地图与遥感_自然环境给人的影响_环境演变研究

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环境演变研究

环境演变研究的一般原理与依据

一、发展过程与一般原理


　　地理学是时空耦合的科学，不仅研究地域的空间差异，同时也研究环境 随时间演变的过程，即环境演变。
　　我国古代学者很早就对环境的变迁有所认识。东晋葛洪（公元 284—364 年）在《神仙传》中写道，麻姑曾见“东海三为桑田”。虽是神活，却是最 早见诸文字记载的朴素的海陆变迁思想。以后，唐代颜真卿（公元 709—784 年）、宋代沈括（1031—1095 年）等都曾以山顶、山崖中所见的螺蚌壳为证 据，阐述了海陆变迁的观念。
　　科学的环境演变研究的发展，是与地质学和自然地理学的发展过程一致 的。
　　17 世纪，西方一些科学家根据岩层中的化石，对古地理环境之不同于今 日，开始作了一些推测，并试图对环境演变的原因作出解释。18 世纪后期， 苏格兰地质学家赫顿（J．Hutton，1726—1797）在他晚年的名著《Theory of Earth》中提出了均变论的思想；其后，英国地质学家莱伊尔（C．Lyell，1797
—1875）在 1838 年出版的经典著作《地质学原理》（Principles of Geology）
中，发展了这一思想，并提出了均变论学说，成为后来研究古地理环境的指 导原则。莱伊尔在重建欧洲第三纪古地理环境方面也作出了杰出的贡献，并 探索自然环境演变的原因，声称根据海陆分布和洋流的变化，他“可以作出 树蕨能生长在极地而云杉能生长在赤道的拼合”。
19 世纪初期，冰期学说得到承认之后，人们对第四纪环境演变有了比较
深刻的认识。由于力图恢复冰期环境及探索冰期-间冰期轮回的规律和原因， 环境演变研究得到了比较全面的发展。德国科学家彭克（A．Penk）与勃鲁克 纳（E．Brückner）对阿尔卑斯山冰川沉积的研究和对第四纪冰期的划分
（1909），南斯拉夫数学家米兰科维奇（M．Milankovitch）对冰期-间冰期
变化的天文成因的解释（1920）等，特别对古气候学的兴起起了巨大促进作 用。在此时期，奥地利科学家魏格纳（A．L．Wegener）从地球物理学、地质 学、生物学、古气候学、大地测量学等多方面汇集了大量古地理变迁材料， 提出大陆漂移学说（1922），这对以后的环境演变研究具有深远影响。
环境演变研究取得长足进展是在 20 世纪 40 年代以后，导致进展的原因
在于需要与可能两方面得到了结合：一是多方面与环境有关的社会问题的出 现，使人们急于了解过去的环境演变规律，希望能藉以预见未来环境演化的 趋势，从而拟订对策；二是技术方面的进步为研究工作的开展提供了手段， 使研究者能取得比较准确的依据。古地磁测量，利用放射性同位素测定绝对 年龄，深海岩芯和两极冰盖采样的氧同位素分析，航天技术的发展使能对月 岩作直接分析以及通过对火星、金星等的探测作比较行星地质学的研究等， 都对研究环境演变起了重大促进作用。60 年代后期，英、美、法等国科学家 提出的海底扩张、板块构造理论，使大陆漂移学说在沉寂 30 年后，以全新的 面貌再现，比较完整地解释了全球岩石圈的发展规律。探索冰期成因的米兰 科维奇理论，也在深海沉积分析、巴巴多斯岛（Barbados Island）珊瑚礁年 龄测定等多项新发现的事实面前反复接受了考验，只是离答案的获得还存在 着距离。以更新世和全新世古环境演变为中心的区域环境演变研究，则正在

