甘肅秦安全新世植被分子標(biāo)志化合物的古環(huán)境意義

甘肅秦安全新世植被分子標(biāo)志化合物的古環(huán)境意義

科學(xué)家認(rèn)為，歷史時期洛杉磯高原是否有大面積的森林植被是一個有爭議的問題。然而，洛杉磯高原多指標(biāo)的分析結(jié)果表明，洛杉磯高原并沒有廣泛的森林植被，新世也沒有森林植被。位于六盤山以西的洛杉磯高原西部（擾動高原），氣候干燥，植被類型相對統(tǒng)一。中國北方著名的金石時代遺跡文化位于東部秦安地區(qū)。根據(jù)之前對秦安土灣遺址及新世黃土濕地沖積層的仔粉分析，新世中期，龍慶西部的新世黃土濕地分布廣泛，氣候溫暖潮濕。該段地層中松為主的高含量木本植物，一些時期的針葉樹的花粉含量超過80%。結(jié)果表明，在不久的將來，人們相信新世的當(dāng)?shù)刂脖话l(fā)育。干旱地區(qū)的現(xiàn)代過程表明，河流可以將地表森林植被的轉(zhuǎn)化為現(xiàn)代形式，尤其是針葉林植被。骨粉的類型和組成不是當(dāng)?shù)刂脖?，而是山地植被。因此，重建貧困地區(qū)洛杉磯高原植被不可或缺，尤其是研究新舊世紀(jì)的生存環(huán)境。分子標(biāo)志化合物在海相沉積物、湖相沉積物、泥炭以及冰雪等載體中已得到了很好的運用,并對全球環(huán)境變化及不同地區(qū)植被類型演替的研究提供了分子級的記錄.在對歐洲中部地區(qū)末次冰期到全新世植被演替的研究中發(fā)現(xiàn),使用分子標(biāo)志化合物中正構(gòu)烷烴指標(biāo),結(jié)合現(xiàn)代過程研究,可以幫助解決孢粉分析中對一些針葉樹只能鑒定到屬而不能鑒定到種的困難,能夠更進(jìn)一步確定針葉林類型.對于黃土地層中該類分子化石,在我國不同黃土剖面中已成功進(jìn)行了不同時期黃土高原植被景觀的演化研究,實現(xiàn)了黃土地層分子級指標(biāo)記錄古植被的恢復(fù)和重建.本文選擇隴西黃土高原的秦安地區(qū)作為研究區(qū)域,選擇該地區(qū)兩個不同成因的全新世剖面,運用分子標(biāo)志化合物指標(biāo)恢復(fù)該地區(qū)全新世時期古植被的類型,討論前人認(rèn)為的全新世中期存在森林植被的問題.1剖面位置和分析方法研究區(qū)域(圖1)位于六盤山以西的隴西黃土高原東部的甘肅秦安大地灣,采樣點位于秦安縣五營鄉(xiāng)(35°00′47.3″N,105°54′53.3″E),是秦安大地灣新石器文化的所在地.該地區(qū)年均溫8～9℃,年降水量450～500mm.當(dāng)前,離研究區(qū)最近的森林分布在距采樣點100km以上的六盤山山區(qū),其中針葉林只有華山松林和油松林兩種,呈現(xiàn)斑塊分布,在離研究區(qū)更遠(yuǎn)的子午嶺和西秦嶺的小隴山和白龍江中上游、洮河中上游、岷江等林區(qū)有部分天然油松林分布.本文選擇大地灣的DDWA和DDWL兩個全新世剖面,其中DDWA剖面海拔1470m,位于五營鄉(xiāng)邵家店村葫蘆河的支流清水河一級階地上,剖面厚5m,樣品采自Feng等研究的原剖面上,剖面描述參見安成邦等的描述,并根據(jù)野外觀測做了部分調(diào)整.剖面深2.0m以下主要為類似河流牛軛湖湖沼、沼澤相沉積,從2.0m開始脫水形成古土壤,1.0m以上屬風(fēng)成堆積并偶爾受流水影響(圖2(a)).DDWL剖面位于同一地區(qū),海拔1540m,屬于典型的全新世古土壤剖面,剖面厚3m,深0～0.8m為全新世黃土,0.8～2m為全新世古土壤,2～2.6m為古土壤淀積層,2.6m以下為典型馬蘭黃土,在深1.2m處采集了一個黃土全有機質(zhì)14C年代樣品(圖3(a)).