遼東灣北部JXC-1孔孢粉組合特征及其古環境意義

王忠蕾，李 杰，胡 剛，梅 西，竇衍光，孟祥君

（1.青島海洋地質研究所/2.嶗山實驗室海洋礦產資源評價與探測技術功能實驗室，山東 青島 266237）

通過第四紀全球氣候變化研究預測未來氣候變化已成為科學界和社會公眾關注的熱點[1-3]。孢子和花粉由于其個體小、易于保存而成為第四紀植被發展史和第四紀古氣候、古環境研究的重要手段之一[4-7]。渤海地區的孢粉記錄研究多集中于表層沉積物[6,8-9]、全新世以來[10-12]或者晚更新世以來的沉積地層[13-17]，相對長時間尺度的孢粉記錄研究較少[7,18]。通過對孢粉組合分析，認為沉積物孢粉組合反映了渤海及其周邊區域的自然環境面貌，能夠揭示晚更新世來古氣候和古植被的演變過程[8,13,15]。另外，部分學者提出，晚更新世冰期期間，渤海海底裸露，陸架沉積被改造，呈沙漠化現象[19]。海域沉積地層孢粉記錄可以很好驗證上述觀點。

遼東灣是我國緯度最高的海灣，海域地層沉積記錄對氣候變化和海平面變化響應敏感。近年來，針對遼東灣晚第四紀古環境方面，已有一些科研成果[20-22]。渤海及周邊海灣的首次海侵時間存在不同觀點，時間范圍集中在0.89～1.0 Ma[23-24]，形成統一認識仍需要更多鉆孔深化認識。晚更新世以來渤海開始出現大規模海侵，在第二次海侵的時間方面存在MIS3時期[23,25]和MIS5時期之爭[20-21]，也需要更多資料加以驗證。孢粉學在古環境研究方面具有獨特優勢，但在遼東灣地區較長時間尺度孢粉記錄及其古環境研究尚未見相關報道，中-晚更新世以來沉積環境演化研究相對薄弱。YKC-2 孔底界年齡僅為150 ka，作者主要利用海相植物孢粉對海相層進行輔助分析，孢粉學及其環境意義未深入研究[26]。本研究以遼東灣北部JXC-1孔為研究對象，利用1.2 Ma 以來孢粉資料，結合測年數據，對比有孔蟲豐度和粒度參數等環境指標，重建研究區早更新世晚期以來的植被和氣候變化過程，且為該地區晚第四紀古環境研究和渤海陸架“沙漠化”過程等研究提供新資料。

1 研究區概況

遼東灣是渤海最大的海灣，灣內大部分區域水深小于30 m，僅遼中洼地超過30 m[27]。遼東灣位于中緯度溫帶季風氣候區，受海洋影響較大，多年平均氣溫10.7 ℃，年平均降水量為550～630 mm。灣內波浪以風浪為主，波向受季風交替影響；潮汐為規則半日潮，最大潮差2.8 m[27]。灣內環流主要受黃海暖流余脈及沿岸流影響，除夏季某些年的個別月份外，灣內環流按順時針方向流動[28]（圖1）。周邊河流包括六股河、大凌河、小凌河、遼河和大遼河等，河流輸入物質對灣內海底沉積物貢獻占主導地位[27,29]。河流輸入物質的擴散主要受到潮流和環流等海水動力條件影響[30-31]。

圖1 遼東灣北部JXC-1孔地理位置Fig.1 Location of JXC-1 borehole in the northern of Liaodong Bay

晚新近紀以來受廟島古隆起的阻擋，渤海發育“古湖”，海水沉積厚層河湖相地層。第四紀以來，隨著廟島古隆起的解體和全球海平面上升，海水入侵“渤海古湖”，現代渤海陸架開始出現海相沉積記錄[32-35]。

受陸緣植被影響，遼東灣入海河流沖積物孢粉組合中，樺木屬、櫟屬花粉以及中華卷柏屬植物孢子含量相對較高。遼東灣近岸沉積物中較高比例的草本花粉［如藜科（Chenopodiaceae）、禾本科（Poaceae）、蒿屬（Artemisia）、莎草科（Cyperaceae）和香蒲屬（Typha）等］與近岸鹽生沼澤濕地、平原區人類種植作物及河流湖泊周邊大量的水生植物密切相關[36]。

