現代花粉在古氣候重建中的應用

張國富 李玉 王朋 孫雯筠 薛艷霞

摘 ?要：現代花粉分析是第四紀花粉研究的基礎，對正確解釋化石花粉記錄，定量重建古植被和古氣候具有重要的作用。近年來，很多孢粉學者利用現代花粉和化石花粉對古植被和古氣候進行重建并取得了很多重要的成果。文章對現階段利用現代花粉進行古植被與古氣候重建的線性與非線性方法的進行綜述，通過對比分析各種重建方法，發現隨著重建方法的不斷改進，重建出的古植被與古氣候準確度和精度不斷的提高，從而進一步的推動了孢粉學的發展。

關鍵詞：現代花粉;古氣候重建;應用

中圖分類號：P53 ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）25-0035-03

Abstract： Modern pollen analysis is the basis of quaternary pollen research， which plays an important role in correct interpretation of fossil pollen records， quantitative reconstruction of ancient vegetation and paleoclimate. In recent years， many palynologists have used modern pollen and fossil pollen to reconstruct palaeovegetation and paleoclimate， and have made many significant achievements. In this paper， the linear and nonlinear methods of palaeovegetation and paleoclimate reconstruction using modern pollen are reviewed. By comparing and analyzing various reconstruction methods， it is found that with the continuous improvement of reconstruction methods， the accuracy and precision of palaeovegetation and palaeoclimate have been improved， which further promoted the development of palynology.

Keywords： modern pollen; paleoclimate reconstruction; application

1 概述

全球環境變化是如今科學界最為關注的問題之一，了解過去氣候環境變化歷史對于預測未來至關重要[1]。花粉因產量大、體積小、耐酸堿、在地層中易于保存等特點，使得化石花粉分析成為研究過去古氣候、古植被和環境變化的重要指標之一，在全球變化研究中具有重要的意義[2]。國內外專家一致認為：植被是氣候變化反應最靈敏的指示物，花粉可反應當地的植被環境，對植被具有指示性，但在實際的工作中難以對植被進行量化，而花粉記錄與氣候指標之間容易建立定量的數量關系，這樣就可以忽略植被這個中間環節，從而提高花粉對古氣候重建的精度。然而在利用化石花粉重建古生態的過程中定量重建的古氣候與化石花粉之間的對應關系成為古氣候重建的突出問題，由于花粉在沉積、傳播、搬運過程的復雜性，使的化石花粉來源難以確定，在恢復古植被和古氣候中存在著很多的不確定性。此外，即便有些花粉種屬氣候指示意義較為明確，也會因為具體環境的改變而具有不同的氣候指示意義[3]。由此可見某種屬的花粉百分比含量與植物在植被中的比例不是簡單的線性關系，為了減少地層中的化石花粉重建古植被的誤差，就必須對現代花粉與現代植被和氣候氣候因子之間的關系進行研究，這是正確引用化石花粉重建古植被和古氣候的基礎，也是植被模擬和氣候模擬的驗證手段[4]。

2 現代花粉的研究區域

在國際上，歐洲和北美現代花粉的研究開展較早，并建立了現代花粉數據庫。我國對現代花粉的研究始于20世紀七十年代。相對歐美地區我國對現代花粉的研究起步較晚，但經過這些年的研究，我國對現代花粉的研究已涉及到非常廣泛的區域，其研究區域涵蓋了多種氣候帶和不同的地理單元。我國學者對東北、華北、西北、西南、華東及青藏高原等地區，都進行了大量的現代花粉與植被關系的研究，主要以北方地區（內蒙古高原）、青藏高原東部、黃土高原南部地區較為集中，但在東北地區的黑龍江、西北荒漠區、青藏高原中部和北部無人地區、華東的人類活動頻繁區及西南熱帶地區，將是未來開展現代花粉研究的重點區域[5]。國外對現代花粉的研究已涉及到多個植被類型的研究，植被類型主要涉及到了森林、草原、荒漠、沙漠等方面的研究，從北美地區最大的現代花粉數據庫來看，現代花粉研究已經有十分廣泛的研究，但在北極、阿拉斯加、美國西南部等地區研究較少，還需開展進一步的研究工作[6]。

