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2024 , Vol. 79 >Issue 5: 1246 - 1264

DOI: https://doi.org/10.11821/dlxb202405010

地表过程与环境演变

黄河中下游河水及沉积物花粉分布与传输特征

  • 刘德新 , 1, 2 ,
  • 潘燕芳 1, 2 ,
  • 何雪莉 1 ,
  • 吴朋飞 3 ,
  • 马建华 1, 2 ,
  • 谷蕾 , 1
展开
  • 1.河南大学地理与环境学院，开封 475004
  • 2.河南大学黄河中下游数字地理技术教育部重点实验室，开封 475004
  • 3.河南大学黄河文明与可持续发展研究中心，开封 475001
谷蕾(1981-), 女, 河南开封人, 博士, 高级实验师, 研究方向为自然地理与环境演变。E-mail:

刘德新(1989-), 男, 河南柘城人, 博士, 副教授, 博士生导师, 研究方向为孢粉学与环境演变。E-mail:

收稿日期: 2023-09-14

  修回日期: 2024-04-11

  网络出版日期: 2024-05-31

基金资助

国家自然科学基金项目(41907382)

中国博士后科学基金项目(2019M652520)

河南省博士后科学基金项目(201902025)

收起

Spatial distribution and transport characteristics of river and sediment pollen in the middle and lower reaches of the Yellow River

  • LIU Dexin , 1, 2 ,
  • PAN Yanfang 1, 2 ,
  • HE Xueli 1 ,
  • WU Pengfei 3 ,
  • MA Jianhua 1, 2 ,
  • GU Lei , 1
Expand
  • 1. College of Geography and Environmental Science, Henan University, Kaifeng 475004, Henan, China
  • 2. Key Laboratory of Geospatial Technology for the Middle and Lower Yellow River Regions, Ministry of Education, Henan University, Kaifeng 475004, Henan, China
  • 3. Key Research Institute of Yellow River Civilization and Sustainable Development, Henan University, Kaifeng 475001, Henan, China

Received date: 2023-09-14

  Revised date: 2024-04-11

  Online published: 2024-05-31

Supported by

National Natural Science Foundation of China(41907382)

China Postdoctoral Science Foundation(2019M652520)

Henan Postdoctoral Science Foundation(201902025)

Fold

摘要

厘清河流花粉现代过程是重建流域古环境的基础。尽管学界较早开展了河水花粉研究，但花粉进入河流之后如何传输、受何种动力影响等问题尚不清楚。本文选取黄河中下游干、支流布设采样断面，在丰水期采集河水和沉积物样品开展花粉分析，采用地理探测器等研究方法，探究花粉分布特征及影响因素。结果表明：① 不同流域植被组成不同，花粉类型百分比和浓度存在较大差异，河水干流花粉浓度大于支流，而沉积物花粉百分含量与浓度干流普遍低于支流。② 悬浮物浓度是影响河水花粉含量的主要因素，且在晋陕峡谷之外的样点表现尤为突出；粗沙多、流速快可能是导致晋陕峡谷干流悬浮物浓度高而花粉浓度低的原因。③ 黏粒含量是影响沉积物花粉含量的主要因素，且黏粒分别和粉砂、流速交互作用的影响更为突出；黄河出晋陕峡谷后沉积物花粉含量明显增加。④ 水库前后河水和沉积物花粉浓度变化分别与悬浮物和黏粒一致，相较于水样，水库后沉积物花粉浓度减少更为明显。⑤ 河流花粉与表土花粉有良好的对应关系，能较好的反映流域整体植被面貌。研究结果可为利用冲积物或者有河流注入的湖泊花粉开展古环境重建提供支撑。

关键词： 河水花粉; 沉积物花粉; 空间分布; 传输机制; 黄河中下游

本文引用格式

刘德新 , 潘燕芳 , 何雪莉 , 吴朋飞 , 马建华 , 谷蕾 . 黄河中下游河水及沉积物花粉分布与传输特征[J]. 地理学报, 2024 , 79(5) : 1246 -1264 . DOI: 10.11821/dlxb202405010

Abstract

Clarifying the modern process of alluvial pollen is the foundation for reconstructing the ancient environment of the watershed. Although research on the transport of pollen in rivers has started early both domestically and internationally, further research is needed on how pollen is transported and what factors affect it after entering rivers. This paper selects sampling sections for the main stream and tributaries of the middle and lower reaches of the Yellow River, collects river water and sediment samples during the flood season for pollen analysis, and uses methods such as geographic detectors to explore the distribution characteristics and influencing factors of pollen. The results show that: (1) The vegetation composition varies in different watersheds, and there are significant differences in the percentage and concentration of pollen types. The pollen concentration in the main stream of river water is higher than that in the tributaries, while the percentage and concentration of sediment pollen in the main stream are generally lower than those in the tributaries. (2) The concentration of suspended solids is the main factor affecting the concentration of pollen in the Yellow River, and it is particularly prominent outside the Shanxi-Shaanxi Gorge. Furthermore, excessive coarse sand and rapid flow velocity may be the reasons for the high concentration of suspended solids and low concentration of pollen in the main stream of the Shanxi-Shaanxi Gorge. (3) The sediment clay content is the main factor affecting the pollen content of sediment, and the interaction between clay and silt, clay and flow velocity is more prominent. After the Yellow River exited the Shanxi-Shaanxi Gorge, the concentration of sediment pollen and clay particles significantly increased. (4) The changes in pollen concentration in the river water before and after the reservoir are consistent with those in suspended solids, while the changes in sediment pollen concentration are consistent with those in clay particles. Compared to water samples, the decrease in pollen concentration in sediment after the reservoir is more pronounced. (5) There is a good correspondence between river pollen and topsoil pollen, which can better reflect the overall vegetation landscape of the watershed. The results can provide support for paleoenvironmental reconstruction using alluvial deposits or lake sediment pollen injected by rivers.

