2013李杰神农架大九湖四万年以来的植被与气候变化

地理学报ACTAGEOGRAPHICASINICA第68卷第1期2013年1月Vol.68,No.1Jan.,2013收稿日期：2012-09-10;修订日期：2012-10-30基金项目：国家自然科学基金项目(41001118;41230101);国家教育部博士点专项基金资助（20100171120002）[Foundation:NationalScienceFoundationofChina,No.41001118;No.41230101;DoctoralFundofMinistryofEducationofChinaNo.20100171120002]作者简介：李杰(1984-),女,河南安阳人,博士,主要研究方向为全球变化研究。E-mail:[e-mail]通讯作者：郑卓(1956-),男,广东广州人,博士,教授,博士生导师,中国古生物学会理事,中国孢粉学分会副理事长,主要研究方向为全球变化与第四纪孢粉学研究。E-mail:[e-mail]69-81页神农架大九湖四万年以来的植被与气候变化李杰1,2,郑卓2,RachidCheddadi3,杨士雄1,黄康有2(1.国土资源部海洋油气资源与环境地质重点实验室,青岛海洋地质研究所,青岛266071;2.中山大学地球科学系,广州510275;3.UniversityofMontpellierII,InstituteofEvolutionarySciences,UMR5554,Montpellier34095,France)摘要：通过对大九湖6m长连续沉积岩芯剖面(DJH-1孔)7个样品的AMS14C年龄测定和151块孢粉样品的鉴定分析，揭示了神农架区域4万以年来植被和气候演变。末次冰期阶段大九湖附近发育森林草地或草地—草甸植被。MIS3晚期，~42-39calkaBP之间，气候相对干冷，发育森林草地；~39-31calkaBP之间，气候较为湿润，草甸扩张并伴随低海拔阔叶树种的发育。MIS2阶段，草甸组分中蒿属显著增加，高海拔可能分布有荒漠草地，气候极端干冷；该时期植被带垂直下降达到1000余m，按垂直温度递减率推算，冰盛期阶段该区域温度下降约7oC左右。从冰消期开始，森林植被开始扩张，北温带、暖温带和亚热带乔木组分依次增加。约在9.4-4calkaBP之间，演变为亚热带常绿阔叶落叶林，属全新世适宜期；从约4calkaBP以来，北温带阔叶和针叶树开始增加，气候趋于凉干。通过对比区域高分辨率的洞穴石笋及高纬冰芯氧同位素记录，表明神农架区域植被环境变化对气候变化敏感，并记录了H1，YD气候突变事件；进一步体现出该区域气候环境演变主要与北半球太阳辐射控制的东亚夏季风强度变化有关，且与北半球高纬气候变化一致。关键词：神农架；大九湖；4万年；孢粉分析；古植被与古气候末次冰期过渡到全新世阶段，全球气候环境发生巨大变化。冰期阶段尤其冰盛期主要表现为气温大幅下降[1-2]，冰川大规模发育[3-4]，海平面大幅下降[5-6]，草本植被大幅扩张[7-9]。东亚季风区作为全球变化的重要组成部分，其植被类型和分布格局以及气候条件从末次冰盛期到冰后期变化十分显著[10-12]。Yu等[10]和Ni等[12]综合前人化石孢粉记录，利用生物功能群区的方法重建了中国冰盛期时段和中全新世阶段的植被覆盖类型，结果表明冰盛期期间由于气候干冷，中部和北部森林植被带向南迁移300~1000km，北方和西部及青藏高原的草原和荒漠植被也同步向东部和南部大幅迁移，南方常绿阔叶落叶林及热带森林植被带分布变窄或缺失。但由于前期孢粉记录成果多集中于全新世阶段，末次冰期记录较少，森林草地界限并不十分明确，尤其是温带草原植被迁移的幅度，一直以来备受关注[10,12]；同时，多数古环境记录集中于对气候变化较敏感的西部和北部中高纬度地区，而较低纬度地区尤其是亚热带区域植被变化对气候的响应程度并没有得到系统探讨，研究相对贫乏[13-16]。