沉积植物古DNA技术在古植被重建中的应用

近些年基因测序技术的大量应用为沉积物中植物古DNA的分析提供了技术支撑,将古植被重建的技术发展到了分子层面。国内外相关研究表明,来源于沉积体系中的沉积植物古DNA(Sediment plant ancient DNA,aDNA)可作为古植被重建的有效工具。从技术基础理论、文献计量统计、发展应用及实验操作几个方面对沉积植物aDNA技术进行了全面的介绍。沉积aDNA技术在植物群落分析上是一个新的补充方法,它可以提供更高的分辨率以及更精确的丰度估算,然而在实验体系及数据库方面还需要不断完善成熟,其在未来将成为古植被重建重要的辅助技术手段。

利用孢粉记录定量重建大尺度古植被格局

古植被定量重建是过去全球变化研究的重点之一,生物群区化(Biomisation)方法以特征植物功能型来定义生物群区,通过一种标准化数量方法计算孢粉谱的相似得分,以此把孢粉谱转变为生物群区类型,是进行古植被定量重建的一种有效方法。该文在前人综述文章的基础上,简述了生物群区化方法定量重建古植被格局的发展历史、具体步骤及存在问题,重点描述了以此方法为基础重建的全新世中期(MH)和末次盛冰期(LGM)的全球古植被分布格局,以及中国的古植被定量重建工作和古植被格局变化。目前的研究表明,全新世中期北极森林界线在某些地区有轻微的北移迹象,北部的温带森林带通常向北远距离迁移,欧洲的温带落叶林也大范围向地中海地区(向南)和向北扩展,在北美内陆,草原侵入到森林生物群区,但中亚地区却没有此现象,中国大陆的森林生物群区扩张,典型撒哈尔植被(如干草原、干旱疏林灌丛和热带干旱森林)进入撒哈拉地区,而非洲热带雨林却呈减少趋势;末次盛冰期苔原和草原扩张,在欧亚大陆北部逐渐混合,北半球的森林生物群区向南迁移,北方常绿森林(泰加林)和温带落叶林呈碎片状,而欧洲和东亚的草原却大范围扩张,非洲的热带湿润森林(比如热带雨林和热带季雨林)有所减少,在北美洲的西南地区,荒漠和草原被开阔针叶疏林所取代。

数理统计在现代花粉研究中的应用

数理统计方法是目前花粉现代过程研究的重要分析手段,孢粉学家运用数理统计方法在现代花粉研究中取得了很多卓有成效的进展。为对近20年来现代花粉—植被关系进行深入探索,本文基于相关成果,将数理统计常用方法原理及其在现代花粉研究成果的运用进行了系统梳理和概述。结果表明,常为孢粉学者运用的数理统计方法为多元统计法和模型模拟法,鉴于统计方法本身存在局限性和不同类型孢粉代表性存在差异,花粉—植被关系的研究方法仍须孢粉学者进一步改进和创新。

中国北方典型草原区花粉产量及其定量重建古植被的作用

基于中国北方典型草原区30个样点现代孢粉分析和植被调查，研究估算了常见花粉类型的相对花粉产量，并将估算结果应用于全新世以来的古植被定量重建．典型草原区现代花粉组合以蒿属、藜科、禾本科、莎草科和菊科等草本植物花粉为主，与草原区植物群落较一致．中国北方典型草原区上述五种主要花粉类型和常见花粉类型（唐松草属、鸢尾科、委陵菜属、麻黄属、十字花科和榆属）的风力传播能力强，相对花粉源1000m左右（以表土样品取样范围为沉积盆地半径，0．5m），且基本不受风速影响．榆属、蒿属、十字花科和藜科植物花粉产量最高，唐松草属植物花粉产量较高，而菊科和鸢尾科植物花粉产量较低，禾本科、莎草科、委陵菜属和麻黄属植物花粉产量适中．相对花粉产量检验表明：多数花粉类型相对花粉产量结果可信；但菊科和鸢尾科相对花粉产量被显著低估，禾本科、藜科、麻黄属相对花粉产量被高估或低估，利用相对花粉产量定量重建古植被时应谨慎．依据花粉产量定量重建的植被演替表明，现在的中国北方典型草原区6500—5600cal．aBP之前为以禾本科、莎草科和蒿属植物为主的草甸草原，之后逐渐演变为现在的典型草原．