Key words： river pollen; sediment pollen; spatial distribution; transmission mechanism; the middle and lower reaches of the Yellow River

1 引言

正确认识过去区域环境变化规律及发生机制是预测未来气候变化的关键。孢粉作为最直接、最可信的古环境代用指标之一，在恢复过去环境变化方面具有不可替代的作用[1⇓-3]。在古环境重建过程中，孢粉学家总是期盼获取封闭自然湖体中具有时间序列支持的泥炭或淤泥质沉积物，而在实际工作中经常遇到的研究对象是河流冲积物或者有河流注入的河湖相沉积物[4⇓⇓⇓-8]。尤其在中华文明起源与繁荣发展核心区域的黄河中下游地区，由于全新世以来黄河频繁改道[9-10]，留下约9×1011 t泥沙堆积在下游泛滥平原上[11]，造成黄泛平原到处是河流冲积地层或河流作用下的沼泽相沉积，很难找到理想的湖相沉积开展孢粉学研究，致使该地区古环境重建工作相对薄弱，阻碍了我们对黄河文明起源、发展、演化与自然环境关系的认识。
孢粉现代过程研究是第四纪孢粉分析的基础，对正确解释地层孢粉组合，定量恢复古植被、古气候至关重要[2]。花粉在自然界中的搬运动力和传播途径主要有风力、河流和昆虫等，其中河水搬运是河流冲积物和有河流注入湖泊沉积物花粉的主要来源[6,12 -13]。关于花粉在河水中的传输方式，早期研究认为花粉一旦浸湿，其运移方式与水中其他细小固体颗粒一致[14]。后来Chmura等[15]对密西西比河的研究发现，水中花粉浓度与悬浮颗粒含量呈现出良好的相关性，这种现象在黄河[16-17]、滦河[5,16]等河水花粉研究中也得到了证实。随着研究的深入，Beaudouin等[18]发现表层沉积物中细粉砂或黏土含量高的区域，其花粉沉积浓度也高，反之亦然。Tong等[19]在对北部湾表层花粉分布格局及其沉积动力研究中发现，花粉浓度高的区域，沉积物颗粒也更细；粤西琼东海域表层沉积物的研究发现，花粉沉积浓度高值区与黏土质粉砂或粉砂质黏土的分布范围一致[20]。Yang等[21-22]在辽东湾表层沉积物花粉分布与传输方式研究中也进一步证实了上述结果。
关于花粉在河水中的传输过程，Brush等[14]曾开展了水槽实验，发现在平均流速为0.33 m/s时，不同类型的花粉分选作用不明显。后来Holmes[23]也开展了水槽实验，发现流速低于0.3 m/s时，花粉会发生一定的分选作用。这一结论与Brown[24]和Fall[25]的研究较为一致，即水动力条件较强时，莎草科、藜科、石松等孢粉随砂粒传输；水动力条件较弱时，云杉、桦、桤木和禾本科花粉随黏粒传输。随后，在美国阿查法拉亚河[26]和密西西比河[15,27]的研究中发现，流速和水深对花粉组成和浓度并没有显著影响，花粉也没有发生分选，大多数只在洪水期传输。Brown等[28]对英格兰西南部埃克斯河的监测中发现，洪水期河水中有91%的花粉来自河流的集水区植被。这一结果在国内部分地区的研究中也得到了证实[29-30]。许清海等[29]对滦河流域及周边地区花粉与植被关系的研究中发现，洪水期河水携带的花粉远多于平水期和枯水期，松等乔木植物花粉在河水中被搬运得较远，而蒿、藜等草本植物花粉被搬运得较近。Zhu等[30]在干旱区石羊河流域的研究发现，河水搬运花粉的能力非常强，可长距离、大量地搬运，且洪水期是花粉搬运的主要时期。
综上可见，虽然国内外对花粉在河水中传输的研究起步很早，但迄今相关成果并不多见。尽管已有研究发现花粉的传输、沉积机制与细粉砂和黏土颗粒相似，但这一结果多是根据河口三角洲和海湾表层沉积物的花粉分析推断的，究竟与河水中花粉的实际传输状况是否一致，还需进一步验证。另外，关于河水花粉传输的影响因素研究也较为薄弱，尤其是悬浮颗粒较粗的黄河中下游地区，其花粉传输机制还需更为细致得研究。近些年来，笔者开展了一系列黄河下游冲积地层花粉的研究工作，发现洪水沉积期和间歇期花粉的组成和来源存在差异：洪水期的木本植物花粉含量高于其相邻的间歇期，人工禾本科等花粉含量低于间歇期；间歇期的花粉主要来自研究区周边，洪水期花粉主要来自研究地所在位置的上游区域[31⇓-33]。既然黄河下游冲积物的物源地主要是黄河中游，那么随泥沙沉积到下游的花粉是否也来自黄河中游?花粉进入黄河之后又是如何传输的?影响因素有哪些?这些问题都需要进一步开展研究。而开展黄河中下游地区河水花粉现代过程研究是解决这些问题的有效手段。鉴于此，本文选取黄河从进入晋陕峡谷到开封段为研究河段，布设黄河干、支流采样断面，在丰水期采集河水样品和河流沉积物样品，采用地理探测器等研究方法，开展黄河中下游花粉传输过程及主要影响因素研究。以期厘清现代河水花粉传输特征及影响因素，进而为今后开展古环境重建工作提供支撑。

