中国第四纪孢粉学研究进展^＊

宋长青　孙湘君

摘要：随着全球变化研究的不断深入，中国第四纪孢粉学研究已取得了长足的发展。化石样品的时间分辨率不断提高，在黄土高原10万年尺度的孢粉记录分析已达到了小于千年的分辨率，在内蒙古调角海子钻孔的研究已达到百年分辨率。其次，为了准确解译化石孢粉的生态学意义，开展了大量表土花粉研究, 在中国北方建立了花粉－气候转换函数、气候－花粉响应面模型；系统地开展了表土花粉模拟生物群区的研究，并取得了良好的结果；开展了华北平原不同地貌单元冲积物孢粉组合特征的研究。全新世古气候因子定量重建研究有所突破，内蒙古中部调角海子全新世最寒冷时段发生在8 300 a BP，当时气温较现在低约2.5℃。6 000 a BP时间片段生物群区重建工作取得重要进展；第四纪孢粉手段在环境考古研究中得到更广泛的应用。
关键词：第四纪；孢粉学；全球变化研究；中国
中图分类号：Q944.571　文献标识码：A　文章编号：1001-8166(1999)04-0401-06

ADVANCES IN STUDIES OF QUATERNARY
PALYNOLOGY IN CHINA

SONG Changqing
(National Natural Science Foundation of China, Beijing　100083,China)
SUN Xiangjun
(Institute of Botany, Chinese Academy of Sciences, Beijing　100093，China)

Abstract：The great progress on Quaternary palynology has been achieved in China with the research of global change. The resolution of the sample analysis has been risen under the efforts of Chinese palynologist, which reached 1 000 year resolution on 100 000 year scale and 100 year on 1 000 year scale. Pollen-climate transfer function and pollen-climate response surface have been established in northern China for reconstructing climate quantitatively. The patterns of biomes have simulated systemically by the results of surface pollen analysis. The research on the consisting features of the different sedimentary conditions has been developed. The fact on about 2.5 ℃ lower occurred at 8 300 a BP than present has been recognized by reconstructing quantitatively in the Diaojiao hole. The biomes changes more obviously at about 6 000 a BP than today. At the same time, palynological method has been applied widely in the research of environmental archaeology.
Key words:Quaternary；Palynology；Global change study; China.

　　90年代初，全球环境研究受到国际科学界的关注，提出了若干洲际研究项目，如COHMAP(Cooperative Holocene Mapping Project)、CLIMAP(Climate/Long Range Investigation Mappings and Predictions Poject)和BIOME 6000等，为第四纪孢粉学的发展提供了广阔的天地。通过我国第四纪孢粉学家的艰苦努力，第四纪孢粉学在古植被、古气候、现代过程及环境考古研究方面作了大量的工作，并取得了可喜成就。

1　高分辨率时间序列研究取得重要进展
随着过去全球变化研究的深入，科学家采用不同手段获取高时间分辨率古环境信息。孢粉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。与其他物理和化学手段相比，提高分辨率具有相当的困难。我国第四纪孢粉学家已在不同时间尺度上大大地提高了研究水平^〔1,2〕。在10万年时间尺度上，已突破了千年的间隔^〔1〕，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^〔2〕。
　　通过对黄土高原渭南剖面10万年以来高分辨率孢粉分析表明，距今10万年以来黄土高原南部塬面上主要覆盖着草原和草甸草原、森林植被只在相对短暂的时段发育过。在末次冰期（约28～23 ka BP）高原的沟谷里曾有过小面积云杉及冷杉林生长，说明当时气候十分寒冷。根据现在云杉林分布地点的温度推算，当时的年平均温度应比现在低10～12 ℃^〔3,5,6〕。
　　内蒙古大青山地区调角海钻孔和察素齐泥炭剖面的研究结果表明^〔7,8〕，内蒙古中部山地和山前地带气候变化具有同步性。对这两个地点的高分辨率孢粉的分析发现，自9 200 a BP至7 800 a BP存在着一个较为干冷的时段；7 800 a BP年以后，气温回升一直延续到3 000 a BP左右。7 100～4 400 a BP形成了全新世中最为温暖湿润的时段。自3 000 a BP年以后，气温明显下降，形成了较现今寒冷的气候。在植被变化过程中，无论是在山地还是在山前平原都经历了疏林草原－草原－森林－草原的演化过程。但是，由于海拔高度的差异，造成了森林植被组成的不同。在海拔较高的山地，中全新世之初，草原植被向森林植被过渡时，首先以桦属乔木最先开始出现，并占有优势。在森林向稳定状态发展的过程中，松属的比例逐渐增加，最终形成了以松林为主，掺杂桦树及少量栎树的森林类型。在海拔较低的山前平原，中全新世形成了成分较为单一的松林。偶尔有桦和栎出现。另一方面，由于地形及沉积物的差异，造成局部水热条件的不同，反映在植被演化过程中存在着微小差异。在山区，约7 800 a BP左右植被丰度开始逐渐增加，出现一些乔木成分。约在7 100～4 400 a BP形成最繁盛的森林植被。而在山前平原区，约7 500 a BP左右乔木有明显的增加，约4 500～3 000 a BP左右形成最茂盛的森林^〔7,8〕。

