Characteristics and indication on palaeoclimate of sporopollen assemblages of Mid- to Late- Pleistocene in Sepabayi- Keping Area, Xinjiang
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摘要:
研究目的 塔西北中—晚更新世古环境变化的研究相对薄弱，西南天山作为亚洲气候环境变化的敏感区域，其古环境的研究对于预测未来气候意义重大，孢粉组合特征所指示的古植被演替规律已然成为该地区古气候研究亟待解决的重要问题。
研究方法 本文通过对新疆色帕巴依—柯坪地区河流阶地典型剖面样品孢粉鉴定和光释光定年测试，探讨了该区中—晚更新世孢粉组合特征及其对古气候的指示意义。
研究结果 划分出中—晚更新世三个孢粉组合带：第Ⅰ孢粉组合带：Quercus（栎）-Graminae（禾本科）-Chenopodiaceae（藜科）孢粉组合带；第Ⅱ孢粉组合带：Ephedra（麻黄）-Betula（桦）-Labiatae（唇形科）孢粉组合带；第Ⅲ孢粉组合带：Pinus（松属）-Ephedra（麻黄）-Chenopodiaceae（藜科）孢粉组合带。
结论 孢粉组合指示西南天山中—晚更新世总体气候干旱，呈干冷—暖湿—干冷的气候震荡趋势，其中65~16 ka期间存在明显的降水丰富的潮湿气候阶段；河流下切作用形成的阶地地貌受构造和气候双因素控制。
Abstract:This paper is the result of environmental geological survey engineering.
Objective The study of paleo-environmental changes of Mid-to Late-Pleistocene in northwest Tarim Basin is relatively weak. As a sensitive area to climate and environmental change in Asia, the paleoenvironment study of the Southwest Tianshan is of great significance for predicting future climate. The succession law of palaeo-vegetation indicated by the characteristics of palynological assemblage has become an important problem to be solved urgently in paleoclimate research in this area.
Methods Based on palynological identification and photoluminescence dating of typical river terrace samples from Sepayi-Keping area, Xinjiang, the characteristics of palynological assemblages in the Mid-to Late-Pleistocene and their implications for paleoclimate were discussed in this paper.
Results Three palynological assemblages of Mid-to Late- Pleistocene were divided. Palynological assemblage zone Ⅰ: Quercus-Graminae- Chenopodiaceae; Ⅱ: Ephedra-Betula-Labiatae; Ⅲ: Pinus-Ephedra-Chenopodiaceae.
Conclusions They indicate the arid climate of the Southwest Tianshan and the fluctuation trend (dry and cold-warm and wet-dry and cold) during Mid-to Late-Pleistocene. During 65-16 ka before present, there was an obvious humid climate stage with abundant precipitation. The terraces formed by river downcutting were controlled by both tectonic and climatic factors.
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1. 引言
