《黄土与环境》

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1、黄土与环境一、为何研究黄土高原的黄土全球变化研究中的一个重要方面是研究过去、现在和未来的气候 环境变化。有人曾形象地指出，新近时期古气候环境的历史是藏在大 自然用密码写就的一本本“秘笈”当中的，世界各地的科学家们正在 解释和读懂三本这样的“秘笈”：一本是深海沉积，一本是南极和格 陵兰的冰盖，还有一本则是中国的黄土高原。黄土高原是具有全球意 义的研究对象。为什么人们如此重视黄土高原。首先，与极地和深海不同，黄土高原位于人类过去和正在居住的 地球的陆地表面；另外，最近的研究还证实，它是迄今为止被发现的 历时最长（约 2200 万年）、最完整的古气候记录的保存者。中国的土地上拥有这样一本“秘笈”，而

2、且已经读懂了一部分， 这令我们深感幸运。当然，还有很多更加引人入胜的故事等待我们去 解译。这是一项严肃而又艰巨的任务，也是一次振奋人心的挑战。黄 土高原秘密的不断发现，提示着地球科学一个新时期的到来，至少在 亚洲大陆上是如此。作为大自然打造的三个近代气候环境档案库之一，黄土高原的独 特之处在于，这里生活着上亿的人口。他们拥有百万年的历史；他们 的生活和未来的发展需要科学；他们需要认识自己在自然界所处的位 置，需要了解祖先和自身所经历的复杂的环境演化历史。黄土高原是由黄土构成的。什么是黄土。形象地说，黄土就象人 们常见的、发生在我们身边的“沙尘暴” 202x年3月18日北京就 出现过一次特大沙尘

3、暴。近年来，人们对北方发生的沙尘暴非常注意。 国家也已投入大量资金治理由于不合理利用土地而产生的沙尘暴源 地和影响地，以保障我国社会经济的可持续发展。从沙尘暴的物质成分来看，它与黄土十分接近。黄土是一种风成 沉积，主要由粒径为0.01005mm的粉砂级颗粒组成，成分包括石 英（约占60%）、长石、云母等和少量重矿物，富含碳酸钙（7%30%）。 黄土多大孔隙、松软且具有湿陷性。我国古代称沙尘暴类型的降尘为“雨土”根据孙继敏和xx银的 研究，自1966年到xx年，174个气象台站共记录了 60次能见度在1 公里以内、中等严重程度、持续2 天以上的沙尘暴。最近40 年来的 降尘记录说明，中国黄土高原

4、是亚洲风尘的一个沉降区，以兰州为中 心，共发生过 24 次降尘。这与地质上黄土高原的黄土堆积以兰州为 最厚是一致的。降尘的次数和厚度都是以兰州为中心的。以近代沙尘暴作为黄土形成过程的参照来研究，黄土高原是一个 巨大的天然实验室。黄土的发生和沉降记录表明，黄土高原是一个积 累了至少 2200 万年、基本连续的实验数据的实验室，一个可供重建 2200 万年以来黄土高原及其周边地区环境演变历史的实验室，可提 供这个地区未来发展的情景（scenario）。黄土高原这个天然实验室的内容是什么呢。是研究今天干旱化的 环境及过去和未来的景象。黄土高原的风尘沉积（黄土和古土壤）可 以直接指示其物质来源区的干旱

5、化过程，风力搬运的动力学机制；沉 积速率、粒度变化等气候指标还可以和其他两本“秘笈”中的章节相 对应。它可以告诉我们黄土沉积的时空特征和规律，也就是它自己的 “历史”，同时帮助我们解读其他两本“秘笈”。二、黄土高原简介黄土高原分布于北纬3435。之间(图1),总面积约380842 平方公里，黄河贯穿其中。在同一纬度，欧洲和北美的黄土地带构成 全球的小麦和玉米带，西方人称之为“面包篮子(breadbasket)”。黄 土高原占据了全国耕地面积的1/5，养活了全国1/5以上的人口。这里 水土流失严重，每年通过黄河输出的泥沙为16亿吨，是尼罗河的30 倍、密西西比河的 90 倍。在地貌学上，黄土高原