得到各国地学界的普遍重视，因为研究成果对了解未来环境会有更直接的意 义。
　　进入 80 年代以来，需要与可能进一步结合。一方面，人口的增长、技术 的进步，使得人类能够在全球范围内改造环境，并且可以在一个人的一生中 看到环境的变化，环境问题已从局地的、地区性的问题发展为全球性的问题， 而为世界各国的科学家和政府首脑所重视。另一方面，生态学、大气科学、 地球物理学等学科领域有了长足的进步，积累了丰富的背景材料；计算机、 卫星、化学分析测试等分析监测手段进一步完善；系统科学的方法正在各个 领域得到广泛的应用。以人类生存环境为核心的全球变化研究已成为众多学 科领域共同关心的问题。全球变化研究的目标是了解调节地球独特生命环境 的相互作用的物理、化学和生物过程，了解这个系统中正在出现的变化，解 释和了解人类活动对它们的影响方式。
　　自然地理学的各个分支和地质学的各个分支，如地貌学、气候学、地层 学、沉积学、古生物学、古生态学等，都与环境演变研究有密切关系。大陆 漂移与地壳升降运动对环境的演变具有极其重要的意义。讨论长时间尺度的 环境演变，特别是讨论地表早期的情况时，大气圈和水圈的形成和演化，生 物的起源和进化，以及在演化过程中自然地理各圈带之间的相互作用，都是 十分重要的问题，这就涉及地球的全部演变进化史，甚至涉及地球的起源而 与天文学发生联系。
地质学科的基本理论——将今论古，也是研究环境演变的基本理论依
据。按照这一理论，假定现代所存在的自然地理过程，在过去的时期里都同 样存在、同样地在进行，因而可以利用现代的自然地理过程和自然地理原理
——例如地带性和非地带性原理，推论和复原过去的自然环境，即“现在是
了解过去的钥匙”。 但是事实上，随着地球表面各圈带的进化，自然地理过程是不可能不起
变化的。例如，当生物圈还处在原始阶段的时候，当大气圈的组分还不同于
今日，特别是氧和二氧化碳的含量大异于今日的时候，生物过程、风化过程 和土壤形成过程等绝不可能完全相同于现代，因而将今论古在环境复原方面 的运用既是必须的，又有一定限制。对于物理的、机械的过程，适用的时间 范围大一些，对于化学的、特别是生物的过程，适用的时间范围不能过于扩 展。事实上，自然地理范畴的环境演变研究，至今主要针对着新生代时期， 也即现代自然地理过程大体上都适应的时期。
环境演变的研究需要考虑时间尺度问题，即一幅环境复原图所表现的自
然地理现象所覆盖的时期长度的问题。各个自然地理要素发展与演变的时间 尺度有很大差别：大陆漂移、海底扩张引起的海陆分布变化，造山运动引起
的地形起伏变化，在时间尺度小于 105 年级的古地理图上一般是难以显现出 来的；但大陆冰盖的伸展与退缩，海岸线的进与退，在 103 年级的时间尺度 上就会有明显表现；而水系、植被等要素，甚至在 102 年级时间尺度上就能
有所变化。即使是同一个自然地理要素，本身也存在着多种时间尺度的变化，
例如，气候要素就可以区分出从 10 年至 109 年多种时间尺度的变化。因而， 复原不同的自然地理现象，必须根据要求选择恰当的时间间距，所选择的时 间间距必须小于该特定现象的变化率，成果才会有意义。例如，在洲一级的 空间尺度上重建更新世时期的古环境，覆盖的时间应在不超过 104 年的时间 尺度上，因为已经知道，至少在近 70 万年来，冰期与间冰期以 10 万年左右

的时间作准周期变化，一幅覆盖时间超过 105 年的更新世古环境图使冰期与 间冰期、甚至前一冰期与后一冰期的各种现象相互重叠不能辨认而失去意 义；而当重建全新世间冰期期间的环境变化时，对间尺度更应选取在不超过
103 年的等级上。

二、环境演变研究的依据


　　重建过去的环境是环境演变研究的最重要的内容之一，其实质是以有关 过去环境的“记录”为依据对过去的环境进行复原。作为环境演变研究的依 据一般需要具备以下几个基本条件：第一，具有可识别性，即它是一种物理 的、化学的、生物的、文字的或图象的等可识别的信号；第二，具有可标定 性，即它的环境意义可以根据现代地理过程进行标定；第三，具有可保存性， 即在它生成后能一直保存到现在，并且其属性未受到后期的影响与改变；第 四，具有一定的分辨率，它在一定的时间与空间尺度上能反映出环境变化。 根据来源的不同，环境演变证据可分为观测资料、作为人类物质文化过 程的产物的考古与历史文献资料，以及作为自然过程产物的古环境感应体； 后两者又称为代用资料。下面对环境演变研究中所主要采用的几类依据加以
说明。

