中国黄土古气候空间格局研究的新进展

中国黄土古气候空间格局研究的新进展

根据黄土沉积研究的第四纪时期，仍然有30年的历史，取得了许多奇迹[1、2、3、4、5、6、7、8、9、10]。最近几年来,古气候研究的深入主要表现在三个大的方面:(1)从低分辨率古气候演化历史深入到高分辨率古气候事件的研究;(2)从恢复第四纪古气候振荡历史深入到古气候演化型式的研究;(3)从古气候演化的时间系列深入到对特定时期古气候空间格局的研究。本文简要介绍上述三个方面的一些研究进展。一、土壤层中气候波动的识别在时间系列上,研究古气候事件的分辨率高低的基础是地层工作的详尽程度。在本世纪60年代,根据地层中的生物遗迹,中国黄土沉积被划分为午城黄土、离石黄土和马兰黄土。当时,由于缺乏可靠的年龄数据,古气候事件研究的分辨率大致在数十万年这个数量级。70年代中至80年代初,由于古地磁测年技术的应用,黄土的沉积时代有了可靠的年龄控制。同时,根据岩石地层学及沉积学的概念,认识到每个黄土层和古土壤层均独立地代表了一次特殊的气候事件。因此,以洛川黄土剖面为基础,对离石黄土的黄土-古土壤系列进行了详细的划分。从时间系列上分析,这样的地层工作已达到了0.1Ma左右的分辨率。但是,由于洛川剖面午城黄土中的古土壤层不很清晰,野外地层工作的详细程度也不及离石黄土,重建整个第四纪时期的古气候历史尚需做进一步的工作。最近几年来,黄土高原土壤地层学的研究逐步深入,并在南部的关中盆地中发现了三个从上到下古土壤层都很清楚的黄土剖面。关中盆地的黄土剖面有一个其他地区的黄土剖面所不具备的特点,即许多厚层黄土中夹有一个或多个微弱发育的“土壤层”,这些“土壤层”的发育程度比典型的暖期形成的古土壤及全新世地表土壤要弱得多,但它们同上下的黄土物质在颜色、结构及其他性状上有明显的差异,并且同上下黄土层之间往往具有清晰的物理界线。因此,我们认为这些弱发育的土壤层代表了冷期时气候相对温湿的时期。另外,通过土壤学的研究,可以发现许多古土壤具有多元发生的特征,并且一些古土壤层是由多个土壤层“熔合”而成的。由此可以得出结论,无论是暖期还是冷期,往往有气候的次一级波动存在。在黄土地层中,识别这些次一级的气候波动为在时间系列上建立高分辨率的气候地层奠定了基础。关中盆地完整的黄土地层可以宝鸡剖面为代表(图1)。在进行土壤地层划分时,我们参考《北美地层规范》,将黄土中的土壤地层单位定义为:一个土壤地层单位是指由一个或多个土壤发生层所组成的、其发育程度同当地的全新世土壤相当或更高的、能指示当时地带性气候条件的、在空间上能追索的三维岩石体。这个定义强调了识别土壤地层单位时的对比性,即只有那些发育强度同当地全新世土壤相当或更高的埋藏古土壤才具备作为一独立土壤地层单位的条件。由于次一级发育的土壤之存在,有的研究者可能将它们划分为单独的一个土壤地层单位,有的则可能将它们归并在黄土母质层中,从而导致土壤的原始定义上纠缠不清。我们将全新世土壤规定为划分土壤地层单位的参照物,其主要理由是:全新世是一个暖期,更新世众多暖期的气候条件大都同全新世相当或更为适宜,因此这些暖期形成的土壤可同全新世土壤比较。至于一些弱发育的土壤,它们形成于大的冷期中短暂的相对温湿期,而这样的时期无论是时间跨度抑或气候适宜程度,均不可能与典型的暖期相比较,所以不具备作为独立的土壤地层单位的条件。土壤地层单位的上界定在土壤体的物理顶面,土壤地层单位的下界定在下伏黄土母质层的物理底面。根据这样的定义,宝鸡剖面可划分出37个土壤地层单位,它们分别代表了2.5Ma以来37次大的气候冷暖振荡。对于冷期中次一级气候波动的识别,主要基于野外研究,即根据颜色、质地和结构等特征之不同,对各个黄土层进行野外划分。在此基础上,我们用野外磁化率仪以10cm间隔,对整个剖面进行了磁化率测量。野外划分与磁化率值的变化具有很好的相关性。如图2所示,土壤层S0、S1和S2-1具有磁化率高值,黄土层L1和L2为磁化率低值,而黄土层L1和L2中皆含有几个弱发育的土壤层(显著风化黄土),如L1中的C2和C3,L2中的C3和C5,它们亦具有磁化率的相对高值。磁化率测量证明了野外划分的可靠性。