引用本文
沈巍, 许清海, 李建勇, 李曼玥, 张攀攀, 卢静瑶. 山区小流域花粉植被土地利用的关系:定量检测人类活动对环境的影响. 地球科学进展, 2017, 32(9): 972-982
Shen Wei, Xu Qinghai, Li Jianyong, Li Manyue, Zhang Panpan, Lu Jingyao. Relationship of Pollen-Vegetation-Land Use in Small Watersheds of Mountain Area: A Tentative Study of Quantitative Detecting Human Activities on Environment. Advances in Earth Science, 2017, 32(9): 972-982  
Doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2017.09.0962
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山区小流域花粉植被土地利用的关系:定量检测人类活动对环境的影响
沈巍1, 许清海2,*, 李建勇3, 李曼玥1, 张攀攀2, 卢静瑶2
1.河北师范大学泥河湾考古研究院,河北 石家庄 050024
2.河北师范大学资源与环境科学学院, 河北 石家庄 050024
3.中国科学院地球环境研究所,陕西 西安 710075
*通信作者:许清海(1950-),男,河北石家庄人,教授,主要从事孢粉学与环境演变的研究.E-mail:xuqinghai@hebtu.edu.cn

作者简介:沈巍(1988-),男,浙江苍南人,硕士研究生,主要从事孢粉学与环境演变的研究.E-mail:linghuizi@gmail.com

基金:国家自然科学基金项目“基于花粉产量定量重建我国6 ka以来的土地覆被(1°×1°)变化”(编号:41630753); 中瑞NSFC-STINT合作基金项目“基于花粉的8000年以来中国北温带地区人类活动引起的土地覆被变化对气候模拟的影响”(编号:41611130050)资助
摘要

随着全球气候变化研究的深入,以及多种气候系统敏感性模拟,人们越来越认识到人类活动可能是驱动历史时期气候变化的重要因素之一。因此,自21世纪开始,土地覆被变化(Land Cover Change)成为全球气候变化研究和气候模拟的核心和热点。而建立花粉—植被—土地利用的关系可能是定量检测人类活动对自然环境影响的有效途径之一。为此,在石家庄西部太行山区选择了2个小流域,利用拦水坝汇水流域的土地利用状况和花粉组合特征,建立了小流域花粉植被土地利用的定量关系。流域内花粉组合既有自然植被成分,也有农作物花粉类型,较好地反映了流域内花粉—植被—土地利用的关系;随着海拔高度降低,农田面积不断增加,人类活动强度逐渐增大,谷物及蔬菜类花粉也逐渐增多,花粉百分比与土地利用回归分析表明,谷物和蔬菜类花粉百分比与农田面积呈线性正相关,对人类活动具有明显的指示意义。

关键词: 太行山; 小流域; 花粉—植被—土地利用
中图分类号:P96 文献标志码:A 文章编号:1001-8166(2017)09-0972-11
Relationship of Pollen-Vegetation-Land Use in Small Watersheds of Mountain Area: A Tentative Study of Quantitative Detecting Human Activities on Environment
Shen Wei1, Xu Qinghai2,*, Li Jianyong3, Li Manyue1, Zhang Panpan2, Lu Jingyao2
1.Institute of Nihewan Archaeology, Hebei Normal University, Shijiazhuang 050024, China
2.College of Resources and Environment Science, Hebei Normal University, Shijiazhuang 050024, China
3.Institute of Earth Environment, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710075, China
*Corresponding author:Xu Qinghai(1950-), male, Shijiazhuang City, Hebei Province, Professor. Research areas include palynology and paleo environment.E-mail:xuqinghai@hebtu.edu.cn

First author:Shen Wei (1988-), male, Cangnan County, Zhejiang Province, Master student. Research areas include palynology and paleoenvironment.E-mail:linghuizi@gmail.com

Fund:Project supported by the National Natural Science Foundation of China “Quantitative reconstruction of land cover (1 ° × 1 °) from 6 ka in China based on pollen productivity”(No.41630753); The Natural Science Foundation of China-STINT Mobility Project Sweden-China “Effects of land cover change on climate simulation caused by human activities in north China’s temperate zone since 8000 years based on pollen data” (No.41611130050)
Abstract

