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研究企鵝糞里的氣候秘密

2011年08月30日09:04 | 中國發展門戶網 www.chinagate.cn | 給編輯寫信 字號：T|T
關鍵詞： 企鵝糞土層 赤道輻合帶 氣候與環境 研究領域 中東太平洋 標型 3000歲 企鵝考古法 磷蝦 環流

中國科技大學孫立廣教授的科研是那樣與眾不同。十多年前，他到南極去尋找無人問津的企鵝糞，獨創了“企鵝考古法”，開拓了“全新世南極無冰區生態地質學”這一新的研究領域。

1998年底，孫立廣教授與弟子謝周清參加了中國南極第十五次科學考察。孫立廣到長城站，謝周清到中山站。尋找企鵝糞土層進行專項研究，是他們此行的任務之一。

“這個想法是被逼出來的。當時的南極研究中，各領域都有科學家帶著團隊在做，步人后塵便去不了南極。”孫立廣說，企鵝是南極最主要的動物種群之一，它們來自海洋，以磷蝦為主要食物，把糞便排泄在陸地上，通過雨雪的沖刷聚集到湖泊中，形成水、土、氣和生物界面上的物質循環。通過含有企鵝糞土的湖泊沉積層微量元素分析，可以了解人類活動對南極生態的影響，考察歷史時期企鵝數量的變化與氣候變化之間的關系。孫立廣希望借此“開辟一個新的研究渠道，在糞土中做出有分量的工作”。

然而，在阿德雷島（企鵝島）上，孫立廣歷經千辛萬苦始終沒有找到企鵝糞土層。企鵝將巢穴筑在海濱、丘陵的亂石上，它們向外強勁噴射出的粉紅泛白的糞流，很快被風雨和冰雪融水沖刷掉了。直到考察臨近結束時，才在阿德雷島偶然地發現了一個含企鵝糞的積水區。

從南極回來后，他們將采自海拔12米高的湖泊中的一段67.5厘米的泥芯，按1厘米間隔在潔凈室中分樣，對每個樣品進行26種元素的定量分析，又進行精確的碳14定年，確定這是一段大約“3000歲”的泥芯。他們發現，鍶、氟、磷等9種元素的濃度隨深度呈幾乎同步的變化，并且這9種元素濃度均比在非企鵝聚集區冰緣沉積物中的濃度高得多。

由于該島是企鵝生態特別保護區，磷的富集使他們想到了企鵝的糞便，高氟使他們想到了作為企鵝食料的磷蝦，磷蝦中有奇高的氟含量。他們推斷，是企鵝作為載體將海洋食物中的元素轉移到糞便中，進而進入沉積土層中。更進一步的有機質同位素數據、企鵝糞和苔草的元素特征也表明，企鵝糞是沉積物的主要來源。因此，他們得出結論：鍶、氟、硫、磷、硒、鋇、鈣、銅、鋅是企鵝糞土層中的標型元素組合。

他們根據企鵝糞標型元素的濃度來確定含糞量的相對變化，進而推定企鵝種群數量的相對變化，并且揭示出企鵝數量波動與氣候變化之間的關系。2000年10月，企鵝生態考古的第一篇論文——《過去3000年企鵝數量記錄》發表在國際權威期刊《自然》上，引起國內外學術界的廣泛關注。

南極是全球氣候變化的敏感神經。這種獨特的“企鵝考古法”對進一步研究南極大陸生態、氣候與環境演變，探討南極環境演變與全球變化的關系，具有重要的科學意義。

此后，他們還將這種方法和思路應用到我國南海西沙群島和北極的研究中。

他們兩次到西沙群島進行科學考察，采集了多個時間跨度超過千年的含有鳥糞等物質的沉積柱，根據沉積物的粒度變化以及介形蟲的氧同位素變化，進行古降雨記錄重建。他們發現一個重要問題：位于赤道輻合帶北界附近的南海西沙地區，在小冰期期間出現了降雨量增多的情況，這是傳統熱帶氣候變化機制理論——熱帶輻合帶擺動理論（ITCZ）所不能解釋的。

他們通過進一步綜合分析熱帶太平洋東西兩岸地區8個點目前已有的古氣候記錄，重建了過去千年熱帶太平洋地區降雨的空間結構變化，并得出結論：在相對較冷的小冰期（公元1400—1850），熱帶西太平洋地區降雨增多，而熱帶中東太平洋降雨減少，表明該時段太平洋沃克環流較強；在相對較為溫暖的中世紀暖期（公元800年—1300年），熱帶西太平洋地區降雨偏少，而熱帶中東太平洋降雨偏多，表明該時段太平洋沃克環流較弱。

這項重要成果對熱帶太平洋地區世紀尺度的氣候變化機制提出了新的認識，也標志著孫立廣小組由南極開始的生態地質學研究，進入到生態與氣候變化機制研究的新階段。

太平洋沃克環流對我國氣候的影響很大，通過太平洋降雨記錄反演太平洋沃克環流的變化，可以了解中國歷史時期氣候變化與沃克環流的關系，而這有助于預測我國中長期氣候變化。

孫立廣小組還將企鵝考古法用來考證人類的文明史。他們通過分析安徽蒙城尉遲寺考古遺址采集的有沉積序列的土層中的磷、碳等元素和同位素的變化，揭開了存在于斯的大汶口文化在距今約4400年前為龍山文化所替代的根源：那時發生了一次嚴重的“冷事件”，造成兩種文化更迭。

孫立廣說，利用古文化遺址中沉積物的地球化學記錄來研究古代文明的演化，可以恢復人類文明發展的連續歷史記錄，為這一領域開辟了新的方法。

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