孢粉分析在第四紀環境演變研究中的應用

摘要:孢粉分析是利用地層中的孢粉組合直接恢復古植被，間接恢復古氣候的技術，與其他環境代用指標相比具有直觀和準確性，是研究古植被、古氣候、古地理的手段。隨著國內第四紀研究的不斷深入，孢粉分析日益受到重視。運用孢粉資料可以恢復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律，還可以研究海陸變遷、地殼運動、人地環境相互影響等問題。

關鍵詞:孢粉分析;第四紀;環境演變

中圖分類號:C93文獻標志碼:A文章編號:1673-291X(2010)04-0178-02

前言

植物分為孢子植物和種子植物，它們的繁殖細胞是孢子和花粉，統稱孢粉。植物孢粉產量大，抗酸堿，耐高溫，能在地層中長期保存。孢粉學應用廣泛，本文側重介紹其在國內第四紀環境演變中的應用。

第四紀以來的全球環境演變過程中，氣候起關鍵作用，當氣候發生變化時，動植物等都會隨之變化，并在地球上留下痕跡。獨特的氣候產生植物組合，而植物又是古氣候的指示劑，二者關系十分密切。

一、孢粉學研究簡史

17世紀，Grev和Molpighi對花粉進行過觀察。19世紀初，波爾研究過花粉的形態，并繪出175種植物的花粉圖，Mohl對花粉分類。最早對化石花粉進行觀察的是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。1937年，蘇聯馬爾科夫第一次用孢粉分析方法，解決第四紀地層問題。同年蘇聯格里丘克發明了重液浮選孢粉的方法，進一步解決從巖石中提取孢子花粉的問題。1943年G.Erdtman出版了第一本孢粉分析的書——《花粉分析入門》。1944年英國人Hyde和Williams提出孢粉學的名稱。A.Ibraham、Potonie和Kremp等人在化石孢粉分類方面提出各種方案，對化石孢粉研究起了推動作用。隨著國際科技水平的提高，孢粉學也獲得縱深的發展，廣泛應用于各學科領域 [1]。國內孢粉學起步較晚，解放后，這門學科蓬勃發展，應用于農業、地質等相關產業。

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，避免上下層位及現代花粉污染，天然剖面要除去風化的表面，采集應自下而上，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質，除去腐殖質;過濾掉植物殘體和無機碎屑;加入氫氟酸溶解細粒的硅質物，醋酸水解植物纖維和其他多糖;孢粉顆粒染色以便識別。可能需要用舒爾茨溶液除去木植物或木質素，盡可能除去樣品中的有機質組分。樣品中含孢粉的有機組分較少時，用溴化鋅之類的重液來分離有機和無機組分提取孢粉顆粒，在各分析階段，樣品要進行離心、富集，清洗掉溶液中的強堿、強酸。制備好的樣品放入有甘油酯或硅油介質的薄片上，以備鏡下觀察 [2]。

3.統計與解釋。孢粉鑒定完成后，還需要統計各類孢粉的數量并計算它們相互間數量關系。每個樣品所需統計的孢粉數量與研究目的有關，一般不少于150粒 [1]。孢粉統計結果由花粉圖式表達。

為了便于花粉資料的解釋，一般將花粉譜劃分為若干個花粉帶，劃帶的主要原則是一個帶內的花粉譜有一定的相似性，帶內花粉譜之間的差別小于帶之間的差別。

三、孢粉分析在第四紀環境演變中的應用

隨著第四紀環境演變研究逐漸深入，孢粉分析作為古植被直接代用指標和古氣候間接代用指標日益受到重視。中國第四紀孢粉學家在不同時間尺度上提高了研究水平。在10萬年時間尺度上，已突破了千年的間隔 [3]，在萬年尺度上突破了百年間隔，局部時段達到了50—60年的時間分辨率 [4]。

(一)孢粉分析與植被演變

第四紀冰期和間冰期的交替，導致海平面下降和上升，干旱區沙漠多次擴張收縮，新構造運動也使得某些高山高原大幅度的抬升，盆地和沿海平原沉降，黃土在整個大陸堆積。這些必然會引起全球范圍內植被的深刻變化，使得植物群落遷移、植被帶的分布發生變化。

