中國孢粉學研究進展

黃文

【摘 要】本文簡述了中國孢粉學研究自20世紀50年代開端至今六十多年的研究進展，重點列舉了中國孢粉學在第四紀孢粉學、應用孢粉學和海洋孢粉學等方面所取得的成就和研究進展及相關實驗方法。第四紀孢粉庫的建立為第四紀孢粉研究奠定了基礎，青藏高原東部、北方地區（內蒙古高原）、黃土高原、南方地區研究成果豐碩。應用孢粉學對研究油氣形成原始物質、植物分類、環境科學研究、農業、醫學、考古學等方面也發揮著重要的作用。我國關于深海孢粉學的研究地區主要集中在東海的沖繩海槽和南海的大陸坡。

【關鍵詞】孢粉學；研究進展；中國；第四紀

0 前言

孢粉學的名稱是1944年英國人赫頓（Hyde）和威廉姆斯（Williams）等提出的，研究現代植物孢子花粉和地層中有機壁微體化石—孢粉和其他孢型的形態分類及其應用的一門學科，主要包括苔蘚類、蕨類孢子和種子植物的花粉，有時人們也把一些個體很小的植物體如藻類和菌類也作為孢粉學的研究對象[1]。

孢粉學研究的內容主要包括兩個方面：通過對比兩處含相似孢粉組合的層位，確定地層時代和地層劃分，為尋找煤、石油等礦產資源提供依據。通過分析確定孢子和花粉在形態、結構和化學成分等方面定性或定量的特征確定地層沉積時期的植被，從而分析地質時期植被的演化規律和趨勢，為恢復古環境演變提供可能。由于植物孢子花粉具有產量大，孢粉壁易保存，體積小易被搬運，因此地球表面含有豐富的孢粉，獲得了孢粉量方面的資料可精準的分析和解釋植物群的性質，植物的生長會受到氣候、地形、土壤等的影響，因此分析孢粉資料可再造古植被，恢復古地理、古氣候、古環境，預測未來環境變化[2-3]。

1 研究進展

中國孢粉學研究開始與20世紀30年代，丁骕介紹了孢粉在泥炭、湖相沉積和煤的分析方法，以及在地層中的具體應用（丁骕，1938），但真正開始與20世紀50年代，在徐仁（1950）、宋之琛（1958）、歐陽舒（1962）等老一輩孢粉學工作者的努力下取得了一系列成果，為中國孢粉的開展奠定了基礎。中國早期的孢粉研究主要是為社會生產服務的，主要方便進行石油、煤田勘探，查找鋁、鐵、金、鉆石等礦產資源，而后主要是恢復過去植被的演化規律和趨勢及其恢復古環境。中國孢粉學的發展歷程可分為三個階段，20世紀50年代-20世紀70年代末為探索時期，主要借鑒瑞典、英國、蘇聯等國已有的孢粉學工作經驗，進行一些基礎性研究，如現代孢粉形態、植被與花粉的傳播、以及空氣花粉等，應用于石油和煤炭勘探，地質、海洋和冶金調查。20世紀70年代末-21世紀末為成熟時期，主要開展一些綜合性研究和區域性總結工作，同時加強了與其他相關學科的聯系。21世紀初至今為國際融合期，逐漸與國際相接軌，與相關學科的結合更加緊密[4]。

孢粉學研究內容廣泛，產生了許多分支科學，不同學者根據不同的角度和需要分類都不同，王開發，王憲曾（1983）[2]將其概括為基礎研究和應用研究兩個方面，基礎研究包括孢粉形態學、孢粉生理學和孢粉化學；其中孢粉形態學可細分為現代孢粉形態學和化石孢粉形態學。應用研究包括地層孢粉學、石油孢粉學、海洋孢粉學、考古孢粉學、農業孢粉學、醫學孢粉學等，其中地層孢粉學再細分為前寒武紀孢粉學、古生代孢粉學、中生代孢粉學、第三紀孢粉學和第四紀孢粉學。劉炳侖（1988）將其概括為兩大分支：孢粉形態學和孢粉分析。孢粉形態學包括農林孢粉學、蜂蜜孢粉學、醫學孢粉學、司法孢粉學。孢粉分析包括蜂蜜孢粉學、醫學孢粉學、司法孢粉學、大氣孢粉學、糞便孢粉學、海洋孢粉學、第四紀孢粉學以及原油孢粉學。[5]隨著國內外交流合作的不斷進行，中國孢粉學在許多分支上取得了較好的成就。下面主要就第四紀孢粉學、應用孢粉學等幾個分支做出介紹。

