黃壬暉，侯書貴,2*，馬春梅，劉 科，于金海，張王濱，趙 琳，龐洪喜，宋 靖

(1.南京大學(xué) 地理與海洋科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210023；2.中國科學(xué)院青藏高原地球科學(xué)卓越創(chuàng)新中心，北京 100101)

0 引 言

古氣候變化是全球變化研究的重要組成部分[1-2]。冰芯作為古氣候研究的一種載體，具有信息量大、保真性強(qiáng)、分辨率高等特性，研究冰芯中不同氣候環(huán)境指標(biāo)的變化，可以重建過去不同時間尺度的氣候環(huán)境變化過程[3-4]。隨著冰芯研究的不斷深入，氣候環(huán)境指標(biāo)變得多樣化，雪冰穩(wěn)定同位素[5-7]、積累量[8-10]、粉塵[11-13]、元素[14-16]以及溫室氣體[17-18]等都能夠提供古氣候環(huán)境信息。此外，孢粉作為一種新興的、可靠的代用指標(biāo)，在全面認(rèn)識和重建古氣候和環(huán)境變化方面具有不可替代的作用[19]。

雪冰孢粉以雪冰中的植物花粉和孢子為研究對象，具有耐腐蝕、易保存等特性[20]。雪冰孢粉研究既結(jié)合了雪冰載體的特性，又融入了花粉指標(biāo)的優(yōu)勢，為氣候重建提供了一種新手段。目前，雪冰孢粉研究按照時間尺度可以分為現(xiàn)代過程和古氣候研究：雪冰孢粉現(xiàn)代過程研究主要關(guān)注孢粉源區(qū)與傳播特征、孢粉與氣候關(guān)系等方面的內(nèi)容[19,21]，是古氣候重建的基礎(chǔ)[22-23]；雪冰孢粉古氣候研究主要關(guān)注雪冰孢粉對溫度、濕度變化以及人類活動的響應(yīng)等方面的內(nèi)容，在古氣候重建工作中具有重大的科學(xué)意義。本文從雪冰孢粉的古環(huán)境意義入手，歸納了雪冰孢粉的研究分布特征，分別從雪冰孢粉源區(qū)與傳播特征、季節(jié)變化特征、輔助雪冰定年和古氣候重建等方面進(jìn)行了總結(jié)，討論了現(xiàn)階段雪冰孢粉研究在現(xiàn)代過程與古氣候研究方面的不足，并對未來青藏高原雪冰孢粉古氣候重建工作進(jìn)行了展望。

1 雪冰孢粉的古環(huán)境意義

作為一種生物指標(biāo)，雪冰孢粉化石是古植被的直接反映，因此，雪冰孢粉記錄的喜濕、喜干、喜溫和耐寒植物的變化能夠提供古降水和古溫度信息。此外，在響應(yīng)人類活動方面，雪冰孢粉記錄還展現(xiàn)出極大潛力。

1.1 植 被

雪冰中孢粉對應(yīng)的植被類型可以通過孢粉形態(tài)學(xué)特征鑒定得到(圖1)，而孢粉對應(yīng)植被的生長習(xí)性以及傳播特性能夠反映氣候信息。根據(jù)孢粉現(xiàn)代過程研究[24-26]，有學(xué)者認(rèn)為蒿屬(Artemisia)廣泛分布于北半球溫帶地區(qū)，尤其在草原區(qū)的沙地上特別發(fā)育；藜科(Chenopodiaceae)分布于荒漠、干草原以及濱海鹽堿地，在荒漠區(qū)屬種多、分布廣；麻黃屬(Ephedra)、白刺屬(Nitraria)、檉柳屬(Tamarix)、霸王屬(Zygophyllum)、蓼科(Polygonaceae)均為典型的荒漠或荒漠草原植被，它們在孢粉組合中的百分比增加代表氣候干旱；云杉屬(Picea)、冷杉屬(Abies)均能表征寒冷濕潤的氣候特征。

圖(a)、(e)引自文獻(xiàn)[28];圖(b)、(c)引自文獻(xiàn)[29];圖(d)引自文獻(xiàn)[30]；圖(b)～(e)比例尺同圖(a)圖1 冰芯中鑒定出的花粉類型Fig.1 Pollen Taxa Identified in the Ice Cores

孢粉組合和孢粉譜常用來描述孢粉科屬濃度以及百分比變化情況，是研究古植被變化的重要手段之一[23]。孢粉組合和孢粉譜中較為重要的指標(biāo)是孢粉濃度和孢粉百分比，孢粉濃度指單位體積或者質(zhì)量所含的孢粉粒數(shù)，而孢粉百分比指某一科屬孢粉統(tǒng)計值與總孢粉統(tǒng)計值的比值。根據(jù)1957～1986年敦德冰芯孢粉研究[27]，1965年以后，莎草科(Cyperaceae)、蓼屬(Polygonum)、櫟屬(Quercus)、柏科(Cupressaceae)孢粉百分比增加，荒漠植物花粉(如麻黃屬)減少，這種孢粉組合變化趨勢表明喜濕植被類型增加而荒漠植被類型減少 (圖2)。