1.植物群落的遷移。孢粉分析研究表明，第四紀時期植物群落曾多次發生大幅度遷移，植被帶的界限在水平方向移動十幾個緯度沿垂直方向上下移動1 000m～2 000m [5]。其規律是，冰期時植被帶由北向南遷移，或由高向低移動;間冰期時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。第四紀氣候波動引起全球大部分地區的植被發生演替變化。通過孢粉資料可以較好地反映各個時期的植被類型以及演替過程。周昆叔 [7]根據華北地區大量的孢粉分析資料，總結出這一區域冰期—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，還可以通過植被類型間接反映該地區當時的氣候，并與測年技術相結合得出研究區某一時期以來氣候演變時間序列以及氣候突變事件。張威等 [8]通過對拱王山沉積剖面的44個樣品進行孢粉分析，結果顯示，研究區自全新世以來共經歷五次較明顯的氣候波動。唐領余等 [9]對甘肅定西、秦安等地五個全新世黃土沉積剖面的袍粉記錄進行了分析。結果顯示，蘇家灣和大地灣剖面在全新世時期至少存在七次較明顯的氣候干寒事件。

(三)了解古人類活動對自然環境的影響

古人類生存依賴自然環境，人類活動也不斷地影響自然環境，孢粉資料作為古植被的直接代用指標很好地記錄了人類活動對自然環境的影響。許多研究區的孢粉組合顯示，陸地上的森林系統自有人類活動以來一直受到人類活動的影響。1941年Iversen通過孢粉分析發現，丹麥新石器時代先人曾經大量砍伐森林用以燒火取暖、建房避寒，開墾土地用以放牧和耕作;而人類活動消失之后，森林又重新出現 [10]。

四、孢粉分析在第四紀環境研究中的不足與展望

(一)孢粉分析的不足

1.對孢粉形態研究不夠。目前已研究的孢粉有幾萬種，而現代植物有20多萬種，僅相當于現代植物的很小部分 [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孢粉形態進行研究，但在一般光學顯微鏡下不少孢粉很難鑒定到種屬，從而對正確恢復古植被、再造古地理帶來困難。

2.孢粉自身因素。由于孢粉小，易于搬運且飄飛很遠，故對區分該地區植物和外來植物花粉帶來困難。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，對于全面而正確恢復植物群落受到一定影響。

3.人為因素。命名分類不統一會造成混亂，給研究工作帶來困難。野外采樣時易于混入現代花粉，試驗時碎樣、制片處理不當也會在一定程度上影響孢粉組合的組成。

(二)孢粉分析在第四紀環境研究中的展望

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

近些年國內的一些孢粉學者也在利用孢粉資料定量重建古氣候方面進行了嘗試，效果比較理想。如許清海 [11] 曾利用花粉—氣候因子轉換函數和氣候—花粉響應面模型進行古氣候重建，并與現在氣候比較，更直觀準確的反應了當時的氣候狀況，是孢粉分析技術在第四紀研究上的突破。

2.與其他環境替代指標相互校驗的趨勢。雖然近些年來孢粉分析技術發展迅速，但仍然存在局限性。例如，第四紀植被與現在比差異較大，一些植物種類已滅絕、孢粉本身因素以及自然環境與人為原因對孢粉譜的影響、孢粉種屬鑒定上相對于現代植被分類存在差距等。所以單一的指標鑒定會造成片面結果，因此必須與其他環境指標相互校驗才能準確地反應第四紀環境變化。如崔之久 [12]等曾在昆侖山埡口利用介形類分析、軟體動物化石、地球化學特征和孢粉資料四種古環境指標綜合分析了研究區第四紀以來的環境演變過程，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是可靠的測年和孢粉數據分析。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在必行。目前國內一些學者已著手建立中國第四紀孢粉數據庫(CPD)，并已初具規模。隨著孢粉數據庫的逐漸完善和顯微鏡技術不斷發展，第四紀孢粉屬種鑒定水平將會得到大幅度的提高。

結語

孢粉技術可以分析古植被的遷移與演替、重建古環境以及了解古人類對自然環境的影響，根據孢粉資料中出現的栽培作物花粉可推斷古代人類社會文明的起源與發展，分析農作物的空間分布與環境變化的耦合關系，與測年技術結合得出詳細的孢粉年代譜系表，了解每個歷史時期的植被演變與遷移過程，使我們更好地了解第四紀以來的植被與環境之間的變化關系。

參考文獻:

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[2][澳]M.A.J.Williams ，D.L.Dunkerley ，P.DeDeckker ，A.P.Kershaw ，T.J.Stokes.第四紀環境[M].劉東生，譯.北京:科學出版社，1997:114-127.

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[8]張威，崔之久，馮金良.云南拱王山冰蝕湖相沉積剖面全新世孢粉記錄與環境[J].地理與地理信息科學，2006，(1):109-112.

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[10]姜立征.孢粉分析與環境考古[J].生物學通報，1998，(7):2-4.

[11]許清海，陽小蘭，楊振京，梁文棟，孫黎明.孢粉分析定量重建燕山地區5000年來的氣候變化[J].地理科學，2004，(3):339-345.

[12]崔之久，伍永秋，葛道凱，劉耕年.昆侖山埡口地區第四紀環境演變[J].海洋地質與第四紀地質，1999，(1):53-62.