氣候變遷–以古為鑑：乾濕冷暖孢粉知道
92/09/04
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劉平妹｜
臺灣大學地質科學系
孢粉是什麼
孢粉是指蕨類植物的孢子與種子植物的花粉，大小約幾十微米到百餘微米（μm），本來的任務是植物用來繁衍後代的。雖然它們產量很多，但是只有少數孢粉能達成天職，絕大部分隨氣流飄散空中，久而久之落在地面或水面上。落在地上的，與空氣中的氧接觸而被分解，落在水中的，過些時日逐漸沈入水底成為沈積物的一部分。
因此我們在現今或古代的湖泊或較細粒的河流沈積物中，常可洗出孢粉，這些孢粉帶給我們當這些河湖沈積物沈積時，生長在湖泊或河流周圍地區植被的訊息，透露當時周圍是溫帶林、亞熱帶林或草原的情況，成為認識過去陸地上植被變遷的工具。
植物的花粉究竟可以飄多遠？它飄散空中如縷縷輕煙，即使在極地也可以收集到溫帶地區的花粉。但通常在一處湖盆中沈積的花粉，是以該湖盆周緣的植被為主，更遙遠來的花粉數量明顯少得多。比起花粉，蕨類的孢子通常較大較重，散播得也較近。
孢粉分析起源於十九世紀末，北歐的科學家在地表以下的泥炭裡無意中發現孢粉，於是往更底下的沈積物中去洗出所含花粉，當他們看到一萬年以前的沈積物含有的孢粉所代表的植屬，比起當地現代的種屬明顯地分布於更寒冷的地方時，的確很受震撼。從而了解當地曾經有過很寒冷的氣候，且開始認識到氣候是從古到今一直在改變的。經由碳-14定年的技術，可以透過沈積物的有機質中碳-14的含量知道這些含有各類孢粉組合沈積物的年代，於是建立了從孢粉組合推斷過去植被，進而了解古代氣候變遷的方法。
人們對於過去的事情所知非常有限，即使是有文字紀錄的歷史，史學家都還需要對各種紀載不斷考證，何況溯及沒有文字紀錄的歷史？但是好奇的人類對於鮮知的過去與不知的未來總是永不厭倦地追求，尤其對於自身所處的大自然，更有與生俱來的好奇。為了探索文字紀載以前的自然環境，沈積物中的孢粉化石便成為一個有力的工具。
植被的變化在十年、百年尺度上來說，可能是因為物種的競爭、病蟲害、土壤環境及人為干擾等因素所造成，但從長期尺度，約數百年以上來看，仍然是以氣候變化的影響為主。陸域湖泊或氾濫原的細粒沈積物從底部到上部數十米厚度的沈積層中，往往累積了過去幾萬到幾十萬年歲月中一層層的沈積，其中各個細分層土中的孢粉化石都隱含著過去的植被變化的紀錄。
地表上各類森林通常有它特定的表土孢粉組合，這是孢粉組合之所以可以反映植被組合的理論基礎。經由廣泛收集各地主要植被的地表孢粉組合，可以建立植被—孢粉組合資料庫。這些表土孢粉可以反映現代植被的結構，而現代植被可以觀察，並與其所在地區的氣候狀況做關聯，只要詳細比較三者間的相關性，便可由表土孢粉的分析推測該區的氣候概況。
我們可以比較現生植被表土或湖積物表層的孢粉組合與化石孢粉組合，然後找出與地層及沈積物中的化石孢粉組合相對應的植被類型，再從這些各個時代的植被展現的變遷來推論陸域古氣候變化。在實際觀察孢粉組合時，當一個標本隨機觀察到約四百顆花粉，就具有代表那個標本的孢粉組合的特性。也就是說即使觀察數量更多，該標本中各植屬百分率並不會改變多少。孢粉化石通常都鑑定到植物屬的層級，定到種的層級大多仍有困難，但是從同一個標本中共同出現的屬，已足夠觀察一個孢粉組合的特性。
