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黄土可以告诉我们什么

2019-10-25 马丽华 《青藏光芒》

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  不久前看过一部译制纪录片《地球创世纪·风》,该片着眼寰球天下,特别以中国黄土作为风之力的典型案例:“中华文明的成功,在一定程度上要归功于风。”原因在于这片土地拥有对于中国早期农耕至为重要的资源:由层层尘土堆积而成、厚达数以百米计、幅员相当辽阔的黄土高原,赋予中国农民早在1万多年前宜居、宜耕环境,食物充足为文明发展提供了先决条件;而黄土的出现都是因为风——青藏高原和喜马拉雅等群山耸立起来,改变了风向并使气流抬升,冷凝成雨降落下来。当风抵达高原背风面时,会变得异常干燥,塔克拉玛干等戈壁沙漠形成巨量沙尘储备,连续不断的风就像一个传送带,把沙尘一路送至中原地带……“黄河流经的这片土地,让一切变为可能。”

  说到“让一切变为可能”的时候,片中所指还是黄土地生长的稼穑与传统,进而是文明进程、文化建树种种。然而在这里,就在此刻,同样来自黄土来自风,我们将要听到的却是另类讲述,一个迥然不同的版本——一个从事黄土研究的群体如何将深厚黄土照亮,使之成其为宝贵科学资源的另一“可能”——

  当1961年在波兰召开的第六届国际第四纪研究联合(INQUA)大会上,刘东生报告《中国的黄土》引发与会者惊叹时,涉及的还仅为山西午城黄土层中17个旋回,属于黄土自身所含环境信息的首度披露;当1964年希夏邦马科考中在不可能的高处发现高山栎化石,刘东生前瞻性提出青藏高原隆升新课题时,或许在高原自身演化和第四纪环境地质之外并未考虑太多吧!然而随着时间的推移,各自研究的深入,不意间在相当高的层面上,在全球变化研究前沿,两两相遇,融会交集并互为佐证,不啻黄土创造的又一奇迹,亦是青藏高原研究的福音。

  那么,这两大领域从什么时候、在哪一阶段相遇,以何为纽带使得彼此关联密切起来?

  回望中国黄土研究一路走来,内容与方向历经嬗变:自19世纪德国科学家李希霍芬在中国之行中首次提及黄土,后有中外学者安特生、德日进、杨钟健,都还把它视为地质现象和认知对象;新中国成立之初,竺可桢先生力主黄土调研,推动国家开展“黄河中游水土保持综合考察”项目,起因在于黄河之所以黄河、70%以上泥沙来自黄土高原,出于黄河治理、水土保持、兴利除患的考量,当属应用科学研究范畴。一批地质地理学家被抽调进考察队,刘东生就在其中,由此面向了黄土。历时数年项目结束,黄土研究作为新兴学科却已羽翼丰满:一翼为朱显谟院士领导的中科院水土保持研究所,沿着应用研究道路继续前行,对于黄土高原水土流失的治理和生态环境的保护做出了重要贡献;一翼为刘东生院士另辟蹊径,坐拥60余万平方公里的黄土高原,在地质、古气候等基础研究道路上步步为营,把一个需要治理和保护的对象变成了天大的宝贝,科学的富矿,跻身于国际地学界,岂止占有一席之地!待到黄土研究以完整的沉积序列、比较丰富的动植物化石、高分辨率的古气候古环境变化记录,与深海沉积物和极地冰芯三足鼎立,并列为全球变化研究三大标准柱,先生已被公认为世界级地质学大家,2002年荣膺国际环境科学最高奖“泰勒环境科学成就奖”,获奖原因正是“开启黄土这本天书”;2003年荣膺国家最高科学技术奖,成为我国地球科学界获此殊荣第一人!正如我们所理解的那样,这一奖项实已超出专业意义;当我们既敬又爱地尊他为“黄土之父”时,其内涵同样在专业意义之上。

  不仅黄土,还有红壤。说到刘先生初识这类古土壤,圈内流传着一则趣事“桥段”:1954年的一天,刘先生参与黄河中游考察,来到三门峡会兴镇当晚,夜幕中忽见灯光层叠闪烁,心中纳闷儿,其时河南乡镇怎会有楼房呢?次日清晨再看,始知灯光原来是从一层又一层近似水平分布的窑洞里发出的。细察之下,发现每层窑洞皆以黄土层中条带状红色黏土为穹顶。后来他与朱显谟先生同在山西离石考察黄土,就此疑问请教,朱先生回答,这应当是杨钟健先生所言“红色土”沉积物,含有地质时期的土壤残留。随后经两位先生研究证实,红色土即古土壤,较为黏重的红色土层之间即为黄土沉积。以此故,后来刘先生一直尊称朱先生为“老师”。且看自从上世纪60年代登上国际讲坛,黄土研究如何节节攀高——

