薛美玲,郝秀東,2@,歐陽(yáng)緒紅,李立學(xué),勞月英

(1.南寧師范大學(xué) 北部灣環(huán)境演變與資源利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西 南寧 530001;2.自然資源部/廣西巖溶動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所,廣西 桂林 541004)

0 引 言

ˉ孢粉學(xué)(Palynology),是一門(mén)新興的交叉學(xué)科,涉及到生物學(xué)、地理學(xué)、考古學(xué)等多門(mén)學(xué)科,其研究對(duì)象是植物的孢子和花粉[1]。孢粉分析是研究古環(huán)境的重要指標(biāo)之一,其結(jié)果具有直觀性和準(zhǔn)確性,在恢復(fù)古植被和古氣候中具有重要地位[2-3]。表土花粉研究取樣簡(jiǎn)單,但很難實(shí)現(xiàn)定量以及精確研究。而空氣花粉可以在一定時(shí)空范圍內(nèi),可以客觀反映花粉沉積狀況,進(jìn)行空氣花粉組合特征及其與氣象要素之間的關(guān)系等研究[4-8]?？諝饣ǚ凼谴髿庠u(píng)估的重要指標(biāo)之一,其花粉組合、花粉濃度等都與某一地區(qū)的氣候和植被覆蓋相關(guān)[9],在花粉散布特征、花粉來(lái)源及花粉與植被和氣候關(guān)系等研究上具有重大意義[10-12],并且能更好的反映植被多樣性。

花粉通量是花粉散布和花粉沉積后的結(jié)果,在研究花粉產(chǎn)量、揭示花粉散布過(guò)程及機(jī)制研究具有十分重要的意義[10-13],主要應(yīng)用在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、地理學(xué)-氣象領(lǐng)域以及農(nóng)學(xué)領(lǐng)域。花粉通量的垂直分布規(guī)律研究,對(duì)于完善植被垂直帶譜具有重要意義,有利于正確認(rèn)識(shí)孢粉與植被之間的關(guān)系,并為古植被與古氣候的重建提供基礎(chǔ)[14],也有利于預(yù)測(cè)未來(lái)氣候和植被的變化規(guī)律,這對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局、環(huán)境評(píng)估和預(yù)防花粉過(guò)敏疾病具有指導(dǎo)性意義[15]。目前,國(guó)內(nèi)花粉通量研究涉及領(lǐng)域眾多,研究區(qū)域分散,還未見(jiàn)其研究進(jìn)展相關(guān)報(bào)道。因此,對(duì)國(guó)內(nèi)已有研究成果進(jìn)行歸納和總結(jié),從研究區(qū)域分布特點(diǎn)、研究現(xiàn)狀和研究方法幾個(gè)方面進(jìn)行歸納和總結(jié),并對(duì)未來(lái)的研究方向進(jìn)行分析和展望。

1 研究區(qū)分布特征

空氣花粉涉及范圍廣,多應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、地理學(xué)-氣象學(xué)、植物學(xué)、農(nóng)學(xué)等領(lǐng)域[16]。花粉過(guò)敏作為一種常見(jiàn)疾病,發(fā)病率高,在我國(guó)花粉過(guò)敏高發(fā)區(qū)甚至達(dá)到5%,近年來(lái)發(fā)病率仍呈現(xiàn)上升趨勢(shì)[17],使得空氣花粉成為醫(yī)學(xué)科研工作者的關(guān)注對(duì)象之一。而孢粉學(xué)家對(duì)于花粉通量的研究則相對(duì)較少,其研究區(qū)主要集中在北方地區(qū)。東北地區(qū)的空氣花粉研究區(qū)集中分布于長(zhǎng)白山區(qū),許清海等[10,13-14,19-21]對(duì)于長(zhǎng)白山區(qū)的花粉通量研究較多,黑龍江省牡丹江市有少量研究;華北地區(qū)空氣花粉研究區(qū)主要集中在北京市郊區(qū),其次白洋淀、山西呂梁等地[22-28];西北地區(qū)的空氣花粉研究區(qū)分布在太白山、賀蘭山、陰山山脈、內(nèi)蒙古草原、寧夏回族自治區(qū)、蘭州以及新疆的南疆、阿克蘇等地[29-34]；中國(guó)南方關(guān)于花粉通量的研究還未見(jiàn)報(bào)道(如圖1所示)。

