黃土與環(huán)境

  一、為何研究黃土高原的黃土
　　全球變化研究中的一個重要方面是研究過去、現(xiàn)在和未來的氣候環(huán)境變化。有人曾形象地指出，新近時期古氣候環(huán)境的歷史是藏在大自然用密碼寫就的一本本“秘笈”當中的，世界各地的科學家們正在解釋和讀懂三本這樣的“秘笈”：一本是深海沉積，一本是南極和格陵蘭的冰蓋，還有一本則是中國的黃土高原。黃土高原是具有全球意義的研究對象。
　　為什么人們如此重視黃土高原？
　　首先，與極地和深海不同，黃土高原位于人類過去和正在居住的地球的陸地表面；另外，最近的研究還證實，它是迄今為止被發(fā)現(xiàn)的歷時最長（約2200萬年）、最完整的古氣候記錄的保存者。
　　中國的土地上擁有這樣一本“秘笈”，而且已經讀懂了一部分，這令我們深感幸運。當然，還有很多更加引人入勝的故事等待我們去解譯。這是一項嚴肅而又艱巨的任務，也是一次振奮人心的挑戰(zhàn)。黃土高原秘密的不斷發(fā)現(xiàn)，提示著地球科學一個新時期的到來，至少在亞洲大陸上是如此。
　　作為大自然打造的三個近代氣候環(huán)境檔案庫之一，黃土高原的獨特之處在于，這里生活著上億的人口。他們擁有百萬年的歷史；他們的生活和未來的發(fā)展需要科學；他們需要認識自己在自然界所處的位置，需要了解祖先和自身所經歷的復雜的環(huán)境演化歷史。
　　黃土高原是由黃土構成的。什么是黃土？形象地說，黃土就象人們常見的、發(fā)生在我們身邊的“沙塵暴”。2002年3月18日北京就出現(xiàn)過一次特大沙塵暴。近年來，人們對北方發(fā)生的沙塵暴非常注意。國家也已投入大量資金治理由于不合理利用土地而產生的沙塵暴源地和影響地，以保障我國社會經濟的可持續(xù)發(fā)展。
　　從沙塵暴的物質成分來看，它與黃土十分接近。黃土是一種風成沉積，主要由粒徑為0.01～0.05mm的粉砂級顆粒組成，成分包括石英（約占60%）、長石、云母等和少量重礦物，富含碳酸鈣(7%～30%)。黃土多大孔隙、松軟且具有濕陷性。
　　我國古代稱沙塵暴類型的降塵為“雨土”，根據(jù)孫繼敏和張明銀的研究，自1966年到1999年，174個氣象臺站共記錄了60次能見度在1公里以內、中等嚴重程度、持續(xù)2天以上的沙塵暴。最近40年來的降塵記錄說明，中國黃土高原是亞洲風塵的一個沉降區(qū)，以蘭州為中心，共發(fā)生過24次降塵。這與地質上黃土高原的黃土堆積以蘭州為最厚是一致的。中國大陸降塵的次數(shù)和厚度都是以蘭州為中心的。
　　以近代沙塵暴作為黃土形成過程的參照來研究，黃土高原是一個巨大的天然實驗室。黃土的發(fā)生和沉降記錄表明，黃土高原是一個積累了至少2200萬年、基本連續(xù)的實驗數(shù)據(jù)的實驗室，一個可供重建2200萬年以來黃土高原及其周邊地區(qū)環(huán)境演變歷史的實驗室，可提供這個地區(qū)未來發(fā)展的情景(scenario)。
　　黃土高原這個天然實驗室的內容是什么呢？是研究今天干旱化的環(huán)境及過去和未來的景象。黃土高原的風塵沉積（黃土和古土壤）可以直接指示其物質來源區(qū)的干旱化過程，風力搬運的動力學機制；沉積速率、粒度變化等氣候指標還可以和其他兩本“秘笈”中的章節(jié)相對應。它可以告訴我們黃土沉積的時空特征和規(guī)律，也就是它自己的“歷史”，同時幫助我們解讀其他兩本“秘笈”。
　　　　二、黃土高原簡介