2 研究区概况

考虑到黄土高原尤其是晋陕峡谷是黄河泥沙的主要源区[34]，而黄河在下游的改道、泛滥又多以开封（兰考）为顶点[33]，因此本文选取黄河从进入晋陕峡谷到开封为研究河段（图1）。研究区集水面积约3.6×105 km2，干流长约1234 km，流经内蒙古自治区、陕西省、山西省和河南省。黄河中游支流水系发育，其中直接汇入黄河、流域面积大于1000 km2的支流有30条。根据研究需要，选取了13条含沙量高且流域内涵盖较多植被类型的支流[35-36]，分别是浑河、皇甫川、窟野河、三川河、无定河、延河、昕水河、汾河、渭河、泾河、洛河、伊洛河和沁河，其中泾河和洛河是渭河的一级支流，黄河的二级支流。
图1 研究范围及采样点分布

Fig. 1 Location and sampling points of the study area

研究区自东南向西北，由暖温带阔叶落叶林向典型草原和荒漠草原过渡。目前绝大部分原生植被已被农田、果园和人工林所取代。木本植物主要有油松（Pinus tabuliformis）、白皮松（Pinus bungeana）、云杉（Picea asperata）等针叶树，山杨（Populus davidiana）、白桦（Betula platyphylla）、蒙古栎（Quercus mongolica）等阔叶树，梨（Pyrus bretschneideri）、苹果（Malus pumila）、桃（Prunus persica）等果树，荆条（Vitex negundo var. heterophylla）、沙棘（Hippophae rhamnoides）等灌丛；草本植物主要有针茅（Stipa capillata）、苍耳（Xanthium strumarium）、紫菀（Aster tataricus）、狗尾草（Setaria viridis）、猪毛菜（Salsola collina）和画眉草（Eragrostis pilosa）等。主要粮食作物包括小麦（Triticum aestivum）、大豆（Glycine max）和玉米（Zea mays）等，经济作物包括花生（Arachis hypogaea）、棉花（Gossypium hirsutum）等。

3 材料与方法

3.1 样品采集

为了确保支流汇入干流前不受紊流等因素干扰，汇入后能够充分混合均匀，分别在支流汇入干流前后的一定距离处布设断面；同时为了探讨水库沉淀对花粉传输的影响，在黄河进入水库前后也布设采样断面，涉及的水库分别是三门峡水库和小浪底水库。其中，布设在黄河干流的断面简称干流断面，布设在黄河支流的断面简称支流断面。本文样品采集时间为2020年7月，共布设采样断面48个，其中干流断面31个，支流断面17个（图1、表1）。河水样品采集使用手持式自动采水器（JC-8000A型），每个断面水样由3个子样品混合而成，水样体积视河水泥沙含量而定，泥沙含量高的采集5 L，低的采集10 L；沉积物样品采集使用采泥抓斗（VG-mini型），获取表层约2 cm厚的底泥沉积物，每个断面沉积物样品由3个子样品混合而成，每样鲜重约2 kg。本文共获取河水样品46个，包括29个干流样品和17个支流样品；沉积物样品48个，包括31个干流样品和17个支流样品。
表1 研究区采样点信息

Tab. 1 Sampling point information of the study area

序号 样点名称 经度(E) 纬度(N) 样点类型 流速(m/s) 悬浮物(mg/L)
T1 浑河 111°26′30.436″ 39°55′31.508″ 支流 0.23 890
T2 皇甫川 111°11′39.142″ 39°13′28.072″ 支流 0.35 56.1
T3 窟野河 100°26′45.844″ 38°57′58.065″ 支流 0.18 266.3
T4 三川河 110°37′51.945″ 37°23′32.100″ 支流 0.46 439.1
T5 无定河 110°25′43.826″ 37°2′57.896″ 支流 0.79 99.3
T6 昕水河 110°29′54.424″ 36°28′19.310″ 支流 0.29 439.4
T7 延河 110°28′30.159″ 36°24′00.431″ 支流 0.83 257
T8 汾河 110°29′11.962″ 35°21′12.958″ 支流 0.61 276
T9 渭河(泾河汇入前) 109°2′55.452″ 34°27′00.387″ 支流 0.17 961.7
T10 泾河 109°3′26.570″ 34°28′09.217″ 支流 0.20 19.6
T11 渭河(泾河汇入后) 109°4′51.412″ 34°28′00.757″ 支流 0.95 919.7
T12 渭河(洛河汇入前) 110°8′59.676″ 34°38′14.440″ 支流 0.48 611.8
T13 洛河 110°8′18.999″ 34°41′28.005″ 支流 0.53 90.1
T14 渭河(洛河汇入后) 110°11′55.814″ 34°37′09.675″ 支流 0.51 544
T15 渭河(汇入黄河前) 110°14′14.846″ 34°36′57.206″ 支流 0.45 679.3
T16 伊洛河 113°3′29.097″ 34°49′55.985″ 支流 0.18 11.3
T17 沁河 113°25′40.915″ 35°0′44.563″ 支流 0.14 661
M1 黄河(浑河汇入前) 111°26′03.712″ 39°56′28.087″ 干流 0.92 893.2
M2 黄河(浑河汇入后 111°25′45.364″ 39°53′22.625″ 干流 0.87 864.4
M3 黄河(皇甫川汇入前) 111°12′32.069″ 39°14′09.394″ 干流 0.82 1000
M4 黄河(皇甫川汇入后) 111°11′08.216″ 39°12′03.354″ 干流 0.74 1000
M5 黄河(窟野河汇入前) 110°45′02.005″ 38°23′54.169″ 干流 0.85 967.8
M6 黄河(窟野河汇入后) 110°43′07.720″ 38°21′44.366″ 干流 0.82 1000
M7 黄河(三川河汇入前) 110°38′06.365″ 37°24′42.124″ 干流 0.71 1000
M8 黄河(三川河汇入后) 110°37′39.146″ 37°22′43.335″ 干流 0.68 1000
M9 黄河(无定河汇入前) 110°26′17.554″ 37°2′36.679″ 干流 1.58 1000
M10 黄河(无定河汇入后) 110°25′15.674″ 37°2′29.153″ 干流 1.50 1000
M11 黄河(昕水河汇入前) 110°29′55.496″ 36°29′00.976″ 干流 1.54 1000
M12 黄河(昕水河汇入后) 110°28′42.354″ 36°27′46.214″ 干流 1.30 1000
M13 黄河(延河汇入后) 110°28′14.119″ 36°22′52.165″ 干流 1.40 1000
M14 黄河干流2 110°36′50.339″ 35°38′39.901″ 干流 1.37 1000
M15 黄河(汾河汇入前) 110°28′56.966″ 35°28′07.953″ 干流 1.32 1000
M16 黄河(汾河汇入后) 110°22′44.886″ 35°16′59.353″ 干流 1.19 1000
M17 黄河(渭河汇入后) 110°17′16.533″ 34°36′35.851″ 干流 0.46 691.5
M18 三门峡水库前 110°54′32.086″ 34°40′28.088″ 干流 0.80 923
M19 三门峡水库 111°12′35.804″ 34°47′25.706″ 干流 0.50 809.4
M20 三门峡水库后 111°21′14.908″ 34°49′14.141″ 干流 1.80 973
M21 三门峡—小浪底 111°36′10.486″ 34°53′34.394″ 干流 1.73 793
M22 小浪底水库 112°21′30.482″ 34°56′21.125″ 干流 0.60 664.8
M23 小浪底栖霞院 112°31′00.123″ 34°52′45.340″ 干流 0.76 667.9
M24 小浪底水库后 112°32′28.315″ 34°52′29.341″ 干流 1.80 1000
M25 黄河(伊洛河汇入前) 113°3′15.172″ 34°50′04.308″ 干流 1.57 1000
M26 黄河(伊洛河汇入后) 113°9′48.043″ 34°50′23.657″ 干流 1.53 1000
M27 黄河(沁河汇入前) 113°25′00.842″ 34°59′33.853″ 干流 0.90 547
M28 黄河(沁河汇入后) 113°28′53.533″ 34°57′46.324″ 干流 0.78 501
M29 黄河干流1 114°16′21.134″ 34°54′21.127″ 干流 0.77 472
SM1 黄河(渭河汇入前) 110°13′44.238″ 34°41′09.406″ 干流 0.76 930
SM2 小浪底前 111°49′31.188″ 35°3′25.936″ 干流 1.75 845