6、可称为一个巨地貌单元。长期的侵蚀和切 割形成了黄土高原特有的地形，最常见的为峁、墚和塬。峁：多分布于黄土高原北部，为圆锥形丘陵，是一种发育在各种 黄土堆积上的参丘；墚：多分布于黄土高原中部，为长条形的脊状地形，是一种叠加 的古侵蚀地形；塬。多分布于黄土高原南部，为平台状地形，由多层叠覆的黄土 古土壤层构成。黄土高原是中华民族文化的发祥地之一。西安东南的蓝田县发现 了 110万年前的蓝田直立人(homoerectuslantianensis)化石和石器。 塬区的黄土地层最为完整和连续，因此地质工作多集中于塬区，以此 为突破口来解释黄土高原这本“秘笈”并告诉人们它所经历的故事。在近代中国地质学家对

7、黄土高原的研究中，共发生了 6 次较大规模的 破译黄土高原密码的科学事件。三、六次破译黄土高原的密码（一）红色土地层的建立第 1 次解译密码 黄土作为一个地质单元为早期来华工作的西方地质学家所注意， 始自 19 世纪。庞培利、李希霍芬、奥勃鲁契夫、安特生等认为中国 黄土系风力搬运并沉积于草原的产物。中国地质学家于 1920 年起开 展黄土研究。1930 年，德日进和杨钟健作了黄土地层与古生物研究， 这一工作是开创性的。他们将黄土高原黄土划分为上下两大部分，上 部称马兰黄土，下部称红色土。这是一个以“观察地质”为主要工作 方法的以分类定名为主要工作内容的时代。他们第一次把中国黄土高 原厚达300

8、余米的黄土划分为马兰黄土，红色土 a、b、c等四层，并 按其中所含古脊动物化石定为现在仍延续使用的第四纪的早、中、晚 期，是在前人工作基础上（未分期）的一个突破。尽管囿于当时的认 识没有解决红色土的成因问题，但他们严谨的古生物和地层划分工作 已经成为后人典范。（二）古土壤层的发现第 2 次解译密码 新中国成立以后，黄土高原的建设和水土保持工作、建筑 工程的地基础工作和对人民群众各种疾病的防治等，对黄土研究 提出了新的要求，也开始了黄土与环境研究的新阶段。20 世纪 50 年 代，土壤学家朱显谟、石元春等对黄土和黄土中古土壤层的研究表明， 黄土层中所夹的红色条带，即德日进和杨钟健所称的红色土，实

9、质上 是一种褐色土型的古土壤层。在黄土高原的董志塬，洛川塬等地都可 以发现多次黄土和古土壤相重叠产出的状况。对黄土和古土壤序列的认识破译了红色土的红色条带之谜，使人 们对黄土有了一个全新的认识，古土壤的确认对黄土成因问题的讨论 起了重要的作用。因为黄土和古土壤都是在风力作用下、气候环境的 变化下所形成的，但对黄土作为风力搬运的沉积的时间认识则由十多 万年，向前推进到了260万年。认识了巨厚的黄土高原是260 万年来 风力以沙尘暴的形式所形成的；而干旱的沙尘暴时期中间又有多次气 候变为温暖湿润的时期。破译了红色条带为古土壤层之后，使我们对黄土、古土壤层序的 认识，从单纯地质学研究范畴、从沉积与剥

10、蚀的概念下解放出来，进 一步把生物的地质作用与黄土沉积结合起来。受当时流行的4 次冰期 理论影响，对黄土的形成环境中分辨出干旱与湿润的存在和多次的旋 回等现象，未能作出进一步的解释。虽然黄土古土壤时间序列已经 相当长，且沉积连续、代表气候变化清楚，比研究程度较高的欧洲、 美洲和全球其他地区的黄土对全球变化的代表性都强，但还未能明确 中国黄土的这一特点。在这一时期，王挺梅、朱海之等发现黄土在空间 分布上具有颗粗细自西北而东南逐渐变细的特点，并把黄土高原 的黄土划分为砂黄土、黄土、粘黄土带，这一划分对黄土高原的水土 保持工作，和黄河泥沙中粗砂的来源区以及黄河泥沙的治理提供了依 据。黄土地区地基的湿

11、陷性问题研究，也从黄土地层的划分和分布、 年龄的新、老关系等研究中得到有益的启发，取得了新的进展。黄土 研究在 20世纪60 年代进行了总结。中科院刘东生与前地质部张宗祜 以中国的黄土为题，在 1961 年国际第四纪研究联合会的第六次 国际会议上发表了论文。60 年代末期，对中国地方性疾病克山病的 研究取得了成就。附图图 1 黄土分布图（三）古地磁研究的发现第3 次破译密码20世纪 70年代，随着古地磁学、同位素地球化学、年代学等新 学科和技术的发展，认识黄土的手段不断进步，破译密码的能力不断 加强。黄土的研究从肉眼观察形成概念阶段进入到观察与测量和实验 相结合的阶段，这也是一个从实验数据形成