圖1 中國(guó)近25年花粉通量研究區(qū)分布

2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

2.1 發(fā)文量分析

文獻(xiàn)的發(fā)文量在一定程度上反應(yīng)了某領(lǐng)域的研究進(jìn)展,可以反映其發(fā)展的速度和科研水平,不同時(shí)間文獻(xiàn)數(shù)量的變化可以反應(yīng)研究的發(fā)展進(jìn)程及趨勢(shì)[18]。國(guó)內(nèi)關(guān)于花粉通量研究較少,從時(shí)間上看具有一定的間距,如圖2所示。從1997-2022年,年發(fā)文量最多為2010年的4篇,最少為0篇,從圖上可以清楚看出,從1997-2006年,僅有1997年的一篇文章發(fā)表,2001-2006年的9年間,沒(méi)有任何相關(guān)研究,直至2007年開(kāi)始,陸陸續(xù)續(xù)發(fā)表了一系列花粉通量相關(guān)文章,從2007-2022年,除了2014年、2019年和2020年以外,每年均有1～3篇的發(fā)文量。從1997至2022年關(guān)于空氣花粉通量的研究主要集中在2007-2018年,這12年間發(fā)文量不僅連續(xù)(除2014年),而且年發(fā)文量遠(yuǎn)高于其他年份,其中2010年發(fā)文量最多。

圖2 中國(guó)近25年花粉通量發(fā)文量統(tǒng)計(jì)

2.2 作者分析

利用Citespace 軟件對(duì)花粉通量相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行聚類(lèi)分析,在文獻(xiàn)計(jì)量網(wǎng)絡(luò)圖譜中,一個(gè)節(jié)點(diǎn)代表一個(gè)作者,節(jié)點(diǎn)大小表示作者發(fā)文量,節(jié)點(diǎn)越大代表作者的發(fā)文量越大,可用于判斷某作者在花粉通量研究中的中心性;節(jié)點(diǎn)年輪的顏色對(duì)應(yīng)時(shí)間條的顏色,代表著作者對(duì)應(yīng)的發(fā)文時(shí)間;兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的連線代表兩個(gè)作者之間存在合作,連線的顏色代表著兩個(gè)作者首次合作時(shí)間。

利用Citespace軟件對(duì)近25年有關(guān)花粉通量文章作者進(jìn)行分析,如圖3所示。發(fā)文量最多的是許清海,其次是李月叢,他們之間存在較多的合作,并且其他作者與二者的合作也十分密切。 利用Citespace 對(duì)作者機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析,節(jié)點(diǎn)越大代表出現(xiàn)次數(shù)越多,字體也越大,兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的連線代表二者之間存在合作。如圖4所示,出現(xiàn)最多的機(jī)構(gòu)名稱(chēng)是“河北師范大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院”,并且與其他各個(gè)機(jī)構(gòu)合作較多;研究機(jī)構(gòu)主要分布在河北、北京以及蘭州等,均為北方科研機(jī)構(gòu)或高校。

圖3 中國(guó)近25年花粉通量研究進(jìn)展分析作者圖譜

圖4 中國(guó)近25年花粉通量研究進(jìn)展分析研究機(jī)構(gòu)圖譜

2.3 中國(guó)北方花粉通量研究現(xiàn)狀

2.3.1 東北地區(qū)

