青海湖流域生態(tài)修復(fù)樹種選擇策略基于全新世青海湖孢粉與碳屑記錄

孫滿平, 鄂崇毅,*, 魏海成, 侯光良, 孫永娟,

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青海湖流域生態(tài)修復(fù)樹種選擇策略基于全新世青海湖孢粉與碳屑記錄

孫滿平1, 鄂崇毅1,2*, 魏海成2, 侯光良1, 孫永娟1,2

1. 青海省自然地理與環(huán)境過程重點實驗室, 青海師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，西寧 810008 2. 青海省鹽湖地質(zhì)與環(huán)境重點實驗室, 中國科學(xué)院青海鹽湖研究所，西寧 810008

隨著全球氣候變暖和人類活動的增強, 青海湖流域生態(tài)環(huán)境有逐步惡化的趨勢, 作為維系青藏高原東北部生態(tài)安全的重要地區(qū), 其生態(tài)環(huán)境問題不容忽視。在現(xiàn)有生態(tài)修復(fù)策略的基礎(chǔ)上科學(xué)選取生態(tài)修復(fù)樹種對該區(qū)生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)及可持續(xù)發(fā)展具有重要意義?；趧討B(tài)演變視角的第四紀(jì)地質(zhì)學(xué)理論, 綜合分析全新世一萬多年以來青海湖流域考古遺址中的碳屑、孢粉等數(shù)據(jù), 得出在全新世長期存在的樹種為柳樹、云杉、松屬和樺屬。結(jié)合現(xiàn)代及未來氣候特征, 篩選出適應(yīng)未來氣候變化背景的優(yōu)勢樹種為云杉, 備選樹種為柳樹和樺屬。

青海湖流域; 孢粉; 碳屑; 云杉

0 前言

青藏高原是地球“第三極”, 對氣候變化異常敏感, 生態(tài)環(huán)境非常脆弱。其中青海湖流域東連黃土高原半干旱區(qū), 西接柴達(dá)木極端干旱區(qū),是遏制柴達(dá)木盆地沙漠化向東發(fā)展的重要屏障。但隨著全球氣候變暖和人類活動的增強, 該區(qū)生態(tài)環(huán)境有逐步惡化的趨勢。目前已有大量分析青海湖流域生態(tài)現(xiàn)狀的成果發(fā)表, 且有很多針對青海湖水面下降、水質(zhì)惡化、草地退化日益嚴(yán)重、土地沙漠化面積不斷擴大、水土流失嚴(yán)重、珍稀瀕危野生動物瀕臨滅絕等生態(tài)環(huán)境問題的防治對策[1–9], 該區(qū)生態(tài)修復(fù)已有一定的成效, 但對具體修復(fù)樹種選擇的研究較少, 科學(xué)選取生態(tài)修復(fù)樹種對該區(qū)生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)具有重要意義。當(dāng)前樹種選擇主要是基于對現(xiàn)有生態(tài)系統(tǒng)觀測結(jié)果下的生態(tài)學(xué)理論, 例如: 適地適樹原則、生態(tài)優(yōu)先原則、多目標(biāo)兼顧原則、生物多樣性原則、以喬木為主原則和重視鄉(xiāng)土樹種原則等[10]。然而在全球變暖背景下, 不考慮樹種對未來氣候變暖的適應(yīng)性有可能對區(qū)域生態(tài)保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展帶來風(fēng)險。因此基于動態(tài)演變視角的第四紀(jì)地質(zhì)學(xué)理論, 系統(tǒng)了解全新世這一和現(xiàn)代及未來氣候狀況非常接近的地質(zhì)歷史時期植被演替情況尤為重要, 選取與該區(qū)未來氣候變化趨勢相似并能在此背景下長期穩(wěn)定生存的樹種作為區(qū)域生態(tài)修復(fù)樹種對該區(qū)生態(tài)保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。

青海湖地處青藏高原東北部, 作為中國最大的咸水湖受亞洲季風(fēng)和西風(fēng)交互作用, 是重建過去氣候環(huán)境變化的優(yōu)質(zhì)載體, 同時青海湖也是青藏高原史前人類活動遺址最為豐富的地區(qū), 已有大量古生態(tài)相關(guān)成果發(fā)表。因此, 本文以青海湖流域為例, 系統(tǒng)梳理青海湖湖泊沉積物中已發(fā)表的孢粉記錄和考古遺址中的碳屑記錄, 獲取青海湖地區(qū)地質(zhì)歷史時期不同氣候背景下的樹種組合, 結(jié)合未來該區(qū)氣候變化趨勢, 為該區(qū)科學(xué)選擇樹種為區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供決策依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與材料來源