3 現代花粉的研究對象及方向

現代花粉已廣泛用于解釋化石花粉記錄。在東亞地區，對現代花粉的研究主要集中在表土花粉的研究，極少涉及到湖泊表層沉積物花粉。而在北美地區對現在花粉的研究主要集中在湖泊表層沉積物花粉，對于兩種研究對象，一致存在爭議。表土樣品除了接收局地的花粉輸入外，同時還接收了遠程搬運的花粉，并且在地表徑流等因素的影響下，使得利用表土花粉組合反演古植被和古氣候的過程中存在著很多的不確定性[7]。陳雪梅等[8]通用對滇中高原星云湖的10個湖泊表層沉積物和25個湖泊周圍的表土樣品花粉進行對比分析，發現來自湖內的表層湖泊沉積物樣本的現代花粉組合相對均質，反映了區域植被。對于植被和氣候重建，最好使用來自表層湖泊沉積物樣品的校準花粉數據集，而不是來自表層土壤樣品的校準花粉數據集。

隨著現代花粉研究的不斷深入，現階段對現代花粉的研究主要集中于以下幾個方面：（1）花粉特征研究：包括花粉的產量和花粉代表性、指示意義及花粉的傳播等方面的研究。（2）利用環境因子或環境代用指標與現代花粉建立關系，探討現代花粉與植被和氣候之間的關系。（3）利用現代花粉數據與氣候因子之間的關系為重建古植被和古氣候提供參考和依據。

4 現代花粉的研究方法

目前對現代花粉的研究方法主要表現在定性和定量的研究方法上，早期的花粉分析主要是通過花粉數據做出花粉圖譜，分析某一屬種在樣品花粉中的百分比含量與該種屬在植被中的百分比含量進行對比分析，進而研究花粉與植被之間的關系，運用這種方法進行研究只能定性的表示花粉與植被之間的關系，但在現實中花粉和植被不是簡單的線性關系，因而這種定性研究不能滿足古氣候重建的需要，為此孢粉學家做了大量的研究，隨著氣象觀測的發展和數理統計方法的不斷更新，現代花粉組合與植被和氣候之間的關系研究成為了現代花粉研究的重點，用定量的方法來對現代花粉與植被和氣候的關系進行研究為古氣候與古植被的定量重建提供了理論依據。如今已有很多孢粉學家運用多種數理統計方法來恢復古環境，對現代花粉的研究目前主要的方法有：基于線性的：主成分法（PCA）、降趨勢對應分析（DCA）非線性的：響應面法、最佳類比法及轉換函數法等。這些方法的應用為利用化石花粉記錄重建古植被與古環境提供了更加準確的解釋。

4.1 基于線性的分析方法

主成分分析方法是探究現代花粉組合與植被關系的常用方法，主成分分析方法可以很好的對不同影響因子之下的物種進行分類，秦鼎等[9]對滇東北的47個湖泊表層沉積物花粉數據進行PCA分析，PCA分析結果顯示人類活動和溫度是影響滇東北地區現代花粉組合的重要因素。李圓圓等[10]對江西南昌地區的表土和苔蘚樣品做花粉分析，結果顯示表土花粉組合能夠較好的反應當地的植被狀況，PCA分析表明濕度和人類活動強度是控制南昌地區現代花粉雨分布的主要原因。主成分分析不僅利用在表土花粉之中，在利用化石花粉記錄重建古植被和古氣候的過程中也有十分廣泛的應用。

降趨勢對應分析是生態學常用的數量排序方法，經常被用于比較不同植被類型花粉組合異同和確定花粉組合與植被和氣候之間的關系。許清海等[11]對中國北方草原區捕捉器樣品與表土樣品中的花粉組合進行對比，應用DCCA方法探討花粉組合與氣候之間的關系，分析結果表明，花粉組合與最冷月溫度的相關性最顯著，其次為年降水量。

