黑河流域上中游不同類型農田表土花粉組合特征

作為重要的古環(huán)境世代指標，其表面活性劑分析在恢復舊植被和氣候方面發(fā)揮著不可替代的作用。表面活性劑分析是其重要的基礎。正確解釋該層的花粉含量，定量再現舊植被和氣候非常重要。因此，它直接影響巖石硫酸酯譜的正確解釋，并影響古生態(tài)環(huán)境研究的精度。目前，國內外科學家對各種自然植被的表土花粉進行了研究，如森林、灌木、牧場、沙漠、草甸、苔蘚等。然而，這些研究中選擇了影響較小、自然植被保存完好的地區(qū)，而植被和硫酸鈉結合在一起。沒有具有人工繁殖影響的典型土地類型，即耕地花粉組合的特點。目前的全球環(huán)境變化是長期自然和人類活動共同作用的產物,其中人類活動已成為影響氣候和環(huán)境變化的重要因素.孢粉分析不應只研究自然植被的花粉組合特征,還應開展人類活動擾動植被乃至人工植被現代花粉組合特征的研究.隨著孢粉分析精度的提高,一些栽培作物孢粉類型能準確鑒定到種.越來越多的學者將孢粉學與生態(tài)學、考古學結合在一起,來探討人類活動的過程及其對環(huán)境變化的影響,國際上已有很多成功的范例,國內也有許多學者開展了相關研究.然而這些研究只是選擇一些遺址及其周圍地區(qū)采樣,很少選擇長期受人類活動影響的農田進行現代過程研究.由于孢粉分析能夠提供受擾動前的植被狀況及擾動后植被變化的速率、模式和變化趨勢,因而根據農田中表土花粉組合特征分析,有可能從地層花粉譜中推知古人類刀耕火種時的農業(yè)活動狀況,這對于研究當時的農業(yè)耕作、農作物的種類、原始農業(yè)的起源以及推斷古人類生活的自然環(huán)境、了解人類社會發(fā)展與其周圍自然環(huán)境的關系有借鑒作用.鑒于此,本文選擇生態(tài)環(huán)境非常脆弱的西北內陸河——黑河流域開展農田花粉組合特征研究.1降水量隨風帶風帶的變化黑河地處河西走廊中段,流域地理范圍為東經98?～102?,北緯37?50′～42?40′,面積13×104km2,河流干流全長821km,是河西干旱荒漠區(qū)三大內陸河之一.以鶯落峽和正義峽為界,流域被分為上、中、下三部分:鶯落峽以上為上游祁連山區(qū),鶯落峽至正義峽區(qū)間為中游河西走廊沖洪積平原區(qū),正義峽以下為黑河下游區(qū).河流最終流入額濟納旗的居延海.總體上,流域氣候主要受中高緯度的西風帶環(huán)流控制和極地冷氣團影響,氣候干燥,降水稀少而集中.但流域上中下游有所差異:上游年均氣溫0.5?C,年均降水量435mm;中游年均氣溫7.6?C,降水量從張掖市的甘州區(qū)向高臺縣依次遞減,年均降水量116mm;下游年均氣溫8.3?C,年均降水量38mm,且蒸發(fā)量遠大于降水量.黑河流域植被在水平分布上自東南向西北逐漸荒漠化.上游祁連山山區(qū)植被屬溫帶山地森林草原,垂直帶譜明顯,由高到低依次分布:海拔4200～3900m為高山墊狀植被帶,海拔3900～3600m為高山草甸植被帶,海拔3900～3400m為高山灌叢草甸帶,海拔3400～2500m為山地森林草原帶,海拔2600～2300m為山地草原帶,海拔2300m以下為荒漠草原帶.中下游地帶性植被為溫帶小灌木、半灌木荒漠植被.中游山前沖積扇下部和河流沖積平原上分布有灌溉綠洲栽培農作物和林木,呈現以人工植被為主的綠洲景觀.下游兩岸三角洲與沖積扇緣的湖盆洼地里,生長有荒漠地區(qū)特有的荒漠河岸林、灌木林和草甸植被,主要樹種有胡楊(PopuluseuphraticaOliv.)