孢粉分析在第四纪环境演变研究中的应用

摘要:孢粉分析是利用地层中的孢粉组合直接恢复古植被,间接恢复古气候的技术,与其他环境代用指标相比具有直观和准确性,是研究古植被、古气候、古地理的手段。随着国内第四纪研究的不断深入,孢粉分析日益受到重视。运用孢粉资料可以恢复各种不同地貌单元上的植被、重建古气候,从而推论古气候的演变规律,还可以研究海陆变迁、地壳运动、人地环境相互影响等问题。

关键词:孢粉分析;第四纪;环境演变

中图分类号:C93文献标志码:A文章编号:1673-291X(2010)04-0178-02

前言

植物分为孢子植物和种子植物,它们的繁殖细胞是孢子和花粉,统称孢粉。植物孢粉产量大,抗酸碱,耐高温,能在地层中长期保存。孢粉学应用广泛,本文侧重介绍其在国内第四纪环境演变中的应用。

第四纪以来的全球环境演变过程中,气候起关键作用,当气候发生变化时,动植物等都会随之变化,并在地球上留下痕迹。独特的气候产生植物组合,而植物又是古气候的指示剂,二者关系十分密切。

一、孢粉学研究简史

17世纪,Grev和Molpighi对花粉进行过观察。19世纪初,波尔研究过花粉的形态,并绘出175种植物的花粉图,Mohl对花粉分类。最早对化石花粉进行观察的是C.G.Ehrenberg,花粉分析的奠基人是瑞典的Lennaut Von Post,他首次计算花粉的百分含量,制作孢粉图表和不同植物的花粉代表符号。1937年,苏联马尔科夫第一次用孢粉分析方法,解决第四纪地层问题。同年苏联格里丘克发明了重液浮选孢粉的方法,进一步解决从岩石中提取孢子花粉的问题。1943年G.Erdtman出版了第一本孢粉分析的书――《花粉分析入门》。1944年英国人Hyde和Williams提出孢粉学的名称。A.Ibraham、Potonie和Kremp等人在化石孢粉分类方面提出各种方案,对化石孢粉研究起了推动作用。随着国际科技水平的提高,孢粉学也获得纵深的发展,广泛应用于各学科领域 [1]。国内孢粉学起步较晚,解放后,这门学科蓬勃发展,应用于农业、地质等相关产业。

二、孢粉分析方法

1.采样。孢粉样品可以采自天然剖面或钻孔岩心,避免上下层位及现代花粉污染,天然剖面要除去风化的表面,采集应自下而上,岩心要去掉表层以免污染。

2.提取与鉴定。加入氢氧化钾分解有机质,除去腐殖质;过滤掉植物残体和无机碎屑;加入氢氟酸溶解细粒的硅质物,醋酸水解植物纤维和其他多糖;孢粉颗粒染色以便识别。可能需要用舒尔茨溶液除去木植物或木质素,尽可能除去样品中的有机质组分。样品中含孢粉的有机组分较少时,用溴化锌之类的重液来分离有机和无机组分提取孢粉颗粒,在各分析阶段,样品要进行离心、富集,清洗掉溶液中的强碱、强酸。制备好的样品放入有甘油酯或硅油介质的薄片上,以备镜下观察 [2]。

3.统计与解释。孢粉鉴定完成后,还需要统计各类孢粉的数量并计算它们相互间数量关系。每个样品所需统计的孢粉数量与研究目的有关,一般不少于150粒 [1]。孢粉统计结果由花粉图式表达。

为了便于花粉资料的解释,一般将花粉谱划分为若干个花粉带,划带的主要原则是一个带内的花粉谱有一定的相似性,带内花粉谱之间的差别小于带之间的差别。

三、孢粉分析在第四纪环境演变中的应用

随着第四纪环境演变研究逐渐深入,孢粉分析作为古植被直接代用指标和古气候间接代用指标日益受到重视。中国第四纪孢粉学家在不同时间尺度上提高了研究水平。在10万年时间尺度上,已突破了千年的间隔 [3],在万年尺度上突破了百年间隔,局部时段达到了50―60年的时间分辨率 [4]。

