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古气候重建中现代花粉的应用研究

2020-09-02 328 上传者：管理员

摘要：现代花粉分析是第四纪花粉研究的基础，对正确解释化石花粉记录，定量重建古植被和古气候具有重要的作用。近年来，很多孢粉学者利用现代花粉和化石花粉对古植被和古气候进行重建并取得了很多重要的成果。文章对现阶段利用现代花粉进行古植被与古气候重建的线性与非线性方法的进行综述，通过对比分析各种重建方法，发现随着重建方法的不断改进，重建出的古植被与古气候准确度和精度不断的提高，从而进一步的推动了孢粉学的发展。

关键词：
化石花粉
古气候重建
地质灾害
应用
现代花粉
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1、概述

全球环境变化是如今科学界最为关注的问题之一，了解过去气候环境变化历史对于预测未来至关重要[1]。花粉因产量大、体积小、耐酸碱、在地层中易于保存等特点，使得化石花粉分析成为研究过去古气候、古植被和环境变化的重要指标之一，在全球变化研究中具有重要的意义[2]。国内外专家一致认为：植被是气候变化反应最灵敏的指示物，花粉可反应当地的植被环境，对植被具有指示性，但在实际的工作中难以对植被进行量化，而花粉记录与气候指标之间容易建立定量的数量关系，这样就可以忽略植被这个中间环节，从而提高花粉对古气候重建的精度。

然而在利用化石花粉重建古生态的过程中定量重建的古气候与化石花粉之间的对应关系成为古气候重建的突出问题，由于花粉在沉积、传播、搬运过程的复杂性，使的化石花粉来源难以确定，在恢复古植被和古气候中存在着很多的不确定性。此外，即便有些花粉种属气候指示意义较为明确，也会因为具体环境的改变而具有不同的气候指示意义[3]。由此可见某种属的花粉百分比含量与植物在植被中的比例不是简单的线性关系，为了减少地层中的化石花粉重建古植被的误差，就必须对现代花粉与现代植被和气候气候因子之间的关系进行研究，这是正确引用化石花粉重建古植被和古气候的基础，也是植被模拟和气候模拟的验证手段[4]。

2、现代花粉的研究区域

在国际上，欧洲和北美现代花粉的研究开展较早，并建立了现代花粉数据库。我国对现代花粉的研究始于20世纪七十年代。相对欧美地区我国对现代花粉的研究起步较晚，但经过这些年的研究，我国对现代花粉的研究已涉及到非常广泛的区域，其研究区域涵盖了多种气候带和不同的地理单元。我国学者对东北、华北、西北、西南、华东及青藏高原等地区，都进行了大量的现代花粉与植被关系的研究，主要以北方地区（内蒙古高原）、青藏高原东部、黄土高原南部地区较为集中，但在东北地区的黑龙江、西北荒漠区、青藏高原中部和北部无人地区、华东的人类活动频繁区及西南热带地区，将是未来开展现代花粉研究的重点区域[5]。国外对现代花粉的研究已涉及到多个植被类型的研究，植被类型主要涉及到了森林、草原、荒漠、沙漠等方面的研究，从北美地区最大的现代花粉数据库来看，现代花粉研究已经有十分广泛的研究，但在北极、阿拉斯加、美国西南部等地区研究较少，还需开展进一步的研究工作[6]。

3、现代花粉的研究对象及方向

现代花粉已广泛用于解释化石花粉记录。在东亚地区，对现代花粉的研究主要集中在表土花粉的研究，极少涉及到湖泊表层沉积物花粉。而在北美地区对现在花粉的研究主要集中在湖泊表层沉积物花粉，对于两种研究对象，一致存在争议。表土样品除了接收局地的花粉输入外，同时还接收了远程搬运的花粉，并且在地表径流等因素的影响下，使得利用表土花粉组合反演古植被和古气候的过程中存在着很多的不确定性[7]。陈雪梅等[8]通用对滇中高原星云湖的10个湖泊表层沉积物和25个湖泊周围的表土样品花粉进行对比分析，发现来自湖内的表层湖泊沉积物样本的现代花粉组合相对均质，反映了区域植被。对于植被和气候重建，最好使用来自表层湖泊沉积物样品的校准花粉数据集，而不是来自表层土壤样品的校准花粉数据集。

随着现代花粉研究的不断深入，现阶段对现代花粉的研究主要集中于以下几个方面：（1）花粉特征研究：包括花粉的产量和花粉代表性、指示意义及花粉的传播等方面的研究。（2）利用环境因子或环境代用指标与现代花粉建立关系，探讨现代花粉与植被和气候之间的关系。（3）利用现代花粉数据与气候因子之间的关系为重建古植被和古气候提供参考和依据。