3.2 分析测试

河水流速和悬浮物分别采用便携式水文流速流量仪（JC-HS-2型）和便携式悬浮物测定仪（JC-SS-1Z型）现场测定。沉积物样品粒度首先去除有机质和碳酸盐，再加入六偏磷酸钠溶液作为分散剂，最后采用激光粒度分析仪（Mastersizer 3000）测定[37]。沉积物样品烘干后采取常规的酸碱处理法[38]和重液浮选提取孢粉。河水样品（5 L或10 L）先倒入孔径为200 μm的分析筛，去除粒径较大的杂质，再将滤液倒入孔径为10 μm的分析筛，收集筛网上的残留物，烘干，剩余步骤与沉积物样品相同。鉴定与统计参考已出版的孢粉工具书[39-40]、在Leica DM5500B生物显微镜下完成。每个样品观察4个以上的玻片，每个河水样品至少鉴定统计200粒花粉，每个沉积物样品至少鉴定统计400粒花粉。

3.3 数据分析

地理探测器[41]是探测空间分异性，揭示其背后驱动因子的一种统计学方法。本文利用地理探测器揭示黄河花粉传输过程中的影响因素，并探讨各因素的贡献以及因素之间的相互关系。基于对花粉传输主要相关因素和数据可获取性的考虑，选取悬浮物和流速作为黄河河水花粉的驱动因素，选取流速、黏粒、粉砂和砂粒作为黄河沉积物花粉的沉积因素。数据计算在GeoDetector软件中完成。

4 结果分析

4.1 孢粉鉴定统计结果

河水样品共鉴定统计花粉粒（仅包括陆生植物）18901粒，平均每个样品计数411粒。鉴定统计61个孢粉类型，其中乔木18种、灌木11种、草本28种、蕨类及藻类4种。乔木花粉主要有松属、栎属等，灌木花粉主要有沙棘属等，草本花粉主要有莎草科、禾本科、藜科、蒿属等。河水花粉浓度变化范围为40~5924粒/L，平均浓度为1071粒/L。干流样点浓度整体大于支流样点，干流样点平均浓度为1400粒/L，其中11个样点浓度在1000粒/L以上，22个样点在500粒/L以上；支流样点平均浓度为510粒/L，其中仅4个样点浓度在500粒/L以上。
沉积物样品共鉴定统计花粉粒（仅包括陆生植物）51395粒，平均每个样品计数1071粒。鉴定统计72个孢粉类型，包含乔木20种、灌木14种、草本34种、蕨类及藻类4种。乔木花粉主要有松属、栎属、云杉属等。灌木花粉主要有沙棘属、白刺属等。草本花粉主要有藜科、莎草科、禾本科、蒿属等。沉积物花粉浓度范围为3~9369粒/g，平均浓度为126粒/g。研究区内花粉浓度差异较大。干流样点平均浓度为63粒/g，浓度最大值出现在三门峡水库（371粒/g），其次是汾河、渭河汇入后的干流样点。支流样点平均浓度为241粒/g，其中浑河、窟野河、昕水河和沁河的花粉浓度大于500粒/g。

4.2 花粉空间分布特征

4.2.1 木本花粉空间分布

（1）河水木本花粉空间分布。木本花粉百分含量均值为36.29%，高值区主要集中在支流的三川河、延河、渭河流域、伊洛河和沁河，以及三门峡水库和三川河汇入后的黄河干流（图2a）。木本花粉浓度高值区集中在伊洛河汇入前、后和沁河汇入后的黄河干流，浓度值在1200粒/L以上；支流样点中渭河汇入黄河前的木本花粉浓度值最高，为811粒/L。总体来看，木本花粉的百分含量分布与浓度分布存在较大差异，具体表现为花粉百分含量高值区出现在三川河及以后的支流样点，而花粉浓度高值区则出现在汾河汇入后的黄河干流。河水中主要木本花粉具体分布如下：
图2 河水木本花粉百分含量及浓度空间分布