1.2 濕 度

雪冰孢粉組合中占主導(dǎo)地位的某些孢粉百分比可以用作濕度代用指標(biāo)。雪冰中最常見的科屬為藜科和蒿屬，其在孢粉組合中的百分比與區(qū)域干濕狀況相關(guān)，干旱環(huán)境中藜科占優(yōu)勢，半干旱環(huán)境中蒿屬占優(yōu)勢[31-32]。蒿藜比(A/C)作為一種干旱程度指標(biāo)，廣泛應(yīng)用于孢粉研究中[27,33-34]。敦德冰芯花粉研究[27]表明，青藏高原大氣和土壤濕度的增加會推進(jìn)荒漠向草原的演變進(jìn)程，該地區(qū)A/C值升高代表環(huán)境變濕，降低則代表環(huán)境變干(圖2)。

除了藜科和蒿屬花粉之外，禾本科(Poaceae)和莎草科花粉也能反映干濕變化[34]。在生長環(huán)境的濕度要求方面，莎草科要求最高，禾本科次之，蒿屬最低。如果蒿屬和藜科花粉在孢粉組合中不占優(yōu)勢，A/C值就顯得不那么適用，此時應(yīng)該考慮莎草科、蒿屬、禾本科花粉的指示意義。在Sajama冰芯花粉研究中，Liu等采用禾蒿比(P/A)的對數(shù)形式log(P/A)值來指示濕度變化[35]；在普若崗日冰芯花粉研究中，唐領(lǐng)余等選擇莎草科花粉/(禾本科花粉+蒿屬花粉)(Cy/(P+A))及草甸植被花粉/草原植被花粉(M/S)作為濕度變化的代用指標(biāo)[25,36]。將普若崗日、Sajama冰芯孢粉濕度代用指標(biāo)分別與普若崗日、Quelccaya冰川積累量對比，發(fā)現(xiàn)作為區(qū)域濕度(降水)指標(biāo)的冰川積累量很好地支持了孢粉濕度指標(biāo)，證明了上述孢粉指標(biāo)反映區(qū)域濕度(降水)的可靠性(圖3)。

圖件引自文獻(xiàn) [27]圖2 1957～1986年敦德冰芯孢粉數(shù)據(jù)和夏季溫度、夏季降水量觀測數(shù)據(jù)Fig.2 Pollen Records of Dunde Ice Cores in Comparison to the Observations of Summer Temperature and Precipitation from 1957 to 1986

圖(a)～(c)引自文獻(xiàn) [36]；圖(d)、(e)引自文獻(xiàn) [35]圖3 普若崗日、Sajama冰芯孢粉濕度代用指標(biāo)與普若崗日、Quelccaya冰川積累量對比Fig.3 Pollen Records of Puruogangri and Sajama Ice Cores as Humidity Proxies in Comparison to Glacical Accumulations of Puruogangri and Quelccaya

1.3 溫 度

目前，孢粉溫度代用指標(biāo)的研究主要集中在青藏高原，其原理是孢粉組合特征或者喜溫植被百分比的變化能夠反映植被覆蓋度和植被類型的轉(zhuǎn)變，從而間接反映溫度變化。青藏高原敦德冰芯孢粉記錄研究表明[27,37]，1957～1986年敦德冰芯總花粉濃度與平均夏季降水量(相關(guān)系數(shù)(r)為0.76)、平均冬季溫度(r=0.68)成正相關(guān)關(guān)系，與平均夏季溫度(r=-0.52)成負(fù)相關(guān)關(guān)系，這是由于夏季溫度增加導(dǎo)致蒸騰作用加劇，使有效水分減少，不利于植物生長(圖2)。寧金崗桑、普若崗日、達(dá)索普、古里雅冰芯孢粉研究也有類似結(jié)果[38-39]，總孢粉濃度與夏季降水量成正相關(guān)關(guān)系，與夏季溫度成負(fù)相關(guān)關(guān)系。青藏高原普若崗日冰芯孢粉記錄研究表明[40]，1955～2002年草原植被花粉+草甸植被花粉(S+M)與青藏高原中部各氣象站記錄的夏季(6月至8月)溫度成正相關(guān)關(guān)系，其中與那曲夏季溫度有最大相關(guān)系數(shù)(r=0.812，p<0.001，p為皮爾森相關(guān)系數(shù))；此外，1955～1996年的S+M值與整個青藏高原夏季溫度和年溫度距平都成正相關(guān)關(guān)系，由此推測S+M值可以作為青藏高原溫度代用指標(biāo)(圖4)。

圖(a)S+M值與年溫度距平相關(guān)系數(shù)為0.601；圖(b)S+M值與夏季溫度距平相關(guān)系數(shù)為0.676；圖件引自文獻(xiàn)[40]圖4 普若崗日冰芯孢粉溫度代用指標(biāo)與青藏高原年溫度、夏季溫度距平對比Fig.4 Pollen Records of Puruogangri Ice Core as Temperature Proxy in Comparison to Summer Temperature Anomaly and Annual Temperature Anomaly of Qinghai-Tibet Plateau

