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(xué)教授孫立廣獨(dú)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(guān)系？這一直是個謎團(tuán)，幾乎無人知曉。中國科技大學(xué)教授孫立廣獨(dú)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(lǐng)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(xué)術(shù)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。”電影《非誠勿擾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(guān)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(xué)考察，而尋找“企鵝糞”是此行的主要目的之一。孫立廣認(rèn)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(guān)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(fēng)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(jié)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(dá)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(biāo)型元素。最后根據(jù)標(biāo)型元素濃度，確定含糞量的相對變化，進(jìn)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(guān)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(quán)威期刊《自然》上。他認(rèn)為，在過去大約3000年中，在人類未曾干預(yù)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(dá)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(dāng)年就被評為中國“高等學(xué)校十大科技進(jìn)展”。隨后，孫立廣教授的研究團(tuán)隊不斷壯大，先后8次32人次參加南極科考，研究領(lǐng)域也逐步拓展，形成了一整套研究方法與技術(shù)路線，并取得了一系列成果。業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，這種獨(dú)特的“企鵝考古法”對于進(jìn)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(guān)系，具有深遠(yuǎn)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(tuán)隊的秘密武器之一。今年4月26日，孫立廣團(tuán)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(xué)家、中科院院士蘇紀(jì)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(jié)合國家需要，又能與南北極研究作對比！”蘇紀(jì)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(yùn)用到南海！”2003年和2008年，孫立廣率領(lǐng)弟子兩次遠(yuǎn)赴南海，頭頂烈日跑遍西沙7個島，仔細(xì)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(dāng)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(jìn)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。“一開始，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(jì)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(jìn)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(jié)構(gòu)變化，并得出結(jié)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(qiáng)；在相對較為溫暖的中世紀(jì)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(diǎn)挑戰(zhàn)了西方經(jīng)典理論，論文在審稿過程中遭到強(qiáng)烈質(zhì)疑，“折騰”了近兩年時間。孫立廣不迷信經(jīng)典和權(quán)威，在美國伍茲霍特研究所和香港大學(xué)等有關(guān)學(xué)者的幫助下，他們最終用充足的證據(jù)說服了審稿人?！斑@一證據(jù)的發(fā)現(xiàn)和新機(jī)制的提出，是對熱帶氣候變化研究領(lǐng)域的重要貢獻(xiàn)。”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(jì)尺度的氣候變化機(jī)制提出新認(rèn)識，標(biāo)志著孫立廣團(tuán)隊從南極開始的生態(tài)地質(zhì)學(xué)研究進(jìn)入到生態(tài)與氣候變化機(jī)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?？脊虐l(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?！拔幕c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(jī)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(dǎo)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(guān)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(xué)結(jié)論。在這次破譯史前文明的研究中，孫立廣團(tuán)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(dāng)時的人口、農(nóng)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r以及氣候變化情況。

經(jīng)過科學(xué)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(yán)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(lǐng)域旗艦刊物英國《考古年代學(xué)》上，引起學(xué)術(shù)界廣泛關(guān)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。“利用古文化遺址中沉積物的地球化學(xué)記錄來研究古代文明的演化，可以恢復(fù)人類文明發(fā)展的連續(xù)歷史記錄，為這一領(lǐng)域開辟了新的方法?！睂O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(xué)的研究方法，今后可能會在更多領(lǐng)域發(fā)揮作用。