(一)孢粉分析与植被演变

第四纪冰期和间冰期的交替,导致海平面下降和上升,干旱区沙漠多次扩张收缩,新构造运动也使得某些高山高原大幅度的抬升,盆地和沿海平原沉降,黄土在整个大陆堆积。这些必然会引起全球范围内植被的深刻变化,使得植物群落迁移、植被带的分布发生变化。

1.植物群落的迁移。孢粉分析研究表明,第四纪时期植物群落曾多次发生大幅度迁移,植被带的界限在水平方向移动十几个纬度沿垂直方向上下移动1 000m～2 000m [5]。其规律是,冰期时植被带由北向南迁移,或由高向低移动;间冰期时植被带向北或向高山迁移。如末次冰期,植被群落南撤,南海北部沿海大陆地区古植被突出特征为山地针叶林、常绿阔叶林与草原之间的频繁交替。全新世暖期后,该区则还原为常绿阔叶林、热带雨林以及热带季雨林景观 [6]。

2.由于冰期间冰期气候变化而引起的植被演替。第四纪气候波动引起全球大部分地区的植被发生演替变化。通过孢粉资料可以较好地反映各个时期的植被类型以及演替过程。周昆叔 [7]根据华北地区大量的孢粉分析资料,总结出这一区域冰期―间冰期气候旋回中植被演替的基本特征。

(二)孢粉分析与气候环境演化

孢粉分析可以再造不同地貌的植被景观,还可以通过植被类型间接反映该地区当时的气候,并与测年技术相结合得出研究区某一时期以来气候演变时间序列以及气候突变事件。张威等 [8]通过对拱王山沉积剖面的44个样品进行孢粉分析,结果显示,研究区自全新世以来共经历五次较明显的气候波动。唐领余等 [9]对甘肃定西、秦安等地五个全新世黄土沉积剖面的袍粉记录进行了分析。结果显示,苏家湾和大地湾剖面在全新世时期至少存在七次较明显的气候干寒事件。

(三)了解古人类活动对自然环境的影响

古人类生存依赖自然环境,人类活动也不断地影响自然环境,孢粉资料作为古植被的直接代用指标很好地记录了人类活动对自然环境的影响。许多研究区的孢粉组合显示,陆地上的森林系统自有人类活动以来一直受到人类活动的影响。1941年Iversen通过孢粉分析发现,丹麦新石器时代先人曾经大量砍伐森林用以烧火取暖、建房避寒,开垦土地用以放牧和耕作;而人类活动消失之后,森林又重新出现 [10]。

四、孢粉分析在第四纪环境研究中的不足与展望

(一)孢粉分析的不足

1.对孢粉形态研究不够。目前已研究的孢粉有几万种,而现代植物有20多万种,仅相当于现代植物的很小部分 [1]。因此在地层中碰到的一些花粉或孢子有时很难正确鉴定到种属,虽然目前已采用了扫描电镜和超微切片的方法对孢粉形态进行研究,但在一般光学显微镜下不少孢粉很难鉴定到种属,从而对正确恢复古植被、再造古地理带来困难。

2.孢粉自身因素。由于孢粉小,易于搬运且飘飞很远,故对区分该地区植物和外来植物花粉带来困难。不同的植物花粉含量不一,有的孢粉外壁较薄或因外界影响,难于在地层中保存。因此,对于全面而正确恢复植物群落受到一定影响。