根据上述工作,我们在宝鸡剖面中共划分出37个气候旋回,这37个气候旋回由74个气候阶段组成,74个气候阶段可进一步划分成110个次级阶段。将土壤地层学的概念与一些地球化学、地球物理学的方法相结合得到的气候地层系列,在时间上已达到万年左右的分辨率。二、古代气候的发展第四纪时期古气候演化的总体特征是频繁的振荡。研究古气候振荡方式涉及到周期、振幅、趋势及转换等问题。(一)气候振幅总体较小,但在总体上缺乏能在本系列介绍的第一篇中,我们曾指出:根据黄土-古土壤组合及古地磁年龄控制,2.5Ma以来,古气候振荡的周期性是时间的函数。大约从2.5MaB.P.到1.5MaB.P.,气候振荡以0.1Ma为主要周期,且这个时期气候的冷暖振幅变异很大;从1.5MaB.P.到0.8MaB.P.,气候振荡周期以40000a为主,除个别振荡外,气候振幅总体上较小;从0.8MaB.P.至今,气候振荡周期又以0.1Ma为主,同时亦有少量40000a和20000a左右的周期,总的说来,这个时期的气候振幅很大。现在的问题是,到底是什么样的机制造成了周期长、振幅大,周期短、振幅小这一突出的现象?黄土高原所记录的气候波动是在全球气候振荡的大背景下发生演化的。在第四纪气候冷暖旋回中,我们认为存在着一种全球性的能量反馈机制,而这种能量反馈过程的特点及强度受气候振荡周期长短的制约。冷期到来时,全球海面下降,极地冰盖及山岳冰川增厚扩大,引起中、高纬度地区植被覆盖率降低,地面反射率增高,从而导致气候进一步变冷。气候的进一步变冷加剧了上述过程的进一步发展,促使气候带进一步南移。暖期来临时,大陆冰量减少,海面升高,中、高纬度植被覆盖率增高,地面反射率降低。这些过程反馈给大气系统,可促使气候进一步变暖,同时引起气候带的北推。可见,这些能量反馈过程的强度是随时间而变化的。在长周期的气候振荡中,无论是冷期还是暖期,持续的时间都相应增长,因而使气候的振幅增大。在短周期的气候振荡中,由于冷期和暖期的持续时间都较短,能量反馈作用得不到充分发展,从而振幅较小。(二)气象变化的区域差异有关第四纪时期中国北方气候的演化趋势,中国第四纪学界一个较为普遍的观点是:第四纪气候在振荡的同时具有越来越干旱的总体趋势,并将这种干旱化的趋势归因于青藏高原的不断隆起。当我们考察了黄土地层中各个时期古土壤和黄土的层数及厚度、古土壤的相对发育强度、黄土物质的相对风化程度以及气候的周期和振幅等问题后,认为第四纪时期中国北方的气候演化在总体上越来越干旱这样的表述是不甚全面的。评价气候的演化趋势需要将暖期的气候演化趋势与冷期的气候演化趋势分开单独考虑。在2.5Ma至今的37个大的暖期中,早期和晚期的各个暖期气候比中期的暖期气候要温湿一些,而在37个冷期中,中期的气候状况要比早期和晚期温湿一些。这个现象的出现主要受控于全球气候振荡的周期性,并不决定于青藏高原的隆起。青藏高原隆起对黄土高原的气候演化的影响是存在的,但情况可能比以前所认识的要复杂一些。当我们比较2.5—1.5MaB.P.与0.8MaB.P.至今这两个时期的气候波动时,可以发现:第一个时期以0.1Ma为周期的气候振幅比起第二个时期要小一些,尤其是第一个时期中冷期堆积的黄土,其风化程度相对较强,厚度较薄,颗粒组成较细;而这两个时期的暖期中形成的古土壤,相互间差异不是太大。因此,青藏高原的隆升对黄土高原的气候的影响似乎在冷期较为突出,在某种程度上,它使冷期的气候变得更为干旱,但对暖期气候的演化趋势并没有明显的作用。我们认为,第四纪时期黄土高原气候演化趋势的第一个特征是早期和晚期的气候振荡幅度大,中期的气候振荡幅度小;第二个特征是冷期的气候有变干的趋势。这种气候演化趋势的主导因素是气候振荡的周期性,青藏高原隆起的影响要相对小一些。(三)暖期向冷期转换的机理冷期向暖期、暖期向冷期的转换特征是值得注意的问题。在黄土沉积中,冷期向暖期转换时的气候信息很难明确地提取出来,因为冷期末期堆积的一部分黄土往往被暖期的成土作用所改变。但是我们注意到一个现象,即冷期堆积的黄土层的上部往往粒度组成较粗、风化程度较低,同上覆土壤层反差很大。结合深海及其他沉积物的记录,可以认为冷期向暖期的气候转变具有一定的突变性。暖期向冷期转换时期的黄土记录有两种方式。