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黄土与环境

时间:2007-4-21栏目:农学论文

  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”。2002年3月18日北京就出现过一次特大沙尘暴。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0.01~0.05mm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”,根据孙继敏和张明银的研究,自1966年到1999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。中国大陆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34°~35°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(Bread  Basket)”。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(Homoerectus  lantianensis)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

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