彭卫, 林雪如, 黄小忠, 刘思丝, 贾宛娜. (2016)黄河兰州段河水搬运花粉与累积花粉组合特征初步研究* [J]. 古地理学报, 18(4): 691-698
Peng Wei, Lin Xueru, Huang Xiaozhong, Liu Sisi, Jia Wanna. (2016)Preliminary study on assemblages characteristics of waterborne pollen and accumulated pollen from the Yellow River at Lanzhou station[J]. Journal Of Palaeogeography, 18(4): 691-698. DOI:10.7605/gdlxb.2016.04.051  
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黄河兰州段河水搬运花粉与累积花粉组合特征初步研究*
彭卫, 林雪如, 黄小忠, 刘思丝, 贾宛娜
兰州大学资源环境学院西部环境教育部重点实验室,甘肃兰州 730000

第一作者简介 彭卫,男,1988年生,兰州大学博士研究生,主要从事孢粉学研究。E-mail:pengw13@lzu.edu.cn。

黄小忠,男,1977年生,兰州大学副教授,主要从事第四纪孢粉学与古环境研究。E-mail: xzhuang@lzu.edu.cn。

收稿日期:2016-03-29
基金:*国家自然科学基金项目(编号:41171168)资助
摘要

对从 2011年 9月至 2012年 6月在黄河兰州段采集的 24个水样进行了孢粉分析,并探讨了河流搬运花粉组合随时间变化的特征以及累积花粉的组合状况。结果表明,河流中花粉组合和花粉浓度随时间具有明显的变化,春夏时段花粉组合以榆属、杨属、柳属和桦属等乔木花粉为主,秋冬时段以蒿属、藜科等草本花粉为主,且花粉浓度和河流含沙量有较好的正相关关系。根据河水流量与花粉浓度积分计算得出样品采集时段的累积花粉通量,其组合特征与各时间点的花粉组合具有明显的差异,表明单个时间节点花粉组合由于影响因素较多不能够反映流域植被状况,而累积花粉组合可以指示泥沙和花粉源区的植被状况。本研究中黄河兰州段河水搬运花粉可能指示黄河兰州段以上至刘家峡水库之间黄土区的植被情况。

关键词: 孢粉组合; 黄河; 兰州; 河水搬运花粉; 累积花粉
中图分类号:Q948 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2016)04-0691-08
Preliminary study on assemblages characteristics of waterborne pollen and accumulated pollen from the Yellow River at Lanzhou station
Peng Wei, Lin Xueru, Huang Xiaozhong, Liu Sisi, Jia Wanna
College of Earth and Environmental Sciences,MOE Key Laboratory of Western China’s Environmental System,Lanzhou University,Lanzhou 730000,Gansu

About the first author Peng Wei,born in 1988,is a doctoral candidate of Lanzhou University. He is engaged in Quaternary and pollen analysis. E-mail: pengw13@lzu.edu.cn.

About the corresponding author Huang Xiaozhong,born in 1977,is an associate professor in Lanzhou University. He is engaged in Quaternary,pollen analysis and palaeoenvironment. E-mail: xzhuang@lzu.edu.cn.

Fund:[Financially supported by the National Natural Science Foundation of China(No.41171168)]
Abstract

Twenty-four water samples were collected from the Yellow River at Lanzhou station from September in 2011 to June in 2012. Based on the pollen analysis, the temporal change characteristics and accumulated pollen features of the waterborne pollen were discussed. The result shows that pollen assemblages and pollen concentration have obvious changes over time: Ulmus, Populus, Salix and Betula are the major components of the pollen assemblages in the spring and summer;and Artemisia and Chenopodiaceae are main species in the autumn and winter. Pollen concentration has a positive correlation with waterborne sediment concentration. There are obvious differences between pollen assemblages of individual samples and the accumulated pollen assemblage,and pollen assemblages of individual samples cannot reflect regional plant communities. Accumulated pollen assemblage can basically represent the vegetation status of loess area from Liujiaxia reservoir to Lanzhou where it is suggested to be the main pollen and sediment source area in this study site.