2 材料與方法

2.1 鉆孔采集

JXC-1 孔（40°24?43.38″N、121°03?23.37″E，水深約22 m）位于遼東灣北部（圖1），由青島海洋地質研究所于2016 年9 月利用“勘407 輪”采集。JXC-1 孔進尺（海底以下）70.3 m，有效樣品共72 管，巖芯總長62.68 m，平均取芯率達89.2%。

2.2 巖性及年代框架

巖心剖面以灰色-深灰色粉砂、細砂為主，不同深度層位巖性特征變化顯著（表1）。根據巖性特征變化（表1）、粒度參數、加速器同位素質譜（AMS）14C和光釋光測年、古地磁交變場退磁和底棲有孔蟲鑒定分析結果，建立鉆孔地層年代框架[21]（圖2），具體測試方法、取樣間隔和數據分析參考文獻[21]。JXC-1 孔底界年齡約為1.2 Ma，中更新世底界（0.78 Ma）大約位于45.18 m。對比全球海平面變化曲線，第二海侵層（自上而下）中6.42 m 處有效光釋光年齡為（75.3 ± 6.4）ka，推測該海侵層發生于MIS5，其底界為中更新世和晚更新世的界線。根據測年數據以及區域海平面變化和鉆孔沉積環境特征，推測晚更新世（12.8 ka）底界埋深為11.60 m。

表1 JXC-1孔不同沉積單元巖芯巖性Table 1 Lithology of different sedimentological units of JXC-1 borehole

圖2 JXC-1孔巖性特征及年代框架Fig.2 Lithology and chronological framework in JXC-1 borehole

2.3 孢粉鑒定分析

鉆孔巖芯按40 cm 間隔選取159 個樣品進行孢粉鑒定分析，在中山大學第四紀環境分析測試實驗室完成。每個樣品稱取10～30 g，采用常規酸堿處理和重液懸浮法進行孢粉實驗提取[4,39]。孢粉薄片鑒定在Nikon光學顯微鏡60倍的物鏡或100倍油鏡下進行，多數樣品孢粉統計數大于200 粒。在鑒定過程中，主要參考文獻[40-42]中的孢粉圖片及形態描述，同時利用中山大學及國際合作實驗室的現代孢粉數據庫及現代玻片的鏡下形態對比分析。孢粉百分比含量計算中，花粉百分含量以花粉總數為基數，蕨類孢子和藻類則以總孢粉統計數計算；采用外加石松孢子法計算孢粉濃度。

3 結果

鉆孔孢粉種類豐富，包含71個屬種，其中木本、草本孢粉較為豐富，藻類及蕨類含量整體較低，個別樣品藻類含量較高。木本花粉中闊葉樹種主要有櫟屬（Quercus）、栗屬（Castanea）、鵝爾櫪屬（Carpinus）、榆屬（Ulmus）、麻黃屬（Ephedra)、楓香屬（Liquidambar）、樺木屬（Betula）、胡桃屬（Juglans）、榿木屬（Alnus）、大戟科（Euphorbiaceae）、胡頹子科（Elaeagnaceae）、漆樹科（Anacardiaceae）、榛屬（Corylus）、薔薇屬（Rosa）、鼠李科（Rhamnaceae）、?？疲∕oraceae）等，裸子植物花粉以松屬（Pinus）、鐵杉屬（Tsuga）為主。草本花粉主要有禾本科、藜科、蒿屬、蓼屬（Polygonum）、菊科-刺型（Asteraceae）、十字花科（Cruciferae）、唇形科（Labiatae）、茄科（Solonaceae）、蒲公英屬（Taraxacum）、傘形科（Umbelliferae）、毛茛科（Ranumculaceae）以及濕生的莎草科，還有水生植物的香蒲屬等。陰生蕨類植物孢子主要為單縫孢子類及三縫孢子類等。藻類孢子主要有刺球藻（Baltisphaeridium）、環紋藻（Concentricystes）、盤星藻（Pediastrum）、雙星藻（Zygnema）等。根據孢粉科屬組成和百分含量繪制孢粉圖譜，整個鉆孔從老到新依次劃分為9 個孢粉帶（圖3），各帶的孢粉組合主要特征描述見表2。

