辽东湾北部JXC-1孔孢粉组合特征及其古环境意义

王忠蕾，李 杰，胡 刚，梅 西，窦衍光，孟祥君

（1.青岛海洋地质研究所/2.崂山实验室海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室，山东 青岛 266237）

通过第四纪全球气候变化研究预测未来气候变化已成为科学界和社会公众关注的热点[1-3]。孢子和花粉由于其个体小、易于保存而成为第四纪植被发展史和第四纪古气候、古环境研究的重要手段之一[4-7]。渤海地区的孢粉记录研究多集中于表层沉积物[6,8-9]、全新世以来[10-12]或者晚更新世以来的沉积地层[13-17]，相对长时间尺度的孢粉记录研究较少[7,18]。通过对孢粉组合分析，认为沉积物孢粉组合反映了渤海及其周边区域的自然环境面貌，能够揭示晚更新世来古气候和古植被的演变过程[8,13,15]。另外，部分学者提出，晚更新世冰期期间，渤海海底裸露，陆架沉积被改造，呈沙漠化现象[19]。海域沉积地层孢粉记录可以很好验证上述观点。

辽东湾是我国纬度最高的海湾，海域地层沉积记录对气候变化和海平面变化响应敏感。近年来，针对辽东湾晚第四纪古环境方面，已有一些科研成果[20-22]。渤海及周边海湾的首次海侵时间存在不同观点，时间范围集中在0.89～1.0 Ma[23-24]，形成统一认识仍需要更多钻孔深化认识。晚更新世以来渤海开始出现大规模海侵，在第二次海侵的时间方面存在MIS3时期[23,25]和MIS5时期之争[20-21]，也需要更多资料加以验证。孢粉学在古环境研究方面具有独特优势，但在辽东湾地区较长时间尺度孢粉记录及其古环境研究尚未见相关报道，中-晚更新世以来沉积环境演化研究相对薄弱。YKC-2 孔底界年龄仅为150 ka，作者主要利用海相植物孢粉对海相层进行辅助分析，孢粉学及其环境意义未深入研究[26]。本研究以辽东湾北部JXC-1孔为研究对象，利用1.2 Ma 以来孢粉资料，结合测年数据，对比有孔虫丰度和粒度参数等环境指标，重建研究区早更新世晚期以来的植被和气候变化过程，且为该地区晚第四纪古环境研究和渤海陆架“沙漠化”过程等研究提供新资料。

1 研究区概况

辽东湾是渤海最大的海湾，湾内大部分区域水深小于30 m，仅辽中洼地超过30 m[27]。辽东湾位于中纬度温带季风气候区，受海洋影响较大，多年平均气温10.7 ℃，年平均降水量为550～630 mm。湾内波浪以风浪为主，波向受季风交替影响；潮汐为规则半日潮，最大潮差2.8 m[27]。湾内环流主要受黄海暖流余脉及沿岸流影响，除夏季某些年的个别月份外，湾内环流按顺时针方向流动[28]（图1）。周边河流包括六股河、大凌河、小凌河、辽河和大辽河等，河流输入物质对湾内海底沉积物贡献占主导地位[27,29]。河流输入物质的扩散主要受到潮流和环流等海水动力条件影响[30-31]。

图1 辽东湾北部JXC-1孔地理位置Fig.1 Location of JXC-1 borehole in the northern of Liaodong Bay

晚新近纪以来受庙岛古隆起的阻挡，渤海发育“古湖”，海水沉积厚层河湖相地层。第四纪以来，随着庙岛古隆起的解体和全球海平面上升，海水入侵“渤海古湖”，现代渤海陆架开始出现海相沉积记录[32-35]。