Key words: pollen assemblage; Yellow River; Lanzhou; waterborne pollen; accumulated pollen

作为一种环境代用指标, 孢粉在恢复古植被和古气候方面具有重要作用, 但因为其生产、传播、沉降及保存过程复杂, 导致数据解释存在不确定性(许清海等, 2006, 2015), 因此需要开展孢粉传播过程的研究, 这将有助于对化石孢粉数据进行分析和解释。孢粉在自然界的搬运动力和传播途径主要有风力、河流和昆虫等, 其中河水搬运花粉是湖泊沉积物花粉和河流冲积物花粉的主要来源之一(Cross et al., 1966; Bonny, 1978; De Busk, 1997; Xu et al., 2005; 田芳等, 2010), 因此河流中花粉的来源范围、搬运方式和搬运过程对利用湖泊沉积物和河流冲积物孢粉进行古环境重建具有重要意义。

已有的研究表明, 花粉主要通过地表径流和风搬运的表层土壤以及植物花粉进入河流(许清海等, 2006, 2015)。对于花粉在河流中的搬运方式, Brush和Brush(1972)、Peck(1973)认为, 花粉一旦浸湿, 其在水中的运动方式如同其他细小的固体颗粒物; Groot(1966)发现, 花粉浓度和水中悬浮颗粒物含量有很好的相关性, 且该相关性在密西西比河达0.87(Chmura and Liu, 1990); 许清海等(1995)通过对黄河下游、滦河地区花粉的研究也得到花粉浓度和河流含沙量相关的结论。对于花粉的搬运过程亦开展了一系列研究:Brush和Brush(1972)开展了花粉搬运过程的水槽实验, 结果表明, 在平均流速为0.33, m/s时, 不同类型花粉分选作用不明显; Campbell 和 Chmura(1994)、Smirnov等(1996)在对美国阿查法拉亚河和密西西比河的河水搬运花粉研究中发现, 水深和流速对花粉浓度和花粉组成影响不大。然而, Catto(1985)、Fall(1987)等的研究发现, 不同花粉类型组合与不同粒径的沉积颗粒发生聚集; Holmes(1990)通过水槽实验发现, 在流速低于0.3, m/s时, 花粉类型会发生一定的分选; Xu等(1996)对冲积物的研究也发现, 不同地貌部位的花粉发生了水动力分选。关于河流花粉与植被的关系, Groot(1966)、Chmura 和 Liu(1990)、 Chmura等(1999)、Moss等(2005)的研究结果表明, 河流携带的花粉能够反映附近的植被状况; 而朱艳等(2004)认为, 其是流域内的混合信号, 很难被解释。总之, 虽然对河水搬运花粉已有很多研究, 但问题依然存在, 比如在土壤侵蚀非常严重的黄土高原地区, 河水搬运花粉组合的特征究竟怎样, 目前依然不是很清楚。

Chmura和Liu(1990)在密西西比河和Traverse(1992)在Trinity河分别对河水搬运花粉季节性特征进行了研究, 并发现河水搬运花粉浓度、组合特征呈现与植物花期有关的季节性变化, 但他们并没有对该花粉累积效应组合特征进行评估。然而, 无论是冲积物花粉还是湖泊沉积物中的花粉都有时间累积效应, 但河水搬运花粉的采集往往又很难做到一个时间序列, 且以往的大部分研究也多是着眼于一个时间点上, 因此不仅需要进一步研究河水搬运花粉的时间变化特征, 而且对总体的累积花粉组合特征进行探索也是必要的。文中的研究重点在于考察河水搬运花粉随时间的变化规律以及初步估计河水搬运花粉总累积效应, 并对花粉来源与流域内植被的关系进行讨论。

