孢粉分析在第四紀(jì)環(huán)境演變研究中的應(yīng)用

摘要:孢粉分析是利用地層中的孢粉組合直接恢復(fù)古植被，間接恢復(fù)古氣候的技術(shù)，與其他環(huán)境代用指標(biāo)相比具有直觀和準(zhǔn)確性，是研究古植被、古氣候、古地理的手段。隨著國(guó)內(nèi)第四紀(jì)研究的不斷深入，孢粉分析日益受到重視。運(yùn)用孢粉資料可以恢復(fù)各種不同地貌單元上的植被、重建古氣候，從而推論古氣候的演變規(guī)律，還可以研究海陸變遷、地殼運(yùn)動(dòng)、人地環(huán)境相互影響等問(wèn)題。

關(guān)鍵詞:孢粉分析;第四紀(jì);環(huán)境演變

中圖分類(lèi)號(hào):C93文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號(hào):1673-291X(2010)04-0178-02

前言

植物分為孢子植物和種子植物，它們的繁殖細(xì)胞是孢子和花粉，統(tǒng)稱(chēng)孢粉。植物孢粉產(chǎn)量大，抗酸堿，耐高溫，能在地層中長(zhǎng)期保存。孢粉學(xué)應(yīng)用廣泛，本文側(cè)重介紹其在國(guó)內(nèi)第四紀(jì)環(huán)境演變中的應(yīng)用。

第四紀(jì)以來(lái)的全球環(huán)境演變過(guò)程中，氣候起關(guān)鍵作用，當(dāng)氣候發(fā)生變化時(shí)，動(dòng)植物等都會(huì)隨之變化，并在地球上留下痕跡。獨(dú)特的氣候產(chǎn)生植物組合，而植物又是古氣候的指示劑，二者關(guān)系十分密切。

一、孢粉學(xué)研究簡(jiǎn)史

17世紀(jì)，Grev和Molpighi對(duì)花粉進(jìn)行過(guò)觀察。19世紀(jì)初，波爾研究過(guò)花粉的形態(tài)，并繪出175種植物的花粉圖，Mohl對(duì)花粉分類(lèi)。最早對(duì)化石花粉進(jìn)行觀察的是C.G.Ehrenberg，花粉分析的奠基人是瑞典的Lennaut Von Post，他首次計(jì)算花粉的百分含量，制作孢粉圖表和不同植物的花粉代表符號(hào)。1937年，蘇聯(lián)馬爾科夫第一次用孢粉分析方法，解決第四紀(jì)地層問(wèn)題。同年蘇聯(lián)格里丘克發(fā)明了重液浮選孢粉的方法，進(jìn)一步解決從巖石中提取孢子花粉的問(wèn)題。1943年G.Erdtman出版了第一本孢粉分析的書(shū)——《花粉分析入門(mén)》。1944年英國(guó)人Hyde和Williams提出孢粉學(xué)的名稱(chēng)。A.Ibraham、Potonie和Kremp等人在化石孢粉分類(lèi)方面提出各種方案，對(duì)化石孢粉研究起了推動(dòng)作用。隨著國(guó)際科技水平的提高，孢粉學(xué)也獲得縱深的發(fā)展，廣泛應(yīng)用于各學(xué)科領(lǐng)域 [1]。國(guó)內(nèi)孢粉學(xué)起步較晚，解放后，這門(mén)學(xué)科蓬勃發(fā)展，應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、地質(zhì)等相關(guān)產(chǎn)業(yè)。

二、孢粉分析方法

1.采樣。孢粉樣品可以采自天然剖面或鉆孔巖心，避免上下層位及現(xiàn)代花粉污染，天然剖面要除去風(fēng)化的表面，采集應(yīng)自下而上，巖心要去掉表層以免污染。

2.提取與鑒定。加入氫氧化鉀分解有機(jī)質(zhì)，除去腐殖質(zhì);過(guò)濾掉植物殘?bào)w和無(wú)機(jī)碎屑;加入氫氟酸溶解細(xì)粒的硅質(zhì)物，醋酸水解植物纖維和其他多糖;孢粉顆粒染色以便識(shí)別。可能需要用舒爾茨溶液除去木植物或木質(zhì)素，盡可能除去樣品中的有機(jī)質(zhì)組分。樣品中含孢粉的有機(jī)組分較少時(shí)，用溴化鋅之類(lèi)的重液來(lái)分離有機(jī)和無(wú)機(jī)組分提取孢粉顆粒，在各分析階段，樣品要進(jìn)行離心、富集，清洗掉溶液中的強(qiáng)堿、強(qiáng)酸。制備好的樣品放入有甘油酯或硅油介質(zhì)的薄片上，以備鏡下觀察 [2]。