With the progress of study on global climate change and the sensitivity simulation of various climate systems, human activities might be one of important factors driving climate change in historical periods. Therefore, since the beginning of this century, Land Cover Change has become the currently hot topic of global change research and climate simulation. The establishment of pollen-vegetation-land use relationship may be one of the effective ways to obtain quantitative estimates of human impact on natural environment. Therefore, in the Taihang Mountains,two small watersheds were selected to detect the relationships quantitatively among pollen, vegetation and land-use of small watershed by using pollen data. There are natural vegetation components and crop pollen types in pollen assemblages, which well reflect the relationships among pollen, vegetation and land-use in small watershed. As altitude decreases, the area of farmland, the intensity of human activities and the cereal, vegetable pollen percentages increases. The regression analysis of pollen percentages and land-use indicate that a linear positive relationship exists between the percentages of cereals, vegetables pollens and the area of farmland, which has a significance for human activities.

Keyword: Taihang Mountains; Small watershed; Pollen-vegetation-land use.
1 引言

全球变化研究的目的是理解和描述地球系统过去、现在和未来的运行机制和变化规律, 提高预测和评估未来全球变化和社会发展的能力, 随着全球气候变化研究的深入以及多种气候系统敏感性模拟, 人们逐渐认识到人类活动对气候和自然环境的影响(人类砍伐森林和土地利用变化对气候的反馈)可能是驱动历史时期气候变化的重要因素之一, 因此, 自20世纪90年代起, 确切地说, 从21世纪开始, 土地覆被变化(Land Cover Change)备受关注, 成为全球变化研究和气候模拟的核心和热点[1, 2]。孢粉分析作为古环境代用指标之一, 在定量重建古植被、古气候方面有着不可替代的作用[3~7]。

但是前人研究多聚焦于人类活动影响较小的环境变化, 对人类活动产生的环境效应涉猎较少。然而, 全新世植被类型和盖度的时空变化是自然环境和人类活动共同作用的结果, 特别是历史时期以来, 人类活动对环境的影响程度和范围日益增加, 地表景观变化深刻地记录了人类活动的烙印, 故而许多科学家提出了“ 人类世(Anthropocene)” 的概念[7, 8], 目的在于强调人类活动对全球环境的影响。研究现代人类活动对植被影响的范围和强度, 有助于认识和理解历史时期人类活动对环境的影响, 为应对未来环境变化提供现代过程依据。目前建立的花粉— 植被的定量关系是基于孢粉的风媒传播机制建立的孢粉扩散沉积模型[9], 而我国多数湖泊多有河流注入, 其花粉散布沉积机制显然与风动力花粉传播沉积不同。为此, 在石家庄西部太行山区选择了2个小流域, 流域内既有自然植被(林地、草地), 又有人工植被(农田), 从高海拔的山区上游至下游的平原, 沟谷内还分布着许多20~30年当地农民为截留上游汇水用于灌溉农田所建的小拦水坝。拦水坝是汇水区植被所产花粉的收集器, 是研究汇水区花粉组合与土地利用(农田)关系的理想对象。本文试图利用拦水坝汇水流域的土地利用状况和花粉组合特征, 建立小流域花粉— 植被— 土地利用的定量关系。

2 研究区域概况
2.1 研究区域自然地理概况

研究区位于河北省石家庄西部太行山区平山县境内的驼梁山和赞皇县境内的棋盘山2个山区小流域(图1)。驼梁山流域位于113° 42'10″~ 113° 50'45″E, 38° 33'15″~ 38° 45'32″N, 海拔564~1 583 m, 面积1.6× 102 km2; 棋盘山流域位于114° 6'10″~ 114° 10'2″E, 37° 36'17″~ 37° 38'42″N, 海拔436~788 m, 面积1.2× 102 km2。研究区气候属温带大陆季风气候, 四季分明。据平山县和赞皇县气象站数据, 2个研究区年平均气温12.6~13.2 ℃, 1月平均气温-2.6~4.7 ℃, 7月平均气温26~26.4 ℃, 年均日照时长2 563~2 852 h; 年均降水量450~550 mm, 主要集中在7~8月。

研究区自西向东依次分为中山、低山和丘陵区。中山区海拔1 000~2 281 m, 山体坡度较陡, 多大于30° , 沟谷多呈V字型, 开阔宜耕土地较少。低山区海拔500~1 000 m, 山体坡度变缓, 多在25° 左右, 沟谷变宽, 开阔宜耕土地增加, 但土层较薄, 质地较粗, 砾石含量高。丘陵区海拔100~500 m, 山体形态浑圆或多呈岗状, 河谷宽阔, 河流阶地发育, 耕地增多。但流域内总体上土层较浅薄, 农田仅分布在沟谷之中。