1 植被概况

黄河在河源至兰州段经过的大部分地区属于高原气候区, 区内多高山、草原, 海拔高程大多在3000, m以上, 主要植被类型为高寒草原、高寒草甸、高寒灌丛和温带草原( 图 1)。高寒草原集中分布在青南高原西部和北部, 在昆仑山内部山地和祁连山西段高山带亦有分布, 一般分布在海拔4000, m以上, 以紫花针茅草原为典型代表, 主要植物种类为紫花针茅(Stipa purpurea)。高寒草甸主要分布在中国大陆性气候较强的青藏高原东部的亚高山针叶林带以上至高山流石坡稀疏植被带以下地区和辽阔的高原东部, 主要植物种类有嵩草属(Kobresia)的小嵩草(K. pygmaea)、矮嵩草(K. humilis)、线叶嵩草(K. capillifolia)、藏嵩草(K. tibetica)、短轴嵩草(K. prattii)、甘肃嵩草(K. kansuensis), 蓼科的珠芽蓼(Polygonum viviparum)、圆穗蓼(P. sphaerostachyum)以及龙胆属(Gentiana)、虎耳草属(Saxifraga)、银莲花属(Anemone)等。高寒灌丛广泛分布于青藏高原及其邻近地区森林线以上的高山带, 主要植物种类为杜鹃属(Rhododendron)、柳属(Salix)、绣线菊属(Spiraea)、金露梅属(Dasiphora)和锦鸡儿属(Caragana)等。温带草原主要分布在河谷及两侧山地, 海拔1750~3200, m, 主要包括长芒草(Stipa bungeana)、短花针茅(S. breviflora)、沙生针茅(S. glareosa)、阿尔泰针茅(S. krylovii)、二裂叶委陵菜(Potentilla bifurca)、多裂委陵菜(P. multifida)、狼毒(Stellera chamaejasme)、紫花葱(Allium aubangulatum)、骆驼蓬(Peganum harmala)、紫苑木(Aster poliothamnus)、铁线莲(Clematiscus)、铁杆蒿(Artemisia gmelinii)和冷蒿(A. frigida)等(周兴民等, 1986)。

图1 黄河兰州段以上流域植被分布 (据张新时, 2007, 有修改)Fig.1 Vegetation in the Yellow River watershed above Lanzhou station(modified from Zhang, 2007)

本研究采样点位于兰州市中山桥(36° 03'53.48″N, 103° 48'52.22″E), 周边植被主要有荒漠锦鸡儿(Caragana roborovskyi)、本氏羽茅(Stipa bungeana)、短花针茅(Stipa breviflora)、铁杆蒿(Artemisia gmelinii)、冰草(Agropyron cristatum)、芨芨草(Achnatherum splendens)、黄花矶松(Limonium aureum)、红砂(Reaumuria soongorica)、榆树(Ulmus pumila)、柏树(Platycladus orientalis)、油松(Pinus tabulaeformis)、杨树(Populus alba)和刺槐(Robinia psrudoacia)等(武利玉等, 2006; 蒋素雪等, 2010), 均是黄土高原西部地区的常见植物。

2 材料和方法

水样采集于黄河河道的中部。采集时, 使用取样器提取水样, 然后注入5 L的塑料桶中, 并加入3/20的1粒石松孢子(27637个/粒)溶液。将水样静置72, h后, 倒掉上部的清液, 转移沉淀物至烧杯, 并加盐酸反应; 待反应完全后转入离心管, 水洗离心至中性; 之后先过180, μ m筛布, 再过10, μ m筛布, 使富集孢粉后加甘油保存, 然后制片以在显微镜下统计。

取样时间为2011年9月至2012年6月, 期间每个月采集2~3个样品(具体采样时间见 图2), 共计采集24个样品。共有16个样品统计孢粉在100粒以上, 有1个样品不足100粒, 剩余7个样品统计到的花粉很少。

