青藏高原东北缘古降水重建与人类活动
【类型】期刊
【作者】侯小青，侯光良，王芳芳，王青波（青海师范大学生命与地理科学学院；青海省自然地理与环境过程重点实验室）
【作者单位】青海师范大学生命与地理科学学院；青海省自然地理与环境过程重点实验室
【刊名】青海师范大学学报(自然科学版)
【关键词】 青藏高原东北缘；现代类比法；降水序列；植被演变；人类活动
【资助项】国家自然科学基金项目(41550001)资助;青海省科技厅自然科学基金项目
【ISSN号】1001-7542
【页码】P54-60
【年份】2019
【期号】第3期
【摘要】青藏高原东北缘的自然环境对全球变化响应敏感,重建全新世中晚期的降水对过去全球变化研究具有意义.本文利用现代表土孢粉、化石孢粉和现代气候数据,采用GIS和现代类比法,重建了全新世中晚期百年分辨率的降水序列,并探讨了其与人类活动的关系.重建结果 表明:6.3~5kaBP为典型湿润期,降水充沛,并在6.09kaBP达到最大值465mm,比现代降水量高约210mm;5~3.9kaBP为亚湿润期,平均降水量比现代高约65mm,但整体降水量在波动中下降;3.9~2.9kaBP为波动期,降水量急剧下降,较前一阶段减少约79mm;2.9kaBP以来降水量较为稳定,平均降水量与现代相当;其中有6个干湿事件,湿事件为6kaBP、4.1kaBP、1.6kaBP,干事件为4.9kaBP、3.8kaBP、2.8kaBP.降水量变化与植被覆盖和史前文化变迁关系密切.
【全文】 文献传递
青藏高原东北缘古降水重建与人类活动
摘 要：青藏高原东北缘的自然环境对全球变化响应敏感，重建全新世中晚期的降水对过去全球变化研究具有意义.本文利用现代表土孢粉、化石孢粉和现代气候数据，采用GIS和现代类比法，重建了全新世中晚期百年分辨率的降水序列，并探讨了其与人类活动的关系.重建结果表明：6.3～5kaBP为典型湿润期，降水充沛，并在6.09kaBP达到最大值465mm，比现代降水量高约210mm；5～3.9kaBP为亚湿润期，平均降水量比现代高约65mm，但整体降水量在波动中下降；3.9～2.9kaBP为波动期，降水量急剧下降，较前一阶段减少约79mm；2.9kaBP以来降水量较为稳定，平均降水量与现代相当；其中有6个干湿事件，湿事件为6kaBP、4.1kaBP、1.6kaBP，干事件为4.9kaBP、3.8kaBP、2.8kaBP.降水量变化与植被覆盖和史前文化变迁关系密切.
关键词：青藏高原东北缘;现代类比法;降水序列;植被演变;人类活动
过去全球变化研究计划(Past Global Changes)是IGBP制定的核心研究内容之一，全新世气候重建为过去气候变化研究的重要时段，为评估全球变暖提供了长尺度基础数据，进而可以深入探讨气候变化机制[1-2]，是目前PAGES研究的重要内容之一.
青藏高原是全球自然环境最为独特的地理单元之一，自身巨大的地理尺度影响全球的大气环流，并对全球气候变化响应极为敏感 [3].本文的研究区域是青藏高原东北缘，海拔高度在2000～4000m，地处季风边缘，同时受来自印度洋的西南季风和太平洋的东南季风影响[4]，属于高原温带半干旱气候.认识该区全新世中晚期以来的降水变化趋势，梳理本区降水变化及与周围植被类型的关系，探究降水变化与区域人类活动的关系，对于全面认识本区气候变化对生态系统、以及对史前文化的演进与更替的影响具有重要意义[5].前人利用不同气候代用指标对青海湖、茶卡盐湖、更尕海、达连海末次盛冰期以来的气候、环境变化作了进一步解释，但对于降水序列的重建较少.本文利用共和盆地更尕海的化石孢粉记录，采用孢粉现代类比法，重建了青藏高原东北缘全新世中晚期以来的百年分辨率的降水序列，并探讨降水变化与植被演变、人类活动的联系.
