現(xiàn)代花粉在古氣候重建中的應(yīng)用

張國富 李玉 王朋 孫雯筠 薛艷霞

摘 ?要：現(xiàn)代花粉分析是第四紀(jì)花粉研究的基礎(chǔ)，對正確解釋化石花粉記錄，定量重建古植被和古氣候具有重要的作用。近年來，很多孢粉學(xué)者利用現(xiàn)代花粉和化石花粉對古植被和古氣候進(jìn)行重建并取得了很多重要的成果。文章對現(xiàn)階段利用現(xiàn)代花粉進(jìn)行古植被與古氣候重建的線性與非線性方法的進(jìn)行綜述，通過對比分析各種重建方法，發(fā)現(xiàn)隨著重建方法的不斷改進(jìn)，重建出的古植被與古氣候準(zhǔn)確度和精度不斷的提高，從而進(jìn)一步的推動(dòng)了孢粉學(xué)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)代花粉;古氣候重建;應(yīng)用

中圖分類號：P53 ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）25-0035-03

Abstract： Modern pollen analysis is the basis of quaternary pollen research， which plays an important role in correct interpretation of fossil pollen records， quantitative reconstruction of ancient vegetation and paleoclimate. In recent years， many palynologists have used modern pollen and fossil pollen to reconstruct palaeovegetation and paleoclimate， and have made many significant achievements. In this paper， the linear and nonlinear methods of palaeovegetation and paleoclimate reconstruction using modern pollen are reviewed. By comparing and analyzing various reconstruction methods， it is found that with the continuous improvement of reconstruction methods， the accuracy and precision of palaeovegetation and palaeoclimate have been improved， which further promoted the development of palynology.

Keywords： modern pollen; paleoclimate reconstruction; application

1 概述

全球環(huán)境變化是如今科學(xué)界最為關(guān)注的問題之一，了解過去氣候環(huán)境變化歷史對于預(yù)測未來至關(guān)重要[1]?；ǚ垡虍a(chǎn)量大、體積小、耐酸堿、在地層中易于保存等特點(diǎn)，使得化石花粉分析成為研究過去古氣候、古植被和環(huán)境變化的重要指標(biāo)之一，在全球變化研究中具有重要的意義[2]。國內(nèi)外專家一致認(rèn)為：植被是氣候變化反應(yīng)最靈敏的指示物，花粉可反應(yīng)當(dāng)?shù)氐闹脖画h(huán)境，對植被具有指示性，但在實(shí)際的工作中難以對植被進(jìn)行量化，而花粉記錄與氣候指標(biāo)之間容易建立定量的數(shù)量關(guān)系，這樣就可以忽略植被這個(gè)中間環(huán)節(jié)，從而提高花粉對古氣候重建的精度。然而在利用化石花粉重建古生態(tài)的過程中定量重建的古氣候與化石花粉之間的對應(yīng)關(guān)系成為古氣候重建的突出問題，由于花粉在沉積、傳播、搬運(yùn)過程的復(fù)雜性，使的化石花粉來源難以確定，在恢復(fù)古植被和古氣候中存在著很多的不確定性。此外，即便有些花粉種屬氣候指示意義較為明確，也會(huì)因?yàn)榫唧w環(huán)境的改變而具有不同的氣候指示意義[3]。由此可見某種屬的花粉百分比含量與植物在植被中的比例不是簡單的線性關(guān)系，為了減少地層中的化石花粉重建古植被的誤差，就必須對現(xiàn)代花粉與現(xiàn)代植被和氣候氣候因子之間的關(guān)系進(jìn)行研究，這是正確引用化石花粉重建古植被和古氣候的基礎(chǔ)，也是植被模擬和氣候模擬的驗(yàn)證手段[4]。