2.2 研究区植被概况

石家庄西部太行山区自然植被以落叶阔叶林占主要地位, 但由于人类活动长期的开发利用, 自然植被遭到严重破坏, 出现大量次生植被和灌木草丛, 甚至祼地。海拔在800 m以下, 地势比较平坦, 人类活动干扰非常明显。村庄附近多为农田, 主要种植小麦(Triticum aestivum)、高梁(Sorghum vulgare)、玉米(Zea mays)、甘薯(Ipomoea batatas)、大豆(Glycine max)、马铃薯(Solanum tuberosum)、棉花(Gossypium hirsutum)以及其他粮豆作物。菜地主要种植黄瓜(Cucumisativus)、南瓜(Cucurbita moschata)、番茄(Lycopersicum esculentum)、菜豆(Phaseolus vulgaris)、辣椒(Capsicum frutescens)、油菜(Brassica campestris)、白菜(Brassica pekinensis)、萝卜(Raphanus sativus)、胡萝卜(Daucus carota)、葱(Allium fistulosum)等。此外, 村庄和道路两旁散生有杨(Populus)、柳(Salix)、榆(Ulmus)、臭椿(Ailanthus ltissima)和泡桐(Paulownia fortunei)等树种。海拔800~1 500 m, 灌丛植被为优势, 主要种类包括荆条(Vitex negundova)、小叶鼠李(Rhamnus parvifolia)、毛榛子(Corylus mandshurica)、黄栌(Cotinus coggygria)、锦带花(Weigela florida)、大花溲疏(Deutzia grandifiora)等。1 500~2 000 m为针阔叶混交林, 主要由华北落叶松(Larix principis-rupprechtii)、白桦(Betula platyphylla)、栓皮栎(Quercus variabilis)、辽东栎(Quercus wutaishanica)、椴树(Tilia)、山杨(Pobulus davidiana)等构成。海拔2 000 m以上为亚高山草甸, 建群种以苔草(Carex siderosticta)为主[10, 11]。

图1 驼梁山和棋盘山流域土地利用及采样点位置分布图
TL.驼梁山; QP.棋盘山Fig.1 Location of the sediment samples and land use in the Tuoliang Mountain catchment and the Qipan Mountain catchment
TL. Tuoliang Mountain; QP.Qipan Mountain

3 材料和方法
3.1 田野工作和实验室分析

2010年5月, 在驼梁山和棋盘山两流域, 从上游至下游依次采集人工修建的小拦水坝(图2)静水处表层2 cm的沉积物样品, 进行孢粉分析, 以研究花粉— 植被— 土地利用的定量关系。其中驼梁山流域选取样点13个(TL1~TL13), 每个样点采集2个样品, 共26个样品。棋盘山流域选取10个样点(QP1~QP10), 其中5个样点(QP1, QP2, QP3, QP5, QP7)各采集样品3个; 4个样点(QP4, QP8, QP9, QP10)各采集样品4个; 1个样点(QP6)采样品5个, 两流域共采集样品62个。每个点采集2~5个样本, 是为了预防可能出现有的样品花粉较少, 也为了防止单个样本可能出现的偏差。

实验室花粉提取, 称取烘干后的沉积物样品20 g, 依照常规的酸碱、氢氟酸和重液浮选等步骤提取孢粉[11, 12]。花粉鉴定统计在Olympus BX-51型光学生物显微镜下, 参照“ 中国植物花粉形态” 以及河北师范大学泥河湾考古研究院孢粉实验室保存的现代植物花粉标准样片进行。每个样品至少鉴定统计孢粉500粒、载玻片4个, 统计石松孢子粒数。

图2 驼梁山流域(a)和棋盘山(b)流域的小拦水坝Fig.2 Examples of irrigation pools sampled for pollen in the Tuoliang Mountain catchment (a) and the Qipan Mountain catchment (b)

3.2 数据分析

将原始鉴定统计数据录入Microsoft Excel, 以计算孢粉百分比, 用Tilia软件绘制孢粉百分比图, 利用CONISS进行聚类分析[13]。研究区土地利用数据采用2007年09月12日30 m× 30 m分辨率的MODIS遥感影像, 按照刘纪远的土地利用覆被分类方法[14], 目视解译。用ArcGIS软件绘制土地利用类型图和采样点分布图。用SPSS11.5软件对孢粉数据和土地利用数据进行回归分析。