2　表层沉积物孢粉研究倍受重视
　　植物孢粉具有传播广、分布广的特点，是比较容易获取的信息分析载体。相反，由于其传播广，给利用化石孢粉推断古环境因子，尤其是定量解译古环境因子带来一定困难。为此，近几年我国学者开展了大量现代表层孢粉在沉积物中分布及与气候因子和植被之间关系的研究。
2.1　花粉－气候因子转换函数的建立
　　植被是自然界中对气候变化最灵敏的指示物，植被的状况可以在相当大的程度上反映气候状况，因此有理由认为孢粉与气候之间也存在着统计学上的某种相对稳定的数量关系。提取出这种关系就可以利用孢粉的数据直接恢复古气候因子^〔9〕。目前在中国北方地区所建立的转换函数效果较好^〔9,10〕。样本的选择是在中国北方受破坏较少的地区48°50′ ～29°19′N, 133°12′～ 75°05′E范围内的215块表土样品，高度变化在22～3 800 m之间，采样间距大于3 km。选择的13种花粉类型是以地层中出现频繁，形态特征明显的花粉种类，计算其丰度，同时采集每个地点的气候数据。以此基础数据建立气候因子与花粉丰度的转换函数。
　　在建立转换函数过程中，分别以气候因子为函数，以选定的13种花粉类型为变量进行逐步回归分析，经过70次运算，最后选取回归离差最小、复相关系数最大的回归方程为最终的转换函数^〔11〕。

其中，R为年降水量，T为年平均温度，T₁为1月份平均温度，T₇为7月份平均温度，X₁为桦属，X₂为栎属，X₃为胡桃属，X₄为榛属，X₅为松属，X₆为鹅耳枥属，X₇为云杉，X₈为莎草科，X₉为麻黄，X₁₀为蒿属，X₁₁为藜科，X₁₂为菊科，X₁₃为禾本科。
　　上述转换函数在典型剖面中应用取得了较为理想的结果。
2．2　气候－花粉响应面模型的建立
　　气候－花粉响应面研究方法是建立在二维环境空间里的花粉丰度变化。响应面分析实际是回归分析的一种特殊应用，可以将回归分析的许多理论和先进方法用于响应面分析中^〔12,13〕。孙湘君等^〔14〕选择中国北方常见8种花粉类型（表1）与年降水量与7月平均温度建立了2次或3次多项式响应面模型^〔15〕：

其中，Z_i为i地点某种花粉类型百分比的转换值，X_i和Y_i为i地点7月平均气温和年降水量的转换值，β₀－β₀₃为所求出回归方程的回归系数，ε_i为误差项。
　　该项研究的样本来自中国北方广大地区各种不同的植被类型，由寒温性针叶林、落叶阔叶林至草原及荒漠，这就使在地质历史时期中可能出现的植被类型的样本中都能找到类比。此外，更重要的是所采用的样本均来自显域生境的天然植被下，因此所得到的花粉丰度符合实际，与气候参数建立的数学关系更为准确。所建立的花粉与气候要素的非线性函数关系开拓了从气候意义上对花粉资料的新认识。如，菊科花粉在中国北方末次冰期时曾大量出现，以前常常被解释为干冷环境，而由此研究结果看出菊科占优势的组合实际上反映冷湿而非冷干的环境；又如蒿属花粉大量出现往往被解释为干凉草原，而从该研究中可以看出蒿属花粉高峰值可以出现在冷湿也可出现在温干的环境下等等。当然正确的解释化石花粉组合所代表的气候，还要考虑到组合中主要花粉类型与气候参数的综合结果。

3　古气候因子定量重建研究有所突破
　　古气候因子定量重建研究一直是各学科领域学者为之努力的方向之一^〔21〕，就目前研究水平而言，在陆相沉积物中以孢粉学方法更为普遍被同行认同。利用孢粉资料重建的内蒙古大青山DJ钻孔全新世以来的温湿曲线有如下特征。
　　在宏观时间尺度上，年平均温度与年降水量的变化基本上呈正相关，反映出季风气候变化的特征。在微观时间尺度上，尤其是在气候变化较为强烈的时期，温度与降水存在着不同步性。如从8 200～4 400 a BP气温和降水呈负相关。其次，从重建的温湿曲线可以看出，大青山地区进入全新世以后水热条件在大部时间里保持着较现在良好的组合。只是在9 200～7 900 a BP、4 400～4 000 a BP和2 500 a BP以后出现相对干冷的气候特征。约在8 300 a BP前后，其年降水量不足100 mm, 年平均温度低于0 ℃（－0.7 ℃），形成了全新世气候最为恶劣的时期。另一方面，从这一研究结果可以发现，在全新世较为短暂的地质历史时期中，气候波动比人们想象的更为激烈。以调角海子所处位置的现代年平均温度为2 ℃计算，全新世最高温时期较现在高出4 ℃，最低温度较现在低2 ℃有余。其降水量在最高温时可能高于现在250 mm，在最低温时低于现在300 mm 左右。这一结果提出研究不同地区全新世气候波动幅度的迫切性。

