阿拉善沙漠全新世鈣質根管形成機制及其古環境指示意義：來自微觀形態學證據

李卓侖，高有紅，李若蘭，王乃昂，朱瑞霞

蘭州大學資源環境學院 蘭州大學冰川與沙漠研究中心，蘭州 730000

0 引言

鈣質根管(Calcareous root tubes/rhizoliths)是陸生高等植物在生物沉積作用下，形成于存在土壤水分季節性虧損的干旱和半干旱地區石灰質土壤中的次生碳酸鹽結殼[1-5]。在黃土—古土壤序列[6-8]、海岸沙丘[9-11]以及干旱內陸地區[12-15]均有報道。年代學研究結果表明全新世時期鈣質根管的14C年代結果在千年尺度可靠性較高[4,16-17]，并且形成時間遠小于其他次生碳酸鹽[18]。此外，鈣質根管具有純的生物成因源特征[5,19]。上述研究揭示了鈣質根管具有分布廣泛、測年結果可靠性較高、環境指示意義相對明確等優勢，是建立千年尺度環境演變序列的良好材料，已被廣泛應用于古環境重建中[20-22]。因此，對鈣質根管深入研究，有望為古環境重建提供新的信息載體，亦可為區域古環境變化研究提供新的證據。

雖然前人對鈣質根管的分類[1,23]和形成機制[6,18,24]等方面進行了研究，但由于鈣質根管分布地區自然環境特征的差異性、不同環境下形成的鈣質根管外觀結構的特殊性，導致對鈣質根管的形成機制研究存在較大的爭議。此外，其環境指示意義也有待于進一步的深入研究。以阿拉善沙漠鈣質根管為例，其在巴丹吉林沙漠、騰格里沙漠和烏蘭布和沙漠都有大量的分布[15]，高尚玉等[25]認為騰格里沙漠鈣質根管產自砂質古土壤中的蝕余堆積；陳建生等[26]認為巴丹吉林沙漠鈣質根管是由地下水中的碳酸鹽重結晶作用形成。但不同的觀點則認為阿拉善沙漠鈣質根管主要是由于氣候濕潤時期高降水量所形成的，可以指示濕潤氣候[4,12]。這些分歧無疑造成了鈣質根管的形成機制及其環境指示意義在該區域尚不明確，限制了其在古環境重建中的應用。同時，上述分歧的存在對鈣質根管是否具有明確的古環境指示意義提出了需要進一步深入探討的問題。

基于上述，本研究以近10年已采集的32組阿拉善沙漠全新世鈣質根管樣品為基礎，采用掃描電鏡分析的方法，明確該區域鈣質根管的微觀特征并以此探討該區域鈣質根管的形成機制及其古環境指示意義，為沙漠腹地古環境研究提供新的信息載體。

1 區域概況

阿拉善沙漠位于內蒙古北部及甘肅北部，主要包括巴丹吉林沙漠、騰格里沙漠和烏蘭布和沙漠，面積約10×104km2(圖1)。海拔高度1 000～1 500 m左右，地勢由南向北傾斜，地面起伏不大，僅有少數山地超過2 000 m，最低處居延海附近為820 m。高原上有若干相對高差100～250 m的干燥剝蝕丘陵低山，把高原分割成為許多內陸盆地。地表物質西部以戈壁為主，東部沙漠面積廣。自然景觀主要以荒漠草原、流動沙丘、戈壁為主。