驼梁山流域林地面积占50.38%, 灌丛41.4%, 草地5.93%, 农田1.7%, 居住地0.5%, 采矿用地0.05%, 道路用地0.04%; 棋盘山流域林地面积65.83%, 灌丛27.94%, 草地3.74%, 农田1.57%, 居住地0.89%, 道路用地0.03%, 无采矿用地。

研究拦水坝花粉百分比和植被盖度的关系, 应计算每个拦水坝孢粉组合代表的植被空间范围, 即其相关花粉源区(Relevant Source Areas of Pollen, RSAP)[15]。但RSAP 被定义为由风媒传播, 而本研究拦水坝沉积的孢粉主要为流水搬运[16, 17]。因此, 拦水坝沉积的花粉应是采样点上游所有子汇水区植被产生的孢粉[18~21]。下游拦水坝需累加其上游所有拦水坝集水区的植被数据, 如TL1花粉百分比对应TL1子集水区的植被数据; 而TL2花粉百分比应对应TL2加TL1子集水区的植被数据, 池TL3花粉百分比对应TL3加TL2加TL1子汇水区的植被数据, 依次类推。

4 结果

驼梁山和棋盘山2个流域62个样品共鉴定出孢粉植物类型67个, 其中乔木花粉类型20个, 灌木花粉类型10个, 草木花粉类型33个, 蕨类孢子类型4个。以不同种属孢粉百分比为横坐标, 自上而下取样点的位置为纵坐标, 绘制花粉图谱。孢粉组合中, 乔木花粉百分比多在45%左右, 主要有松属(Pinus)、栎属、胡桃属(Juglans)、桦属、柳属、榆属(Ulmus)、杨属、椴属等; 灌木花粉百分比多在4.7%左右, 以胡颓子科(Elaeagnaceae)、蔷薇科(Rosaceae)、木犀科(Oleaceae)、麻黄属(Ephedra)、鼠李科(Rhamnaceae)、榛属(Corylus)和白刺属(Nitraria)等为主。草本花粉百分比多高于39%, 以蒿属(Artemisia)、藜科(Chenopodiaceae)、菊科(Asteraceae)、禾本科(Poaceae)和蓼科(Polygonaceae)等为主。蕨类孢子平均11.3%, 以中华卷柏(Selaginella sinensis)为主。草本植物花粉中包括一些农作物花粉, 主要有谷物禾本科(Cereal Poaceae)、十字花科(Brassicaceae)、豆科(Fabaceae)、茄科(Solanaceae)、伞形科(Apiaceae)和葫芦科(Cucurbitaceae)等(图3)。

驼梁山和棋盘山两流域植被以森林和灌木为主, 花粉组合也以乔木花粉占优势, 但灌木花粉含量较低。松属、蒿属和中华卷柏是流域主要花粉类型, 但随着海拔高度降低, 蒿属、藜科花粉逐渐减少, 而松属、中华卷柏孢子则逐渐增多, 说明松属、中华卷柏等乔木植物花粉和蕨类孢子在河水中被搬运得较远, 蒿属、藜科等草本植物花粉在河水中被搬运得较近, 河水对花粉存在分选作用。

根据样品聚类分析, 2个流域所有样点可分为A, B, C 3组。A组(TL1~TL4, QP1~QP3)对应流域上游人类活动影响相对较弱的无农田区域; B组(TL~TL6, QP4~QP5)对应流域中游人类活动干扰强度较低的过渡区域; C组(TL7~TL13, QP6~QP10)对应流域下游人类活动影响显著的区域(图4)。

A组:草本植物花粉含量较高(平均:驼梁山46.4%, 棋盘山 52.6%), 其中以蒿属花粉为主(平均:驼梁山24%, 棋盘山为28%); 乔木花粉类型含量稍低(平均:驼梁山为42%, 棋盘山为37%), 以松属花粉为主(平均:驼梁山为30.2%, 棋盘山为23.9%); 灌木花粉平均2.6%(驼梁山)和4.5%(棋盘山); 蕨类孢子平均8.7%(驼梁山)和5.5%(棋盘山); 出现少量谷物及蔬菜类花粉。