從孢粉組合推論植被
科學家嘗試用各種方法使孢粉組合能反應植被組合，並推論所代表的氣候狀況。
譬如指示種法是根據孢粉組合中某一種或某幾種生態上頗具特徵的植物，來看待含有它的孢粉組合所代表的植被與生態環境，例如若含有許多菱角的孢粉，就可知道是淺水環境的植被。
又例如根據現生植被表土孢粉組合與氣候的數據，做出重要植屬在氣候因子座標上，如一月均溫、七月均溫、年雨量等的百分率等值線，並將這些屬的出現量以百分率表示，對氣候因子做回歸分析。
例如對某一植屬來說，要在一個組合中出現達20～30％的百分率，必須有特定的溫度、雨量區間，這個區間表現在氣候因子座標上稱為該屬在該百分率的對應面。有了這些現生植被的基礎資料，於是把待探討的古代孢粉組合中前幾個較大含量百分率的植屬，看成現生植屬，通過程式看它們在現生森林孢粉百分率對氣候因子的回歸值，從而知道含這些特定百分率植屬的孢粉組合對應最好的氣候因子，用它代表古代化石孢粉組合生長時的氣候狀況。同時列出與此組合最接近的現生森林表土孢粉組合之間統計上的距離，做為氣候變異範圍的參考。
當然有時古代孢粉組合也會碰到找不到類似的現生植被表土孢粉組合的狀況，那麼就無法類比，但通常是可以找到的，冰期時往高海拔找，或往更北方的陸域找，間冰期時則相反。
此外「孢粉植被轉化法」則是由先後兩個步驟完成，首先是把孢粉群做植物功能型的歸屬，接著則是做孢粉組合生物群區的轉化。植物功能型分類主要是依據現代植物的生態學特性及氣候適應性來定義的，譬如根據生態特性，可將植物區分成喬木／灌木／草本，或者落葉／闊葉等，而氣候因子則包括濕度、溫度等。首先將所有出現的孢粉群歸屬到某幾個植物功能型中，接下來為生物群區分類。生物群區則是結合不同的植物功能型而成，例如結合灌木林（shrub）與草地（grass）兩種植物功能型歸類出生物群區草原（steppe）。
待轉化的古代孢粉組合在經程式計算其植物功能型得分後，再進入生物群區歸屬的程式計算，這樣就能把孢粉組合轉化為相對應的植被型生物群區。接著按照生態資料，就可以知道例如草原（steppe）型植被所適應的氣候因子最冷月月均溫大於攝氏5度，最暖月月均溫小於攝氏22度，濕度指數則介於0.28～0.65之間。
不管哪種方法都是利用現生已知的植被及其生態，回推化石組合所代表的環境與氣候，也就是說對現生植被了解愈多，愈能將化石孢粉組合歸屬到較正確的植被型。因此，這些方法首先要有現生植被表土孢粉組合的資料庫及現生植被的生態資料作基礎。
臺灣冰河時期有多冷
在古氣候的探討方面，大家對一萬年前的冰河時期的狀況特別感興趣。一萬到七萬年前是上次冰期中較明顯寒冷的時代，高緯度地區受南北極冰帽擴大的影響，到緯度四十餘度都還有冰帽覆蓋，氣候與今日當然不同。但是低緯地區沒有冰帽覆蓋，冰期時的氣候是否也與現代氣候差別很大呢？
根據臺灣地區過去的湖積物孢粉組合的研究了解，即使低緯地區，冰期與間冰期變化還是很大。學者曾對頭社盆地及日月潭鑽井取出湖沼沈積物的岩心作為孢粉分析的材料，取岩心對頭社盆地來講比較容易，因為它已在一千多年前乾涸，研究人員可很方便地在地面上鑽取岩心，然而日月潭的湖積物則要在水面上架浮臺，並裝好鑽井設備且定錨固定位置來鑽取岩心。取出的岩心每隔十公分採樣，並作碳-14定年，知道沈積物的年代，十公分的間隔約相當於一百多年到兩百多年一個標本，可以算是達到高解析的採樣了。