2 現(xiàn)代花粉的研究區(qū)域

在國際上，歐洲和北美現(xiàn)代花粉的研究開展較早，并建立了現(xiàn)代花粉數(shù)據(jù)庫。我國對現(xiàn)代花粉的研究始于20世紀(jì)七十年代。相對歐美地區(qū)我國對現(xiàn)代花粉的研究起步較晚，但經(jīng)過這些年的研究，我國對現(xiàn)代花粉的研究已涉及到非常廣泛的區(qū)域，其研究區(qū)域涵蓋了多種氣候帶和不同的地理單元。我國學(xué)者對東北、華北、西北、西南、華東及青藏高原等地區(qū)，都進(jìn)行了大量的現(xiàn)代花粉與植被關(guān)系的研究，主要以北方地區(qū)（內(nèi)蒙古高原）、青藏高原東部、黃土高原南部地區(qū)較為集中，但在東北地區(qū)的黑龍江、西北荒漠區(qū)、青藏高原中部和北部無人地區(qū)、華東的人類活動(dòng)頻繁區(qū)及西南熱帶地區(qū)，將是未來開展現(xiàn)代花粉研究的重點(diǎn)區(qū)域[5]。國外對現(xiàn)代花粉的研究已涉及到多個(gè)植被類型的研究，植被類型主要涉及到了森林、草原、荒漠、沙漠等方面的研究，從北美地區(qū)最大的現(xiàn)代花粉數(shù)據(jù)庫來看，現(xiàn)代花粉研究已經(jīng)有十分廣泛的研究，但在北極、阿拉斯加、美國西南部等地區(qū)研究較少，還需開展進(jìn)一步的研究工作[6]。

3 現(xiàn)代花粉的研究對象及方向

現(xiàn)代花粉已廣泛用于解釋化石花粉記錄。在東亞地區(qū)，對現(xiàn)代花粉的研究主要集中在表土花粉的研究，極少涉及到湖泊表層沉積物花粉。而在北美地區(qū)對現(xiàn)在花粉的研究主要集中在湖泊表層沉積物花粉，對于兩種研究對象，一致存在爭議。表土樣品除了接收局地的花粉輸入外，同時(shí)還接收了遠(yuǎn)程搬運(yùn)的花粉，并且在地表徑流等因素的影響下，使得利用表土花粉組合反演古植被和古氣候的過程中存在著很多的不確定性[7]。陳雪梅等[8]通用對滇中高原星云湖的10個(gè)湖泊表層沉積物和25個(gè)湖泊周圍的表土樣品花粉進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)來自湖內(nèi)的表層湖泊沉積物樣本的現(xiàn)代花粉組合相對均質(zhì)，反映了區(qū)域植被。對于植被和氣候重建，最好使用來自表層湖泊沉積物樣品的校準(zhǔn)花粉數(shù)據(jù)集，而不是來自表層土壤樣品的校準(zhǔn)花粉數(shù)據(jù)集。

隨著現(xiàn)代花粉研究的不斷深入，現(xiàn)階段對現(xiàn)代花粉的研究主要集中于以下幾個(gè)方面：（1）花粉特征研究：包括花粉的產(chǎn)量和花粉代表性、指示意義及花粉的傳播等方面的研究。（2）利用環(huán)境因子或環(huán)境代用指標(biāo)與現(xiàn)代花粉建立關(guān)系，探討現(xiàn)代花粉與植被和氣候之間的關(guān)系。（3）利用現(xiàn)代花粉數(shù)據(jù)與氣候因子之間的關(guān)系為重建古植被和古氣候提供參考和依據(jù)。

4 現(xiàn)代花粉的研究方法

目前對現(xiàn)代花粉的研究方法主要表現(xiàn)在定性和定量的研究方法上，早期的花粉分析主要是通過花粉數(shù)據(jù)做出花粉圖譜，分析某一屬種在樣品花粉中的百分比含量與該種屬在植被中的百分比含量進(jìn)行對比分析，進(jìn)而研究花粉與植被之間的關(guān)系，運(yùn)用這種方法進(jìn)行研究只能定性的表示花粉與植被之間的關(guān)系，但在現(xiàn)實(shí)中花粉和植被不是簡單的線性關(guān)系，因而這種定性研究不能滿足古氣候重建的需要，為此孢粉學(xué)家做了大量的研究，隨著氣象觀測的發(fā)展和數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法的不斷更新，現(xiàn)代花粉組合與植被和氣候之間的關(guān)系研究成為了現(xiàn)代花粉研究的重點(diǎn)，用定量的方法來對現(xiàn)代花粉與植被和氣候的關(guān)系進(jìn)行研究為古氣候與古植被的定量重建提供了理論依據(jù)。如今已有很多孢粉學(xué)家運(yùn)用多種數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法來恢復(fù)古環(huán)境，對現(xiàn)代花粉的研究目前主要的方法有：基于線性的：主成分法（PCA）、降趨勢對應(yīng)分析（DCA）非線性的：響應(yīng)面法、最佳類比法及轉(zhuǎn)換函數(shù)法等。這些方法的應(yīng)用為利用化石花粉記錄重建古植被與古環(huán)境提供了更加準(zhǔn)確的解釋。