1.1 第四紀孢粉學

20世紀20年代開始，國外學者通過孢粉分析來建立第四紀地層單元和重建區域植被的變化（Huntley and Birks，1983；Delcourt and Delcourt，1991），并且被J.J.Lowe，M.J.C.Walker（1995）等認為是第四紀古環境要素重建的所有方法中最可行的一種方法[6]。中國第四紀植物孢粉主要屬于泛北極植物區系，后來隨著氣候環境的變化而分異演變[7]。

孢粉研究的基礎前提是具備高質量和準確的孢粉資料，因此孢粉庫的建立刻不容緩。1995年中國第四紀孢粉數據庫建立，收集了半個世紀以來我國孢粉學家累積的成果（孫湘君等，1999，中國第四紀孢粉數據庫小組，2001）。有關專家學者呼吁建立其他重要地質年代如第三紀，晚更新世以來的孢粉數據庫，這也將是孢粉學家以后不可忽略的基礎工作。我國孢粉采樣地點遍布全國，倪健等（2010年）總結中國第四紀晚期孢粉記錄，對孢粉采樣點信息進行分類，其中中國表土/湖泊表層花粉采樣點有2324個，主要集中在青藏高原東部、北方地區（內蒙古高原）、黃土高原、南方地區；沉積物鉆孔或剖面采樣點987個，主要集中在西藏、青海、內蒙古、甘肅、黑龍江、新疆、江蘇、廣東等省份和自治區。[8]

在一些學者的努力下這些重點研究區域的孢粉研究取得了可喜的成就，如楊惠秋等采用格里丘克分離法、鎘重液法分析青海湖盆地新生代地層[9]；周曙等利用太湖東北側4個鉆孔的孢粉分析，14C和古地磁測試，同時結合鈣質超微化石、介形類和有孔蟲所確定的海侵地層，此外再參照長江下游相關資料，對12.7—1.5萬年以來的4個孢粉帶作了較深入的環境探討[10]；潘安定等根據近年來的抱粉研究成果，闡述了蘭州地區第四紀抱粉植物群的主要類型及其演替特征，同時對存在的向題和進一步的研究提出了看法和建議[11]，童國榜等利用用數字濾波方法，對昆明盆地l號孔的抱粉時間序列進行了波動特征的研究，顯示植物演變存在著四種顯著的周期，還將三通濾波曲線與氣候波動、深海氧同位素及地球軌道偏心率曲線加以對比，結果證明可比性很好[12]；劉會平等運用對應分析方法研究滬、杭、蘇地區三個文化遺址孢粉與氣候的關系。結果顯示，馬家浜文化期和崧澤文化期比較溫暖潮濕，良渚文化期相對涼爽[13]；吳國瑄等利用柴達木盆地西北部的第四紀沉積物中包含的植物花粉確定該地經歷了5個寒冷期[14]。鄭卓等利用中國建群植物數字化的地理分布數據與中國表土樣品的1860個花粉數據與氣候進行插值分析，結果顯示絕大多數表土花粉含量的氣候指示性與建群植物地理分布的氣候區間是相吻合的，但也有部分花粉的指示存在偏移，這位全球生態學、古氣候學及第四紀環境研究提供了重要的數據和參考[36]。同時我國古生物群區的制圖工作也開始展開，在中國北方建立了花粉-氣候轉換函數、氣候-花粉響應面模型。高分辨率時間序列研究取得重要進展，10萬年時間尺度上突破了千年的間隔[15]，萬年尺度上突破了百年間隔，局部時段達到了50～60年的分辨率[16]。

