企鵝考古法揭開塵封的“氣候密碼”

3000年前的南極，氣候與現(xiàn)在一樣寒冷嗎？中國科技大學教授孫立廣獨辟蹊徑，從企鵝糞中“挖”出了真相。

企鵝是南極最有代表性的動物，被視為南極的象征，它的種群數(shù)量與氣候變化有啥關系？這一直是個謎團，幾乎無人知曉。中國科技大學教授孫立廣獨創(chuàng)的“企鵝考古法”，揭開了南極塵封的“氣候密碼”，近十多年來，他率領弟子下南極、赴南海，尋找企鵝糞、鳥糞，在糞土中做出了頗有分量的研究工作，在《自然》等著名學術期刊發(fā)表100余篇高水平論文。

這一切成果的取得，無不得益于孫立廣教授13年前一次“異想天開”的行動——到南極尋找并研究“企鵝糞”。

“企鵝糞”暗藏氣候秘密

“你知道北極熊為什么不吃企鵝寶寶么？”“不知道，為什么呢？”“因為企鵝寶寶在南極，跟北極熊根本見不著面?！彪娪啊斗钦\勿擾2》里的經(jīng)典對白，曾引發(fā)電影院里觀眾的哄堂大笑。不過，企鵝確實只生活在南極，是南極最主要的動物種群之一，它的種群數(shù)量與氣候變化有什么關系？孫立廣苦思良久，最終選擇“企鵝糞”作為研究突破口。

時光回歸到1998年底。那時，孫立廣教授與弟子謝周清有幸參加了中國南極第15次科學考察，而尋找“企鵝糞”是此行的主要目的之一。孫立廣認為，企鵝以磷蝦為主要食物，把糞便排在陸地上，通過雨雪沖刷聚集到湖泊中，形成水、土、氣和生物界面上的物質(zhì)循環(huán)，通過含有企鵝糞的湖泊沉積層微量元素分析，一定可以考察企鵝數(shù)量與氣候變化的關系。

然而，企鵝將巢穴筑在海濱、丘陵的亂石上，它們向外噴射出粉紅泛白的糞流，很快會被風雨和冰雪融水沖刷掉，以至于孫立廣在南極阿德雷島(企鵝島)上久久沒有找到企鵝糞土層。直到臨近結束時，他才欣喜若狂地發(fā)現(xiàn)一個含企鵝糞的積水區(qū)，并采回一段長達67.5厘米的泥芯樣本。經(jīng)過分析，他們確定這是一段大約“3000歲”、含有企鵝糞土層的泥芯，并得出企鵝糞土層中的標型元素。最后根據(jù)標型元素濃度，確定含糞量的相對變化，進而推定企鵝種群數(shù)量的相對變化，并揭示出企鵝數(shù)量波動與氣候變化之間的關系。

南極是全球氣候變化的敏感神經(jīng)，其氣候變化直接影響著企鵝數(shù)量。2000年10月，孫立廣教授企鵝生態(tài)考古的第一篇論文《過去3000年企鵝數(shù)量記錄》發(fā)表在國際權威期刊《自然》上。他認為，在過去大約3000年中，在人類未曾干預的情況下，南極企鵝種群數(shù)量發(fā)生過4次顯著波動。其中，距今1400年至1800年間，數(shù)量達到極大值；距今1800年至2300年間，企鵝數(shù)量銳減。企鵝數(shù)量的銳減與新冰期吻合，企鵝數(shù)量高峰與氣候變暖相聯(lián)系，然而溫度最高的時期，企鵝數(shù)量又出現(xiàn)下降趨勢，因此，溫度過高或過低均不利于企鵝的繁衍。

這項研究成果，當年就被評為中國“高等學校十大科技進展”。隨后，孫立廣教授的研究團隊不斷壯大，先后8次32人次參加南極科考，研究領域也逐步拓展，形成了一整套研究方法與技術路線，并取得了一系列成果。業(yè)內(nèi)人士認為，這種獨特的“企鵝考古法”對于進一步研究南極大陸生態(tài)、氣候與環(huán)境演變，探討南極環(huán)境演變與全球變化關系，具有深遠意義。

“異想天開”的糞土研究

“企鵝糞”里暗藏著“氣候密碼”，鳥糞和其他動物的糞土中，是否也可以找到氣候變化的印跡？答案是肯定的?！爱愊胩扉_”的糞土研究，已成為孫立廣研究團隊的秘密武器之一。今年4月26日，孫立廣團隊又一項重要成果《過去千年南海水文變化與太平洋沃克環(huán)流變化》發(fā)表在《自然·通訊》上?！斑@就是從南海的鳥糞中找來的！”孫立廣戲言。