3.人为因素。命名分类不统一会造成混乱,给研究工作带来困难。野外采样时易于混入现代花粉,试验时碎样、制片处理不当也会在一定程度上影响孢粉组合的组成。

(二)孢粉分析在第四纪环境研究中的展望

1.定量化趋势。利用孢粉资料定量重建第四纪古气候具有直接性和可靠性,在环境演变研究中具有不可替代的作用,一直以来受到世界各国孢粉学家的重视。

近些年国内的一些孢粉学者也在利用孢粉资料定量重建古气候方面进行了尝试,效果比较理想。如许清海 [11] 曾利用花粉―气候因子转换函数和气候―花粉响应面模型进行古气候重建,并与现在气候比较,更直观准确的反应了当时的气候状况,是孢粉分析技术在第四纪研究上的突破。

2.与其他环境替代指标相互校验的趋势。虽然近些年来孢粉分析技术发展迅速,但仍然存在局限性。例如,第四纪植被与现在比差异较大,一些植物种类已灭绝、孢粉本身因素以及自然环境与人为原因对孢粉谱的影响、孢粉种属鉴定上相对于现代植被分类存在差距等。所以单一的指标鉴定会造成片面结果,因此必须与其他环境指标相互校验才能准确地反应第四纪环境变化。如崔之久 [12]等曾在昆仑山垭口利用介形类分析、软体动物化石、地球化学特征和孢粉资料四种古环境指标综合分析了研究区第四纪以来的环境演变过程,并划分出了一系列的冰期。

3.提高孢粉鉴定属种水平。重建古植被最重要的基础是可靠的测年和孢粉数据分析。由于目前的孢粉研究不够,地层中的一些孢粉很难鉴定到种属,这为孢粉分析重建古植被、古气候造成阻碍,提高孢粉鉴定水平势在必行。目前国内一些学者已着手建立中国第四纪孢粉数据库(CPD),并已初具规模。随着孢粉数据库的逐渐完善和显微镜技术不断发展,第四纪孢粉属种鉴定水平将会得到大幅度的提高。

结语

孢粉技术可以分析古植被的迁移与演替、重建古环境以及了解古人类对自然环境的影响,根据孢粉资料中出现的栽培作物花粉可推断古代人类社会文明的起源与发展,分析农作物的空间分布与环境变化的耦合关系,与测年技术结合得出详细的孢粉年代谱系表,了解每个历史时期的植被演变与迁移过程,使我们更好地了解第四纪以来的植被与环境之间的变化关系。

参考文献:

[1]王开发,王宪曾.孢粉学概论[M].北京:北京大学出版社,1983:3-20.

[2][澳]M.A.J.Williams ,D.L.Dunkerley ,P.DeDeckker ,A.P.Kershaw ,T.J.Stokes.第四纪环境[M].刘东生,译.北京:科学出版社,1997:114-127.

[3]袁绍敏,孙湘君.据花粉分析推论东北长白山西麓一万年来植被与环境[J].植物学报,1990,(7):558-567.

[4]刘金陵.长白山孤山屯沼泽地13000年以来的植被和气候变化[J].古生物学报,1989,(4):240-248.

[5]黄春长.环境变迁[M].北京:科学出版社,1998:73-77.

[6]罗运利,孙湘君.四万年来南海北部周边地区植被演替序列――孢粉生物群区化方法恢复古植被的尝试[J].植物学报,2001,(11):1202-1206.

[7]周昆叔.华北区第四纪植被演替与气候变化[J].地质科学,1984,(2):166-171.

[8]张威,崔之久,冯金良.云南拱王山冰蚀湖相沉积剖面全新世孢粉记录与环境[J].地理与地理信息科学,2006,(1):109-112.

[9]唐领余,安成邦.陇中黄土高原全新世植被变化及干旱事件的抱粉记录[J].自然科学进展,2007,(10):1371-1382.

[10]姜立征.孢粉分析与环境考古[J].生物学通报,1998,(7):2-4.

[11]许清海,阳小兰,杨振京,梁文栋,孙黎明.孢粉分析定量重建燕山地区5000年来的气候变化[J].地理科学,2004,(3):339-345.

[12]崔之久,伍永秋,葛道凯,刘耕年.昆仑山垭口地区第四纪环境演变[J].海洋地质与第四纪地质,1999,(1):53-62.