1 研究区域、材料与方法
共和盆地(98°46′～101°22′E、35°27′～36°56′N)地处青海省海南藏族自治州，是黄河上游面积较大、海拔较高、生态环境较为独特的盆地之一.盆地呈以北西西—南南东走向延伸，东西长约160km,南北宽30～40km,面积约5400km2；海拔呈东南低、西北高，平均海拔在2900m 以上；自然环境为荒漠草原，风沙活动较频繁.更尕海(36°10′50″～36°11′57″N，100°05′33″～100°07′33″E；海拔2858m)是盆地中部的内流微咸水湖，面积约2km2，湖区分布有流动性沙丘，主要通过地下水补给[6].研究区在自然区划上属于半干旱干草原和干旱荒漠草原的过渡性生物气候亚带[7]，年均气温为3.5℃，最高温度7月的平均气温为15℃，年均降水量约255mm，主要集中在5～9月份，占全年降水量的80%以上，现代植被以高寒草原和荒漠草原为主，含有部分沙地半灌丛和草甸.研究区对气候变化响应十分敏感，是研究区域气候变化和植被演变的理想之地[6-9].
图1 研究区地理区位图
1.1 表土孢粉数据及表土孢粉点的气温数据
表土孢粉数据来源于东亚孢粉数据库，部分数据从2000年以来已发表文献中数字化得到，选取表土孢粉点共496个，主要分布在青藏高原及其毗邻地区，基本上涵盖了高原东北部现代各种植被类型.表土孢粉点的降水数据取自1951～1980年气象站点数据，在ArcGIS中进行插值获得现代表土孢粉点的平均降水数据(数据来自于中国气象科学数据共享服务网http://www.data.ac.cn/xiazai/).化石孢粉数据：本文的化石孢粉谱来自刘思丝[10]等文章中共和盆地的更尕海GGHA化石孢粉图.
图2 青藏高原表土孢粉点(左图)和全国降水站点图(右图)
1.2 现代类比法
现代类比法是将某一层位的化石孢粉变量与表土数据集每一个样点的孢粉变量之间进行相似性距离计算, 取距离最相近的多个现代表土孢粉样点对应的环境指标作为地层孢粉样点的古环境替代指标.该方法具有很强的数理基础，可信度高，尤其适合大陆尺度的地区进行孢粉气候转换[10]，目前已广泛应用于古气候的定量重建.
现代类比法(MAT)采用弦距平方作为非相似系数，衡量现代孢粉组合与沉积孢粉组合的差异，若非相似系数越小，则两者差异就越小，现代孢粉对应的植被类型与化石孢粉所代表的古植型类型就相等或相近，所对应的现代表土孢粉点的降水就是是沉积孢粉的古降水.非相似系数计算公式如下[11]:
dij= ∑k( Pik1/2-Pjk1/2)2
式中：dij是现代孢粉型j与沉积孢粉型i的差异距离;k是孢粉型；Pi是沉积孢粉i的比例，Pj是现代孢粉j的比例；Pik是k孢粉型中沉积孢粉i的比例，Pjk是k孢粉型中现代孢粉j的比例.尽管非相似系数越小越好,但仍有一个临界值，非相似系数的临界值一般在10-2～10-1量级.由于在 Polygon软件中不能直接计算非相似系数及其临界值，所以本文在Polygon软件中通过计算更尕海古化石孢粉点孢粉类型与相类似的490个现代表土孢粉数据的信度R，平均值达0.67，说明使用的化石孢粉类型和现代表土孢粉类型具有较好的一致性.
本文选取青藏高原及其邻近区域490个现代表土孢粉数据，在490个现代表土孢粉数据中挑选出与每一条化石孢粉相同的孢粉类型，然后进行整理.表土孢粉类型主要包括云杉属(Picea)、松属(Pinus)、桦木属(Betula)、禾本科(Poaceae)、唐松草属(Thalictrum)、麻黄属(Ephedra)等.这些孢粉类型基本上涵盖了整个青藏高原及其毗邻地区的乔木、草木和灌木等主要现代植被类型.
