无字之书 道尽沧桑

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（本文发表于2023年第1期）

> 风日晴和 信连勇 / 摄

作者简介

陈浩，助理研究员，主要从事湖泊沉积与气候变化以及历史人地关系研究。在国内外权威期刊发表学术论文20余篇，其中第一作者16篇（3篇SCI论文），发表《可可西里湖泊考察记——可可西里湖》等科普文章12篇，出版科考诗文集《人生写大湖：科考行记》。参与6项国家级和省部级课题，包括第二次青藏科考、科技部基础专项、中国科学院A类专项、国家自然科学基金，等等。常年在青藏高原科考，近五年野外考察累计406天。

2022年夏天，全球多地区开启“烘烤”模式。6月中旬到7月中旬，我国持续出现区域性高温天气，覆盖国土面积达502.1万平方千米，影响人口超过9亿人。这场高温天气的强度被称作是自1961年来最强，多个地区甚至出现了40℃以上的高温潮湿天气。伴随高温事件的是8月份全球性“干旱”状态，欧洲多瑙河、中国长江中下游等大型河流的水位回落超过历史记录，一些二战沉船、文物遗迹“重见天日”。为何如此燥热？大气环流异常、全球变暖等说法被提及。然而，地球历史的气候变化远比现在剧烈得多。君不见“胡天八月即飞雪”？沧海桑田变已多。埋藏的许多“无字之书”，可以解开气候变化之谜。

很多人好奇湖泊沉积物怎样反映气候变化，那些沉睡在湖底的泥巴或是已经接近岩石化的堆积物，如何保存了古气候变化的信息？

01

气候变化与自然遗迹

要讲清楚这个问题，先要明确什么是“气候变化”。气候变化是指一个地区多年平均气候状态的变化，而气候则是指一个地区大气的多年平均状况。主要的气候要素包括气温、降水、光照（太阳辐射）、相对湿度、气压及蒸发等，其中气温和降水是衡量气候状况的最基本要素。例如，根据水热组合状况，我国的气候类型从南到北大致分为热带季风气候、亚热带季风气候、温带季风气候、温带大陆性气候及高寒气候。单从降水多寡区分，有湿润/半湿润气候和半干旱/干旱气候之别，其分界线是800毫米等降水量线。

与天气不同，气候在一定时期内具有相对稳定性，当一个大气物理特征的长期平均状态发生了改变，也就意味着“气候变化”了。气候和气候变化都具有时间尺度。按照世界气象组织的规定，一个标准气候计算时间为30年。人们习惯上用冷、暖、干、湿来描述气候状态，也可以某一个时段（比如近几十年）的平均值作为参考，评判过去和未来的气候变化。

我们对气候变化的认识既来自对地球系统的概念性理解，也来自已经持续了百余年的气象观测。气候变化本身是每个人都能切身感受到的。在个人短暂生活经验中，我们至少可以对比一年中冬季和夏季气温差异、今年和去年炎热体验、冬天是否有更多降雪。这些都是直观感受。

> 西藏羊卓雍措田园湖光

从自然界中看到的许多遗迹大致推测出气候曾发生的变化，其实并不难。例如，监测到北极冰盖正在退缩，喜马拉雅南坡的冰舌在萎缩，关注气候变化的人就容易联想到气候变暖；渤海湾西岸存在的多条垄状贝壳堤，云南星云湖畔山丘顶上遗存的厚厚的螺壳堆，展示了沧海桑田的变迁。在青藏高原，不少湖泊岸边存在大片白色的干泥滩地，比如青海省的黑海湖（旅游者称其为西王母瑶池），或者有多条半弧形呈平行迭次分布的古湖岸线（称为阶地），如西藏的色林措周边、昂拉仁措周边，清楚地表明当地曾经有过很高的湖面。高湖面意味着当时的气候是湿润多雨。

> 西藏色林措湖岸（可见阶梯状地貌）

相比而言，通过实验得到的结果无非是一条条波动各异的数据曲线，而揭示的却是气候之冷暖与干湿的变化，这听起来十分神奇。其实，诸如冰川上获取的冰芯、海洋和湖泊沉积物、树木年轮（树芯）、黄土堆积物、洞穴中的石笋都是研究古气候的对象。它们都可以被形象地称为“无字之书”，自带密码锁。

在陆地上，湖泊沉积物常被第四纪工作者用来作为古环境研究材料，俗称岩心或湖芯。最近十几年以来，青藏高原的湖泊沉积物因为具有沉积连续、覆盖时间较长、人为干扰少、分辨率较高等特点，备受科学工作者青睐，成为重建区域古环境的重要研究资料。

