东北地区末次盛冰期以来孢粉数据库构建技术与应用

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）。

图4 木本花粉类型百分比含量图

4 结论

孢粉数据库可应用于区域尺度的古植被格局变化以及古气候变化等研究领域。因此，本研究通过收集整理东北地区的孢粉数据，建立了样点分布均匀、标准统一、高质量的孢粉数据库。结合GIS 技术展示数据库的基本信息，并分析LGM以来东北地区植被时空格局的变化特征。