Fig. 2 Spatial distribution of arboreal pollen percentage and concentration in river water

松属花粉在木本花粉中的含量最高，平均百分含量为20.57%，其中含量大于40%的样点有干流的三门峡水库前和三门峡水库、支流的延河和三川河；浓度最大值出现在汾河汇入后的黄河干流，达401~800粒/L（图2b）。
栎属花粉百分含量均值为4.48%，整体来看支流样点大于干流样点（图2c）。百分含量较大值出现在支流样点的昕水河、汾河、渭河流域和沁河，以及沁河汇入前、后的黄河干流。栎属花粉浓度空间分布与百分含量不同，其浓度变化较大，范围在0~476粒/L之间，浓度较大值出现在伊洛河汇入前、后和沁河汇入前、后的黄河干流。
沙棘属花粉百分含量均值为4.47%，其较大值出现在支流样点的三川河和渭河，以及干流样点的三门峡水库；浓度均值为40粒/L，较大值出现在支流样点的三川河和渭河，以及汾河汇入后的黄河干流（图2d）。
（2）沉积物木本花粉空间分布。沉积物样品中最常见的木本花粉为松属、栎属和沙棘属，与河水样品一致。木本花粉百分含量均值为42.80%，高值区（> 60%）出现在支流的昕水河、泾河、渭河和洛河，以及三门峡水库和渭河汇入前、后的黄河干流（图3a）。沉积物木本花粉浓度空间分布与花粉总浓度基本吻合，其中昕水河和沁河等支流样点木本花粉浓度在500粒/g以上，三门峡水库和渭河汇入前的黄河干流样点在150粒/g以上。沉积物中主要木本花粉具体分布如下：
图3 沉积物木本花粉百分含量及浓度空间分布

Fig. 3 Spatial distribution of arboreal pollen percentage and concentration in sediments

松属花粉百分含量均值为23.36%，整体来看支流样点大于干流，最大值出现在昕水河（50.05%）。其中百分含量大于30%的干流样点有7个，支流样点有6个。松属花粉平均浓度为30粒/g，较大值出现在窟野河、昕水河和沁河等支流样点，以及汾河和渭河汇入后的黄河干流样点（图3b）。
栎属花粉百分含量均值为5.23%，较大值出现在泾河和沁河等支流样点，以及渭河至三门峡水库的黄河干流（图3c）。栎属花粉浓度整体偏小且分布差异大，浓度介于0~131粒/g之间，均值为10粒/g，最大值出现在沁河（131粒/g）。
沙棘属花粉百分含量均值为4.71%，总体分布较为均匀（图3d）。较大值出现在昕水河、泾河和渭河等支流样点，以及昕水河、三川河、无定河、窟野河等汇入后的黄河干流样点。沙棘属浓度均值为5粒/g，其中窟野河、昕水河和沁河等支流样点浓度值较高。

4.2.2 草本花粉空间分布

（1）河水草本花粉空间分布。草本花粉百分含量介于34%~83%之间，平均为63.70%，其中皇甫川、渭河等支流样点和汾河汇入后的黄河干流样点在80%以上。草本花粉浓度总体上干流样点大于支流，且呈现自上游向下游增高的特点，高值区集中在渭河，以及伊洛河汇入前、后和沁河汇入后的黄河干流（图4a）。河水中主要草本花粉具体分布如下：
图4 河水草本花粉百分含量及浓度空间分布

Fig. 4 Spatial distribution of herbaceous pollen percentage and concentration in river water

莎草科花粉百分含量最大值为33.03%，平均含量为11.22%，高值出现在浑河和窟野河等支流。莎草花粉浓度空间分布与草本花粉基本一致，高值均出现在延河汇入后的黄河干流样点（图4b）。
禾本科花粉百分含量介于0.9%~32.7%之间，均值为6.61%，高值分别出现在渭河和沁河汇入后的黄河干流。禾本科花粉浓度最大值为605粒/L，平均浓度为70粒/L，浓度高值均出现在黄河干流样点（图4c）。
蒿属花粉百分含量均值为10.25%，高值出现在汾河汇入后的黄河干流和渭河。蒿属花粉浓度空间分布与百分含量基本一致，在黄河干流上呈现自上游向下游增高的特点（图4d）。
藜科花粉百分含量最大值为38.58%，均值为18.82%，高值出现在渭河汇入之前的黄河干流，以及皇甫川、汾河等支流。藜科花粉浓度最大值为1243粒/L，其在黄河干流分布与蒿属一致，也呈自上游向下游增高的特点（图4e）。
（2）沉积物草本花粉空间分布。沉积物样品草本花粉百分含量介于26.57%~91.82%之间，平均为57.20%，高值出现在浑河汇入前、皇甫川汇入后、三川河汇入前、无定河汇入后和伊洛河汇入前、后的黄河干流，以及浑河、皇甫川、窟野河和延河等支流（图5a）。草本花粉浓度均值为60粒/g，高值出现在窟野河（785粒/g）和沁河（323粒/g），干流浓度普遍偏低。沉积物中主要草本花粉具体分布如下：
图5 沉积物草本花粉百分含量及浓度空间分布

Fig. 5 Spatial distribution of herbaceous pollen percentage and concentration in sediments