受陆缘植被影响，辽东湾入海河流冲积物孢粉组合中，桦木属、栎属花粉以及中华卷柏属植物孢子含量相对较高。辽东湾近岸沉积物中较高比例的草本花粉［如藜科（Chenopodiaceae）、禾本科（Poaceae）、蒿属（Artemisia）、莎草科（Cyperaceae）和香蒲属（Typha）等］与近岸盐生沼泽湿地、平原区人类种植作物及河流湖泊周边大量的水生植物密切相关[36]。

2 材料与方法

2.1 钻孔采集

JXC-1 孔（40°24ʹ43.38″N、121°03ʹ23.37″E，水深约22 m）位于辽东湾北部（图1），由青岛海洋地质研究所于2016 年9 月利用“勘407 轮”采集。JXC-1 孔进尺（海底以下）70.3 m，有效样品共72 管，岩芯总长62.68 m，平均取芯率达89.2%。

2.2 岩性及年代框架

岩心剖面以灰色-深灰色粉砂、细砂为主，不同深度层位岩性特征变化显著（表1）。根据岩性特征变化（表1）、粒度参数、加速器同位素质谱（AMS）14C和光释光测年、古地磁交变场退磁和底栖有孔虫鉴定分析结果，建立钻孔地层年代框架[21]（图2），具体测试方法、取样间隔和数据分析参考文献[21]。JXC-1 孔底界年龄约为1.2 Ma，中更新世底界（0.78 Ma）大约位于45.18 m。对比全球海平面变化曲线，第二海侵层（自上而下）中6.42 m 处有效光释光年龄为（75.3 ± 6.4）ka，推测该海侵层发生于MIS5，其底界为中更新世和晚更新世的界线。根据测年数据以及区域海平面变化和钻孔沉积环境特征，推测晚更新世（12.8 ka）底界埋深为11.60 m。

表1 JXC-1孔不同沉积单元岩芯岩性Table 1 Lithology of different sedimentological units of JXC-1 borehole

图2 JXC-1孔岩性特征及年代框架Fig.2 Lithology and chronological framework in JXC-1 borehole

2.3 孢粉鉴定分析

钻孔岩芯按40 cm 间隔选取159 个样品进行孢粉鉴定分析，在中山大学第四纪环境分析测试实验室完成。每个样品称取10～30 g，采用常规酸碱处理和重液悬浮法进行孢粉实验提取[4,39]。孢粉薄片鉴定在Nikon光学显微镜60倍的物镜或100倍油镜下进行，多数样品孢粉统计数大于200 粒。在鉴定过程中，主要参考文献[40-42]中的孢粉图片及形态描述，同时利用中山大学及国际合作实验室的现代孢粉数据库及现代玻片的镜下形态对比分析。孢粉百分比含量计算中，花粉百分含量以花粉总数为基数，蕨类孢子和藻类则以总孢粉统计数计算；采用外加石松孢子法计算孢粉浓度。

3 结果

钻孔孢粉种类丰富，包含71个属种，其中木本、草本孢粉较为丰富，藻类及蕨类含量整体较低，个别样品藻类含量较高。木本花粉中阔叶树种主要有栎属（Quercus）、栗属（Castanea）、鹅尔枥属（Carpinus）、榆属（Ulmus）、麻黄属（Ephedra)、枫香属（Liquidambar）、桦木属（Betula）、胡桃属（Juglans）、桤木属（Alnus）、大戟科（Euphorbiaceae）、胡颓子科（Elaeagnaceae）、漆树科（Anacardiaceae）、榛属（Corylus）、蔷薇属（Rosa）、鼠李科（Rhamnaceae）、桑科（Moraceae）等，裸子植物花粉以松属（Pinus）、铁杉属（Tsuga）为主。草本花粉主要有禾本科、藜科、蒿属、蓼属（Polygonum）、菊科-刺型（Asteraceae）、十字花科（Cruciferae）、唇形科（Labiatae）、茄科（Solonaceae）、蒲公英属（Taraxacum）、伞形科（Umbelliferae）、毛茛科（Ranumculaceae）以及湿生的莎草科，还有水生植物的香蒲属等。阴生蕨类植物孢子主要为单缝孢子类及三缝孢子类等。藻类孢子主要有刺球藻（Baltisphaeridium）、环纹藻（Concentricystes）、盘星藻（Pediastrum）、双星藻（Zygnema）等。根据孢粉科属组成和百分含量绘制孢粉图谱，整个钻孔从老到新依次划分为9 个孢粉带（图3），各带的孢粉组合主要特征描述见表2。