1.4 人類活動強(qiáng)度

雪冰孢粉中特殊種屬的來源與數(shù)量變化還與人類活動有關(guān)，某些喬木花粉(如歐洲榆屬(Ulmus))的減少、栽培作物和雜草花粉的濃度及分異度的顯著變化都可以指示人類活動[41-42]。對Scrioara冰洞的研究表明[43]，NAP(Non-arboreal Pollen Grains)百分比在1 ka以來一直較低，但是在1000～1400年和1700～1850年略微增加，同時伴隨有孢子的增加，這種增加與人類放牧開墾有著密切聯(lián)系。安第斯山Sajama冰芯孢粉研究[44]表明，風(fēng)玫木屬(Polylepis)孢粉百分比的持續(xù)高值也與人類活動有關(guān)。在對Vavilov冰芯4 ka以來的孢粉記錄研究中，Andreev等在冰芯的上部85 m 處發(fā)現(xiàn)了區(qū)域外花粉例如錦葵科(Malaceae)、矢車菊(Centaureacyanus)、長葉車前(Plantagolanceolata)和大麻屬(Cannabis)等人為作物孢粉的存在，指示了1 ka以來的人類活動影響[45]。在對Svalbard群島的雪冰孢粉研究中，Isaksson等認(rèn)為花粉顆粒可以充當(dāng)相關(guān)污染物的載體，并且根據(jù)花粉分析推測出Lomonosovfonna地區(qū)污染源地主要來自歐洲[46]。Hicks等補(bǔ)充了Svalbard群島的孢粉源區(qū)分析研究，發(fā)現(xiàn)木炭、SCP(Spheroidal Carbonaceous Particles)、區(qū)域外植被花粉在冬季濃度較高，這是由于冬季盛行東風(fēng)和東南風(fēng)，導(dǎo)致人類活動產(chǎn)生的污染顆粒直接進(jìn)入Svalbard群島[47]。

2 雪冰孢粉研究的空間分布

雪冰孢粉研究按空間分布可以分為極地雪冰孢粉研究與山地雪冰孢粉研究。極地雪冰孢粉研究分布在格陵蘭島、Severnaya Zemlya群島、加拿大北極地區(qū)和Svalbard群島；山地雪冰孢粉研究分布于安第斯山脈、青藏高原、阿爾泰山脈、阿爾卑斯山脈，另外在日本中部和羅馬尼亞也有少量研究(表1)。除少部分地區(qū)，雪冰孢粉研究點的平均海拔均在2 000 m以上。南極地區(qū)孢粉輸入量極低，不足以達(dá)到研究要求，因此，南極沒有雪冰孢粉研究。有學(xué)者在北極地區(qū)開展了較為系統(tǒng)的區(qū)域特征研究(表2)，主要關(guān)注雪冰孢粉源區(qū)特征、傳播與沉積機(jī)制等方面內(nèi)容，并且在Svalbard群島上運(yùn)用雪冰孢粉記錄對人類污染源的可能源區(qū)進(jìn)行了分析。相比北極地區(qū)，山地地區(qū)的孢粉濃度高、孢粉類型豐富，因此，山地地區(qū)開展雪冰孢粉研究工作的可行性更高，研究內(nèi)容也更加豐富。安第斯山脈雪冰孢粉研究主要關(guān)注孢粉源區(qū)特征以及傳播機(jī)制，前人在厄爾尼諾事件重建方面取得了一定進(jìn)展；阿爾泰山脈則主要關(guān)注雪冰孢粉輔助定年工作，前人在溫度、濕度以及森林大火重建方面取得了一定進(jìn)展；阿爾卑斯山脈則主要關(guān)注雪冰孢粉的季節(jié)特征，前人在雪冰孢粉輔助定年工作方面進(jìn)行了定量化嘗試；青藏高原則偏向于古氣候重建分析，有若干學(xué)者在溫度和濕度重建方面進(jìn)行了定量化嘗試。

表1 極地與山地雪冰孢粉研究點分布Tab.1 Distribution of Research Sites of Palynology in Snow and Ice in Arctic and Mountain Areas

表2 北極地區(qū)雪冰孢粉研究點分布Tab.2 Distribution of Research Sites of Palynology in Snow and Ice in Arctic Area

注：序號1～41引自文獻(xiàn)[75]；序號42～47引自文獻(xiàn)[76]；序號48～63引自文獻(xiàn)[77]；序號64～68引自文獻(xiàn)[78]。

3 雪冰孢粉記錄研究進(jìn)展

Vareschi首先發(fā)現(xiàn)了雪冰孢粉，并拉開了雪冰孢粉研究的序幕[79]。目前，雪冰孢粉研究主要可以概括為以下4個方面的內(nèi)容：源區(qū)與傳播特征、季節(jié)變化特征、輔助雪冰定年和古氣候重建。

3.1 源區(qū)與傳播特征

雪冰孢粉源區(qū)與傳播特征是現(xiàn)代過程研究的重要內(nèi)容，對準(zhǔn)確解釋雪冰孢粉數(shù)據(jù)至關(guān)重要，但是目前此類研究較少，現(xiàn)有研究主要集中在加拿大北極地區(qū)和安第斯山脈。

