翻开黄土万卷书

在一般人的概念里，黄土高原是一个贫瘠的地方，物产匮乏，生活贫困，水土流失严重，更是黄河水患的根源。实际上，黄土结构松软，易于耕种，旱作农业很早就在那里发展起来，因而黄土高原也就成为中华民族的重要发祥地之一。在科学家的眼里，它更是大自然赠予中国的一个无与伦比的宝库，千万年来的风霜雨雪、暑去寒来，都尽数装在这由黄土构成的宝库之中。今天，我们只是掀开了它的一角，但其中的发现已经令我们激动不已。
　　
　　一本巨大的书
　　
　　地球上许多地质体都可“记录”地球演化的历史，但是能够长时间、连续、完整保存的并不多见。目前，人们发现有3种地质记录能完整地保存着第四纪古气候环境的历史，这就是深海沉积物、南极和格陵兰的冰芯以及中国的黄土，因此它们被称为地球环境历史的3本大书。世界各地的科学家们正在破解这3本由大自然用密码写就的“秘笈”，人们想知道在地球的漫长历史中发生了什么，更想知道今后还将发生什么。
　　20世纪初，最早通过对欧洲阿尔卑斯山冰川的研究，人们认为第四纪(距今约250万年)总共发生过4次冰期和3次间冰期，冰期相对寒冷，间冰期相对温暖。尽管后来的研究有些新的发现，但来自冰川的信息不够完整，结论各不相同，尤其是与深海沉积物研究得出的50余个冷暖周期相去甚远。
　　黄土高原位于北纬34° 41°之间，总面积约有50多万平方公里，黄河贯穿其中。近来对黄土的研究表明，黄土高原的形成可能与青藏高原的形成有关。由于青藏高原的迅速隆升，至少在2000万年前已经影响到印度洋暖湿气流的北移，这可能是导致亚洲内陆大范围干旱的主要原因。另外，青藏高原的迅速隆升加快了侵蚀风化的速度，在高原周围的低洼地区堆积了大量卵石、沙子和更细的颗粒。每当大风骤起，便在我国西部地区形成沙飞石走、尘土弥漫的景象。被卷起的沙和尘土依次沉降，颗粒细小的粉尘最后降落到黄土高原区域。从地图上我们大致可以看到，自西向东呈现戈壁—沙漠—黄土这样岩石颗粒逐渐变小的顺序，形成一条荒凉的地带。从学术的角度来看，青藏高原的隆升带来的干旱，使得黄土高原成为地球上惟一一本保存完好的陆相沉积而成的大书，这是大自然赠予中国的一个宝库。
　　与另外两本书比较起来，黄土高原地处人类活动的陆地，与人类的生存活动息息相关。由于地处内陆，生物、化学活动频繁，在黄土沉积之时以及沉积之后都可记录丰富的信息，所以黄土高原很自然地就成为吸引环境科学家的一个巨大的天然实验室。
　　
　　翻开大书的一角
　　
　　从黄土剖面上可以明显地看到，在每两层黄土中间都夹着一条红色的古土壤带。有时清晰，有时模糊难辨。当气候暖湿时，雨量相对较大，黄土堆积较少，生物繁衍较多，就形成褐红色的古土壤。当气候冷干时，雨量相对较少，黄土堆积较多，生物繁衍较少，就形成黄色的土壤。20世纪50年代，人们在研究加勒比海沉积时已经发现第四纪的气候变化似乎不像4次冰期那么简单，地球上冷暖交替还是很频繁的，但由于经典的第四纪4次冰期的理论根深蒂固，人们一时难以突破传统理论的樊篱。
　　也就从那时起，我国学者刘东生院士和他的同事们开始研究黄土的历史和环境，在有130多米的洛川黄土剖面发现了很多的古土壤，后来又在160多米厚的宝鸡黄土剖面，数出第四纪约250多万年的时间内至少有32次黄土与古土壤的叠覆(黄红交替)。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旋回性。通过与深海沉积对比，人们普遍接受了第四纪气候多旋回的理论。
　　
　　打开秘密之门的钥匙
　　
　　黄土这本大书是大自然用密码写成的，破译它要具备必要的手段。判断黄土层的年代有许多方法，碳14测年法是其中之一，不过碳14的半衰期只有5000多年，不能测定很老的样品，在黄土研究中仅能用于不超过三四万年的地层。
　　“热释光”和“光释光”技术在黄土中最多可以用于10万年以内的年代测定。矿物埋在地下，受到周围环境中的少量放射性物质释放出的射线轰击，积累辐射能，在受热或被光照时通过发光的形式释放出来。如果能知道这种辐射能积累的速度，测量矿物释放出的总能量，就能知道它产生的年代。