表2 JXC-1孔孢粉带主要孢粉组合特征Table 2 The main pollen assemblage in the different zones in JXC-1 borehole

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

4 讨论

4.1 JXC-1孔揭示的古环境变化

第四纪以来气候波动频繁，辽东湾在此期间整体处于沉降阶段，钻孔离岸距离相对较近，其沉积的孢粉组合特征总体上可反映孢粉源区的植被组成，体现气候变化。整个剖面以草本为主，推测沉积物中孢粉组合与陆缘区植被密切相关，孢粉的远距离传播因素可以忽略。该钻孔样品分辨率较低，且近岸沉积环境复杂，综合孢粉谱、岩性变化和沉积学特征进行了古环境重建（图4）。

图4 JXC-1孔孢粉浓度、孢粉组占比综合分析Fig.4 Integrated column of pollen concentrations and percentage from JXC-1 borehole

4.1.1 海域孢粉传播影响因素 海洋沉积孢粉的分布规律及传播机制是地层孢粉解译的前提。研究[6,14,44]认为，海洋沉积物孢粉受传播方式差异的影响较大，其中草本花粉主要由水流携带进入海洋，传播距离较短，主要沉积于海洋近岸区域；而木本花粉传播入海主要受风力和水流共同作用，阔叶树种花粉含量呈现向海增加后减少的趋势，针叶树种尤其是松属花粉易于在空气中远距离传播，其含量在较深海域含量高。此外，研究区植被变化是海洋沉积孢粉种类的决定性因素，研究[13,15,18]显示，晚更新世以来渤海海洋物沉积孢粉主导组分随区域植被周期性变化而变化。

4.1.2 早更新世晚期至中更新世晚期古环境变化JXC-1 孔年代框架和沉积学特征均显示，钻孔底部至16.8 m 为早更新世晚期至中更新世晚期沉积地层，16.8 m 至钻孔顶部为中更新世晚期以来的海陆交互相沉积[21]。基于已有研究基础，早更新世晚期至中更新世晚的古环境具体分析如下。

Ⅹ带岩性以深灰色粉砂为主，下部黏土组分含量较高，上部（62.00 m 左右）有红色锈斑层，可能由水位下降导致沉积环境由还原向氧化转变。蒿属、禾本科花粉含量较高，湿生植物莎草科和水生植物花粉香蒲属有一定含量，盘星藻含量在全孔中含量最高，木本花粉有一定含量（图4）。孢粉组合特征指示此阶段气候整体温暖湿润湿，该带下部可能发育了湖泊或沼泽湿地。

Ⅸ带沉积物粒度较X 带变粗，平均粒径在3～7Φ之间剧烈变化，未发现化石孢粉，可能是冷干气候条件下，湖泊退缩，研究区河流发育，沉积动力强，不利于孢粉沉积保存。

Ⅷ带下部沉积物粒度较细，往上逐渐变粗。红色锈斑层（37.5 m左右）出现在该带以上。该段阔叶类花粉含量从下往上逐渐下降，与X 带相比湿生植物莎草科、香蒲属花粉含量显著上升，蕨类孢粉含量的增加，盘星藻含量有所下降。综合岩性、沉积学和孢粉含量变化，说明该带从下至上，温度呈下降趋势，湿度较Ⅹ带有所增加。推测该带为湖泊相沉积环境，向上水位开始下降，并逐渐向河流相转变。