4.1 基于線性的分析方法

主成分分析方法是探究現(xiàn)代花粉組合與植被關(guān)系的常用方法，主成分分析方法可以很好的對不同影響因子之下的物種進(jìn)行分類，秦鼎等[9]對滇東北的47個(gè)湖泊表層沉積物花粉數(shù)據(jù)進(jìn)行PCA分析，PCA分析結(jié)果顯示人類活動(dòng)和溫度是影響滇東北地區(qū)現(xiàn)代花粉組合的重要因素。李圓圓等[10]對江西南昌地區(qū)的表土和苔蘚樣品做花粉分析，結(jié)果顯示表土花粉組合能夠較好的反應(yīng)當(dāng)?shù)氐闹脖粻顩r，PCA分析表明濕度和人類活動(dòng)強(qiáng)度是控制南昌地區(qū)現(xiàn)代花粉雨分布的主要原因。主成分分析不僅利用在表土花粉之中，在利用化石花粉記錄重建古植被和古氣候的過程中也有十分廣泛的應(yīng)用。

降趨勢對應(yīng)分析是生態(tài)學(xué)常用的數(shù)量排序方法，經(jīng)常被用于比較不同植被類型花粉組合異同和確定花粉組合與植被和氣候之間的關(guān)系。許清海等[11]對中國北方草原區(qū)捕捉器樣品與表土樣品中的花粉組合進(jìn)行對比，應(yīng)用DCCA方法探討花粉組合與氣候之間的關(guān)系，分析結(jié)果表明，花粉組合與最冷月溫度的相關(guān)性最顯著，其次為年降水量。

4.2 基于非線性的分析方法

4.2.1 花粉-氣候響應(yīng)面分析法

花粉-氣候響應(yīng)面方法是基于花粉與氣候之間的非線性關(guān)系而提出的一種方法?；ǚ?氣候響應(yīng)面方法作為古氣候古環(huán)境重建的可靠方法，得到了越來越多的學(xué)者青睞，孫湘君等[12]也是利用不同植被類型下的215個(gè)表土花粉對中國北方地區(qū)進(jìn)行花粉-氣候響應(yīng)面分析，為定量重建古氣候提供了較為準(zhǔn)確的數(shù)量指標(biāo)，隨后王琫瑜等[13]對中國北方地區(qū)分布較廣生態(tài)指示意義較大的松屬、榿木屬、櫟屬、云杉屬四種喬木花粉與七月均溫和年降水量進(jìn)行花粉-氣候響應(yīng)面分析，上述所有研究都充分證明了利用花粉-氣候響應(yīng)面分析對古氣候進(jìn)行重建是可靠的。在以上研究的基礎(chǔ)上陳英玉等[14]以青藏高原東北部共和盆地達(dá)連海湖泊流域54個(gè)表土樣品中的花粉豐度及采樣點(diǎn)的氣候參數(shù)為基礎(chǔ)，選取指示意義較明顯的蒿屬、藜科、莎草科、禾本科4種花粉類型，對其豐度與7月均溫和年平均降水量進(jìn)行多項(xiàng)式回歸，其結(jié)果顯示花粉-氣候響應(yīng)面分析數(shù)據(jù)擬合較好，為青藏高原地區(qū)氣候重建提供了準(zhǔn)確的數(shù)量指標(biāo)。

4.2.2 最佳類比法

最佳類比法又稱現(xiàn)代類比法是定量重建古氣候的重要方法之一。該方法是通過非相似性距離計(jì)算化石樣品與現(xiàn)代樣品之間的相似程度，獲得與化石樣品最相似的一個(gè)或多個(gè)現(xiàn)代樣品，這一個(gè)或多個(gè)現(xiàn)代樣品即為化石樣品的最佳類比，最后將這些現(xiàn)代樣品的平均氣候參數(shù)視為化石樣品的古氣候參數(shù)。