4.2 基于非線性的分析方法

4.2.1 花粉-氣候響應面分析法

花粉-氣候響應面方法是基于花粉與氣候之間的非線性關系而提出的一種方法。花粉-氣候響應面方法作為古氣候古環境重建的可靠方法，得到了越來越多的學者青睞，孫湘君等[12]也是利用不同植被類型下的215個表土花粉對中國北方地區進行花粉-氣候響應面分析，為定量重建古氣候提供了較為準確的數量指標，隨后王琫瑜等[13]對中國北方地區分布較廣生態指示意義較大的松屬、榿木屬、櫟屬、云杉屬四種喬木花粉與七月均溫和年降水量進行花粉-氣候響應面分析，上述所有研究都充分證明了利用花粉-氣候響應面分析對古氣候進行重建是可靠的。在以上研究的基礎上陳英玉等[14]以青藏高原東北部共和盆地達連海湖泊流域54個表土樣品中的花粉豐度及采樣點的氣候參數為基礎，選取指示意義較明顯的蒿屬、藜科、莎草科、禾本科4種花粉類型，對其豐度與7月均溫和年平均降水量進行多項式回歸，其結果顯示花粉-氣候響應面分析數據擬合較好，為青藏高原地區氣候重建提供了準確的數量指標。

4.2.2 最佳類比法

最佳類比法又稱現代類比法是定量重建古氣候的重要方法之一。該方法是通過非相似性距離計算化石樣品與現代樣品之間的相似程度，獲得與化石樣品最相似的一個或多個現代樣品，這一個或多個現代樣品即為化石樣品的最佳類比，最后將這些現代樣品的平均氣候參數視為化石樣品的古氣候參數。

Overpeck等最早將最佳類比法應用于第四紀古氣候和古環境的定量重建中。大量的研究結果表明，只要現代花粉樣點數量豐富且分布相對均勻，且涵蓋各種代表性氣候條件情形下，采用最佳類比法能獲得較好的定量重建效果。基于現代類比法進行古氣候重建的方法在國際上已經開展了大量的研究，孢粉學家應用該方法用花粉重建了歐洲、北美、非洲、日本等地區晚更新世和全新世的古氣候演變情況。自20世紀90年代末現代類比法引入國內，我國的孢粉學家應用該方法做了大量的研究，李凡等[15]選取青藏高原28個樣點的化石花粉記錄和496個樣點的表土花粉數據采用現代類比法獲得各樣點的全新世氣溫系列，結果表明全新世青藏高原氣溫可劃分為3個階段，與其他學者重建的系列相比較，氣溫的總體趨勢基本一致。

4.2.3 轉換函數法

轉換函數法主要是利用表土花粉資料進行數理統計分析，通過逐步回歸分析，建立花粉-氣候因子的轉換函數，再將轉換函數應用于鉆孔的化石花粉資料中，進而得到古氣候參數值。

20世紀60年代末，該方法開始應用于表土花粉和氣候資料重建古氣候中。隨著對轉換函數法研究的不斷深入。近年來我國學者應用轉換函數法對我國的很多地區都進行了古氣候古環境的重建工作并取得了豐富的成果。宋長青等[16]以中國北方215個表土花粉中的13種主要的花粉類型與4種氣候參數為基礎資料建立花粉-氣候因子轉換函數對內蒙中部調角海子DJ鉆孔巖芯的化石花粉10000-2100a.BP古氣候因子進行重建。Shen等[17]對青藏高原地區來源于不同植被類型的227個現代花粉數據與氣象數據做典型對應分析發現年降水量和7月均溫是控制青藏高原現代花粉雨變化的氣候參數，同時利用逆線性回歸和加權平均偏最小二乘法模型建立了年降水量和7月均溫花粉氣候轉換函數，并以青藏高原東部的一個高山湖泊化石花粉為例進行重建，結果表明應用花粉氣候傳遞函數重建古氣候是可靠的。

5 結束語

現階段經過孢粉學者不斷的努力，生態學、統計學、數學、計算機技術等方面的融入使得利用現代花粉進行古氣候和古植被的重建工作不斷的深入，構建了多種基于線性和非線性的氣候重建方法，使得利用現代花粉重建較長時間尺度及較大區域范圍的古植被和古氣候的準確度和精度得到了較大的提高。

但目前利用現代花粉重建古植被和古氣候的方法還存在有待改進的問題：（1）不同的重建方法優缺點及適用

的范圍有所差異;（2）現代花粉的采集過程中，對采樣點周圍的環境調查情況不夠深入，比如采樣點附近一定范圍的植被情況及該地區的氣候等方面的情況應不斷的細化;（3）目前利用現代花粉重建古植被和古氣候的重建工作主要集中于歐美等地區，其它地區相對較少。孢粉學者應考慮改進現在的重建方法和模型等工作，以獲得更準確的古植被和古氣候記錄，為全球的古植被和古氣候模擬工作及土地覆被情況提供重要的資料。

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