加拿大北極地區(qū)雪冰孢粉來源可以分為區(qū)域外和區(qū)域兩種[52]：區(qū)域外孢粉包括加拿大北方森林南部的喜溫木本植物花粉(如櫟屬、槭屬(Acer)、榆屬等)，北方森林以北的其他喬灌木花粉(如榿木屬(Alnus)、樺屬(Betula)、云杉屬、松屬(Pinus)等)和少部分草本植物花粉(如豚草屬(Ambrosia)、蒿屬等)；區(qū)域孢粉包括加拿大以北苔原區(qū)的喬灌木(如柳屬(Salix)、杜鵑花科(Ericaceae)、仙女木屬(Dryas))和草本植物花粉(如莎草科、禾本科、山蓼屬(Oxyria)等)。加拿大北極地區(qū)Devon冰帽、Penny冰帽和Agassiz冰帽的孢粉研究表明，不同冰帽上的孢粉組合特征明顯不同，這可能是樣品涵蓋年代差異或孢粉源地和沉積條件不同造成的[49,55,77-78]。根據(jù)Bourgeois等的區(qū)域性孢粉研究工作[52,75-76]可以看出，加拿大北極地區(qū)總體上區(qū)域外孢粉占優(yōu)勢，中、低緯度地區(qū)(59°N～73°N)的孢粉組合特征為高百分比的榿木屬和樺屬孢粉，高緯度地區(qū)(73°N～83°N)為高百分比的喬灌木花粉，接近北極點地區(qū)(83°N～90°N)的樺屬、松屬以及禾本科花粉百分比向北逐漸增加，這一現(xiàn)象與歐亞氣團(tuán)的控制有著密切聯(lián)系。值得一提的是，以76°N為分界線往北，柳屬、莎草科、山蓼屬、禾本科和虎耳草科(Saxifragaceae)等區(qū)域孢粉以及泥炭蘚屬(Sphagnum)孢粉百分比越來越高[75]。

安第斯山脈Quelccaya冰帽的孢粉源區(qū)可分為4種[58]：高原的Puna草原、玻利維亞南部高地的灌叢沙漠、西部的沿海沙漠和東部的Yungas植被區(qū)。根據(jù)Quelccaya冰帽東、西斷面的表層雪孢粉研究[59]，車前草屬(Plantago)、榿木屬和蕁麻科(Urticaceae)或者?？?Moraceae)花粉在孢粉組合中占優(yōu)勢，孢粉百分比記錄高度一致，但孢粉濃度出現(xiàn)了空間變化，特別是在Quelccaya冰帽西部斜坡的6個表層雪樣品中顯示最高值(濃度為30 100～55 400?！-1)，在頂峰顯示最低值(17 250?！-1)，這與空氣團(tuán)的作用有關(guān)。根據(jù)Parinacota火山口表層雪孢粉分析[60]，火山口西北部的樣品孢粉濃度較高，其余樣品濃度均偏低，這與Quelccaya冰帽雪冰孢粉的研究一致，可以歸結(jié)為當(dāng)時盛行西風(fēng)的結(jié)果。值得注意的是，Parinacota火山表層雪樣品中的孢粉濃度比Quelccaya冰帽表層雪樣品差了一個數(shù)量級，可能是由于Quelccaya冰帽處在一個比Parinacota火山更濕潤且更靠近植被區(qū)的環(huán)境。安第斯山脈Coropuna冰川的孢粉源區(qū)可分為區(qū)域外和區(qū)域兩種[61]：區(qū)域孢粉包括菊科管狀花亞科(Asteraceae tubuliflorae)、風(fēng)玫木屬以及禾本科等；區(qū)域外孢粉包括無法生長在Coropuna冰川斜坡的植被(如櫟屬、羅漢松屬(Podocarpus)以及假山毛櫸屬(Nothofagus)等)，研究表明區(qū)域外的櫟屬和羅漢松屬與東北空氣團(tuán)作用有關(guān)，假山毛櫸屬與較強(qiáng)南方環(huán)流有關(guān)，而區(qū)域植被花粉與降水有關(guān)，當(dāng)區(qū)域植被花粉占優(yōu)勢時，降水較少，氣候干燥。

雪冰孢粉源地的界定因地而異，并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，但是雪冰周邊植被稀疏，特別是對于雪冰中發(fā)現(xiàn)的喬木類型花粉而言，一般為遠(yuǎn)距離傳輸?shù)慕Y(jié)果，因此，雪冰孢粉記錄通常是區(qū)域植被和區(qū)域外植被的良好指示。

3.2 季節(jié)變化特征

作為植被的直接反映，雪冰孢粉在識別季節(jié)特征方面具有獨(dú)特優(yōu)勢。通常木本植物(如樺屬、榿木屬等)花期多集中于春季，草本植物(如蒿屬、藜科)花粉花期多集中在秋季，依據(jù)雪冰中孢粉組合特征可以反推雪冰季節(jié)沉積信號。Ambach等利用奧地利阿爾卑斯山脈Kesselwandferner粒雪坑的雪冰孢粉確定了季節(jié)變化節(jié)點[73]。該研究表明當(dāng)傳統(tǒng)冰芯定年方法無法很好地界定年層時，孢粉記錄的季節(jié)變化信息仍能夠作為年層分界的標(biāo)志。Haeberli等分析了瑞士阿爾卑斯山脈Colle Gnifetti雪坑的雪冰孢粉組合，并將其作為季節(jié)沉積信號，例如孢粉組合中蒿屬和柏科孢粉的百分比高值特征可以表示冬季沉積，麻黃屬、栗屬(Castanea)和蕁麻屬(Urtica)的高值可以表示晚夏沉積[74]。Santibaez等對安第斯山粒雪芯的孢粉分析表明，由于地處活躍火山附近，巖漿活動等使雪冰融化嚴(yán)重，冰芯上部同位素和各種化學(xué)信號失真，但是孢粉與微生物記錄能夠提供可靠的季節(jié)和年際信息[29]。識別雪冰孢粉季節(jié)變化特征的前提是深入了解雪冰孢粉源區(qū)與傳播機(jī)制，而其季節(jié)特征又是輔助雪冰定年工作的基礎(chǔ)。