　　地球的磁极在过去发生过多次倒转，尽管现在看来没有一定的规律，但地质学家和地球物理学家已经通过火山岩的研究，对地磁倒转的历史有了很好的了解，建立了一个标准地磁年表，测量黄土层中磁性物质的剩余磁性，与标准地磁年表对比，就可以知道黄土层的年龄。
　　黄土里盛产蜗牛化石。蜗牛行动迟缓，一生也走不出去多远，在各层黄土中都曾生活着数量不等的不同种类的蜗牛。有些蜗牛喜欢温湿，有些喜欢冷干，有些喜欢温干，有些喜欢冷湿，等等。把黄土层里发现的各种蜗牛与现在生存于世界各地的同类蜗牛对比，通过同一土层中不同蜗牛所占比例就能推断古代气候环境。
　　古植物的孢子和花粉大量散布于黄土中，由于孢粉外壁坚固，富含大量的孢粉素和角质，尤其是孢粉素是一种复杂的碳、氢、氧化合物，化学稳定性很强，它能耐酸、碱，极难氧化，在高温下也难溶解，因此，无论它飘落到哪里，即使在地层中埋藏千万年也不会腐朽烂掉，而能保持外壁形态不变。根据各种植物孢粉在地层出现的规律，科学家们可以断定地质年代，研究古植被、古气候的特点。
　　从黄土颗粒的大小可以推测风力的大小。在相近的土层中，颗粒越大说明风力越大，风大才能搬运粗颗粒。在有些情况下，颗粒越大，说明沙漠离黄土高原更近了，沙漠的面积也更大了。
　　另外，还可利用测定磁化率、微量元素、放射性核素(如铍10)等多种手段来揭示古气候的某些特征。
　　
　　忽冷忽热的地球
　　
　　从地质记录的蛛丝马迹可以看出，地球上的气候在不同的时期很不相同。比如在2亿年前的侏罗纪和1亿年前的白垩纪，地球上平均温度较高，中亚一带气候温暖潮湿，各种植物生长繁茂，因此发育有大量的煤炭和石油。250万年前，地球气温开始下降，进入第四纪的大冰期时期(从地质历史上看，第四纪以前曾出现过两次大冰期)。在这次第四纪大冰期中，地球上反复出现冰期和间冰期，气温由暖到冷，冰川就长大，由冷变暖，冰川就退缩。目前我们正处在一次冰期后的间冰期。
　　最近的一次冰期始于8万年前，在1.8万年前达到顶峰，称为盛冰期。后来温度迅速回升，在大约1.2万年前冰期结束，进入到温暖的间冰期。这种气候的反复称作旋回，250万年间共发生过几十次，它们都被如实地记录在黄土这本大书中。
　　我们目前仍处在第四纪大规模的气候变化之中，250万年以来气温逐渐走低，何时到达低谷，目前还不得而知。在这个过程之中出现了以10万年为周期的大的旋回，最近一次土壤的形成在约l万年前开始的全新世。以10万年周期预测，目前虽在温暖期，但实际上正开始走向下一个盛冰期。在这个行程中，又会有2万年和4万年为周期的叠覆，情况十分复杂。现在北半球夏季远日，冬季近日，大约1万年后，就会变成冬季远日。简单按2万年周期算，目前是温暖时期。按照黄土揭示的4万年周期来看，参照地球的运动(目前北回归线正在南移，近几年内到达中点，接着继续向南移动)，上一次温暖期约在3万年前，目前正走向温暖。
　　决定地球气候的因素还有地球上大气的变化，生物对大气的构成也有较大影响。从总体上说，地球气候的冷暖变化控制着生物物种的繁衍和更替，但生物对气候会有反作用。例如，气候温暖时，植物会生长茂盛，消耗更多的二氧化碳，降低温室效应，气候变冷，最终达到一个平衡，所以说生物是构成地球环境的一部分。近百年来，人类活动对地球环境的影响加剧，主要表现在人类大量使用化石燃料，并且大量砍伐森林和破坏植被，致使温室气体(二氧化碳和甲烷等)快速增加，温室效应明显加大，这种情况下植物又会产生什么反作用也是值得注意的。尽管这种效应远比不上地球或太阳的微小“颤动”带来的变化，但判断近期气候走势时必须要考虑它的影响和植物的反作用。
　　综合这些因素，在10万年的尺度上，地球气候的总体趋势是慢慢趋向于寒冷，在几万年后达到下一个盛冰期，然后快速升温再达到下一个温暖期(间冰期)，在这之间还要发生数次反复。根据近几十年的观察，地球平均温度在升高，据资料分析，过去50年来升高了约0.3℃。有人认为近300年来温度是持续升高的，总计升高约1℃。升高趋势究竟能持续多少年，难以预料。
　　由于气候的变化，植被会随之进进退退，荒漠也是去去来来，黄土会告诉我们这些不太动人的故事。今天我们只是打开黄土这本大书的一角，这已经令我们激动不已，有一天我们将全部读懂它，我们会知道地球气候会如何发展，黄土高原会如何变化，到那时我们也许会更加明白如何才能与自然和谐地相处。
（作者：唐云江）