現(xiàn)場對兩個剖面5cm間隔的磁化率利用Bartington-MS2型野外磁化率儀進(jìn)行了測量,以同一位置水平連續(xù)測量三次的平均值作為磁化率的結(jié)果(圖2(b),3(b)),并以50cm左右間隔分別采集了10個(DDWA剖面)和7個(DDWL剖面)樣品進(jìn)行分子標(biāo)志化合物分析.為了更合理地解釋分子標(biāo)志化合物組成與植被的關(guān)系,對該地區(qū)典型草原和人工次生林的現(xiàn)代表層土壤各采集了一個表土樣品.該人工次生林中除存在一定的木本植物外,在林地下部仍有大量草本發(fā)育,類似森林草原區(qū).同時,采集了距剖面東100多公里以外的六盤山東坡油松和落葉松植物松針樣品.將自然風(fēng)干后的黃土樣品和現(xiàn)代土壤樣品粉碎至80目以下,現(xiàn)代植物樣品清洗干凈后,采用謝樹成等使用的方法測試分子標(biāo)志化合物,用三氯甲烷在索氏抽提器中抽提;將抽提液用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀濃縮沉淀瀝青質(zhì)后,用柱層析法分離出烷烴、芳烴、非烴烷烴采用HP6890型氣相色譜與HP5973型質(zhì)譜聯(lián)用儀,在中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國家重點實驗室分析完成.色譜條件為:HP-5MS石英毛細(xì)管柱(30m×0.25mm×0.25μm),始溫70℃,升溫速率3℃/min,終溫280℃,終溫恒溫20min,進(jìn)樣口溫度300℃,進(jìn)樣量為1μL,氦氣為載氣;質(zhì)譜條件為:電子轟擊源,電離能量為70eV,GC與MS接口溫度為280℃.空白實驗與樣品同時進(jìn)行.2不同類型植被的正構(gòu)烷烴分布特征DDWA剖面年代為安成邦檢測的碳屑年代,DDWL剖面年代為本研究中測量的黃土全有機質(zhì)的14C年代,兩個剖面年代均為未校正的14C年代,根據(jù)年代的結(jié)果顯示該研究剖面均為全新世剖面(圖2(a),3(a)).DDWL剖面磁化率曲線具有全新世磁化率曲線的典型特征(圖3(b)),而DDWA剖面磁化率整體較低,并逐漸升高,約深1.0～2.0m之間磁化率快速升高(圖2(b)),與野外觀察到受沖積或者積水環(huán)境的事實相一致.剖面中正構(gòu)烷烴的分布(圖2(d),(e),3(c),(d))顯示,兩個剖面正構(gòu)烷烴的碳數(shù)分布范圍為C14～C35,多為具有單一C31主峰的分布特征,同時部分樣品具有C16或C17峰和C31峰的雙峰分布模式,但兩個剖面中檢測出的高碳數(shù)正構(gòu)烷烴無一例外都以C31為主峰并且C27,C29,C31這三個有機分子中C27的含量最低(C27<C29<C31),所有樣品在C22以上具有明顯的奇偶優(yōu)勢.DDWA剖面含有相對較高的來源于菌藻低等生物的低碳數(shù)(<C21)正構(gòu)烷烴,并且在剖面400cm處檢測到C21～C25正構(gòu)烷烴的含量相對增加.現(xiàn)代表土的正構(gòu)烷烴分布模式(圖4(a),(b))顯示,以人工次生林為主要植被特征的現(xiàn)代表土樣品中正構(gòu)烷烴碳數(shù)分布以C29為主峰,C31略低,C27含量較低,高碳數(shù)具有明顯的奇偶優(yōu)勢,低碳數(shù)含量很低.以草原為主要植被特征的現(xiàn)代表土樣品中正構(gòu)烷烴具有C31和C17峰的雙峰分布模式,并且C27,C29,C31這三個有機分子中C27的含量最低(C27<C29<C31),只有高碳數(shù)具有明顯奇偶優(yōu)勢.