天山晚全新世環(huán)境演變

天山晚全新世環(huán)境演變

1現(xiàn)代環(huán)境的總結(jié)1.1河流生態(tài)林密度、多樣性草莓：海拔超過3000米，地勢陡峭，角峰環(huán)抱，大部分被冰雪覆蓋，氣候寒冷。海拔2800米以上的地方氣候寒冷。植被是高山和亞高山的草地。根據(jù)大西溝氣象站（海拔8379m）的數(shù)據(jù)，年平均氣溫為-5.5-6.6，年平均降水為383.9毫米。超過1600米的天氣是涼爽和潮濕的。植被是森林和草地。在陰坡上，主要是雪嶺云杉，底部是樺樹和楊樹。陽坡是草地和草地。根據(jù)小渠子氣象站的數(shù)據(jù)，（海拔160m）年平均氣溫為2.1，1月份氣溫為10.8，7月份氣溫14.8，年平均降水534.2毫米。海拔1600米，氣候干旱，植被稀疏，草地多石山坡，許多干旱。山麓傾斜平原區(qū):地貌上均屬天山北坡河流形成的沖積扇或淤積平原,地形南高北低,由東南向西北略傾斜,海拔在1200～450m間.這里有大量的泉水在扇緣溢出帶出露,也是現(xiàn)代主要的綠洲區(qū).區(qū)內(nèi)氣候溫暖干旱,年均氣溫4～7℃,年均降水量約200～300mm,自然植被為荒漠,有琵琶柴荒漠、假木賊荒漠等,短命植物和一年生植物的加入是其重要特征.北部區(qū)大部分為沙漠覆蓋,海拔400～600m,氣候干旱少雨,沙漠邊緣降水量約150mm.植物為旱生和超旱生型,主要有白梭梭(Haloxylonpersicum)、梭梭(Haloxylonammoderdron)、檉柳(Tamarixspp.)、胡楊(Populusdiversifolia)、沙拐棗(Calligonumspp.)、蒿(Artemisiaspp.)、麻黃(Ephedraspp.)、豬毛菜(Salsolaspp.)、角果藜(Ceratocarpusarenarius)等.區(qū)內(nèi)河流均發(fā)源于南部山區(qū),自西向東較大的河流有奎屯河、金溝河、瑪納斯河、塔西河、雀爾溝河、呼圖壁河、三屯河、頭屯河、烏魯木齊河、三工河、四工河、白楊河、西大龍口河、東大龍口河、中葛根河、開墾河、木壘河等,總徑流量50.94×108m3.其中瑪納斯河最大,年均徑流量為12.8×108m3.河流在山區(qū)有比較穩(wěn)定的河道,出山后,河流改道比較普遍,水量也因相關(guān)因素的變化而極不穩(wěn)定.1.2地域和產(chǎn)業(yè)區(qū)本文所述行政區(qū)域從西向東包括新疆塔城地區(qū)的烏蘇市、沙灣縣,伊犁哈薩克自治州的奎屯市,石河子市,昌吉州的瑪納斯縣、呼圖壁縣、昌吉市、烏魯木齊市、米泉市、阜康市、吉木薩爾縣、奇臺縣和木壘縣.區(qū)內(nèi)人口數(shù)量超過420×104人,屬于新疆人口高密度區(qū)域.但人口的分布不均勻,烏魯木齊以西城市多,人口密度最大,有烏魯木齊市、米泉市、昌吉市、石河子市、奎屯市和烏蘇市.烏魯木齊以東為人口低密度區(qū),以小城鎮(zhèn)和農(nóng)業(yè)人口為主.人口組成以漢族最多,占80%以上,其它人口較多的民族有回族、維吾爾族、哈薩克族、蒙古族、滿族等.區(qū)內(nèi)綠洲面積也遠高于全疆平均水平,國土面積占全疆的7.64%,綠洲面積卻占全疆的22.74%.烏魯木齊以西地表水年徑流量為40.54×108m3,現(xiàn)有綠洲面積1.03×104km2,烏魯木齊以東地表水年徑流量為10.4×108m3,現(xiàn)有綠洲面積3780km2.天山北麓經(jīng)濟比較發(fā)達,是新疆最重要的經(jīng)濟帶,2002年人均GDP收入為6519.4元.烏魯木齊市——克拉瑪依市的天山北麓經(jīng)濟帶是新疆最大的綜合產(chǎn)業(yè)區(qū),集中了全疆83%的重工業(yè)和62%的輕紡工業(yè).2大西溝、東道推動區(qū)域最近幾年,筆者在天山北麓(坡)不同海拔、不同植被帶、不同沉積相選取了幾個剖面進行研究,剖面位置參見圖1.