說起揮師南海，孫立廣特別感謝著名物理海洋學家、中科院院士蘇紀蘭?！安灰獌H僅盯著南極，能不能到中國近海做研究？這樣既結合國家需要，又能與南北極研究作對比！”蘇紀蘭院士的一席話，讓孫立廣眼前一亮?！澳蠘O研究的‘企鵝考古法’，完全可以運用到南海！”2003年和2008年，孫立廣率領弟子兩次遠赴南海，頭頂烈日跑遍西沙7個島，仔細搜尋采集鳥糞層和水塘中的沉積柱等這些別人看來是廢物而他們當作“寶貝”的東西。南海之行，他們采集了多個時間跨度超過千年的鳥糞層沉積柱，并據(jù)此進行了古降雨記錄重建。

他們研究發(fā)現(xiàn)，位于赤道輻合帶北界附近的南海西沙地區(qū)，在小冰期出現(xiàn)降雨量增多的情況，這是經(jīng)典的熱帶輻合帶擺動理論所不能解釋的?！耙婚_始，我們也試圖用熱帶輻合帶擺動理論來解釋，但發(fā)現(xiàn)這一適用于解釋全球大部分熱帶地區(qū)世紀尺度降雨變化的經(jīng)典理論，到了太平洋東西兩岸卻失效了?！睂O立廣透露，他們通過進一步綜合分析熱帶太平洋地區(qū)目前已有的古氣候記錄，重建了過去千年熱帶太平洋地區(qū)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年至1850年)，熱帶西太平洋地區(qū)降雨增多，熱帶中東太平洋降雨減少，表明該時段太平洋沃克環(huán)流較強；在相對較為溫暖的中世紀暖期(公元800年至1300年)，熱帶西太平洋地區(qū)降雨偏少，熱帶中東太平洋降雨偏多，表明該時段太平洋沃克環(huán)流較弱。

但由于他們的觀點挑戰(zhàn)了西方經(jīng)典理論，論文在審稿過程中遭到強烈質(zhì)疑，“折騰”了近兩年時間。孫立廣不迷信經(jīng)典和權威，在美國伍茲霍特研究所和香港大學等有關學者的幫助下，他們最終用充足的證據(jù)說服了審稿人。“這一證據(jù)的發(fā)現(xiàn)和新機制的提出，是對熱帶氣候變化研究領域的重要貢獻。”審稿人最后評價道。而這項成果，不僅對熱帶太平洋地區(qū)世紀尺度的氣候變化機制提出新認識，標志著孫立廣團隊從南極開始的生態(tài)地質(zhì)學研究進入到生態(tài)與氣候變化機制研究的新階段，也再次驗證了“企鵝考古法”的有效性。

“冷事件”破譯史前文明

蒙城縣尉遲寺遺址，被稱為中國原始第一村。考古發(fā)現(xiàn)，5000多年前這里是大汶口文化，但在距今約4400年的時候，為龍山文化所替代。什么原因?qū)е逻@兩種文化的更迭？考古界不甚清楚。“文化更迭與氣候變化有沒有聯(lián)系？企鵝考古法能考證企鵝歷史，能否用來考證人類文明史？”孫立廣靈機一動，將目光投向深藏地下的中華史前文明。

5年前，作為省政協(xié)委員的孫立廣在蒙城縣調(diào)研時，參觀了尉遲寺遺址。而正是這次參觀，為他后來指導博士生徐利斌考證尉遲寺遺址兩種文化更迭與氣候變化關系，埋下了伏筆。孫立廣介紹，“企鵝考古法”在揭示南極和南海氣候變化中，采取的是分析企鵝糞和鳥糞層沉積柱中的微量元素和同位素變化，最終得出科學結論。在這次破譯史前文明的研究中，孫立廣團隊再次從考古遺址采集的沉積土層著手，分析土層中的磷、碳等元素和同位素變化情況，并據(jù)此判斷當時的人口、農(nóng)業(yè)發(fā)展狀況以及氣候變化情況。

經(jīng)過科學的考證，他們發(fā)現(xiàn)，在距今約4400年的時候，尉遲寺遺址發(fā)生了一次嚴重的“冷事件”，環(huán)境由原來的溫暖濕潤轉(zhuǎn)變?yōu)楹涓稍?，植被大量減少，藻類、水生植物基本絕跡，大汶口文化因此向南遷移，而龍山文化由北遷到此地。近日，該成果發(fā)表在考古領域旗艦刊物英國《考古年代學》上，引起學術界廣泛關注。

由于缺少文字記載和出土文物，史前原始社會的興衰和農(nóng)業(yè)發(fā)展研究相對比較薄弱?！袄霉盼幕z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(fā)展的連續(xù)歷史記錄，為這一領域開辟了新的方法。”孫立廣表示，“企鵝考古法”是一套別具一格而又經(jīng)實踐證明科學的研究方法，今后可能會在更多領域發(fā)揮作用。