長(zhǎng)白山地區(qū)多以紅松針闊混交林內(nèi)的空氣花粉為研究對(duì)象。目前,不同學(xué)者分別在2005-2012年間進(jìn)行了多項(xiàng)研究,通過(guò)對(duì)長(zhǎng)白山不同高度花粉通量研究,在其年際變化、不同植物花粉類(lèi)型的散布特征、揭示不同植被花粉類(lèi)型的傳播過(guò)程以及不同高度花粉通量變化與氣象要素之間的關(guān)系等方面研究都有一定成果[10,13-14,19-21。其中,李陽(yáng)在長(zhǎng)白山針闊葉混交林內(nèi)采集表土、苔蘚和地表捕捉器三種樣品,研究并探討了不同方法下,花粉組合對(duì)植被的代表性以及其對(duì)生態(tài)環(huán)境的指示意義[14]。長(zhǎng)白山地區(qū)的花粉通量研究較多涉及到時(shí)空范圍,多取3～5年的樣品進(jìn)行對(duì)比研究,以揭示花粉組合的時(shí)空分布規(guī)律及其由于氣象要素之間的關(guān)系。

長(zhǎng)白山地區(qū)空氣花粉組合中喬木花粉占主要優(yōu)勢(shì),其次是草本花粉,最后是灌木,但有少部分研究中顯示草本花粉占比低于灌木花粉,孢子少有出現(xiàn)?？偦ǚ弁烤?4464粒/a以上,最高值達(dá)到24231粒/a[21]。喬木花粉在花粉組合中占比均在64%以上,最高達(dá)到93.5%,其中,櫟屬、白蠟屬和松屬是喬木花粉中的主要類(lèi)型,花粉通量平均最低值為2537粒/年[14],平均最高值達(dá)到69719粒/年[10],是花粉通量值最高的花粉;草本花粉的主要類(lèi)型有蒿屬、菊科、玄參科、禾本科、毛茛科和藜科等,花粉通量平均最低值為366粒/年[10],平均最高值達(dá)到21628粒/年[13];灌木花粉占比普遍偏低,在花粉組合中的占比普遍很低,占比最低值僅有0.11%[21],最高也只有12.6%[13],灌木花粉通量平均最低值僅有17粒/a[21],平均最高值也只有715粒/年[19]。

2.3.2 華北地區(qū)

華北地區(qū)的花粉通量研究主要集中在北京、河北和山西等地區(qū)范圍內(nèi),該地區(qū)花粉通量研究分為兩大類(lèi),其一致力于過(guò)敏花粉,另一類(lèi)則偏向于揭示花粉的傳播機(jī)制及其與氣象要素之間的關(guān)系。侯曉靜等[22-23]以北京郊區(qū)為研究區(qū),利用蒿屬植物和藜屬植物的花粉通量,進(jìn)行了花粉密度時(shí)空分布規(guī)律研究,從而為過(guò)敏人群和綠化管理提供合理建議與參考依據(jù);白洋淀空氣花粉通量和表土花粉通量研究,以揭示兩種途徑對(duì)湖泊花粉的貢獻(xiàn)率,并對(duì)比兩種樣品的花粉組合特征,探討湖泊花粉的沉積動(dòng)力[24];李英、Li Jia等[25-26]分別研究了石家莊2007-2009和2007-2011年花粉通量,通過(guò)空氣花粉散布特點(diǎn)的研究,探討了不同季節(jié)花粉通量的不同影響因素,嘗試確定花粉與氣候的定量關(guān)系;山西省的花粉通量研究區(qū)主要分布在呂梁和渾源地區(qū),通過(guò)對(duì)兩地花粉通量研究,揭示了空氣花粉組合特征、花粉通量及其與氣象因子之間的關(guān)系,探討了風(fēng)對(duì)花粉組合的影響程度及其影響顯著的種類(lèi)[27-28]。

