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企鹅考古法揭开尘封的“气候密码”
发布时间:2018-02-22 07:02:19    来源:中国天气网    编辑:chenjing

3000年前的南极,气候与现在一样寒冷吗?中国科技大学教授孙立广独辟蹊径,从企鹅粪中“挖”出了真相。

企鹅是南极最有代表性的动物,被视为南极的象征,它的种群数量与气候变化有啥关系?这一直是个谜团,几乎无人知晓。中国科技大学教授孙立广独创的“企鹅考古法”,揭开了南极尘封的“气候密码”,近十多年来,他率领弟子下南极、赴南海,寻找企鹅粪、鸟粪,在粪土中做出了颇有分量的研究工作,在《自然》等著名学术期刊发表100余篇高水平论文。

这一切成果的取得,无不得益于孙立广教授13年前一次“异想天开”的行动——到南极寻找并研究“企鹅粪”。

“企鹅粪”暗藏气候秘密

“你知道北极熊为什么不吃企鹅宝宝么?”“不知道,为什么呢?”“因为企鹅宝宝在南极,跟北极熊根本见不着面。”电影《非诚勿扰2》里的经典对白,曾引发电影院里观众的哄堂大笑。不过,企鹅确实只生活在南极,是南极最主要的动物种群之一,它的种群数量与气候变化有什么关系?孙立广苦思良久,最终选择“企鹅粪”作为研究突破口。

时光回归到1998年底。那时,孙立广教授与弟子谢周清有幸参加了中国南极第15次科学考察,而寻找“企鹅粪”是此行的主要目的之一。孙立广认为,企鹅以磷虾为主要食物,把粪便排在陆地上,通过雨雪冲刷聚集到湖泊中,形成水、土、气和生物界面上的物质循环,通过含有企鹅粪的湖泊沉积层微量元素分析,一定可以考察企鹅数量与气候变化的关系。

然而,企鹅将巢穴筑在海滨、丘陵的乱石上,它们向外喷射出粉红泛白的粪流,很快会被风雨和冰雪融水冲刷掉,以至于孙立广在南极阿德雷岛(企鹅岛)上久久没有找到企鹅粪土层。直到临近结束时,他才欣喜若狂地发现一个含企鹅粪的积水区,并采回一段长达67.5厘米的泥芯样本。经过分析,他们确定这是一段大约“3000岁”、含有企鹅粪土层的泥芯,并得出企鹅粪土层中的标型元素。最后根据标型元素浓度,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,并揭示出企鹅数量波动与气候变化之间的关系。

南极是全球气候变化的敏感神经,其气候变化直接影响着企鹅数量。2000年10月,孙立广教授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。他认为,在过去大约3000年中,在人类未曾干预的情况下,南极企鹅种群数量发生过4次显著波动。其中,距今1400年至1800年间,数量达到极大值;距今1800年至2300年间,企鹅数量锐减。企鹅数量的锐减与新冰期吻合,企鹅数量高峰与气候变暖相联系,然而温度最高的时期,企鹅数量又出现下降趋势,因此,温度过高或过低均不利于企鹅的繁衍。

这项研究成果,当年就被评为中国“高等学校十大科技进展”。随后,孙立广教授的研究团队不断壮大,先后8次32人次参加南极科考,研究领域也逐步拓展,形成了一整套研究方法与技术路线,并取得了一系列成果。业内人士认为,这种独特的“企鹅考古法”对于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关系,具有深远意义。

“异想天开”的粪土研究

“企鹅粪”里暗藏着“气候密码”,鸟粪和其他动物的粪土中,是否也可以找到气候变化的印迹?答案是肯定的。“异想天开”的粪土研究,已成为孙立广研究团队的秘密武器之一。今年4月26日,孙立广团队又一项重要成果《过去千年南海水文变化与太平洋沃克环流变化》发表在《自然·通讯》上。“这就是从南海的鸟粪中找来的!”孙立广戏言。

说起挥师南海,孙立广特别感谢著名物理海洋学家、中科院院士苏纪兰。“不要仅仅盯着南极,能不能到中国近海做研究?这样既结合国家需要,又能与南北极研究作对比!”苏纪兰院士的一席话,让孙立广眼前一亮。“南极研究的‘企鹅考古法’,完全可以运用到南海!”2003年和2008年,孙立广率领弟子两次远赴南海,头顶烈日跑遍西沙7个岛,仔细搜寻采集鸟粪层和水塘中的沉积柱等这些别人看来是废物而他们当作“宝贝”的东西。南海之行,他们采集了多个时间跨度超过千年的鸟粪层沉积柱,并据此进行了古降雨记录重建。

他们研究发现,位于赤道辐合带北界附近的南海西沙地区,在小冰期出现降雨量增多的情况,这是经典的热带辐合带摆动理论所不能解释的。“一开始,我们也试图用热带辐合带摆动理论来解释,但发现这一适用于解释全球大部分热带地区世纪尺度降雨变化的经典理论,到了太平洋东西两岸却失效了。”孙立广透露,他们通过进一步综合分析热带太平洋地区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年至1850年),热带西太平洋地区降雨增多,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年至1300年),热带西太平洋地区降雨偏少,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。

但由于他们的观点挑战了西方经典理论,论文在审稿过程中遭到强烈质疑,“折腾”了近两年时间。孙立广不迷信经典和权威,在美国伍兹霍特研究所和香港大学等有关学者的帮助下,他们最终用充足的证据说服了审稿人。“这一证据的发现和新机制的提出,是对热带气候变化研究领域的重要贡献。”审稿人最后评价道。而这项成果,不仅对热带太平洋地区世纪尺度的气候变化机制提出新认识,标志着孙立广团队从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,也再次验证了“企鹅考古法”的有效性。

“冷事件”破译史前文明

蒙城县尉迟寺遗址,被称为中国原始第一村。考古发现,5000多年前这里是大汶口文化,但在距今约4400年的时候,为龙山文化所替代。什么原因导致这两种文化的更迭?考古界不甚清楚。“文化更迭与气候变化有没有联系?企鹅考古法能考证企鹅历史,能否用来考证人类文明史?”孙立广灵机一动,将目光投向深藏地下的中华史前文明。

5年前,作为省政协委员的孙立广在蒙城县调研时,参观了尉迟寺遗址。而正是这次参观,为他后来指导博士生徐利斌考证尉迟寺遗址两种文化更迭与气候变化关系,埋下了伏笔。孙立广介绍,“企鹅考古法”在揭示南极和南海气候变化中,采取的是分析企鹅粪和鸟粪层沉积柱中的微量元素和同位素变化,最终得出科学结论。在这次破译史前文明的研究中,孙立广团队再次从考古遗址采集的沉积土层着手,分析土层中的磷、碳等元素和同位素变化情况,并据此判断当时的人口、农业发展状况以及气候变化情况。

经过科学的考证,他们发现,在距今约4400年的时候,尉迟寺遗址发生了一次严重的“冷事件”,环境由原来的温暖湿润转变为寒冷干燥,植被大量减少,藻类、水生植物基本绝迹,大汶口文化因此向南迁移,而龙山文化由北迁到此地。近日,该成果发表在考古领域旗舰刊物英国《考古年代学》上,引起学术界广泛关注。

由于缺少文字记载和出土文物,史前原始社会的兴衰和农业发展研究相对比较薄弱。“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。”孙立广表示,“企鹅考古法”是一套别具一格而又经实践证明科学的研究方法,今后可能会在更多领域发挥作用。

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