B组:以乔木花粉(平均:驼梁山为46%, 棋盘山为43%)为主; 草本花粉含量有所降低(平均:驼梁山为37%, 棋盘山为42%); 灌木花粉达流域内最高(平均:驼梁山为12.2%, 棋盘山为7.9%); 出现一定量谷物和蔬菜类花粉, 驼梁山谷物花粉为0.4%, 棋盘山为1.4%; 蔬菜类花粉驼梁山为5.3%, 棋盘山为3.4%。

C组:乔木花粉含量(平均:驼梁山为52%, 棋盘山为46%)至流域最高; 草本花粉降至全流域最低(平均:驼梁山为36.5%, 棋盘山为32.6%)。灌木花粉含量低于B组; 蕨类孢子含量达流域内最高(平均:驼梁山为15.8%, 棋盘山为15.2%); 谷物花粉也达流域内最高(驼梁山为1.8%, 棋盘山为2.1%); 蔬菜类花粉含量比B组有所降低(驼梁山为3.3%, 棋盘山为2%)。

图3 驼梁山流域和棋盘山流域沉积物样品孢粉百分比(%)Fig.3 Pollen diagrams (%) showing percentage values for the sediment samples in Tuoliang Mountain catchment (a) and Qipan Mountain catchment (b)

图4 谷物、蔬菜类花粉百分比与农田面积百分比的对比( (a), (b) ), 乔木、灌木和草本花粉百分比与植被盖度的对比((c)~(e))
灰色为农田面积或植被盖度, 黑色为花粉百分比; TL.驼梁山; QP.棋盘山Fig.4 Comparisons between pollen percentages and farmland proportions((a), (b)), pollen of aboreal, shrub, herb and vegetation civer((c)~(e))
The gray columns representfarmland and plant proportion, the back columns represent pollen percentage; TL. Tuoliang Moutain; QP.Qipan Mountain

5 讨 论
5.1 谷物与蔬菜类花粉对人类活动的指示意义

一般认为地层中出现较多的禾本科花粉, 特别是个体较大的禾本科花粉, 可能代表谷物花粉, 一定程度上反映农业或人类活动[8, 22]。Andersen[23]认为, 野生禾本科花粉个体和孔环直径较小, 雕纹较多变, 蓝盛银等[24]认为人工种植的禾本科花粉粒径多大于35 μ m, 孔径较大, 多具清晰的颗粒状雕纹, 而野生或杂草禾本科花粉粒径常小于35 μ m。根据前人研究, 将驼梁山流域和棋盘山流域花粉组合中出现的禾本科花粉分为2类:小于35 μ m的杂草类禾本科花粉, 36~110 μ m的谷物禾本科花粉。

沉积物花粉组合中还出现一些与人类种植蔬菜有关的花粉, 我们称其蔬菜类花粉, 以其与谷物禾本科花粉相区别。蔬菜类花粉, 主要指十字花科、蝶形

花科、茄科、葫芦科、伞形科等植物的花粉, 流域内河滩地上多种有油菜、芥菜、白菜等十字花科植物, 其花粉近球形至长球形, 大小为27(20~35)μ m× 23(15~30) μ m字花, 极面观三裂片状, 赤道面观圆形或椭圆形, 具3沟, 内外层明显等厚, 柱状层基柱发达, 与白菜、油菜、芥菜、萝卜的花粉形态特征相近, 故我们将其鉴定为十字花科蔬菜类花粉。沟谷的河滩和坡地上常见大豆、菜豆、绿豆、豇豆、扁豆、蚕豆、豌豆、落花生等蝶形花科植物, 我们鉴定的花粉多为长球形, 具3孔沟, 孔圆, 具网状纹饰, 与蝶形花科豆类植物花粉形态一致。茄科植物多见马铃薯、茄子、番茄、辣椒、枸杞等, 其花粉形态多为长球形至扁球形, 具3孔沟, 大小26(22~30)μ m × 30 (20~35)μ m, 内孔横长, 明显, 外壁为条纹或细网状纹饰, 与现代茄科植物花粉形态一致。葫芦科植物主要有南瓜、北瓜、西葫芦、丝瓜、西瓜、黄瓜、甜瓜等; 其花粉形态多长球形或近球形, 花粉大小不一, 个体较大, 多具3孔沟或3孔, 柱状层明显, 外壁为细网或粗网状纹饰, 与葫芦科瓜类植物花粉形态一致。伞形科花粉包括茴香、胡萝卜等蔬菜类植物, 可能也包括当归、川芎、独活、柴胡、防风等一些野生植物[25, 26] 。