Ⅶ带下部为粉砂质泥，向上逐渐变为灰色细砂，粒度变粗，孢粉含量为零，指示冷干气候条件下的河流相沉积环境。

Ⅵ带孢粉组合中蒿属、藜科含量较Ⅶ带明显增加，禾本科、莎草科和香蒲属以及木本类花粉含量则降低，推测此阶段气候比Ⅶ带较为温湿，但不及Ⅷ带。结合岩性特征，推测该带为河漫滩相，与Ⅶ带组成河流“二元结构”。

Ⅴ带与Ⅶ带相似，推测为河流相沉积。

前人利用钻孔对渤海中部及辽东湾、渤海湾和莱州湾的古环境进行研究，发现渤海湾南部（黄河三角洲地区）早更新世主要为淡水湖泊及河流环境，而中更新世主要为平原河流环境[45]。JXC-1 孔剖面孢粉组合特征、粒度和有孔虫丰度变化共同指示，早更新世晚期至中更新世晚期，受全球气候间冰期-冰期交替的影响，辽东湾此阶段气候呈温湿-冷干交替。在早更新世晚期至中更新世（MMB 位于45.18 m）早期，辽东湾主要发育湖泊相沉积，其间有河流相地层发育；中更新世中期和晚期，与区域沉积环境一致，辽东湾主要发育河流相沉积。

4.1.3 中更新世晚期以来的古环境 0.3 Ma 庙岛古隆起的解体是渤海陆架开始形成的重要标志，从此开始发生较大规模海侵。根据岩性和测年数据，推测JXC-1 孔最上部1.78～0 m 为全新世以来的沉积（11 ka B.P.以来）（图2），3.60～1.78 m 为MIS4～MIS3 时期的沉积地层，缺失MIS2 时期沉积地层。16.8～3.60 m 则依次发育MIS7～MIS5 时期沉积地层。结合沉积岩性、粒度及有孔虫特征，推测孢粉带IV至孢粉带I对应MIS7以来的沉积，即大规模海侵发生以来的沉积地层。

YKC-2 孔位于JXC-1 孔东侧[26]，水平距离约46.7 km，主要沉积了MIS6时期以来的地层，其孢粉组合对海平面变化和沉积环境有很好的指示意义。根据上述研究结果，研究区中更新晚期以来的植被和气候环境变化分析如下。

Ⅳ带孢粉浓度不高，孢粉组合以草本为主导，其中蒿属、禾本科、湿生莎草科、香蒲属等含量较高；木本含量较低，主要包括阔叶树种栎属、榆属、桦木属和榛木属，伴有零星松属，蕨类中出现一定含量的单缝孢。推测辽东湾陆缘区湖沼广布，山地发育阔叶落叶混交林，气候暖湿。该段岩性为砂质粉砂，粒度偏粗，底栖有孔虫丰度较大，且发育水平层理，推测研究区当时可能为水深较浅、水动力较弱的潮坪环境。根据地层年代框架，推测为MIS7时期海相沉积环境。