3 结果分析

所采集的24个样品共鉴定出陆生孢粉种属35个, 其中草本类型19个, 以蒿属(Artemisia)、毛茛科(Ranunculaceae)和豆科(Fabaceae)为主, 还有莎草科(Cyperaceae)、葎草属(Humulus)、百合科(Liliaceae)、伞形科(Apiaceae)、唇形科(Lamiaceae)、蓼科(Polygonaceae)和锦葵科(Malvaceae)等; 乔木花粉类型9个, 以松属(Pinus)、桦属(Betula)、柳属(Salix)、榆属(Ulmus)和杨属(Populus)等为主, 还有少量栎属(Quercus)、云杉属(Picea)和胡桃科(Juglandaceae)等; 灌木花粉类型7个, 以蔷薇科(Rosaceae)、麻黄属(Ephedra)和白刺属(Nitraria)为主, 还有柽柳科(Tamaricaceae)和榛属(Corylus)等。

3.1 不同时段河流花粉变化特征

3.1.1 时段Ⅰ (9月份— 12月份) 花粉浓度在这段时间内呈整体下降趋势(11930~26粒/L)。草本花粉含量在9、10月份占绝对优势, 其中9月份平均为92%, 主要是藜科(12%~23%)和蒿属(26%~57%), 其次为禾本科(4%~20%)。11月份蒿属、藜科含量有所下降, 但总计也在77%; 乔木花粉含量为5%~10%, 其中11月初达到18%, 以松属(最高11%)和桦属(1.3%~4.8%)为主; 灌木花粉含量很低, 主要为白刺属( 图 2)。11月份至12月初, 依然是草本花粉占优势, 含量为80%~86%, 其中藜科为14%~23%, 蒿属为41%~45%, 禾本科为5%~9%, 十字花科为2.1%~11.1%; 乔木花粉含量有所增加, 在11%~13%之间, 以松属(2%~6.5%)、桦属(1%~5.5%)和柳属(1.5%~6%)为主; 灌木花粉含量很低。

图2 黄河兰州段河水搬运花粉百分含量Fig.2 Content of waterborne pollen of the Yellow River at Lanzhou station

3.1.2 时段Ⅱ (12月份— 次年3月份) 这一时段几乎统计不到花粉( 图 2), 且所能统计到的花粉也仅以蒿属为主。

3.1.3 时段Ⅲ (3月份— 5月份) 此时间段内花粉浓度具有先升后降再升的趋势, 在20~22, 740粒/L之间波动。从3月中旬开始, 伴随着榆属(最高达36%)和柳属(最高达42%)花粉含量的大幅增加, 乔木花粉含量开始上升, 到4月中旬达到最大(70%); 草本花粉含量为24%~87%, 主要为蒿属(4.6%~22.5%)、藜科(5.4%~62.4%)和禾本科(1.8%~8.2%); 灌木花粉含量依然很低( 图 2)。5月中旬到5月底, 草本花粉含量为72%~81%, 以蒿属(27%~44%)、藜科(10%)、禾本科(1.7%~7.7%)、十字花科(2%~21%)和豆科(3%~9.7%)为主; 乔木花粉含量为16%~24%, 以柳属(2.6%~4.1%)、桦属(2.8%~12.5%)、杨属(3.5%)和松属(2%)为主。

3.1.4 时段Ⅳ (5月下旬— 6月份) 这一时期没有统计到足够的花粉, 仅以草本花粉为主。

3.2 河流携带花粉累积特征

为了求得研究时段内河水搬运花粉累积的状况, 采用下述公式计算:

其中Sij为i种花粉类型(例如蒿属、藜科等各个科属)j月(采集样品的月份)河水搬运的累积花粉总量, sij为i种花粉类型的月平均浓度(粒/L), vj为j月黄河兰州断面的平均水流量(m3/s)。

然后, 对上式进行时间积分并各月累加, 累加结果即为样品采集时间段内河水搬运的累积花粉。将所得结果转化为孢粉百分含量即得到累积花粉百分含量( 图 3)。从图3中可以看出, 黄河兰州段河水搬运花粉的累积孢粉组合以蒿属(47.9%)、藜科(18.5%)、禾本科(4.4%)、十字花科(3.4%)、菊科(4.8%)和桦属(6.4%)为主。