表2 JXC-1孔孢粉帶主要孢粉組合特征Table 2 The main pollen assemblage in the different zones in JXC-1 borehole

圖3 JXC-1孔孢粉占比Fig.3 Pollen percentage diagram of JXC-1 borehole

4 討論

4.1 JXC-1孔揭示的古環境變化

第四紀以來氣候波動頻繁，遼東灣在此期間整體處于沉降階段，鉆孔離岸距離相對較近，其沉積的孢粉組合特征總體上可反映孢粉源區的植被組成，體現氣候變化。整個剖面以草本為主，推測沉積物中孢粉組合與陸緣區植被密切相關，孢粉的遠距離傳播因素可以忽略。該鉆孔樣品分辨率較低，且近岸沉積環境復雜，綜合孢粉譜、巖性變化和沉積學特征進行了古環境重建（圖4）。

圖4 JXC-1孔孢粉濃度、孢粉組占比綜合分析Fig.4 Integrated column of pollen concentrations and percentage from JXC-1 borehole

4.1.1 海域孢粉傳播影響因素 海洋沉積孢粉的分布規律及傳播機制是地層孢粉解譯的前提。研究[6,14,44]認為，海洋沉積物孢粉受傳播方式差異的影響較大，其中草本花粉主要由水流攜帶進入海洋，傳播距離較短，主要沉積于海洋近岸區域；而木本花粉傳播入海主要受風力和水流共同作用，闊葉樹種花粉含量呈現向海增加后減少的趨勢，針葉樹種尤其是松屬花粉易于在空氣中遠距離傳播，其含量在較深海域含量高。此外，研究區植被變化是海洋沉積孢粉種類的決定性因素，研究[13,15,18]顯示，晚更新世以來渤海海洋物沉積孢粉主導組分隨區域植被周期性變化而變化。

4.1.2 早更新世晚期至中更新世晚期古環境變化JXC-1 孔年代框架和沉積學特征均顯示，鉆孔底部至16.8 m 為早更新世晚期至中更新世晚期沉積地層，16.8 m 至鉆孔頂部為中更新世晚期以來的海陸交互相沉積[21]?；谝延醒芯炕A，早更新世晚期至中更新世晚的古環境具體分析如下。

Ⅹ帶巖性以深灰色粉砂為主，下部黏土組分含量較高，上部（62.00 m 左右）有紅色銹斑層，可能由水位下降導致沉積環境由還原向氧化轉變。蒿屬、禾本科花粉含量較高，濕生植物莎草科和水生植物花粉香蒲屬有一定含量，盤星藻含量在全孔中含量最高，木本花粉有一定含量（圖4）。孢粉組合特征指示此階段氣候整體溫暖濕潤濕，該帶下部可能發育了湖泊或沼澤濕地。

Ⅸ帶沉積物粒度較X 帶變粗，平均粒徑在3～7Φ之間劇烈變化，未發現化石孢粉，可能是冷干氣候條件下，湖泊退縮，研究區河流發育，沉積動力強，不利于孢粉沉積保存。

Ⅷ帶下部沉積物粒度較細，往上逐漸變粗。紅色銹斑層（37.5 m左右）出現在該帶以上。該段闊葉類花粉含量從下往上逐漸下降，與X 帶相比濕生植物莎草科、香蒲屬花粉含量顯著上升，蕨類孢粉含量的增加，盤星藻含量有所下降。綜合巖性、沉積學和孢粉含量變化，說明該帶從下至上，溫度呈下降趨勢，濕度較Ⅹ帶有所增加。推測該帶為湖泊相沉積環境，向上水位開始下降，并逐漸向河流相轉變。