Overpeck等最早將最佳類比法應(yīng)用于第四紀(jì)古氣候和古環(huán)境的定量重建中。大量的研究結(jié)果表明，只要現(xiàn)代花粉樣點(diǎn)數(shù)量豐富且分布相對均勻，且涵蓋各種代表性氣候條件情形下，采用最佳類比法能獲得較好的定量重建效果?；诂F(xiàn)代類比法進(jìn)行古氣候重建的方法在國際上已經(jīng)開展了大量的研究，孢粉學(xué)家應(yīng)用該方法用花粉重建了歐洲、北美、非洲、日本等地區(qū)晚更新世和全新世的古氣候演變情況。自20世紀(jì)90年代末現(xiàn)代類比法引入國內(nèi)，我國的孢粉學(xué)家應(yīng)用該方法做了大量的研究，李凡等[15]選取青藏高原28個(gè)樣點(diǎn)的化石花粉記錄和496個(gè)樣點(diǎn)的表土花粉數(shù)據(jù)采用現(xiàn)代類比法獲得各樣點(diǎn)的全新世氣溫系列，結(jié)果表明全新世青藏高原氣溫可劃分為3個(gè)階段，與其他學(xué)者重建的系列相比較，氣溫的總體趨勢基本一致。

4.2.3 轉(zhuǎn)換函數(shù)法

轉(zhuǎn)換函數(shù)法主要是利用表土花粉資料進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析，通過逐步回歸分析，建立花粉-氣候因子的轉(zhuǎn)換函數(shù)，再將轉(zhuǎn)換函數(shù)應(yīng)用于鉆孔的化石花粉資料中，進(jìn)而得到古氣候參數(shù)值。

20世紀(jì)60年代末，該方法開始應(yīng)用于表土花粉和氣候資料重建古氣候中。隨著對轉(zhuǎn)換函數(shù)法研究的不斷深入。近年來我國學(xué)者應(yīng)用轉(zhuǎn)換函數(shù)法對我國的很多地區(qū)都進(jìn)行了古氣候古環(huán)境的重建工作并取得了豐富的成果。宋長青等[16]以中國北方215個(gè)表土花粉中的13種主要的花粉類型與4種氣候參數(shù)為基礎(chǔ)資料建立花粉-氣候因子轉(zhuǎn)換函數(shù)對內(nèi)蒙中部調(diào)角海子DJ鉆孔巖芯的化石花粉10000-2100a.BP古氣候因子進(jìn)行重建。Shen等[17]對青藏高原地區(qū)來源于不同植被類型的227個(gè)現(xiàn)代花粉數(shù)據(jù)與氣象數(shù)據(jù)做典型對應(yīng)分析發(fā)現(xiàn)年降水量和7月均溫是控制青藏高原現(xiàn)代花粉雨變化的氣候參數(shù)，同時(shí)利用逆線性回歸和加權(quán)平均偏最小二乘法模型建立了年降水量和7月均溫花粉氣候轉(zhuǎn)換函數(shù)，并以青藏高原東部的一個(gè)高山湖泊化石花粉為例進(jìn)行重建，結(jié)果表明應(yīng)用花粉氣候傳遞函數(shù)重建古氣候是可靠的。

5 結(jié)束語

現(xiàn)階段經(jīng)過孢粉學(xué)者不斷的努力，生態(tài)學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等方面的融入使得利用現(xiàn)代花粉進(jìn)行古氣候和古植被的重建工作不斷的深入，構(gòu)建了多種基于線性和非線性的氣候重建方法，使得利用現(xiàn)代花粉重建較長時(shí)間尺度及較大區(qū)域范圍的古植被和古氣候的準(zhǔn)確度和精度得到了較大的提高。

但目前利用現(xiàn)代花粉重建古植被和古氣候的方法還存在有待改進(jìn)的問題：（1）不同的重建方法優(yōu)缺點(diǎn)及適用

的范圍有所差異;（2）現(xiàn)代花粉的采集過程中，對采樣點(diǎn)周圍的環(huán)境調(diào)查情況不夠深入，比如采樣點(diǎn)附近一定范圍的植被情況及該地區(qū)的氣候等方面的情況應(yīng)不斷的細(xì)化;（3）目前利用現(xiàn)代花粉重建古植被和古氣候的重建工作主要集中于歐美等地區(qū)，其它地區(qū)相對較少。孢粉學(xué)者應(yīng)考慮改進(jìn)現(xiàn)在的重建方法和模型等工作，以獲得更準(zhǔn)確的古植被和古氣候記錄，為全球的古植被和古氣候模擬工作及土地覆被情況提供重要的資料。

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