  1981年,应国际著名地质学家许靖华邀请,刘东生先生前往苏黎世理工大学访问,同时带去黄土样品,与弗里德里希·海勒教授合作研究洛川黄土剖面的磁性地层和岩石磁学,借助超导磁力仪,首次获取黄土底界年龄、黄土剖面磁化率曲线。

  1985年,《黄土与环境》中英文版相继出版。基于中国黄土—古土壤序列,推出多期气候变化多旋回性概念,同时建立起经典的洛川坡头标准黄土剖面,并首次将该序列与反映全球冰量变化的深海氧同位素曲线相对比。此举标志着黄土研究已跨越到黄土与环境、黄土与全球变化相互关系研究的历史新阶段。5年后,在《国际第四纪》(QuaternaryInternational,1990)合作发表论文,安芷生为第一作者,将冬、夏季风的强弱与黄土堆积和古土壤发育相联系,首次以黄土—古土壤的磁化率作为亚洲季风变化的代用指标,揭示黄土—古土壤序列所记录的古季风长期演变。

  1989年,刘先生与弟子丁仲礼等合作,在《科学通报》发表论文《250万年以来的37个气候旋回》,以中国黄土所记录的37次冷暖干湿交替,110个次一级气候阶段,为第四纪全球气候变化对比提供了陆相记录(250万年后被订正为260万年)。5年后,在《第四纪科学评论》(QuaternaryScienceReviews,1994)合作发表论文,丁仲礼为第一作者,首次建立全世界第一个完整的中国黄土地球轨道调谐时间标尺,以黄土记录的气候变化节律,印证了地球轨道变化所产生的特征周期:偏心率变化的4万年、10万年周期,地轴倾斜度变化的4.1万年周期,岁差变化的2.3万年和1.9万年周期,等等。

  1996年8月,在北京召开的第三十届国际地质大会上,刘东生先生作《黄土与地球系统》特邀报告,将黄土作为地表各圈层相互作用的产物进行阐述,标志着以地球系统科学角度进行黄土研究的思路确立。同年9月,刘先生与汪品先、安芷生共同主持题为“古全球变化”的香山科学讨论会,刘先生作综述报告,根据地质证据,论证新生代亚洲干旱区演化进程,认为中新世时,东亚地区即由季风气候取代行星风系,由此奠定东亚现代自然环境格架。

  1999年,刘先生与丁仲礼等合作,在《古地理学,古气候学,古生态学》(Palaeogeography,Palaeoclimatology,Palaeoecology)发表一系列论文,将中国的风成堆积推至700万年前……从260万年,到700万年,800万年,仿佛砌就层层阶梯,等到郭正堂接力而来,拾级而上,得以一举将这一时间钟表拨向2200万年前!

  距今800万年前的环境演化数据,来自南亚生态系统改变拐点——巴基斯坦北部沉积物指示此时植被由森林型转为草原型;来自印度洋—阿拉伯海的大洋钻探结果——海底沉积物指示上涌流及南亚季风显著增大增强。国际上对于亚洲古环境的研究始于上世纪八九十年代,虽晚于中国学者,但这类相关证据却以后来居上之势,使“亚洲季风环境可能形成于800万年前”的说法一度成为国际地学界主流观点,直至风成红土序列新证据出现,方才显著改变了学界看法。

  没错,至晚是在2200万年前,最早可能不会超过2500万年前,北中国的风成堆积就开始启动了。确切地说,是将全球其他地方不见,唯中国独有的中新世风成红土序列由800万年又向前推移了1400万年。这批自成体系的原创性成果,是在刘先生指导下,由郭正堂团队合作完成,论文《中国红土沉积揭示2200万年前亚洲干旱化的起源》2002年首发《自然》(Nature)杂志。这可是全球顶级学术期刊,且是以亮点文章发表的。同批成果继之在《沉积地质》(SedimentaryGeology)、《地球物理研究快报》(GeophysicalResearchLetters)发表。能够说明其国际认可度的,是相关内容和图件迅速进入英美出版的教科书、教学研究指南,多家资深出版社如世界最大的科技出版机构之一德国斯普林格(Springer)、荷兰爱思维尔(Elsevier)和美国威利—布莱克威尔(Wiley-Blackwell)纷纷将之收录于百科全书。国际古全球变化(PAGES)前主席、利物浦大学奥德菲尔德教授这样评价:“新近纪连续的长尺度环境记录非常缺乏,最引人注目的记录之一是郭等向世界科学界展示的黄土高原西部几乎覆盖整个中新世的序列。”