Ⅲ带岩性为砂质粉砂，较适宜于孢粉沉积，然而孢粉浓度极低，可能此阶段为MIS6 气候干冷期。YKC-2孔该阶段同样花粉含量极少[26]。

Ⅱ带主要为MIS5 时期的沉积地层，可以划分为3 个亚带。Ⅱ1带（12.32～7.88 m）孢粉浓度较高，孢粉组合中以草本占绝对主导，其中蒿属、藜科含量高（＞60%），禾本科、莎草科及香蒲属占一定含量。木本和蕨类含量低，木本中阔叶落叶树种榆属、桦木属、榛木属等占一定含量，伴有零星的松属、栎属、卫矛科、大戟科和胡桃属等。结合辽东湾现代表土孢粉研究，其结果显示近岸海域孢粉组合以草本为主导，其中蒿属、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；木本中以松属（约15%）、栎属（＜10%）、桦木属（＜10%）为主，并伴有少量鹅耳枥属、榛木属、榆属等，以及零星的亚热带树种[35,45]。考虑JXC-1 孔位置，推测此阶段气候条件与现在类似，气候暖湿。该段岩性主要为粉砂，有孔虫丰度较高，且出现有孔虫的地层厚度较大，根据年代框架，认为MIS5.5-MIS5.3时期研究区处于海相沉积环境。Ⅱ2带（7.88～6.12 m）岩性为中砂至粉砂，粒度较下部更粗，不适合孢粉沉积，孢粉浓度偏低，推测可能为短暂的低海平面时期（MIS5.2）。Ⅱ3带（6.12～3.12 m）岩性主要为粉砂，孢粉浓度较高。孢粉组合以草本为主，其中蒿属、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、桦、榛木为主，伴有一些大戟科和胡桃属，并出现淡水环境的盘星藻。孢粉组合总体显示温湿的气候类型，从下至上（地层从老到新）孢粉含量呈下降趋势，可能与气候波动有关。较II1亚带，生长于海岸带滩涂的盐碱植物藜科含量减少，淡水湿生莎草科增加，喜凉松属增加，推测此阶段气候凉湿，海平面较II1亚带有所下降，可能为MIS5.1时期相对高海平面期。其间陆缘区河口处潮下带盐沼分布面积缩减，潮上带低洼处分布有湖沼植被，山地生长针阔混交林。YKC-2 孔MIS5 时期沉积地层厚度较大，沟鞭藻和刺球藻与底栖有孔虫丰度垂向变化趋势一致，指示MIS5.5-MIS5.3 时期海平面相对较高，为滨海相，而MIS5.2-MIS5.1 时期地层缺失[26]，与JXC-1孔研究结果基本一致。

I 带（3.12～0 m）岩性主要为粉砂，孢粉浓度较低。孢粉组合以草本为主，主要有禾本科、蒿属，此段顶端一个样品，藜科花粉出现峰值；木本中主要有栎属、榆属、桦属、大戟科和胡桃属等。推测较早阶段陆缘区分布有较大面积的芦苇（禾本科）湿地，气候凉湿；之后气温升高，海平面上升，潮下带开始发育以禾本科、碱蓬（藜科）为主盐沼湿地，气候温湿。根据钻孔地层年代框架（图2），该段发生于末次冰期（MIS4-MIS1），孢粉浓度总体较低，孢粉组合与全球海平面变化大致吻合。该段早期气候凉湿主要为MIS4-MIS3时期，由于盛冰期（MIS2）地层缺失，孢粉组合指示海平面上升期为MIS1 时期。该带对应了YKC-2 孔上部两个孢粉带[26]，两者沉积环境基本一致，但YKC-2 孔该段沉积地层厚度达到18.42 m，两个钻孔地层沉积厚度差异较大，研究发现主要由新构造运动和物源差异所致[22]。

中更新世晚期以来，JXC-1 孔孢粉总浓度比陆相期（早更新世晚期至中更新世晚期）有明显下降，与前人对海相沉积物孢粉浓度与陆相沉积物孢粉浓度对比研究的结果较为一致[6,14,46]，符合海洋沉积物孢粉组合的特征。松属和阔叶木本花粉含量比陆相期含量也有明显下降，这与海洋沉积孢粉的传播机制有关，JXC-1孔位于辽东湾西部，草本花粉在近岸海区代表性高，且仅是一孔之见，因而与前人对海洋沉积物孢粉含量向海增加后减少[6,14,46]的认识不相符。利用元素地球化学开展物源示踪研究结果显示，海相期沉积物可能受辽东湾逆时针海流控制，主要来自黄河[21]，推测JXC-1孔海相期松属和阔叶木本花粉含量变化的区域差异性也可能主要由研究区的物源变化所致。