4、现代花粉的研究方法

目前对现代花粉的研究方法主要表现在定性和定量的研究方法上，早期的花粉分析主要是通过花粉数据做出花粉图谱，分析某一属种在样品花粉中的百分比含量与该种属在植被中的百分比含量进行对比分析，进而研究花粉与植被之间的关系，运用这种方法进行研究只能定性的表示花粉与植被之间的关系，但在现实中花粉和植被不是简单的线性关系，因而这种定性研究不能满足古气候重建的需要，为此孢粉学家做了大量的研究，随着气象观测的发展和数理统计方法的不断更新，现代花粉组合与植被和气候之间的关系研究成为了现代花粉研究的重点，用定量的方法来对现代花粉与植被和气候的关系进行研究为古气候与古植被的定量重建提供了理论依据。如今已有很多孢粉学家运用多种数理统计方法来恢复古环境，对现代花粉的研究目前主要的方法有：基于线性的：主成分法（PCA）、降趋势对应分析（DCA）非线性的：响应面法、最佳类比法及转换函数法等。这些方法的应用为利用化石花粉记录重建古植被与古环境提供了更加准确的解释。

4.1 基于线性的分析方法

主成分分析方法是探究现代花粉组合与植被关系的常用方法，主成分分析方法可以很好的对不同影响因子之下的物种进行分类，秦鼎等[9]对滇东北的47个湖泊表层沉积物花粉数据进行PCA分析，PCA分析结果显示人类活动和温度是影响滇东北地区现代花粉组合的重要因素。李圆圆等[10]对江西南昌地区的表土和苔藓样品做花粉分析，结果显示表土花粉组合能够较好的反应当地的植被状况，PCA分析表明湿度和人类活动强度是控制南昌地区现代花粉雨分布的主要原因。主成分分析不仅利用在表土花粉之中，在利用化石花粉记录重建古植被和古气候的过程中也有十分广泛的应用。

降趋势对应分析是生态学常用的数量排序方法，经常被用于比较不同植被类型花粉组合异同和确定花粉组合与植被和气候之间的关系。许清海等[11]对中国北方草原区捕捉器样品与表土样品中的花粉组合进行对比，应用DCCA方法探讨花粉组合与气候之间的关系，分析结果表明，花粉组合与最冷月温度的相关性最显著，其次为年降水量。

4.2 基于非线性的分析方法

4.2.1 花粉-气候响应面分析法

花粉-气候响应面方法是基于花粉与气候之间的非线性关系而提出的一种方法。花粉-气候响应面方法作为古气候古环境重建的可靠方法，得到了越来越多的学者青睐，孙湘君等[12]也是利用不同植被类型下的215个表土花粉对中国北方地区进行花粉-气候响应面分析，为定量重建古气候提供了较为准确的数量指标，随后王琫瑜等[13]对中国北方地区分布较广生态指示意义较大的松属、桤木属、栎属、云杉属四种乔木花粉与七月均温和年降水量进行花粉-气候响应面分析，上述所有研究都充分证明了利用花粉-气候响应面分析对古气候进行重建是可靠的。在以上研究的基础上陈英玉等[14]以青藏高原东北部共和盆地达连海湖泊流域54个表土样品中的花粉丰度及采样点的气候参数为基础，选取指示意义较明显的蒿属、藜科、莎草科、禾本科4种花粉类型，对其丰度与7月均温和年平均降水量进行多项式回归，其结果显示花粉-气候响应面分析数据拟合较好，为青藏高原地区气候重建提供了准确的数量指标。

4.2.2 最佳类比法

最佳类比法又称现代类比法是定量重建古气候的重要方法之一。该方法是通过非相似性距离计算化石样品与现代样品之间的相似程度，获得与化石样品最相似的一个或多个现代样品，这一个或多个现代样品即为化石样品的最佳类比，最后将这些现代样品的平均气候参数视为化石样品的古气候参数。