1.1 研究區(qū)概況

青海湖位于青藏高原東北緣, 是我國最大的內(nèi)陸咸水湖, 湖面海拔3200 m, 湖泊面積4400 km2, 其流域地理位置36°15′—38°20′ N, 97°50′—101°20′ E, 流域面積29660 km2[11]。青海湖流域處于蒙新荒漠、青藏高原和黃土高原交匯區(qū), 也是我國東部季風(fēng)區(qū)、西北部干旱區(qū)和西南部高寒區(qū)的交匯地帶[12](圖1), 屬于典型的高原大陸性氣候, 冬春季寒冷且多大風(fēng)天氣, 夏秋溫涼, 受“湖泊效應(yīng)”的影響, 該區(qū)具有干旱少雨、太陽輻射強、氣溫日較差大等特征[13]。1958—2012年平均氣溫為-0.24 ℃, 生長季(5—10月)均溫為7 ℃, 年降水量為381.4 mm, 生長季降水為357.69 mm, 占全年降水量的90%以上。植被以針葉林、灌叢、草原、草甸、高寒流石坡植被為主[14]。

1.2 材料來源

近年來, 青海湖流域孢粉研究已取得一些重要成果, 楊惠秋等、山發(fā)壽等、杜乃秋等、孔昭宸等、劉興起等通過對湖泊鉆孔系統(tǒng)孢粉分析, 盡管年代上稍有差異, 均認(rèn)為云杉、松、樺為主的喬木樹種的存在幾乎貫穿了整個全新世, 大致經(jīng)歷了冷干轉(zhuǎn)暖、大暖期和逐漸冷干階段, 全新世大暖期森林繁盛期喬木孢粉占總孢粉量的20%以上[15–19]；李文漪等研究了云杉花粉的傳播效率問題, 討論了云杉花粉含量與傳播距離的關(guān)系[20]；尚雪等、呂厚遠(yuǎn)等在現(xiàn)代表土中發(fā)現(xiàn)祁連山北部云杉花粉較多, 且確定了云杉花粉含量指示的海拔范圍、年均溫及年均降水量[21–22]。

注: 1.SNHD; 2.SHQX; 3.AQY; 4.LLW;5.CDH; 6.WBT; 7.BWC; 8.TH; 9.HZYC; 10.YWY; 11.JXG; 12.HMH

Figure 1 The situation of Qinghai Lake Basin

本文材料來源為已發(fā)表的QH—2000鉆孔孢粉數(shù)據(jù)和青海湖周邊考古遺址碳屑記錄[18,23]。其中對Rhode文中14C測年數(shù)據(jù)利用‘CALIB REV 7.0.2’程序進(jìn)行校正[24]。全新世以來的氣候背景采用張彭熹青海湖水位變化和溫度變化數(shù)據(jù)[25]?，F(xiàn)代氣象數(shù)據(jù)以青海湖北岸的剛察站數(shù)據(jù)為代表, 為便于對比, 選取青海湖流域生長季均溫與生長季降水量作為參考(數(shù)據(jù)來源: 中國天氣網(wǎng)—www.weather. com.cn)。

湖泊孢粉數(shù)據(jù)通常代表的是整個流域甚至是流域附近的植被情況, 因此完全依賴湖泊孢粉數(shù)據(jù)可能無法客觀反映流域內(nèi)的實際情況。根據(jù)許清海等的研究[26], 松孢粉含量在30%以上時, 周圍才可能有松林的存在, 樺孢粉含量高于5%, 周圍可能有樺屬的存在, 云杉花粉在地表環(huán)境中散布距離較短、對植被的指示性較為敏感, 在距離云杉植被較遠(yuǎn)的表土樣點中其花粉含量一般小于5%[27–30], 本文以虛線形式表示在圖中(圖2)。因此, 嚴(yán)格采用以上不同樹種孢粉濃度標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合考古地層碳屑鑒定結(jié)果確定不同地質(zhì)歷史時期的樹種組合。