其中艾比湖剖面位于西天山北部艾比湖西南湖邊,海拔195m,地處荒漠帶;大西溝剖面位于天山烏魯木齊河源區(qū),海拔3450m,地處高山草甸帶;東道海子剖面位于烏魯木齊河下游尾閭湖泊,海拔450m,地處荒漠帶;樺樹窩子剖面位于東天山北麓,海拔1340m,地處荒漠草原帶;四廠湖剖面位于古爾班通古特沙漠東南緣沙漠內(nèi)部丘間洼地,海拔589m,地處荒漠帶.各剖面主要依據(jù)14C測年,并根據(jù)沉積相、孢粉、粒度、磁化率及燒失量等分析結(jié)果來探討環(huán)境演變.2.1雙層序地層結(jié)構(gòu)和沉積環(huán)境艾比湖剖面位于艾比湖西南,緊鄰水域,地理坐標為82°44.1′E,44°52.2′N,海拔195m,由湖泊取樣器獲取了1.8m完整巖芯.剖面自上而下分為9層:第1層:0～7cm,厚7cm,為淺黃色細沙層.第2層:7～16cm,厚9cm,為土黃色黏土層.第3層:16～28cm,厚12cm,為黑灰色淤泥層.第4層:28～105cm,厚77cm,為具細水平紋理結(jié)構(gòu)的灰色、灰黑色黏土層,紋層厚0.5～2.0mm.在70～80cm處灰黑色黏土層的14C測年為(1400±70)aBP.第5層:105～160cm,厚55cm,為具較粗水平紋理結(jié)構(gòu)的灰色、灰黑色黏土層,紋層厚5～20mm.在135cm處灰黑色黏土層的14C測年為(1900±50)aBP.第6層:160～164cm,厚4cm,為沙礫層.礫石約占70%,礫徑0.2～0.5cm.第7層:164～172cm,厚8cm,為灰色黏土層.第8層:172～174cm,厚2cm,為灰黑色碳質(zhì)黏土層.第9層:174～180cm,厚6cm,為土黃色含砂黏土層,質(zhì)地較硬.以沉積相、孢粉、粒度和周遍湖岸階地和一系列湖積堤等為主要研究對象和手段的主要結(jié)論為:艾比湖早在全新世以前已經(jīng)存在,此后,湖面發(fā)生了明顯的退縮.根據(jù)環(huán)境信息和測年資料進行綜合分析,可以推測2500aBP來艾比湖的沉積環(huán)境總體是比較穩(wěn)定的,但由于氣候波動引起的入湖水量變化,使艾比湖的水位發(fā)生幾度變化.約在公元前300～400年,是艾比湖面積縮小時期,當時的湖泊面積遠小于后來的高湖面時期,按現(xiàn)代湖面積和湖岸線做參考,當時湖水面積應(yīng)不足600km2,湖周為梭梭荒漠.約公元前300—公元300年,即戰(zhàn)國后期至西晉,是艾比湖水位較高時期.約公元300—1400年,即東晉至15世紀初,是艾比湖的高水位時期,當時的湖面海拔在226～210m之間,高出現(xiàn)代湖面15～31m.這反映了在中世紀,艾比湖地區(qū)的環(huán)境可能明顯好于現(xiàn)代.約15世紀初至17世紀中是艾比湖的水位下降期,但水位比現(xiàn)代仍然高;約17世紀中至19世紀初的小冰期是氣候相對寒冷的一個時期,此時的艾比湖水位處在一個相對上升期.2.2海子河和大西溝的一部分2.2.1硅藻土層及氣候變化東道海子剖面位于烏魯木齊河下游尾閭湖泊,地理坐標44°41.7′N,87°33.5′E(圖1),海拔430m,剖面深190cm.剖面分12層:第1層:0～5cm,厚5cm,為褐色泥炭層,14C測年為(305±130)aBP.第2層:5～20cm,厚15cm,為灰白色硅藻土層.第3層:20～30cm,厚10cm,為褐色泥炭層,頂部14C測年為(1270±60)aBP,底部14C測年為(1310±35)aBP.第4層:30～45cm,厚15cm,為灰白色硅藻土層.第5層:45～75cm,厚35cm,為褐色劣質(zhì)泥炭層,有螺殼和大量蘆葦.頂部14C測年為(1700±80aBP.,底部14C測年為(2400±170)aBP.第6層:75～87cm,厚12cm,為灰白色硅藻土層.第7層:87～91cm,厚4cm,為淺褐色泥炭層.