Ⅶ帶下部為粉砂質泥，向上逐漸變為灰色細砂，粒度變粗，孢粉含量為零，指示冷干氣候條件下的河流相沉積環境。

Ⅵ帶孢粉組合中蒿屬、藜科含量較Ⅶ帶明顯增加，禾本科、莎草科和香蒲屬以及木本類花粉含量則降低，推測此階段氣候比Ⅶ帶較為溫濕，但不及Ⅷ帶。結合巖性特征，推測該帶為河漫灘相，與Ⅶ帶組成河流“二元結構”。

Ⅴ帶與Ⅶ帶相似，推測為河流相沉積。

前人利用鉆孔對渤海中部及遼東灣、渤海灣和萊州灣的古環境進行研究，發現渤海灣南部（黃河三角洲地區）早更新世主要為淡水湖泊及河流環境，而中更新世主要為平原河流環境[45]。JXC-1 孔剖面孢粉組合特征、粒度和有孔蟲豐度變化共同指示，早更新世晚期至中更新世晚期，受全球氣候間冰期-冰期交替的影響，遼東灣此階段氣候呈溫濕-冷干交替。在早更新世晚期至中更新世（MMB 位于45.18 m）早期，遼東灣主要發育湖泊相沉積，其間有河流相地層發育；中更新世中期和晚期，與區域沉積環境一致，遼東灣主要發育河流相沉積。

4.1.3 中更新世晚期以來的古環境 0.3 Ma 廟島古隆起的解體是渤海陸架開始形成的重要標志，從此開始發生較大規模海侵。根據巖性和測年數據，推測JXC-1 孔最上部1.78～0 m 為全新世以來的沉積（11 ka B.P.以來）（圖2），3.60～1.78 m 為MIS4～MIS3 時期的沉積地層，缺失MIS2 時期沉積地層。16.8～3.60 m 則依次發育MIS7～MIS5 時期沉積地層。結合沉積巖性、粒度及有孔蟲特征，推測孢粉帶IV至孢粉帶I對應MIS7以來的沉積，即大規模海侵發生以來的沉積地層。

YKC-2 孔位于JXC-1 孔東側[26]，水平距離約46.7 km，主要沉積了MIS6時期以來的地層，其孢粉組合對海平面變化和沉積環境有很好的指示意義。根據上述研究結果，研究區中更新晚期以來的植被和氣候環境變化分析如下。

Ⅳ帶孢粉濃度不高，孢粉組合以草本為主導，其中蒿屬、禾本科、濕生莎草科、香蒲屬等含量較高；木本含量較低，主要包括闊葉樹種櫟屬、榆屬、樺木屬和榛木屬，伴有零星松屬，蕨類中出現一定含量的單縫孢。推測遼東灣陸緣區湖沼廣布，山地發育闊葉落葉混交林，氣候暖濕。該段巖性為砂質粉砂，粒度偏粗，底棲有孔蟲豐度較大，且發育水平層理，推測研究區當時可能為水深較淺、水動力較弱的潮坪環境。根據地層年代框架，推測為MIS7時期海相沉積環境。