巴丹吉林沙漠位于雅布賴鹽湖與雅布賴山之西北，宗乃山、省道S218公路以西，黑河正義峽出山口、弱水東岸至古日乃湖以東，合黎山、北大山以北，拐子湖、古居延澤以南(圖1)，面積為5.2×104km2，系我國第二大沙漠[28]。氣候干旱，多年平均降水量由東南向西北逐漸減少，東南部約為120 mm，西北部不足40 mm，沙漠腹地降水量在100～110 mm并且90%以上的降水為單次小于5 mm降水[29]。與世界上其他沙漠明顯不同的是，東南部的高大復合型沙山，相對高度一般達200～300 m，最高的超過430 m；沙山之間的洼地分布著許多大小不等的永久性湖泊，最大達1.5 km2，絕大多數屬礦化度很高的鹽堿湖，還有一定數量的淡水湖[30-31]。騰格里沙漠位于阿拉善沙漠東南部，介于賀蘭山、祁連山與雅布賴山之間(圖1)，面積約為4.27×104km2，是中國第四大沙漠[32]。區內地勢總體呈現西南高，東北低的趨勢，海拔1 100～2 000 m。沙漠內部分布著眾多湖泊，大小不等，形態各異，除淡水湖泊之外，還有很多礦化度高的咸水湖及一定數量的干涸鹽堿湖盆[33]。年平均降水量l25～160 mm。烏蘭布和沙漠位于阿拉善沙漠東部(圖1)，面積約1.1×104km2。包括河套以西、陰山以南一直到賀蘭山以北的大面積流沙地區，東部與黃河緊鄰。沙漠南部主要為高大沙山，北部以流動沙丘、固定—半固定沙壟為主[34]。該區域年平均溫度為7 ℃，年降水量103 mm，65%年降水主要集中在夏季。

2 材料和方法

2.1 樣品采集

鈣質根管廣泛分布在阿拉善沙漠腹地，呈水平或直立狀分布于平沙地與丘間洼地中，并在巴丹吉林沙漠高大沙山上亦有分布[4,15]。本研究分別在巴丹吉林沙漠采集了5組鈣質根管樣品，在騰格里沙漠采集了14組鈣質根管樣品，烏蘭布和沙漠采集了13組鈣質根管樣品，共計采集了32組全新世鈣質根管樣品，采樣位置如圖1所示。樣品的宏觀形態描述以及14C年代結果詳見文獻[15]。

圖1 研究區示意圖及阿拉善沙漠全新世鈣質根管樣品采樣點分布Fig.1 Location of the study area and the Holocene calcareous root tubes sampled in the Alashan Desert

2.2 實驗方法

掃描電鏡實驗在蘭州大學物理科學與技術學院Hitachi S-4800掃描電子顯微鏡和MIRA 3 XMU場發射掃描電子顯微鏡下完成。將已經自然風干的鈣質根管樣品外側石英砂膠結物、內部碳酸鹽膠結物、以及全樣鈣質根管的橫截面分別使用常規真空噴鍍法噴金60秒后，放大30～30 000倍之間共14個倍數下觀察并成像。累計拍攝掃描電鏡圖片433張。

鈣質根管中方解石結晶墊結構和鈣化細絲微觀結構的形成與植物根系活動密切相關[1,27]，是受到真菌、藍藻細菌、地衣、細菌和植物根系活動的影響而由生物作用形成的微形態結構[35-36]。因此，本文選取方解石結晶墊結構和鈣化細絲微觀結構進行統計。

3 結果分析

掃描電鏡結果顯示，本研究中的32組鈣質根管樣品全部含有方解石結晶墊結構或鈣化細絲微觀結構。其中20組鈣質根管樣品具有方解石結晶墊結構，占樣品總數的62.5%；19組鈣質根管樣品具有鈣化細絲微觀結構，占樣品總數的59.37%。此外，所有樣品中未發現鈣化細胞的存在。在巴丹吉林沙漠的5組樣品中均發現了方解石結晶墊結構和鈣化細絲結構。在騰格里沙漠，有2組樣品既發現了方解石結晶墊結構又發現了鈣化細絲結構，其余各自有6組樣品分別有方解石結晶墊或鈣化細絲結構。在烏蘭布和沙漠，有7組樣品含有方解石結晶墊結構，其余6組樣品中含有鈣化細絲結構。這種方解石結晶墊或鈣化細絲結構，在不同區域或不同年代的鈣質根管樣品中，并沒有明顯的分布差別。