華北地區(qū)空氣花粉組合中主要有草本花粉、喬木花粉以及灌木花粉,蕨類(lèi)孢子少有出現(xiàn)。草本花粉當(dāng)中以蒿屬、禾本科、藜科、菊科、蕁麻屬和葎草屬為主,喬木花粉以松科、樺屬、櫟屬和楊屬為主,而灌木花粉主要以薔薇科、虎榛子屬和胡頹子屬為主。年總花粉通量最低值為1209粒/年[24],最高值為36200粒/年[28]。

2.3.3 西北地區(qū)

西北地區(qū)的花粉通量研究分布在陜西、甘肅、寧夏以及新疆等地區(qū)。通過(guò)研究太白山、洛川、陰山山脈、賀蘭山和蘭州等地區(qū)的花粉通量,探討了花粉通量時(shí)空散布特征、花粉與植被覆蓋之間的關(guān)系及其與氣象因子之間的關(guān)系[7,29-33]。其中,太白山花粉通量的研究,探討了表土花粉與捕捉器花粉兩種研究方法的差異[7];蘭州地區(qū)的花粉通量研究,則通過(guò)研究蘭州地區(qū)不同季節(jié)、不同天氣下的空氣花粉組合特征,揭示蘭州地區(qū)的花粉散布特征以及現(xiàn)代花粉匯集規(guī)律,并探討了不同天氣同一時(shí)段的花粉搬運(yùn)特征[33]。

西北地區(qū)空氣花粉組合仍然是由喬木花粉、灌木花粉和草本花粉組成,但是該地區(qū)出現(xiàn)了少量蕨類(lèi)植物的孢子。喬木花粉中主要是榆屬、松屬、櫟屬、楊屬和柏科等,除了林帶內(nèi)收集的樣品中喬木花粉可以達(dá)到60%以上,其他樣地的樣品喬木花粉都小于20%;灌木花粉中鑒定出的植被類(lèi)型主要有薔薇科、白刺屬、虎榛子屬以及胡頹子科等,除了靠近灌木叢的樣品采集點(diǎn)外,其占比一般小于30%;在西北地區(qū)的各項(xiàng)研究中,鑒定出的草本花粉占比普遍高于東北地區(qū)和華北地區(qū),其主要草本植被有蒿屬、藜科、菊科、豆科、禾本科、莎草科和毛茛科等。在統(tǒng)計(jì)的各項(xiàng)研究中,西北地區(qū)年平均花粉通量最低值為22647粒/年,最高值為34543粒/年[12]。

2.4 其他地區(qū)花粉通量研究現(xiàn)狀

除以上各大分區(qū)外,前人還通過(guò)研究?jī)?nèi)蒙古、寧夏、河北、山西、陜西的捕捉器樣品和表土花粉樣品的花粉組合特征,探討了北方不同森林群落表土和捕捉器花粉組合及其與植被和氣候的關(guān)系[34]。早在1997年黃賜璇等人在山東禹城,做了花粉通量與氣象要素之間的關(guān)系研究,并對(duì)小麥、玉米產(chǎn)量進(jìn)行了預(yù)測(cè)研究[35]。中國(guó)南方地區(qū)相較于北方地區(qū)關(guān)于空氣花粉的研究主要偏向于致敏花粉方向和空氣花粉傳播規(guī)律的研究,但是空氣花粉通量的研究還未見(jiàn)報(bào)道。

3 研究方法

3.1 主要樣品采集與處理方法

空氣花粉相較于表土花粉,采樣過(guò)程所需時(shí)間更長(zhǎng),空氣花粉的采集一般選擇在開(kāi)闊地帶,采集方式要根據(jù)具體需要和實(shí)際情況選擇合適的方式,但是空氣花粉通量研究采樣多采用Tauber traps捕捉器。

