2015, Vol.35
关于末次冰期的气候环境特征和演变规律,前人从深海沉积物、黄土古土壤序列等及冰芯、石笋、孢粉、年代学等方面进行了大量研究,取得了许多成果[1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17]。然而,从哺乳动物的角度进行相关系统研究相对较少[18, 19, 20, 21, 22]。前人曾以东北地区第四纪大型食草类动物群的体型大小、种群密度及地理分布等角度,探讨了其与气候变迁的关系[23]。本文在前人工作的基础上,参考绝对年龄资料,以距今40~10ka动物群中食草类动物组成特征,探讨化石分布区末次冰期的环境演变历程,同时与渭河流域关中地区的3个动物群进行比较,讨论末次冰盛期在不同地区的不同反映。
1 距今40~10ka前东北及相邻地区的化石记录大型食草类动物对所食植物依赖性较强[24, 25, 26, 27],他们的兴衰演替可能反映了他们生活时期植物类型的变化发展,而植物对气候的变化比较敏感,其分布受气候控制[25, 28]。大型食草类动物的地史分布可以作为指标展示古气候演化历程[23, 29, 30, 31, 32]。
据研究资料[23, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45],距今40~10ka前,东北及相邻地区主要化石点从早到晚依次有顾乡屯 (40ka B.P.)[23, 33]、桦甸仙人洞(34.3 ka B.P.)[34]、榆树(30 ka B.P.)[23, 44]、小孤山(30 ka B.P.)[23, 37]、阎家岗(22ka B.P.)[23, 38]、山顶洞(18 ka B.P.)[23, 45]、古龙山(17 ka B.P.)[23, 39]、运粮河(14 ka B.P.)[23, 38]、青山头(11ka B.P.)[23, 40]等地点(图1)。
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图 1 东北及邻区距今40~10ka主要化石地点 根据董为等[23]修改顾乡屯(Guxiangtun)40ka B.P.,桦甸仙人洞(Huadian)34ka B.P.,榆树(Yushu)30ka B.P.,小孤山(Xiaogushan)30ka B.P.,阎家岗(Yanjiagang)22ka B.P.,山顶洞(Shandingdong)18ka B.P.,古龙山(Gulongshan)17ka B.P.,运粮河(Yunlianghe)14ka B.P.,青山头(Qingshantou)11ka B.P. Fig.1 Distribution of large herbivores from major fossil sites in Northeast China and adjacent areas from 40~10ka B.P.Modified from Dong et al.,1996[23] |
参照前人资料[23]，我们对上述地点动物群中的大型食草类化石动物(包括长鼻目、 奇蹄目和偶蹄目以及杂食的猪类等)的组成及其分布进行统计( 表1)，表1中所采用的参考绝对年龄为上下限之间的平均值[33, 34, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 44, 45]。
根据现代动物生态、 动物地理学研究[24, 46]，不同的自然环境区域，具有不同的动物生活条件。所以在各个自然气候环境带中，动物的组成和生态基本上各不相同。虽然有些动物，适应能力较强，分布区较广，可以生活于几个气候-植被带，然而每个带中都各有一群基本成分，对该带环境有较高的适应性，是该带生存竞争的优胜者，在数量上形成优势种或常见种。据此，现代动物地理学家将中国基本的生态地理动物群分为以下7个[24, 46]:1)寒温带针叶林动物群； 2)温带森林-森林草原、 农田动物群； 3)温带草原动物群； 4)温带荒漠、 半荒漠动物群； 5)高地森林草原-草甸草原、 寒漠动物群； 6)亚热带林灌、 草地-农田动物群； 7)热带森林、 林灌、 草地-农田动物群。不同的动物群中各具不同的优势或常见种。如寒温带针叶林动物群中，有蹄类以驼鹿、 马鹿、 麝、 麅和野猪最为普通，麅是林缘动物，在热带林地大、 中型有蹄类如水鹿、 毛冠鹿、 鬣羚，温带草原上的有蹄类以黄羊最具代表性，温带荒漠有蹄类中最普遍的是鹅喉羚和野驴，寒漠的代表是藏羚和野牦牛，等等。
依据上述动物生态、 动物地理学研究，东北及相邻地区大型食草类化石动物被分为寒冷型(A)、 温暖型(B)、 苔原型(C)、 森林型(D)、 疏林型(E)、 草原型(F)、 沼泽型(G)等不同类型(见 表1)。
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表 1 东北及邻区40～10ka B.P.时期主要化石地点的大型食草类动物分布及其生态类型* Table 1 Distribution and their ecological types of large herbivores from major fossil sites in Northeast China and adjacent areas from 40~10ka B.P. |