图3 黄河兰州段河水搬运花粉累积百分含量Fig.3 Accumulated percentages of waterborne pollen of the Yellow River at Lanzhou station

4 讨论
4.1 河水搬运花粉浓度与水流量和含沙量的关系

对河水搬运花粉浓度与相应时间段内的水流量和月平均河水含沙量数据进行对比( 图 4), 可以看出花粉浓度和河流含沙量的变化趋势基本相同, 但其与河水流量的相关性并不好。尤其是在含沙量很低时的1、2月份, 河水搬运花粉浓度也相应的非常低, 但此时的河水流量并不是特别低; 还有在水流量很高的6月份, 花粉浓度不高, 含沙量也不高。已有的研究结果表明, 花粉浓度和河流悬浮物颗粒有很好的相关性, 并且进入河流的花粉主要是水流携带的表土花粉(Groot, 1966; Chmura and Liu, 1990; 许清海等, 1995, 2006, 2015), 据此分析, 应该是水流量越大, 河流中固体悬浮物含量应该相应的越高。但采样点河流中含沙量和水流量相关性很差, 笔者认为这是由于样品采集点之上有如刘家峡等水库的存在, 河流悬浮物在水库中的沉积作用和人为的调水等行为都将会影响到河水流量和含沙量。

图4 黄河兰州段河水搬运花粉浓度与河水流量和河水含沙量的对比(数据来源: 黄河水利委员会, 2012)Fig.4 Correlation among waterborne pollen concentration, water discharge and sediment concentration of the Yellow River at Lanzhou station(Data source: Yellow River Conservancy Commission of the Ministry of Water Resources, 2012)

4.2 花粉组合与河水含沙量的关系

前文已讨论了含沙量和花粉浓度在采样时间段内具有显著的正相关, 河水搬运花粉浓度对应于河水含沙量, 因此对河水搬运花粉浓度进行无序聚类分析, 可以探讨含沙量与花粉组合的关系。由于河水搬运花粉浓度变幅较大, 对其经过log10换算后进行聚类分析得到 图5, 该结果可以把样品按照浓度变化分为3个组, 在9-2, 9-12, 9-23, 5-11, 5-21这些日期采集的样品为第1组; 第2组为浓度最低的一组, 采样日期为12-21至3-8, 5-31至6-22; 第3组浓度主要在1.3~2.3之间变化。

图5 黄河兰州段河水搬运花粉浓度的聚类分析Fig.5 Cluster analysis of waterborne pollen concentration of the Yellow River at Lanzhou station

第1组花粉组合以草本为主, 其中1、2、3号样品是以蒿属和藜科为主; 20号与21号样品虽然草本花粉依然占多数, 但花粉组合有了变化, 其中20号样品中十字花科花粉含量增加了, 21号样品中桦属的花粉含量出现高值。第2组为花粉浓度极低的样品, 由于统计到的花粉数太少, 对花粉的百分含量进行探讨没有意义。第3组分2部分, 10— 12月份以草本花粉为主, 3— 4月份木本花粉的比例大幅增加。

查找不同植物的花期结果显示, 榆属的花期在3— 4月份, 杨属的花期在3月下旬至4月初, 柳属大多数花期在4月份, 桦属在5月份, 松属在4— 5月份, 十字花科中的油菜花期为4— 7月份。蒿属和藜科为7— 9月份(乔秉善, 2005)。考虑到研究区有高海拔地区, 花期会受到影响, 但总体是春夏季节为大多数乔木的花期, 夏秋季节为多数草本植物的花期。对比各科属植物的主要开花期可以看出, 在花粉浓度不高的第3组, 花粉组合受植物开花期影响很大, 即使在花粉浓度高的第1组20号和21号样品中统计到的其他科属的乔木花粉也不少, 只是蒿属和藜科浓度太高。综合比较各组数据, 发现含沙量的增加会导致河流中被带进大量的蒿属和藜科花粉。9— 12月份河流含沙量和花粉浓度减少, 导致统计到的花粉数目及河流输入蒿属和藜科花粉的减少, 可能是这段时间内乔木花粉百分含量整体稍有增加的原因。