1．岩石、地层学的依据


岩石、地层学方面的资料是复原古环境的主要依据之一。 各种类型岩石的生成与分布，都有各自的地理环境意义。岩浆活动强烈
的地区通常都是地壳遭受应力的部分，分析地质历史上某一时期的变质岩和
岩浆岩的分布，从地壳动力作用方面为恢复该时期的古环境奠定了基础，有 助于识别古造山带、火山岛弧及地震带等。古山脉带的判断在重建古环境方 面的意义是十分明显的：山地上升区和盆地下降区，前者遭受剥蚀，后者接 受沉积，承受了完全不同的自然过程；高大的山脉经常又是重要的地理分界 线。大陆漂移、海底扩张理论的建立，使岩浆岩与变质岩的生成和分布所包 含的信息，在恢复古海陆分布与变迁方面具有重要的意义。
根据沉积岩的颜色、矿物成分、粒度、磨圆度和分选程度，结合其中所
含有的化石，可以复原当时的沉积环境。 首先是区别海洋环境和大陆环境。判断海洋环境最可靠的标志是沉积物
中只存在海生生物化石而不存在淡水生物与半咸水生物化石。根据沉积物和 化石的性质，可进一步区别海洋环境中的超深海带、深海带、半深海带和浅 海带，以及当时海水的温度、含盐度、清澈度、氧的含量等环境条件。深水、 冷水不利于碳酸钙的沉淀，因而厚层石灰岩的形成意味着浅海暖水环境；石 灰岩中的鲕状构造也是浅海环境的标志，因为是在浅水带缓和的波浪作用下 的产物。
　　沿大陆斜坡快速流动的浊流所造成的分选极差的浊积岩的存在，是大陆 坡半深海带的标志；而缺少碳酸钙沉积物则表示水深已在碳酸盐补偿带以 下，一般已超过 3000 米的深度。深洋盆地中的沉积物以放射虫等硅质浮游生 物遗体组成的软泥、大洋水体中的浮悬物质沉淀而成的红色或褐色软泥为标 志；在深海带和超深海带中，由于阳光难以透射，生物化石极少见，超深海
　　
的海沟区内的沉积物只是少量来自深海沟边缘岛弧的浊积岩。 由于潮汐作用，海面高度经常发生变化，因而在海洋环境与大陆环境之
间存在一个复杂的过渡地带，宽度从数米到数公里不等，包括浅滩、潟湖、 河湾等多种自然地理环境，都可以从不同的沉积物质和沉积构造特征加以识 别。
　　陆上沉积物分别形成于河流、湖泊、沼泽、风沙及冰川等，根据沉积类 型可以分别恢复各种陆上自然环境。
　　在陆相沉积物中，冰碛物及相应的冰蚀痕迹、第四纪黄土堆积、红层、 古沙丘与蒸发岩等，对恢复古地理环境具有特殊的重要意义。
　　冰川是寒冷气候环境的产物，现代冰川约覆盖着全球陆地面积的 10％， 除少数高山冰川外，主要是高纬度地区的大陆冰川。通过对冰碛物、冰川纹 泥、羊背石、冰擦痕等的研究，可以恢复古冰川的分布范围及其消长过程。 更新世气候最寒冷时期，冰川的覆盖面积约为现代冰川面积的三倍；最温暖 时期，覆盖面积略小于现代。就整个地质时期而论，出现冰川覆盖只是极为 短暂的“插曲”。更新世时期冰川的出现及多次扩展与退缩，标志着中、高 纬度地区冰期气候的降临及冰期—间冰期的多次交替，以及古地理环境的反 复递变。
第四纪黄土在欧洲、北美主要分布在冰川外缘，黄土沉积表明当地在该
时期属于寒冷苔原性质的“冰缘”环境。中国的黄土主要分布在干旱荒漠区 的外缘，表明黄土沉积时期当地属于干寒草原环境。随着冰期、间冰期的交 替，黄土的沉积率有明显变化。间冰期气候转暖，黄土沉积率低，在有利的 生物—气候条件下，黄土表层发育了土壤层，欧洲、美洲、亚洲的黄土沉积 剖面中都夹有多层古土壤，这是冰期气候多次为较温暧的间冰期气候所中断 的明证。黄土沉积及其中所含有的生物化石以及反复出现的古土壤层，是追 溯、重建陆上中纬度地区环境演变过程的重要信息来源。
红层是沉积物中不稳定元素与易溶矿物大多淋失而高价氧化铁、氧化铝
得以残存的产物，形成于化学风化强烈的暖热气候下，它是暖热而又有明显 干湿季节差别的环境条件的标志。
广泛的古沙丘以及短暂片状洪流搬运所形成的洪积扇群，通常反映了沉
积时期的环境属于干旱环境。根据沙丘的排列格局和交错层的倾向，甚至可 以推断当时的盛行风向。
蒸发岩由石盐、石膏、钾盐等组成。大型的蒸发岩沉积主要形成于大型
封闭盆地内，大多属于浅水环境，而且当地的蒸发量必须大于降雨量和河流 淡水注入量，因而也是干旱气候环境的标志。沉积剖面中多层蒸发岩的出现 则是意味着干、湿环境的多次交替。
　　在复原古大陆纬度位置的基础上，判别各沉积类型，根据它们的环境意 义和分布规律，有可能重建该时期全球的古自然地理带、古气候带（图 1）。