02

环境代理指标

> 自在 信连勇 / 摄

湖泊沉积物要揭示古气候变化的关键在于气候与环境的“代理指标”。它们像一把打开无字之书的钥匙，提取不同的信息，解开大自然封存的诸多“秘密”。

按照古气候学家雷蒙德·S.布拉德利的建构，重建第四纪气候的方法包括沉积物等载体赋存的稳定同位素（如氧同位素δ18O）、痕量元素、孢粉（类型与丰度）、植物大化石、微体古生物（硅藻、介形类、摇蚊）、矿物，等等。它们大致可以归为三大类：物理性指标（如粒度和磁化率）、化学性指标（如元素、同位素、化合物和矿物）和生物性指标（如动植物残体）。这些环境代理指标可以从定性分析和定量分析两个方面进行信息读取，进而反映古水位、古水温、古盐度、古降水和古气温的变化。

> 星云湖螺蛳壳

但是，湖泊沉积物有时很难直接用来反映过去的气候变化。因为沉积物本身是气候变化和湖泊自身过程的综合产物，它既受到大尺度气候变化的影响，也受到区域地质和流域尺度因子的影响。湖泊沉积物提取的环境代理指标其实存在两条路径连接到古气候上，一条是直接反映，另一条是通过古湖沼的变化来间接揭示。这一整套方法和结果及其背后复杂的理论基础就是古气候研究。

要说明的是，古气候变化与现代仪器观测的气候变化是不同的，区别主要体现在时间尺度上。古气候研究是针对现代仪器测量记录以前的漫长时段，因为仪器测量记录时间跨度只是地球气候历史的很小一部分（小于千万分之一），而且还有必要辨析一下利用湖泊沉积物重建的“气候变化”与真实发生的气候变化，它们之间存在一些“信息差”。古气候重建依赖于那些能够突出记录气候变化的证据，如果气候随时间的变化对其中的环境系统没有什么影响，那么这种变化可能很少被记录。根据美国学者布莱·N.舒曼的理解，就是“无影响、无意义”。因此，实际发生的气候变化与通过媒介记录再解析的气候变化是有区别的，后者只是前者的一部分，不是全部。

03

沉积物解码过程

有了解锁过去气候密码的沉积物代理指标，还需要了解沉积物最基本的结构。根据已有的理论总结，从物质构成上看，湖泊沉积物包括碎屑沉积（泥沙）、化学沉积（如各种自生矿物）和生物沉积。从湖泊沉积物的产生过程看，它包括流域河流的搬运输入、湖浪侵蚀带入、降水和大气粉尘输入以及地下水和热泉输入。其中的非生物性物质主要是陆地来源和湖泊自生。湖泊沉积物具有物理特性（如颜色、质地、气味）、化学性质（元素富集、离子组合、同位素、矿物组合、氧化还原条件、pH值等）、生物特征（动植物残体、腐殖质、生物标志性大分子）。这么多复杂的成分聚合在一起，包含了丰富多样的气候和流域环境信息。

我们从最直接的感官认知（视觉、嗅觉甚至味觉），可以知道不同湖泊、不同阶段的沉积物会有不同的颜色和气味，可能对应了不同的沉积环境——有机质的多寡以及保存条件。

以最基本的物理指标——粒度为例，解释说明从沉积物到数据获取，再到推断出气候变化信息的过程。目前，国内外测试沉积物颗粒粒度的仪器主要是激光粒度分析仪，测量粒径范围为0.02 ~ 3500 微米。其测试原理就是利用了颗粒对激光产生散射的物理现象，根据散射光谱来分析颗粒大小。颗粒越大，产生的散射光散射角就越小，反之则越大，并且散射光的强度与该粒径颗粒的数量成正比。

> 湖泊沉积（环境指标）

与古环境（古湖沼、古气候）关系

理论上，只要测量的样品足够密集，年代足够精确，我们就可以获得时间分辨率非常高的柱状沉积物的粒度序列。不过受现实操作的约束，一般以1厘米作为采样间隔。这样的采样间隔在一根岩心的上下部代表的时间长短有差异，一般上部代表的时间更短，比如只有几年或十年际；而下部（比如5米以上的长岩心），由于压实作用，可能代表20年到近百年的量级。

因此，从实验获取的粒度数据在环境意义的解释上存在时间尺度上的差异。在湖泊水位相对稳定且以降水为主的条件下，短尺度上（如季节、年际、十年际），沉积物颗粒粗，说明地表径流大，反映当地降雨量大。这与现实经验相吻合。例如，一场暴雨后，可以看到河沟水位暴涨且河水浑浊。但是，在百年、千年尺度，湖泊水位存在较大波动的情况下，颗粒总体较粗时，对应着低水位；而在颗粒变得很细的阶段，则代表较高的水位。现实中，湖泊阶地的存在，本身就反映了湖泊水位的升降，时间间隔可能在几百年甚至几千年不等，这暗示了气候的干湿变化。

沉积物粒度元数据是不同粒级的百分数，可以根据粒径梯度进一步划分为不同组分，例如，黏粒（< 4 微米）、粉砂（4 ~ 63 微米）和砂质（> 63微米）。当粒径的平均结果显示很粗时，则对应的砂含量会比较高。如果进行更加细致的观察，对比直观的沉积物剖面和抽象的数据，会揭示出更多的信息。