、梭梭(Haloxylon)、沙棗(ElaeagnusangustifoliaL.)、紅柳(TamarixramosissimaLedeb)、白刺(Nitraria)等.2花粉的提取、鑒定和利用2009年8月,在黑河流域共采集43個農田表土樣品(圖1),主要包括玉米地、油菜地、小麥地及以上作物的混作地和苜蓿地.采樣范圍基本涵蓋黑河流域上中游地區(qū).采樣時記錄了每個樣點的海拔高度、經緯度、植被類型,植被覆蓋度以及主要植物科屬(表1).樣品采集以梅花式布點,即在樣方四周及中心取表土(0～2cm),經混合后作為一個樣品表土樣品花粉的提取采用氫氟酸過篩法,處理前樣品中加入1粒石松孢子片劑,用于計算樣品的孢粉濃度.每個樣品鑒定統(tǒng)計花粉至少500粒以上,所有樣品平均統(tǒng)計900粒以上.鑒定時參照正式出版的圖版手冊以及現代花粉標準片,人工禾本科和自然禾本科的鑒定以制作的小麥和玉米花粉的標準片作為參考,也根據前人的研究結果(花粉直徑40μm)進行鑒定.孢粉數據處理、作圖和分析使用Excel,C2以及CorelDraw軟件完成.3結果分析3.1草本植物花粉43個農田表土樣品中共鑒定出孢粉類型55個,其中喬木花粉類型7個,灌木花粉類型8個,草本花粉類型40個.喬木花粉常見的有云杉屬(Picea)、松屬(Pinus)、樺木科(Betulaceae)、榆科(Ulmaceae)等科屬;灌木花粉出現最多的有白刺屬(Nitraria)、麻黃屬(Ephedra)、胡頹子科(Elaeagnaceae)、薔薇科(Rosaceae)、檉柳科(Tamaricaceae)等;草本花粉以人工禾本科(PlantedGramineae)、禾本科(Gramineae)、十字花科(Cruciferae)、藜科(Chenopodiaceae)、蒿屬(Artemisia)和菊科(Compositae);花粉出現率最高,莎草科(Cyperaceae)、毛茛科(Ranunculaceae)、唐松草(Thalictrum)、豆科(Leguminosae)、唇形科(Labiatae)、傘形科(Umbelliferae)、蓼科(Polygonaceae)等花粉也經常出現;蕨類孢子常見的有水龍骨科(Polypodiaceae).3.2濕/中生草本花粉由于所含孢粉科屬較多,為了較直觀地顯示農田花粉組合特征,將出現頻率較低和百分含量較少的科屬進行合并.為了討論花粉與濕度的對應關系,考慮花粉組合中濕/中生草本花粉百分含量(含農作物花粉)與旱生草本花粉百分含量的比值,記作W/D.依據樣品的海拔高度繪制了孢粉百分比圖譜(圖2).由圖2可知,研究區(qū)孢粉組合以草本植物花粉為主.農作物以外的草本花粉百分含量最高達85.8%,平均為50.4%,其中旱生草本植物花粉百分含量平均為21.2%,以藜科為主(平均21.1%),并含有少量蒺藜科(Zygophyllaceae)(百分含量僅0.1%).濕/中生草本植物花粉,百分含量平均為29.2%,以禾本科(平均8.3%)、蒿屬(平均6.6%)、菊科(平均5.2%)花粉為主.百分含量較低的濕/中生草本花粉還有莎草科、豆科、毛茛科(有一個樣點花粉百分含量高達6%,原因可能是蟲媒、澆灌等作用將其傳播過來)、香蒲屬(Typha)(有一個樣品中百分含量高達7%,樣點在水庫附近,可能是由于灌溉或風動力將水庫邊的香蒲花粉搬運過來);另外傘形科、唇形科等科屬植物花粉也有零星出現,其總百分含量平均為4.3%.灌木植物花粉百分含量較低,平均為4.3%,主要有麻黃屬(平均1.1%)和白刺屬(平均1.0%),其他幾種灌木植物花粉百分含量平均為2.3%.