2．生物、生态学的依据


　　重建古地理环境，更重要的资料来自生物化石。每种类型的自然地理环 境中都生活着特别适应此类环境的动物和植物，根据与该化石种有亲密关系 的现代种对环境条件的要求，可以推断当时的古环境。
化石造礁珊瑚的存在不仅表明属于浅海环境，而且一般可认为是热带环

境，因为现代造礁珊瑚的生存范围主要是在南、北纬 30°之间，要求最低月 平均温度不低于 21℃，只有个别种例外。现代棕榈在北半球的分布范围以北
纬 35—36°为最远的北界，基本上属于热带、亚热带植物；第三纪时期它在 北半球的分布范围要广阔得多，表明当时热带、亚热带所跨纬度比现在宽广。 在不列颠群岛，现代矮桦（Betulanana）生存环境的最高温度不超过 22℃， 八瓣仙女木不超过 23℃，它们在第四纪冰期时于中欧平原的出现，表明当时 该地曾经是寒冷无树苔原环境。


　　对种类繁多的水生软体动物进行统计分析，除了可以推断古温度，还能 鉴定当时它所在的水体是淡水还是盐水、是静水还是流水环境。
　　生物的某些生态特征往往也具有环境意义，可以作为重建环境的依据。 例如，树叶有滴雨尖是热带雨林的特征；披毛犀的长毛意味着气候寒冷。一 般说来，同一种属的哺乳动物个体，有向两极寒冷环境而增大的趋势；第三 纪以来，哺乳动物个体的逐渐增大，至少部分地也可以从气候在逐渐变冷得 到解释。与此相反，冷血动物的个体有向赤道湿热环境而增大的趋势，最大 的甲虫、蚱蜢、多足类动物等，都出现在热带和亚热带。
　　动植物的繁茂程度都与地理条件适宜与否密切相关，所以，厚层的煤层 沉积，一般都标志着有利植被生长的温暖润湿环境。动植物的种属都有向湿 热气候而多样化的趋势，老第三纪时地中海地区的珊瑚达 62 属而现代大西洋
仅 26 属，种属的减少是环境变化的结果。
　　如果生物体内的细胞结构得以在化石中保存下来，就有可能进一步得到 古环境的有关细节。例如，根据木本植物株干中的年轮现象可以推断当时的 温度季节变化和降水季节变化；年轮现象不明显，可能表明生长地当时是全 年高温多雨的环境；特殊的年轮现象有可能标志着异常气候的出现，等等。 在古地理环境重建中运用生物信息的一个最根本的限制是不能机械地按 现代种属的环境要求来解释过去的生物地理现象，因为生物在进化，生物有 逐渐改变自己对环境适应程度的能力。对猛犸象分布环境的错误解释是一个 典型的例子；由于最初把它认为是与现代象一样的喜暖动物，西伯利亚的“猛 犸象时期”曾被误认为是一个温暖时期。石炭纪成煤植物缺乏年轮，曾被认 为是气候缺乏年内季节变化因而属于热带环境的证据，这一论断之所以不能 无保留地接受，就是由于没有考虑到植物本身的进化因素。因此，特别是在 重建距今久远的古地理环境时，选择进化慢的生物为标志，得到的结论可靠
性较大。
　　一般说来，根据动物群或植物群来推断古气候、古环境，要比以个别种 为依据更为可靠。地球上，北起苔原、温带草原和森林，以至热带荒漠和赤 道雨林，都具有各自特有的动物群和植物群。
　　60 年代末期以来，研究昆虫以恢复短时间尺度环境变化的工作得到很大 重视。例如，在第四纪最后冰期期间，也曾出现过短暂的温和时期，植物群 落的演替对短暂的、百年级以下的环境变化事件往往来不及反映，但敏感的 昆虫却能以它们的出现和消失，将此类变化如实地记录下来，而且许多鞘翅 目、双翅目昆虫的形态与组合自第四纪后半期以来都很少变化，适宜于按照 它们对现代环境的要求来作出推断。
　　利用微体古生物所提供的信息以恢复古地理环境的工作近年来得到极大 的发展，而且随着鉴定、分析手段与方法的进步，展示着广阔的前景。
　　

沉积物中植物孢子花粉组合的分析，对于重建古植被群从而恢复古气
候、古地理环境所取得的成就，至今仍是其他方面的工作所不能比拟的。得 到世界承认、通用于全球的最后冰期以来气候变迁期的划分，就是以不列颠 群岛及中欧、北欧孢粉分析为基础而建立的（图 2）。欧洲冰期、间冰期自 然地带的变化图式也是建立在孢粉分析的基础上的（图 3）。与枝、叶、花 果等植物残体相比较，植物的孢子、花粉具有容易保存下来的优点，因为数 量大，外壁为高强度纤维素组成，耐酸、碱，耐高温甚至可达 300℃，耐高 压虽长期埋存在地下仍可不遭破坏。但不同植物，每个植株所产孢粉的数量 差异极大，所产孢粉传播可及的范围差别也很大，如机械地对待统计数字， 容易造成错误的判断。由于不易遭受破坏，孢粉的再沉积也往往造成混淆现 象，为恢复植被群落带来困难。当然，最大的困难还在于如何将古孢粉组合 与现代植物群挂钩，从而能根据现代植物群的环境要求恢复古环境，时代愈 远，困难愈大。