(1)Tauber trap花粉捕捉器:放于采樣地寬闊地帶,或?qū)⒍鄠€(gè)捕捉器放置不同高度,可放置在觀測(cè)塔或從山麓至山頂?shù)牟煌叨任恢?按固定時(shí)間回收樣品,研究花粉垂直散布特征的一般是一年回收一次,但由于人為活動(dòng)或動(dòng)物破壞,樣品捕捉器均有一定損耗。

由于采樣時(shí)間較長(zhǎng),樣品中具有較多雜質(zhì),需要進(jìn)行酸處理去除雜質(zhì)。將回收的樣品離心后收集至10 mL試管內(nèi)保存,待所有樣品全部回收后,將樣品按高度排序、編號(hào)并記錄,倒至燒杯內(nèi)加入1粒石松孢子作為示蹤劑,然后進(jìn)行酸處理,反應(yīng)完全后水洗至中性,在超聲波清洗機(jī)內(nèi)使用孔徑為10μm的篩網(wǎng)進(jìn)行過(guò)篩,收集至5 mL的試管內(nèi)保存,以備后續(xù)制片觀察。

(2)風(fēng)標(biāo)花粉收集儀:主要由風(fēng)標(biāo)及兩塊涂有硅油的濾網(wǎng)組成。風(fēng)標(biāo)隨風(fēng)向變化而轉(zhuǎn)動(dòng),使空氣中的花粉等顆粒物質(zhì)吸附于前方的濾網(wǎng)上,根據(jù)不同的采樣周期,定時(shí)更換濾網(wǎng)。

后續(xù)實(shí)驗(yàn)中取紗網(wǎng)上樣品的二分之一并稱(chēng)重、編號(hào)記錄,每個(gè)樣品中加入1粒石松孢子作為示蹤劑,使用酸堿處理法去除樣品中的有機(jī)質(zhì),反應(yīng)完全后水洗至中性,然后在篩網(wǎng)中過(guò)篩,加入1∶9的硫酸和乙酸酐混合液去除樣品中的原生質(zhì),然后水洗至中性,加入甘油備用[28]。

重力玻片法:采樣介質(zhì)為涂有凡士林的載波片,空氣中的孢粉由于重力下落,附著在涂有凡士林的載玻片上。后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中將挑取適量堿性品紅甘油膠放在采完樣的載玻片上,微火融化后加蓋蓋玻片,用于后續(xù)鑒定[17-18]。

⑷Burkard花粉采樣儀:主要以恒定的流量抽吸空氣進(jìn)入密閉的內(nèi)室,空氣顆粒被黏附在內(nèi)室轉(zhuǎn)動(dòng)的采樣鼓表面,不同時(shí)間被吸入的顆粒黏附在采樣鼓表面的不同位置上,相互間沒(méi)有疊加。一個(gè)采樣周期結(jié)束后,將固定在采樣鼓表面的聚酯帶取下,經(jīng)過(guò)剪切、染色、制片后可直接置于鏡下進(jìn)行鑒定。

3.2 分析方法

主要應(yīng)用的分析方法有判別分析、花粉通量、聚類(lèi)分析、主成份分析等(見(jiàn)表1)。

表1 數(shù)據(jù)分析方法統(tǒng)計(jì)表

1)判別分析是根據(jù)研究對(duì)象的特征指標(biāo)進(jìn)行判別歸類(lèi)的一種分析方法,在研究花粉與植被對(duì)應(yīng)關(guān)系中具有重要地位[19]。

2)花粉通量計(jì)算方法:花粉通量(粒/cm2/年)=(某一類(lèi)型花粉數(shù)量×加入石松孢子數(shù))/(鑒定出石松孢子數(shù)×花粉捕捉器開(kāi)口面積)[21]。

3)聚類(lèi)分析是一種廣泛應(yīng)用于孢粉學(xué)領(lǐng)域的分析方法,根據(jù)樣本的多重指標(biāo),在樣本間的相似指數(shù)基礎(chǔ)上,定量確定樣品間、種類(lèi)間的親疏和相似關(guān)系,從而進(jìn)行分類(lèi)[22]。

