探尋湖沼裡的風塵往事

作者：老莊 文章來源於：中國科學院地球環境所

2001年，時年83歲的劉東生院士在《第四紀研究》上撰文指出，既然在太平洋的深海沉積中都可追溯到到來自亞洲內陸的風塵信息，為什麼離風塵源區更近的我國湖泊沉積中卻沒有關於風塵堆積的報導？劉先生之問，為開啟利用黃土以外的地質載體研究風塵變化指明了方向。

那一年，我恰好從西北大學獲得碩士學位。因錯過了當年秋季入學的博士生考試，我和孫千裡、吳楓、鄭豔紅一起參加了中國科學院地球環境研究所翌年春季入學的博士生考試。在正式被錄取為博士研究生之前，我在周衛健研究員的課題組以項目聘用人員的身份從事放射性碳測年樣品的制靶工作。

2002年3月我正式跟隨周衛健研究員攻讀博士學位。周老師建議我開展一些泥炭記錄的全新世氣候變化研究。這個題目對我來說是一個巨大的挑戰，因為我在西北大學跟隨薛祥煦教授從事地層古生物學方面的研究，主要是通過地貌學、地層學和古生物學來釐定大荔人出土層位的年代和當時的環境。新舊兩個研究方向無論是研究對象還是研究的時間尺度都存在巨大差異，我必須從最基本的知識入手，開始新的研究工作。

第一次到野外開展溼地考察和泥炭樣品採集是在2002年夏天。和我一同前往採樣的除了師弟鮮鋒和實驗員靖偉外，還有與周老師合作開展泥炭研究的瑞典哥德堡大學Lars G Franzen教授。事實上在開展這次野外採樣前，周老師派遣宋少華、鮮鋒、吳楓、餘華貴等到該地區開展過前期踏勘，規劃了幾個可能的採樣地點。他們先赴成都，到中科院成都山地災害與環境研究所拜會了張信寶研究員。張老師就是那位在汶川地震後因堅持就地重建和某大牌記者怒懟的學者，曾被稱為「最牛教授」。他常年在西部從事山地災害研究，掌握大量第一手資料。張老師給了他們很多建議和具體指導。我因兼任黃土與第四紀地質國家重點實驗室學術秘書，恰有管理事務需處理，未能參加那次野外踏勘。

前期踏勘小分隊在野外有許多值得記錄的故事，一路的顛簸，高原上野外工作的艱辛就不再一一贅述。

多年後大家仍在津津樂道的卻是那一次邂逅。

那是高原上雨過天晴的一個午後，考察隊員們研究地形圖後決定去花湖溼地進行踏勘。途中，他們向一個在公交站亭等車的藏族女孩問路，姑娘彬彬有禮地給他們指了正確的道路。大概是雨後的草原格外清爽，也許是藏族姑娘清純秀麗的氣質給考察隊員們留下了好感，不免額外攀談了許多。

閒談間了解到女孩叫雪蓮，是一位正在大學讀書的學生。分別後，考察隊員們對雪蓮姑娘仍念念不忘，以至於他們將花湖附近的一處備用採樣點命名為「雪蓮灣」。多年以後，考察隊員提起這件往事，還是掩飾不住內心的興奮。美好事物往往不能太長久，這次邂逅也成為考察隊員心裡一個美麗的遺憾，從那以後他們再也沒有遇到過雪蓮姑娘。

我也沒有遇到過雪蓮姑娘，很難想像雪蓮的樣子，只好從連環畫中截取了一個圖片，我想這個形象一定和他們遇到的有很大差別。

這一次野外採樣是我第一次攀上3500米以上的高原。

七月的若爾蓋草原，天藍草碧，水清氣爽，景色美的讓人心顫。

潔白的雲朵下面，一群群犛牛點綴在起伏和緩的綠油油的山坡上，宛如碧玉上點染了些許煙黛。日暮時分，彎彎曲曲的黑河靜靜地繞著地勢形成的月亮灣流淌，在落日餘暉下，像一條匍匐的巨蟒閃耀著金色麟光。馬背上淳樸的藏民，揮舞著牧鞭在大草原上躍馬歌唱。黑色藏包裡升起的嫋嫋炊煙，伴隨著陣陣青稞酥油茶的香氣，讓人置身美景的同時也深深感受到濃鬱的煙火氣息。