喬木植物花粉百分含量也很低,平均僅為1.6%(以云杉和松為主,平均為0.9%),其次為樺木科(平均0.4%)、榆科、楊屬(Populus)和柳屬(Salix)也有零星出現.農作物花粉百分含量最高達92.4%,平均為43.6%.農作物不同,農田花粉組合特征有差別(表2和圖3).油菜(Brassicacampestris)地以油菜花粉為主,平均百分含量高達85.8%,喬、灌木花粉百分含量最低,花粉濃度和W/D比值在所有樣點中最大.苜蓿地樣點農作物花粉百分含量明顯少于其他農田的,豆科花粉百分含量為4.7%,其他農作物花粉百分含量為5.7%,農作物以外的草本花粉和喬、灌木花粉百分含量較大,花粉濃度僅次于油菜地的.三種禾本科作物樣點——玉米(Zeamays)地、小麥(Triticumaestivum)地和大麥(Hordeumvulgare)地花粉組合雖都以草本花粉為主,但人工禾本科花粉、花粉濃度、W/D比值及喬灌木花粉百分含量卻相差很大.其中小麥地花粉濃度和W/D比值在三者中最大,玉米地人工禾本科花粉和灌木花粉百分含量最高,而大麥地喬木花粉百分含量則最高.以小麥、玉米與青稞(H.vulgarevar.nudum)、胡麻(Linumusitatissimum)及葡萄(Vitisvinifera)等作物混合的農田樣點,農作物花粉以人工禾本科和十字花科花粉為主(兩者總百分含量為29.3%),其他作物花粉百分含量較少(百分含量平均為3.7%).農田花粉濃度變化較大,最低為2741粒/g,最高為74743粒/g,平均為18594粒/g.剔除農作物花粉,自然植被花粉濃度平均為6279粒/g,占花粉總濃度的56.4%.農田花粉組合中W/D比值平均為10.9.3.3農田花粉和人工東南角花粉圖2,3表明某些花粉的百分含量、花粉濃度和W/D比值隨海拔高度呈規(guī)律性變化.為了清楚地了解這些變化規(guī)律,將藜科、蒿屬、人工禾本科、十字花科、喬木等花粉百分含量、花粉總濃度和W/D比值與海拔高度進行相關分析(圖4),結果如下:藜科花粉百分含量隨海拔的升高逐漸降低:在2600m以下花粉百分含量較高,為5%～40%,且隨海拔的升高略有降低;海拔超過2600m以后藜科花粉極少且隨海拔的升高百分含量快速降低,在海拔3100m處降到最低(0.6%).蒿屬花粉百分含量在所有樣品中都不高(5%～15%),而在海拔超過2800m以后,蒿屬花粉幾乎消失.農田中喬木花粉屬于外源花粉,在所有樣品中都較低(0.5%～4.5%).人工禾本科的高百分含量花粉主要出現在海拔2000m以下(5%～45%),最高達70%;海拔超過2000m以上,人工禾本科花粉幾乎消失.樣品中十字花科花粉主要是油菜的花粉,其百分含量和濃度隨海拔的升高都呈上升趨勢,在海拔2000m以下,花粉百分含量和濃度均較低,分別為0%～20%與0～1000粒/g,且隨海拔高度變化不明顯;在2000m以上,花粉百分含量和濃度迅速增加,在2800m達到最高值,分別為90%和70000粒/g.農田花粉總濃度與海拔高度存在相同的變化規(guī)律,而十字花科花粉以外的其他花粉濃度與海拔高度的關系則不然,其濃度為5000～15000粒/g,隨海拔高度的變化波動.樣品濕/中生草本花粉主要包括農作物花粉以及農作物花粉以外的如蒿屬、禾本科、菊科、莎草科、豆科、毛茛科等雜草花粉,旱生草本花粉主要是藜科和蒺藜科花粉.W/D比值隨海拔的升高呈上升趨勢,在2400m以下,為1～10,在2400m以上,W/D比值大幅度增加.4討論4.1農田花粉組合孢粉百分比圖示(圖2)表明:農田花粉組合以草本花粉為主,農作物花粉不占絕對優(yōu)勢.