方解石結晶墊結構分布在鈣質根管樣品的內側。方解石結晶墊在形態上為表面布滿了長粒狀或針狀的方解石結晶，結晶方向隨機，具有鋸齒狀邊緣(圖2)。巴丹吉林沙漠樣品的方解石結晶有粒狀方解石結晶和針狀方解石結晶兩種類型(圖2a，b)：其中粒狀方解石結晶長約45～50 μm，直徑約2～5 μm(圖2a)；針狀方解石結晶長度小于50 μm，直徑小于5 μm(圖2b)。騰格里沙漠樣品的方解石結晶墊上的結晶有米粒狀結晶和針狀方解石結晶兩種類型(圖2c，d)：米粒狀的結晶中間粗，兩端細，其長約2～7 μm，直徑約0.5～2 μm(圖2c)；針狀方解石結晶長度不足5 μm(圖2d)。烏蘭布和沙漠鈣質根管方解石結晶墊上的結晶則以粒狀方解石結晶(圖2e)和極細針狀方解石結晶(圖2f)兩種類型為主：粒狀方解石結晶(圖2e)與巴丹吉林沙漠方解石結晶墊上結晶形態相似，極細針狀方解石(圖2f)直徑小于5 μm。

圖2 阿拉善沙漠全新世鈣質根管方解石結晶墊微觀特征a，b.巴丹吉林沙漠鈣質根管的方解石結晶墊；c，d.騰格里沙漠鈣質根管的方解石結晶墊；e，f.烏蘭布和沙漠鈣質根管的方解石結晶墊Fig.2 Micromorphology (calcite crystal cushion) of the calcareous root tubesa, b. sampled from the Badain Jaran Desert; c, d. sampled from the Tengger Desert; e, f. sampled from the Ulanbuh Desert

鈣化細絲微觀結構由菱形方解石構成，在鈣質根管結構內側和外側均有分布。巴丹吉林沙漠樣品中鈣化細絲長約0.4～6 μm，寬約0.1 μm，與粒狀和塊狀的鈣化結晶均勻相交分布(圖3a)；長粒狀鈣化細絲長約1.5～5 μm，直徑約0.3～0.7 μm，與長粒狀方解石結晶之間緊密膠結(圖3b)。騰格里沙漠鈣質根管鈣化細絲表面粗糙，最長可達165 μm，直徑4～6 μm(圖3c，d)。烏蘭布和沙漠片狀鈣化細絲結構分布于鈣質根管結構外側，表面粗糙，具有折角，長約4～60 μm，寬約1～6 μm(圖3e，f)。

在路徑規劃中，需先對環境信息進行描述。由于復雜的海面環境導致算法不能直接被利用，采用坐標法建立海平面二維模型，并將復雜的海面地理信息進行簡化，把障礙物適當擴大安全距離，轉化成簡單的封閉幾何圖形(見圖1)。圖1a)地圖位于印度尼西亞附近海域，由部分島礁組成中心經度為123°38′，緯度為01°57′；圖1b)地圖在坐標平面內以黑色部分表示障礙物，(0，0)為起始點，(40，40)為目標點。

4 討論

4.1 鈣質根管的形成機制

在不同區域鈣質根管的形成機制可能存在一定差異。生長在酸性中和度較高的石灰質土壤和鹽堿土壤中的植物會通過根系的呼吸作用，呼出CO2，同時交換周圍土壤中的Ca2+和H+供植物生長的營養所需，并溶解周圍土壤中的礦物質和營養元素。礦物質和營養元素逐漸在植物根部表皮細胞中沉淀膠結并形成鈣化細胞[6]，即細胞內鈣化機制，無微生物活動的參與。

另一種觀點則認為，在干旱環境條件下，土壤溶液沿植物根部移動的過程中Ca2+會積累在根圍并被轉化成碳酸鹽，在蒸發作用下碳酸鹽圍繞著植物根系沉淀形成了管狀的膠結[5]。與此同時，植物根系和根圍的微生物向根圍釋放CO2和黏液，并且植物根系在死亡腐爛期間，微生物降解亦能向周圍環境釋放大量的CO2，上述植物根系以及微生物活動產生的CO2與有效水結合形成碳酸，溶解根圍的含鈣礦物進一步形成碳酸鹽沉淀，并且植物根系釋放的黏液有利于膠結周圍土壤形成堅硬的外殼。此機制即為根圍鈣化機制。根圍鈣化機制發生在植物活著和腐爛期間，并需要有植物根系活動和根圍微生物的參與。并且，與其他次生碳酸鹽相區別的是，由于受到真菌、藍藻細菌、地衣、細菌和植物根系活動等生物作用的影響，加快了次生碳酸鹽的沉淀[35-36]，使鈣質根管的形成時間遠小于非生物成因的次生碳酸鹽[37]。