恢复古环境和古气候变化机理对于预测未来环境意义重大（Kutzbach et a., 1989；Li and Fang, 1999；Zheng et a., 2015），沉积物中孢粉的研究被应用于古环境恢复中取得良好成果（Tarasov et a., 1999；Nakagawa et a., 2002；Ortu et a., 2006）。新疆色帕巴依地区位于亚欧大陆中部，塔里木盆地西北缘（图 1，姜文钦等, 2020）。新疆新生代年代格架的建立通常采用磁性地层学方法（Brook et a., 1996；Chen et a., 2002；陈杰等，2007；王宁等，2009)，上更新统绝对年龄鲜有报道，一定程度上制约了对该区域晚更新世古环境变化的研究。研究区河流侵蚀、地貌演化、古环境变迁与全球气候变化和新构造运动之间的成因联系尚不明确（Lee et a., 2003；吴珍汉等, 2005, 2006）。
图 1. 研究区交通位置图1—县级行政中心；2—乡级行政中心；3—铁路；4—国道代号；5—省级公路；6—县级以下公路；7—河流；8—研究剖面及采样位置Figure 1. Location of the study area1-County administrative center; 2-Township administrative center; 3-Railway; 4-National highway code; 5-Provincial highway; 6-Highway below county level; 7-River; 8-Study section and sampling location色帕巴依—柯坪地区河流阶地孢粉研究几近空白。本文旨在对河流阶地上发育几近完整的土卡义剖面孢粉特征进行初步分析，试图探讨研究区古环境类型，讨论河流侵蚀和地貌演化的主导因素。
2. 地层
中——上更新统冲积物主要分布于色帕巴衣幅北部托什干河两岸，呈条带状。高于现代河床20~80 m，厚度20~50 m，河床南岸的沉积厚度小于北岸的沉积厚度。现以土卡义剖面（图 2，起点坐标X：300731，Y：4540883）为例，结合柯坪地区不同阶地综合比对，对区内中—上更新统冲积物描述如下：
图 2. 新疆色帕巴依地区中-上更新统冲积物实测剖面图Figure 2. The measured section of the Meso-Upper Pleistocene alluvial deposits in the Sepabayi area, Xinjiang8黄褐色砂土、亚砂土、黏土层 0.5 m
7含砾砂土层，砾石含量约45%，砾石以砂岩、灰岩为主，粒径5~10 cm，磨圆及分选均较好 1.5 m
6灰褐色含砂土砾石层，砂含量约20%。砾石成分以砂岩、灰岩为主，粒径5~10 cm。磨圆与分选均较好 2.2 m
5灰褐色砾石层，砾石成分为砂岩、灰岩。粒径多为10 cm左右。磨圆较好，分选一般 2 m
4灰褐色砾石层夹砂土层，砾石成分为砂岩、灰岩。粒径一般15~20 cm，最大可达30 cm。磨圆较好，分选性差。砾石ab轴呈叠瓦式排列，ab面产状245°∠17° 4 m
3含砾砂土层，砾石含量约40%，砾石以砂岩为主，粒径5~10 cm，磨圆度及分选性均较好 0.8 m
2灰褐色含砂土砾石层，砂含量约30%。砾石成分以砂岩、灰岩为主，粒径5~10 cm，最大可达15 cm。磨圆与分选均较好 2 m
1灰褐色含砂砾石层偶夹薄砂土层，砾石成分为砂岩、灰岩，少量岩浆岩，粒径一般5~15 cm，最大可达20 cm。磨圆较好，分选一般。接触式-孔隙胶结。砾石ab轴呈叠瓦式排列，ab面产状252°∠20° 3 m
3. 孢粉分析
3.1 实验方法
河流阶地冲积物采用自然分层法采集样品，阶地的顶部和底部均采集光释光样品和孢粉样品，每块样品称取10 g干重样品室内分析处理孢粉，在中国地质大学（武汉）生物地质与环境地质国家重点实验室显微结构分室进行，采用常规酸碱法及重液浮选法富集孢粉化石（徐增连等, 2021）。对孢粉的统计、鉴定工作在Olympus BX50生物显微镜下完成。测年样品采集与孢粉样品采集同步，在河流阶地由底到顶系统采样，光释光测年在中国地质大学（武汉）构造与油气资源教育部重点实验完成。
3.2 统计分析
第Ⅰ孢粉组合带：Quercus（栎）- Graminae（禾本科）- Chenopodiaceae（藜科）孢粉组合带。
组合中以草本植物花粉为主，占组合的51%~58.8%，陆生草本植物花粉含量为49.9%~58.8%，喜旱生草本植物花粉（如藜科、禾本科、蒿属和白刺属等）频繁出现，在该类花粉中占主导地位；水生植物花粉含量较低，约占组合0~5.8%。
以木本植物花粉次之，占组合的35.8%~44.1%，其中针叶类植物花粉含量较少，仅占5.9%~10.9%；常绿阔叶植物花粉（如青冈栎、栲、枫香等）含量明显少于喜温凉的落叶阔叶类植物（如榆科、桦科、胡桃科等）；喜旱生的灌木麻黄含量较高，为16.7%~22.8%。蕨类植物孢子含量占组合的4.3%~5.9%，主要是鳞盖蕨、凤尾蕨，水龙骨科的单缝类孢子经常出现。
