研究企鵝糞，科學家竟然把企鵝出現時間向前推進了6000年

近日，國家海洋局—中國科學技術大學極地生態地質聯合實驗室暨極地環境與全球變化安徽省重點實驗室孫立廣、謝周清小組，在東南極發現了企鵝在距今14600年存在的證據，並重建了當地企鵝登陸以來連續的種群數量變化。其研究成果近期已發表在《古地理古氣候古生態》上。

此前，美國科學家證實企鵝出現在東南極大陸的最早時間為距今9000年。此次的發現則將這一時間又向前推進了約6000年。

這一發現得益於中國科技大學地球空間科學學院教授孫立廣20年前在研究企鵝古生態上的另闢蹊徑，他沒有按照絕大部分科學家採用的方法，即通過尋找企鵝巢穴中最古老殘骨的年代判斷企鵝登陸時間，而是選擇「企鵝糞」作為研究突破口，揭開研究環南極生態與氣候的變遷之路。

通過企鵝糞探秘南極大陸

企鵝是南極大陸最典型的動物，在孫立廣眼中，企鵝不僅擁有可愛的外形，它的歷史更是值得深入研究的對象。「企鵝是跨越陸地和海洋的生物，對氣候變化非常敏感，過去20年來我們一直在通過企鵝、海豹和磷蝦來了解南極生態歷史及其與氣候變化的相互關係。」孫立廣告訴《中國科學報》記者。

在目前關於南極企鵝的研究中，科學家發現距今約1.1萬年前的末次冰期結束前後，南極各地無冰區相繼出露，為阿德利企鵝的繁衍提供了有利條件。由於缺乏實際的證據，冰退時間與企鵝出現的時間無法銜接，所以科學家一直對於冰消期之後企鵝登陸過程的認識存在空白。

此次，在國家海洋局極地辦公室的支持下，孫立廣、謝周清合作指導的博士生高月嵩到西福爾丘陵長半島地區考察，並採集到湖泊沉積物，他們利用沉積柱中的生物標型元素等指標，識別了距今15600年以來的冰消期沉積層和企鵝糞土沉積層。

「判斷是否是企鵝糞土層的標誌是企鵝糞的標型元素，這些元素包括鍶、氟、硫、磷、硒、鋇、鈣、銅、鋅。」孫立廣解釋說。這9種元素在企鵝糞便中具有高度相關性，其中最重要的標準元素包括3種：鍶、氟和磷。「鍶和氟是磷蝦中微量元素，企鵝又以磷蝦為食，加上糞便中磷的含量往往較高，所以可以通過這些標型元素判斷是否為企鵝糞。」孫立廣表示。

根據這一標準，孫立廣等人在從南極採集到的標本中發現了在距今15600年到14600年的地層中出現了含有冰川角礫的礫石沉積，在礫石沉積的上面出現了含企鵝糞的沉積層。「除了元素判斷，合作者海洋三所的汪建君還用分子生物學的方法進一步識別企鵝糞，這樣將南極末次冰消期後，企鵝出現在南極大陸的時間定格在距今14600年。」孫立廣說。同時，他們也注意到，企鵝在冰退後1000年才先後陸續遷入這個地區的，此後呈現大致持續增長的趨勢，這表明冰期—間冰期轉換過程中冰退是企鵝數量增加和棲息地擴張的一個主要驅動因素。

孫立廣等人還利用企鵝糞作為載體的考古方法，曾經對北極海鳥進行過研究。他們發現北極黃河站區域冰退出現在距今9400年前，也幾乎在同一個時期，就找到了海鳥出現在這裡的證據。「我們開玩笑說，企鵝的翅膀不管用，這或許是企鵝在冰退後遲到1000年才登陸的原因。」孫立廣笑著說。

孫立廣、謝周清研究小組的這一發現，對於兩極地區海鳥繁殖地的歷史演變與對比或具有普遍意義，並且為在環南極無冰區進行企鵝登陸時間的恢復，鎖定了末次冰消期第一批企鵝避難所的位置，同時，也為進一步認識企鵝向南極大陸周邊遷徙、擴張的過程和規律奠定了基礎。