欣賞美景但需忍受因海拔超過3500米給人帶來的輕微高原反應，稍有運動便會喘粗氣，晚上睡覺也會有隱隱的頭痛。採樣工作卻進行的非常順利，為我開展博士階段的研究工作奠定了基礎。此後，我多次來此地採樣和野外考察，對紅原-若爾蓋地區的溼地沉積有著深刻的印象。

鑽取樣品到大概4米的時候，有一層泥沙含量較高的薄層。Lars用手指摳取一塊放入嘴中，品嘗半天后神秘的告訴我，這一層可能是8.2千年那次冷事件的沉積物，並示意我也嘗嘗。剛剛鑽取的泥炭巖心呈黃褐色，是腐草和泥的混合物，與牛糞無異，而且我對北歐人這種用嘴鑑別沉積物性質的做法很不能接受，便沒有品嘗。不過，事後的測年結果卻印證Lars關於冷事件的判斷，由此，我也對Lars的野外能力由嗤笑轉為佩服，儘管我到現在也沒搞明白用牙齒判斷沉積物性質的訣竅在哪兒。

樣品有了

從其中提取什麼信息，怎樣提取信息

就是擺在我面前的一個課題

最初，周老師希望我開展一些碳氧同位素方面的研究，並把我送到貴陽地球化學研究所洪業湯先生的實驗室學習從泥炭中提取纖維素的實驗技術。在洪先生指導下，我在他的實驗室學會了從植物中提取α纖維素的實驗流程，並製備了一些纖維素樣品。在貴陽學習期間我了解到，洪業湯先生已經在若爾蓋地區、東北地區用泥炭纖維素的碳同位素研究氣候變化，他的學生徐海博士也開展了用泥炭纖維素氧同位素重建溫度變化的研究。我認為在同一個地區再開展相同工作的意義不大，只好從一些前人尚未注意到或是尚未開展研究的方面去尋求突破。

文獻調研中，我發現泥炭腐殖化度（Humification）在歐洲泥炭研究中是一個非常有用的指標，但在國內泥炭研究中尚未被報導。腐殖化度是反映在一定水熱條件下微生物對泥炭分解程度的指標，因微生物活動強度較高的時候主要在夏季，故可以用作指示夏季風強度的指標。我決定嘗試使用腐殖化度這個指標對若爾蓋泥炭進行研究。按照Blackford & Chambers（1993）測量鹼提取液吸光度的方法，我完成了若爾蓋泥炭的腐殖化度測量。在測量腐殖化度之前，我先測量了樣品的灰度值，發現灰度數據和鹼提取液吸光度之間存在一定相關性。我猜測，雖然兩種測量方法不同，但兩個指標可能都可以表示泥炭被微生物分解的程度。

通過仔細研究泥炭灰度和鹼提取液吸光度的賦色原理，我們提出將泥炭灰度值作為表徵腐殖化度的一種簡便方法。較之鹼提取液吸光度測量，灰度測量就簡單的多了。正當我為發現這一現象而興奮的時候，洪業湯先生的學生王華在《科學通報》發表了若爾蓋地區泥炭腐殖化度記錄夏季風變化的文章。王華在洪先生指導下利用泥炭腐殖化度開展的夏季風研究是國內第一次將腐殖化度指標用於泥炭研究中。我意識到，純粹利用腐殖化度去研究這一地區的氣候變化似乎很難通過博士學位答辯。我還得再尋找不同的研究角度。

紅原泥炭灰度和腐殖化度序列

劉東生先生關於湖泊中風塵記錄的發問啟發了我，聯想起Lars在野外通過泥沙含量來判斷一次冷事件，我猜想可能與風塵輸入有關係。該地區的溼地環境，主要靠降水維繫，卻沒有河流匯入，那麼泥炭沉積中的無機組分應該主要是塵降積累形成的。這一邏輯就為在泥炭沉積中開展風塵記錄研究奠定了基礎。

如何表徵泥炭中的無機組分呢？

Lars教授是專門從事泥炭研究的學者，他在哥德堡大學測量了同一剖面的泥炭灰分。因為是合作研究，兩個課題組有著數據共享的約定。當周老師將Lars測量的灰分數據發給我，我意識到，這不就是泥炭沉積中的無機組分嘛！儘管燃燒得到的灰分中有一部分是植物灰燼，但比起風塵輸入來，這一部分非常少，因此可以將泥炭灰分作為指示粉塵輸入多少的指標。因為粉塵輸入主要取決於粉塵源區乾燥度和風力強弱，所以這裡的泥炭灰分可以用來指示冬季風強度。