本组合中孢粉类型较多，木本阔叶类植物花粉含量占比较高，出现少量的水生草本植物花粉。从组合面貌分析，认为本组合代表一种半干旱气候类型，其植被面貌为森林植被，林下蕨类植物较多，平坦开阔地带多以草本植物覆盖，短期存在湖沼。
第Ⅱ孢粉组合带：Ephedra（麻黄）-Betula（桦）-Labiatae（唇形科）孢粉组合带（图 3）。
图 3. 新疆色帕巴依地区中—晚更新世孢粉（均放大800倍）1，4—膜蕨科；2, 3, 13—未定三缝孢；5~7, 10—水龙骨科；8—紫萁属；9—七指蕨；10—水龙骨科；11—小叶海金沙；12—凤了蕨属；14, 16—麻黄属；15—厚叶蕨属；17~19, 21—麻黄属；20—云杉属；22—油杉属Figure 3. Palynological map of the Mid- Late Pleistocene in Sepabayi, Xinjiang (All are amplified by 800 times)1, 4-Hymenophyllaceae spores; 2, 3, 13-Indet. Triletes spora; 5-7, 10-Polypodiaceae simple-type spores; 8-Osmunda; 9-Helminthostachys zeylanica; 10-Polypodiaceae verrucos-type spora; 11-Lygodium microphyllum; 12-Coniogramme salwinensis; 14, 16-Ephedra type 1; 15-Cephalomanes; 17-19, 21-Ephedra type 2; 20-Piceae; 22-Keteleeria组合中以木本植物花粉为主，占组合的41.3%~46.1%；其次是陆生草本植物花粉，占组合的28.1%~38.3%；蕨类植物孢子和水生草本植物含量分别为11.3%~20.2%和4.3%~8.8%。
木本植物中又以阔叶类植物较丰富，其主要成分是壳斗科的栎属和桦科的桦属植物花粉，它们分别占孢粉总数的7.7%~15.1%和1.9%~10.4%；榆属、枫杨属、榛属、胡桃属、槭树属和栗属等偏温植物花粉常见。针叶类植物中以松属为主，占组合的3.8%~6.8%，其次是杉科和柏科植物花粉、云杉、冷杉、雪松和油杉植物花粉也有出现。
陆生草本植物花粉占组合的28.2%~38.3%，含量较高的是喜旱生、耐盐碱麻黄属，为7.0%~13.9%；其次是喜旱生的藜科植物花粉，含量为6.1%~9.7%；其他类型如蒿属、毛茛属、菊科、十字花科、禾本科和唇形科植物花粉含量不高但频繁出现，而同样喜旱生的白刺和柽柳零星出现。水生草本植物中仅出现有莎草科、眼子菜属、蓼属、浮萍属和狐尾藻属五种植物花粉，其中以莎草科和眼子菜植物花粉多见。
蕨类植物中水龙骨科和凤尾蕨属孢子多见，含量分别为3.5%~6.1%和1.7%~4.4%，其他的如海金砂、紫萁、凤丫蕨、七指蕨等也有零星出现。本孢粉组合在三个带中草本植物花粉含量占比最少，蕨类孢子数量占比最多，代表温带湿润气候的落叶阔叶栎属和桦属花粉及针叶植物松科为主，含有少量常绿阔叶树种，同时出现一定量的喜旱生的草本类麻黄属和藜科植物等，其植被类型为阔叶林为主的森林草原植被，主体上反映当时气候趋于旱化，属温暖半干旱半湿润但偏湿的气候特征。
第Ⅲ孢粉组合带：Pinus（松属）-Ephedra（麻黄）-Chenopodiaceae（藜科）孢粉组合带（图 4）。
图 4. 新疆柯坪地区中—晚更新世孢粉（所有化石均保存于中国地质大学地球生物系，图中比例尺代表 20 µm）1—无患子；2, 10, 11—麻黄属；3—松属；4~9—麻黄属；12, 13—白刺属；14—蒿属；15—水龙骨科；16—楝属；17—蓝果树属；18, 19—香蒲属；20—石竹科；21, 22—藜科Figure 4. Palynological map of the Mid- Late Pleistocene in Keping, Xinjiang(All fossils are preserved in the Department of Earth Biology, China University of Geosciences. The scale in the map represents 20 μm)1-Sapindus; 2, 10, 11-Ephedra type1; 3-Pinus; 4-9-Ephedra type2; 12, 13-Nitraria; 14-Artemisia; 15-Polypodiaceae; 16-Melia; 17-Nyssa; 18, 19-Typha; 20-Caryophyllaceae; 21, 22-Chenopodiaceae该孢粉组合带陆生草本植物花粉含量很大，大大超过木本植物花粉，占主导地位，而木本植物位退居第二，蕨类植物孢子和水生草本植物花粉含量极低。陆生草本植物花粉、木本植物、蕨类植物和水生草本植物四大类含量分别为56.3%~72.6%、24.5%~37.5%、2.0%~3.3%、0~3.3%。
