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20世紀(jì)50年代以來，環(huán)境問題日益受到國際上的重視，很多科學(xué)工作正向全球環(huán)境變化的方向發(fā)展。地球科學(xué)界與生命科學(xué)界共同組織了龐大的國際合作研究。中國科學(xué)家積極參與國際科學(xué)聯(lián)合會(huì)組織的“國際地圈與生物圈計(jì)劃”，即IGBP，又稱“全球變化研究”，這項(xiàng)工作取得了顯著成績。

黃土高原的黃土研究

全球變化研究中的一個(gè)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(shí)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(dāng)中的，世界各地的科學(xué)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(duì)象。

為什么人們?nèi)绱酥匾朁S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(shí)，它是迄今為止被發(fā)現(xiàn)的歷時(shí)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的一本“秘笈”，而且已經(jīng)被讀懂了一部分，這令我們深感幸運(yùn)。當(dāng)然，還有很多更加引人入勝的故事等待我們?nèi)ソ忉?。這是一項(xiàng)嚴(yán)肅而又艱巨的任務(wù)，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(xué)一個(gè)新時(shí)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(gè)近代氣候環(huán)境檔案庫之一，黃土高原的獨(dú)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(xué)；他們需要認(rèn)識(shí)自己在自然界所處的位置，需要了解祖先和自身所經(jīng)歷的復(fù)雜的環(huán)境演化歷史。

黃土高原是由黃土構(gòu)成的。什么是黃土﹖形象地說，黃土就像人們常見的、發(fā)生在我們身邊的“沙塵暴”的產(chǎn)物。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(duì)北方頻繁發(fā)生的沙塵暴非常注意。國家業(yè)已投入大量資金治理由于不合理利用土地而產(chǎn)生的沙塵暴源地和影響地，以保障我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

從沙塵暴的物質(zhì)成分來看，它與黃土十分接近。黃土是一種風(fēng)成沉積，主要由粒徑為0．01—0．05毫米的粉砂級(jí)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。

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(gè)巨大的天然實(shí)驗(yàn)室。黃土的發(fā)生和沉降記錄表明，黃土高原是一個(gè)積累了至少2200萬年、基本連續(xù)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)室，一個(gè)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(shí)驗(yàn)室，可提供這個(gè)地區(qū)未來發(fā)展的情景。

黃土高原這個(gè)天然實(shí)驗(yàn)室的內(nèi)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(fēng)塵沉積黃土和古土壤可以直接指示其物質(zhì)來源區(qū)的干旱化過程，風(fēng)力搬運(yùn)的動(dòng)力學(xué)機(jī)制；沉積速率、粒度變化等氣候指標(biāo)還可以和其他兩本“秘笈”中的章節(jié)相對(duì)應(yīng)。它可以告訴我們黃土沉積的時(shí)空特征和規(guī)律，也就是它自己的“歷史”，同時(shí)幫助我們解讀其他兩本“秘笈”。

黃土高原簡介

黃土高原分布于北緯34—45度之間，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(gòu)成全球的小麥和玉米帶，西方人稱之為“面包籃子”。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(yán)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(xué)上，黃土高原可稱為一個(gè)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?fàn)畹匦?，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(tái)狀地形，由多層疊覆的黃土／古土壤層構(gòu)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(lán)田縣發(fā)現(xiàn)了110萬年前的藍(lán)田直立人、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(zhì)工作多集中于塬區(qū)，以此為突破口來解譯黃土高原這本“秘笈”并告訴人們它所經(jīng)歷的故事。在近代中國地質(zhì)學(xué)家對(duì)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(xué)事件。

六次破譯黃土高原的密碼

一紅色土地層的建立

黃土作為一個(gè)地質(zhì)單元為早期來華工作的西方地質(zhì)學(xué)家所注意，始自19世紀(jì)。龐培利、李希霍芬、奧勃魯契夫、安特生等認(rèn)為中國黃土系風(fēng)力搬運(yùn)并沉積于草原的產(chǎn)物。中國地質(zhì)學(xué)家于1920年起開展黃土研究。1930年，德日進(jìn)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(gè)以“觀察地質(zhì)”為主要工作方法的以分類定名為主要工作內(nèi)容的時(shí)代。他們第一次把中國黃土高原厚達(dá)300余米的黃土劃分為馬蘭黃土，紅色土A、B、C等四層，并按其中所含古脊椎動(dòng)物化石定為現(xiàn)在仍延續(xù)使用的第四紀(jì)的早、中、晚期，是在前人工作基礎(chǔ)上未分期的一個(gè)突破。盡管囿于當(dāng)時(shí)的認(rèn)識(shí)沒有解決紅色土的成因問題，但他們嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓派锖偷貙觿澐止ぷ饕呀?jīng)成為后人典范。

二古土壤層的發(fā)現(xiàn)