2 结果与分析
根据图3重建的降水序列可以看出，共和盆地6.3 ka来的降水变化具有明显的阶段性和突发性，降水量整体呈现出在波动中下降的趋势，同时森林植被逐渐退缩至消失，荒漠草原占据重要地位.
图3 重建的古降水序列
2.1 阶段划分
(1)6.3～5kaBP全新世中期湿润期：也被称为全新世大暖期或适宜期，区域降水波动幅度在226～461mm期间，平均降水量约352mm，而现代降水量(1950～1980年)为255mm，高出现代88mm.此时段降水量有明显的阶段性差异，在6.3～5.5 kaBP达到最盛期，平均降水量约390mm，高出现代约135mm，此时乔木花粉含量较高(平均含量约14%)，主要以松属为主，云杉次之，草本植物花粉占绝对优势(平均含量约87%)，其主要科属为蒿属占37%，藜科占24%，禾本科占16%；青海湖QH85-14C钻孔也表明在此期间木本花粉含量的增加，同时若尔盖RM孔中莎草科含量增加[13].在5.5～5kaBP期间，平均降水量约312mm，高出现代约57mm，乔木花粉含量有所减少(约占8.8%)，草本植物含量有所上升(约占89%)，其中蒿属增加到50.7%，藜科和禾本科有所减少(含量分别为19%和12%).刘等对青海湖沉积柱中介形虫壳体δ18O研究表明，在全新世中期δ18O值偏负，说明季风较强，降水较多[14].
(2)5～3.9kaBP全新世晚期亚湿润期：该阶段的降水量波动剧烈，波动幅度在432～205mm，平均降水量约320mm，较现代高出约65mm.乔木孢粉含量(约占8.6%)较前期基本一致，草本植物含量增加到91%，其中蒿属和禾本科含量有所增加(分别为46.8%和16%)，藜科含量基本一致(19.6%)，此时周围山地的森林植被逐渐衰退，而草原植被快速增加.这与4.7～3.8 kaBP更尕海湖泊水位下降，干湿波动明显相对应；同时与5～3.4 kaBP达连海周围为荒漠草原，湖泊处于浅湖阶段变化趋势也基本一致[15].
(3)3.9～2.9kaBP 全新世晚期波动期：降水量在波动中下降，变化幅度在384～119mm.平均降水量约241mm，较现代低约14mm.乔木孢粉含量约5%，草本植物含量约94%，森林逐渐消失，植被以蒿属、藜科和禾本科为主(含量分别占54.5%、16.3%、15.9%)，同时湖泊面积缩小[16].达连海孢粉结果也表明在此阶段湿度和温度开始下降，森林面积缩小，荒漠草原扩张，气候向冷干方向发展[15].
(4)2.9kaBP至今全新世晚期平稳期：变化幅度在341～145mm期间，年降水量约231mm，较现代低24mm.乔木花粉含量3.5%，草本植物含量约94%，其中藜科含量(含量约19.8%)，蒿属和禾本科含量有所减少(含量分别为46%、14.5%).2.9～1.6kaBP以来的平均降水量约243mm，湖区主要发育以蒿属为主的荒漠草原，蒿属和禾本科为主的荒漠草原-草原仍占有一定面积；1.6～0kaBP年降水量约222mm，以蒿属和禾本科为主的荒漠草原-草原面积缩小，以藜科为主的荒漠草原面积扩大，特别是近400年以来，蒿草草原面积快速下降，人类干扰指示植物(狼毒属)和农作物(十字花科)含量明显增加,表示湖区受到人类活动的影响[10,17].