　　水生微体古生物的主要研究对象是有孔虫、介形类等。根据它们对盐度 的适应情况，可以鉴定所生存的环境是海洋、盐湖或是淡水河湖；根据它们 对温度的适应情况，可以鉴定所生存的环境是冷水或是温水，从而推断气候。 底栖有孔虫随着水深的变化而具有不同的种属组合，因而又能藉以鉴定当时 的水深。以沉积物中微体化石群的组合特征与现代海洋环境中的微体生物群 相对比，可以有效地分辨深海、浅海、海湾、潟湖、河口等不同类型的古环 境。根据微体化石群鉴定沿海地区海、陆相层的交替规律，对第四纪以来海 侵、海退过程的研究取得了很大成就，肯定了全球性海侵、海退与间冰期— 冰期的暖、冷气候交替的相对应。第四纪深海沉积物中冷水性、暖水性微体 化石群分布范围的南北推移和交替过程的研究，对于恢复全球第四纪古气候 提供了重要依据，它们的扩展、收缩规律，与极地大陆冰盖的伸缩以及全球 自然地带的南北推移，都是息息相关的（图 4）。
生物地理除了反映有机体按照各自对环境的适应沿着生态界线分布以
外，还反映了高山、大海、荒漠等生物难以穿越的自然阻障的存在：阻障两 侧的动植物群存在巨大的差异。根据青藏高原与以南地区生物群发生分异的 时间和过程，根据秦岭南北生物地理差异出现的时间和过程，推论喜马拉雅 山脉、秦岭隆起的时间和上升速率，对于重建我国第三纪以来古环境演变过 程，是非常有意义的工作。
　　在证实大陆漂移理论和各大陆之间“陆桥”的存在和断绝的过程方面， 生物地理、特别是脊椎动物的分布特征，起了重要作用。澳大利亚动物区系 的特殊性，表明它与其他大陆分离较早，，形成独立封闭的进化环境。第三纪 早期沟通南、北美洲的巴拿马地峡在第三纪中期一度沉降中断，因为在随后
的 4000 万年里，南美洲的陆上哺乳动物孤立发展，出现了若干平行于世界其 他地区的类型；至第三纪末期，陆桥重又建立，因为动物化石类表明两洲的 动物群又相互迁入对方。更新世时期，北美西北与亚洲东北部曾以通过现代 白令海峡的陆桥数度相连的事实，也是通过脊椎动物的迁移，包括早期人类 的迁入北美而揭露出来的。
　　树木年轮分析在近一二十年中发展极为迅速，目前在除了南极洲以外的 各个大洲上均开展了树木年轮的研究工作。树木年轮的宽度可用来代表树木
　　