总体上看，动物群主要由冻土苔原、 草原及森林型动物组成，几乎都含有猛犸象和披毛犀动物，是典型的中国北方晚更新世猛犸象-披毛犀动物群(Mammuthus-Coelodonta fauna)，但其森林型动物的分布却明显起伏变化。
在40ka B.P. 、 30ka B.P. 和18ka B.P. 时，森林型动物较多，如Stephanorhinus kirchbergensis、 Sus scrofa、 Moschus moschiferus、 Moschus sp.、 Cervus hortulorum、 Cervus elaphus xanthopygus、 Cervus(Sika)grayi、 Megaloceros ordosianus、 Alces alces、 Capreolus manchuricus和Rangifer tarandus等组成，并伴有一定的沼泽型动物； 在34.3ka B.P. 、 22ka B.P. 、 17ka B.P. 和11ka B.P. 变为疏林型草原为主，如Bison(Parabison)exiguus、 Bos primigenius、 Bos taurus、 Bos sp.、 Procapra przewalskii、 Pachygazella sp.、 Spirocerus kiakhtensis、 Naemorhedus goral、 Ovis ammon、 Equus hemionus、 Equus dalianensis、 Equus przewalskii和Equus sp. 等； 在14ka B.P. 森林和疏林型草原全部消失，只有苔原和草原型动物，如Mammuthus primigenius、 Coelodonta antiguitatis、 Equus dalianensis、 Bison(Parabison)exiguus和Equus przewalskii等。到大约11ka B.P. 的青山头动物群，虽然也仅有5种动物，与前边的运粮河动物群(大约14ka B.P. )却截然不同: 不但少了苔原动物，同时还增加了森林类型，应该是气候环境发生明显变化的结果。当然这个动物群的属种数确实太少，我们也期待着更多的化石发现来进一步验证或补充我们目前所做的分析。大型食草类动物组成(见表1)的上述变化似乎表明东北及相邻地区晚更新世晚期距今40~10ka前，即末次冰期极盛期前后在冻土苔原大背景下可能经历了40ka B.P. 森林草原、 34.3ka B.P. 疏林草原、 30ka B.P. 森林草原、 22ka B.P. 疏林草原、 18ka B.P. 森林草原、 17ka B.P. 疏林草原、 14ka B.P. 无树干草原及11ka B.P. 疏林草原的变化过程。统计森林型、 草原型动物所占比例( 表2)并作图( 图2)，可以看到更为清晰的环境变化过程。
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表 2 森林与草原型动物所占比例统计* Table 2 Percentage of herbivores on forest and grassland through time |
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图 2 东北地区大型食草动物所反映的环境变化 Fig.2 Environmental changes reflected by large herbivorous faunas in Northeast China |
从上述记录的东北及其邻近地区大约40~10ka B.P. 时的哺乳动物资料[23, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45]来看，该区在40-17ka B.P. 这一时间段，森林和草原动物比例波动起伏，草原型动物总体上比例略高，一般大于50 ％ ，相应的森林性动物比例较小，多在50 ％ 以下，应该是一个以草原为主的森林草原环境；但是到了大约14ka B.P. 前后，森林和疏林型动物全部消失，只有苔原和草原型动物(见图2)。运粮河动物群采自顾乡屯组之上的黄土层中部[23, 38]，种类很少，只有5种大型食草类动物，其成分如猛犸象(Mammuthus primigenius)、 披毛犀(Coelodonta antiguitatis)、 东北野牛(Bison(parabison)exiguus)、 马(Equus dalianensis)和普氏原羚 (Procapra przewalskii)等，几乎全是在苔原或草原上生活的种类[23, 38]。
一般认为，末次盛冰期(Last Glacial Maximum，简称LGM)在时间上约为26 . 5~19 . 0ka B.P.[6]。但在不同的区域、 不同资料可有不同的时间段，如19 . 5~15 . 1ka B.P.[3]、 23-19ka B.P.[9]、 15~12ka B.P.[11]和18-15ka B.P.[15]等。唐领余等[47]报道了黄土高原西部的孢粉记录，研究显示该区4万多年以来古植被曾经历过草原、 森林草原(或疏林草原)、 针叶林以及荒漠草原或荒漠几种植被的多次快速变化。在44.2-11.0ka B.P. 期间，静宁地区植被主要表现为森林和草原成分的相互消长，其中44-29ka B.P. 期间(MIS 3)气候以湿润为主，发育针叶林，温度低于现在； 23ka B.P. 之后，气候冷干，以稀疏草原为主，在末次盛冰期植被甚至演化为荒漠草原。其中18.2-17.0ka B.P. 正是末次盛冰期鼎盛时期，气候条件十分恶劣，很低的花粉浓度反映出植被十分贫乏。