　　黃土高原分布于北緯34°～35°之間（圖1），總面積約380842平方公里，黃河貫穿其中。在同一緯度，歐洲和北美的黃土地帶構成全球的小麥和玉米帶，西方人稱之為“面包籃子(Bread  Basket)”。黃土高原占據(jù)了全國耕地面積的1/5，養(yǎng)活了全國1/5以上的人口。這里水土流失嚴重，每年通過黃河輸出的泥沙為16億噸，是尼羅河的30倍、密西西比河的90倍。
　　在地貌學上，黃土高原可稱為一個巨地貌單元。長期的侵蝕和切割形成了黃土高原特有的地形，最常見的為峁、墚和塬。
　　峁：多分布于黃土高原北部，為圓錐形丘陵，是一種發(fā)育在各種黃土堆積上的參丘；
　　墚：多分布于黃土高原中部，為長條形的脊狀地形，是一種疊加的古侵蝕地形；
　　塬：多分布于黃土高原南部，為平臺狀地形，由多層疊覆的黃土／古土壤層構成。
　　黃土高原是中華民族文化的發(fā)祥地之一。西安東南的藍田縣發(fā)現(xiàn)了110萬年前的藍田直立人(Homoerectus  lantianensis)化石和石器。塬區(qū)的黃土地層最為完整和連續(xù)，因此地質工作多集中于塬區(qū)，以此為突破口來解釋黃土高原這本“秘笈”并告訴人們它所經歷的故事。在近代中國地質學家對黃土高原的研究中，共發(fā)生了6次較大規(guī)模的破譯黃土高原密碼的科學事件。
　　　　三、六次破譯黃土高原的密碼
　�。ㄒ唬┘t色土地層的建立——第1次解譯密碼
　　黃土作為一個地質單元為早期來華工作的西方地質學家所注意，始自19世紀。龐培利、李�；舴摇�奧勃魯契夫、安特生等認為中國黃土系風力搬運并沉積于草原的產物。中國地質學家于1920年起開展黃土研究。1930年，德日進和楊鐘健作了黃土地層與古生物研究，這一工作是開創(chuàng)性的。他們將黃土高原黃土劃分為上下兩大部分，上部稱馬蘭黃土，下部稱紅色土。這是一個以“觀察地質”為主要工作方法的以分類定名為主要工作內容的時代。他們第一次把中國黃土高原厚達300余米的黃土劃分為馬蘭黃土，紅色土A、B、C等四層，并按其中所含古脊動物化石定為現(xiàn)在仍延續(xù)使用的第四紀的早、中、晚期，是在前人工作基礎上（未分期）的一個突破。盡管囿于當時的認識沒有解決紅色土的成因問題，但他們嚴謹?shù)墓派�物和地層劃分工作已經成為后人典范�?br />　　（二）古土壤層的發(fā)現(xiàn)——第2次解譯密碼
　　新中國成立以后，黃土高原的建設和水土保持工作、建筑工程的地基礎工作和對人民群眾各種疾病的防治等，對黃土研究提出了新的要求，也開始了黃土與環(huán)境研究的新階段。20世紀50年代，土壤學家朱顯謨、石元春等對黃土和黃土中古土壤層的研究表明，黃土層中所夾的紅色條帶，即德日進和楊鐘健所稱的紅色土，實質上是一種褐色土型的古土壤層。在黃土高原的董志塬，洛川塬等地都可以發(fā)現(xiàn)多次黃土和古土壤相重疊產出的狀況。
　　對黃土和古土壤序列的認識破譯了紅色土的紅色條帶之謎，使人們對黃土有了一個全新的認識，古土壤的確認對黃土成因問題的討論起了重要的作用。因為黃土和古土壤都是在風力作用下、氣候環(huán)境的變化下所形成的，但對黃土作為風力搬運的沉積的時間認識則由十多萬年，向前推進到了260萬年。認識了巨厚的黃土高原是260萬年來風力以沙塵暴的形式所形成的；而干旱的沙塵暴時期中間又有多次氣候變?yōu)闇嘏瘽駶櫟臅r期。
　　破譯了紅色條帶為古土壤層之后，使我們對黃土、古土壤層序的認識，從單純地質學研究范疇、從沉積與剝蝕的概念下解放出來，進一步把生物的地質作用與黃土沉積結合起來。受當時流行的4次冰期理論影響，對黃土的形成環(huán)境中分辨出干旱與濕潤的存在和多次的旋回等現(xiàn)象，未能作出進一步的解釋。雖然黃土／古土壤時間序列已經相當長，且沉積連續(xù)、代表氣候變化清楚，比研究程度較高的歐洲、美洲和全球其他地區(qū)的黃土對全球變化的代表性都強，但還未能明確中國黃土的這一特點。