(注: 數(shù)據(jù)引自張彭熹, 1994；侯光良, 2012； Rhode, 2016；劉興起, 2002)

Figure 2 Pollen content of major plants in Qinghai Lake Basin, records of carbon crumbs in the archaeological sites and climate record since Holocene

2 結(jié)果與討論

2.1 全新世以來青海湖流域植被演化

青海湖流域自全新世大暖期以來氣溫呈波動性下降趨勢。侯光良等按照水汽來源不同將青藏高原降水劃分為4個區(qū)域, 青海湖所在的Ⅰ區(qū)為青藏高原東部東亞季風(fēng)影響和向內(nèi)陸過渡區(qū), 全新世早中期降水波動較大, 4000 a以來呈緩慢增加趨勢[31]。全新世不同時段氣候狀況與植被恢復(fù)情況總結(jié)如下(圖2):

12000—8000 a B.P.氣候開始由冷干轉(zhuǎn)暖, 隨溫度升高, 冰川大量融化, 降水波動性上升[32–33], 湖泊水位較低, 青海湖水溫逐漸升高[25]。此時青海湖流域植被為疏林、森林草原, 喬木以云杉、樺、松為主, 松孢粉含量逐漸增多, 最高可達(dá)29%, 但還未達(dá)到能夠指示周圍可能有松林存在的界限值[26]。樺與云杉孢粉含量達(dá)到最大值, 最多可達(dá)22%和50%。其次為蒿屬、藜科、禾本科和莎草科[18,32], 由于氣候偏干, 有少量的菊科和麻黃科出現(xiàn)[34]。青海湖周邊考古遺址中發(fā)現(xiàn)柳樹、云杉和沙棘碳屑[23]。

8000—3500 a B.P.為全新世氣候最宜時期, 出現(xiàn)較持續(xù)的暖濕氣候[32–33], 青海湖水位明顯升高, 最高可高于現(xiàn)代水面約18 m[25]。該時期青海湖流域森林繁盛, 木本花粉含量多在30%以上[35], 形成以云杉為主的針葉闊葉混交林, 林下蕨類植物增多[15]。草本仍以蒿為主, 且孢粉含量逐漸增加, 禾本科、藜科、含量稍有增加態(tài)勢, 出現(xiàn)毛茛科、薔薇科、傘科和十字花科等高山草原植被組分且其孢粉含量均有增長[18,34]。在青海湖周邊考古遺址點發(fā)現(xiàn)有云杉碳屑[23]。

3500 a B.P.以來, 氣候趨于冷干, 氣溫與降水都顯著降低, 青海湖水位明顯下降。3500—2700 a B.P., 草灌孢粉尤其是柳屬達(dá)到高峰后下降[36], 以松為主的喬木花粉含量基本在20%以下[35], 云杉和樺的孢粉含量迅速減少, 可能與人類活動強度增加有一定的關(guān)系[37]。蒿、莎草為主的草本植物包括薔薇科、菊科等孢粉含量持續(xù)增加, 植被由森林到疏林草原逐漸演化為以蒿為主的草原[11,34]。此外與湖泊鉆孔略有差異的是青海湖周邊考古遺址在該時段發(fā)現(xiàn)大量柳樹碳屑[23], 但在湖泊鉆孔中并未發(fā)現(xiàn), 可能與柳樹花粉低代表性和較弱的散布有關(guān)。

2.2 現(xiàn)代青海湖流域樹種分布

現(xiàn)代青海湖流域以云杉植被為主的森林植被帶主要呈塊狀或帶狀分布于青海湖以北祁連山東部山地陰坡, 伴有少量草本、灌木植物, 形成森林-草原復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)[22,38]。云杉林常形成以該種群為主的單優(yōu)群落, 群落一般分為4層, 喬木層主要由青海云杉組成, 林下為灌木層、草本層和苔蘚層[38]。根據(jù)林內(nèi)植物組成和結(jié)構(gòu)以及分布海拔高度的差異, 將青海云杉林分為蘚類—青海云杉林、灌木—青海云杉林、苔草—青海云杉林和馬先蒿—蘚類—青海云杉林四種主要林型, 其中蘚類—青海云杉林是最穩(wěn)定的林型[38–39], 灌木—青海云杉林貯水能力較強[39]。群落中有維管束植物96種, 喬木種4種, 灌木種29種, 草本63種, 油松、山楊和祁連圓柏僅出現(xiàn)在局部地區(qū)與青海云杉共構(gòu)成混交林[38]。柳屬在青海湖盆地也分布較廣泛[36]。

