中国孢粉学研究进展

黄文

【摘 要】本文简述了中国孢粉学研究自20世纪50年代开端至今六十多年的研究进展，重点列举了中国孢粉学在第四纪孢粉学、应用孢粉学和海洋孢粉学等方面所取得的成就和研究进展及相关实验方法。第四纪孢粉库的建立为第四纪孢粉研究奠定了基础，青藏高原东部、北方地区（内蒙古高原）、黄土高原、南方地区研究成果丰硕。应用孢粉学对研究油气形成原始物质、植物分类、环境科学研究、农业、医学、考古学等方面也发挥着重要的作用。我国关于深海孢粉学的研究地区主要集中在东海的冲绳海槽和南海的大陆坡。

【关键词】孢粉学；研究进展；中国；第四纪

0 前言

孢粉学的名称是1944年英国人赫顿（Hyde）和威廉姆斯（Williams）等提出的，研究现代植物孢子花粉和地层中有机壁微体化石—孢粉和其他孢型的形态分类及其应用的一门学科，主要包括苔藓类、蕨类孢子和种子植物的花粉，有时人们也把一些个体很小的植物体如藻类和菌类也作为孢粉学的研究对象[1]。

孢粉学研究的内容主要包括两个方面：通过对比两处含相似孢粉组合的层位，确定地层时代和地层划分，为寻找煤、石油等矿产资源提供依据。通过分析确定孢子和花粉在形态、结构和化学成分等方面定性或定量的特征确定地层沉积时期的植被，从而分析地质时期植被的演化规律和趋势，为恢复古环境演变提供可能。由于植物孢子花粉具有产量大，孢粉壁易保存，体积小易被搬运，因此地球表面含有丰富的孢粉，获得了孢粉量方面的资料可精准的分析和解释植物群的性质，植物的生长会受到气候、地形、土壤等的影响，因此分析孢粉资料可再造古植被，恢复古地理、古气候、古环境，预测未来环境变化[2-3]。

1 研究进展

中国孢粉学研究开始与20世纪30年代，丁骕介绍了孢粉在泥炭、湖相沉积和煤的分析方法，以及在地层中的具体应用（丁骕，1938），但真正开始与20世纪50年代，在徐仁（1950）、宋之琛（1958）、欧阳舒（1962）等老一辈孢粉学工作者的努力下取得了一系列成果，为中国孢粉的开展奠定了基础。中国早期的孢粉研究主要是为社会生产服务的，主要方便进行石油、煤田勘探，查找铝、铁、金、钻石等矿产资源，而后主要是恢复过去植被的演化规律和趋势及其恢复古环境。中国孢粉学的发展历程可分为三个阶段，20世纪50年代-20世纪70年代末为探索时期，主要借鉴瑞典、英国、苏联等国已有的孢粉学工作经验，进行一些基础性研究，如现代孢粉形态、植被与花粉的传播、以及空气花粉等，应用于石油和煤炭勘探，地质、海洋和冶金调查。20世纪70年代末-21世纪末为成熟时期，主要开展一些综合性研究和区域性总结工作，同时加强了与其他相关学科的联系。21世纪初至今为国际融合期，逐渐与国际相接轨，与相关学科的结合更加紧密[4]。

孢粉学研究内容广泛，产生了许多分支科学，不同学者根据不同的角度和需要分类都不同，王开发，王宪曾（1983）[2]将其概括为基础研究和应用研究两个方面，基础研究包括孢粉形态学、孢粉生理学和孢粉化学；其中孢粉形态学可细分为现代孢粉形态学和化石孢粉形态学。应用研究包括地层孢粉学、石油孢粉学、海洋孢粉学、考古孢粉学、农业孢粉学、医学孢粉学等，其中地层孢粉学再细分为前寒武纪孢粉学、古生代孢粉学、中生代孢粉学、第三纪孢粉学和第四纪孢粉学。刘炳仑（1988）将其概括为两大分支：孢粉形态学和孢粉分析。孢粉形态学包括农林孢粉学、蜂蜜孢粉学、医学孢粉学、司法孢粉学。孢粉分析包括蜂蜜孢粉学、医学孢粉学、司法孢粉学、大气孢粉学、粪便孢粉学、海洋孢粉学、第四纪孢粉学以及原油孢粉学。[5]随着国内外交流合作的不断进行，中国孢粉学在许多分支上取得了较好的成就。下面主要就第四纪孢粉学、应用孢粉学等几个分支做出介绍。