環南極生態變化研究更有意義

「這次研究主要集中在東南極的澳大利亞戴維斯站，以南極橫斷山脈為界，其東部，西經30度到東經170度之間為東南極，以西則屬於西南極。」孫立廣解釋道。

過去70年來生態學家們的研究表明，在東南極與西南極，企鵝的數量變化並不一致。西南極的阿德利企鵝數量正在減少，但東南極的阿德利企鵝數量卻增加了。對此，孫立廣認為「這可能是因為西南極的溫度在上升，但是東南極並沒有出現明顯的溫度上升趨勢。這就是所謂的『蹺蹺板效應』」。

從過去幾十年的情形來看，西南極升溫雖然導致阿德利企鵝數量減少，但是那裡的金圖企鵝的數量卻增加了。孫立廣認為，這說明阿德利企鵝可能更喜歡相對偏低的氣溫，而金圖企鵝喜歡天氣稍微暖和一點。在孫立廣對企鵝糞土的研究中也發現了，溫度過高或過低都不利於企鵝數量的增長。而且，雖然從年際尺度來看似乎存在「蹺蹺板效應」，但從環南極發展的歷史看，企鵝的適宜期發生的時間是接近的，並不存在「蹺蹺板效應」。

不僅如此，企鵝數量也影響著南極苔蘚與地衣等植被的數量。「沒有企鵝糞的地區，苔蘚植物生長缺乏營養，因為它們必須要有潮濕的環境和磷作為肥料。但是如果企鵝過多，會踐踏苔蘚，也會導致苔蘚和地衣數量減少。所以，如果植被覆蓋了企鵝糞土，就說明當時植被擴大；反之，則說明企鵝數量增多。」孫立廣解釋說。

帶著問題前行

「如果你能提出問題，那麼這個問題就解決一半了。」孫立廣如是說。

通過企鵝糞土層尋找南極生態和氣候變化證據的方法是孫立廣的獨創。為了驗證這一想法，1998年，他參加了我國南極第15次科學考察。

從南極回來後，孫立廣等人將採回的67.5厘米的泥芯按1厘米間隔在潔凈室中分樣，並對每個樣品進行27種元素的定量分析，又進行精確的碳十四定年，確定這是一段大約「3000歲」的含有企鵝糞土層的泥芯，再根據鍶、氟、磷等9種標型元素的濃度，確定含糞量的相對變化，進而推定企鵝種群數量的相對變化，以及與氣候變化的關係。

這項研究的論文在2000年10月的《自然》雜誌上發表，當時，審稿人評價道：這是一種研究南極湖泊集水區歷史時期企鵝數量的新奇的生物地球化學方法，在不久的將來，它很可能形成某種活躍的研究領域。

不僅企鵝糞土層研究來自於靈感，2012年一項關於海冰消融將導致大氣中甲烷濃度增大，從而增強溫室效應的研究，也出自孫立廣的「靈光一閃」。「我從電視上看到黑龍江冬季鑿湖捕魚的新聞片，漁民在用打火機點煙時，點燃了從冰下冒出的氣體。由此想到，北極海冰下是否藏有可燃氣體呢？然後與謝周清共同設計了一個從冰下收集氣體的方法。」孫立廣回憶道。研究的結果證明，這個想法並非空穴來風，北冰洋中心海域的冰下海水中確實儲存大量甲烷氣體，而海冰的存在阻礙了海水甲烷的排放。但是，氣候變暖將加速北冰洋海冰的消融，而北冰洋海冰的消融將會導致大氣中甲烷濃度增大，這又將進一步加速海冰消融，形成一個惡性循環。

兩極的氣候變化與生態變化關乎整個地球的發展。而極地是海洋強國和「一帶一路」建設的重要部分。去年12月28日，國家海洋局成立了中國極地科學技術委員會，不久前科技部也召開了「三極環境與氣候變化」的香山會議，這表明了我國將大力推進南極、北極與青藏高原的研究工作。孫立廣說，「認識南極、保護南極、利用南極，這是我們中國極地科考人的任務和目標。」

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