Overpeck等最早将最佳类比法应用于第四纪古气候和古环境的定量重建中。大量的研究结果表明，只要现代花粉样点数量丰富且分布相对均匀，且涵盖各种代表性气候条件情形下，采用最佳类比法能获得较好的定量重建效果。基于现代类比法进行古气候重建的方法在国际上已经开展了大量的研究，孢粉学家应用该方法用花粉重建了欧洲、北美、非洲、日本等地区晚更新世和全新世的古气候演变情况。自20世纪90年代末现代类比法引入国内，我国的孢粉学家应用该方法做了大量的研究，李凡等[15]选取青藏高原28个样点的化石花粉记录和496个样点的表土花粉数据采用现代类比法获得各样点的全新世气温系列，结果表明全新世青藏高原气温可划分为3个阶段，与其他学者重建的系列相比较，气温的总体趋势基本一致。

4.2.3 转换函数法

转换函数法主要是利用表土花粉资料进行数理统计分析，通过逐步回归分析，建立花粉-气候因子的转换函数，再将转换函数应用于钻孔的化石花粉资料中，进而得到古气候参数值。

20世纪60年代末，该方法开始应用于表土花粉和气候资料重建古气候中。随着对转换函数法研究的不断深入。近年来我国学者应用转换函数法对我国的很多地区都进行了古气候古环境的重建工作并取得了丰富的成果。宋长青等[16]以中国北方215个表土花粉中的13种主要的花粉类型与4种气候参数为基础资料建立花粉-气候因子转换函数对内蒙中部调角海子DJ钻孔岩芯的化石花粉10000-2100a.BP古气候因子进行重建。Shen等[17]对青藏高原地区来源于不同植被类型的227个现代花粉数据与气象数据做典型对应分析发现年降水量和7月均温是控制青藏高原现代花粉雨变化的气候参数，同时利用逆线性回归和加权平均偏最小二乘法模型建立了年降水量和7月均温花粉气候转换函数，并以青藏高原东部的一个高山湖泊化石花粉为例进行重建，结果表明应用花粉气候传递函数重建古气候是可靠的。

5、结束语

现阶段经过孢粉学者不断的努力，生态学、统计学、数学、计算机技术等方面的融入使得利用现代花粉进行古气候和古植被的重建工作不断的深入，构建了多种基于线性和非线性的气候重建方法，使得利用现代花粉重建较长时间尺度及较大区域范围的古植被和古气候的准确度和精度得到了较大的提高。

但目前利用现代花粉重建古植被和古气候的方法还存在有待改进的问题：（1）不同的重建方法优缺点及适用的范围有所差异；（2）现代花粉的采集过程中，对采样点周围的环境调查情况不够深入，比如采样点附近一定范围的植被情况及该地区的气候等方面的情况应不断的细化；（3）目前利用现代花粉重建古植被和古气候的重建工作主要集中于欧美等地区，其它地区相对较少。孢粉学者应考虑改进现在的重建方法和模型等工作，以获得更准确的古植被和古气候记录，为全球的古植被和古气候模拟工作及土地覆被情况提供重要的资料。

参考文献：

[1]吴慧贤.北疆表土花粉组合及其与植被和气候的关系[D].中国科学院地球环境研究所,2018.

[2]庞有智,拉多,张燕杰,等.青藏高原南部米拉山东､西坡表土花粉与现代植被关系研究[J].微体古生物学报,2016(1):33-44.

[3]李芙蓉.中国北方表土孢粉组合及其与植被和气候的关系[D].兰州大学,2018.

[4]冯晓华,阎顺,倪健.新疆表土孢粉的植被定量重建[J].地理科学,2011,9(6):702-707.

[5]倪健,陈瑜,HerzschuhU,等.中国第四纪晚期孢粉记录整理[J].植物生态学报,2010,34(8):116-121.

[7]吴慧贤,徐海,蓝江湖,等.北疆表土花粉组合及其与植被和气候的关系[J].生态学杂志,2018,37(12):3-11.

[9]秦鼎,沈才明,蒙红卫,等.滇东北现代花粉/炭屑组合与植被和火灾关系[J].云南师范大学学报(自然科学版),2018,38(3):70-78.

[10]李圆圆,马春梅,方伊曼,等.江西南昌西山地区表土孢粉与植被关系研究[J].微体古生物学报,2016,33(2):138-151.

[11]许清海,田芳,李月丛,等.中国北方草原区捕捉器样品与表土样品花粉组合及其与植被和气候的关系[J].古地理学报,2009,11(1):81-90.

[12]孙湘君,王琫瑜,宋长青.中国北方部分科属花粉-气候响应面分析[J].中国科学(D辑:地球科学),1996,26(5):431-436.

[13]王琫瑜,宋长青,孙湘君,等.中国北方4个乔木属花粉-气候响应面模型研究[J].植物学报,1997,39(3):272-281.