Ⅲ帶巖性為砂質粉砂，較適宜于孢粉沉積，然而孢粉濃度極低，可能此階段為MIS6 氣候干冷期。YKC-2孔該階段同樣花粉含量極少[26]。

Ⅱ帶主要為MIS5 時期的沉積地層，可以劃分為3 個亞帶。Ⅱ1帶（12.32～7.88 m）孢粉濃度較高，孢粉組合中以草本占絕對主導，其中蒿屬、藜科含量高（＞60%），禾本科、莎草科及香蒲屬占一定含量。木本和蕨類含量低，木本中闊葉落葉樹種榆屬、樺木屬、榛木屬等占一定含量，伴有零星的松屬、櫟屬、衛矛科、大戟科和胡桃屬等。結合遼東灣現代表土孢粉研究，其結果顯示近岸海域孢粉組合以草本為主導，其中蒿屬、藜科含量高（＞50%），禾本科、香蒲含量＜10%，莎草科含量＜5%，其他草本含量很低；木本中以松屬（約15%）、櫟屬（＜10%）、樺木屬（＜10%）為主，并伴有少量鵝耳櫪屬、榛木屬、榆屬等，以及零星的亞熱帶樹種[35,45]?？紤]JXC-1 孔位置，推測此階段氣候條件與現在類似，氣候暖濕。該段巖性主要為粉砂，有孔蟲豐度較高，且出現有孔蟲的地層厚度較大，根據年代框架，認為MIS5.5-MIS5.3時期研究區處于海相沉積環境。Ⅱ2帶（7.88～6.12 m）巖性為中砂至粉砂，粒度較下部更粗，不適合孢粉沉積，孢粉濃度偏低，推測可能為短暫的低海平面時期（MIS5.2）。Ⅱ3帶（6.12～3.12 m）巖性主要為粉砂，孢粉濃度較高。孢粉組合以草本為主，其中蒿屬、禾本科、莎草科含量高，藜科占一定比例，其他草本含量低。木本中以松、樺、榛木為主，伴有一些大戟科和胡桃屬，并出現淡水環境的盤星藻。孢粉組合總體顯示溫濕的氣候類型，從下至上（地層從老到新）孢粉含量呈下降趨勢，可能與氣候波動有關。較II1亞帶，生長于海岸帶灘涂的鹽堿植物藜科含量減少，淡水濕生莎草科增加，喜涼松屬增加，推測此階段氣候涼濕，海平面較II1亞帶有所下降，可能為MIS5.1時期相對高海平面期。其間陸緣區河口處潮下帶鹽沼分布面積縮減，潮上帶低洼處分布有湖沼植被，山地生長針闊混交林。YKC-2 孔MIS5 時期沉積地層厚度較大，溝鞭藻和刺球藻與底棲有孔蟲豐度垂向變化趨勢一致，指示MIS5.5-MIS5.3 時期海平面相對較高，為濱海相，而MIS5.2-MIS5.1 時期地層缺失[26]，與JXC-1孔研究結果基本一致。

I 帶（3.12～0 m）巖性主要為粉砂，孢粉濃度較低。孢粉組合以草本為主，主要有禾本科、蒿屬，此段頂端一個樣品，藜科花粉出現峰值；木本中主要有櫟屬、榆屬、樺屬、大戟科和胡桃屬等。推測較早階段陸緣區分布有較大面積的蘆葦（禾本科）濕地，氣候涼濕；之后氣溫升高，海平面上升，潮下帶開始發育以禾本科、堿蓬（藜科）為主鹽沼濕地，氣候溫濕。根據鉆孔地層年代框架（圖2），該段發生于末次冰期（MIS4-MIS1），孢粉濃度總體較低，孢粉組合與全球海平面變化大致吻合。該段早期氣候涼濕主要為MIS4-MIS3時期，由于盛冰期（MIS2）地層缺失，孢粉組合指示海平面上升期為MIS1 時期。該帶對應了YKC-2 孔上部兩個孢粉帶[26]，兩者沉積環境基本一致，但YKC-2 孔該段沉積地層厚度達到18.42 m，兩個鉆孔地層沉積厚度差異較大，研究發現主要由新構造運動和物源差異所致[22]。

中更新世晚期以來，JXC-1 孔孢粉總濃度比陸相期（早更新世晚期至中更新世晚期）有明顯下降，與前人對海相沉積物孢粉濃度與陸相沉積物孢粉濃度對比研究的結果較為一致[6,14,46]，符合海洋沉積物孢粉組合的特征。松屬和闊葉木本花粉含量比陸相期含量也有明顯下降，這與海洋沉積孢粉的傳播機制有關，JXC-1孔位于遼東灣西部，草本花粉在近岸海區代表性高，且僅是一孔之見，因而與前人對海洋沉積物孢粉含量向海增加后減少[6,14,46]的認識不相符。利用元素地球化學開展物源示蹤研究結果顯示，海相期沉積物可能受遼東灣逆時針海流控制，主要來自黃河[21]，推測JXC-1孔海相期松屬和闊葉木本花粉含量變化的區域差異性也可能主要由研究區的物源變化所致。