生长量，它明显地受到环境因素的制约，每年年轮宽度的变化即可定量地反 映对树木生长限制作用最大的因素的变化信息。如在高纬度或高寒山区森林 的边缘，树木年轮的变化主要反映温度的变化；在干旱、半干旱地区或干湿 季节变化明显的地区，年轮宽度的变化主要反映降水的变化。其时间分辨可 达到年甚至季度。一般的树龄为几十年或数百年，利用交叉定年技术，可以 把取自古建筑、古棺木、家具、埋藏古木等的考古年轮资料与现代年轮资料 衔接起来，从而延长环境演变序列，在有些地区，年轮序列已延长到数千年。



3．地球化学的依据


　　沉积物与化石的化学性质有可能记录了古气温、降水量、水体的盐度等 环境要素，因而地球化学与化学地理资料也是古环境重建的信息来源。为高 价氧化铁所染色的红色砂、页岩，具有指示高温、低纬的古地理意义；经受 强烈化学风化和淋溶作用，以残积物性质留存下来的铁矾土，是热带多雨气 候的标志。
　　许多痕量元素有明显的古环境含义。例如，含镓较多的页岩属于淡水环 境沉积物；铷、硼的相对含量较高，则属于海水沉积环境，因为后者是随着 水体中含盐量的增加而增加的。
海洋介壳类外壳中镁与锶的含量随水温而变化，因而可以根据海底富含
无脊椎动物介壳的钙质沉积物中镁与锶含量的测定，以推断古水温。含量较 高，属于低纬暖水环境；含量低，属于高纬冷水环境。但这种差异所反映的， 也可能只是浅水或深水环境的不同，深水环境水温低于浅水环境。
粘土矿物的性质标志着不同自然地带的风化特征，也具有古环境意义。
例如，伊利石的含量在赤道地带最低，随纬度升高而增高；高岭土相反，在 赤道强烈化学淋溶地区含量最高。南美亚马孙河口不同时期沉积物的分析表 明，全新世时期的沉积物中高岭土含量较高；最后冰期时期的沉积物中高岭 土含量较少，且含有相当比重的未分解的方解石，从而为全球性自然地带的 推移提供了证据：当地现代的赤道雨林环境，在一两万年以前应是属于热带 稀树草原环境。北非西海岸海底沉积物中粘土矿物的变化以及沙漠来源的石 类颗粒含量的变化，提供了相同的结论：一两万年以来，自然地带出现过明 显的移动。
生物体与沉积物对周围的环境，最初是有可能处在一定的化学平衡之下
的，但由于对沉积地点后来的环境变化有很大的敏感性，有可能使原来的化 学性质发生改变。因而，某些地球化学与化学地理资料，在与其他证据共同 使用、相互印证时是有价值的，单独使用时需要慎重对待。