第8層:91～103cm,厚12cm,為青灰色粉砂層.第9層:103～106cm,厚3cm,為淺褐色泥炭層.第10層:106～132cm,厚26cm,為青灰色粉砂層.第11層:132～150cm,厚18cm,為淺褐色劣質(zhì)泥炭層.頂部14C測年為(3530±105)aBP,底部14C測年為(4500±310)aBP.第12層:150～190cm,厚40cm,為青灰色粉砂層,有植物根系.東道海子剖面研究提供了該地4500aBP來湖面的多次變化過程,在湖泊的主要水域基本保持了湖泊的延續(xù),而在湖泊的邊緣地域出現(xiàn)了水域——沼澤的多次轉(zhuǎn)換,在廣域上,植被基本上是以荒漠植被為主,有時與荒漠草原交替出現(xiàn).4.5～3.5kaBP,沼澤沉積發(fā)育;3.5～3.1kaBP,水位降低,植被為荒漠,氣候可能為相對暖干時期;3.1～3.0kaBP,湖面開始回升,3.0～2.4kaBP,湖面處于高水位,湖里有大量硅藻,植被為荒漠草原;2.4～1.7kaBP,湖面下降,沼澤沉積發(fā)育,氣候可能為相對冷干時期;1.7～1.3kaBP,湖面上升,湖里有大量硅藻,植被為荒漠草原;1.3～1.27kaBP,湖面再次下降,沼澤沉積發(fā)育;1.27～0.3kaBP,湖面再次上升,湖里有大量硅藻;0.3kaBP以來,沼澤沉積發(fā)育.2.2.2地層黏土層和氣候變化大西溝剖面位于天山烏魯木齊河源區(qū),地理坐標43°7.1′N,86°51.2′E(圖1),海拔3450m,剖面深110cm.整個剖面分為6層:第1層:0～5cm,厚5cm,為棕色黏土層,含大量草根.第2層:5～27cm,厚22cm,為淺棕色砂質(zhì)黏土層.第3層:27～43cm,厚16cm,為淺棕色含泥炭黏土層,第4層:43～48cm,厚5cm,為淺棕色含泥炭層.14C測年為(890±60)aBP.第5層:48～97cm,厚49cm,為棕褐色泥炭夾黏土層,有未腐爛的枯草葉.第6層:97～110cm,厚13cm,為棕黑色含黏土泥炭層.14C測年為(3640±60)aBP.研究提供的主要環(huán)境信息為:3.6～3.2kaBP,氣候狀況較好,應(yīng)較今溫暖濕潤,云杉林上限上升;3.2～2.0kaBP,植被覆蓋率較低,氣候可能為相對較干時期;2.0～1.4kaBP,氣候又開始好轉(zhuǎn),當?shù)刂脖桓采w率增加;在1.4～0.6kaBP時段,天山烏魯木齊河源區(qū)進入3.6kaBP以來氣候最適宜的階段,當時雪嶺云杉林上限再次上移;0.6～0kaBP,當時植被覆蓋率仍較高,仍處于較為溫暖濕潤階段.2.3樺樹窩子和四廠湖的剖面2.3.1生物生態(tài)學特性樺樹窩子是東天山北麓海拔1340m處的沉積剖面,剖面總厚110cm,自下而上分為6層:第1層:110～88cm,可見厚度22cm,為含小礫石灰黑色黏土,底部潛水出露.在底部灰黑色黏土中采C14樣,測年為(2170±185)aBP,樹輪校正后為(2150±225)aBP.第2層:88～38cm,厚50cm,為棕黑色黏土,下部有機質(zhì)多泥炭化,在50～48cm處泥炭化黏土中采C14樣,測年為(1050±50)aBP,樹輪校正后為(950±60)aBP.第3層:38～17cm,厚21cm,為淺灰色黏土層夾淺黃色黏土層.第4層:17～14cm,厚3cm,為深灰色黏土層.在黏土中采C14樣,測年為(450±55)aBP,樹輪校正后為(510±30)aBP.第5層:14～4cm,厚10cm,為淺棕色黏土層,有草根.第6層:4～0cm,為棕色黏土層,有大量草根.地表為草被.剖面研究(還有小西溝剖面為輔助剖面)揭示了該處2000多年以來的環(huán)境變化.2000aBP.以來,該地植被經(jīng)歷了荒漠草原、草原、荒漠草原、荒漠草原—草原4個階段的演替過程.2000～1300aBP,植被為草原,其中1750～1400aBP,氣候狀況適宜云杉生長,云杉林帶下移,幅度可達250m左右.