2.3 全球變暖背景下該地區(qū)的樹種選擇

全新世大暖期青海湖7月平均水溫為14.54 ℃, 高于現(xiàn)代1 ℃以上, 高溫期水溫平均比現(xiàn)代高約1.8 ℃, 最高時可比現(xiàn)代高2.2 ℃[25]。全新世早期, 10000—8500 a增溫幅度最大, 水溫上升了1.8 ℃, 增溫速率約為每百年0.1 ℃。工業(yè)革命以來, 全球氣溫逐漸上升, 2007年IPCC第四次評估報告中給出: 1906年以來的100 a中, 全球平均溫度大約上升了0.74 ℃[40–41]。青藏高原是全球氣候變化的驅(qū)動機與放大器[42], 據(jù)剛察氣象站1958—2012年的數(shù)據(jù)觀測, 青海湖流域生長季均溫為7 ℃, 且具有明顯的波動上升趨勢, 增溫速率達(dá)到每十年0. 2 ℃, 顯著高于全球平均值與該區(qū)地質(zhì)歷史時期, 降水量為357.69 mm, 增長速率約為每十年6 mm, 尤其是1990年以來具有明顯的增長態(tài)勢(圖3)。

鄭卓等在對部分植物生長所需要的氣候區(qū)間和中位數(shù)進(jìn)行對比中得出, 樺屬植物生長所需的年均溫為–3.3—8.8 ℃, 中值為2.0 ℃, 符合青海湖流域現(xiàn)代氣候, 但年降水量區(qū)間為458—964 mm[43], 略高于現(xiàn)代青海湖年降水量均值, 但在全新世大暖期, 湖泊鉆孔中孢粉含量高達(dá)20%, 所以在全球變暖降水增加的背景下, 可選為備選樹種?，F(xiàn)分布于青海地區(qū)的油松對生長環(huán)境年均溫和年降水量的要求為2.0—7.6 ℃和450—623 mm[44], 均高于現(xiàn)代青海湖流域氣溫與降水。祁連圓柏現(xiàn)分布于青海省東部、東北部及北部、甘肅河西走廊及南部、四川北部[45], 其分布區(qū)年均溫在–4—5.5 ℃, 年降水量在120—621.1 mm[46–49], 能夠適應(yīng)全球變暖趨勢。云杉樹種生長所需的年均溫在–1.2—9.3 ℃, 中值為2.9 ℃, 年降水量在245—905 mm, 中值為685 mm[43], 在全新世大暖期其孢粉含量高, 對環(huán)境具有較好的適應(yīng)能力。青藏高原主要云杉屬植物為: 分布在四川西部、甘肅、青海的瑪柯河、多可河、隆務(wù)河流域的紫果云杉, 其生長條件為年平均氣溫2.4—5.2 ℃, 年降水量在450—650 mm[50]；雪嶺云杉現(xiàn)主要分布于天山地區(qū), 年均溫為0—3 ℃, 年降水量約為500 mm[51]；青海云杉現(xiàn)分布區(qū)的年均溫在0.3—6.2 ℃, 年降水量在300—620 mm[52–53]。只有青海云杉能夠更好地適應(yīng)該區(qū)現(xiàn)代氣候和未來全球變暖趨勢, 故可選為青海湖流域生態(tài)修復(fù)的優(yōu)勢樹種。柳屬生長所需年均溫在–3.4—1.6 ℃, 中值為–0.8 ℃, 年降水量在323—642 mm,中值為463 mm[43], 能夠適應(yīng)現(xiàn)代青海湖流域氣候變化, 且在青海湖附近考古遺址點中也發(fā)現(xiàn)有較多的柳屬碳屑[23], 所以可將柳屬作為該區(qū)域生態(tài)修復(fù)的備選樹種。

云杉作為全新世以來生長在青海湖流域的本土樹種, 隨著人類活動的影響, 其分布范圍逐漸向高山退縮[38], 重建以云杉為主的生態(tài)系統(tǒng)對青海湖流域植被修復(fù)、涵養(yǎng)水源具有重要意義。

