东北地区末次盛冰期以来孢粉数据库构建技术与应用

2024-01-10勇心意于梦晴

科学技术创新 2024年2期

张瑞，勇心意，张硕，于梦晴

（辽宁师范大学地理科学学院，辽宁大连）

引言

政府间气候变化专门委员会（IPCC）第六次评估报告指出，全球气温持续上升，现在平均气温已经比工业化前高出了1.1 ℃[1]。环境问题受到人们广泛关注，古环境研究成为当今全球变化研究的热点之一。孢粉是在环境演变过程中最直接的生物学证据，被广泛应用于古环境研究。建立详实可靠的孢粉数据库对于重建历史时期古环境变化至关重要[2]。

目前，国际上已经建立了全球孢粉数据库(Global Pollen Database, GPD)、欧洲孢粉数据库(European Pollen Database, EPD) 等。我国生态学者孙湘君等古生态学者建立了中国第四纪孢粉数据库(Chinese Quaternary Pollen Database, CQPD)。还有部分古生态学者由于研究需要，建立了各自的孢粉数据库，如倪建课题组[3，4]、郑卓课题组[5]等。

前人在建立孢粉数据库已覆盖部分东北地区[2，3，6]，但是存在样点分布不均匀、缺乏最新研究点位数据等问题。本研究收集整理东北地区1980 年以来已公开发表的孢粉点位，通过数据质量控制和数据处理，构建高孢粉质量、标准统一的孢粉数据库。并且基于GIS 技术支持，分析LGM 以来东北地区植被演化特征。

1 研究区概况

研究区域位于中国东北部，地理范围大致为37°24′N ～53°30′N，97°12′E ～135°02′E，包括黑龙江省、吉林省、辽宁省和内蒙古自治区。研究区域三面环山，南临黄海、渤海。由于其特殊的地理位置和地形等因素的影响，故形成了独特的气候特征。冬季寒冷漫长，夏季温热短暂，年均气温-2 ～8 ℃，年均降水量100～800 mm[7]。

2 研究材料和方法

2.1 数据来源与筛选

孢粉是研究古植被、古气候变化的重要手段。本研究中孢粉数据的获取方式有两种：一是通过查找前人已经建立的孢粉数据库[8，9]；二是通过中英文文献网站，收集整理已发表的文献专著等。为了孢粉数据库的准确性和可用性，本研究对孢粉数据进行质量控制的标准如下：（1）孢粉图谱清晰完整；（2）年龄控制点≥3 个；（3）时间跨度＞2000 年；（4）采样分辨率＜500 年；（5）排除考古遗址孢粉点位。

2.2 数据库构建技术

本研究由于选取的孢粉记录来源不同的研究。因此，我们对孢粉数据进行了如下处理：

（1）数字化孢粉图谱。对于没有原始数据的孢粉点位，需要通过数字化的方法获得每个孢粉种属的百分比含量。

（2）孢粉百分比标准化。根据陆生植物孢粉总数作为统计基数重新计算各孢粉种属的百分比。我们去除孢粉中水生植物、蕨类和藻类等反映局地性的隐域类型。

（3）建立年龄序列。使用IntCal20 年代校准曲线[10]，统一校正为日历年代，并且利用贝叶斯模型建立年代- 深度关系[11]。上述操作在R 软件中完成。

（4）花粉百分比插值。利用Matlab 软件，通过线性内插法在21～0 ka 之间每1 ka 间隔内插值得到了各分类群的花粉百分比。

3 结果

3.1 构建孢粉数据库

本数据库共收集整理了71 个孢粉样点。其中，30个点位来自Li 等[8]建立的孢粉数据库，14 个点位来自Cao 等[9]建立孢粉数据库，27 个点位通过收集整理文献专著获得（图1）。原始孢粉数据有12 个，其余孢粉数据是通过数字化孢粉图谱的方式获得。孢粉点位在东北地区大致分布均匀，并且覆盖了现代主要的植被类型区和气候带。数据库还包含孢粉点位以下属性信息：孢粉点位编号、名称、省份、经纬度、海拔、测年方法、年代控制点数目、时间跨度、沉积类型、数据来源、参考文献等。

图1 研究区孢粉点位空间分布

该数据库中，83%是2000 年以来发表的孢粉记录，具有可靠的年表和较高的采样分辨率，且在研究区内分布相对均匀。数据库中孢粉点位按照沉积类型划分为湖泊（50.7%）、泥炭（35.2%）、黄土-古土壤（11.3%）、河流沉积物（2.8%）四类（图2a）。每个孢粉序列中的年代控制点均≥3 个（图2b）。不同孢粉点位的时间跨度差异较大，但大多包含全新世时期（图2c）。大部分孢粉点位只覆盖了全新世时期（图2d）。

图2 孢粉点位属性信息

3.2 孢粉数据库的应用——东北地区花粉种属含量变化

目前数据库中出现频率较高的孢粉种属有10 个（图3）。其中，松属（Pinus）、桦属（Betula）和栎属（Quercus）是乔木花粉类群中含量较高的种属，松属（Pinus）、桦属（Betula）和栎属（Quercus）的孢粉百分比含量在末次冰期相对较低，花粉百分比大多在1～5%左右。在全新世早期开始上升，全新世中期百分比含量达到最大，达到10～15%左右。全新世晚期有所下降（图3）。

3.3 孢粉数据库的应用——GIS 技术支持重建的植被演化特征

利用孢粉百分比数据制图可用来揭示过去植被时空分布格局。本研究计算了每千年的木本百分比变化，绘制9 个关键时间断面上木本花粉百分比变化图（图4）。由图可知，末次冰期，森林主要在分布在小兴安岭、长白山、辽东半岛和内蒙古高原中部附近，辽东半岛和长白山木本花粉百分比较高，部分区域达到20%。全新世早期，较上一时段，森林向北扩张至大兴安岭北部，向西扩张至阴山附近，木本花粉的比例升高。全新世中期，森林进一步向内蒙古高原西北部扩张，木本花粉的比例在该时段达到最高，部分区域高达80%以上。全新世晚期，木本花粉百分比开始下降，森林向内蒙古高原东部、小兴安岭和长白山地区迁移（图4）。