2.2 极端干湿事件
6.3kaBP以来本区有明显的百年尺度的干湿事件，主要的湿事件有6kaBP、4.1kaBP、1.6kaBP.(1)6kaB左右湿事件，降水量约421mm，较现代高出175mm，降水量最大极端值出现在6.09kaBP(约462mm).此时乔木花粉含量约13%，草本植物含量85%，其中蒿属含量37.4%.(2)4.1kaBP降水量约432mm，乔木花粉含量12.8%，草本植物含量约87%，蒿属含量约41.3%.(3)1.6kaBP降水量约341mm，草本植物含量占绝对优势(约93%)，其中蒿属占54%；这与青海湖QH85-14C钻孔中木本植物花粉含量在1.6kaBP左右达到全新世晚期的最大值相对应[13].
图4 降水变化与人类活动
主要干事件有(1)4.9 kaBP降水量约205mm，乔木花粉含量约5.6%，草本植物含量约86%.酒仙洞[12]和和尚洞[16]的石笋氧同位素记录表明在4.9kaBP季风强度明显减弱，可能导致青藏高原东北缘降水的减少.(2)3.8kaBP降水量约204mm，乔木花粉含量约7.8%，草本植物含量约89%.降水量的减少可能与季风在3.8 kaBP左右明显减弱相关[15],同时酒仙洞的石笋氧同位素也表明在3.9 kaBP以后气候的恶化[16].(3)2.8kaBP降水量约200mm，并在2.89kaBP达到最低值119mm，乔木花粉含量约1.6%，草本植物含量85%.这与共和盆地冬其剖面的地球化学与粒度指标揭示2700aBP之后冬季风明显增强相对应[18].
3 讨论
结合本区全新世中期以来的植被演化过程和史前人类社会发展进程，可以发现6.3～5kaBP降水量充沛，较为湿润，以草原植被为主，湖区周围不远山地生长一定面积的森林植被，且以松属为主.从人类活动来看，6kaBP，来自黄土高原的仰韶文化(6～5.3kaBP)进入河湟谷地，带来了旱作农业，说明当时的降水量能满足粟对340mm降水量的要求.安达其哈遗址是目前高原发现的最早的新石器遗址之一，年代在6kaBP左右，属仰韶文化，发现了青藏高原目前最早的种植粟黍的证据[19-20].本区发现该阶段仰韶文化遗址约10余处，同时本区表征人类活动强度的炭屑数量在波动中增加，说明在全新世中期降水充沛的背景下，史前农业开始扩张至高原东北缘，人类活动开始增强.
5～3.9kaBP降水量有所减少，仍高出现代，总体较湿润，植被仍为草原，蒿属和禾本科植物含量增加，以松属为主的乔木面积开始退缩.原始农业持续发展，马家窑文化时期(5.3～4 kaBP)，粟作农业得到长足发展，种植范围扩大到整个河湟谷地[21]；长宁遗址剖面的4.7～3.96kaBP，禾本科孢粉明显增加[22]，暗示农业快速发展；到马厂时期(4.3～4kaBP)，乐都柳湾墓葬中发现盛有粟遗存的粗陶瓮，马家窑文化晚期仍是以农业为主的经济形态[21].从图4也可以看出本区遗址和炭屑数量不断增加，并在4.1 kaBP达到顶峰，马厂类型遗址数量也达到580余处，指示人类活动规模达到新巅峰 [23]，而此时的降水量达到较高的432mm，丰沛的降水极大促进了农业发展，人类活动强度也不断增强.
3.9～2.9kaBP期间，降水急剧减少，较现代低24mm，乔木花粉持续下降，共和盆地周围山地森林植被消失，气候变干，此时的齐家文化(4～3.6kaBP)遗址数量(430余处)较马厂时期有所减少，炭屑数量也急剧减少，表明人类活动有所减弱.同时农业地位迅速下降，牧业比重上升，种植结构也开始调整；动物考古显示，羊是喇家遗址最主要的家畜，数量占绝对优势[24]，说明齐家时期畜牧业的比例在不断加重；长宁齐家文化遗址石刀的淀粉粒分析表明农作物有大麦、黍、粟、荞麦等，反映了齐家时期人类获取植物性资源呈现多样化的特点[21].此后的青铜时代(3.6～2kaBP)的卡约和辛店文化，降水变干趋势加重，青铜文化经济结构畜牧业地位强化，农业比重进一步下降，且以种植耐寒麦类作物-大麦为主[23].卡约文化遗址分布区域更加广泛，遗存数量多达近1800处，遍布大部分区域，炭屑数量也在波动中增加,表明气候变干，人类调整经济结构，畜牧业成为主导，而本区广阔的草原植被是发展畜牧业基本资源，适合的生产方式促使人类活动地域扩张和强度的提高；以海南州为例，马家窑文化22处，齐家文化6处，卡约文化484处[21].由此也可看出卡约文化的生业模式的改变是适应降水减少的结果.