1.1 第四纪孢粉学

20世纪20年代开始，国外学者通过孢粉分析来建立第四纪地层单元和重建区域植被的变化（Huntley and Birks，1983；Delcourt and Delcourt，1991），并且被J.J.Lowe，M.J.C.Walker（1995）等认为是第四纪古环境要素重建的所有方法中最可行的一种方法[6]。中国第四纪植物孢粉主要属于泛北极植物区系，后来随着气候环境的变化而分异演变[7]。

孢粉研究的基础前提是具备高质量和准确的孢粉资料，因此孢粉库的建立刻不容缓。1995年中国第四纪孢粉数据库建立，收集了半个世纪以来我国孢粉学家累积的成果（孙湘君等，1999，中国第四纪孢粉数据库小组，2001）。有关专家学者呼吁建立其他重要地质年代如第三纪，晚更新世以来的孢粉数据库，这也将是孢粉学家以后不可忽略的基础工作。我国孢粉采样地点遍布全国，倪健等（2010年）总结中国第四纪晚期孢粉记录，对孢粉采样点信息进行分类，其中中国表土/湖泊表层花粉采样点有2324个，主要集中在青藏高原东部、北方地区（内蒙古高原）、黄土高原、南方地区；沉积物钻孔或剖面采样点987个，主要集中在西藏、青海、内蒙古、甘肃、黑龙江、新疆、江苏、广东等省份和自治区。[8]

在一些学者的努力下这些重点研究区域的孢粉研究取得了可喜的成就，如杨惠秋等采用格里丘克分离法、镉重液法分析青海湖盆地新生代地层[9]；周曙等利用太湖東北侧4个钻孔的孢粉分析，14C和古地磁测试，同时结合钙质超微化石、介形类和有孔虫所确定的海侵地层，此外再参照长江下游相关资料，对12.7—1.5万年以来的4个孢粉带作了较深入的环境探讨[10]；潘安定等根据近年来的抱粉研究成果，阐述了兰州地区第四纪抱粉植物群的主要类型及其演替特征，同时对存在的向题和进一步的研究提出了看法和建议[11]，童国榜等利用用数字滤波方法，对昆明盆地l号孔的抱粉时间序列进行了波动特征的研究，显示植物演变存在着四种显著的周期，还将三通滤波曲线与气候波动、深海氧同位素及地球轨道偏心率曲线加以对比，结果证明可比性很好[12]；刘会平等运用对应分析方法研究沪、杭、苏地区三个文化遗址孢粉与气候的关系。结果显示，马家浜文化期和崧泽文化期比较温暖潮湿，良渚文化期相对凉爽[13]；吴国瑄等利用柴达木盆地西北部的第四纪沉积物中包含的植物花粉确定该地经历了5个寒冷期[14]。郑卓等利用中国建群植物数字化的地理分布数据与中国表土样品的1860个花粉数据与气候进行插值分析，结果显示绝大多数表土花粉含量的气候指示性与建群植物地理分布的气候区间是相吻合的，但也有部分花粉的指示存在偏移，这位全球生态学、古气候学及第四纪环境研究提供了重要的数据和参考[36]。同时我国古生物群区的制图工作也开始展开，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。高分辨率时间序列研究取得重要进展，10万年时间尺度上突破了千年的间隔[15]，万年尺度上突破了百年间隔，局部时段达到了50～60年的分辨率[16]。