有了指示夏季風強度變化的腐殖化度指標，也有了指示冬季風強度變化的灰分指標，我就可以討論這個地區冬夏季風變化的歷史了，這在同一個泥炭剖面中還是首次。在周老師指導下，我在2004年夏天準備了一篇文章投給了《中國科學 D輯》，因編輯部人員調換，文章在編輯部耽擱了較長一段時間，但最後審稿意見還是回來了。審稿人認為用灰分指示冬季風變化比較新穎，但是缺少一些證據來證明灰分就是風塵輸入的，因為此前大家都認為湖沼堆積是一種水成沉積，與風塵聯繫不起來。

為了提供若爾蓋泥炭灰分主要是風塵堆積的證據，我隨機選取一些泥炭樣品開展了灰分的粒度分析。沉積物粒度特徵是表徵其沉積環境的主要證據之一。在國外，沉積學家通過大量不同沉積環境下沉積物的粒度分析，總結了不同沉積物的粒度特徵，並歸納出一個判別沉積相的經驗公式。這一方法在國內石油地質研究中被廣泛使用（成都地質學院陝北隊，1976）。鹿化煜教授最早將這一方法用於判定黃土高原紅粘土的沉積動力，並取得成功。我在碩士階段也借鑑了鹿化煜教授的方法，對大荔人遺址剖面黃土-古土壤序列底部的幾個水平互層開展過判定。所以當審稿人要求提供證據的時候，我自然想到了這一方法。

幸運的是，粒度分析和沉積相判斷的結果和我們預期的一致，支持了我們對泥炭灰分主要來自風塵堆積的猜測。於是，《中國科學 D輯》的文章得以順利刊出。弋雙文和王先彥在粒度測量中給與了幫助，王蘇民研究員在這篇論文的修訂過程中也給與了很多指導和幫助。

紅原泥炭粒度分布和沉積相判別參數顯示其中含有風塵組分（於學峰等2006，沉積學報）

若爾蓋泥炭記錄的冬夏季風變化歷史（於學峰等2006，中國科學 D輯）

盧演儔教授在國內較早針對黃土沉積物開展了基於掃描電鏡的顆粒物表面形態研究，為判斷黃土物質來源提供了一個方面的證據。

我們猜想，如果泥炭沉積中含有風塵物質，那麼顆粒物表面形態也應該有較為典型的風塵物質的顆粒物表面形態特徵。在西北大學弓虎軍博士的幫助下，我對紅原泥炭顆粒物的表面形態進行了電鏡觀察。結果發現其中有些石英顆粒確實具有諸如貝殼斷口、蝶形坑以及毛玻璃麻點等風成堆積特徵。通過請教盧演儔教授，泥炭顆粒物表面形態特徵確實可以進一步提供若爾蓋泥炭地接受風塵堆積的證據。

紅原泥炭顆粒物表面形態（於學峰，劉釗，2010，地球環境學報）

泥炭地中含有風塵來源的組分，不僅為重建冬季風變化歷史奠定了基礎，而且為開展過去大氣化學變化歷史重建奠定了基礎。

2004年夏天，我在中國科學院東北地理與農業生態研究所王國平研究員的實驗室開展了元素測試。在分析元素測試結果的時候，我遇到了一個困惑：大部分元素與灰分變化規律一致，但是有幾個元素（如鉛、鋅等）在某些時段出現數量級上的突然增大，而且與其他元素變化規律呈相反的趨勢。這種現象似乎很難用自然的沉積過程去解釋。

在文獻調研過程中，我讀到了南京大學水濤教授關於甘青地區青銅時代考古的論文集。我驚奇地發現，甘青地區青銅時代（包括新石器時代晚期）幾期人類文化與鉛鋅元素的異常變化在時間上非常吻合。考慮到這些古文化發展地區與若爾蓋地區距離很近，且若爾蓋正好處於甘青地區的下風區，我們猜測，若爾蓋泥炭沉積可能記錄了甘青地區人類活動的信息。將水濤教授整理的甘青地區不同文化期墓葬出土人口數量和泥炭鉛鋅元素異常進行對比後，我更加確信若爾蓋地區泥炭記錄了過去人類活動的某些信息。