3.統(tǒng)計(jì)與解釋。孢粉鑒定完成后，還需要統(tǒng)計(jì)各類(lèi)孢粉的數(shù)量并計(jì)算它們相互間數(shù)量關(guān)系。每個(gè)樣品所需統(tǒng)計(jì)的孢粉數(shù)量與研究目的有關(guān)，一般不少于150粒 [1]。孢粉統(tǒng)計(jì)結(jié)果由花粉圖式表達(dá)。

為了便于花粉資料的解釋?zhuān)话銓⒒ǚ圩V劃分為若干個(gè)花粉帶，劃帶的主要原則是一個(gè)帶內(nèi)的花粉譜有一定的相似性，帶內(nèi)花粉譜之間的差別小于帶之間的差別。

三、孢粉分析在第四紀(jì)環(huán)境演變中的應(yīng)用

隨著第四紀(jì)環(huán)境演變研究逐漸深入，孢粉分析作為古植被直接代用指標(biāo)和古氣候間接代用指標(biāo)日益受到重視。中國(guó)第四紀(jì)孢粉學(xué)家在不同時(shí)間尺度上提高了研究水平。在10萬(wàn)年時(shí)間尺度上，已突破了千年的間隔 [3]，在萬(wàn)年尺度上突破了百年間隔，局部時(shí)段達(dá)到了50—60年的時(shí)間分辨率 [4]。

(一)孢粉分析與植被演變

第四紀(jì)冰期和間冰期的交替，導(dǎo)致海平面下降和上升，干旱區(qū)沙漠多次擴(kuò)張收縮，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)也使得某些高山高原大幅度的抬升，盆地和沿海平原沉降，黃土在整個(gè)大陸堆積。這些必然會(huì)引起全球范圍內(nèi)植被的深刻變化，使得植物群落遷移、植被帶的分布發(fā)生變化。

1.植物群落的遷移。孢粉分析研究表明，第四紀(jì)時(shí)期植物群落曾多次發(fā)生大幅度遷移，植被帶的界限在水平方向移動(dòng)十幾個(gè)緯度沿垂直方向上下移動(dòng)1 000m～2 000m [5]。其規(guī)律是，冰期時(shí)植被帶由北向南遷移，或由高向低移動(dòng);間冰期時(shí)植被帶向北或向高山遷移。如末次冰期，植被群落南撤，南海北部沿海大陸地區(qū)古植被突出特征為山地針葉林、常綠闊葉林與草原之間的頻繁交替。全新世暖期后，該區(qū)則還原為常綠闊葉林、熱帶雨林以及熱帶季雨林景觀 [6]。

2.由于冰期間冰期氣候變化而引起的植被演替。第四紀(jì)氣候波動(dòng)引起全球大部分地區(qū)的植被發(fā)生演替變化。通過(guò)孢粉資料可以較好地反映各個(gè)時(shí)期的植被類(lèi)型以及演替過(guò)程。周昆叔 [7]根據(jù)華北地區(qū)大量的孢粉分析資料，總結(jié)出這一區(qū)域冰期—間冰期氣候旋回中植被演替的基本特征。

(二)孢粉分析與氣候環(huán)境演化

孢粉分析可以再造不同地貌的植被景觀，還可以通過(guò)植被類(lèi)型間接反映該地區(qū)當(dāng)時(shí)的氣候，并與測(cè)年技術(shù)相結(jié)合得出研究區(qū)某一時(shí)期以來(lái)氣候演變時(shí)間序列以及氣候突變事件。張威等 [8]通過(guò)對(duì)拱王山沉積剖面的44個(gè)樣品進(jìn)行孢粉分析，結(jié)果顯示，研究區(qū)自全新世以來(lái)共經(jīng)歷五次較明顯的氣候波動(dòng)。唐領(lǐng)余等 [9]對(duì)甘肅定西、秦安等地五個(gè)全新世黃土沉積剖面的袍粉記錄進(jìn)行了分析。結(jié)果顯示，蘇家灣和大地灣剖面在全新世時(shí)期至少存在七次較明顯的氣候干寒事件。

(三)了解古人類(lèi)活動(dòng)對(duì)自然環(huán)境的影響

古人類(lèi)生存依賴(lài)自然環(huán)境，人類(lèi)活動(dòng)也不斷地影響自然環(huán)境，孢粉資料作為古植被的直接代用指標(biāo)很好地記錄了人類(lèi)活動(dòng)對(duì)自然環(huán)境的影響。許多研究區(qū)的孢粉組合顯示，陸地上的森林系統(tǒng)自有人類(lèi)活動(dòng)以來(lái)一直受到人類(lèi)活動(dòng)的影響。1941年Iversen通過(guò)孢粉分析發(fā)現(xiàn)，丹麥新石器時(shí)代先人曾經(jīng)大量砍伐森林用以燒火取暖、建房避寒，開(kāi)墾土地用以放牧和耕作;而人類(lèi)活動(dòng)消失之后，森林又重新出現(xiàn) [10]。