當時的氣候溫度略低而濕度較高,是新疆歷史上一個相對冷濕的環(huán)境.約1300～450aBP前,植被為荒漠草原,與現(xiàn)代環(huán)境相近.450aBP以來,植被為荒漠草原—草原,附近以樺樹為主的闊葉林,云杉林帶也有下移的反映,相對現(xiàn)代講,也處于一個較冷濕的環(huán)境.2.3.2層理層理細沙層理四廠湖剖面位于地理坐標為44°18.6′E,89°8.6′N,海拔589m(圖1).剖面地處古爾班通古特沙漠東南緣沙漠內(nèi)部丘間洼地,該剖面總厚100cm,自上而下分為6層:第1層:0～30cm,厚30cm,為風成沙,層理傾斜,多變,以細沙為主,含少量中沙.第2層:30～56cm,厚26cm,為灰色細沙層,黏土層,層理呈水平狀.第3層:56～64cm,厚8cm,為深灰色泥質(zhì)粉、細沙層,層理呈水平狀,含較多有機質(zhì),含腹足類化石.14C測年為(665±50)aBP,樹輪校正后為(650±55)aBP.第4層:64～72cm,厚8cm,為灰白色粉沙、黏土層,層理呈水平狀.第5層:72～82cm,厚10cm,為深灰色泥質(zhì)粉、細沙層,層理呈水平狀,含較多有機質(zhì),含腹足類化石.14C測年為(1000±65)aBP,樹輪校正后為(930±85)aBP.第6層:82～100cm,未見底,為銹黃色風成沙,層理傾斜,多變,以細沙為主.四廠湖剖面反映了該地近2000a來植被的變化過程,即經(jīng)歷了由荒漠植被演替為淺湖和沼澤植被,又回到荒漠植被的3個階段的變化特點.而在廣域上,一直是荒漠植被,與現(xiàn)代古爾班通古特沙漠東南緣的荒漠植被相當.四廠湖剖面代表了古爾班通古特沙漠東南緣沙漠內(nèi)部的沉積剖面,它反映出該處在1000～1160aBP,剖面位置就有沙丘.至今,沙丘的范圍在剖面以南約2～3km,表明沙漠向南的移動不大.在1000～1160aBP后,現(xiàn)在古爾班通古特沙漠南緣的沙漠內(nèi)部有發(fā)源于東天山河流的尾閭湖存在,湖泊至少在唐朝中期已經(jīng)存在,至少延續(xù)到600aBP元朝中期以后.在清朝,尾閭湖向南退縮,在現(xiàn)沙漠南緣成湖.唐朝-元朝將近400～500a間,可能是氣候相對比較濕潤的階段.3環(huán)境發(fā)展的討論3.1大西溝剖面反映云杉林的下沉全新世分為早、中、晚期,全新世早期與中期在8.5～7kaBP間過渡,中期和晚期在4～3kaBP間過渡.上述幾個剖面反映的時間序列不同,東道海子和大西溝較長,可以達到4kaBP以上,其它剖面均在2.5kaBP以內(nèi),主要反映晚全新世環(huán)境信息.可以看出,各剖面提供的信息內(nèi)容主要表現(xiàn)在湖面變化、植被變化方面,綜合反映了氣候的變化(圖2).4.5～3.5kaBP東道海子剖面沼澤沉積發(fā)育,反映湖面處于較低水位,當時湖泊未受到人類活動干預,是自然環(huán)境相對較干的時期.3.5～3.1kaBP間東道海子剖面水位繼續(xù)降低,植被為荒漠,同時期大西溝剖面反映云杉林有上移的表現(xiàn),當時湖泊基本未受到人類活動干預,應(yīng)該是氣候相對暖干的時期.3.1～3.0kaBP東道海子湖面開始回升,到3.0～2.4kaBP湖面處于高水位,湖里有大量硅藻,植被為荒漠草原,當時,大西溝剖面反映屬于寒冷時期;同期,烏魯木齊河源、貢嘎山海螺溝等地的冰川處于冰進期,冰芯記錄在2.8～2.7kaBP形成一個冷谷,根據(jù)太陽輻射變化研究提供的信息表明這一時期處于低溫期,當時,天山北麓應(yīng)該屬于相對冷濕階段.2.4～1.7kaBP,東道海子剖面表現(xiàn)為湖面下降,沼澤沉積發(fā)育,同期,艾比湖剖面屬于中湖面期,大西溝剖面反映氣候為由冷向暖過度,樺樹窩子由荒漠草原向草原過度.1.7～1.3kaBP,東道海子湖面上升,湖里有大量硅藻,植被為荒漠草原,艾比湖剖面屬于最高湖面期,大西溝剖面反映氣候為