原本是从事地质学研究的他，近十多年来另辟蹊径，率领弟子上极地，赴南海，寻找企鹅粪、鸟粪——
孙立广：企鹅粪里的生态地质学
通讯员 杨保国
近日，中国科技大学孙立广教授课题组在《自然·地球科学》上发表研究论文《热带太平洋水文记录揭示的过去两千年南方涛动指数变化》。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。
孙立广教授原本是从事地质学研究的，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《自然》等著名学术期刊发表100多篇高水平论文。
而这一切，都源于孙立广13年前的那次“异想天开”——到南极去研究企鹅粪土。
在粪土中做出有分量的工作
1998年底，孙立广教授费尽周折，并夸下“有科大和没有科大就是不一样”的海口，参加了中国南极第15次科学考察。孙立广到南极长城站，他的大弟子谢周清到中山站。
这次南极科考，孙立广“拍脑袋”拍出的一项重要任务，是寻找企鹅粪土层进行专项研究。
“这个想法是被逼出来的。当时的南极研究中，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。“希望藉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始终没有找到企鹅粪土层。企鹅将巢穴筑在海滨、丘陵的乱石上，它们向外强劲喷射出的粉红泛白的粪流，很快被风雨和冰雪融水冲刷掉了。直到考察临近结束时，才在阿德雷岛偶然地发现了一个含企鹅粪的积水区。
从南极回来后，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》发表在国际权威期刊《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。”
南极是全球气候变化的敏感神经。这种独特的“企鹅考古法”对进一步研究南极大陆生态、气候与环境演变，探讨南极环境演变与全球变化的关系，具有重要的科学意义，引起了国内外学术界的广泛关注。该成果被评为当年中国“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32人次参加了我国南极科考，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远赴南海“探宝”。
说起挥师南海，孙立广要特别感谢我国著名物理海洋学家苏纪兰院士。他在申请加入国家自然科学基金委的一项重大研究计划以继续南极研究时遇到了困难。“不要仅仅盯着南极，能不能到中国近海做研究？这样既结合国家需要，又能与南北极研究作对比。”苏纪兰院士的一席话使孙立广眼前一亮，南极研究的方法完全可以运用到南海！他的申请很快得到了基金委的支持。
在总参作战部和西沙水警区官兵的大力支持下，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作宝贝的东西，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《过去千年南海水文变化与太平洋沃克环流变化》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——热带辐合带摆动理论（ITCZ）所不能解释的。
一开始，他们也试图用ITCZ理论去解释。该理论适用于解释全球大部分热带地区的世纪尺度降雨变化，但到了太平洋东西两岸，这一经典理论却失效了。
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。
但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。
破译中华史前文明
“当今之世，自然科学家而能有如此的生花妙笔者实如凤毛麟角。”国学大师季羡林生前在看了孙立广《南极一百天》科学考察散文书稿后，欣然为该书作序。
强烈的好奇心，人文情怀与科学精神的融会，使孙立广的目光投向深藏地下的中华史前文明。
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做这项研究。他们用地质化学、同位素地质化学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的磷、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、水生植物基本绝迹了，大汶口文化向南迁移，而龙山文化由北迁到此地。龙山文化刚迁来时，人口较多，但之后逐渐下降，在距今约4000年的时候消失了。他们据此认为，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。
“由于缺少文字记载和出土文物，史前原始社会的兴衰和农业发展研究相对比较薄弱。”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。
今天，66岁的孙立广教授仍活跃在教学科研一线。“当年在南极雪山上行走，我悟出一个道理：沿着前人的脚印走虽然轻松些，但永远走不出自己的脚印。”孙立广说，“我的学术生涯不多了，但是实验室一批年轻人成长起来了，他们正在继续前行，走出自己的脚印。”
中国教育报 2011年9月12日