　　在這一時期，王挺梅、朱海之等發(fā)現(xiàn)黃土在空間

分布上具有顆粗細自西北而東南逐漸變細的特點，并把黃土高原的黃土劃分為砂黃土、黃土、粘黃土帶，這一劃分對黃土高原的水土保持工作，和黃河泥沙中粗砂的來源區(qū)以及黃河泥沙的治理提供了依據(jù)。
　　黃土地區(qū)地基的濕陷性問題研究，也從黃土地層的劃分和分布、年齡的新、老關系等研究中得到有益的啟發(fā)，取得了新的進展。黃土研究在20世紀60年代進行了總結。中科院劉東生與前地質部張宗祜以《中國的黃土》為題，在1961年國際第四紀研究聯(lián)合會的第六次國際會議上發(fā)表了論文。60年代末期，對中國地方性疾病克山病的研究取得了成就。
　　附圖
　　圖1　黃土分布圖
　�。ㄈ�）古地磁研究的發(fā)現(xiàn)——第3次破譯密碼
　　20世紀70年代，隨著古地磁學、同位素地球化學、年代學等新學科和技術的發(fā)展，認識黃土的手段不斷進步，破譯密碼的能力不斷加強。黃土的研究從肉眼觀察形成概念階段進入到觀察與測量和實驗相結合的階段，這也是一個從實驗數(shù)據(jù)形成概念的階段。
　　黃土與古土壤層的磁化率，隨黃土與古土壤中所含磁性礦物的種類和豐度而變化。測量結果顯示，黃土與古土壤的磁化率可以用來作為反映地質作用、環(huán)境變化的氣候要素的替代性指標(Proxy  Data)。這一進步促使我們將黃土高原沉積與深海沉積進行對比；冰芯的研究結果也與黃土高原進行了對比，是黃土高原研究從建立區(qū)域性特征到進行全球對比的起點。這一時期總結性的工作為《黃土與環(huán)境》一書的出版。
　�。ㄋ模┒�季風和夏季風的標志——第4次破譯密碼
　　認識到中國黃土與古土壤的磁化率作為古氣候的代用指標以后，人們得到了大陸沉積和深海沉積這兩本秘笈的對比。隨之而來問題是：黃土為什么和怎樣能夠記錄全球性古氣候變化的問題。黃土和古土壤是通過什么機制把全球氣候變化記錄下來的？安芷生提出黃土和古土壤分別代表古氣候環(huán)境的冬季風盛行和夏季風盛行的模式對了解黃土與古土壤的形成和解譯其環(huán)境秘密有著重要的理論意義。
　　當代氣象觀測告訴我們，中國的沙塵暴事件受西伯利亞高壓的影響，與西北方向吹來的風有關；而黃土高原的降水則主要是受來自東南方向的夏季風的影響，同海水的溫度和海洋與大陸之間的距離有關。
　　黃土高原的主要氣候控制因素——冬季風和夏季風如實地把全球冰期和間冰期的氣候狀況傳送到亞洲大陸內部形成黃土高原；而黃土高原的黃土和古土壤層則忠實地把區(qū)域性的和全球性的氣候信息記錄于自身的密碼之中。
　　丁仲禮利用黃土和古土壤中粒徑＜2微米／＞10微米（0.002毫米～0.010毫米）的顆粒含量的比值作為冬季風搬運塵顆粒的風力強弱的代用指標，討論冰期和間冰期的環(huán)境的變化。他所得到的曲線，可以與深海沉積中同時期的氧同位素(δ[18]O)曲線進行對比，吻合情況較好（圖2）。
　　寶雞的黃土剖面有160多米厚，在260萬年的時間內共有32次黃土與古土壤的配對。它們代表了32次由暖濕到冷干的變化。這一結果證明了大陸冰期和間冰期的多次性，豐富了以前認為大陸僅有四次冰期的理論。
