孙立广教授:“粪土研究”中走出自己的脚印

2011-9-01 09:01 来源: 科学时报
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  近日,中科大教授孙立广课题组又有一篇论文在《自然—地球科学》上发表。这是该小组今年4月以来在《自然》子刊上发表的第二篇关于热带气候变化研究的重要成果。

  孙立广教授原本从事地质学研究,近十多年来,他另辟蹊径,率领弟子下南极,上北极,赴南海,寻找企鹅粪、鸟粪,独创“企鹅考古法”,开拓了“全新世南极无冰区生态地质学”这一新的研究领域,在著名学术期刊发表100多篇高水平论文。

  而这一切,都源于他十三年前的那次“异想天开”。

在粪土中做出有分量的工作

  1998年底,孙立广费尽周折,争取到参加中国第15次南极科学考察的机会。孙立广到南极长城站,他的大弟子谢周清到中山站。

  孙立广提出的科考目标让大家吃惊——到南极寻找企鹅粪土层。

  “这个想法是被逼出来的。冰芯、湖泊、海洋、地质等各领域都有科学家带着团队在做,步人后尘便去不了南极。”孙立广说,企鹅是南极最主要的动物种群之一,它们来自海洋,以磷虾为主要食物,把粪便排泄在陆地上,通过雨雪的冲刷聚集到湖泊中,形成水、土、气和生物界面上的物质循环。通过含有企鹅粪土的湖泊沉积层微量元素分析,可以了解人类活动对南极生态的影响,考察历史时期企鹅数量的变化与气候变化之间的关系。孙立广希望借此“开辟一个新的研究渠道,在粪土中做出有分量的工作”。

  然而,在阿德雷岛(企鹅岛)上,孙立广历经千辛万苦却始终没有找到企鹅粪土层。直到考察临近结束时,才偶然地发现了一个含企鹅粪的积水区。

  从南极回来后,孙立广他们将采回的67.5厘米的泥芯按1厘米间隔在洁净室中分样,对每个样品进行26种元素的定量分析,又进行精确的碳14定年,确定这是一段大约“3000岁”的含有企鹅粪土层的泥芯。根据企鹅粪氟、磷等9种标型元素的浓度,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,以及与气候变化的关系。

  2000年10月,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《自然》上。审稿人说:“这是一种研究南极湖泊集水区历史时期企鹅数量的新奇的生物地球化学方法,在不久的将来,它很可能形成某种活跃的研究领域。”

  该成果引起了国内外学术界的广泛关注,被评为当年中国“高等学校十大科技进展”。

  此后,孙立广的团队不断壮大,先后8次共32人参加了南极科考,研究领域逐步拓展,形成了一整套研究方法与技术路线,并应用到我国南海西沙群岛和北极的研究中,在极地与环境领域的国际权威学术期刊上发表了一系列有影响的论文。

挑战西方经典理论

  2003年和2008年,孙立广和弟子们两次赴南海“探宝”。

  说起挥师南海,孙立广特别感谢我国著名物理海洋学家苏纪兰。当时孙立广在一项关于南极研究的项目申请上遇到困难。苏纪兰对他说:“不要仅盯着南极,能不能到中国近海作研究?这样既结合国家需要,又能与南北极研究作对比。”

  一席话使孙立广眼前一亮。

  孙立广和弟子们跑遍了西沙的7个岛。他们每天头顶烈日,仔细搜寻采集鸟粪层、水塘中的沉积柱等这些别人看来是废物而他们当做“宝贝”的东西,不放过每一个细微的发现。

  今年4月26日,孙立广课题组的又一项重要成果在著名学术期刊《自然—通讯》上发表,第一作者是博士生晏宏。该文对南海地区过去千年降雨变化进行了研究,并对热带太平洋地区世纪尺度的气候变化机制提出了新的认识。这项成果标志着孙立广小组由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。

  但这项成果的发表,充满了曲折。

  两次南海之行,孙立广小组采集了多个时间跨度超过千年的沉积柱,据此进行了古降雨记录重建。他们发现了一个重要问题:位于赤道辐合带北界附近的南海西沙地区,在小冰期期间出现了降雨量增多的情况,这是传统热带气候变化机制理论所不能解释的。

  他们通过进一步综合分析热带太平洋东西两岸地区8个点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1400~1850年),热带西太平洋地区降雨增多,而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800~1300年),热带西太平洋地区降雨偏少,而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。

  由于他们的观点与主流观点相左,论文在审稿过程中遭到了强烈质疑,“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。”审稿人说。

破译中华史前文明

  企鹅考古法甚至被孙立广用到了考古领域。

  2006年,孙立广作为安徽省政协委员到亳州市蒙城县调研时,参观了尉迟寺遗址。考古发现表明,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。是什么原因导致这两种文化的更迭?考古界不甚清楚。

  “企鹅考古法能考证企鹅的历史,为什么不能用来考证人类的文明史?”孙立广灵机一动,回来后指导博士生徐利斌作这项研究。他们用地质化学、同位素地质化学以及孢子花粉研究方法,分析从考古遗址采集的有沉积序列的土层中磷、碳等元素和同位素的变化,据此判断当时的人口、农业发展状况以及气候变化情况。

  他们发现,在距今约4400年的时候,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,大汶口文化向南迁移,而龙山文化由北迁到此地。他们总结,距今4400年左右的极端气候变化,可能是导致这次文化变迁的主要原因。该成果发表在不久前出版的考古领域旗舰刊物英国《考古年代学》上。

  孙立广说,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。