一为在暖期形成的土壤顶部发育有一个成土强度较弱的过渡型土壤,其顶面同上覆黄土逐渐过渡;二为古土壤的顶部受到了剥蚀,土壤的B层直接同上覆黄土接触。前一种现象常见于关中盆地的离石黄土,后者见于整个黄土高原,尤其是在午城黄土。暖期向冷期转换时,水热条件虽然明显变差,但比冷期的主体阶段要温湿一些,此时黄土有一定量的堆积,在边堆积边成土的过程中,可形成弱发育的过渡性土壤。另外,水热条件变差的一个直接后果是建群植物的大量死亡,所以在新的植被尚未建立,水分条件相对较好的情况下,地表流水可将暖期形成的土壤表层冲刷掉。总的说来,暖期向冷期的转换具渐变性,这种渐变的原因可能同海洋有关,海洋巨大的热容量可减缓气温降低的速率。三、暖期时间气象环境格局的变化研究第四纪时期特定的冷期和暖期的古气候空间格局,是深入理解冷期和暖期中大气环流特征、植被演替型式、气候带移动幅度等问题的关键所在。过去,黄土高原的古气候研究多集中于时间系列上,而对空间格局的综合研究工作仅仅处于开始阶段。根据野外观察和室内微形态研究,黄土高原暖期形成的古土壤和冷期堆积的黄土的性状在空间上皆具有地带性分布的特征。冷期时,整个黄土高原以干冷气候为特征,但区域性差异很明显。六盘山以西的陇西高原,黄土堆积巨厚,黄土风化很微弱,基本上保存了沉积时的原始结构。陕北黄土高原的黄土层具有一定程度的风化作用,且生物作用造成的虫孔、根孔较为丰富。关中盆地的大部分黄土层都受到了较为强烈的风化作用,一些黄土层的原生碳酸盐含量已很低,它们具有弱发育到中等发育的核粒状结构,并且有机质的累积作用在剖面上部的一些黄土层,如马兰黄土中亦很明显。根据初步研究我们认为,黄土高原在冷期时的空间环境格局是:陇西高原为荒漠草原环境,陕北黄土高原为干旱草原环境,关中盆地为草原环境。晚期形成的古土壤性状在空间上的分异比黄土层更为明显。陇西高原的古土壤所受到的化学风化作用不强,表现为古土壤结构性差或基本上无结构,土壤剖面的分异不明显。从成土过程判断,陇西高原的古土壤只经历了可溶盐的淋溶和有机质的积累过程。陕北黄土高原的古土壤以碳酸盐的淋溶淀积为主要特征。与当地的全新世土壤比较,古土壤的发育程度要高一些。譬如,洛川剖面中的古土壤都具有一个成层良好的钙质淀积层,而洛川的全新世土壤,只有很少量的小个钙质结核沉淀。从洛川地区的现代成土过程分析,目前的气候条件已不可能在全新世土壤底部淀积钙结核。因为在全新世土壤的中部,大量的白色碳酸盐淀积在虫孔和根孔中,从剖面形态分析,这些虫孔和根孔形成于人类活动之前,当人类活动破坏了当地的原始植被后,心土层中的这些孔隙便被保存下来。因此这些孔隙中的碳酸钙新生体在时代上比较年轻,基本上可以代表现代成土过程的产物。而土壤底部所见到的小个钙结核,大致可以认为形成于全新世的适宜期。陕北黄土高原的古土壤大部分属于褐土类,尤其需要指出的是,在沙漠与黄土交界的榆林地区,一些强发育的古土壤如S4、S5,亦具有分异十分明显的褐土型古土壤剖面。这些现象表明,在更新世的大部分暖期中,陕北黄土高原的气候要比全新世适宜一些。关中盆地的古土壤以粘粒的机械淋溶和淀积为主要成土过程,因此大部分古土壤具有发育良好的粘淀B层(Bt)。粘粒的机械移动是暖温带和北亚热带森林土壤所常见的成土过程。而关中盆地的全新世土壤,除宝鸡的S0具有中等发育的Bt层外,在其他地区粘粒的机械移动并不明显。由于关中盆地地处亚热带与暖温带的过渡区域,第四纪暖期时形成的许多土壤都带有亚热带土壤的色彩。总之,暖期时陇西高原以典型草原环境为主,陕北黄土高原以森林草原环境为主,关中盆地以森林环境为主。更新世暖期的气候,总体上要比现在温湿,尤其是一些特别温湿时期,如S4、S5、S26和S32等,这些土壤发育时,关中盆地的热量条件似乎已达到长江流域一带,尽管降水条件略为不及。从黄土和古土壤性质的空间配置分析,冷期和暖期时气候带的移动幅度是相当大的,但气候带的移动并不是简单地以现代模式为基础的南北推移。重建第四纪典型增温期的空间气候环境格局,对目前国际上正在展开的全球变化研究具有重要的意义。全球变化研究十分关心在温室效应的持续影响下,未来增温时期的地球表面环境会出现什么样的改变。但是,准确回答这个问题还是比较困难,因为国际上还没有一个可综合评