而從植被調查結果看來,99%農田植被蓋度都達到100%,且主要植被是農作物.如苜蓿地樣點,其農作物花粉百分含量僅為10.4%;又如玉米地樣點,玉米花粉百分含量雖然平均為34.3%,但仍低于其他草本植物花粉的百分含量.此外,農田中幾乎很少有喬木出現,只是周圍偶爾有楊屬和柳屬植物,而花粉組合中喬木花粉的百分含量也只有1.6%,并且以樣點中沒有出現的云杉和樺木科植物的花粉為主.這可能與樺木科植物花粉與云杉花粉很強的傳播能力和特殊的傳播途徑有關.農田中也沒有麻黃和白刺等灌木植物出現,花粉組合中灌木花粉的百分含量為4.3%,并且麻黃和白刺花粉百分含量都在1%以上,這可能與麻黃花粉產量高且易于傳播而白刺分布范圍廣且具有良好的傳播特性有關.此外,去除樣品中農作物花粉,自然植被花粉濃度占農田花粉總濃度的百分比平均為56.4%.農田花粉的這種組合特征表明:農田花粉組合不只代表農田本身的植被狀況,也能反映地方和區(qū)域性的植被特征,因此通過花粉辨識古農田有很大的不確定性,但通過地層花粉中出現一定比例的農作物花粉可以判斷當地或者附近可能有農田,這有助于利用孢粉指標推斷古人類刀耕火種時的農業(yè)活動狀況.農作物不同,農田的花粉組合特征有差別(圖3和表2).油菜地中農作物花粉百分含量和花粉濃度在所有樣點中最大,原因可能是油菜花粉產量高,且在開花后收獲,其又在高海拔地區(qū)種植,海拔高,空氣濕度大,花粉不易傳播只能落在附近地面上.苜蓿地草本植物花粉百分含量高達85.5%,而農作物花粉百分含量僅10.4%,去除樣品中農作物花粉,自然植被的花粉所占比例也高達87%.形成這種組合特征的原因可能一方面由于苜蓿是蟲媒植物,本身花粉產量低;另一方面樣點周圍的植物花粉產量高且易于傳播,如藜科、蒿屬、白刺和麻黃等,其借助風力、水流等外界作用傳播過來,影響了花粉組合特征;此外還可能由于苜蓿地是新開墾的,人類活動(除草、施肥等)還不太劇烈,對土壤中原有的花粉影響不大.種植禾本科作物的農田,人工禾本科花粉并不占優(yōu)勢,這可能與禾本科植物的分蘗生殖方式有關.小麥地樣點花粉組合中人工禾本科花粉與十字花科花粉百分含量相當,這可能與當地以小麥和油菜輪作的種植方式有關.此外,小麥地周圍有油菜地,而油菜花粉產量高且易于保存和傳播的特性使小麥地里十字花科花粉百分含量相對較高.混作農田花粉組合,以人工禾本科和十字花科花粉為主,其他作物如茄科、亞麻科及葡萄的花粉百分含量則較低.這可能是由于混作農田的作物類型多,相應的每一種農作物花粉百分含量就會降低,并且混作地主要是禾本科作物夾雜少量其他的如葡萄、胡麻等作物,因此人工禾本科花粉百分含量比其他作物百分含量高.4.2農田樣點w/d比值與海拔高度的關系孢粉百分比圖譜(圖2和圖3)顯示,農田花粉組合中農作物花粉以外的濕/中生草本和旱生草本花粉是主要成分,這些花粉在農田中基本都作為雜草花粉出現.有研究表明雜草是能夠在人工生境中繁衍其種族的植物,其起源和傳播與人類活動密切相關,因而認為雜草花粉是理想的人類活動指示體,所以農田中這些花粉的出現又可以為人類活動的研究提供一個依據.由于樣點中蒿屬和藜科花粉百分含量僅為6.6%和21.1%,并不占優(yōu)勢,因此A/C值(蒿屬花粉百分比/藜科花粉百分比)不適宜于指示樣點環(huán)境.而農田花粉組合中喬、灌木植物花粉百分含量較少,草本花粉占絕對優(yōu)勢,因此樣品中的濕/中生草本花粉百分含量與旱生草本花粉百分含量的比值(W/D比值)可反映樣點在人類活動影響下局地的干濕狀況.