4.3 河水搬运花粉的来源及其与流域植被的关系

黄河在经过龙羊峡、李家峡、刘家峡等大型水库以后, 上游区域的泥沙以及花粉绝大多数已经沉淀。朱艳等(2004)在石羊河的水样孢粉研究中发现, 河流经过水库沉积作用以后, 水样中的花粉显著减少; 从卫星影像上看, 当黄河流出刘家峡以后经过黄土区域, 水体再度变浑, 因此推测自刘家峡到采样点这段流域内才是沉积物和样品花粉的主要源区。相应的, 在采样的时段Ⅱ (12月份— 次年3月份)内从刘家峡水库至兰州段黄河流域内降雨极少, 兰州段黄河水主要由刘家峡水库流出, 此时河水中泥沙含量和花粉浓度都极低, 5 L的样品中统计到的所有花粉均为10粒左右。

此外, 据黄河上游流域内已有的表土花粉研究结果来看, 莎草科为高山草甸的主要植被类型, 也是最主要的花粉类型, 占45.2%左右; 高寒草原区以禾本科(平均12.1%)、蒿属(平均29.5%)、藜科(平均5.5%)和莎草科(平均12.8%)为主; 森林带以松属为主(平均40%), 其次有云杉属、冷杉属和桦属等; 蒿属和藜科是高山荒漠、荒漠草原主要的花粉类型, 平均占47%和13%左右(Lu et al., 2011)。黄河兰州段区域已有的表土花粉表明, 其孢粉类型以蒿属(40%左右)、藜科(20%左右)、禾本科(5%左右)和菊科为主(Zhao et al., 2012)。从累积花粉图谱( 图 3)可以看出, 花粉组合中草本占绝对优势, 以蒿属(47.9%)、藜科(18.5%)、禾本科(4.4%)、十字花科(3.4%)和菊科(4.8%)为主; 乔木以桦属(6.4%)为主。总体而言, 河流累积花粉的组合与兰州地区的表土花粉比较一致, 与上游河源区不同植被带的表土花粉组合中莎草或乔木花粉含量很高显著不同。由于莎草科在累积花粉中依然有较低含量(约0.48%), 所以笔者不能排除来自黄河上游区域花粉的贡献, 但总体而言, 刘家峡水库以上河源区花粉的贡献相对较小。

此外, 在河水搬运花粉浓度不是太高的情况下, 河水搬运花粉组合的变化受开花期植物影响比较大, 因而这时的河水搬运花粉组合对流域内的植被不是一个真实的反映:花粉浓度太低, 所能表现的信息太少; 花粉浓度高的样品内组合也有差异; 加之研究古环境与古植被变化的主要媒介— — 湖泊等的花粉又是河水带入花粉的累积, 所以选择河水搬运累积花粉谱讨论花粉源区以及用孢粉重建古植被更有意义。

5 结论

1)黄河河水搬运花粉组合、花粉浓度具有明显的时间变化特征。河水中花粉浓度与含沙量有较好的正相关关系, 花粉与泥沙的源区基本来自同一区域, 即可能主要来自于从刘家峡水库到采样点之间的黄土地区。

2)各时间点单个水样的花粉组合和按照流量积分计算获得的累积花粉组合有很大不同。单次采集的河水搬运花粉组合受植物花期等因素影响明显, 不能够反映流域植被状况; 根据河水流量和花粉含量计算得出的采样点累积花粉组合与兰州区域的表土花粉比较一致, 与上游河源区域的植被组成和表土花粉组合不同, 因此, 结合泥沙侵蚀情况, 研究点河水搬运累积花粉组合可能主要指示黄河兰州段以上至刘家峡水库之间黄土地区的植被状况。

(责任编辑 张西娟)

作者声明没有竞争性利益冲突.

作者声明没有竞争性利益冲突.

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