2.9kaBP以来，蒿属和莎草科含量呈下降趋势，A/C值逐渐降低指示干旱化程度加深，以藜科为主荒漠草原面积增加并伴随以禾本科和蒿属为主的草原面积的减少，麻黄和白刺含量有所增加，说明此时的气候较前一阶段更加干旱[10]；但本阶段降水波动不大，保持较稳定的状态，这是本阶段形成稳定半农半牧经济模式的气候背景.
4 结论
利用现代气象观察资料和表土孢粉、化石孢粉数据，采用GIS和现代类比法，对青藏高原东北缘的古降水进行重建.重建的序列表明：全新世中晚期青藏高原东北缘降水序列分为四个阶段，6.3～5kaBP为全新世中期湿润期，平均降水量较现代高86mm，是原始农业传入阶段，仰韶文化人群向本区扩张，带来了粟黍农业；5～3.9kaBP为全新世中晚期亚湿润期降水较现代高出63mm，是农业持续发展阶段，马家窑文化迅速发展遗址数量不断增加；3.9～2.9kaBP为全新世晚期波动减少期，降水量与现代相当，齐家文化迅速衰落，生产方式向农牧兼营转变；到青铜时代干旱化程度加剧，卡约文化则以畜牧业为主，农业以种植耐寒旱的大麦为主；2.9kaBP以来为平稳递减期形成稳定的半农半牧经济结构.
参考文献：
[1] 周天军,满文敏,张洁.过去千年气候变化的数值模拟研究进展[J].地球科学进展,2009,24(5):469-476.
[2] Bradley R S,Alverson T R.Pedersen F.Challenges of a changing earth:Pastperspectives,future concerns//Alerson K R. Bradley T S,Pedersen F. Paleoclimate,Global Change and the Future.Berlin:SpringerVerlag,2003,163-167.
[3] 莫申国,张百平,程维明,等.2004.青藏高原的主要环境效应[J].地理科学进展,23(2):88-96.
[4] 孙亚芳.甘青地区全新世气候变化研究[D].兰州:兰州大学硕士论文,2008.
[5] 何奕忻,吴宁,朱求安,等.青藏高原东北部5000年来气候变化与若尔盖湿地历史生态学研究进展[J].生态学报,2014,34(7):1615-1625.
[6] 宋磊,强明瑞.更尕海现代碎屑物质粒度组成空间分异及其输入过程[J].第四纪研究,2010,30(6):1199-1208.
[7] 宋磊,强明瑞,郎丽丽，等.16kaBP共和盆地更尕海湖泊生产力演化历史[J].科学通报,2012,57(19):1763-1774.
[8] 李渊,强明瑞,王刚刚,等.晚冰期以来共和盆地更尕海碎屑物质输入过程与气候变化[J].第四纪研究,2015,35(1):160-171.
[9] 宋磊.晚冰期以来青藏高原东北部更尕海沉积记录的气候变化[D].兰州:兰州大学博士论文,2012.
[10]刘思丝,黄小忠,强明瑞,等.孢粉记录的青藏高原东北部更尕海地区中晚全新世植被和气候变化[J].第四纪研究,2016,36(2):250-256.
[11]Overpeck J T,Webb T II,Prentice I C.1985.Quantitative interpretation of fossil pollen spectra: dissimilarity coefficients and the method of modern analogs[J].Quaternary esearch,1985,338:87-108.