新中國成立以后，黃土高原的建設(shè)和水土保持工作、建筑工程的地基礎(chǔ)工作和對(duì)人民群眾各種疾病的防治等，對(duì)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(jì)50年代年，土壤學(xué)家朱顯漠、石元春等對(duì)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(jìn)和楊鐘健所稱的紅色土，實(shí)質(zhì)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(chǎn)出的狀況。

對(duì)黃土和古土壤序列的認(rèn)識(shí)破譯了紅色土的紅色條帶之謎，使人們對(duì)黃土有了一個(gè)全新的認(rèn)識(shí)，古土壤的確認(rèn)對(duì)黃土成因問題的討論起了重要的作用。因?yàn)辄S土和古土壤都是在風(fēng)力作用下、氣候環(huán)境的變化下所形成的，而這是一種干旱的氣候環(huán)境。以黃土作為干旱化的標(biāo)志的認(rèn)識(shí)雖不十分明確，但對(duì)黃土作為風(fēng)力搬運(yùn)的沉積的時(shí)間認(rèn)識(shí)則由十多萬年，向前推進(jìn)到了260萬年。認(rèn)識(shí)了巨厚的黃土高原是260萬年來風(fēng)力以沙塵暴的形式所形成的；而干旱的沙塵暴時(shí)期中間又有多次氣候變?yōu)闇嘏瘽駶櫟臅r(shí)期。

在這一時(shí)期，王挺梅、朱海之等發(fā)現(xiàn)黃土在空間分布上具有顆粒粗細(xì)自西北而東南逐漸變細(xì)的特點(diǎn)，并把黃土高原的黃土劃為砂黃土、黃土、粘黃土帶，這一劃分對(duì)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(guān)系等研究中得到有益的啟發(fā)，取得了新的進(jìn)展。黃土研究在20世紀(jì)60年代進(jìn)行了總結(jié)。中科院劉東生與前地質(zhì)部張宗祜以《中國的黃土》為題，在1961年國際第四紀(jì)研究聯(lián)合會(huì)的第六次國際會(huì)議上發(fā)表了論文。60年代末期，對(duì)中國地方性疾病克山病的研究取得了成就。

三古地磁研究的發(fā)現(xiàn)

20世紀(jì)70年代，隨著古地磁學(xué)、同位素地球化學(xué)、年代學(xué)等新學(xué)科和技術(shù)的發(fā)展，認(rèn)識(shí)黃土的手段不斷進(jìn)步，破譯密碼的能力不斷加強(qiáng)。黃土的研究從肉眼觀察形成概念階段進(jìn)入到觀察與測量和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的階段。這也是一個(gè)從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)形成概念階段。

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(jié)果顯示，黃土與古土壤的磁化率可以用來作為反映地質(zhì)作用、環(huán)境變化的氣候要素的替代性指標(biāo)。這一進(jìn)步促使我們將黃土高原沉積與深海沉積進(jìn)行對(duì)比；冰芯的研究結(jié)果也與黃土高原進(jìn)行了對(duì)比，是黃土高原研究從建立區(qū)域性特征到進(jìn)行全球?qū)Ρ鹊钠瘘c(diǎn)。這一時(shí)期總結(jié)性的工作為《黃土與環(huán)境》一書的出版。

四冬季風(fēng)和夏季風(fēng)的標(biāo)志

認(rèn)識(shí)到中國黃土與古土壤的磁化率作為古氣候的代用指標(biāo)以后，人們得到了大陸沉積和深海沉積這兩本秘笈的對(duì)比。隨之而來的問題是：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(jī)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(fēng)盛行和夏季風(fēng)盛行的模式對(duì)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(dāng)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(fēng)有關(guān)；而黃土高原的降水則主要是受來自東南方向的夏季風(fēng)的影響，同海水的溫度和海洋與大陸之間的距離有關(guān)。

黃土高原的主要?dú)夂蚩刂埔蛩亍撅L(fēng)和夏季風(fēng)如實(shí)地把全球冰期和間冰期的氣候狀況傳送到亞洲大陸內(nèi)部形成黃土高原；而黃土高原的黃土和古土壤層則忠實(shí)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(fēng)搬運(yùn)塵顆粒的風(fēng)力強(qiáng)弱的代用指標(biāo)，討論冰期和間冰期環(huán)境的變化。他所得到的曲線，可以與深海沉積中同時(shí)期的氧同位素曲線進(jìn)行對(duì)比，吻合情況較好。

寶雞的黃土剖面有160多米厚，在260萬年的時(shí)間內(nèi)共有32次黃土與古土壤的配對(duì)。它們代表了32次的由暖濕到冷干的變化。這一結(jié)果證明了大陸冰期和間冰期的多次性，豐富了以前認(rèn)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(duì)其的影響均表現(xiàn)為冰川和冰蓋邊緣的進(jìn)退。一進(jìn)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(zhì)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(jié)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(bǔ)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(xì)的千年尺度的氣候變化。