研究區(qū)現(xiàn)代松針植物樣品正構(gòu)烷烴分布模式(圖4(c)～(d))顯示,均以C29為主峰,在C27,C29C31這三個有機分子中C27的含量最低,高碳數(shù)具有明顯奇偶優(yōu)勢.在正構(gòu)烷烴碳數(shù)分布中,低于C21的正構(gòu)烷烴主要來自菌藻類等低等生物,并且沒有明顯的奇偶優(yōu)勢,具有明顯奇偶優(yōu)勢的高碳數(shù)分子(>C23)一般認(rèn)為來自高等植物,且多以C27,C29,C31為主峰.從分布的特征來看,兩個剖面中檢測出的正構(gòu)烷烴都存在來自菌藻類低等生物的成分.DDWA剖面由于受水作用的影響,部分地層中低碳數(shù)正構(gòu)烷烴含量相對較多,本文的研究主要討論對古植被恢復(fù)具有重要意義的高碳數(shù)分子(>C23).兩個剖面中檢測出的高碳數(shù)正構(gòu)烷烴分布無一例外明顯以C31為主峰,且C27C29,C31這三個有機分子中C27的含量最低,這一結(jié)果與已發(fā)表的現(xiàn)代草原表土正構(gòu)烷烴的分布相當(dāng)吻合,同時也與在該地區(qū)采集的現(xiàn)代草地表土樣品的分析結(jié)果一致,而與人工次生林表土分析結(jié)果相異.對現(xiàn)代植被的分子有機地球化學(xué)研究也顯示,木本植物的正構(gòu)烷烴以C27或C29為主峰,而草本植物的正構(gòu)烷烴以C31為主峰.同時許多現(xiàn)代湖泊沉積物的研究中也發(fā)現(xiàn),當(dāng)其陸源有機質(zhì)從木本變?yōu)椴荼緯r,沉積物中正構(gòu)烷烴的主峰也隨之由C27轉(zhuǎn)變?yōu)镃31.為了消除來自異源分子標(biāo)志化合物中正構(gòu)烷烴的影響,本文按照謝樹成等方法利用CPI值的特性從兩個黃土剖面總正構(gòu)烷烴分布中計算出了直接來自當(dāng)?shù)馗叩戎参锏恼龢?gòu)烷烴分布,根據(jù)剔除后的分布圖(圖2(e),3(d)),更強烈的以C31為主峰,同時C27C29,C31這三個有機分子中C27的含量最低(C27<C29<C31).仍然與草本植被的分布特征相一致所以進(jìn)一步說明該地區(qū)全新世時期以草原植被為主并非為森林植被.研究結(jié)果說明,按照前人現(xiàn)代過程研究的普遍結(jié)果,研究區(qū)全新世期間不曾發(fā)育過以木本為主的植被類型(即森林植被).然而,前人的孢粉分析結(jié)果卻顯示,研究區(qū)全新世中期以松為主的針葉林花粉可以達(dá)80%以上,甚至90%以上,松樹花粉在50%以上(圖2(c)),恰恰國際上的研究也曾發(fā)現(xiàn),有些松科植物也產(chǎn)生以C31為主峰的分布模式,十分類似草本植物的正構(gòu)烷烴分布模式.為此采集了該地區(qū)兩個現(xiàn)代松科植物樣品加以檢驗,兩個現(xiàn)代松科植物樣品的正構(gòu)烷烴分布盡管C31含量較高,但仍然是以C29為主峰的分布模式(圖4(c),(d))符合一般木本植物正構(gòu)烷烴的分布.因此,本文的研究可以肯定,對于秦安地區(qū)兩個全新世剖面中以C31為主峰的正構(gòu)烷烴分布特征反映出,在全新世期間該地區(qū)發(fā)育的植被以草本植物為主,不曾發(fā)育森林植被.事實上,兩個剖面(圖2,3)均不具有森林土壤所具有的結(jié)構(gòu),支持當(dāng)?shù)厝率啦辉l(fā)育森林植被的結(jié)論.前人依據(jù)的DDWA剖面是一個典型河流濕地或者牛扼湖潛水沉積,磁化率從水相沉積的低值逐步升高.純風(fēng)成全新世古土壤剖面(DDWL剖面)與這一區(qū)域廣泛分布的全新世黑壚土剖面一致,也只能是草原土壤.