位于亚热带地区的神农架山地，以其生物多样性古老、丰富且特有性强著称[17]，该区域气候环境主要受控于东亚夏季风强度的变化，是研究该地古植被古气候变化及其对东亚季风响应程度的理想场所。大九湖亚高山沼泽位于神农架山间盆地，盆内具保存完好的连续湖沼沉积，众多学者已通过多种指标包括孢粉学，地球化学，磁学等对其展开古环境研究工作，但大都集中于全新世或末次冰消期阶段[17-23]，更长时间尺度的研究还相当缺乏[25]。68卷地理学报在前人工作的基础之上，本项目工作对大九湖四万年来的连续湖沼沉积展开了孢粉、有机碳及其同位素、灰度和磁化率等多指标的分析，并初步发表研究成果[24]。本文着重利用孢粉分析结果，目的在于更为深入地揭示该区域晚更新世以来尤其是冰期阶段的气候环境和植被覆盖类型，且深入认识冰消期以来森林植被的扩张及演替过程；同时，对比东亚季风区神农架三宝洞及南京葫芦洞高分辨率石笋氧同位素序列及北格林兰冰芯记录，进一步探讨神农架区域环境变化对东亚季风变化的响应程度及其与全球变化的联系，并推测可能存在的气候突变事件。1研究区域概况神农架位于华中亚热带东部低山丘陵向西部高原山地的过渡区域，受西南大巴山弧形山脉东延部分及新华夏断裂褶皱带控制，山地范围辽阔，山峦起伏，谷盆相间，平均海拔约2000m。大九湖位于神农架西部的山间盆地，其主体大致呈南北狭长形态，南宽北窄，海拔1700m，面积约16km2(图1)。神农架地区位于长江中上游湖北省境内，主要受季风控制，属于过渡性亚热带—暖温带山地季风气候(图1)。全年日照较少，温度较低，无霜期短，降水多，相对湿度大；据海拔1990m处大九湖站的多年气象记录，年均降水量为1535mm，年均温度7.2oC，7月平均温度17.1oC，1月平均温度-2.4oC，其独特的气候条件造就了大九湖亚高山湿地资源。研究区植被类型丰富多样[17]。植被带随气候梯度变化自下而上分别为亚热带常绿阔叶林(1000m)，暖温带常绿落叶阔叶混交林(1000~1700m)、温带落叶阔叶林(1700~2300m)、针阔混交林(2300~2700m)和暗针叶林(2700m)，山顶零星分布有向高山草地过渡的片状草甸—草地—灌木(2950m)，各个植被带组分差别较大(表1)。大九湖盆地底部植被为苔草—地榆—血见愁老鹤草草甸及苔草—小灯芯草沼泽植被，其主要成分有苔草(Carexspp.)、地榆(Sanguisorbaofficinalis)、灯芯草(Junicaspp.)、血见愁老鹤草(Geraniumhenryi)、大戟(Euphorbiasp.)、假水生龙胆(Gentiapseudo-aquatica)和泥炭藓等。周围海拔1700~2600m的山地生长着以山毛榉科为主的温带针阔叶混交林，主要有锐齿懈栎(Quercusolienavar.acutesrrata)、刺叶栎(Q.spinosa)、米心水青冈(Fagusengleriana)、光叶水青冈(F.lucidi)、栗(Castaneasp.)、亮叶桦(Betulalumiifera)、千金榆(Carpinuscodata)、野核桃(Juglanscathayensis)、华西枫杨(Pterocaryainsigsis)、化香(Platycaryastrob-ilaceae)、漆树(Rhusvenicifera)、盐肤木(R.chinesis)、冬青(Ilexsp.)、卫茅(Euonymussp.)和槭(Acersp.)等，灌木层有杜鹃(Rhododendron)、灰栒子(Cotoneasteracutibolis)、毛梾(Cornusvaleteri)、蔷薇(Rosaspp.)等；林下有成丛的箭竹(Sonarundiarianilida)及其它一些草木植物；蕨类植物主要是石松(Lycopodiasp.)和卷柏(Selaginellaspp.)