孢粉分析方法不斷與時俱進，張佳華等（1997）以北京墳莊剖面為例利用主成分分析法對過去植被和環境作用進行在分析，有效消除了因主觀原因對同一孢粉譜的分帶差異[17]，這對以后更加深入了解植被演替和環境演變并且準確預測未來氣候的變化提供了很好的方法。劉會平等（1998）運用對應分析方法研究滬、杭、蘇地區三個文化遺址孢粉與氣候的關系，選取那些最具代表性又有環境指示意義的孢粉作為變量[13]。李育、王乃昂等（2007年）選取74個中國北方不同沉積相的沉積物樣品通過對同一種樣品進行不同的處理方法并對比，得出黃土及古土壤中的孢粉提取用氫氟酸篩選法效果最佳；湖泊沉積物孢粉提取用氫氟酸法最佳，而干旱區含砂量較高湖泊沉積物及風成砂樣品需要配合重液浮選法；泥炭、沼澤中孢粉提取應采用重液浮選法配合篩選法；考古點文化層沉積物孢粉采用重液浮選法并將重液浮選出的樣品配合氫氟酸處理更佳；表土樣品采用無酸堿重液懸浮法（2007）[18]。

1.2 應用孢粉學

孢粉分析除在恢復古植被恢復古環境演變方面發揮作用外，在油氣形成原始物質、植物分類、環境科學研究、農業、醫學、考古學等方面也發揮著重要的作用。國內外許多學者從不同角度研究植物是母油的主要來源。伍哈特（1923）在位于美國肯塔基晚泥盆世俄亥俄頁巖下部的黑色和灰色頁巖中，發現可能與石松科有親緣關系的大孢子和藻類的葉狀體，經化學分析，指出這些植物都是形成石油的母質。散德斯（1937）對原油進行分析，得到孢子和單細胞藻類化石，分析認為這些孢子和藻類化石為石油的形成提供了蠟質、脂肪質或油質分泌物而殘留抗腐蝕的外壁。孢粉壁有孢粉素和纖維素組成[19]，布魯克斯和休斯（1972）研究指出孢粉外壁的孢粉素均由胡蘿卜素和胡蘿卜素酯的氧化共聚物組成，石油組分的自然來源之一就包括脂肪酸、類胡蘿卜素，此外孢粉的木質素衍生物還參與了油瀝青和干酪根的芳族部分的形成。干酪根通常占其有機質的80%-90%，其余都是瀝青。王開發等（1983）對向日葵、松、玉米、楓樹、白皮松、貫眾、水麻柳等的現代孢粉進行熱模擬實驗，結果證明孢粉能生成石油[20]。

蜂蜜孢粉學主要是通過對分析蜂蜜中的花粉及比較蜜源植物花粉形態確認蜂蜜的來源、產地和種類。國外蜂蜜孢粉學研究開始于19世紀末期，最開始是在瑞士、法國和北歐一些國家中進行的，隨后歐洲、美洲、亞洲的許多國家也開始陸續展開研究，Jato 等（1991）對西班牙西北部奧倫賽地區94個蜂蜜樣品進行了定量的孢粉分析，確定了該地區主要的蜜源植物有歐洲板栗（Castanea sativa Mill）、懸鉤子屬（Rubus spp.）、百脈根（Lotus corniculatus Linn.）和杜鵑花科（Ericaceae）[21]。Floris等（1996）對150個撒丁蜂蜜（包括87個多花蜜和63個單花蜜）進行了定量的花粉分析，確定了通過檢測蜂蜜中花粉的絕對數目確定撒丁蜂蜜等級的方法[22]。劉炳侖（2001）觀察研究了春夏秋冬44種主要蜜源植物的花粉形態，同時還觀察了國產柿屬（Diospyros）1屬18種1變種蜜源植物及其花粉形態[23-24]。空氣孢粉學主要研究植物的花粉及孢子在空氣中的含量及其傳播問題，能很好的證明不同時空尺度所表現出來的生物學或氣候學事件。