驼梁山和棋盘山2个流域上游地区(TL1~TL4, QP1~QP3)没有农田分布, 但沉积物花粉组合中仍然出现少量谷物和蔬菜类花粉(平均1.3%), 这可能与山区上升气流搬运花粉有关[27, 28]。流域中游除谷物禾本科花粉之外的蔬菜类花粉含量最高(驼梁 5.3%, 棋盘山 3.4%), 可能与中游单块农田面积较小, 分布零星, 比较适宜种植白菜、芥菜、西兰花、萝卜、辣椒、西红柿、土豆, 黄瓜、南瓜、丝瓜、豌豆、蚕豆、绿豆、胡萝卜、茴香等瓜果蔬菜类作物。随着海拔高度降低, 沟谷下游人类活动强度逐渐增大, 农田面积不断增大增多, 谷物(小麦、玉米、谷子)花粉百分比也逐渐增高。表明山区随着海拔高度降低, 人口数量和农业规模不断扩大, 人类活动影响的广度和深度也随之不断增强。谷物及蔬菜类花粉对人类活动具有非常明显的指示意义(图3)。

5.2 流域花粉— 植被— 土地利用的关系

流域内植物开花后, 其中一部分花粉直接飘落到流域的河水中, 然后流到小水坝成为沉积物花粉; 另一部分花粉沉降在地表, 成为表土花粉。大气降水形成的坡面漫流和片流, 将沉降在地面上的表土花粉搬运到河中, 随水流至水坝中也成为沉积物花粉。因此, 小拦水坝沉积物花粉的来源[23, 29]是:①空气中直接飘落到河水中的花粉; ②流域内的表土花粉。拦水坝是20~30年内修建的。沉积在小拦水坝内的沉积物也多是20~30年的沉积, 其表层1~2 cm的花粉沉积的时限应更接近取样年份。取样流域基本上处于山区, 坡度较陡, 土壤层较薄, 没有厚层黄土沉积, 故排除不同时期地层中的孢粉被再次搬运的可能。因此, 小拦水坝沉积物花粉能较好地反映流域内植被的整体面貌[18~20, 30]。另外, 驼梁山和棋盘山2个小流域, 多数样点乔木、灌木花粉百分比低于林地、灌丛百分比, 草本、谷物及蔬菜类花粉百分比高于草地、农田百分比。前人研究认为我国东部森林区不同群落类型尽管各自有其组成特点, 但依然表现出一些共性, 如多数样点乔木花粉百分比30%以上[30], 草本植物花粉百分比50%以下, 灌木花粉百分比与灌木植物盖度相关不显着, 百分比多低于10%。本研究乔木植物花粉百分比多40%以上, 草本植物花粉百分比多低于50%, 灌木植物花粉除了样品 TL5与 QP5之外, 百分比均低于10%, 与前人研究结论一致(图4)。

上游地区乔木花粉百分比偏低, 主要是因为多是次生林地, 林下草本层发育, 蒿属、藜科等草本植物较多。灌木花粉的百分比偏低, 主要是因为荆条、鼠李科、蔷薇科(绣线菊、山杏)等植物多为虫媒植物, 与其花粉产量低有关。

花粉组合与土地利用类型的回归分析表明:①谷物花粉百分比与农田面积呈显著正相关, 相关系数(R)较高, 分别为0.968(驼梁山)和0.893(棋盘山)。谷物花粉百分比随农田面积增大而增大; 花粉百分比(Y)与农田面积(X)关系式为 Y=1.2712 X +0.1787(驼梁山)和Y=1.3949 X+0.616(棋盘山), 表明谷物禾本科花粉对农田指示意义明显。②蔬菜类花粉百分比与农田面积也呈正相关, 但R较谷物低, 为0.606(驼梁山)和0.609(棋盘山); 花粉百分比(Y)与农田面积(X)关系式为Y=1.6214X+2.7739(驼梁山)和Y=1.6553X+2.5048(棋盘山); 蔬菜类花粉对农田面积也具一定指示意义。③乔木花粉百分比与林地盖度呈负相关, 相关系数较低, 仅为-0.146(驼梁山)和-0.353(棋盘山)。④灌木花粉百分比与灌丛盖度相关性也比较低, 相关系数为 -0.235(驼梁山)和0.136(棋盘山)。⑤草本花粉百分比与草地盖度呈负相关, 驼梁山相关性较低(-0.383), 棋盘山相关性较高(-0.868)(图5)。