4.2 孢粉組合特征對海平面變化的響應

第四紀以來，海平面隨全球氣候冰期-間冰期交替變化發生海退或海進，在沿海平原和淺海陸架保留了海退和海進的沉積記錄[27]。渤海從中更新世晚期開始，于MIS7、MIS5 和MIS1 時期發生大規模海侵[20-21,24,32-33]。進入末次冰期以來（MIS4），該區氣候逐漸變冷，至盛冰期（MIS2）主要沉積了河流相、三角洲平原相或湖泊相地層。約11 ka B.P.，氣候急劇升溫，末次冰期結束，進入冰后期（MIS1），約8.5 ka B.P.開始海水淹沒遼東灣地區[27]。響應氣候及海平面的變化，陸緣區植被也對應發生變化，且孢粉組合中的優勢種屬在一定程度上可反映海陸環境的演變趨勢。

前人研究[8,13,15]發現渤海及周邊區域中更新世以來氣候寒冷略濕、溫濕，到晚更新世轉為寒冷較干，早全新世變為濕干，中全新世至晚全新世氣候溫和濕潤。結合JXC-1孔巖性、有孔蟲豐度和年代框架，通過孢粉圖譜可以看出，整個鉆孔沉積物孢粉以蒿屬和藜科草本花粉占主導，與近岸鹽堿灘地分布大量蒿和藜緊密相關；且伴隨有濕生的莎草科和水生的香蒲屬花粉，可能整體沉積環境靠近有水地區。中更新世晚期之前，研究區位于“渤海古湖”的范圍，孢粉組合隨著古湖水位的高低發生變化，反映氣候總體呈溫濕-冷干交替的過程。中更新世晚期遼東灣開始發生較大規模的海侵，主要沉積孢粉帶I至孢粉帶VI，中間出現孢粉含量為零的層位，可能與低海平面陸架沙漠化過程有關[19]。JXC-1 孔孢粉組合與鄰近的YKC-2 孔孢粉組合揭示的沉積環境總體較為一致。海侵發生以來水深一般較淺，離岸較近，木本植物花粉以松屬和落葉櫟為主，與近岸山地分布有以赤松、油松、遼東櫟和麻櫟為主的針闊葉混交林或闊葉落葉林植被分布相關[14]。木本植物花粉較陸相地層呈減少的趨勢，這與孢粉在海域的傳播保存機制有關[6,14,42,47]。在MIS7 和MIS5 時期海相沉積階段，其環境及孢粉組合特征與現今類似[46]，且由于近岸海域沉積草本花粉具有超代表性，孢粉中草本蒿屬、藜科含量超過50%，木本中以松屬和櫟為主，這與現代遼東灣陸緣區山地發育針闊混交林，近岸發育鹽沼濕地相一致；MIS7 階段莎草科和香蒲屬出現高值，對應海岸地區濕地的擴張，也可指示海平面的快速上升[48]。低海平面時期（MIS6和MIS4）孢粉濃度極低，與氣候冷干相呼應。全新世（MIS1）時期，孢粉組合指示氣溫先升后降的變化趨勢與海平面變化響應明顯。

5 結論

通過對1.2 Ma以來JXC-1孔沉積物孢粉組合特征分析，早更新世晚期至中更新世主要發育陸相沉積環境，包括河流相和湖泊相。在冰期，多發育河流相地層，間冰期則多發育湖泊相地層。中更新世末期以來遼東灣經歷了3 次高海平面過程，與孢粉組合指示的氣候變化趨勢一致，MIS7和MIS5時期，闊葉樹種和蒿屬比例相對較高，有孔蟲豐度較高，氣候偏暖，屬沉積動力相對穩定的淺?；驗I海環境；而MIS6 和MIS4 時期，孢粉濃度極低，氣候偏冷，屬沉積動力相對復雜的濱岸湖泊或沼澤等陸相環境。MIS3 時期至全新世（MIS1）時期，氣候由涼濕向溫濕轉變。全新世孢粉組合指示氣溫先升后降的變化趨勢，與海平面變化響應明顯，指示淺海相沉積環境。