四、孢粉分析在第四紀(jì)環(huán)境研究中的不足與展望

(一)孢粉分析的不足

1.對(duì)孢粉形態(tài)研究不夠。目前已研究的孢粉有幾萬(wàn)種，而現(xiàn)代植物有20多萬(wàn)種，僅相當(dāng)于現(xiàn)代植物的很小部分 [1]。因此在地層中碰到的一些花粉或孢子有時(shí)很難正確鑒定到種屬，雖然目前已采用了掃描電鏡和超微切片的方法對(duì)孢粉形態(tài)進(jìn)行研究，但在一般光學(xué)顯微鏡下不少孢粉很難鑒定到種屬，從而對(duì)正確恢復(fù)古植被、再造古地理帶來(lái)困難。

2.孢粉自身因素。由于孢粉小，易于搬運(yùn)且飄飛很遠(yuǎn)，故對(duì)區(qū)分該地區(qū)植物和外來(lái)植物花粉帶來(lái)困難。不同的植物花粉含量不一，有的孢粉外壁較薄或因外界影響，難于在地層中保存。因此，對(duì)于全面而正確恢復(fù)植物群落受到一定影響。

3.人為因素。命名分類(lèi)不統(tǒng)一會(huì)造成混亂，給研究工作帶來(lái)困難。野外采樣時(shí)易于混入現(xiàn)代花粉，試驗(yàn)時(shí)碎樣、制片處理不當(dāng)也會(huì)在一定程度上影響孢粉組合的組成。

(二)孢粉分析在第四紀(jì)環(huán)境研究中的展望

1.定量化趨勢(shì)。利用孢粉資料定量重建第四紀(jì)古氣候具有直接性和可靠性，在環(huán)境演變研究中具有不可替代的作用，一直以來(lái)受到世界各國(guó)孢粉學(xué)家的重視。

近些年國(guó)內(nèi)的一些孢粉學(xué)者也在利用孢粉資料定量重建古氣候方面進(jìn)行了嘗試，效果比較理想。如許清海 [11] 曾利用花粉—?dú)夂蛞蜃愚D(zhuǎn)換函數(shù)和氣候—花粉響應(yīng)面模型進(jìn)行古氣候重建，并與現(xiàn)在氣候比較，更直觀準(zhǔn)確的反應(yīng)了當(dāng)時(shí)的氣候狀況，是孢粉分析技術(shù)在第四紀(jì)研究上的突破。

2.與其他環(huán)境替代指標(biāo)相互校驗(yàn)的趨勢(shì)。雖然近些年來(lái)孢粉分析技術(shù)發(fā)展迅速，但仍然存在局限性。例如，第四紀(jì)植被與現(xiàn)在比差異較大，一些植物種類(lèi)已滅絕、孢粉本身因素以及自然環(huán)境與人為原因?qū)︽叻圩V的影響、孢粉種屬鑒定上相對(duì)于現(xiàn)代植被分類(lèi)存在差距等。所以單一的指標(biāo)鑒定會(huì)造成片面結(jié)果，因此必須與其他環(huán)境指標(biāo)相互校驗(yàn)才能準(zhǔn)確地反應(yīng)第四紀(jì)環(huán)境變化。如崔之久 [12]等曾在昆侖山埡口利用介形類(lèi)分析、軟體動(dòng)物化石、地球化學(xué)特征和孢粉資料四種古環(huán)境指標(biāo)綜合分析了研究區(qū)第四紀(jì)以來(lái)的環(huán)境演變過(guò)程，并劃分出了一系列的冰期。

3.提高孢粉鑒定屬種水平。重建古植被最重要的基礎(chǔ)是可靠的測(cè)年和孢粉數(shù)據(jù)分析。由于目前的孢粉研究不夠，地層中的一些孢粉很難鑒定到種屬，這為孢粉分析重建古植被、古氣候造成阻礙，提高孢粉鑒定水平勢(shì)在必行。目前國(guó)內(nèi)一些學(xué)者已著手建立中國(guó)第四紀(jì)孢粉數(shù)據(jù)庫(kù)(CPD)，并已初具規(guī)模。隨著孢粉數(shù)據(jù)庫(kù)的逐漸完善和顯微鏡技術(shù)不斷發(fā)展，第四紀(jì)孢粉屬種鑒定水平將會(huì)得到大幅度的提高。

結(jié)語(yǔ)

孢粉技術(shù)可以分析古植被的遷移與演替、重建古環(huán)境以及了解古人類(lèi)對(duì)自然環(huán)境的影響，根據(jù)孢粉資料中出現(xiàn)的栽培作物花粉可推斷古代人類(lèi)社會(huì)文明的起源與發(fā)展，分析農(nóng)作物的空間分布與環(huán)境變化的耦合關(guān)系，與測(cè)年技術(shù)結(jié)合得出詳細(xì)的孢粉年代譜系表，了解每個(gè)歷史時(shí)期的植被演變與遷移過(guò)程，使我們更好地了解第四紀(jì)以來(lái)的植被與環(huán)境之間的變化關(guān)系。

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