图5 谷物、蔬菜类花粉百分比与农田((a), (b)), 乔木、灌木和草地花粉百分比与植物盖度的相关系数((c)~(e))
TL.驼梁山, QP.棋盘山; R> 0为正相关; R< 0为负相关; |R|越大, 相关度越高Fig.5 Correlations between pollen percentages of cereal and vegetables and farmlands ((a), (b)), between pollen percentages of arboreal, shrub and herb and vegetation cover((c)~(e))
TL. Tuoliang Mountain; QP.Qipan Mountain. R> 0 for positive correlation; R< 0 for negative correlation; the |R| is bigger, the correlated degree is higher

5.3 山区与丘陵和平原区的对比

驼梁山、棋盘山两山区小流域花粉— 植被— 土地利用关系研究表明, 小拦水坝沉积物花粉能较好地反映流域植被的整体面貌, 谷物花粉百分比与农田面积呈显著正相关, 蔬菜类花粉百分比与农田面积也呈正相关, 对人类活动具有非常明显的指示意义。但这一线性相关是否具有更广泛的参考价值。我们将其与太行山浅山丘陵区和河北平原表土花粉[31]与农田面积的关系进行了对比, 发现谷物花粉百分比与农田面积百分比呈现一定比例关系。研究地域内, 不同地区的土地面积不一致, 本文用农田面积/土地面积, 即农田面积百分比, 以表征土地利用率。“ 花粉百分比” 与“ 农田面积百分比” 相比的值, 用于定量研究“ 花粉百分比” 与“ 土地利用率” 的关系(图6)。太行山浅山丘陵区和河北平原表土花粉取自河北省山区和平原(燕山山区以海拔50 m为界, 太行山区以海拔100 m为界) 的农田表土(表层1~2 cm), 也是近几年或十余年的花粉沉积。结果表明山区谷物花粉略高于农田, 比值为1.7; 低山丘陵区谷物花粉与农田相当, 比值为1.03; 平原区谷物花粉百分比远低于农田面积, 比值为0.4。深山和低山丘陵区, 谷物花粉百分比随农田面积增加而增加; 但平原区, 农田面积急剧增加, 但谷物花粉百分比增加较少, 还不到农田面积百分比的一半。谷物花粉百分比与农田面积0.4的比值是否随农田面积的增加而不变, 以及谷物花粉与农田面积之间的这种对应关系是否具有普遍性意义, 都有待进一步研究。

图6 山区、低山丘陵区和平原区谷物花粉百分比与农田百分比对比图Fig.6 The comparisons between cereal pollen percentages and farmland proportions in mountain area, hilly area and plain area

6 结 论

驼梁山和棋盘山2个流域植被组成以森林和灌木为主, 花粉组合也以乔木花粉占优势, 但灌木花粉含量较低。松属、蒿属和中华卷柏是流域主要花粉类型, 随着海拔高度降低, 蒿属、藜科花粉逐渐减少, 而松属、中华卷柏则逐渐增多, 说明松属、中华卷柏等在河水中被搬运得较远, 蒿属、藜科等草本植物花粉在河水中被搬运得较近, 河水对花粉存在分选作用。

花粉组合与土地利用类型的回归分析表明, 谷物花粉百分比与农田面积呈显著正相关, 表明谷物禾本科花粉对农田指示意义明显, 蔬菜类花粉百分比与农田面积也呈正相关, 但相关系数较谷物花粉低, 乔木和灌木花粉百分比与植被盖度呈负相关, 相关系数较低。上游地区乔木花粉百分比偏低, 主要是因为多是次生林地, 林下草本层发育, 蒿属、藜科等草本植物较多。灌木花粉的百分比偏低, 主要是因为荆条、鼠李科、蔷薇科(绣线菊、山杏)等植物多为虫媒植物, 与其花粉产量低有关。驼梁山草本花粉百分比与草地盖度相关性较低(-0.383), 棋盘山相关性较高(-0.868)。

深山区谷物花粉百分比与农田面积比值为1.7; 低山丘陵区比值为1.03; 平原区比值为0.4。这一线性关系是否具有普遍意义有待进一步研究。

The authors have declared that no competing interests exist.

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