若爾蓋盛行風向及上風區的文化序列（於學峰等 2006，第四紀研究）

既然有些元素能夠忠實的記錄氣候變化，而有些元素則受人類活動影響，那麼就可以用元素數據討論氣候變化和人類活動之間的關係。我嘗試對元素數據中包含的自然環境變化信息和人類活動信息進行了分離，結果發現人類活動較強的時期恰是冬季風較弱的時期，說明過去人類文明的發展受自然環境的影響較強，優越的自然環境有利於甘青地區青銅文化的發展，不利的自然環境也會限制人類文明的發展。

泥炭剖面中的鉛鋅異常與上風區古人類活動強度對比（a為四期文化類型出土人口數量，b 為分離後的鋅元素自然變化，c為分離後的鉛元素自然變化，d為分離後的人為影響的鋅元素變化，e為分離後人為影響的鉛元素變化，f為甘青地區新石器時代晚期以來主要文化序列。該圖收錄於安芷生院士編著的專著：An Zhisheng, 2014, Late Cenozoic Climate Change in Asia: Loess, Monsoon and Monsoon-arid Environment）

儘管簡單使用泥炭灰分就可以定性地指示冬季風強度變化，但要準確描述風塵輸入的多少，則需要粉塵通量這個指標。要計算剖面上的粉塵通量，往往需要計算沉積速率和沉積物的體積。沉積速率倒是容易計算，只需有年代標尺和深度就可以了。為了測量沉積物體積，我買了一些打孔器，先將鑽孔巖心按照每釐米分樣，烘乾後用打孔器在分好的樣品上鑽取一個柱體。因為柱體的底面積已知，只需用卡尺精確測量柱體高度即可算出體積。用這種方法，我重新測量了若爾蓋泥炭的灰分，並計算了粉塵通量。

用於鑽取泥炭樣品的打孔器

當把粉塵通量和腐殖化度一起比較時，可以發現二者在千年尺度上變化模態並非完全一致，而是以大約6ka為界出現了轉折：6ka之前二者在千年尺度上呈反相位變化，而在6ka之後二者在千年尺度上則呈同相位變化。為了解釋這一變化的原因，我嘗試對太陽輻射曲線進行求導計算，發現太陽輻射曲線的導數在6ka前後達到最大。因為曲線導數的數學意義代表了曲線的變化速率，我們猜測，也許是太陽輻射的變化速率引起了冬夏季風變化模態的變化。我一直希望通過數值模擬去證實或證偽我的猜想，但是由於對數值模擬一竅不通，這個願望一直被懸在了那裡，沒有任何進展。

太陽輻射變率對冬夏季風的可能影響（Yu et al., 2011 The Holocene）

儘管我在博士論文研究過程中證實了若爾蓋泥炭中含有風塵組分，開展了該地區冬夏季風變化歷史研究，也進行了大氣化學變化歷史重建，甚至將元素異常與上風區人類活動進行了對比，但我兼職從事國家重點實驗室管理工作確實佔用了大量時間。導師周衛健研究員對畢業論文的要求又非常高，她擔心我的博士論文太單薄，便將她在華南地區的大湖泥炭剖面實驗室數據，以及陝北的糜地灣剖面數據給了我，讓我再增加一些對比研究。

我在對比華南和陝北兩個剖面數據時發現，兩個沉積剖面都是由泥炭和其他沉積相交互構成的。沉積相變化代表了水文變化，而泥炭堆積則代表了碳積累狀況。

我在博士論文中提出了一個基於植物生理的水文與碳積累概念模型。在水分正限制區，水分增加會促進植物生長，進而增加碳積累，而在水分負限制區，水分增加會抑制植物生長，從而降低碳積累。根據這一模型，我們利用沉積相重建了兩個地區水文變化，並討論了碳積累與水文變化的關係。

基於植物生理的水文與碳積累概念模型（Yu et al., 2020）

我在攻讀博士階段不僅得到了導師周衛健院士的悉心指導，也得到了多位宗師級人物和眾多同學的幫助。那些年，那些人，那些事和那份情，值得我永遠銘記。

我堅持不走別人已經踩過的路，不斷調整自己的研究內容，既豐富了自己的知識面，也最終走出了自己的道路。博士階段的研究內容和後來補充的部分數據，一共發表了9篇論文，最近這篇討論水文和碳積累的文章，算是博士階段研究內容挖掘寫作的最後一篇文章。

回首過往，可以說我人生的每一個重要階段都有貴人相助，何其幸哉！

部分圖片來自網絡

文中涉及的文獻資料

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