12、概念的阶段。黄土与古土壤层的磁化率，随黄土与古土壤中所含磁性矿物的种 类和丰度而变化。测量结果显示，黄土与古土壤的磁化率可以用来作 为反映地质作用、环境变化的气候要素的替代性指标（proxydata）。 这一进步促使我们将黄土高原沉积与深海沉积进行对比；冰芯的研究 结果也与黄土高原进行了对比，是黄土高原研究从建立区域性特征到 进行全球对比的起点。这一时期总结性的工作为黄土与环境一书 的出版。（四）冬季风和夏季风的标志第4 次破译密码认识到中国黄土与古土壤的磁化率作为古气候的代用指标以后， 人们得到了大陆沉积和深海沉积这两本秘笈的对比。随之而来问题 是：黄土为什么和怎样能够记录全球性古气候变化的

13、问题。黄土和古 土壤是通过什么机制把全球气候变化记录下来的。安芷生提出黄土和 古土壤分别代表古气候环境的冬季风盛行和夏季风盛行的模式对了 解黄土与古土壤的形成和解译其环境秘密有着重要的理论意义。当代气象观测告诉我们，中国的沙尘暴事件受西伯利亚高压的影 响，与西北方向吹来的风有关；而黄土高原的降水则主要是受来自东 南方向的夏季风的影响，同海水的温度和海洋与大陆之间的距离有 关。黄土高原的主要气候控制因素冬季风和夏季风如实地把全 球冰期和间冰期的气候状况传送到亚洲大陆内部形成黄土高原；而黄 土高原的黄土和古土壤层则忠实地把区域性的和全球性的气候信息 记录于自身的密码之中。丁仲礼利用黄土和古土壤中粒

14、径V2微米/ 10微米（0.002毫 米0.010毫米）的颗粒含量的比值作为冬季风搬运尘颗粒的风力强 弱的代用指标，讨论冰期和间冰期的环境的变化。他所得到的曲线， 可以与深海沉积中同时期的氧同位素（ 180）曲线进行对比，吻合 情况较好（图 2）。宝鸡的黄土剖面有160多米厚，在260万年的时间内共有32次 黄土与古土壤的配对。它们代表了32 次由暖湿到冷干的变化。这一 结果证明了大陆冰期和间冰期的多次性，丰富了以前认为大陆仅有四 次冰期的理论。在大陆上无论是何种冰川，气候变化对其的影响均表现为冰川和 冰盖边缘的进退。一进一退，后者往往破坏了前者所保存的信息，所 以在地球的大陆上几乎找不到冰川

15、消长的完整物质记录，因而它的记 录也很难与深海沉积所记录的冰期与间冰期的结果相比较；而反映气 候变化的连续的黄土与古土壤层则弥补了冰川的这一缺陷。黄土高原 这本“秘笈”不仅记录了冰期与间冰期这种万年尺度的气候变化，而 且还能显示更为微细的千年尺度的气候变化。郭正堂利用甘肃西峰镇和陕西长武黄土塬区的剖面黄土与古土 壤中的析出铁fe, 2o和全铁fe, 2o, 3代表的风化强度比值作为 夏季风的代用指标。fe, 2o和fe, 2o, 3比值的高低说明，夏季 风强盛时期,由于温度和湿度的增加,其风化程度加大,在黄土形成 时期则相对的风化强度减弱。这一代用指标较常用的以磁化率作为夏 季风的代用指标有其

16、优点，也可以与深海6 18o同位素研究的结果 对比。说明其具有全球意义。从 20 世纪 80 年代以磁化率作为气候的代用指标,到90 年代以 颗粒比值代表冬季风强度,以风化指数代表夏季风强度,中国黄土研 究逐步跨入了多种代用指标并存的时代,亦即是用更多的方法解译黄 土高原秘密的时代。这一工作为后来认识上新世红粘土为风成沉积开辟了新的途径。附图图 2 黄土粒度曲线与深海氧同位素曲线对比（五）米兰柯维奇周期的启示第 5 次破译密码当前关于驱动第四纪冰期和间冰期古气候变化的学说以米兰柯 维奇的天文周期假说较为普及。地球轨道偏心率、地轴倾角和岁差的 周期性变化影响地球接受太阳辐射的总量和太阳能量在不同纬度和 季节的分配。季节性的太阳光线在高纬度的变化，可以降低夏天的温 度。假如夏天温度变凉，夏天的时间变短，则前一冬天的所积冰雪可