在关中地区的渭南北庄村剖面的花粉图上[14, 15]，在距今约20.8ka前后，木本植物花粉占总花粉量比例较高； 在距今约20.4ka，这个比例已经降到比较低的水平了； 到距今18ka以后，草本植物的花粉占总花粉量比例的几近100 ％ ，偶见的木本植物的花粉只有松属的，反映了极端干冷，无森林存在的环境。
在北京西山黄土剖面[48]，末次冰期晚期(末次盛冰期，距今约24.0-13.4ka B.P. )孢粉序列与末次冰期早期的序列相似，黄土中孢粉含量极少，平均总浓度仅为4.12粒/g，并且以耐旱的蒿属、 菊科、 藜科等草本花粉占绝对优势，木本植物花粉缺乏，且种类比较单调，主要为耐寒的松、 桦等，其中部分样品中木本花粉为零，广泛发育荒漠草原植被，说明当时气候异常干冷。
从本文上述哺乳动物资料分析来看( 表1和 表2)，东北及其相邻地区末次冰盛期环境最恶劣的时间似乎更晚一些，大约在14ka B.P. 前后。
据施雅凤、 王靖泰和汪品先等[49, 50]的研究，在距今 14780±700a年前后，中国东部海岸线后退到东海大陆架前缘现代水深，即155m的位置上，是东海至今发现的最低海岸线，也是末次冰期海退的最后海岸线，其位置在今长江口以东600km。
据杨子庚[51]研究，今日北黄海区域在距今 14400±150a年前后海水退去，出水成陆，并且为疏林草原环境。
从安芷生等[15]花粉变化图上看，14ka B.P. 前后华北依然位于末次盛冰期的疏林草原环境，这种状况一直持续到接近13ka B.P. 前后才有所变化，乔木花粉开始增加。
王靖泰和汪品先等[50]比较详细地研究讨论了中国东部晚更新世以来的气候变化，并拟出气候变化曲线。研究认为，如果海侵海退与气候变化相关的话，那么气候曲线与海面变化曲线之间应该出现某种对应关系。对比的结果表明，它们之间的对应关系十分鲜明，即温暖时期与高海面相对应，寒冷时期与低海面相对应，两种曲线符合得很好，而且这种对应关系在世界范围内普遍存在[50]。将前人研究的气候变化、 冰川波动和海平面升降曲线，与本文东北地区大型食草动物类型及其时代分布所反映的森林进退曲线进行比较( 图3)，结果相当一致，显示出良好的拟合关系，这表明哺乳动物对环境变化同样具有良好的反映。
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图 3 哺乳动物组合与气候变化、冰川波动及海面升降之比较气候变化、冰川波动及海面升降资料(据文献[50]) Fig.3 Comparison of the curves of the mammals combined with climate fluctuation,glacier change and eustasy in others (the curves of climate,glacier and eustasy are after Wang Jingtai and Wang Pinxian[50],1982) |
与上述研究相比较，新近的关于末次冰期中国东海陆架与全球海平面变化的研究资料似乎有不同的年代数值[9]，为23-19ka B.P. ，与Clark等[6]给出的数值几乎完全一致。但如前所述，更多的研究资料[3, 4, 9, 10, 11, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58]仍然显示出在中国大陆不同区域末次冰期具有不同的时间进程。如与研究区邻近的科尔沁沙地，根据新获得的85个光释光测年数据以及古气候替代性指标和前人的研究结果[1]，末次盛冰期以来该区的古气候变化经历被分为4个阶段，其中最干冷的时段大约是在26-12ka B.P. ，这一时期沙地气候干冷，普遍发育风沙层，出现沙化过程，东部的巴彦芒哈剖面(43.27407°N，123.37680°E) 风沙层年龄约为13.45ka[1]。
另外，东北及相邻地区距今40~10ka前后主要化石点的大型食草类动物群演替所反映的环境变化过程，也与陕西关中渭河流域的3个哺乳动物群(咸阳动物群20.796ka B.P. ，蒲城动物群 20.400±0.5ka B.P.和大荔动物群 17.330±0.5ka B.P. )[59]所反映的末次盛冰期的演化进程十分相似，都有一个从凉湿的森林草原环境向干冷方向发展的疏林草原环境，再到极端干冷的缺树荒草原或冻土苔原环境的演变过程[59]。 东北的运粮河动物群[38]和陕西的大荔动物群[59]的组成特点几乎完全一致，均由猛犸象、 马和羚羊为主的5种动物组成[38, 59]，所不同的只是在时间上有早晚的差异，在关中17ka B.P. 就开始进入最干冷的时期，而在东北则推迟到14ka B.P. 前后。
根据上述资料，结合前人研究成果，可以这么认为: 末次盛冰期在时间上可能一直延续到14ka B.P. 前后，在进程上不同的地区可能由于地理位置的不同受东亚季风影响的强度不同而有不同的反映。
