東北地區末次盛冰期以來孢粉數據庫構建技術與應用

張 瑞，勇心意，張 碩，于夢晴

（遼寧師范大學地理科學學院，遼寧大連）

引言

政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第六次評估報告指出，全球氣溫持續上升，現在平均氣溫已經比工業化前高出了1.1 ℃[1]。環境問題受到人們廣泛關注，古環境研究成為當今全球變化研究的熱點之一。孢粉是在環境演變過程中最直接的生物學證據，被廣泛應用于古環境研究。建立詳實可靠的孢粉數據庫對于重建歷史時期古環境變化至關重要[2]。

目前，國際上已經建立了全球孢粉數據庫(Global Pollen Database, GPD)、歐洲孢粉數據庫(European Pollen Database, EPD) 等。我國生態學者孫湘君等古生態學者建立了中國第四紀孢粉數據庫(Chinese Quaternary Pollen Database, CQPD)。還有部分古生態學者由于研究需要，建立了各自的孢粉數據庫，如倪建課題組[3，4]、鄭卓課題組[5]等。

前人在建立孢粉數據庫已覆蓋部分東北地區[2，3，6]，但是存在樣點分布不均勻、缺乏最新研究點位數據等問題。本研究收集整理東北地區1980 年以來已公開發表的孢粉點位，通過數據質量控制和數據處理，構建高孢粉質量、標準統一的孢粉數據庫。并且基于GIS 技術支持，分析LGM 以來東北地區植被演化特征。

1 研究區概況

研究區域位于中國東北部，地理范圍大致為37°24′N ～53°30′N，97°12′E ～135°02′E，包括黑龍江省、吉林省、遼寧省和內蒙古自治區。研究區域三面環山，南臨黃海、渤海。由于其特殊的地理位置和地形等因素的影響，故形成了獨特的氣候特征。冬季寒冷漫長，夏季溫熱短暫，年均氣溫-2 ～8 ℃，年均降水量100～800 mm[7]。

2 研究材料和方法

2.1 數據來源與篩選

孢粉是研究古植被、古氣候變化的重要手段。本研究中孢粉數據的獲取方式有兩種：一是通過查找前人已經建立的孢粉數據庫[8，9]；二是通過中英文文獻網站，收集整理已發表的文獻專著等。為了孢粉數據庫的準確性和可用性，本研究對孢粉數據進行質量控制的標準如下：（1） 孢粉圖譜清晰完整；（2） 年齡控制點≥3 個；（3） 時間跨度＞2000 年；（4） 采樣分辨率＜500 年；（5） 排除考古遺址孢粉點位。

2.2 數據庫構建技術

本研究由于選取的孢粉記錄來源不同的研究。因此，我們對孢粉數據進行了如下處理：

（1） 數字化孢粉圖譜。對于沒有原始數據的孢粉點位，需要通過數字化的方法獲得每個孢粉種屬的百分比含量。

（2） 孢粉百分比標準化。根據陸生植物孢粉總數作為統計基數重新計算各孢粉種屬的百分比。我們去除孢粉中水生植物、蕨類和藻類等反映局地性的隱域類型。

（3） 建立年齡序列。使用IntCal20 年代校準曲線[10]，統一校正為日歷年代，并且利用貝葉斯模型建立年代- 深度關系[11]。上述操作在R 軟件中完成。

（4） 花粉百分比插值。利用Matlab 軟件，通過線性內插法在21～0 ka 之間每1 ka 間隔內插值得到了各分類群的花粉百分比。

3 結果

3.1 構建孢粉數據庫

本數據庫共收集整理了71 個孢粉樣點。其中，30個點位來自Li 等[8]建立的孢粉數據庫，14 個點位來自Cao 等[9]建立孢粉數據庫，27 個點位通過收集整理文獻專著獲得（圖1）。原始孢粉數據有12 個，其余孢粉數據是通過數字化孢粉圖譜的方式獲得。孢粉點位在東北地區大致分布均勻，并且覆蓋了現代主要的植被類型區和氣候帶。數據庫還包含孢粉點位以下屬性信息：孢粉點位編號、名稱、省份、經緯度、海拔、測年方法、年代控制點數目、時間跨度、沉積類型、數據來源、參考文獻等。

圖1 研究區孢粉點位空間分布

該數據庫中，83%是2000 年以來發表的孢粉記錄，具有可靠的年表和較高的采樣分辨率，且在研究區內分布相對均勻。數據庫中孢粉點位按照沉積類型劃分為湖泊（50.7%）、泥炭（35.2%）、黃土-古土壤（11.3%）、河流沉積物（2.8%）四類（圖2a）。每個孢粉序列中的年代控制點均≥3 個（圖2b）。不同孢粉點位的時間跨度差異較大，但大多包含全新世時期（圖2c）。大部分孢粉點位只覆蓋了全新世時期（圖2d）。

圖2 孢粉點位屬性信息

3.2 孢粉數據庫的應用——東北地區花粉種屬含量變化

目前數據庫中出現頻率較高的孢粉種屬有10 個（圖3）。其中，松屬（Pinus）、樺屬（Betula）和櫟屬（Quercus）是喬木花粉類群中含量較高的種屬，松屬（Pinus）、樺屬（Betula）和櫟屬（Quercus）的孢粉百分比含量在末次冰期相對較低，花粉百分比大多在1～5%左右。在全新世早期開始上升，全新世中期百分比含量達到最大，達到10～15%左右。全新世晚期有所下降（圖3）。

3.3 孢粉數據庫的應用——GIS 技術支持重建的植被演化特征

利用孢粉百分比數據制圖可用來揭示過去植被時空分布格局。本研究計算了每千年的木本百分比變化，繪制9 個關鍵時間斷面上木本花粉百分比變化圖（圖4）。由圖可知，末次冰期，森林主要在分布在小興安嶺、長白山、遼東半島和內蒙古高原中部附近，遼東半島和長白山木本花粉百分比較高，部分區域達到20%。全新世早期，較上一時段，森林向北擴張至大興安嶺北部，向西擴張至陰山附近，木本花粉的比例升高。全新世中期，森林進一步向內蒙古高原西北部擴張，木本花粉的比例在該時段達到最高，部分區域高達80%以上。全新世晚期，木本花粉百分比開始下降，森林向內蒙古高原東部、小興安嶺和長白山地區遷移（圖4）。

圖4 木本花粉類型百分比含量圖

4 結論

孢粉數據庫可應用于區域尺度的古植被格局變化以及古氣候變化等研究領域。因此，本研究通過收集整理東北地區的孢粉數據，建立了樣點分布均勻、標準統一、高質量的孢粉數據庫。結合GIS 技術展示數據庫的基本信息，并分析LGM以來東北地區植被時空格局的變化特征。