圖3 阿拉善沙漠全新世鈣質根管鈣化細絲微觀結構a，b.巴丹吉林沙漠鈣質根管的鈣化細絲結構；c，d.騰格里沙漠鈣質根管的鈣化細絲結構；e，f.烏蘭布和沙漠鈣質根管的鈣化細絲結構Fig.3 Micromorphology(calcified filaments) of the calcareous root tubesa, b. sampled from the Badain Jaran Desert; c, d. sampled from the Tengger Desert; e, f. sampled from the Ulanbuh Desert

前人的研究表明，鈣質根管中方解石結晶墊結構和鈣化細絲微觀結構的形成與植物根系活動密切相關[1,27]，由生物作用形成[35-36]。本研究結果表明，所有樣品中均未觀測出鈣化細胞的存在，表明阿拉善沙漠鈣質根管的形成，與植物細胞內的鈣化無關。相反，方解石結晶墊結構或鈣化細絲結構在全部鈣質根管樣品中均存在，表明了根圍微生物活動參與了鈣質根管的形成過程。Lietal.[22]對本研究的鈣質根管樣品中有機地球化學分析結果顯示，阿拉善沙漠鈣質根管中含有大量以C16為主峰的短鏈正構烷烴，揭示了微生物作用對鈣質根管的形成具有重要的影響。這也證明了鈣質根管的形成不是受到細胞鈣化機制的影響。換言之，阿拉善沙漠鈣質根管的形成過程伴隨著微生物活動作用，即符合根圍鈣化機制。

李卓侖等[38]研究指出，阿拉善沙漠鈣質根管碳酸鹽礦物主要以方解石為主，不含文石，是典型的次生碳酸鹽。陳建生等[26]曾認為，巴丹吉林沙漠鈣質根管主要是由地下水重結晶作用所形成。但值得注意的是，從目前已采集的40余組鈣質根管樣品的14C年代結果分布，其主要在MIS 3a階段和全新世中晚期，并無小于1 cal kyr B.P.的年代結果[4,15]。即使考慮了14C測年結果的誤差，單純的地下水重結晶作用仍無法解釋為何在該區域未有近1 ka時期的鈣質根管的形成，同時也無大量現代鈣質根管的形成。

鈣質根管是一種次生碳酸鹽的沉積[27,39]，這一特點限制了鈣質根管形成所需的水分條件，即除需要有微生物活動的參與外，還需要滿足土壤水分的季節性虧損前提，才能夠形成鈣質根管這種類型的次生碳酸鹽的沉積[27,39]。當降水量過高會導致土壤水分的強烈下滲而無法形成次生碳酸鹽的沉積；當降水量過低，低土壤含水量無法溶解方解石并產生碳酸鹽溶液。因此，土壤含水量過高和過低均會影響鈣質根管的形成。已有研究表明[5,40-41]次生碳酸鹽沉積往往發生在年降水量小于500 mm的地區，在多年平均降水量為150～400 mm 地區分布最為廣泛。Lietal.[4]對阿拉善沙漠鈣質根管形成所需的降水量閾值研究認為，其鈣質根管形成時，多年平均降水量可能在200 mm以上。阿拉善沙漠位于中國北方干旱區，該地區表層土壤中的水分含量主要受控于降水量的多寡，并存在明顯的季節性土壤水分虧損[29，42]。由于該地區年降水量多在150 mm以下，導致了低土壤含水量無法溶解方解石更無法產生碳酸鹽溶液，亦即無法形成鈣質根管。因此，該地區已發現并報道的鈣質根管均為地質歷史時期的產物[4,12,15,25-26]，尚未有關于現代鈣質根管大量分布的報道。

綜上，阿拉善沙漠鈣質根管的形成主要是由于土壤水分的季節性虧損，在蒸發作用的影響下，土壤中的次生碳酸鹽在植物根系周圍形成了管狀的沉積。而非由地下水重結晶作用形成的。