圖3 剛察氣象站氣象數(shù)據(jù)

Figure 3 The meteorological data of Gangcha weather station

表1 部分植物生長對應(yīng)的氣候區(qū)間和中位數(shù)對比表

(注: 數(shù)據(jù)引自鄭卓, 2008)

3 結(jié)論

本文以青海湖流域為研究區(qū), 通過對前人在該區(qū)域?qū)θ率酪詠碇参镦叻邸⑻夹紨?shù)據(jù)分析, 結(jié)合剛察氣象站資料和全球變暖趨勢, 對研究區(qū)樹種進(jìn)行重建。青海湖流域生長季升溫速率為每十年0.2 ℃, 遠(yuǎn)高于全球平均值。經(jīng)歷了全新世大暖期的云杉樹種具有較好的適應(yīng)能力, 蘚類—青海云杉林為較穩(wěn)定的林型[38], 灌木—青海云杉林有很強的貯水能力[40], 可選為適合該區(qū)域的生態(tài)修復(fù)林型。柳屬和樺屬生長所需溫度、降水能夠適應(yīng)未來全球變暖, 故作為備選樹種。祁連圓柏現(xiàn)分布于青海東部等地區(qū), 但在青海湖流域湖泊鉆孔孢粉和考古遺址碳屑中均未發(fā)現(xiàn)祁連圓柏, 其原因還有待探討。

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A strategy of selecting tree species for ecological restoration in Qinghai Lake Basin Based on the Holocene vegetation records of pollen and wood charcoals in the Qinghai Lake

SUN Manping1,2, E Chongyi1,2*, WEI Haicheng3, HOU Guangliang1,2, SUN Yongjuan3

1.Key Laboratory of Physical Geography and Environmental Processes of Qinghai Province, School of Geographical Science, Qinghai Normal University, Xining 810008, China 2.Qinghai Provincial Key Laboratory of Geology and Environment of Salt Lake, Qinghai Institute of Salt Lakes, Chinese Academy of Sciences, Xining 810008, China

Under the global warming and human activity enhancing, the ecological environment in Qinghai Lake Basin is gradually deteriorated. As an important area for maintaining ecological security in the northeastern Qinghai-Tibetan Plateau, the problem of local ecological environment in Qinghai Lake is severe, andthe necessarity of restoring local ecological system is very urgent. Thus, it is very important and economical to select suitable tree species which will adapt to the future climate warming. In this study, based on the dynamic evolution perspective from the theory of Quaternary science, wood charcoal and pollen records of Qinghai Lake during Holocene were comprehensively analyzed, and the vegetation variations of Qinghai Lake Basin during Holocene were reconstructed. The results show that willow, spruce, pinus, and betula existed a long time in the Qinghai Lake Basin during the entire Holocene. Combined with the modern climate condition and future warming trends of Qinghai Lake Basin, spruce can be selected to be the most suitable species for local ecological restoration in future; willow and betula can be taken as important alterative species.

Qinghai Lake Basin; pollen; wood charcoals; spruce

10.14108/j.cnki.1008-8873.2019.01.008

Q948

A

1008-8873(2019)01-057-07

2018-01-26;

2019-01-03

青海省自然科學(xué)基金(2017-ZJ-901); 國家自然科學(xué)基金項目(41761042); 中國科學(xué)院西部之光青年學(xué)者A類項目

孫滿平(1994—), 女, 河南漯河人, 碩士研究生, 主要從事第四紀(jì)沉積物年代學(xué)研究, E-mail: smp13195796958@163.com

鄂崇毅, 男, 博士, 教授, 主要從事第四紀(jì)地質(zhì)學(xué)研究, E-mail: echongyi@163.com

孫滿平, 鄂崇毅, 魏海成, 等. 青海湖流域生態(tài)修復(fù)樹種選擇策略基于全新世青海湖孢粉與碳屑記錄[J]. 生態(tài)科學(xué), 2019, 38(1): 57-63.

SUN Manping, E Chongyi, WEI Haicheng, et al. A strategy of selecting tree species for ecological restoration in Qinghai Lake Basin Based on the Holocene vegetation records of pollen and wood charcoals in the Qinghai Lake[J]. Ecological Science, 2019, 38(1): 57-63.