4.2 孢粉组合特征对海平面变化的响应

第四纪以来，海平面随全球气候冰期-间冰期交替变化发生海退或海进，在沿海平原和浅海陆架保留了海退和海进的沉积记录[27]。渤海从中更新世晚期开始，于MIS7、MIS5 和MIS1 时期发生大规模海侵[20-21,24,32-33]。进入末次冰期以来（MIS4），该区气候逐渐变冷，至盛冰期（MIS2）主要沉积了河流相、三角洲平原相或湖泊相地层。约11 ka B.P.，气候急剧升温，末次冰期结束，进入冰后期（MIS1），约8.5 ka B.P.开始海水淹没辽东湾地区[27]。响应气候及海平面的变化，陆缘区植被也对应发生变化，且孢粉组合中的优势种属在一定程度上可反映海陆环境的演变趋势。

前人研究[8,13,15]发现渤海及周边区域中更新世以来气候寒冷略湿、温湿，到晚更新世转为寒冷较干，早全新世变为湿干，中全新世至晚全新世气候温和湿润。结合JXC-1孔岩性、有孔虫丰度和年代框架，通过孢粉图谱可以看出，整个钻孔沉积物孢粉以蒿属和藜科草本花粉占主导，与近岸盐碱滩地分布大量蒿和藜紧密相关；且伴随有湿生的莎草科和水生的香蒲属花粉，可能整体沉积环境靠近有水地区。中更新世晚期之前，研究区位于“渤海古湖”的范围，孢粉组合随着古湖水位的高低发生变化，反映气候总体呈温湿-冷干交替的过程。中更新世晚期辽东湾开始发生较大规模的海侵，主要沉积孢粉带I至孢粉带VI，中间出现孢粉含量为零的层位，可能与低海平面陆架沙漠化过程有关[19]。JXC-1 孔孢粉组合与邻近的YKC-2 孔孢粉组合揭示的沉积环境总体较为一致。海侵发生以来水深一般较浅，离岸较近，木本植物花粉以松属和落叶栎为主，与近岸山地分布有以赤松、油松、辽东栎和麻栎为主的针阔叶混交林或阔叶落叶林植被分布相关[14]。木本植物花粉较陆相地层呈减少的趋势，这与孢粉在海域的传播保存机制有关[6,14,42,47]。在MIS7 和MIS5 时期海相沉积阶段，其环境及孢粉组合特征与现今类似[46]，且由于近岸海域沉积草本花粉具有超代表性，孢粉中草本蒿属、藜科含量超过50%，木本中以松属和栎为主，这与现代辽东湾陆缘区山地发育针阔混交林，近岸发育盐沼湿地相一致；MIS7 阶段莎草科和香蒲属出现高值，对应海岸地区湿地的扩张，也可指示海平面的快速上升[48]。低海平面时期（MIS6和MIS4）孢粉浓度极低，与气候冷干相呼应。全新世（MIS1）时期，孢粉组合指示气温先升后降的变化趋势与海平面变化响应明显。

5 结论

通过对1.2 Ma以来JXC-1孔沉积物孢粉组合特征分析，早更新世晚期至中更新世主要发育陆相沉积环境，包括河流相和湖泊相。在冰期，多发育河流相地层，间冰期则多发育湖泊相地层。中更新世末期以来辽东湾经历了3 次高海平面过程，与孢粉组合指示的气候变化趋势一致，MIS7和MIS5时期，阔叶树种和蒿属比例相对较高，有孔虫丰度较高，气候偏暖，属沉积动力相对稳定的浅海或滨海环境；而MIS6 和MIS4 时期，孢粉浓度极低，气候偏冷，属沉积动力相对复杂的滨岸湖泊或沼泽等陆相环境。MIS3 时期至全新世（MIS1）时期，气候由凉湿向温湿转变。全新世孢粉组合指示气温先升后降的变化趋势，与海平面变化响应明显，指示浅海相沉积环境。