莎草科花粉百分含量均值为11.50%，高值出现在三门峡至小浪底之间和窟野河汇入后、三川河汇入前、沁河汇入后的黄河干流，以及浑河、皇甫川、窟野河和伊洛河等支流（图5b）。莎草科花粉浓度均值为14粒/g，最大值出现在窟野河（218粒/g）。
禾本科花粉百分含量均值为10.09%，高值出现在无定河汇入前、汾河汇入后和伊洛河汇入前、后的黄河干流，以及支流样点的三川河和汾河（图5c）；浓度均值为10粒/g，较大值出现在沁河（107粒/g）和窟野河（64粒/g）。
蒿属花粉百分含量介于1.44%~61.27%之间，均值为7.96%，较大值均出现在黄河干流。蒿属花粉浓度呈现自上游向下游增高的特点，均值为8粒/g，较大值出现在窟野河、昕水河和沁河等支流，以及皇甫川汇入后、汾河汇入后的黄河干流（图5d）。
藜科花粉百分含量均值为16.05%，高值出现在三门峡至小浪底之间和浑河汇入前、无定汇入后的黄河干流，以及皇甫川和延河等支流。藜科花粉浓度与百分含量空间分布特征较为一致，且黄河干流浓度在汾河汇入后有所增加（图5e）。

4.3 地理探测器分析结果

4.3.1 河水花粉地理探测器分析结果

以河水花粉浓度为因变量，选取悬浮物和流速为河水花粉浓度的驱动因素，利用因子探测和交互作用探测来识别影响河水花粉浓度的主要控制因子。结果显示（表2），悬浮物在0.05显著性水平上显著相关，流速在0.1显著性水平上显著相关。可见，悬浮物是影响河水花粉浓度的最强解释因子。
表2 黄河干流和支流河水和沉积物样品的影响因子探测和交互探测结果

Tab. 2 Detection and interaction detection results of influencing factors on river water and sediment samples in the main stream and tributaries of the Yellow River

样品类型 影响因子 q值
河水样品 悬浮物 0.330**
流速 0.23*
悬浮物∩流速 0.477↗
沉积物样品 黏粒 0.494***
粉砂 0.096
砂粒 0.071
流速 0.260**
黏粒∩粉砂 0.929*↖
黏粒∩砂粒 0.929↖
黏粒∩流速 0.773**↗
粉砂∩流速 0.505↖
粉砂∩砂粒 0.443↖
砂粒∩流速 0.574↖

注：***表示通过0.01显著性检验；**表示通过0.05显著性检验；*表示通过0.1显著性检验；↖表示非线性增强，是指影响因子交互作用的贡献率大于各自单独时的贡献率之和；↗表示双因子增强，是指影响因子交互作用的贡献率均大于各单一因子的贡献率。

由于单因子探测只能分析单个驱动因素对河水花粉浓度空间分异的影响程度，但在传输过程中，是多种因子的共同交互作用决定了花粉浓度的空间分布格局。交互作用探测结果表明（表2），悬浮物和流速的交互作用对河水花粉浓度空间分布格局的影响程度高于单因子，表现方式为双因子增强。

4.3.2 沉积物花粉地理探测器分析结果

以沉积物花粉浓度为因变量，选取流速、黏粒、粉砂和砂粒为沉积物花粉浓度的驱动因素，利用因子探测和交互作用探测来识别影响沉积物花粉浓度的主要控制因子。结果显示（表2），黏粒在0.01显著性水平上显著相关，流速在0.05显著性水平上显著相关，而粉砂和砂粒未通过0.05显著性检验。可见，黏粒含量是影响沉积物花粉浓度的最强解释因子，其次是流速。
同样考虑到沉积物花粉传输过程的复杂性，对流速、黏粒、粉砂和砂粒等4种影响因子进行交互作用探测。结果显示（表2），各因子间的复杂交互作用对沉积物花粉浓度空间分布格局的影响程度基本均高于单个因子，且存在非线性增强和双因子增强两种增强方式。

5 讨论

5.1 河流花粉与流域表土花粉的比较

为探究河流花粉与其流域表土花粉的关系，从中国现代花粉数据集[42]和亚洲现代花粉数据集[43]，提取本文中各支流流域内已有的表土花粉样点进行对比分析。现以支流流域表土样点数目较多的渭河和伊洛河为例，对比结果如下：
渭河流域从表土花粉数据库中提取的样点数为59个，共计鉴定出69种植物科属，其中乔木27种、灌木12种、草本30种，乔木花粉以松属、桦木属、柳属、云杉属、胡桃属、榆属和栎属为主，灌木花粉以蔷薇科和鼠李科为主，草本花粉以蒿属、菊科、藜科、莎草科和禾本科为主。从渭河河水和沉积物中鉴定出42种植物科属，包括11种乔木、6种灌木和25种草本，其中乔木花粉以松属、栎属、云杉属和胡桃属为主，灌木花粉以沙棘属、白刺属和胡颓子属为主，草本花粉以蒿属、藜科、十字花科、莎草科和禾本科为主。
伊洛河流域从表土花粉数据库中提取的样点数为54个，共计鉴定出51种植物科属，其中乔木13种、灌木9种、草本29种，乔木花粉以松属、胡桃属、桦木属和栎属为主，灌木花粉以蔷薇科为主，草本花粉以蒿属、紫菀属、藜科、毛茛科、莎草科和禾本科为主。从伊洛河河水和沉积物中鉴定出44种植物科属，包括13种乔木、9种灌木和22种草本，其中乔木花粉以松属和栎属为主，灌木花粉以沙棘属和蔷薇科为主，草本花粉以蒿属、藜科、紫菀属、莎草科和禾本科为主。
需要注意的是，表土花粉数据库中将毛茛科的毛茛属、铁线莲属，蔷薇科的地榆属，茜草科的拉拉藤属，车前科的车前属均进行了属一级的鉴定和区分。而本文在鉴定时已将上述属一级的花粉合并到了相应的科，故而流域表土花粉数据库的科属数量与本文可能存在5个左右的误差。整体来说，两个流域河流花粉与其表土花粉相比有以下特点：第一，两者的花粉类型具有相似性，其中主要科属的花粉类型完全一致，但其百分含量有所差异。可能是因为表土花粉主要代表取样点周围的植被特征，而河流花粉主要来自取样点以上流域的集水区植被，在一定程度上指示的是流域表土花粉的整体状况。这也与国内外已有相关研究相一致[28⇓-30]。第二，相比而言，伊洛河流域河流花粉与其表土花粉的吻合度更高。主要原因可能是伊洛河流域相对渭河流域面积较小，且表土花粉样点数目较多，其流域代表性也更强；渭河流域面积大，支流众多，土地覆被复杂，而已有表土花粉样点数目较少且分布不均。

