譜寫“孢粉”音樂，演奏“自然”奧秘

龐貝

苔花如米小，也學(xué)牡丹開。孢粉（孢子和花粉），這些生于“苔花”、在自然界中司空見慣的微小顆粒，卻如一個(gè)個(gè)神奇的鋼琴鍵子，在“似錦繁花”中幻化出美妙的音符，演奏著生命與自然的奧秘。

中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院的苗運(yùn)法研究員及其團(tuán)隊(duì)，長期“撥弄”這些琴鍵，經(jīng)過近20年的不懈堅(jiān)持，已經(jīng)在孢粉的方法學(xué)創(chuàng)新、新指標(biāo)獲取、過去氣候環(huán)境變化和高原海拔定量重建等方面取得了較為系統(tǒng)性的成果，演奏出專屬孢粉的最美華章。

注重瓶頸問題解決，提升孢粉“琴鍵”音準(zhǔn)

作為植物的生殖體，孢粉具有產(chǎn)量大、易保存等優(yōu)點(diǎn)，能夠較長久地保存在沉積物中，常作為解讀過去氣候環(huán)境變化的“鑰匙”。然而在孢粉學(xué)研究中，獲取達(dá)到統(tǒng)計(jì)量的孢粉顆粒是研究的前提。傳統(tǒng)研究中，常采用加大沉積物樣品量的方法提升孢粉統(tǒng)計(jì)數(shù)量，但這會顯著增加時(shí)間成本和孢粉損耗率，如多次人工換水會增加孢粉丟失的風(fēng)險(xiǎn)等。針對該問題，苗運(yùn)法研究團(tuán)隊(duì)先后研制了自動換水和攪拌裝置，有效縮短提取時(shí)間并提高了成功率，為盡可能獲取地層孢粉提供了技術(shù)保障，并有利于對地層孢粉沉積與保存問題的理解。

同時(shí)，針對學(xué)界關(guān)于雙氣囊花粉長距離搬運(yùn)影響局地孢粉組合的疑問，研究團(tuán)隊(duì)專門研發(fā)了空氣孢粉收集裝置，于2019年開始陸續(xù)布設(shè)于西北內(nèi)陸地區(qū)，并開展每月一次、多方位、大空間（單次行程長達(dá)5000千米）的連續(xù)收集觀測研究，為有效回應(yīng)質(zhì)疑提供了大量的一手?jǐn)?shù)據(jù)資料。

此外，團(tuán)隊(duì)研發(fā)了針對在孢粉提取方法中獲取的微炭屑的自動識別技術(shù)，解決了以往研究中存在的目視鑒定耗時(shí)長且參數(shù)簡單，僅統(tǒng)計(jì)總量、大小和基本形狀等的弊端，為快速、全面地描述微炭屑參數(shù)進(jìn)而較好理解野火特征提供了技術(shù)支撐。

上述工作，攻克了孢粉提取效率低、遠(yuǎn)源孢粉影響評估難以及微炭屑統(tǒng)計(jì)慢和指標(biāo)體系單薄的瓶頸問題，借助這些新的方法為有效提升孢粉“鍵子”的音準(zhǔn)夯實(shí)了基礎(chǔ)，讓研究團(tuán)隊(duì)能夠更好地“演奏”自然奧秘之音。

圍繞上述工作，苗運(yùn)法研究團(tuán)隊(duì)獲得了孢粉學(xué)相關(guān)的授權(quán)發(fā)明專利和實(shí)用新型專利各3項(xiàng)，在全球孢粉相關(guān)專利授權(quán)量位居前列。目前，全部專利已免費(fèi)推廣到多家科研單位。同時(shí)，該成果也為國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“荒漠化對氣候變化的響應(yīng)與反饋及其生態(tài)效應(yīng)”和自然資源部科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)成果“中國東部典型平原區(qū)第四紀(jì)地質(zhì)調(diào)查與研究工作示范”提供了支撐。

揭示亞洲內(nèi)陸變干趨勢，闡釋孢粉“音樂經(jīng)典”

孢粉提取和收集及識別能力的提高，使其演奏“孢粉重建植被和環(huán)境變化研究”的音樂在苗運(yùn)法團(tuán)隊(duì)的研究中日益明晰起來。在隨后的“作曲”中，團(tuán)隊(duì)以植被—生態(tài)—?dú)夂驗(yàn)橹骶€，獲得了多條大空間野火、植被演化記錄，利用晚新生代18 Ma（百萬年）以來青藏高原東北部、東南亞和東北亞的微體炭屑-野火持續(xù)增加的記錄，揭示了亞洲存在氣候持續(xù)變干的基本趨勢；輔以孢粉百分含量、孢粉濃度和特征孢粉等多種孢粉-植被記錄以及更大空間的綜合集成揭示干旱化趨勢，進(jìn)一步從水汽“源—匯”角度深化晚新生代以來亞洲內(nèi)陸干旱化主要受到全球冰量驅(qū)動的動力學(xué)機(jī)制。