[12]Hu C Y,Henderson G M,Huang J-H,et al.Quantification of Holocene Asian monsoon rainfall from spatially separated cave records[J].Earth and Planetary Science Letters,2008,266:221-232.
[13]沈才明,唐领余.青藏高原全新世古季风变化的花粉证据[J].微体古生物学报,1996,389(2):368-378.
[14]刘兴起,沈吉,王苏民,王永波,刘卫国.晚冰期以来青海湖地区气候变迁受西南季风控制的介形类壳体氧同位素证据[J].科学通报,2006,51(22):2690-2695.
[15]程波.青藏高原共和盆地末次冰消期以来植被和环境变化研究[D].兰州:兰州大学博士论文,2006.
[16]Cai Y J,Tan L C,ChengH,et al. The variation of summer monsoon precipitation in central china since the last deglaciation[J].Earth and Planetary science letters,2010,291:21-31.
[17]Shang X,Li X Q,An Z S et al. Modern pollen rain in the lake Qinghai basin,China[J].Sci China Ser D-Earth Sci,2009,52(10):1510-1519.
[18]刘冰,靳鹤龄,孙忠,等.末次盛冰淇以来青藏高原东北部共和盆地冬夏季风演化记录[J].中国沙漠,2013,33(2):433-442.
[19]肖永明.青海史前农业的出现与土著人群生存方式的改变[J].农业考古,2013,6:21-28.
[20]巩启明.从考古资料看仰韶文化的社会组织及社会发展阶段[J].中原文物,2001,5:33-35.
[21]乔虹,青海史前农业考古研究探析[J].柴达木开发研究,2014,2:26-29.
[22]Dong G H,XinJ,An C B,et al. Mid-Holocene climate change and its effect on prehistoric cultural evolution in eastern Qinghai Province,China[J].Quaternary Research,2012,77(1):25-29.
[23]贾鑫,陈发虎,董光辉.青海省东北部地区新石器——青铜时代文化演变过程与植物遗存研究[D].兰州:兰州大学硕士学位论文,2012.
[24]叶茂林.齐家文化农业发展的生态化适应:原始草作农业初探——以青海喇家遗址为例[J].农业考古,2015,6:19-27.
Precipitation construction and human activities in the northestern Tibet plateau
Abstract：The natural environment of the northeastern margin of the Qinghai-Tibet Plateau (QTP) has always been sensitive to the global climate changes, it is therefore the precipitation reconstruction of the Middle and Late Holocene will be significant to the study of the past global changes.This paper focuses on the area of the northeastern margin of the QTP.The research data comprises the data of modern surface pollen, fossil pollen,and modern meteorology. The research methods include GIS and modern analog technique.The research results in the reconstruction of the precipitation series of the Middle and Late Holocene in centurial high resolution records. The results show that the precipitation series of that particular time period can be divided into four phases, which namely are 6.3～5kaBP(the typical moistphase,the corresponding precipitation was sufficient and reached the maximum value of 465mm at 6.09kaBP, which is around 210mm higher than that of the modern time); 5～3.9kaB(the sub-humid phase,the average precipitation was about 65mm higher than it of the modern time and was going down undulated); 3.9～2.9kaBP (the fluctuation phase, with the precipitation decreased sharply about 79mm compared with the previous phase);The average precipitation was equivalent to it of the modern time since the 2.9kaBP,with as lightly fluctuation. Six significant wet and dry events are detected as to the whole period, with the main wet events at 6kaBP,4.1kaBP and 1.6kaBP, and the dry events at 4.9kaBP,3.8kaBP, and 2.8kaBP.There is a close relationship between precipitation changes and vegetational evolution,human activities.
Key words:northeast margin of Qinghai-Tibet plateau; modern analog technique;precipitation series;vegetational evolution;human activities
基金项目：国家自然科学基金项目(41550001)资助，青海省科技厅自然科学基金项目(2017-ZJ-903).
收稿日期：2017-06-10
中图分类号：K903
文献标识码：A
文章编号：1001-7542(2017)03-0054-07