5.2 河流花粉传输的影响因素

5.2.1 河流水情等因素的影响

地理探测器结果显示（表2），悬浮物浓度是影响河水花粉浓度的主要因子。早在1990年有关密西西比河水样花粉研究就已发现，水中花粉浓度与悬浮颗粒含量呈现出良好的相关性[15]。此后，在黄河[17]、滦河[5,16]等河水花粉研究中也进一步证实了这一结论。黄河干流和支流水样花粉总浓度与悬浮物浓度的空间分布（图6）显示，支流样点的花粉总浓度与悬浮物浓度分布基本一致；干流样点除晋陕峡谷外，其他样点的花粉总浓度与悬浮物浓度分布一致。在实际采样中，晋陕峡谷段干流样点的悬浮物浓度普遍偏大（> 900 mg/L）。正常情况下，高悬浮物浓度意味着高花粉浓度，但本文中晋陕峡谷段黄河干流样点的花粉浓度却普遍偏低。悬浮物浓度和流速的交互作用对河水花粉浓度的影响程度高于单因子（表2），可能与晋陕峡谷段粗沙组分较多、且南北落差大、水流湍急有关。
图6 黄河干流和支流河水花粉总浓度与悬浮物浓度的空间分布

Fig. 6 Spatial distribution of total pollen concentration and suspended solids concentration in the main stream and tributaries of the Yellow River

从沉积物花粉总浓度与砂粒、粉砂和黏粒含量的关系（图7）可以看出，沉积物样品中砂粒和粉砂含量高于黏粒，花粉总浓度与黏粒和粉砂含量呈正相关，且与黏粒含量的正相关关系更强，与砂粒含量则呈负相关关系。由沉积物花粉总浓度与黏粒含量的空间分布（图8）可知，干流沉积物花粉总浓度与黏粒含量较大值均出现在汾河汇入黄河后的河段；支流样点的浓度较大值依次出现在浑河、窟野河、昕水河、沁河和泾河中，相对应的黏粒含量较大值也基本集中在上述支流。可见，研究区内沉积物花粉总浓度与黏粒含量的分布高度一致。Célia等[18]在地中海西部海域沉积物花粉的研究中发现，沉积物中黏土含量与花粉浓度存在正相关关系。童国榜等[20]对粤西琼东海域表层沉积物花粉形成的环境条件研究发现，花粉沉积机制与细粉砂和黏土颗粒相似，细粉砂或黏土含量高的区域，其花粉沉积浓度也高。北部湾[19]和辽东湾[22]表层沉积物花粉分布也有相同特点。此外，地理探测器的结果也表明（表2），黏粒含量是影响沉积物花粉浓度的最强解释因子，且黏粒和粉砂以及黏粒和流速的交互分别呈非线性增强和双因子增强。可见，流速减缓时，粒径介于黏粒和粉砂之间的黏土质粉砂或粉砂质黏土的沉积物中最易富集花粉。黄河出晋陕峡谷后，地势逐渐平坦，河流流速减缓，水动力减弱，这也有利于花粉沉积。
图7 黄河干流和支流沉积物花粉总浓度与砂粒、粉砂和黏粒含量的关系

Fig. 7 Relationship between total pollen concentration and sand, silt, and clay content in sediment of the main stream and tributaries of the Yellow River

图8 黄河干流和支流沉积物花粉总浓度与黏粒含量的空间分布

Fig. 8 Spatial distribution of total pollen concentration and clay content in sediment of the main stream and tributaries of the Yellow River

5.2.2 流域气候—植被的影响

为探讨气候因子对河流花粉的影响，采用取样月份各个支流流域内的气象站点数据（http://data.cma.cn/），选取降水量、平均温度、平均相对湿度、日照时数、平均风速等气象指标，分析其与河流花粉的关系。黄河中游各支流流域河水和沉积物花粉与气象因子的相关分析结果见图9。从图9可以看出，河水中松属花粉含量与风速呈显著负相关（p < 0.05），主要因为松属花粉具有气囊，可以随风搬运到较远的地方[44-45]，较强的风速不利于松属花粉沉降到河水中。河水中蒿属花粉含量与平均温度呈显著负相关（p < 0.01），可能与蒿属植物的花期有关。蒿属植物花期一般在8―9月，且该时期空气中传播量最大[46]。由于蒿属花粉沉降速率较低，属于轻型花粉[47]，故河水中的蒿属花粉主要来源于花期的传播。而本文样品采集期间不是蒿属植物的主要花期，高温可能也不利于其开花授粉。沉积物中藜科花粉与日照呈显著正相关（p < 0.05），因藜科属于旱生植物[47]，充足的光照更有利于其生长繁殖，使得河流中花粉含量较高。
图9 黄河中游各支流流域河水和沉积物花粉与气象因子的相关分析

注：*表示p < 0.05，**表示p < 0.01。

Fig. 9 Correlation analysis between pollen and meteorological factors in river water and sediment of various tributary basins in the middle reaches of the Yellow River