那么,如何解釋研究區(qū)全新世中期地層中出現(xiàn)的高含量針葉樹花粉?早在1991年,黃春長就對該地區(qū)的孢粉進(jìn)行了研究,隨后一些學(xué)者的孢粉研究結(jié)果也認(rèn)為該地區(qū)全新世中期的孢粉組合具有以針葉樹花粉為主的孢粉譜特征,推斷可能有森林植被發(fā)育.近期高分辨率的孢粉研究顯示,在整個剖面中木本花粉百分含量高值段主要由針葉樹花粉組成,后者尤以松花粉為主(圖2(c)).也就是說,全新世若存在森林的話,則是由松林組成的針葉樹.尤其是在C-14年齡7.5～5.5kaBP期間木本花粉含量可超過90%,其中松屬占絕對優(yōu)勢,平均含量約50%落葉闊葉樹花粉占10%左右,按照正常解釋應(yīng)當(dāng)存在森林植被.然而,同一剖面(DDWA剖面)及全新世風(fēng)成黃土-古土壤剖面的正構(gòu)烷烴分析結(jié)果卻顯示研究區(qū)全新世期間不曾存在森林植被,一直是以草本為主的草原植被.DDWA剖面為類似牛軛湖的湖沼相沉積,是一個相對開放的沉積環(huán)境,接受流水對花粉的搬運傳輸,對于開放環(huán)境的孢粉記錄,可能指示了更大范圍的環(huán)境信息,反映整個流域以及山地植被狀況,而不是采樣點當(dāng)?shù)氐闹脖?也有人認(rèn)為沖積相孢粉反映河流的沉積特征,用孢粉組合重建當(dāng)?shù)刂脖粫r應(yīng)當(dāng)小心.大風(fēng)和暫時性洪流都具有很強的長距離搬運孢粉的能力,導(dǎo)致植物孢粉遠(yuǎn)距離的運移,尤其對于針葉林孢粉,這些相對數(shù)量較大的外來孢粉與本地孢粉混合的結(jié)果可能造成,外來孢粉反而可能成為孢粉譜中的主要成分,特別是在我國植被覆蓋稀疏的干旱區(qū)、半干旱區(qū).如果不把外來孢粉和當(dāng)?shù)劓叻奂右詤^(qū)別,直接進(jìn)行古環(huán)境重建,其結(jié)果必然導(dǎo)致重建結(jié)果的不可信.對石羊河流域的沖積物和積水環(huán)境(如水庫)的現(xiàn)代表土孢粉研究,發(fā)現(xiàn)表土樣品中高含量的針葉林花粉指示的是約200km以外的祁連山山地針葉林植被,而不是當(dāng)?shù)氐幕哪脖?因此,簡單使用孢粉含量來解釋當(dāng)?shù)刂脖豢赡軙霈F(xiàn)問題,特別是存在高含量的針葉樹花粉情況下.前人的研究,例如,劉衛(wèi)國等的有機碳同位素指標(biāo)、謝樹成等的分子化石指標(biāo)和李小強等的孢粉分析結(jié)果,均指示出全新世期間黃土高原不曾發(fā)育森林植被,間接支持本文的結(jié)果.正是由于流水對山地森林植被孢粉的搬運問題和針葉樹花粉的強傳播能力及其超代表性,孢粉指標(biāo)的運用應(yīng)更加慎重.本文的研究說明,對于沖積或者湖沼相沉積物中出現(xiàn)的高針葉樹花粉(如本研究中高達(dá)80%以上針葉樹花粉),結(jié)合正構(gòu)烷烴的分布特征,可以彌補孢粉分析的某些缺陷,避免簡單依據(jù)孢粉分析結(jié)果推斷植被時可能出現(xiàn)的錯誤.當(dāng)然,我國在使用分子標(biāo)志化合物(正構(gòu)烷烴)氣候和環(huán)境代用指標(biāo)方面,還需要開展大量現(xiàn)代過程研究.3不同植被類型的正構(gòu)烷烴分布特征秦安地區(qū)兩個不同成因的全新世剖面分析結(jié)果顯示,在整個剖面全新世時期分子標(biāo)志化合物中高碳數(shù)正構(gòu)烷烴的分布特征相同,都表現(xiàn)為以C31為主峰,而C27含量最低(C27<C29<C31),這與該地區(qū)以草本為植被類型的現(xiàn)代表土樣品的分布特征相