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20世紀50年代以來，環境問題日益受到國際上的重視，很多科學工作正向全球環境變化的方向發展。地球科學界與生命科學界共同組織了龐大的國際合作研究。中國科學家積極參與國際科學聯合會組織的“國際地圈與生物圈計劃”，即IGBP，又稱“全球變化研究”，這項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重要方面是研究過去、現在和未來的氣候環境變化。有人曾形象地指出，新近時期古氣候環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，它是迄今為止被發現的歷時最長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的一本“秘笈”，而且已經被讀懂了一部分，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釋。這是一項嚴肅而又艱巨的任務，也是一次振奮人心的挑戰。黃土高原秘密的不斷發現，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，黃土就像人們常見的、發生在我們身邊的“沙塵暴”的產物。2002年3月18日北京就出現過一次特大沙塵暴。近年來，人們對北方頻繁發生的沙塵暴非常注意。國家業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發展。

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—0．05毫米的粉砂級顆粒組成，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。

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、基本連續的實驗數據的實驗室，一個可供重建2200萬年以來黃土高原及其周邊地區環境演變歷史的實驗室，可提供這個地區未來發展的情景。

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”中的章節相對應。它可以告訴我們黃土沉積的時空特征和規律，也就是它自己的“歷史”，同時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”。黃土高原占據了全國耕地面積的1／5，養活了全國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祥地之一。西安東南的藍田縣發現了110萬年前的藍田直立人、化石和石器。塬區的黃土地層最為完整和連續，因此地質工作多集中于塬區，以此為突破口來解譯黃土高原這本“秘笈”并告訴人們它所經歷的故事。在近代中國地質學家對黃土高原的研究中，共發生了6次較大規模的破譯黃土高原密碼的科學事件。

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、李希霍芬、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，并按其中所含古脊椎動物化石定為現在仍延續使用的第四紀的早、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，但他們嚴謹的古生物和地層劃分工作已經成為后人典范。

二古土壤層的發現

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，也開始了黃土與環境研究的新階段。20世紀50年代年，土壤學家朱顯漠、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現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、氣候環境的變化下所形成的，而這是一種干旱的氣候環境。以黃土作為干旱化的標志的認識雖不十分明確，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為溫暖濕潤的時期。

在這一時期，王挺梅、朱海之等發現黃土在空間分布上具有顆粒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以及黃河泥沙的治理提供了依據。

黃土地區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，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合會的第六次國際會議上發表了論文。60年代末期，對中國地方性疾病克山病的研究取得了成就。

三古地磁研究的發現

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據形成概念階段。

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、環境變化的氣候要素的替代性指標。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《黃土與環境》一書的出版。

四冬季風和夏季風的標志

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，討論冰期和間冰期環境的變化。他所得到的曲線，可以與深海沉積中同時期的氧同位素曲線進行對比，吻合情況較好。

寶雞的黃土剖面有160多米厚，在260萬年的時間內共有32次黃土與古土壤的配對。它們代表了32次的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。

正堂利用甘肅西峰鎮和陜西長武黃土塬區的剖面黃土與古土壤中的析出鐵和全鐵代表的風化強度比值作為夏季風的代用指標。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地風化強度減弱。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點，也可以與深海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，以風化指數代表夏季風強度，中國黃土研究逐步跨人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統紅粘土為風成沉積開辟了新的途徑。

五米蘭柯維奇周期的啟示

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的分配。季節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。Berger計算寒冷期的時間和第四紀冰川發展的冰期相吻合，所以他的結論是地球軌道的變化導致第四紀冰期的出現。

現代計算指出，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的其他方面的變化則能夠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。

全球冰量的增加，特別是北極地區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的與此有關，而青藏高原的隆起也促進了干旱化的形成和黃土的沉積。

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，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現。

六青藏高原讓風吹干了亞洲大陸

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為持續增長的趨勢，到260萬年這種再次增長加強，第四紀黃土大量沉積。

在這研究階段，以黃土作為干旱的象征的形成時間向前推進了，增長了近十倍。這在亞洲大陸是一個驚人的發現。

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。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，既使從600萬年起來算也有好幾倍。這種持續的風力和今天環境中的風力同是地質營力。

風在地質歷史時期有哪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，南北延長數百公里；而全新世適宜期則由于風力減弱，氣候溫濕，發育土壤，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從工業革命以來的含有人類活動全球變化。人類全球變化從現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模以取得合理的可持續發展。