空氣孢粉學的研究最早開始于醫學，鮑克托（1819）提出枯草熱病是有花粉引起的，艾利奧（1873）桑專門研究牧草花粉與花粉癥的關系，威曼（1954）指出豚草花粉是主要致敏源之一。Cour等人利用從北極圈至赤道以南27個國家建立的150多個空氣孢粉站定期收集和分析空氣中的孢粉，對北歐至南非、俄羅斯至印度、中國的表土孢粉塵進行研究。通過對空氣孢粉組成及其濃度的監測，可以了解植物分布區的變化，從而反饋氣候（溫度、降水）的變化，還可根據作物花旗空氣中的花粉濃度直接預報當年的產量[25]。黃增泉等（1998）對臺灣地區的空氣孢粉做了全面報道。

孢粉學在考古研究中也得到更廣泛的應用，我國很多重要一直都有運用孢粉分析推測人類文明發展與氣候環境之間的相關性，如北京的上宅遺址、半坡遺址、金山亭林遺址、東湖林遺址、山西丁村人遺址等[33]。李宜垠等通過分析對比湖北屈家嶺遺址附近的河湖相沉積剖面及文化層孢粉，得出屈家嶺文化興盛時期植被以常綠、落葉闊葉林為主，優越的氣候環境為文化發展奠定了良好的基礎[34]。楊曉燕等對北京平谷地區新石器時代上宅文化層的第5文化層的磨棒及石磨盤上的淀粉粒進行分析，結果發現淀粉粒中既有橡子也有粟和黍，進而推斷上宅地區居民雖然有意識的栽培一定的作物作為日常生活的補給，但是沒有形成真正的農業社會，也沒有進一步的毀林開荒[35]。

此外，孢粉對于考古學家及法醫鑒定工作等的順利開展都可以提供一定的思路，相關文獻也有報道，如張丹妍等（2007）利用孢粉個體小、質量輕、數量多、不容易發現等特征，指出孢粉可為法醫工作者為破案提供有利線索[26]。

應用孢粉學目前還處于發展的初級階段，許多方面還需要進一步的探究，與其他學科及領域的相互滲透和相互結合也是一種發展趨勢，應用孢粉學有著十分廣闊的發展前景，在未來的發展中更將造福于人們生產生活的各個方面。

1.3 海洋孢粉學

海洋中沉積物和海底巖芯中的孢粉，主要來自于大陸上的河流和風。此外還有隨孢粉一起搬運過來的真菌、有孔蟲、甲藻和其他一些單細胞藻類。據有人的粗略計算，每克海洋沉積中，少者有十幾粒孢粉，多者有幾百萬粒孢粉。深海孢粉具有陸地孢粉不可比擬的優點，深海孢粉資料因為受自然因素如地殼運動，風力、流水等外力作用以及人為因素影響小，因此保存較完整，能提供長周期、連續的可靠的古氣候信息，更由于深海孢粉來源于陸地，因此，海洋中的孢粉對于直接對比大洋與大陸氣候演變信息，具有重要的研究價值[27]。

深海孢粉學的研究開始于20世紀70年代，我國關于深海孢粉學的研究晚于美國、蘇聯等西方發達國家直到90年代才開始有研究成果出現，我國有關學者關于深海孢粉學的研究地區主要在東海的沖繩海槽和南海的大陸坡。孫湘君等（1997）分析了南海南北深海海底40多個孢粉樣品，通過計算孢粉濃度（粒/mL）繪制出了孢粉濃度等花粉線，從而探討孢粉的源地、傳播動力及途徑[28-29]。徐家聲（1994）通過搜集黃海上空的大氣孢粉，對比黃海表層沉積物中孢粉組合，分析指出近岸草本花粉含量高，遠海木本花粉含量高[30]。張玉蘭等（1994）利用灤河三角洲的渤緣28井指出可以根據再沉積孢粉化石的種類追蹤海盆沉積物的來源，根據再沉積化石的數量推斷海平面升降的變化幅度、古氣候變化及陸緣構造運動的強弱[31]。此外，深海孢粉實驗處理方法也在不斷進步，李杰等（2008）通過對比酸堿處理法與氫氟酸處理法，指出氫氟酸處理法在最終腹肌無的分散性、孢粉紋飾的清晰程度、孢粉的分離狀態等方面均有利于深海孢粉的鑒定[32]。

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