　　在大陸上無論是何種冰川，氣候變化對其的影響均表現(xiàn)為冰川和冰蓋邊緣的進退。一進一退，后者往往破壞了前者所保存的信息，所以在地球的大陸上幾乎找不到冰川消長的完整物質記錄，因而它的記錄也很難與深海沉積所記錄的冰期與間冰期的結果相比較；而反映氣候變化的連續(xù)的黃土與古土壤層則彌補了冰川的這一缺陷。黃土高原這本“秘笈”不僅記錄了冰期與間冰期這種萬年尺度的氣候變化，而且還能顯示更為微細的千年尺度的氣候變化。
　　郭正堂利用甘肅西峰鎮(zhèn)和陜西長武黃土塬區(qū)的剖面黃土與古土壤中的析出鐵Fe[,2]O和全鐵Fe[,2]O[,3]代表的風化強度比值作為夏季風的代用指標。Fe[,2]O和Fe[,2]O[,3]比值的高低說明，夏季風強盛時期，由于溫度和濕度的增加，其風化程度加大，在黃土形成時期則相對的風化強度減弱。這一代用指標較常用的以磁化率作為夏季風的代用指標有其優(yōu)點，也可以與深海δ[18]O同位素研究的結果對比。說明其具有全球意義。
　　從20世紀80年代以磁化率作為氣候的代用指標，到90年代以顆粒比值代表冬季風強度，以風化指數(shù)代表夏季風強度，中國黃土研究逐步跨入了多種代用指標并存的時代，亦即是用更多的方法解譯黃土高原秘密的時代。這一工作為后來認識上新世紅粘土為風成沉積開辟了新的途徑。
　　附圖
　　圖2　黃土粒度曲線與深海氧同位素曲線對比
　�。ㄎ澹┟滋m柯維奇周期的啟示——第5次破譯密碼
　　當前關于驅動第四紀冰期和間冰期古氣候變化的學說以米蘭柯維奇的天文周期假說較為普及。地球軌道偏心率、地軸傾角和歲差的周期性變化影響地球接受太陽輻射的總量和太陽能量在不同緯度和季節(jié)的分配。季節(jié)性的太陽光線在高緯度的變化，可以降低夏天的溫度。假如夏天溫度變涼，夏天的時間變短，則前一冬天的所積冰雪可以保持下來不被溶化。這樣一個機制會導致冰川的增大，冰期的到來。軌道的變化在中緯度和高緯度會導致冷與暖的交替出現(xiàn)。Berger計算寒冷期的時間和第四紀冰川發(fā)展的冰期相吻合，所以他的結論是地球軌道的變化導致第四紀冰期的出現(xiàn)。
　　現(xiàn)代計算指出，僅是軌道變化本身不能導致冰川的前進或后退。軌道周期引起的地球系統(tǒng)的其他方面的變化則導致并增加這種變冷的情形；而這樣一個相對較弱的初始的顫動可以被放大直到形成巨大的氣候變化。有人研究認為，高緯度氣候寒冷導致大面積森林消失，使太陽到達地球的能量被反射，導致地球變冷；冰川因而加大再反射更多的太陽能，致使冰期出現(xiàn)。
　　全球冰量的增加，特別是北極地區(qū)冰量的增加會導致西伯利亞高壓的增強，這一增強可能會使得亞洲內陸干旱化加劇。黃土高原的形成可能更多地與此有關，而青藏高原的隆起也促進了干旱化的形成和黃土的沉積。
　　丁仲禮根據(jù)寶雞黃土剖面研究了250萬年來黃土與深海記錄之間米蘭柯維奇周期的比較，最近又詳細而深入地對黃土高原中部和南部的寶雞、靈臺、蒲縣、平涼、涇川五地的黃土粒度進行了大量的分析并發(fā)現(xiàn)，黃土與古土壤序列的變化自180萬年以來，和深海的旋回幾乎可以一一對比，并且都是在1百萬～0.8百萬年前以1.3萬～4.1萬年的周期為主；1百萬～0.8百萬年有一氣候轉型，此后以10萬年周期為主。這一現(xiàn)象對黃土高原黃土—古土壤序列的形成機制來說可能是十分重要的。他認為這與全球冰量的變化有關。除大陸冰蓋和海冰外，根據(jù)汪品先等對海岸帶冰期時海水下降100米、暴露大片邊緣海，增強了內陸干旱、半干旱區(qū)的干旱化。丁氏認為華北與北半球的氣候變化的耦合是從1.8百萬年前開始加強。