基于孢粉的新疆全新世植被重建

本文选择我国干旱的新疆地区为研究区域,运用全球植物功能型分类系统(PFTS)、生物群区化定量技术(Biomisation)和600个地层孢粉样品,重建全新世14个时段的生物群区。以20世纪80年代以来采集的地层孢粉原始记录进行收集、归并和统计分析(主要包括孢粉类群、样品百分比数据、测年记录和与地理坐标有关的信息等),同时利用Digitizer图像数字化软件恢复少数已发表的孢粉学文献的孢粉图式,获得建立孢粉数据库需要的相关数据信息,最终建立起新疆全新世孢粉数据库,共获取29个地层孢粉样点的600个样品,设计了54种新疆植物功能型和13种新疆生物群区类型。共重建出7种生物群区类型:荒漠草原(DEST)、灌木荒漠(DSDE)、平原草甸(PLME)、草原(STEP)、针阔混合林(NBMX)、山地草甸(MOME)和常绿针叶林(EVNF)。从重建结果看,整个全新世,新疆平原地区一直处于温带干旱、半干旱气候条件控制之下,植被以荒漠、荒漠草原和草原为主,在相对湿润时期,如1000aB.P.,1500aB.P.,2500aB.P.,5000aB.P.,6000aB.P.和10000aB.P.等时段,植被多以荒漠草原或草原类型出现;在更加干旱时期,如500aB.P.,2000aB.P.,3000aB.P.,4000aB.P.,7000aB.P.,8000aB.P.,9000aB.P.和11000aB.P.等时段,植被多以荒漠类型出现。新疆的山地植被随气候波动及冰期、间冰期的交替,森林界线上下移动。在冷期(1000aB.P.,1500aB.P.,2500aB.P.,5000aB.P.,6000aB.P.和10000aB.P.),由于山地冰川扩大,气温降低,森林线下移,而海拔太低处又缺乏森林生长的足够湿度,因此森林带变窄,原来森林带的一部分被寒冷类型的草原代替;在暖期(500aB.P.,2000aB.P.,3000aB.P.,4000aB.P.,7000aB.P.,8000aB.P.,9000aB.P.和11000aB.P.),气温升高,森林线上移,森林扩展。植被对应于气候变化最敏感的是在平原区,尤其是以荒漠、荒漠草原以及草原的演替更为明显。在平原区荒漠广泛发育的干旱期,如500aB.P.,2000aB.P.,3000aB.P.,4000aB.P.,7000aB.P.,8000aB.P.,9000aB.P.和11000aB.P.等时段基本上气候相对温暖;在平原区荒漠草原和草原广泛发育的相对湿润期,如1000aB.P.,1500aB.P.,2500aB.P.,5000aB.P.,6000aB.P.和10000aB.P.等时段,则基本上处于相对较冷的气候条件下。

中国花粉R值特征

建立现代孢粉-植被定量关系是第四纪孢粉学研究的热点和难点. R值计算简单、表征直接,是校正现代孢粉和植被非线性关系的一种传统指标.本文基于中国1987~2021年发表的花粉R值数据,经筛选、校正和标准化等处理,建立了中国花粉R值数据集,包含了898个现代花粉采样点和2115条花粉R值数据,涵盖了152个花粉类群,分属于65科、113属.集成分析中国花粉R值特征,结果表明:(1)在宏观空间尺度上证实了基于样点尺度的传统认知,中国花粉R值整体变异性大,约2/3呈低代表性,如杉科(Taxodiaceae)、榛属(Corylus)、白刺属(Nitraria)、柽柳属(Tamarix)、莎草科(Cyperaceae)、禾本科(Poaceae)、豆科(Fabaceae), 1/3呈超代表性,如松属(Pinus)、云杉属(Picea)、桦木属(Betula)、麻黄属(Ephedra)、藜科(Chenopodiaceae)、蒿属(Artemisia),且低代表性较强,超代表性较弱;而栗属(Castanea)、栎属(Quercus)、蓼科(Polygonaceae)、菊科(Asteraceae)花粉代表性因植被类型而异.(2)中国花粉R值具有一定的空间分布格局,在东部木本植被区域,由北向南,随气温升高和降水增加, R值逐渐减小;在北方和西部草本植被区域,由东到西、由东北到西南,随干旱加剧, R值也逐渐减小.但花粉R值因不同植物科属、植被类型和气候区域而异,同一植物类群在不同植被类型和气候区的花粉R值也有不同,反映出花粉R值的高变异性,及其指示花粉-植被关系的复杂性.(3)花粉R值与相对花粉产量RPP对植被代表性的规律相似,二者呈弱正相关,但孰优孰劣难以判别,均可用于指示孢粉对植被的代表性,也从不同侧面反映出其与现代植被关系的复杂性.研究进一步建议,以R值表征花粉代表性时,可使用其中位数或对数转换值对地层花粉含量进行加权处理,但仍需综合考虑空间尺度和植被类型间R值的异同,尤其是同一花粉类群在不同区域的差异.