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研究企鹅粪里的气候秘密

时间:09-04 来源: 作者:



  中国科技大学孙立广教授的科研是那样与众不同。十多年前,他到南极去寻找无人问津的企鹅粪,独创了“企鹅考古法”,开拓了“全新世南极无冰区生态地质学”这一新的研究领域。

  1998年底,孙立广教授与弟子谢周清参加了中国南极第十五次科学考察。孙立广到长城站,谢周清到中山站。寻找企鹅粪土层进行专项研究,是他们此行的任务之一。

  “这个想法是被逼出来的。当时的南极研究中,各领域都有科学家带着团队在做,步人后尘便去不了南极。”孙立广说,企鹅是南极最主要的动物种群之一,它们来自海洋,以磷虾为主要食物,把粪便排泄在陆地上,通过雨雪的冲刷聚集到湖泊中,形成水、土、气和生物界面上的物质循环。通过含有企鹅粪土的湖泊沉积层微量元素分析,可以了解人类活动对南极生态的影响,考察历史时期企鹅数量的变化与气候变化之间的关系。孙立广希望借此“开辟一个新的研究渠道,在粪土中做出有分量的工作”。

  然而,在阿德雷岛(企鹅岛)上,孙立广历经千辛万苦始终没有找到企鹅粪土层。企鹅将巢穴筑在海滨、丘陵的乱石上,它们向外强劲喷射出的粉红泛白的粪流,很快被风雨和冰雪融水冲刷掉了。直到考察临近结束时,才在阿德雷岛偶然地发现了一个含企鹅粪的积水区。

  从南极回来后,他们将采自海拔12米高的湖泊中的一段67.5厘米的泥芯,按1厘米间隔在洁净室中分样,对每个样品进行26种元素的定量分析,又进行精确的碳14定年,确定这是一段大约“3000岁”的泥芯。他们发现,锶、氟、磷等9种元素的浓度随深度呈几乎同步的变化,并且这9种元素浓度均比在非企鹅聚集区冰缘沉积物中的浓度高得多。

  由于该岛是企鹅生态特别保护区,磷的富集使他们想到了企鹅的粪便,高氟使他们想到了作为企鹅食料的磷虾,磷虾中有奇高的氟含量。他们推断,是企鹅作为载体将海洋食物中的元素转移到粪便中,进而进入沉积土层中。更进一步的有机质同位素数据、企鹅粪和苔草的元素特征也表明,企鹅粪是沉积物的主要来源。因此,他们得出结论:锶、氟、硫、磷、硒、钡、钙、铜、锌是企鹅粪土层中的标型元素组合。

  他们根据企鹅粪标型元素的浓度来确定含粪量的相对变化,进而推定企鹅种群数量的相对变化,并且揭示出企鹅数量波动与气候变化之间的关系。2000年10月,企鹅生态考古的第一篇论文——《过去3000年企鹅数量记录》发表在国际权威期刊《自然》上,引起国内外学术界的广泛关注。

  南极是全球气候变化的敏感神经。这种独特的“企鹅考古法”对进一步研究南极大陆生态、气候与环境演变,探讨南极环境演变与全球变化的关系,具有重要的科学意义。

  此后,他们还将这种方法和思路应用到我国南海西沙群岛和北极的研究中。

  他们两次到西沙群岛进行科学考察,采集了多个时间跨度超过千年的含有鸟粪等物质的沉积柱,根据沉积物的粒度变化以及介形虫的氧同位素变化,进行古降雨记录重建。他们发现一个重要问题:位于赤道辐合带北界附近的南海西沙地区,在小冰期期间出现了降雨量增多的情况,这是传统热带气候变化机制理论——热带辐合带摆动理论(ITCZ)所不能解释的。

  他们通过进一步综合分析热带太平洋东西两岸地区8个点目前已有的古气候记录,重建了过去千年热带太平洋地区降雨的空间结构变化,并得出结论:在相对较冷的小冰期(公元1400—1850),热带西太平洋地区降雨增多,而热带中东太平洋降雨减少,表明该时段太平洋沃克环流较强;在相对较为温暖的中世纪暖期(公元800年—1300年),热带西太平洋地区降雨偏少,而热带中东太平洋降雨偏多,表明该时段太平洋沃克环流较弱。

  这项重要成果对热带太平洋地区世纪尺度的气候变化机制提出了新的认识,也标志着孙立广小组由南极开始的生态地质学研究,进入到生态与气候变化机制研究的新阶段。

  太平洋沃克环流对我国气候的影响很大,通过太平洋降雨记录反演太平洋沃克环流的变化,可以了解中国历史时期气候变化与沃克环流的关系,而这有助于预测我国中长期气候变化。

  孙立广小组还将企鹅考古法用来考证人类的文明史。他们通过分析安徽蒙城尉迟寺考古遗址采集的有沉积序列的土层中的磷、碳等元素和同位素的变化,揭开了存在于斯的大汶口文化在距今约4400年前为龙山文化所替代的根源:那时发生了一次严重的“冷事件”,造成两种文化更迭。

  孙立广说,利用古文化遗址中沉积物的地球化学记录来研究古代文明的演化,可以恢复人类文明发展的连续历史记录,为这一领域开辟了新的方法。

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