3.3 輔助雪冰定年

10.8 粒·mL-1、51.4 ?！L-1分別表示超出坐標(biāo)范圍的孢粉濃度；圖件引自文獻(xiàn)[66]圖5 Belukha雪坑孢粉輔助定年Fig.5 Dating of Belukha Snow Pit Assisted by Its Pollen Profiles

在輔助雪冰定年工作方面，青藏高原研究較少，前人對阿爾卑斯山脈進(jìn)行了定量化的嘗試，現(xiàn)有研究成果主要集中于阿爾泰山脈。根據(jù)喬木花粉和草本花粉的不同花期特征，王睿等將若果冰川的9.3 m雪坑劃分為3年沉積(1972～1975年)[62-63]。Nakazawa等認(rèn)為中緯度山地冰川夏季融化強(qiáng)烈，同位素以及離子記錄的季節(jié)變化信息存在缺失，而冰芯中孢粉顆粒較大(粒度為10～100 μm)，即使雪冰融化，孢粉仍能保持在原來位置，因此，用孢粉來輔助冰芯定年工作是可行的[64]。不少學(xué)者在阿爾泰山脈的Sofiyskiy冰帽[28,64]、Belukha冰帽[66]以及Potanin冰川[70]上均開展了雪冰孢粉輔助雪冰定年的研究，結(jié)果表明孢粉識別的季節(jié)沉積信號與同位素以及實地測量均有較好的一致性，這為雪冰定年工作提供了一種新思路。以Belukha冰帽輔助雪坑定年為例，樺木科(Betulaceae)、云杉屬+冷杉屬指示春季沉積，松屬指示夏季沉積，蒿屬指示秋季沉積。松屬、蒿屬等的花粉峰值組合變化能夠識別季節(jié)尺度的沉積信號，從而確定季節(jié)節(jié)點和年層信息[66](圖5)。雖然之前研究表明雪冰融化對孢粉記錄影響較小，但是雪冰融化期孢粉濃度變化過程仍然值得深入研究。Nakazawa等采集了日本中部Norikura高地的表層雪樣品進(jìn)行孢粉分析，主要關(guān)注柳杉屬(Cryptomeriajaponica)花粉(粒度為27～32 μm)的濃度變化，發(fā)現(xiàn)花粉濃度在距離幾米時并不會出現(xiàn)空間變異，雪冰融化期間花粉不會隨融水進(jìn)入下層[30]。Festi等的研究結(jié)果[71]與Nakazawa等的結(jié)論[30]一致，但是Ewing等利用石松標(biāo)記孢粉模擬雪冰融化實驗的結(jié)果表明，大部分表面孢子會隨著積雪融水滲濾并且重新聚集[80]，這與Nakazawa等認(rèn)為的孢粉不會因為雪冰融水而改變垂直位置的結(jié)論[30]相反，因此，有必要重新審視雪冰融化時的孢粉變化過程。

在充分認(rèn)識到雪冰孢粉對雪冰定年工作的潛力之后，F(xiàn)esti等提出了基于孢粉的冰芯定年新方法，這是對雪冰孢粉輔助定年工作的定量化嘗試[71-72]。其基本原理是在假設(shè)原位觀測與孢粉沉積沒有時間差的前提下，利用阿爾卑斯山脈粒雪芯與Solda觀測站孢粉組合的相似性，建立粒雪芯的“深度-時間”模型(孢粉模型)。通過將該模型中深度換算為水當(dāng)量再與物質(zhì)平衡模型 (EIS模型，模擬每小時積雪融化過程)進(jìn)行對比，驗證了該方法的可靠性(圖6)。

圖(a)樣本數(shù)為28，判定系數(shù)為0.99，p<0.001；圖(b)樣本數(shù)為10，判定系數(shù)為0.98，p<0.001；圖件引自文獻(xiàn)[72]圖6 2005～2009 年孢粉模型、2009～2013年原位觀測法與EIS模型計算結(jié)果對比Fig.6 Results Calculated by EIS Model Compared with Pollen Model from 2005 to 2009 and In-situ Method from 2009 to 2013

3.4 古氣候重建

雪冰孢粉古氣候重建工作主要集中在4個地區(qū)：北極地區(qū)、阿爾泰山脈、安第斯山脈和青藏高原。北極地區(qū)主要通過孢粉濃度數(shù)據(jù)來反映冰期、間冰期更替信息，阿爾泰山脈主要通過孢粉的季節(jié)特征進(jìn)行古氣候重建，安第斯山脈和青藏高原的研究較為深入，在Sajama、敦德、古里雅和普若崗日地區(qū)均進(jìn)行了長時間尺度古氣候重建的嘗試。

3.4.1 北極地區(qū)

