第3章 第1节 过去全球变化的重建

第三章全球变化研究的主要途径全球变化的重建。全球变化的动态监测。全球变化的模拟。以残存的过去全球变化的产物为依据，反推形成产物的环境状态，进一步推测其成因机制。利用各种观测手段，对正在进行的全球变化过程进行实时跟踪观测，从中找出变化的规律。从全球变化的过程与成因机制出发，根据对全球变化过程的认识，建立数学模式，利用模式从已知的环境过程出发，演绎可能的环境状态及其产物。当前全球变化研究包括三种途径：重建、动态监测与模拟构成了全球变化研究的三个基本途径，它们是互相参校补充的。正确的重建结果最终有可能通过模式来表达，模型的可靠性亦需要通过重建的结果来评估，监测的结果可以使人们了解正在进行的环境演变过程，加深对环境过程的认识，使模式更为合理，同时也可以为模拟提供参数值或为重建提供指标值。本章内容：第1节过去全球变化的重建第2节全球变化的动态监测第3节全球变化的模拟第一节过去全球变化的重建重建全球变化历史，了解包括演变过程、时空分布形式、变化的区域差异等方面的规律。通过过去发生过的全球变化现象，探讨和认识全球变化的成因机制。利用重建的结果验证模式的可靠性或为模式的建立提供参数。由历史演变规律推测未来环境或为预测未来环境提供历史相似型。重要意义科学的全球变化研究是从过去的全球变化研究开始的，其在全球变化研究的重要意义在于：1、基本假设重建过去的全球变化就象组装一个没有样图的并且部件已残缺不全的智力玩具，且其各个部件是由不同材料制成的。进行这样的组装工作，所能依靠的那些能够找到的不同部件，相当于重建过去全球变化的各种证据；对各部件的功能与可靠性进行鉴定，相当于对过去全球变化的证据进行标定与校核；最后，根据有限的可靠的零部件复原该“智力玩具”的全貌或主体结构，相当于对过去的全球变化进行整体复原或部分地复原。是全球变化研究的最基本原理。包括：①自然法则在任何时间和空间上的不变性；②如果所研究的结果能够用现代可观察的过程来解释，就不会有假设的未知过程。1）均一性假设。（1）是指环境过程与其产物之间的协调统一。（2）同一环境状态下所形成的不同类型的产物之间存在协同关系，可以彼此参校、替代，共同指示其生成环境。（3）地区之间的协同性。（4）时间上的协调性。2）协同性假设。根据部分可以反映整体的全息学基本观点，环境可以由其可识别的全息源来反映。不同类型的全息源可以互相替代，在某一空间点上获取的环境信息可以代表一定的空间范围，某一时段的环境状态可由在此时间区间内的环境信息来表征。3）全息假设简单化是一切科学共同遵循的原则，是科学的灵魂，以上三个基本假设就是简单化原理在全球变化研究中的具体化。在科学中选择简单化并不是由于它可能最正确，而是因为从科学的角度看，它在可供选择的途径中可能最优。三个假设告诉人们如何寻找识别环境演变的信息，如何从残缺不全的信息推断环境的含义，以及如何由已知的部分去解释、推测未知的部分。2、环境属性信息类型观测记录。指借助于各种观测技术手段所获得的环境信息，如地面观测的气象、水文记录，空间观测获得的各种遥感数据等。记录规范，精度高，但时间尺度短，世界最长的气象观测记录只有300余年，大多数地区不足百年，而卫星遥感数据最长只有二、三十年，还有许多观测项目只是刚刚开始。特点：考古和历史文献记载。古环境感应体。指由人类物质文化活动而形成的物质和文字的记录，如古人类的遗址和遗物，有关物候、灾异、耕作制度的文字记录等。指在过去某一时期形成并一直保存至今的各种自然体。它们本身就是当时的环境过程的产物，记录了当时的环境状况，如古沙丘、黄土与古土壤、冰芯、树木年轮等。优点：缺点：具有更长的时间覆盖范围，分布地区广泛，能够弥补观测记录过短的不足，揭示更长时间尺度的全球变化历史。记录不规范、连续性差、记录混杂在其它多种干扰因素之中等，需要经过提取、鉴别才能使用。优缺点考古和历史文献记载与古环境感应体合称代用资料。