4．地球物理学的依据


　　古地磁学和同位素分析成果在近年来对推进环境演变的研究方面作出了 重大贡献。


　　火成岩和沉积岩中都含有细粒的磁性矿物，这些磁性矿物在岩浆冷却的 过程中或沉积物的沉积过程中，都受当时地球磁场的作用。成岩以后，这些
　　
古磁场特征，包括磁极方向及对纬度高低起指示意义的磁倾角大小，便都“冻 结”在岩石中得到保存。对不同年代的岩石作古地磁测定，可以确定当时磁 极的位置以及恢复采样地点的古纬度（图 5）。对各大陆许多不同年代的岩 石样品作古地磁测定后发现，地球发展过程中，磁极的位置在不断变化，而 且根据某一大陆上的岩石古磁性所测得的磁极的移动路径，与另一大陆上测 得的移动路径存在不一致现象。由于只存在一对磁极，结论只能是：各大陆 的相对位置、空间排列，随着时间的推移而在变化。这是近年来大陆漂移理 论得以复活的重要依据，而大洋底部岩石的古地磁测定成果则是海底扩张、 板块构造理论得以奠定的得力支柱。对于重建自然地带、理解环境演变的过 程与原因，古地磁测定的重要意义也是不言自明的，现在位于热带纬度的印 度次大陆，石炭二叠纪时期存在过大陆冰川，原因是当时它与现代的非洲、 南美洲和澳大利亚等都处在南半球接近南极圈的位置上（图 1）。近年来， 磁化率的变化也被用来推测气候变化，磁化率高反映暖湿环境，反之，为冷 干环境。
在分析稳定同位素以恢复古气候的工作中，至今以氧同位素的利用最为
广泛，效果也最好。存在着三种氧同位素：16O、17O、18O。其中 17O 含量极小， 可忽略不计。在 H218O 与 H216O 之间存在着蒸汽压的不同，因而通过蒸发与凝
聚过程将引起同位素分馏，使存在于不同环境中的水，其 18O 与 16O 含量比（18O
／16O）出现微小差异。蒸发过程中，轻的水分子易蒸发，从而使 16O 在水汽 中得到富集；凝聚过程中，重的水分子易于凝结，将使剩余水汽中的 16O 比 重进一步增大；因而陆上水体中 18O／16O 的值均小于标准平均大洋水（SMOW） 中的 18O／16O 值。离海洋蒸发源愈远，经历多次蒸发—凝聚作用，水体中此 值愈小。以标准平均大洋水中的 18O/16O 值为准，差值可以δ18O 表示
18 O / 16 O( 样品) -18 O /16 O(SMOW)

δ18O =

18 O / 16 O(SMOW) ? 10 ‰

　　蒸发、凝聚作用均受温度影响，所以δ18O 值与温度之间可以建立关系。 南、北极地的冰盖是由各个不同时期的降雪积累、压实而形成的，取得不同 时期的冰层中的δ18O 值，即可恢复各时期冰原的古气温。对格陵兰西部世纪 营（Camp century）最近一百年的冰层作逐年氧同位素分析，推算得百年来 的气温变化，与邻近气象站的实测记录相符。据最近一千年来冰层中δ18O 值推算的气温变化，与根据欧洲历史文献等推算的结论一致。最近 13000 年 来的冰层δ18O 含量变化表明，约在距今 10000 年前，δ18O 值急剧增高，标 志着冰期的结束；冰后期的“暖期”，δ18O 值高于现代；距今 4000 年左右 以来，伴随着短期振动，δ 18O 值稍呈减低的趋势，与全球气温的缓慢转冷相 符（图 6）。取自南极冰盖的冰芯分析，也得到同样良好的结果。



对深海沉积物中构成有孔虫残骸的 CaCO3 作氧同位素测量，为恢复第四 纪以来古海水温度变化提供了可靠的证据。有孔虫介壳中的CO2- 离子与大洋
2- 2-
水中的CO3 离子之间处在一定的平衡状态，而CO3 离子在与周围海水中的氧
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：水温增
高，碳酸盐溶解量降低，浓集效应降低；水温降低，浓集效应增高。因而，