在北極地區(qū)，冰期、間冰期更替對孢粉濃度的影響較大。Fredskild等對格陵蘭島Camp Century以及Dye-3冰芯融水樣品進(jìn)行了孢粉分析，發(fā)現(xiàn)總花粉濃度在21～96粒·L-1之間波動，其中較老的融水樣品具有較低的花粉濃度，這可能與當(dāng)時Wisconsin冰期冰蓋影響有關(guān)[48]。隨后，前人在Devon冰帽[50，81]和Agassiz冰帽[51，53-54]上陸續(xù)展開了長時間尺度的冰芯孢粉研究。Devon冰帽130 ka記錄表明，該地區(qū)總體上區(qū)域外孢粉占優(yōu)勢，末次間冰期總花粉濃度為4.7?！-1，Wisconsin冰期為1.9粒·L-1，早全新世(5～10 ka BP)為0.7粒·L-1，晚全新世(0.1～5 ka BP)為7.4?！-1。這一現(xiàn)象表明Wisconsin冰期和早全新世，大陸冰蓋普遍存在，花粉輸入量小，而末次間冰期與晚全新世，大陸冰蓋不存在，花粉輸入量較大[50，81]。在Agassiz冰帽上，137 m冰芯與338 m冰芯總孢粉濃度出現(xiàn)了相反的變化趨勢，早全新世(7.6～10.1 ka BP)分別為15?！-1和0.14粒·L-1，中全新世(3.1～7.6 ka BP)分別為6?！-1和0.46粒·L-1，晚全新世(0.1～3.1 ka BP)分別為9粒·L-1和1?！-1，這種差異可能是冰芯鉆取過程不同產(chǎn)生的，也可能是分辨率較低導(dǎo)致的[53-54]?？傮w來說，北極地區(qū)孢粉濃度的異常變化可以反映冰期、間冰期更替狀況，但是也存在孢粉處理損失較大、時間分辨率較低等問題。

3.4.2 阿爾泰山脈

在阿爾泰山脈的研究中，雪冰孢粉記錄常應(yīng)用于極端氣候事件的記錄與溫度、降水的響應(yīng)重建。在Sofiyskiy冰芯及雪坑研究中，Nakazawa等利用以蒿屬花粉為代表的秋季沉積和以松科花粉為代表的春季沉積來界定夏季物質(zhì)平衡，發(fā)現(xiàn)1990～2000年夏季物質(zhì)平衡與平均夏季溫度成顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(r=-0.72，p<0.05)，由此推斷在中緯度夏季補(bǔ)給型冰川上可以利用孢粉分析得來的物質(zhì)平衡數(shù)據(jù)重建夏季溫度變化[65]。對Belukha冰帽139 m冰芯研究認(rèn)為[68]，孢粉等生物指標(biāo)是阿爾泰地區(qū)降水結(jié)構(gòu)的生物標(biāo)志，它們可以反映不同大氣環(huán)流對年降水和季節(jié)降水的影響。對Belukha冰帽4 m雪坑研究[67]認(rèn)為，孢粉識別的季節(jié)變化信息能夠幫助檢測到HCOO-濃度的季節(jié)變化以及2003年春季的降塵事件。在長時間尺度重建方面，Eichler等利用阿爾泰山脈Belukha冰川139 m冰芯離子濃度、炭屑以及孢粉記錄重建了西伯利亞南部地區(qū)0.75 ka以來的植被氣候以及森林大火信息[69]。其中，1600～1680年冰芯記錄的極端火事件引起了關(guān)注，花粉記錄表明該時期之前的一段時間1540～1600年西伯利亞紅松(Pinussibirica)花粉顯著降低，蒿屬花粉增加，森林逐漸向草原演變，氣候逐漸變?yōu)楦邷馗稍?，由高溫干燥環(huán)境產(chǎn)生的大量枯木死葉等生物量的堆積觸發(fā)了森林大火的產(chǎn)生[69]。阿爾泰山脈的研究多基于孢粉識別的季節(jié)變化信息來重建古氣候，證明了孢粉記錄在古氣候重建方面的潛力。

3.4.3 安第斯山脈

在安第斯山脈，雪冰孢粉記錄常應(yīng)用于識別厄爾尼諾事件。對Quelccaya冰帽表層雪研究認(rèn)為[61]，2000年和2001年不同的花粉組合意味著它們植被來源、傳輸過程以及沉積方式存在差異，究其原因可以發(fā)現(xiàn)2000年存在較強(qiáng)的拉尼娜事件，而2001年則存在中等強(qiáng)度的厄爾尼諾事件。Liu等對Sajama冰芯39年孢粉記錄分析表明，1958～1996年冰芯總花粉濃度與南方濤動指數(shù)(SOI)成極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(r=0.716，p<0.05)，這說明花粉記錄在重建厄爾尼諾事件等方面有巨大潛力[57]。