岩石（地层）不仅记录并保存了各种物理、化学和生物过程形成的沉积和地貌形态学信息，而且为一些生物学信息和人类文化信息提供了保存的场所；保存在冰雪圈中的冰芯记录了多种物理和化学过程；生物体在其生命活动过程中记录并保存了当时环境的信息；人类的考古遗址和历史记载也构成了十分有价值的过去全球变化的信息源。从这些信息源中可以提取出多种有价值的物理、化学、生物和人类文化信息。海洋沉积及深海沉积的氧同位素记录黄土与古土壤冰芯树木年轮3、代用资料1）海洋沉积及深海沉积的氧同位素记录大陆架是第四纪冰期—间冰期海面升降变化影响所及的地区，从浅海沉积物中不但能够获取海面变化、浅海地区的温度变化等信息，而且可以获取一定的有关陆地上的环境变化的信息。世界大洋彼此贯通，且沉积连续性好，用深海岩芯能够建立连续的、且能反映全球变化的时间序列。深海沉积中碎屑物质的含量及分布，能够获取有关大气环流状况、大气中尘埃物质含量等信息。海洋中浮游微体生物骨骼的富集在深海沉积过程中具主导地位，由有孔虫、放射虫等微体古生物的组合或特征种属的含量可以对古水温、古盐度等环境特征进行推断。利用有孔虫的碳酸盐介壳的18O/16O值能够定量地反映全球温度变化及冰量变化的特征。深海沉积氧同位素的变化变化原理在寒冷的冰期里，大陆冰盖扩展，大量的低18O含量的淡水被固定在冰盖中不再回归大洋，大洋中的18O含量显著增高，由于有孔虫介壳中的CO32-与大洋中的CO32-之间处在一定的平衡状态，因此介壳中的18O也相应地增高。另一方面，在有孔虫壳体的CO32-与周围海水中的氧同位素进行交换的过程中，18O进入到CO32-中的比重受温度的影响：水温升高，碳酸盐溶解度降低，浓集效应降低；水温降低，浓集效应增高。两种影响的效应是同向的，都是低温时18O/16O增大，根据δ18O值的变化，不但可以计算出有孔虫生存时期的温度，而且可以对全球冰量的变化进行推断。第四纪黄土沉积以黄土层和古土壤层交互沉积为特征，为风尘堆积作用和成土作用两种对立的过程彼此消长的结果。当风尘堆积作用大于成土作用时形成黄土层，反之，形成古土壤层。因此，黄土沉积与寒冷的冰期相对应，古土壤则对应于相对温暖的间冰期。根据黄土层的风化程度和古土壤层发育程度的差别，可进一步推断环境在不同时期的差别。黄土与古土壤层的交替变化是第四纪冰期—间冰期环境周期变化的反映，与深海氧同位素记录有良好的对应关系。2）黄土与古土壤粒度是用来反映黄土粗细程度的指标，粒度的大小差别反映了风力搬运强度的差别。同一黄土剖面中，古土壤层的粒度较黄土层细，这种纵向上的差别在不同地区可能有不同意义，在黄土高原的南部和东部主要反映风力强度（主要是冬季风）的变化，而在黄土高原的北部和西部则与作为物源区的沙漠的进退有密切关系。（1）黄土与古土壤中气候代用指标——粒度洛川晚更新世黄土剖面的气候变化记录（2）磁化率磁化率是物质被磁化难易程度的一种量度。Heller和刘东生认为，暖期的成土过程如脱钙、土壤压实作用可以引起顺磁颗粒的相对富集。Kukla等认为，黄土层中磁化率低是由于当时粉尘堆积快，古土壤中磁化率高则由粉尘堆积慢引起，等等。磁化率值的变化与气候变化尤其是降水量的变化有一定关系。黄土-古土壤序列中磁化率的变化被作为夏季风变化的指标，黄土层和古土壤层之间磁化率的差别反映了夏季风强度的差别。洛川晚更新世黄土剖面的气候变化记录剖面古土壤S的磁化率远远高于黄土层L，说明古土壤S堆积形成时期气候湿热，成壤作用强烈，长期风化淋溶使原有铁磁性矿物相对富集。黄土Ｌ堆积时期气候冷干，风尘堆积物受到次生改造很弱，磁化率很低。（3）CaCO3黄土中的CaCO3作为易溶盐类，在次生风化改造过程中变化非常明显，可以当作探索大气降水或湿润程度的指标。黄土中含有较高的CaCO3，因降水较少，CaCO3迁移微弱，故CaCO3含量就高，反映较冷干的气候；土壤层中，由于水分条件较好，溶解的次生CaCO3大量移出土层，致使古土壤层中CaCO3含量较低。