按现在中国自然地理区划[60]，东北地区是温带冷湿性的森林、 森林草原景观，距海岸线相对较近，受夏季风影响较大； 陕西关中作为暖温带半湿润半干旱夏绿林、 森林草原景观，距海岸线相对较远，位于中国大陆的中部，大陆性较强，受东亚夏季风影响较小，处于夏季风的边缘地带，对于气候变化十分敏感。中国大陆的重要降水来源是东亚夏季风所携带的太平洋暖湿气流[15, 61]，并且，海洋对于气温的变化相对于大陆也有较大的缓冲作用[62]，这是影响内陆地区与近海地区气候差异的重要因素。末次盛冰期时的海陆分布格局与今日相近[9, 51, 63]，据此，可以认为陕西关中地区因为处于内陆，受冬季风影响较大，容易随着末次盛冰期气温的下降导致环境迅速恶化，故在东部海平面还未下降到最低点，即17ka B.P. 前后就进入干冷的冻土苔原、 干草原环境。 比较而言，东北地区由于距海洋较近，受东亚夏季风影响较大，末次盛冰期的进程相对滞后，直到海岸线东移到最远处的14ka B.P. 前后，才出现运粮河动物群及其所反映的与陕西关中17ka B.P. 前后大荔动物群极其相似的极端干冷的冻土苔原、 干草原环境。
致谢 衷心感谢审稿专家和编辑部杨美芳老师提出的宝贵意见，感谢徐建博士修改英文摘要。
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Abstract
Sites of large herbivores fossils in Northeast China and adjacent areas for the period of 40~10ka B.P.mainly include sites of Guxiangtun (40ka B.P.), Huadian (34.3ka B.P.), Yushu(30ka B.P.), Xiaogushan(30ka B.P.), Yanjiagang(22ka B.P.), Shandingdong(18ka B.P.), Gulongshan(17ka B.P.), Yunlianghe(14ka B.P.)and Qingshantou(11ka B.P.).We analyzed percentages of forest or grassland and recovered climate evolution process of the last glacial(40~10ka B.P.)based on large herbivorous animals.Our record of mammal assemblages is in good comparison with the record of climate change in the North China Plain, with records of global sea level change and glacier fluctuation in North America, and as well as with δ18 O record of Core V-28-238 from the Pacific Ocean(see figure 3).Records of large herbivores from Northeast China for the past 40ka show that this area probably had a frozen tundra background and experienced the subsequent environmental changes: forest grassland at 40ka B.P., open forest grassland at 34.3ka B.P., forests grassland at 30ka B.P., open forest grassland at 22ka B.P., forest grassland at 18ka B.P., open forest grassland at 17ka B.P., tree less prairie at 14ka B.P., open forest grassland at 11ka B.P., and the worst environment in the dry and cold period at about 14ka B.P.This series of changes are comparable to the environmental evolution reflected by three mammalian faunas from the Guanzhong Basin of Shaanxi Province.The only difference between the two regions is that a dry, cold climate and a frozen tundra environment occurred in the Guanzhong Basin(inland)at 17ka B.P., earlier than that in Northeast China(coastal)at about 14ka B.P.It thus indicates that onset of the Last Glacial Maximum environment may have happened with a geographical difference, possibly due to geographically different intensity of the East Asia monsoon.