孢粉分析方法不断与时俱进，张佳华等（1997）以北京坟庄剖面为例利用主成分分析法对过去植被和环境作用进行在分析，有效消除了因主观原因对同一孢粉谱的分带差异[17]，这对以后更加深入了解植被演替和环境演变并且准确预测未来气候的变化提供了很好的方法。刘会平等（1998）运用对应分析方法研究沪、杭、苏地区三个文化遗址孢粉与气候的关系，选取那些最具代表性又有环境指示意义的孢粉作为变量[13]。李育、王乃昂等（2007年）选取74个中国北方不同沉积相的沉积物样品通过对同一种样品进行不同的处理方法并对比，得出黄土及古土壤中的孢粉提取用氢氟酸筛选法效果最佳；湖泊沉积物孢粉提取用氢氟酸法最佳，而干旱区含砂量较高湖泊沉积物及风成砂样品需要配合重液浮选法；泥炭、沼泽中孢粉提取应采用重液浮选法配合筛选法；考古点文化层沉积物孢粉采用重液浮选法并将重液浮选出的样品配合氢氟酸处理更佳；表土样品采用无酸碱重液悬浮法（2007）[18]。

1.2 应用孢粉学

孢粉分析除在恢复古植被恢复古环境演变方面发挥作用外，在油气形成原始物质、植物分类、环境科学研究、农业、医学、考古学等方面也发挥着重要的作用。国内外许多学者从不同角度研究植物是母油的主要来源。伍哈特（1923）在位于美国肯塔基晚泥盆世俄亥俄页岩下部的黑色和灰色页岩中，发现可能与石松科有亲缘关系的大孢子和藻类的叶状体，经化学分析，指出这些植物都是形成石油的母质。散德斯（1937）对原油进行分析，得到孢子和单细胞藻类化石，分析认为这些孢子和藻类化石为石油的形成提供了蜡质、脂肪质或油质分泌物而残留抗腐蚀的外壁。孢粉壁有孢粉素和纤维素组成[19]，布鲁克斯和休斯（1972）研究指出孢粉外壁的孢粉素均由胡萝卜素和胡萝卜素酯的氧化共聚物组成，石油组分的自然来源之一就包括脂肪酸、类胡萝卜素，此外孢粉的木质素衍生物还参与了油沥青和干酪根的芳族部分的形成。干酪根通常占其有机质的80%-90%，其余都是沥青。王开发等（1983）对向日葵、松、玉米、枫树、白皮松、贯众、水麻柳等的现代孢粉进行热模拟实验，结果证明孢粉能生成石油[20]。

蜂蜜孢粉学主要是通过对分析蜂蜜中的花粉及比较蜜源植物花粉形态确认蜂蜜的来源、产地和种类。国外蜂蜜孢粉学研究开始于19世纪末期，最开始是在瑞士、法国和北欧一些国家中进行的，随后欧洲、美洲、亚洲的许多国家也开始陆续展开研究，Jato 等（1991）对西班牙西北部奥伦赛地区94个蜂蜜样品进行了定量的孢粉分析，确定了该地区主要的蜜源植物有欧洲板栗（Castanea sativa Mill）、悬钩子属（Rubus spp.）、百脉根（Lotus corniculatus Linn.）和杜鹃花科（Ericaceae）[21]。Floris等（1996）对150个撒丁蜂蜜（包括87个多花蜜和63个单花蜜）进行了定量的花粉分析，确定了通过检测蜂蜜中花粉的绝对数目确定撒丁蜂蜜等级的方法[22]。刘炳仑（2001）观察研究了春夏秋冬44种主要蜜源植物的花粉形态，同时还观察了国产柿属（Diospyros）1属18种1变种蜜源植物及其花粉形态[23-24]。空气孢粉学主要研究植物的花粉及孢子在空气中的含量及其传播问题，能很好的证明不同时空尺度所表现出来的生物学或气候学事件。