当前组合的显著特点是在陆生草本植物花粉中，喜盐碱的草本植物麻黄含量最高，为19.1%~31.1%，而成为优势种群；其次是喜旱生的藜科植物花粉，含量为10.6%~18.3%，禾本科植物花粉含量居第三位，为2.1%~8.5%；喜旱生的蒿属含量一般，为4.7%~5.3%，其他陆生草本植物也多以旱生植物为主。木本植物花粉中阔叶类花粉含量高于针叶类，以阔叶类的栎属花粉含量较高为特征，为5.7%~8.7%；木本针叶类植物花粉中以松属花粉为主，占组合的2.9%~3.8%。蕨类植物孢子和水生草本植物花粉含量极低。
此组合与上一组合相比，面貌有所不同。该组合带蕨类孢子含量明显降低，草本植物花粉明显增多，木本植物花粉为三个带中占比最少的（图 5）。认为该孢粉组合代表一种干旱气候条件下荒漠-疏林草原植被，气候温干。
3.3 讨论
研究区河流下切作用形成河流阶地，导致河漫滩相对位置升高（Burbank and Anderson, 2001），可能受控于环境气候变化（Starkel et a., 2003；胡小飞等，2013）和区域构造活动等多种因素（杨景春和李有利，2001）。塔里木盆地位于欧亚大陆中部，气候干旱，第四系地貌和堆积物的发育多与气候干湿交替有密切联系。塔西北地区更新世晚期以来经历了末次冰期，期间可识别出小气候波动段，冷暖交替（刘光锈等，1995；姚檀栋，1999）。气候干冷期，物理风化强烈，谷中堆积大量碎屑。暖湿期河流动能显著增大，强烈下切沉积物，河谷发育阶地。剖面底部砂土光释光测年结果为(65.4±2.8) ka，上部砂土光释光测年数据为(16.3±0.7) ka，高差约95 m，则在晚更新世该时限内，河流下切速率为1.94 mm/a，大于西南天山(1.24±0.2) mm/a的地壳抬升速率（吴传勇，2016），说明色帕巴依—柯坪地区河流下切主要有构造控制，可能与南天山复活隆升有关（张子亚等，2013）。
帕米尔高原的阻挡改变了西风环流的方向（张飚等, 2016），奠定了塔里木盆地中更新世以来气候干旱的基础。研究区孢粉组合带Ⅰ和Ⅲ指示的植被面貌不同，但都是干旱气候区的典型生态特点。2.1 Ma以来，印度板块向北挤压的远程效应导致帕米尔高原向北位移与天山连接，关闭了阿莱依谷地，焚风效应使湿润的西风难以进入塔里木盆地（张志高等，2017），输送层较大的垂直跨度为上层携带的水体发育成为冰川提供条件（秦大河等, 1984），岁差周期中低纬度地区太阳辐射增强（杨保和施雅风，2003），40~30 ka B.P.整个西北地区受西风环流和夏季风影响降水量剧增，气候显著湿润（杨保和施雅风，2003），研究区第Ⅱ孢粉带降水量增强，温度升高，冰川消融，河流流量加大，下切作用加强，与深海氧同位素第三阶段（MIS3）对应良好(Brook et a., 1996)。
4. 结论
（1）研究区中—晚更新世孢粉可以分为三个孢粉组合带，第Ⅰ孢粉组合带：Quercus（栎）- Graminae（禾本科）- Chenopodiaceae（藜科）孢粉组合带，第Ⅱ孢粉组合带：Ephedra（麻黄）-Betula（桦）-Labiatae（唇形科）孢粉组合带，第Ⅲ孢粉组合带：Pinus（松属）-Ephedra（麻黄）-Chenopodiaceae（藜科）孢粉组合带。
（2）西南天山中—晚更新世总体气候干旱，呈干冷-暖湿-干冷的气候震荡趋势。65~16 ka存在明显的降水丰富的潮湿气候阶段，河流水量丰富。
（3）研究剖面中—晚更新世河流下切速率约为1.94 mm/a，研究区河流下切作用同时受构造-气候双因素决定，构造因素起主导作用。
致谢
成文过程中得到中国地质大学（北京）高金汉老师，中国地质调查局青岛海洋地质研究所杨士雄博士很多指导和帮助，卡克—色帕巴依项目组和柯坪项目组成员参与野外采样，自然资源综合调查指挥中心有关专家为稿件提供支持，在此表示感谢！
创新点：丰富了西南天山中-晚更新世河流阶地孢粉组合资料；在光释光年代框架下讨论了西南天山中—晚更新世孢粉组合对古气候的指示。
Highlights: The data of palynological assemblages of river terraces from the Mid-to Late-Pleistocene in the Southwest Tianshan Mountains is enriched; Indication on the paleoclimate of the Mid-to Late-Pleistocene palynological assemblage in the Tianshan Mountains of southwest China is discussed under the optically luminescent chronology framework.
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期刊类型引用(1)
1. 杨兵，陈喜庆，葛天助，韦一，刘迁. 内蒙古西乌旗地区中——晚更新世孢粉记录及其古气候意义. 地质通报. 2024(06): 1047-1058 . 
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