　　黃土高原這本“秘笈”可能和深海那本“秘笈”一樣都有一個形成過程“簡單”的特點，不像河流、湖泊沉積等形成過程復雜，因而對再造古氣候歷史比較有利。受米蘭柯維奇周期理論的啟發(fā)，人們對于2.6百萬年來、特別是1.8百萬年來氣候波動的歷史和形成這種波動的原因、驅動力已經有了很好的認識和發(fā)現(xiàn)。
　�。�六）青藏高原讓風吹干了亞洲大陸——第6次破譯密碼
　　郭正堂等通過對董志塬的黃土和黃土下的上新世紅粘土以及甘肅秦安的中新世晚期古黃土與古土壤序列（即以前稱為甘肅系的地層）的研究，認為亞

洲內陸荒漠化起源于2200萬年以前，由此到620萬年之間為較穩(wěn)定的干旱化和氣候波動時期，形成了秦安的黃土。自620萬年到500萬年是一個干旱時期，500萬年到360萬年這段時間則是一個相對溫暖濕潤時期。360萬年以后黃土高原粉塵沉積的速率表現(xiàn)為持續(xù)增長的趨勢，到260萬年這種再次增長加強，第四紀黃土大量沉積。
　　在這研究一階段，以黃土作為干旱的象微的形成時間向前推進了，增長了近10倍。這在亞洲大陸是一個驚人的發(fā)現(xiàn)。
　　國內學者對中國干旱化歷史的認識有兩次大的突破。一次是在20世紀20年代，把亞洲干旱的歷史由13萬年放大到260萬年；一次是90年代到現(xiàn)在，把干旱的歷史放大到600萬～800萬年（上新世紅粘土的重新認識為黃土），再由600萬年又放大到2200萬年。（秦安古黃土與古土壤層的發(fā)現(xiàn)），其結果有三：一是說明亞洲內陸干旱化發(fā)展的歷史與全球冰量的增加有很大的可比性，表明大約自2200萬年以來北半球冰量的發(fā)展也是亞洲內陸干旱化的一個重要驅動力。二是新的認識。對過去上新世紅粘土層，即常說的三趾馬紅粘土，回歸為風成黃土，或風塵沉積，對過去的中新世甘肅系（部分）回歸為風成的黃土或風塵堆積。這樣形成了自2200年來的一個陸地的“風塵堆積系”。大陸的“風塵堆積系”和深海中的深海沉積，構成的全方位的區(qū)域性對比，提示我們可能要重新認識新近紀(NEOCENE)或新第三紀亞洲大陸的歷史。三是大面積古老風塵堆積的內因驅動力、干旱的發(fā)生發(fā)展和青藏高原的形成與發(fā)展的關系，可能導致以往研究的結果，如360萬年的青藏高原的隆升等項研究的進一步深化，也提出新的問題：如何認識2200萬年前開始的中國大陸北部的強烈的干旱化？與青藏高原的形成和隆起在時間和空間上的關系如何？這是一個今后應當考慮的問題。
　　2200萬年以來的一段時間雖然在幾十億年的地質時間表中不是很長的一段，但和人類的存在的時間相比較還是相當長的，即使從600萬年起來算也有好幾倍。這種持續(xù)的風力和今天環(huán)境中的風力同是地質營力。
　　風的吹ｙáｎｇ＠①，在地質歷史時期有那些情景可以供我們對未來作一參考。孫繼敏的工作說明最大或冰盛期時（22000年左右），在風力作用下北方沙漠東西延長近千公里，南北延長數(shù)百公里；而全新世適宜期則由于風力減弱，氣候溫濕，發(fā)育土壤，沙漠的范圍縮小了很多，比今天的范圍還小。
　　那么，今天我們處于一個什么樣的位置呢？我們正處于一個可能出現(xiàn)的兩個情景的中間。這就是我們從干旱化和風力作用所認識的地質全球變化的情景。它是一種放大了的人類全球變化（從工業(yè)革命以來的含有人類活動全球變化）。人類全球變化從現(xiàn)在的記錄來看應是一種加速了的全球變化。但我們可以控制其速度和規(guī)模以取得合理的可持續(xù)發(fā)展。
　　字庫未存字注釋：
　　　　＠①原字颶去具加腸右

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