洛川晚更新世黄土剖面的气候变化记录黄土中大量CaCO3的存在表明，它堆积形成于一种干旱少雨的荒漠、半荒漠环境；古土壤S中CaCO3几乎被淋失殆尽，表明它形成于湿润多雨的环境。（4）孢粉孢粉是孢子和花粉的统称，它们分别是孢子植物和种子植物的繁殖器官。除少部分实现其繁殖功能外，绝大多数降落到地面后被埋藏在沉积物中。由于大气的湍流作用，孢粉在到达地面之前充分混合，在一定的区域内形成相对均一的孢粉雨。因此，一个地区的孢粉雨的组成能够反映所在地区的植被组成，是所在地区植被的函数。许多孢粉具有耐氧化、耐高温、耐溶解的质地坚硬的外壁，因此能够在沉积地层中长期保存下来，特别是在沼泽、泥炭地、湖底等积水的非氧化环境下更易保存。每种植物的孢粉具有显著区别于其它植物孢粉的特征，借助于显微镜分析鉴定技术可以确定沉积物中各种化石孢粉的类型。根据孢粉的组成及其随时间的变化，可以推断植被在时间和空间上的演化过程及环境的变化，如云杉、冷杉的孢粉组合代表了寒温带针叶林环境等。新疆罗布泊4号钻孔岩芯花粉谱全新世始终是荒漠草原植被3）冰芯极地冰盖和中纬度高山冰川地区，冰雪终年不化，每年积累的雪最终转换成冰，形成一个年层。从这些地区取得的冰芯中获得的主要记录之一是氧同位素比率δ18O。冰面温度会影响冰晶生长，根据冰芯中冰晶生长的形态来推断温度的变化。冰川的净累积率可以作为降水量变化的指标；在由雪转换成冰的过程中包裹在冰中的气泡里，记录着气泡生成时的大气成分；冰芯中的化学成分和微粒含量，记录了过去大气气溶胶的状况，以及地球沙漠化和大气环流强度的状况；冰芯中保存的有机物质记录了当时的生物地球化学循环过程；冰芯中的火山灰和强酸信号则记录了火山活动的历史；冰芯中的10Be等放射性同位素含量的变化反映了宇宙射线强度、太阳活动和地磁场强度变化的历史。5）树木年轮树木年轮是树木形成层周期性生长的结果，在季节差异明显的地区，温暖或湿润的生长季树木生长快，细胞大而细胞壁薄，形成较宽的浅色早材；寒冷或干燥的季节树木生长缓慢，细胞小而细胞壁厚，形成较窄的暗色晚材；早材和晚材合起来为一个年轮。一般情况下，树木每年向外生长一个年轮。树木年轮可提供时间分辨率为年或季的全球变化信息，是重建几十到几百年尺度全球变化的最重要的信息源之一。在树木横断面上年轮的宽度可以反映树木生长量的状况。每年年轮宽度的大小，与树木的年龄、前期生长状况和环境等多方面因素密切相关。如在温度起主导作用的森林北界或山地森林上限地区，低温年份年轮窄，高温年份年轮宽；在水分条件为限制因素的干旱、半干旱地区，宽轮对应于多雨年，窄轮对应于少雨年。在树木年轮中的缺轮、伪轮等异常变异年轮，有时可以用来反映冻害、虫灾、火灾等异常环境事件。提取的相关信息：根据年轮中碳、氢、氧同位素比值的变化可以反映环境的变化，其中碳13C/12C比值（δ13C）的变化还能够用来反映大气中CO2含量的变化及其对树木肥化作用，以及环境污染状况。根据树木年轮中14C的变化，可以推断大气中14C浓度的变化，并进一步推断导致大气中14C浓度变化的太阳活动和宇宙射线变化的历史。根据树木年轮中化学元素含量的变化，可以反映环境中化学元素的变化，如环境污染等。6）考古和历史文献记录考古和历史文献记录包括考古遗址、遗物和遗迹等各种考古发掘物，以及官方史书、宫廷档案、地方志、农书、类书、宗教卷案、航海日记、私人日记、文学作品和艺术品等各种文献记载。人口和聚落，包括人口数量，人口密度，人口迁移，人的寿命，健康状况，聚落的位置、密度和兴衰变化等；土地利用和生产状况，如土地利用的方式、作物品种、熟制、种植区域界限、作物的产量等；生活方式和习俗，如居住方式、使用的生活器皿、饮食习惯、墓葬方式等；交通状况，如交通手段、通达方式等；社会经济状况，如粮价物价、贸易状况、社会动乱等；重大工程建设，如运河、灌渠、堤坝等；提取的相关信息：各种灾异，如旱涝疫饥等；艺术与文化现象，如绘画、建筑风格；历史上各种自然现象、物候的记载以及观测记录如雨雪分寸、水位观测等。通过系统地搜集整理这些考古和历史文献记载所记录的信息，可以从中提取十