等；环山顶部有巴山松(Pinushenryi)、巴山冷杉(Abiesfargesii)、麦吊杉(Piceabrachytyle)以及华山松(Pinusarmandii)等针叶树种[26]。图1神农架大九湖盆地及钻孔位置图Fig.1LocationofDajiuhupeatboginShennongjiaMountainsandcoreDJH-1shownbyblacktriangle701期李杰等：神农架大九湖四万年以来的植被与气候变化2材料和方法2.1材料及年代2008年9月，在野外踏勘及植被调查之后，我们在盆地中选点并利用人工钻探设备获取岩芯DJH-1。钻孔位于大九湖盆地中东部(图1)，地理坐标为北纬31°29′08″，东经110°00′07″，海拔1751m。每次钻探深度为50cm，共12回次获取连续岩芯6m，并同步对岩芯进行拍照和岩性描述。钻孔上部(0~122cm)以泥炭沉积为主，下部演变为湖相沉积物，岩性变化显著(图2)。根据岩性变化，选取钻孔不同深度的7个样品(沉积物或木头)进行了年代测定，其中4个年代测试由中国科学院广州地球化学研究所AMS14C制样实验室和北京大学核物理与核技术国家重点实验室联合完成，其余三个由中国科学院西安地球环境研究所完成(表2)。所有14C年龄数据采用国际通用的CALIB6.01[27]年龄校正软件进行校正，并在R环境下采用clam软件包[28]及顶底部外延法建立整个岩芯的年龄模型(图3)。2.2方法在DJH-1孔长6m的岩芯中，以2~5cm间距取样，共获取151个孢粉样品。根据样品具体情况，称取2~5g采用常规的酸碱处理和重液悬浮相结合的方法提取孢粉[29-30]。在Nikon光学显微镜40倍或100倍的目镜下进行鉴定，每个孢粉统计数目在300粒以上。由于部分样品中孢子含量过高，掩盖了花粉的变化趋势，因此本文中草本与木本植物孢粉百分比计算以陆生植物花粉总和为基数，蕨类、藻类含量统计以陆生植物与蕨类和藻类之和为基数。用Tilia软件绘制孢粉百分比图，并由CONISS对孢粉图谱进行聚类划带[31]。3孢粉分析结果本次研究共鉴定孢粉151玻片，分属于110个属(科)孢粉类型。孢粉分析结果表明，表1神农架山地垂直植被带及主要组分Tab.1ThealtitudinalvegetationbeltsandthedominantplantsinShennongjiaMountains海拔垂直植被带主要植被类型温度范围~亚高山草甸草地灌木禾本科，菊科，蒿属，豆科，毛茛科，矮蒿草，柳属，亮叶华~~暗针叶林巴山冷杉，红粉杜鹃~~针阔混交林华山松，巴山冷杉，米心水青冈，亮叶桦，鹅耳枥，黄杨~~落叶阔叶林锐齿槲栎，红桦，亮叶水青冈，槭属~~常绿落叶阔叶混交林化香，栓皮栎，柯属，小叶青冈，川鄂山茱萸~常绿阔叶林青冈栎，苦槠，宜昌润楠，匙叶栎表2大九湖钻孔AMS14C测年数据结果Tab.2AMS14CdatesoftheDajiuhupeatsequence实验编号深度材料年龄校正年龄±泥炭±±±木头±±±泥炭±±±泥炭±±±沉积物±±±沉积物±±±木头±±
7168卷地理学报该钻孔剖面孢粉种类丰富，其中乔木成分中桦木科(Betulaceae)、山毛榉科(Fagaceae)及松科(Pinaceae)占较大比例，草本组成中禾本科(Poaceae)和莎草科(Cyperaceae)为主导成分，灌木和蕨类均占有一定比例，尤其是蕨类含量变化明显。为了深入理解研究区域植被变化对气候的响应，我们将孢粉类别按照其生态和气候环境进行分类。由于各个孢粉类型其分布于一定生态环境具备特定的气候阈值[32]，不同孢粉组合所组成的不同植物功能型可以构成多种植被类型[10,12,33-34]。在结合区域垂直植被带植被组分的前提下，参考前人对孢粉—气候—植被关系及植被功能群区的划分原则，大九湖钻孔孢粉可以分为九个孢粉组：木本花粉包括针叶树种(con)、亚热带常绿树种(wte)、暖温带阔叶树种(wts)和北温带阔叶树种(cts)，草本花粉由山地草本(af)、草地草本(sf)、