對于長時間尺度研究而言，安第斯山脈主要通過孢粉濃度、孢粉百分比和P/A值來反映古植被演變以及濕度變化信息，再結(jié)合δ18O值溫度代用指標(biāo)，建立對古氣候的綜合認(rèn)識。Thompson等對Huascaran冰帽166.1 m冰芯融水樣品進(jìn)行花粉分析，其中晚全新世孢粉濃度為600～1 300粒·L-1，榿木屬花粉占主導(dǎo)，伴有少量如禾本科、藜科以及蒿屬的草本植物花粉，早全新世孢粉濃度較低，晚冰期的孢粉濃度最低[56]。Liu等對Sajama冰芯0.4 ka以來孢粉記錄分析表明:1600～1700年禾本科花粉百分比高，蒿屬花粉百分比低，P/A值較高，指示濕潤環(huán)境；1700～1880年禾本科孢粉百分比急劇下降，蒿屬孢粉百分比快速增加，指示干燥環(huán)境；1880～1996年禾本科再次增加，指示濕潤環(huán)境[35]。孢粉記錄證實了Quelccaya冰帽δ18O值和冰川積累量記錄的小冰期是由兩個階段組成的，即1500～1700年的濕潤期和1700～1880年的干旱期。Reese等對Sajama 25 ka以來冰芯孢粉記錄、δ18O值和冰川積累量進(jìn)行綜合分析認(rèn)為：15～25 ka BP孢粉極度缺乏，δ18O值一直處于低值，冰川積累量較高，表明晚冰期的寒冷濕潤環(huán)境導(dǎo)致植被稀疏；14.0～15.5 ka BP孢粉濃度為279～944?！-1，禾本科和菊科(Compositae)花粉占優(yōu)勢，羅漢松屬和楊梅屬(Myrica)花粉出現(xiàn)，δ18O值升高，冰川積累量有所降低，指示Bolling-Allerod暖期，值得一提的是，花粉記錄表明該時期開始時孢粉濃度增加，首先經(jīng)歷了溫暖濕潤環(huán)境，然后草原植被類型花粉逐漸向荒漠植被類型花粉演變，麻黃屬花粉以及莧科(Amaranthacae)花粉增加，氣候變得干燥；12.0～14.0 ka BP 孢粉濃度顯著降低，禾本科花粉占主導(dǎo)地位，δ18O值降低至晚冰期水平，表征寒冷濕潤環(huán)境；8.0～12.0 ka BP早全新世孢粉濃度高，并在8.5 ka達(dá)到最高值(5 000粒·L-1)，禾本科花粉減少，菊科花粉增加，δ18O值升高，冰川積累量降為較低水平，指示寒冷濕潤環(huán)境向溫暖干燥環(huán)境轉(zhuǎn)變；5.5～8.0 ka BP孢粉濃度降低，δ18O值保持在高值水平，冰川積累量保持在低值水平，表明溫暖干燥氣候；0～5.5 ka BP孢粉濃度有所回升，δ18O值仍然保持高值，冰川積累量逐漸升高，指示稍微溫暖濕潤的環(huán)境[44]。

3.4.4 青藏高原

在青藏高原，雪冰孢粉對濕度變化的響應(yīng)較為敏感，植被演替過程和孢粉濕度指標(biāo)變化均能反映濕度信息。青藏高原草甸植被成分主要有莎草科、毛茛科等，草原植被主要有禾本科、蒿屬等，荒漠植被主要有藜科、麻黃屬等[25]。雪冰孢粉記錄的優(yōu)勢在于能夠根據(jù)雪冰孢粉組合特征識別植被演替變化過程，從而對氣候變化有宏觀的認(rèn)識。在濕度要求方面，由大到小依次為草甸、草原、荒漠，因此，降水增加會導(dǎo)致荒漠逐漸向草原草甸演變。

近2 ka敦德冰芯研究表明小冰期(1430～1850年)均為濕潤環(huán)境，氣溫由暖變冷[27,37]，而普若崗日冰芯的響應(yīng)則為干燥→濕潤→干燥的交替變化，氣溫由冷變暖[25,36]，由此說明青藏高原不同地區(qū)對小冰期氣候變化的響應(yīng)不同(表3)。而對于全新世，敦德和古里雅冰芯記錄具有一定的相似性，早全新世普遍為干燥氣候，中全新世夏季風(fēng)增強(qiáng)，同時氣溫回升，晚全新世氣候波動較大[27,37](表3)。其中，敦德冰芯11 ka孢粉分析表明[27,37]，4.8～10.0 ka BP的高花粉濃度表明夏季風(fēng)可能超出了目前的界限，到達(dá)了敦德地區(qū)和西藏最西部。值得注意的是，濕度指標(biāo)A/C值具有一定的局限性，在A/C值不高的情況下，其濕度指示意義較弱，例如6.5～9.5 ka BP，古里雅地區(qū)A/C值顯示了低值，但是該時段內(nèi)蒿屬和藜科孢粉百分比較低，更加喜濕的禾本科、莎草科均增加，因此，該時段仍指示更加濕潤的環(huán)境[37]。

青藏高原以往研究中，溫度信息多基于與δ18O值等記錄的綜合，雪冰孢粉指示溫度仍處于定性描述階段，但是在普若崗日冰芯開展的基于雪冰孢粉分析的溫度重建工作表明，青藏高原雪冰孢粉在溫度重建上也極具潛力。Yang等對普若崗日冰芯進(jìn)行了孢粉分析，發(fā)現(xiàn)普若崗日1955～2002年S+M值與青藏高原中部各氣象站記錄的夏季(6月至8月)溫度成顯著正相關(guān)關(guān)系，在此基礎(chǔ)上基于線性回歸方法重建了1860～2002年青藏高原中部的夏季溫度記錄，結(jié)果表明青藏高原中部經(jīng)歷了3個顯著的暖期和5個冷期，3個暖期分別為1870～1879年、1890～1899年、1990～1999年，5個冷期為1860～1869年、1880～1889年、1900～1909年、1950～1959年、1960～1979年[40]。

表3 青藏高原敦德、普若崗日和古里雅冰芯近2 ka和全新世古氣候重建記錄Tab.3 Paleoclimate Reconstruction Records of Ice Cores from Dunde, Puruogangri and Guliya in Qinghai-Tibet Plateau over the Past 2 ka BP and Holocene