4.2 古環境指示意義

在阿拉善沙漠地區，鈣質根管的形成除受到生物因素的影響外，還受到土壤含水量(或降水量)以及蒸發量的控制。因此，鈣質根管的形成過程會記錄當時的古氣候特征。在全新世中期，該區域夏季降水量較現代增加[43]，蒸發量較現代偏低，氣候相對濕潤，在騰格里沙漠和巴丹吉林沙漠腹地湖泊水位較高，形成了全新世高湖面和泛湖期[44-46]。在此氣候背景下，土壤水分會形成季節性虧損，有利于鈣質根管的形成。Lietal.[15]統計分析了阿拉善沙漠34組全新世鈣質根管的時間分布頻率，其中62%的鈣質根管分布在全新世中期(8.0～5.0 cal kyr B.P.)，與該地區其他代用指標所揭示的氣候相對濕潤特點相一致。這一結果一方面揭示了該區域鈣質根管的形成受到氣候因素(有效濕度)的影響：氣候相對濕潤時期有利于鈣質根管的形成，氣候干旱時期則不利于鈣質根管的形成；另一方面亦表明，干旱沙漠地區鈣質根管具有明確的古環境指示意義：大量鈣質根管的存在可以指示氣候相對濕潤時期，并且鈣質根管的時間分布頻率可以指示區域有效濕度的變化[15]。但是由于太濕潤和太干旱氣候條件下，均不利于次生碳酸鹽的積累和鈣質根管的形成[5,40-41]，因此鈣質根管可能無法指示極端的氣候事件。此外，沙漠腹地湖泊周圍的丘間洼地和局地滯水環境下的土壤含水量往往會相對較高，因此即使在干旱氣候條件下局地滯水環境下亦可能形成少量的鈣質根管[15]，這種鈣質根管更多的指示了一種局地土壤水分環境而非古氣候環境。故而，單個鈣質根管具體的環境指示意義需要結合沉積地層以及沉積環境進行詳細的分析[15]，才能確定其指示的是局地環境還是一個區域環境。

土壤中碳酸鹽溶液沉淀形成管狀膠結的過程中，由于受到蒸發作用的影響，土壤溶液中的元素往往會發生化學分異過程，故而鈣質根管中的化學元素比值可以很好的記錄當時的環境信息[47]。譬如，在降水較多、土壤水分充足的條件下，離子半徑較小的Ca會比Sr更容易遷移，Ca會先被土壤水溶解達到飽和，Sr則會繼續溶解。故土壤中水分含量越高、土壤水中Sr的含量越高。因此，鈣質根管中Sr/Ca比值即可以指示有效濕度的變化[47]。此外，由于鈣質根管的形成受到了植物根系以及微生物作用的影響，故而在形成過程中可以記錄當時的植被信號[22,37,48]。Lietal.[22]研究表明，阿拉善沙漠鈣質根管中正構烷烴主要來源于高等植物的根系和微生物，高等植物中的正構烷烴主要以C27為主，揭示了沙漠腹地中全新世以來主要以木本植被為主的特點。因此，鈣質根管中的有機地球化學特征往往可以揭示沙漠腹地的古植被特征。

5 結論

通過對阿拉善沙漠鈣質根管的微觀形態分析，明確了阿拉善沙漠鈣質根管的形成機制，證實了植物根系和根圍微生物活動參與了該地區鈣質根管的形成。阿拉善沙漠鈣質根管的形成主要是由于土壤水分的季節性虧損，在蒸發作用的影響下，土壤中的次生碳酸鹽在植物根系周圍形成了管狀的沉積。而非由地下水重結晶作用形成的。

阿拉善沙漠鈣質根管在形成過程中，不僅受到了土壤含水量以及蒸發量的影響，還受到植物根系和微生物作用的影響。因此，鈣質根管中記錄了區域古環境和古植被信息，是沙漠腹地古環境重建良好的信息載體。我們可以從鈣質根管中提取古環境信息，重建沙漠腹地古氣候以及古植被的變化。但是對沙漠腹地湖泊周圍的丘間洼地和局地滯水環境下形成的鈣質根管，更多的指示了一種局地土壤水分環境而非區域古氣候環境。

致謝 感謝審稿專家對本文提出了寶貴的修改意見，謹致謝忱！