4)主成分分析是通過(guò)降維處理,將具有一定相關(guān)關(guān)系的原始指標(biāo)轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個(gè)綜合指標(biāo)(即主成分),從而簡(jiǎn)化計(jì)算,排除不確定性[26]。

4 討論

通過(guò)對(duì)中國(guó)近25年來(lái)的花粉通量相關(guān)研究進(jìn)行系統(tǒng)的總結(jié)可從下面幾方面進(jìn)行討論:

1)從當(dāng)前的發(fā)文量來(lái)看,花粉通量的研究十分稀少,從近25年的發(fā)文量可以看出其研究熱度非常小,25年里總發(fā)文量?jī)H有25篇文章,年均1篇,文章產(chǎn)量遠(yuǎn)低于孢粉學(xué)其他研究方向的文章。花粉通量較低的研究熱度可能與其較長(zhǎng)的研究周期相關(guān),花粉通量相關(guān)研究的采樣周期往往在半年到一年左右;其次,將空氣花粉捕捉器放置在野外時(shí)間長(zhǎng),容易受到牲畜或人為破壞,使得樣品回收產(chǎn)生損耗,若是將捕捉器放置在通量塔的各個(gè)高度可以避免破壞,但是通量塔造價(jià)比較高;而表土花粉研究采樣周期短,樣品容易保存,與花粉通量研究的長(zhǎng)周期形成鮮明對(duì)比,這也使得選擇花粉通量相關(guān)研究的人較少。

2)從研究區(qū)分布來(lái)看,目前已有的花粉通量研究主要分布在北方地區(qū),進(jìn)行了花粉通量與氣象要素關(guān)系的研究、花粉通量的垂直分布特征研究以及利用花粉通量揭示花粉傳播機(jī)制的研究等。但是,中國(guó)南方地區(qū)還未出現(xiàn)任何關(guān)于花粉通量的研究,這可能與研究團(tuán)隊(duì)所在地存在聯(lián)系。從上文的研究機(jī)構(gòu)圖譜中可以看出,研究者所在地主要以河北、蘭州為主,而科研選址往往就近選擇,也就導(dǎo)致北方地區(qū)具有少量的花粉通量研究,而南方還未見(jiàn)任何研究。

3)從孢粉組合特征來(lái)看,北方地區(qū)的孢粉組合比較相近,喬木花粉主要以松屬、櫟屬、樺屬、榆屬、楊屬、白蠟屬為主,灌木花粉以薔薇科、胡頹子科、虎榛子科、木犀科、衛(wèi)矛科為主,草本花粉以蒿屬、菊科、藜科、玄參科、毛茛科、禾本科為主,整體符合北方地區(qū)的植被覆蓋類(lèi)型。其中,東北地區(qū)的喬木花粉占比較大,而西北地區(qū)草本、灌木花粉占比較大。這應(yīng)該與氣候條件相關(guān),東北地區(qū)氣候?qū)贉貛Ъ撅L(fēng)氣候區(qū),夏季降水多,水熱條件較好,而西北地區(qū)屬溫帶大陸性氣候,夏季炎熱干燥,降水較少,因此東北地區(qū)喬木植被較多,花粉組合喬木花粉占比大。

4)南方地區(qū)植物種類(lèi)豐富,氣候類(lèi)型多樣,且山地較多為研究花粉通量的垂直變化規(guī)律提供條件。我國(guó)南方喀斯特地區(qū)分布廣泛,氣候類(lèi)型多樣,植被類(lèi)型豐富,喀斯特地區(qū)花粉通量研究,有利于揭示喀斯特地區(qū)花粉與氣候因子、植被類(lèi)型之間的關(guān)系,對(duì)于研究花粉產(chǎn)量、完善現(xiàn)代花粉譜具有重要意義,同時(shí),在揭示花粉散布特征與傳播機(jī)制方面也具有重要意義。