空气孢粉学的研究最早开始于医学，鲍克托（1819）提出枯草热病是有花粉引起的，艾利奥（1873）桑专门研究牧草花粉与花粉症的关系，威曼（1954）指出豚草花粉是主要致敏源之一。Cour等人利用从北极圈至赤道以南27个国家建立的150多个空气孢粉站定期收集和分析空气中的孢粉，对北欧至南非、俄罗斯至印度、中国的表土孢粉尘进行研究。通过对空气孢粉组成及其浓度的监测，可以了解植物分布区的变化，从而反馈气候（温度、降水）的变化，还可根据作物花旗空气中的花粉浓度直接预报当年的产量[25]。黄增泉等（1998）对台湾地区的空气孢粉做了全面报道。

孢粉学在考古研究中也得到更广泛的应用，我国很多重要一直都有运用孢粉分析推测人类文明发展与气候环境之间的相关性，如北京的上宅遗址、半坡遗址、金山亭林遗址、东湖林遗址、山西丁村人遗址等[33]。李宜垠等通过分析对比湖北屈家岭遗址附近的河湖相沉积剖面及文化层孢粉，得出屈家岭文化兴盛时期植被以常绿、落叶阔叶林为主，优越的气候环境为文化发展奠定了良好的基础[34]。杨晓燕等对北京平谷地区新石器时代上宅文化层的第5文化层的磨棒及石磨盘上的淀粉粒进行分析，结果发现淀粉粒中既有橡子也有粟和黍，进而推断上宅地区居民虽然有意识的栽培一定的作物作为日常生活的补给，但是没有形成真正的农业社会，也没有进一步的毁林开荒[35]。

此外，孢粉对于考古学家及法医鉴定工作等的顺利开展都可以提供一定的思路，相关文献也有报道，如张丹妍等（2007）利用孢粉个体小、质量轻、数量多、不容易发现等特征，指出孢粉可为法医工作者为破案提供有利线索[26]。

应用孢粉学目前还处于发展的初级阶段，许多方面还需要进一步的探究，与其他学科及领域的相互渗透和相互结合也是一种发展趋势，应用孢粉学有着十分广阔的发展前景，在未来的发展中更将造福于人们生产生活的各个方面。

1.3 海洋孢粉学

海洋中沉积物和海底岩芯中的孢粉，主要來自于大陆上的河流和风。此外还有随孢粉一起搬运过来的真菌、有孔虫、甲藻和其他一些单细胞藻类。据有人的粗略计算，每克海洋沉积中，少者有十几粒孢粉，多者有几百万粒孢粉。深海孢粉具有陆地孢粉不可比拟的优点，深海孢粉资料因为受自然因素如地壳运动，风力、流水等外力作用以及人为因素影响小，因此保存较完整，能提供长周期、连续的可靠的古气候信息，更由于深海孢粉来源于陆地，因此，海洋中的孢粉对于直接对比大洋与大陆气候演变信息，具有重要的研究价值[27]。

深海孢粉学的研究开始于20世纪70年代，我国关于深海孢粉学的研究晚于美国、苏联等西方发达国家直到90年代才开始有研究成果出现，我国有关学者关于深海孢粉学的研究地区主要在东海的冲绳海槽和南海的大陆坡。孙湘君等（1997）分析了南海南北深海海底40多个孢粉样品，通过计算孢粉浓度（粒/mL）绘制出了孢粉浓度等花粉线，从而探讨孢粉的源地、传播动力及途径[28-29]。徐家声（1994）通过搜集黄海上空的大气孢粉，对比黄海表层沉积物中孢粉组合，分析指出近岸草本花粉含量高，远海木本花粉含量高[30]。张玉兰等（1994）利用滦河三角洲的渤缘28井指出可以根据再沉积孢粉化石的种类追踪海盆沉积物的来源，根据再沉积化石的数量推断海平面升降的变化幅度、古气候变化及陆缘构造运动的强弱[31]。此外，深海孢粉实验处理方法也在不断进步，李杰等（2008）通过对比酸碱处理法与氢氟酸处理法，指出氢氟酸处理法在最终腹肌无的分散性、孢粉纹饰的清晰程度、孢粉的分离状态等方面均有利于深海孢粉的鉴定[32]。

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[责任编辑：曹明明]