為了解這些化石組合所代表的生態環境，研究人員又於中部山區的原始林採集表土樣本，分析這些不同高度的原始林地表樣品的孢粉組合，看看有沒有與冰期時類似的組合。比較結果發現海拔650公尺的頭社盆地周圍在上次冰期早期的植被組合，與現今附近山地2,250公尺上下的孢粉組合最像，此結果告訴我們上次冰期早期植被的遷移應可達千餘公尺。
此外從南投的頭社、日月潭的七萬年前到一萬年前的湖沼沈積物的孢粉組合比對發現，頭社盆地周緣在冰期早期為赤楊林，而日月潭周緣為針葉林，表示當時針葉林下界在日月潭的海拔高度附近，即海拔約八、九百公尺。然而今天這個界線上升到海拔二千四、五百公尺。由此就可以看出，在上次冰期的早期，植被的垂直遷移可達一千至一千五百公尺。目前這兩個高度的年均溫，差值約達攝氏8～9度。
至於冰期的晚期，孢粉組合所顯示的植被與今日的差別更大，今天到處林木蒼翠的寶島，在冰期的晚期有一段時間卻是接近稀樹草原的狀況，年雨量比今天少很多，可能只有現在的一半而已。因為當時的孢粉組合中草本植屬占了一半以上，表示不是茂密的森林，與今日大異其趣。如果不是這些過去的孢粉組合中研究，實在難以想像這蒼翠之島在上次冰期也曾經有大片近似稀樹草原類型的植被。
進入現世間冰期以來的變化
一萬年以來，上次冰期結束，進入現世或稱全新世的間冰期，氣候狀況接近今日，但是仍有小幅變動。根據臺灣低山沼澤及高山湖泊如七彩湖及嘉明湖沈積物的孢粉化石組合研究，在這一萬年間，前期比較潮濕，約七、八千到五千年前之間比較溫暖，五千年前以來開始轉涼。接下來較明顯的變化，要算距今三千七百到兩千四百年前之間的轉冷乾，與兩千四百年到一千六百年前之間的略升溫。其後仍有小規模冷暖波動，例如可看出相當於歐洲中世紀暖期，以及中世紀暖期以前的冷涼時期，與中世紀暖期以後到一八五○年結束的小冰期等。
這些變遷趨勢可以從孢粉組合影射的過去植被變遷中得知，如位於海拔2,290公尺的七彩湖屬於鐵杉林帶，由三米多的湖泊沈積物所得的孢粉組合百分率圖可看出，在這約四到五千年的變化中，以三千七百到兩千四百年前間的鐵杉高百分率轉到兩千四百年以來的暖溫帶屬種增多最為明顯，表示兩千四百年以來有略升溫，約一千六百年前以來又有小規模冷暖波動。近五千年內氣候變化的幅度，遠比不上以前從冰期進入間冰期時波動幅度之大，但是仍然可以由孢粉組合變化看出來。
鑑古知今推未來
了解過去氣候變化的歷史，可以知道本土氣候變遷曾有的幅度。當今人們正對氣候及環境變化不知所措的時候，能夠先了解本土過去的氣候與環境的變化歷史，知道過去氣候變化幅度，至少對未來可能變化幅度有初步認識。此外研究過去氣候變化在本地所引起的地形作用的變化，以及過去人類因應這些自然變化的情形，對於正面臨氣候與環境變遷的我們也是很需要的。
古氣候研究的成果，也可驗證由大氣模式所模擬出來的古氣候狀況，以便逐步修正模式，使模式模擬結果符合觀察值，早日研發出一個合理的氣候模式，增加預測未來氣候變化的可靠度。如此探索過去、監測現在，發展模式以未雨綢繆，才可能永續發展。