圍繞該部分工作，苗運(yùn)法以第一作者或通訊作者發(fā)表論文12篇，其中，微體炭屑發(fā)文量和H指數(shù)均屬于全球領(lǐng)先，以第一作者發(fā)表的兩篇論文位列INCITES學(xué)科領(lǐng)域前10%，起到了開創(chuàng)和引領(lǐng)作用。在孢粉學(xué)—古氣候環(huán)境領(lǐng)域全球發(fā)文量和H指數(shù)均位居前十。

原創(chuàng)孢粉古高度計(jì)，演奏“青藏高原隆升”天籟之音

新生代青藏高原隆升過程對理解其氣候環(huán)境效應(yīng)，如亞洲內(nèi)陸干旱環(huán)境演化和生物多樣性形成等具有重要意義。作為構(gòu)造隆升最直觀的體現(xiàn)——海拔的定量重建，常因代用指標(biāo)機(jī)理的復(fù)雜性及所選用研究材料形成環(huán)境的嚴(yán)苛性，而導(dǎo)致結(jié)果差異較大且不連續(xù)，至今仍未形成對高原隆升古高度演化歷史的統(tǒng)一認(rèn)識。因此，如何獲取可以相互校驗(yàn)的、連續(xù)的海拔定量重建序列成為解決上述科學(xué)問題的核心難點(diǎn)。

植物生長與分布主要受環(huán)境水熱組合調(diào)控，對氣候和海拔變化的響應(yīng)極其敏感。孢粉常被用作解讀過去氣候環(huán)境變化的“鑰匙”，但其在古海拔重建方面的潛力尚未被深度挖掘?；诖?，苗運(yùn)法研究員及其合作團(tuán)隊(duì)借助3088個(gè)現(xiàn)代表層孢粉樣本，創(chuàng)新性地選取了與海拔密切相關(guān)的四類山地針葉類型（鐵杉屬、羅漢松屬、冷杉屬和云杉屬），建立了（鐵杉屬%+羅漢松屬%）/（上述四類針葉樹總和%）比值（簡稱TP/TPAP）與中值海拔（即盆地到山頂?shù)闹虚g海拔）的定量轉(zhuǎn)換方法，同時(shí)依據(jù)地層中提取的上述四類孢粉的比值，定量重建了青藏高原東北部16 Ma以來東、西兩組平行的海拔演化序列，量化了高原局部隆升對區(qū)域氣候變干和高原生物多樣性形成的作用。

進(jìn)一步研究中，團(tuán)隊(duì)定量評估了高原東北部隆升對青藏高原及其周邊地區(qū)氣候影響，發(fā)現(xiàn)如果青藏高原東北部降低到現(xiàn)在海拔的1/3，該區(qū)域年降水量則減少50%以上，而高原南部喜馬拉雅山和東南部的橫斷山區(qū)，降水量則分別增加50%和150%。這一認(rèn)識與柴達(dá)木盆地西部耐旱植物孢粉含量增加以及粗骨魚出現(xiàn)指示的氣候變干相吻合。而在喜馬拉雅山和橫斷山區(qū)，由于降水量的顯著增加和高地形的存在，支撐了該區(qū)域豐富的生物多樣性。該項(xiàng)研究表明，青藏高原東北部隆升產(chǎn)生的氣候效應(yīng)顯著影響了青藏高原地區(qū)的氣候和生物演化。

研究成果于2022年12月發(fā)表在國際頂級期刊Science上，隨后得到了美國科學(xué)促進(jìn)會、《科技日報(bào)》、中國科技網(wǎng)等十多家國內(nèi)外主流媒體報(bào)道，并得到了國家領(lǐng)導(dǎo)人批示，是繼多種西方主導(dǎo)的古海拔重建方法之后由我國主導(dǎo)的新的原創(chuàng)性工作，奠定了孢粉學(xué)在海拔定量重建研究中的地位，引領(lǐng)了孢粉學(xué)的研究方向。該研究已被專攻高原隆升的研究團(tuán)隊(duì)引用，為構(gòu)建高原東北部地殼縮短和增厚模型提供了有效證據(jù)。

這些成果充分展示了孢粉學(xué)的優(yōu)勢，為“構(gòu)造—?dú)夂蛳嗷プ饔谩碧峁┝说湫蛯?shí)例。

孢粉學(xué)在發(fā)展，苗運(yùn)法研究員所帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)也在逐步地成長，他本人在2023年獲得了國家自然科學(xué)基金委“杰青”項(xiàng)目資助，團(tuán)隊(duì)成員也陸續(xù)獲得了國家自然科學(xué)基金委“青年”和“面上”項(xiàng)目及“中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會”的資助?？茖W(xué)探索的腳步永不停歇，希望苗運(yùn)法及其團(tuán)隊(duì)更上一層樓，譜寫出屬于孢粉學(xué)特有的華彩樂章。

責(zé)編/馬銘陽