暖干向暖濕過度階段,樺樹窩子剖面反映處于暖濕階段,云杉林帶下移250m左右,這一時期是新疆北部中世紀氣候適宜期.1.3～1.27kaBP,東道海子湖面出現(xiàn)短期下降,沼澤沉積發(fā)育,四廠湖剖面有反映,表現(xiàn)為風成沉積.1.27～0.3kaBP,東道海子湖面再次上升,湖里有大量硅藻,艾比湖剖面和四廠湖剖面均有相同反映,但結(jié)束時間約在0.6kaBP,要早一些,大西溝剖面氣候處于較濕潤階段.0.3kaBP以來,東道海子湖面逐漸下降,艾比湖有相似的表現(xiàn),四廠湖面積縮小,位置移到沙漠的南邊.這一時期湖泊已經(jīng)受到人類活動的干預,到20世紀,由于大量水庫的修建和引水工程,人類活動對新疆平原湖泊產(chǎn)生嚴重影響,湖面的變化已經(jīng)不能代表自然環(huán)境的變化.資料顯示,20世紀90年代中期以來,天山北麓相對處于一個暖濕階段,山地冰川的退縮在加劇,冰川年融水徑流量顯著增加.這種變化在平原湖泊也有顯示,艾比湖面積由500多km2已經(jīng)逐漸增加到近1000km2,已經(jīng)干涸的瑪納斯湖和東道海子也出現(xiàn)了水面.3.2人類活動的影響3.2.1未來年、20世紀80年代中期以來新疆水系分布新疆天山北麓的水系系內(nèi)陸河流域,地表水系變化主要表現(xiàn)在尾閭湖大量消失和河流流程縮短等方面.天山北麓的河流受構(gòu)造和地形條件的控制,多為南北流向,較大的河流一般在北部沙漠邊緣或沙漠邊緣內(nèi)部均有尾閭湖形成.由于自然環(huán)境的演變和人類活動的影響,許多湖泊消失,如瑪納斯湖由于人為截流河水,湖泊干涸;白家海子(即東道海子)在19世紀面積約100km2,目前已完全干涸;艾比湖在2000aBP面積有3000km2,20世紀50年代湖面積為1200km2,20世紀80年代僅約500～600km2,烏魯木齊以東沙漠前緣的眾多小湖目前均已干涸(20世紀90年代中期以來,新疆處于豐水年,部分湖泊面積有恢復)..代替原來湖泊的是在河流出山口的山區(qū)水庫和扇緣地區(qū)、平原地區(qū)的平原水庫,天然湖泊的減少和水庫的增加是水系變化的一個重要特征.平原地區(qū)原來的河流已被縱橫交錯的渠道代替,烏魯木齊以西地表年徑流為40.54×108m3,目前已引用24×108m3;烏魯木齊以東地表年徑流為10.4×108m3,目前已引用8×108m3.奎屯河現(xiàn)多年無水進入艾比湖;瑪納斯河縮短了150km以上;原來與瑪納斯河相匯的安集海河、金溝河、塔西河、雀爾溝河均與其分離,河流中下游流程縮短50%～70%;呼圖壁河縮短了200km;三屯河、頭屯河、烏魯木齊河等均縮短約100km;三工河、四工河、白楊河、西大龍口河、東大龍口河、中葛根河、開墾河、木壘河等均有不同程度的縮短.原河流的下游河床由于多年無水,河道起沙、阻塞現(xiàn)象嚴重,微地貌形態(tài)變化大.3.2.2迅速下降的泉流水位下降,加加壓變天山北麓在河流出山口均有較大規(guī)模的河流扇形地發(fā)育,形成一個東西向展布的扇形帶,歷史上,扇緣地帶是泉水廣泛出露的區(qū)域,并形成部分小河流和湖泊,很多歷史記載和遺留至今的地名都證實著這種現(xiàn)象.然而,這種規(guī)律也在發(fā)生改變.據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn),扇緣帶的地下水位普遍下降,泉水流量急劇減少,以泉水為補給源的河流和湖泊大量消失,泉水溢出帶有向下(向北)推移的趨勢.據(jù)新疆國土資源廳資料,多年來天山北麓地下水位持續(xù)下降年均0.1～0.5m,泉水溢出帶自60年代至今已向北位移2～10km,全疆50年代末流量>1m3·s-1的33條泉流河的流量均有減少的趨勢.造成上述變化的原因主要有兩種,其一為由于許多引水渠直接伸入河流的出山口,致使河水在出山口的下滲量減少,減少了泉水的補給量;其二為在扇緣打了許多機井