在地质时期，植物释放大量的孢子和花粉到空气中，被风整合搬运，最后沉积于海洋、湖泊、池塘、沼泽、黄土、冰川、土壤和腐殖层。这些沉积物的孢粉分析结果，揭示了地质历史时期如第四纪冰期-间冰期的植被演替、气候变化和环境演变。它们也为长期的生态格局和过程提出了独特的见解，如植被演替和分布变化、现代植被和生物群落的发展以及植被对气候变化的敏感性和响应机理。同时，它们揭示了早期农业的起源和传播以及人类在影响植被所扮演的角色。

海洋孢粉记录主要来自海洋钻孔。它们不仅用于重见古植被与古气候，也用于探讨古火灾史等。虽然海洋孢粉的花粉源区广阔无垠，孢粉从花粉源区到沉积点的搬运、沉积过程极其复杂，这些因素给孢粉谱的解释带来许多不确定性，但海洋孢粉相比于陆相沉积物孢粉在重建植被与气候史也有其优越之处。首先在于海洋沉积连续好，可得到完整的植被与气候连续记录；其次，相对于超出¹⁴C测年范围的陆相沉积难于获得较好的年代控制而言，海洋孢粉资料具有氧同位素等年代学基础，可提供具较可靠年代的、连续的长周期古植被与古气候历史；第三，海洋孢粉源自陆地，而同钻孔的其他生物和非生物代用资料来自海洋，因而为海陆气候的直接对比提供了独一无二的机会。海洋孢粉记录涉及几万年至几百万年，样品分辨率可高达数百年。东海冲绳海槽DG9603钻孔的孢粉记录是海洋孢粉研究的一个代表。该钻孔揭示了过去沿海陆地过去4万年植被演替和气候变化。孢粉记录反映的陆地气候变化的时间模式与格陵兰冰芯揭示的末次冰消期气候变化模式相似，而同钻孔的有孔虫和长链烯酮生物温标记录表明，东海冲绳海槽区海水温度升温早于陆地。同钻孔海陆直接对比揭示末次冰消期东亚地区海洋变暖超前陆地气候变暖约3000～4000年。

湖泊孢粉记录主要来自湖泊沉积剖面和钻孔。在晚第四纪孢粉记录中，是各类沉积物中最多的。湖泊沉积相对连续（特别是深水湖泊），湖泊的花粉源地相对比较明确，因此湖泊孢粉记录是地质历史时期古植被和古气候信息的可靠载体。它们不仅可揭示湖泊流域生态系统的发展历史，也可重建不同时空尺度的植被演替和气候变化。湖泊又是人类活动场所，孢粉记录保存了流域毁林、农耕等信息，可评价人类活动对流域植被和生态环境的影响。青海湖东南部785厘米深的孢粉记录是湖泊（至少是大湖）孢粉研究的一个代表。这一样品平均分辨率小于百年的孢粉记录揭示了距今约2万年以来青海湖流域区域植被演替和气候变化。流域植被经历了荒漠草原、疏林草原、森林草原/森林、疏林草原和草原的植被演替过程，反映了末次冰盛期到现在的地区气候变化过程，即气候从末次冰盛期的寒冷干旱转为冰消期的凉干和温湿，再由早中全新世的温暖偏干、暖湿和凉干发展至晚全新世的冷干。由孢粉记录重建的古气候反映了过去2万年东亚季风从低谷→增强→盛行→衰退的演化规律，同时在此变化趋势上叠加了一系列的气候事件。

沼泽孢粉记录主要来自沼泽沉积剖面和钻孔。沼泽地的花粉源自周围高地，主要有空气带来，基本无水流带来的花粉。因此，泥炭沉积的孢粉组合被认为是地区古植被和古气候重建的最佳孢粉记录。在中国第四纪孢粉记录中，泥炭孢粉记录仅次于湖泊孢粉记录，主要集中于东北、若尔盖地区以及中国其他地区的湿地。青藏高原东部若尔盖湿地红原剖面为此类孢粉记录的代表。该孢粉记录重建了1.35万年以来红原地区的植被演替和气候变化。孢粉记录显示该地区植被种类比较单一，一定程度上反映了高寒植被的特征。地区植被在早期（距今1.35万～1.15万年间）是高山针叶林-草甸；草甸主要由蒿属和菊科组成，两者为青藏高原西部高寒草甸的主要成分；极低的花粉通量可能代表了较低的植被盖度。此阶段的植被和湖相沉积环境反映了冷湿的气候条件，可能指示新仙女木事件在若尔盖湿地的存在。中期（距今1.15万～3000年）植被为亚高山冷杉林，反映了暖湿气候条件；花粉通量指示夏季风锋面可能到距今1.08万年才到达研究区。到后期（距今3000年～ ），区域植被再次演变为高山针叶林-草甸，指示气候变凉的趋势和夏季风的减弱。

黄土孢粉记录来自黄土剖面和钻孔。黄土-古土壤序列在全球古气候、古环境研究中占有不可替代的重要地位，其孢粉记录是黄土高原生态环境演化过程的直接生物学证据。黄土孢粉记录在中国第四纪孢粉记录中仅次于湖泊和泥炭孢粉记录，主要集中于黄土高原。黄土地层中孢粉含量较少，且从黄土中提取孢粉也极其困难，但随着黄土孢粉分析手段的改进，获得了不少有意义的成果。黄土源区的孢粉记录以渭南剖面孢粉记录为代表。该孢粉记录表明，距今10.63万～7.47万年为草原植被，局部生长有落叶阔叶林，气候温暖湿润；距今7.47万～6.53万年为草原植被，气候较前一时期凉且干；距今6.53万～3.41万年为疏林草原，气候温暖湿润，与现代气候相近；距今3.41万～2.5万年为草原植被，气候温凉干燥；距今2.5万～2.11万年出现榛树林，气候温暖湿润；距今2.11万～1.18万年为草甸草原，邻近秦岭山麓可能有针叶林生长，气候寒冷湿润；距今1.18万～300年植被以草原为主，反映暖干气候。孢粉记录和植硅石记录反映的古植被大致相似。中国渭南剖面植硅体记录表明，13万年以来，该区大致经历了以下几次大的植被类型发展阶段，即荒漠或草原化荒漠、落叶阔叶林和疏树草原、典型草原、疏树草原（短期落叶阔叶林）、典型草原、疏树草原和典型草原的多次交替及疏树草原（短期落叶阔叶林）；全新世植被类型为草原、疏树草原，在气候最宜期可能有短期的落叶阔叶林生长。