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和全鐵代表的風(fēng)化強(qiáng)度比值作為夏季風(fēng)的代用指標(biāo)。夏季風(fēng)強(qiáng)盛時(shí)期，由于溫度和濕度的增加，其風(fēng)化程度加大，在黃土形成時(shí)期則相對(duì)地風(fēng)化強(qiáng)度減弱。這一代用指標(biāo)較常用的以磁化率作為夏季風(fēng)的代用指標(biāo)有其優(yōu)點(diǎn)，也可以與深海同位素研究的結(jié)果對(duì)比，說明其具有全球意義。

從20世紀(jì)80年代以磁化率作為氣候的代用指標(biāo)，到90年代以顆粒比值代表冬季風(fēng)強(qiáng)度，以風(fēng)化指數(shù)代表夏季風(fēng)強(qiáng)度，中國黃土研究逐步跨人了多種代用指標(biāo)并存的時(shí)代，亦即是用更多的方法解譯黃土高原秘密的時(shí)代。這一工作為后來認(rèn)識(shí)上新統(tǒng)紅粘土為風(fēng)成沉積開辟了新的途徑。

五米蘭柯維奇周期的啟示

當(dāng)前關(guān)于驅(qū)動(dòng)第四紀(jì)冰期和間冰期古氣候變化的學(xué)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(shí)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(gè)機(jī)制會(huì)導(dǎo)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(huì)導(dǎo)致冷與暖的交替出現(xiàn)。Berger計(jì)算寒冷期的時(shí)間和第四紀(jì)冰川發(fā)展的冰期相吻合，所以他的結(jié)論是地球軌道的變化導(dǎo)致第四紀(jì)冰期的出現(xiàn)。

現(xiàn)代計(jì)算指出，僅是軌道變化本身不能導(dǎo)致冰川的前進(jìn)或后退。軌道周期引起的地球系統(tǒng)的其他方面的變化則能夠?qū)е虏⒃黾舆@種變冷的情形；而這樣一個(gè)相對(duì)較弱的初始的顫動(dòng)可以被放大直到形成巨大的氣候變化。有人研究認(rèn)為，高緯度氣候寒冷導(dǎo)致大面積森林消失，使太陽到達(dá)地球的能量被反射，導(dǎo)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(huì)導(dǎo)致西伯利亞高壓的增強(qiáng)，這一增強(qiáng)可能會(huì)使得亞洲內(nèi)陸干旱化加劇。黃土高原的形成可能更多的與此有關(guān)，而青藏高原的隆起也促進(jìn)了干旱化的形成和黃土的沉積。

黃土高原這本“秘笈”可能和深海那本“秘笈”一樣都有一個(gè)形成過程“簡單”的特點(diǎn)，不像河流、湖泊沉積等形成過程復(fù)雜，因而對(duì)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(duì)于2．6百萬年來、特別是1．8百萬年來氣候波動(dòng)的歷史和形成這種波動(dòng)的原因、驅(qū)動(dòng)力已經(jīng)有了很好的認(rèn)識(shí)和發(fā)現(xiàn)。

六青藏高原讓風(fēng)吹干了亞洲大陸

郭正堂等通過對(duì)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(rèn)為亞洲內(nèi)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(dòng)時(shí)期，形成了秦安的黃土。自620萬年到500萬年是一個(gè)干旱時(shí)期，500萬年到360萬年這段時(shí)間則是一個(gè)相對(duì)溫暖濕潤時(shí)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(qiáng)，第四紀(jì)黃土大量沉積。

在這研究階段，以黃土作為干旱的象征的形成時(shí)間向前推進(jìn)了，增長了近十倍。這在亞洲大陸是一個(gè)驚人的發(fā)現(xiàn)。

國內(nèi)學(xué)者對(duì)中國干旱化歷史的認(rèn)識(shí)有兩次大的突破。一次是在20世紀(jì)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(rèn)識(shí)為黃土，再由600萬年又放大到2200萬年。如何認(rèn)識(shí)2200萬年前開始的中國大陸北部的強(qiáng)烈的干旱化﹖與青藏高原的形成和隆起在時(shí)間和空間上的關(guān)系如何﹖這是一個(gè)今后應(yīng)當(dāng)考慮的問題。

2200萬年以來的一段時(shí)間雖然在幾十億年的地質(zhì)時(shí)間表中不是很長的一段，但和人類的存在的時(shí)間相比較還是相當(dāng)長的，既使從600萬年起來算也有好幾倍。這種持續(xù)的風(fēng)力和今天環(huán)境中的風(fēng)力同是地質(zhì)營力。

風(fēng)在地質(zhì)歷史時(shí)期有哪些情景可以供我們對(duì)未來作一參考。孫繼敏的工作說明最大或冰盛期時(shí)22000年左右，在風(fēng)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(fēng)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(gè)什么樣的位置呢﹖我們正處于一個(gè)可能出現(xiàn)的兩個(gè)情景的中間。這就是我們從干旱化和風(fēng)力作用所認(rèn)識(shí)的地質(zhì)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(dòng)全球變化。人類全球變化從現(xiàn)在的記錄來看應(yīng)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。