例如，沉积物柱样，以灰青色层与黄褐色层为主，并交替出现，二者层理对比鲜明。它们反映了湖泊沉积环境的快速波动，水流动力并不稳定，粗细层交替，类似年纹层或季节纹层。并且，灰色沉积层实际上是粗砂—粉砂互层的沉积相，从颜色与观察到的粒度看，颜色越发亮（近青白色），整体颗粒越粗。

> 沉积物柱样泥质切块

（1厘米厚，混合一些植物残体）

除了通过柱状沉积物进行粒度测试来获取纵向粒度的波动曲线之外，我们还可以采集现代湖泊表层沉积物样品（2厘米厚），如果布局合理，可覆盖整个湖水区域，那么通过空间插值就可以得到一幅湖泊现代沉积粒度分布图。通过科学工作者的不断努力，大量的湖泊沉积数据得以展示。我们分析了大量的湖泊沉积数据，总结如云南的抚仙湖、青海的青海湖、西藏的普莫雍措等湖泊，可以发现一个表层沉积物粒度呈同心圆状分布的格局：越靠近湖中心，沉积物越细腻。不过，这种情形常受到入湖河流输入和沿岸湖流（湖泊中大致沿某一方向前进运动的水流）的影响，实际的粒度空间分布并不规则。

根据表层沉积物的粒度分布和湖岸边的各种来源物质的粒度特点，可以认识大风季节的风尘输入。换言之，沉积物中粒度还可以提取特定的组分来反映风尘的影响。例如，研究者根据青海省苏干湖的表层沉积物、大气降尘以及冬季湖冰裂隙捕获的碎屑颗粒物的粒度组成，判定该湖沉积物大于63 微米的粗粒组分主要来源于风力搬运，进而反映研究区沙尘暴事件的变化。这样就可以揭示过去1000年甚至更长时间内发生的沙尘暴事件。再结合其他指标，可以进一步深入探讨沙尘暴事件与气候冷暖之间的关系。

当然，湖泊沉积物所能提供的环境信息和相关指标很多，在理想情况下，这些指标应该被整合在一起来分析和推定过去的气候与环境变化。就像侦探破案，寻找蛛丝马迹。科学工作者就是要通过各种指标来分析各自提供的局部信息，进而获得尽可能全面的认识。每一个指标，都有一定的价值，但相对也可能是片面的，犹如盲人摸象，管窥蠡测。

> 枯木入清漪 信连勇 / 摄

我们对获得的沉积物岩心进行综合分析，例如，化学上的碳酸盐氧同位素指标，可以反映湖水相对于径流输入或大气降水的蒸发浓缩情况；生物指标中孢粉组合可以直接反映当时的植被类型，通过相关的数学公式，可半定量估算过去的降水量及其变化；微体生物化石如介形类化石，可以揭示水深的相对变化，有些介形虫喜欢深水，有些喜欢浅水。

从反映的气候变化结果看，有定性和定量的区别。人们希望用数值反映古降水和古气温的变化，从而可以建立横向比较的标准，因此寻找更加确定的指标—环境要素的函数关系是科学界持续努力方向之一。

尽管如此，对沉积物从颜色、气味、质地、沉积相到指标数据的综合评估，仍然是湖泊沉积工作者遵循的基本工作方法。诸如平均粒度和总有机碳这类常规指标仍然不可或缺，二者的组合可以粗略地反映湖泊水位和气候冷暖干湿变化。比如，长江源区的湖泊在一万年前的晚冰期，呈现出粒度很粗而有机质很少的组合状态。粉砂含量高，常常又与冰川活动相关。冰川活动强的时期，沉积物中具有极高的粉砂沉积（可高达80%）。

04

无字湖泊 道尽沧桑

> 水利万物 信连勇 / 摄

在万年至十万年尺度的地质历史中，气候变化总体上决定了湖泊变化的过程，是扩大还是萎缩，是朝着淡水湖还是朝着盐湖演替。在没有人类干扰的前提下，一般的湖泊生命史是从产生到发展、萎缩和消亡或者重生的一个全过程。然而，在有人类干扰的条件下，在千年尺度的历史时期，湖泊可能会加速消亡。我国华北平原在秦汉时期曾经分布着众多湖泊，如大野泽、巨鹿泽等；到唐宋以后，随着土地开垦力度增大，这些湖泊最终消亡。这也是亚洲季风区的平原湖泊和内陆干旱、半干旱区湖泊演化的重要区别，前者更多受到人类活动的影响，消亡者众，同时也产生一些新湖泊（如京杭运河沿线的苏北湖泊群）。内陆地区以中亚的咸海为例，在人类开发和气候变化双重影响下，它已经严重萎缩。

这些都是正在发生的湖泊故事，对应着我们正在经历的气候变化和环境变迁。这些湖底沉积物就像刻录机一般，正记录着外界施加的重要影响。等待千百年后，人们再次“钻探”挖掘，解读今天的“我们”和我们所处的“气候状态”。

这，就是湖泊沉积物——一本揭示古气候变化的无字之书。

作者： 陈 浩

编辑： 张佳楠

排版： 何陈临秋

审核： 刁淑娟

官网： http://kpwhbjb.cgl.org.cn

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