農田樣點中W/D比值平均為10.9,且絕大多數樣點W/D比值都大于1.其與海拔高度關系(圖4)顯示,W/D比值總體上隨海拔的升高而增加,該變化趨勢指示了環(huán)境濕度隨海拔的升高而增加,這與實際情況相符合.W/D比值在低海拔地區(qū)(2400m以下)隨海拔高度的變化不明顯,這可能與人類活動的影響有關.為了清楚地了解低海拔地區(qū)W/D比值隨海拔高度的變化特征及其指示意義,將農田樣點的W/D比值與該區(qū)域平原地區(qū)(2400m以下)荒漠樣品和農田周邊荒地的W/D比值進行對比.通過計算,本流域的14個荒漠樣品的W/D比值為0.1～1.6,平均為0.6;而已有的對西北干旱區(qū)荒地表土孢粉組合研究中,W/D比值為0.3～8.9,平均為3.1.W/D比值越大,說明濕/中生草本花粉百分含量越高.農田的W/D比值比荒地和荒漠的大,表明農田中的濕/中生草本花粉百分含量比荒地和荒漠的高.農田濕/中生草本花粉的高百分含量是由人類活動通過灌溉提高土壤濕度進而生長大量濕/中生草本植物造成的,因此W/D比值在一定程度上可以反映人類活動對土壤環(huán)境的改造和影響作用.此外,農田和荒地W/D比值波動較大且遠大于自然的荒漠植被,這是由于二者都不同程度地受到人類活動的影響.農田比周邊的荒地和荒漠濕潤,也適宜于農作物生長,這是人類活動改造利用土地的結果,而孢粉分析的結果也證實了這一點.因此,低海拔的平原地區(qū)(2400m以下)W/D比值的相對變化可能指示了人類活動對局地環(huán)境的影響.4.3蒿屬花粉隨海拔高度變化特征結果農田花粉與海拔高度關系表明:藜科花粉百分含量隨海拔的升高而降低,且在2600m以上隨海拔的升高急劇降低.形成這種組合特征的原因可能是海拔在2600m以下適合藜科植物生長,藜科花粉本身產量高,其借助風力、蟲媒等外力作用傳播過來,使這些樣點內藜科花粉百分含量較高;而海拔超過2600m以后,空氣的有效濕度增加,不適合藜科植物生長,藜科花粉也很少能從低海拔的地區(qū)傳播過來;此外在此高度采樣點是油菜地,低的藜科花粉百分含量還可能與油菜花粉產量高且易于保存有關.蒿屬花粉在海拔2800m以下,百分含量較高且隨海拔的升高呈上升趨勢,而在2800m以上,幾乎沒有蒿屬花粉.原因可能是在2800m以上的樣點已不是草原帶,而蒿屬植物多生長在海拔相對較高,濕度相對較大的草原帶.藜科和蒿屬花粉隨海拔高度的變化特征與實際情況相符合:藜科植物多生長在較低海拔處,構成荒漠帶;海拔較高處,濕度較大,蒿屬植物多,常組成草原帶.農田中喬木花粉百分含量較低且隨海拔的升高變化不大,尤其是在海拔較高的地區(qū).而在海拔較高的山區(qū)(距離較遠)雖有云杉等喬木植物生長,其原因可能與喬木花粉的橫向擴散能力差有關.人工禾本科花粉主要出現在2000m以下的地區(qū),在2000m以上極為少見.由于在2000m以上,不適宜種植禾本科的農作物,同時也表明人工禾本科花粉的分布海拔與小麥、玉米及綠洲農業(yè)的分布海拔相符合,和之前我們的研究結果類似,禾本科的產量低而且傳播能力差,因此,人工禾本科花粉可以作為(古)農業(yè)活動出現的標志花粉.十字花科花粉百分含量和濃度在2000m以下都很低,在2000m以上二者隨海拔直線上升.原因可能是在海拔2000m以上采樣點是油菜地或采樣點周圍有油菜地(如31,32號樣點),油菜本身花粉產量高,所以花粉百分含量和濃度都很高.農田花粉總濃度及十字花科以外花粉濃度隨海拔高度變化顯示,在2500m以下兩者變化基本一致,在此高度以上總濃度隨海拔直線上升而十字花科以外花粉濃度則上下