liaoning Province, Northeastern China. The thickness of the profile was 354 cm and sediments above 220 cm were the main research object. A total of 40 samples each weighing 200 g were taken for pollen analysis. The climatic and vegetation changes over the past 13500 years were discussed based on the sedimentary facies and high-resolution pollen and diatom analysis with the chronology constrained by AMS 14C dates. The pollen analysis showed that the regional vegetation response to climate changes, dominated from the broad-leaved forest to a mixed broadleaf/conifer forest. The records can be divided into four stages, cold and dry conditions during the Younger Dryas, following by a warm and humid climate in the Early and Middle Holocene; climate transitioned from warm/humid to cold/dry condition during the Late Holocene and the the cold/dry climate in the modern period. From approximately 1387 cal.a B.P. to 1529 cal.a B.P., the peat development was identified in the profile.This study provides evidences for the climate change in southern Liaoning over the past 13500 years and gain a better understanding of the timing of Holocene Optimum in Northeastern China and the response of the vegetation to the regional climate.