綜合所有古氣候重建工作可以發(fā)現(xiàn)，古氣候重建工作較為零散，關(guān)注內(nèi)容也各不相同。在濕度重建方面，不同地區(qū)的孢粉濕度指標(biāo)不同，Sajama冰芯選取了log(P/A)值[35]，普若崗日冰芯選取了Cy/(P+A)值[25,36]，古里雅和敦德冰芯則利用了A/C值[27,37]。其中，敦德和古里雅冰芯全新世A/C值記錄表明，敦德和古里雅地區(qū)的濕度變化狀況較一致，均記錄了10 ka和5 ka左右的濕度異常以及5 ka以來濕度逐漸減少的趨勢[27,37](圖7)。在溫度重建方面，普若崗日冰芯利用S+M值重建的1860～2002年青藏高原中部夏季溫度變化是對溫度重建的初次探索[40]，但是溫度重建工作仍然任重道遠(yuǎn)。首先，雪冰孢粉溫度指標(biāo)研究十分匱乏；其次，總孢粉濃度變化雖然是溫度的反映，但同時也是降水信息的反映，其環(huán)境意義仍然需要更深入的研究。世界范圍內(nèi)冰芯孢粉記錄的時間分辨率普遍不高，雪冰孢粉氣候指示意義研究也不深入，基于僅有的幾條曲線無法得到普適規(guī)律，仍需要大量雪冰孢粉古氣候研究工作才能進(jìn)行綜合(圖7)。

Cy/(P+A)、log(P/A)、A/C值為冰芯孢粉濕度代用指標(biāo);S+M值為冰芯孢粉溫度代用指標(biāo);普若崗日冰芯Cy/(P+A)值引自文獻(xiàn)[36];普若崗日冰芯S+M值引自文獻(xiàn)[40];Sajama冰芯log(P/A)值引自文獻(xiàn)[35];古里雅冰芯A/C值和總孢粉濃度引自文獻(xiàn)[37];敦德冰芯A/C值和總孢粉濃度引自文獻(xiàn)[27]、[37];Sajama冰芯log(P/A)值和總孢粉濃度引自文獻(xiàn)[44];Agassiz 338 m冰芯總孢粉濃度引自文獻(xiàn)[53];Agassiz 137 m冰芯總孢粉濃度引自文獻(xiàn)[54]圖7 1400～2000年冰芯孢粉溫度、濕度指標(biāo)和全新世冰芯孢粉濕度指標(biāo)及總孢粉濃度Fig.7 Pollen Records of Ice Cores as Temperature and Humidity Proxies from 1400 to 2000, and as Humidity Proxy and Total Pollen Concentrations at Holocene

4 結(jié) 語

(1)雪冰孢粉研究在氣候重建工作中具有重要意義，但是同時存在著很多不足之處。第一，雪冰孢粉鑒定狀況，目前孢粉鑒定很難鑒定到種級水平，木本植物多鑒定到屬，草本植物甚至停留在科級水平[1]；第二，雪冰孢粉源區(qū)及地理代表性，現(xiàn)有研究近似地認(rèn)為雪冰孢粉記錄的源區(qū)和傳播特征與表土孢粉一致，但沉積相不同可能帶來一定的不確定性，此外雪冰孢粉與實際植被間的關(guān)系尚未展開系統(tǒng)研究；第三，雪冰孢粉氣候指數(shù)的可靠性及應(yīng)用潛力，溫度指標(biāo)的研究極度匱乏，總孢粉濃度的氣候指示意義較為模糊，各類雪冰孢粉溫濕指標(biāo)的普適性仍然需要大量研究驗證；第四，雪冰孢粉古氣候重建，古氣候研究普遍存在分辨率不高、鑒定科屬少、孢粉古環(huán)境指示意義研究不深入等問題。

(2)雪冰孢粉現(xiàn)代過程的研究是氣候重建工作的基礎(chǔ)，應(yīng)該成為未來研究的重點內(nèi)容。根據(jù)現(xiàn)階段雪冰孢粉的不足，可以從以下幾個方面進(jìn)行改進(jìn)：一是提高雪冰孢粉的時間分辨率；二是深入研究雪冰孢粉的氣候指示意義，并且進(jìn)行定量化的嘗試；三是總結(jié)雪冰孢粉現(xiàn)代過程的區(qū)域特性，進(jìn)而對全球雪冰孢粉現(xiàn)代過程有宏觀認(rèn)識。此外，未來研究中古氣候重建工作仍然有待加強(qiáng)。青藏高原作為世界第三極，古氣候指標(biāo)的研究較為深入。石筍、樹輪、冰芯、湖泊等載體均蘊(yùn)藏著古氣候信息，冰芯作為青藏高原比較重要的古氣候重建載體之一，受人類活動影響較小，積累環(huán)境較為穩(wěn)定，因此，能夠更加準(zhǔn)確地反映古氣候和古環(huán)境變化信息?，F(xiàn)階段青藏高原已有大量的冰芯研究工作基礎(chǔ)，但是冰芯孢粉指標(biāo)并未受到廣泛關(guān)注，相比傳統(tǒng)的冰芯研究指標(biāo)而言，雪冰孢粉是植被的直接反映，可以與冰芯中其他指標(biāo)相互補(bǔ)充，因此，開展冰芯中花粉指標(biāo)的研究意義深遠(yuǎn)。另外，對于能夠反映人類活動的孢粉記錄也值得更多關(guān)注。

中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所唐領(lǐng)余研究員對本文提出了建設(shè)性意見，并在孢粉研究方面提供了悉心指導(dǎo)，在此表示感謝！