  这批炫目成果,以时年38岁的郭正堂为第一作者、通讯作者,可谓真正的继承者后来人——出生那年,未来导师刘先生正在希夏邦马高瞻远瞩;地道“黄土之子”——祖辈生活在山西应县“黄土高坡”,生长于斯,立业于斯,黄土地的馈赠有多么丰厚,连他自己也觉得幸运之至:15岁考进北京大学地貌与第四纪专业,20岁公派留学去了法国,读来第四纪地质与环境考古学的硕士学位,再读来大陆环境动力学与土壤学博士学位,全都是前沿的学问,有用的装备。正是在准备博士论文期间,缔结黄土“风尘”缘:听从博士论文导师、古土壤专家尼古拉斯·费多罗夫(NicolasFedoroff)教授建议,以中国黄土中的古土壤开题。捧读《黄土与环境》,郭正堂手不释卷,读到烂熟于心,可是苦于所需的野外采样工作无从下手,于是师生二人决定试一试,分别致函求助于素昧平生的刘先生。没想到那么快就接到回复,并且一切安排就绪,高规格接待——小小博士生得以直奔甘肃西峰,由两位未来的师兄兼未来的院士安芷生、丁仲礼驱车陪同,以多年经验现场指导样品采集。

  这还只是幸运的开头,往后美好的事情接二连三:博士论文答辩,刘先生居然应请担任答辩委员会成员,且是两位阅评者之一;看好这位年轻人潜质及其专业,勉励他继续将红土作为主攻方向,郭正堂做了先生的第一位博士后。

  就这样,博士后三年,留任地质所从助研做起,放眼新生代地质与古全球变化,埋头古土壤一做15年,奔走野外,守在室内,以数万样次的土壤沉积和地球化学实验分析,把披覆于上千公里范围、400多层古土壤做出了含金量。随着对于新生代大陆环境研究领域具开拓意义的风成红土环境序列问世,所涉构造动力学—气候变化关系、海陆相互作用、生命演化的环境背景等等,能够说明的问题多多。在此试举两例,一是以风尘原始积累阶段对应于亚洲内陆荒漠和典型季风气候乍现,支持2000多万年前青藏高原隆升即已超过临界高度的观点:在高度上足以对来自海洋的水汽构成一定屏障作用,在规模上足以改变大气环流。二是据此在前人所建框架基础上,完善了中国大地2000多万年前后古环境变化格局,图示了由行星风系主控型转而为季风风系主控型,经历了怎样的渐变到剧变、巨变的过程,解释了从东西方向几乎贯通全国的带状荒漠的气候格局,何以转而为仅限于内陆局部干旱区的机理。

  ——在此提请读者,回头参看本书第4章第147页图例:古近纪、新近纪我国的古环境格局,是否会有不一样的感触。

  突破性进展意义非凡,牵引着众多学科齐步向前。比方说,生物地理研究中,涉及地质时期中国陆地上的动植物交流迁移和演化,南北之间曾出现过长时期、长距离的隔绝现象,令研究者困惑,现在终于解释得通了。关于这一点,亦可参看本书第11章末节植物演化部分。能够说明的问题还有,古土壤研究丰富和深化了对东亚和全球间冰期气候行为与机制的认识,从中国到世界,有一实例涉及科学界内外当下普遍关心的全球变暖问题。

  ——终于说到我们大众易于理解的部分了。皆拜全球持续变暖引发的普遍担忧所赐,相关气候环境知识空前普及:最初将二氧化碳超量排放指为温室气体元凶,后被告知甲烷的温室效应或说保温能力更甚于二氧化碳20倍以上!数年前一度成为公众话题的,来自媒体报道的一则研究结果:全新世大气中甲烷浓度本在万年前开始下降,却于5000年前重拾升势,走出一个“V”字形反转,于是有研究者将之归因于人类活动影响,包括中国和印度等早期农业国度的水稻种植、家畜饲养等等。到了大众层面、坊间谈资时,进一步简化为都是家畜惹的祸,特指牛肚里的气体排放,一时传为笑谈。而解答温室气体浓度变化问题,恰是古土壤研究的优势领域。有一回遇见郭正堂老师,直接提问,真的是因为养牛太多,导致甲烷骤增吗?郭老师表示并非如此,至少非主因:人类活动固然存在少量“贡献”,但自然过程远大于人类活动影响。为此他特意发来两篇论文供参详,虽然专业性够强,尚可读懂,从中可见从思路到手段的国际化特点,额外收获是,得知变暖变冷,全球未必同步。

