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那些气候、生活、文明的秘密,土壤能告诉你

2015-03-26
土壤观察
那些气候、生活、文明的秘密,土壤能告诉你
2015-03-25 查理思 吴克宁等 土壤观察

导 读

1986年,国际科学协会理事会设立国际地圈—生物圈计划(IGBP),意在更好地了解和确定全球变化过程。

该计划中重要的研究方法之一,即根据古土壤信息进行正确判断,以减少或避免正在发生的或预测将来发生的气候变化的副效应,同时监测土地利用变化。

目前,该计划已进入第二阶段,其中有关古土壤的研究成果日益丰富,主要集中在三大热点。


看土知气候

现代检测技术已能较好地从古土壤中提取古气候信息,并以此预测气候变化趋势。

目前,国际上多根据古土壤的磁化率、粒度、色度、地球化学以及孢粉和植硅体特征等了解古气候演变。

在我国,磁化率和粒度是运用得最多也最为成熟的技术方法。根据对洛川、西峰、宝鸡、吉县等地区剖面所做的土壤磁化率研究,可知在我国黄土地区,干冷气候期形成的黄土磁化率值低,温暖气候期形成的古土壤磁化率值高。

同时,土壤粒度也是记录东亚冬季风、夏季风演化历史的良好替代指标。一般来说,粗颗粒含量越多,则冬季风越强,气候干冷;反之,夏季风则越强,气候湿热。

国外发达国家则注重于从土壤发生学角度,还原成壤过程与气候变化之间的关系,构建如土壤厚度增加以及土壤矿物的形成与气候之间的模型。

德国专家曾选取不同气候条件区域,在确保植被、地形和母质等条件相同的情况下,进行土壤年代序列研究。

研究发现,在半干旱气候区,主要成土过程为含有碳酸盐的粉尘沉积。而在地中海气候区,主要成土过程包括碳酸盐的淋溶和一定深度的淀积、风化、黏粒的形成和迁移。

以上研究证明,根据不同气候条件下成壤速率、土壤理化性质以及功能与时间的响应关系,可以反向推导气候变化,进而探究其规律并预测未来气候。


看土知生活

现代检测技术能较好地从古土壤中提取考古信息,从而推断古人类活动,如用火、耕作情况。

土壤微形态、磁化率、地球化学元素以及孢粉和植硅体特征能有效记录古人类活动。

史前人类对火有着很强的依赖,生活中很多活动都需要用火,因此灰烬、灰堆或火塘是研究史前人类生活方式、社会结构与文化的重要依据。

然而,受到埋藏环境的影响,这些用火遗存常常被破坏,无法识别它们的所在位置、分布范围以及与其他遗物的关系。

此时,可结合土壤磁化率的方法。研究发现,火烧及其他人类活动产生的大量细颗粒磁性矿物,会导致土壤磁化率值高。

此外,磷元素被广泛用来反映人类活动。研究发现,文明起源时期的人类活动对古土壤化学性质产生了明显的影响,土壤中有机碳、全氮和有机磷质量分数明显增加。

除上述方法外,发达国家较多使用土壤微形态分析方法。土壤是由矿物质和有机物共同构成的,它的成分及分布状态受到物理、化学作用、生物因素及人类活动的干扰,可发生不同程度改变。

因此,土壤堆积物中可能会存留人类活动的证据,以很复杂和曲折的方式被记录下来。

尽管某些动物粪便、植硅石、灰烬,甚至动物碎骨或矿物颗粒等很难通过肉眼识别,但借助显微镜,我们可以比较清晰地观察、检验微观视野中的堆积和遗存,从而对遗址的形成与变化过程进行判断。

准确地揭示遗址上曾经发生的不同时期、不同尺度、不同类型的人类活动和对土地的利用方式或改造,比如用火、活动面的踩踏、清理、建筑、栽培作物、圈养家畜等。


看土知文明


土壤学家通过研究古土壤,既解译古气候,又提取古人类活动信息,从而定量分析两者间的关系。

过去全球变化(PAGES)是IGBP的核心计划,其主要任务是为过去全球的气候和环境变化提供定量化的解释。

而PAGES下一阶段研究焦点是评价气候变化和人类文明演变的关系。有关人类起源及其文明演变不仅是考古学家所专注的问题,也越来越吸引到其他学科专家的关注。

随着研究方法和科技手段的不断进步,学科融合和技术运用的可行性越来越大。

土壤学家通过对古土壤研究,既解译古气候,又提取古人类活动信息,能为分析两者间关系提供定量化科学依据。

目前国内主要研究方法为通过解译古土壤的理化性质及孢粉特征。如通过对湖北屈家岭遗址土壤中的孢粉分析,发现距今5400年~4200年间,遗址周边分布有常绿阔叶和落叶阔叶林,暖湿条件为屈家岭文化和石家河文化发展奠定了基础。

距今4200年~2200年间,莎草科和水蕨类孢粉的减少反映环境干旱化,导致文化走向衰落。

国外根据地貌以及气候特点,有针对性地选择适合研究技术方法。俄罗斯专家在奥卡河和莫斯科河流域挖掘了一系列土壤剖面,发现剖面中存在多个不连续的冲积层,在测年的基础上,可得出河水泛滥的时间和强度。

此外,发现一些剖面中存在文化层,涵盖青铜时期、中世纪时期,在孢粉分析的基础上,可得出人类活动对原始自然植物的影响。

特别是在建立年代序列的基础上,对于非人类活动干扰的土壤剖面,通过孢粉分析以及冲积层的定时定位,得出气候变化时间表。

与此同时,对含有文化层和文化遗址区内土壤剖面,根据孢粉结果以及有机质等土壤理化性质,得出古人类活动影响程度。

最终根据不同土壤剖面解读出来的流水、气候和古人类因素,综合还原该流域全新世以来文化演变过程。

从以上成果可以看出,古土壤在生态环境研究中的作用日益突出,这在一定程度上也促进了对古土壤的深入调查和探索。

这与新近出现的关键带(criticalhorizon)概念相关联,显示出土壤对生态系统的重要性。

来源:中国国土资源报 原题为“土壤,解译生态演变的样本——浅谈国际“地圈—生物圈”计划新探索”

作者:查理思 吴克宁 冯力威 王文静等单位分别为中国地质大学、国土资源部土地整治重点实验室

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