研究表明[48]，不同植物在各生育期内对不同气象要素的敏感性存在差异。因此，河流花粉与气象因素的关系体现在不同科属植物之间生物学的温度、花期、花粉产量等差异的不确定性，以及花粉沉降速率等因素的影响。当然，受采样点数目、采样时间尺度、气象站点数据等因素所限，不同花粉类型与上述气象要素的关系还有待进一步研究。
为进一步分析植被与河流花粉的关系，以每一个取样点为原点，设置不同的半径（5 km、10 km、20 km、30 km、50 km、80 km、100 km、200 km）做缓冲区，通过缓冲区内土地利用类型比例探讨取样点花粉与植被的关系。结果显示，皇甫川、窟野河、三川河、昕水河、延河等大部分流域河流花粉与植被的相关性随着缓冲区的增大而增加。其中河水样品的皇甫川，以及沉积物样品的窟野河和延河的相关性结果通过了0.05的显著性检验。从各个支流流域来看，浑河、皇甫川、窟野河、无定河、三川河、昕水河和延河流域草地占比最大，随着缓冲区半径的增加，三川河、昕水河和延河的森林占比明显增多；汾河、渭河、泾河、洛河、伊洛河和沁河流域的耕地占比最大，随着半径的增加森林占比也明显增加，尤其是沁河、伊洛河和洛河。由此可见，河流冲积物花粉能较好的反映取样点上游流域的植被面貌。这与已有相关研究结果一致[5,29,49]。
从图1可以看出，草地主要分布在研究区的北部和西部，是最主要的土地利用类型。除皇甫川和窟野河之外，大部分支流草本花粉百分含量与其流域植被的相关性较差，总体呈低代表性。可能是由于遥感估测的草地覆盖度低于实际，除草地之外，草本植物在林下也有广泛分布[50]。各支流谷物花粉百分含量与其流域农田面积相比代表性也较低，可能与谷物花粉产量低[51]，且外壁较薄，易被破坏有关[52]。森林和灌木主要分布在研究区的南部和东部，除三川河、昕水河之外，大部分支流木本花粉百分比与其流域林地面积相比具有超代表性，可能与松属、栎属、胡桃科、榆科、沙棘属等木本花粉产量较高，相对容易扩散有关[53-54]。
与沉积来源范围相对较小、搬运方式单一的表土或表层苔藓花粉不同，河流花粉一方面来源较为广阔，主要表现为沉积盆地半径大，另一方面搬运方式多样，主要表现为河流搬运、地表径流搬运、风力搬运等。因此，河流花粉受区域外花粉或隐域性植被的影响更大[2]。而植被的时空变化是自然环境与人类活动相互作用的结果。全新世以来，随着人类活动强度和范围不断扩大，地表景观也发生了重大变化[2,43,55]。黄河中游人口众多，耕作、水利工程建设、植树造林等活动，不断改变着植被的结构和丰度，间接影响了花粉产量、传播和保存等过程[55]。今后应考虑人类活动对河流花粉的影响，进而揭示花粉对流域土地覆被变化的潜在指示意义。当然，受植被花期影响，不同季节花粉的传输也有所不同。而本文只在丰水期（夏季）取样，因此，探讨不同季节河流花粉传输特征也是今后的研究方向之一。

5.2.3 水库的影响

值得注意的是，三门峡水库和小浪底水库下游的黄河干流花粉浓度有所变化，相较于水样，沉积物样品的花粉浓度减少更为明显，与此同时，黏粒含量也明显减少。如三门峡水库中黏粒含量和花粉浓度分别为4.8%和371粒/g；水库下游的样品则仅为0.11%和3粒/g。小浪底水库黏粒含量和花粉浓度分别为8.55%和111粒/g；而水库下游的样品含量仅为0.19%和6粒/g。这可能是由于经过水库的沉积作用，部分泥沙和花粉在水库中沉淀；另一方面，水库下游的黄河干流水流较快，不利于细颗粒物质沉积。石羊河[56]和Oakdale 水库[57]的花粉传输过程研究中也有类似现象。水库前后河水花粉浓度变化与悬浮物浓度基本一致（图6）。如三门峡水库上游黄河干流花粉和悬浮物浓度分别为1540粒/L和923 mg/L，水库中分别为740粒/L和809 mg/L，水库后分别为740粒/L和973 mg/L。

6 结论

本文通过在黄河中下游干、支流布设采样断面，在丰水期采集河水样品和河流沉积物样品，采用地理探测器等研究方法，探究了河水和沉积物花粉的空间分布特征和传输过程，并对其主要影响因素进行了分析和讨论，得出如下主要结论：
（1）河流木本花粉含量与支流植被组成有关，草本花粉浓度呈现自上游向下游增高的特点。总体而言，河水干流花粉浓度大于支流；沉积物花粉百分含量与浓度空间分布较为一致，而干流花粉浓度普遍低于支流。
（2）悬浮物浓度是影响河水花粉浓度的主要因素，且悬浮物浓度和流速的交互作用对其影响更为突出。这在晋陕峡谷以外的样点表现尤为明显，粗沙多、流速快可能是导致晋陕峡谷段黄河干流悬浮物浓度高而花粉浓度低的原因。
（3）黏粒含量是影响沉积物花粉浓度的主要因素，且黏粒分别和粉砂、流速的交互作用对其影响最为突出。可见流速减缓时，以黏土质粉砂或粉砂质黏土为主的沉积物中最易富集花粉。黄河出晋陕峡谷后，地势逐渐平坦，河流流速减缓，水动力减弱，沉积物花粉含量明显增加。
（4）水库前后花粉浓度有所变化，河水花粉浓度变化与悬浮物一致，沉积物花粉浓度变化与黏粒一致。相较于水样，水库后沉积物花粉浓度减少更为明显。
（5）河流下游冲积物花粉能较好的反映流域的植被面貌。但应考虑人类活动对土地利用（植被组成）的影响，进而揭示冲积物花粉对流域土地覆被变化的潜在指示意义。

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