  红土—古土壤序列作为地质史上温暖间冰期产物,储存着来自北半球高纬地带的气候信息,同时记录了来自低纬地区的季风变化历史,郭正堂团队有办法从中读取信号种种,给出合理解释;不仅早已着手在做,且不限于全新世,而是上推到中更新世80万年以来。这还只是时间方面,关键在于空间大跨度,将来自南半球的甲烷记录与太阳辐射和黄土等地质记录合并考量——该时距为南极冰芯记录上限,冰芯气泡中封印有古老空气,典型的“时间胶囊”,已被解读,可做比对。合并考量的结果是,首先发现了与全新世相似的甲烷变化信号,过去80万年里并不稀见,只不过以往的研究忽视了南半球热带季风湿地的贡献,其自然过程至少可以解释全新世70%以上的甲烷回返量,是导致反转的主导因素。此外,对中国、印度等早期农业起源地区考古资料的集成研究,也揭示出早期稻作农业的发展与5000年前甲烷浓度的回返在时间上具有一致性,最终说明的是,自然过程是主因。

  这一使用时间序列分析方法得出的结论中,还产生了一个认识上的飞跃:“两半球的冰期—间冰期旋回具有明显的相对独立性。”这是针对此前学术界关于南北半球气候在冰期—间冰期旋回演化关系方面,普遍秉持“协同演化”,即变冷变暖大致同步的观点而言。在时空大跨度的甲烷信号比较中,揭示出一个与当今全球同步变暖相反的例证——

  距今约50万年的间冰期,整个北半球显著增温4~6℃,季风同时加强,导致高纬湿地扩张,也增大了低纬湿地甲烷排放量。但是矛盾现象出现:地质记录中的大气甲烷浓度反而呈现低值,原因何在?

  疑问在北方,答案却在南方。查阅地质记录,显示同时段的南半球并未变暖,反倒是南极冰盖扩张,气温比之全新世低约4℃!南半球甲烷释放量减少正好抵消了北半球甲烷增量,进而对该时间尺度上甲烷浓度变化产生重要影响。文见《中国黄土与南极冰芯记录共同揭示深海氧同位素13阶段两半球气候具不对称响应》,郭正堂等,《过去气候变化》(ClimateofthePast,2009);另见《冰期—间冰期水循环、全球季风和大气甲烷变化》,郭正堂等,《气候动力学》(ClimateDynamics,2012)

  黄土这部天书告诉我们的已经够多,虽然只是地球秘密的一小部分,随着研究的深入,我们有理由期待它“让一切变为可能”。从已说明的问题看得出来,任何单一因素都不足以触发气候环境的巨大改观。这一规律同样适用于本节开头的纪录片解说词,强调喜马拉雅—青藏高原隆升的重要作用没错,需要补充的是,参与气候转型的尚有其他因素,海陆分布变化、全球冰量变化等等,同样来自黄土证据给出的动力学解释。

  2013年12月20日,郭正堂在青藏高原研究会学术年会上作专题报告,题目正是《青藏高原与轨道尺度的亚洲季风动力学》。算不上特邀,算得上青藏研究成员,早在十几年前就参与“973”青藏项目,与方小敏共同主持“青藏高原隆升过程及其对周边地区环境变化的影响”课题,通过秦安黄土将中国风尘堆积起始年代推往2000多万年前,恰恰是在本次课题进行期间完成——高而平地形上的风尘堆积与盆地间河湖相沉积相辅相成,象征着黄土研究、青藏研究历经多年的相向而行,最终集合在全球变化研究阵营中。

  不过此时的报告者身份有变,就在前一天,郭正堂刚刚入选中国科学院院士,是继同门师兄安芷生、丁仲礼、刘嘉麒之后的年轻院士,49岁。回想少年梦想,第一志愿是当医生悬壶济世,高考时填报了第二志愿的数学物理,被校方“调剂”到地质专业,还曾一度失落呢!不过按照传统智慧“天人合一”理念,做医生和做地质却有相通处:在西藏,以藏医为代表的认识论,视人体为小宇宙,自然为大宇宙,主张大小宇宙相和合,可保身心无恙,否则百病丛生。以此为喻,不做医生的郭正堂俯仰于天地乾坤,面向了自然大宇宙,从古土壤节律中问切地球脉动,运行方式,透视肌理,探察因果,以更大手笔书写地球故事,那是人类故事的开头。

  有一首歌仿佛为这位“黄土之子”也为所有的黄土黄河儿女而唱:“我家住在黄土高坡,大风从坡上刮过。不管是西北风还是东南风,不管是八百年还是一万年,都是我的歌……”