4　6 000 a BP时间片段生物群区重建研究趋于国际前沿
利用花粉植被模拟技术^〔22,23〕，结合“中国第四纪孢粉数据库小组”提供的116个6 000 a BP的数据，模拟出12个生物群区类型：寒温带落叶森林、寒温带混交林、冷温带混交林、荒漠、草原、泰加林、温带落叶林、热带季雨林、冻原、常绿阔叶林/暖温带混交林、热带雨林、冷温带针叶林^〔24〕。
　　为了较准确地把握中全新世和现代生物群区的系统差异，对主要的生物群区变化进行了中全新世和现代生物群区的叠加分析，结果发现：
　　在内蒙古东南部至青藏高原东北部，森林明显向草原区推进；在东北地区，没有明显的森林向草原推进的迹象，相反在局部范围内，森林有所退缩。这一事实也被其他研究成果证实^〔25〕。温带落叶阔叶林区在东北东部湿润区明显向北推进，占领了现代的针阔混交林区和寒温性针叶林区，推进幅度约4个纬度。在落叶阔叶林区的南部界线也可明显看出落叶阔叶林向北推进，原来的区域被更喜温暖潮湿的常绿阔叶林所占据，而在西南部落叶阔叶林较现在明显退缩，而让位于比较耐寒冷的针阔混交林和针叶林。在华北地区的局部，出现了温带落叶林与草原并存的情况，可能与6 000 a BP海平面较高有关，在古三角洲上生长较多的水生植被^〔26〕。常绿阔叶林有向北推进的现象，但幅度不大。冻原植被在中高纬度地区消失，在青藏高原冻原大面积退缩。这个效应与温带落叶阔林和常绿阔叶林在西南部退缩现象是吻合的。

5　环境考古研究更加深入
　　孢粉学作为探讨古人类生活行为特征及自然环境特征的手段之一，在国内外已得到广泛应用。近年来国内许多学者在中国北方现存的考古遗址利用孢粉学等多种手段开展了较为深入的研究^〔27〕。
　　通过对内蒙古呼和浩特市东郊大窑村旧石器地点、扎赉诺尔古人类地点、伊敏河流域细石器遗址及昭乌达盟敖汉旗大甸子遗址的孢粉分析发现，公元前1700年昭乌达盟敖汉旗一带分布着暖温带针叶－阔叶混交林，当时人类已摆脱了单纯狩猎，开始种植作物，饲养动物。自晚更新世以来，内蒙古植被由混交林向草原迅速发展^〔28,29〕。此外，甘肃葫芦河流域研究表明，大约在8 000～7 000 a BP间为有利的气候，导致了大地湾一期文化的出现和发展，较为适宜的气候延续至大约5 000 a BP，为该地区仰韶文化的稳定发展提供了条件。5 000 a BP以后的气候旱化是造成该地区人类活动规模缩小，古文化面貌衰退，牧业文化比重增加的主要原因。5 000 a BP以后降温在文化特征上也有所反映^〔30〕。这一时期的环境恶化对人类活动产生不利影响的现象在我国西北其他地区也有所显示^{〔29，31～33〕}。周昆叔对燕山入平谷分地前台地上的上宅遗址堆积物的研究成果表明，该遗址堆积可分为四个发展阶段。第八文化层中发现较多的桦属花粉，说明当时气候偏凉。第七文化层中发现栎属等阔叶树花粉与环纹藻共存，说明上宅文化主要在温暖湿润的气候下形成。第五文化层中含有禾谷农作物花粉，反映有农耕活动。
　　无庸置疑，中国第四纪孢粉学研究取得了显著的成就，在国际交流中已得到了高水平同行的认可。本文只是选择几个方面部分的优秀成果加以介绍，尤其方法研究方面的成果介绍较多，而大量基础性的研究工作无法一一列举。

＊国家自然科学基金项目“中国全新世植被与环境演变”（项目编号：49570856）资助。

作者简介：宋长青，男，1961年12月出生于黑龙江省,副研究员,主要从事第四纪古生态学研究。

作者单位：（宋长青)国家自然科学基金委员会地球科学部,北京　100083
　　　　　(孙湘君）中国科学院植物研究所,北京　100093

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