测得不同时期沉积层中有孔虫残骸的δ18O 值，即可以计算出有孔虫生存时期 的海水温度。实际上，有孔虫残骸中δ18O 的变化除了反映水温，还包含了大 陆冰盖伸缩的影响：冰期来临，大陆冰盖扩展，低 18O 含量的淡水大量滞留 在冰盖中不再回归大洋，大洋水中的 18O 含量显著增高，此时期有孔中介壳 中的 18O 含量必将增大，此一影响甚至可以比海水温度的直接影响更为显著。 两类效应恰好是同向的，二者的叠加，使各大洋深海有孔虫沉积物的δ18O 变化曲线对第四纪以来全球性的冷暖变化能有比较确切的反映。在最近 70
万年来，已有过八次明显的冷暖交替。
　　极地冰盖和洋底有孔虫残骸的δ18O 的测定，为恢复第四纪古温度提供了 至今最为完整的全球性定量数据。
　　同位素分析方法的应用对象不限于冰盖与海底沉积物，对洞穴沉积物、 树木不同年轮层等的分析，也都取得了良好的成果；所采用的同位素也不限
于氧，1H 与 2H，12C 与 13C 等，也都得到了应用。

5．考古学的依据


　　考古学所获得的材料，是恢复全新世六七千年以来环境演变的重要依 据。
人类的生活，尤其是在早期，与环境之间的依存关系十分密切。聚落位
置、生产方式、建筑结构与形式以至工具、手工艺品等，都有可能反映当时 当地的环境特征。对比不同地点同时期文化层的特征，可以揭示当时环境的 地区差异；对同一地点不同文化层遗物的考察，可以发现当地环境演变的过 程。
竺可桢先生在他的著名论文《中国近五千年来气候变迁的初步研究》中
引用西安半坡遗址（公元前 5600—6080 年）及安阳殷墟遗址（公元前 1400
—1100 年）所发现的亚热带动物遗迹，作为当时黄河流域气候比现今温暖潮 湿的证据。
美国中部平原，密西西比河与密苏里河之间的米尔（Mill）河流域，印
第安人曾在这里种植玉米、猎取野牛与鹿达数百年之久。但到 1400 年左右， Mill 河文化突然消失。考古事实表明：1100 年以后的文化层中，动物头骨数 迅速减少。其中，鹿头骨与牛头骨的比例也有明显变化，1100 年以前以鹿为 主，以后转为以牛为主。陶器碎片在此时期并未减少，甚至反而增多。1300 年以后，陶器碎片也迅速减少，至 1400 年完全消失。合理的解释是：当地环 境发生变化。促使发生变化的因子是气候趋向于干旱。由于变干，喜食湿草 的鹿首先减少，进一步干旱化，产草量减少，草质恶劣，牛也开始减少。狩 猎对象减少，居民不得不增大种植业的比重，取水用的陶罐因而增多。干旱 继续增强，终于不得不举族东迁，文化层因而终止。这是利用考古资料推测 环境演变的生动实例。这一结论与孢粉分析的结果相互印证（图 7）。
1973 年，在浙江省余姚县城西发现河姆渡文化遗址。最下部第四层文化
层出土的橡子、木材，经 14C 测定的年代为距今 7000 年；大量出土栽培稻秈 亚种稻谷，14C 测定的年代为距今 6800 年。江南河姆渡文化发展的时代早于 中原黄河流域的半坡文化（距今 5600—6080 年），但到青铜器时期江南文化 却远远落后于中原文化，原因何在值得探讨。有可能的解释是受到环境演变

的影响。环境演变研究当前面临的重大的问题之一是：CO2 增加及其温室效应 如果出现，对我国南北不同地区的环境究竟会产生怎样的影响。解开考古时 期南北文化发展史上的迷惑，也许有助于理解未来将发生的事件及作出对 策。

6．文献记载的依据


　　历史文献中有大量关于环境演变的直接记载，如山崩、河竭、湖泊萎缩、 沙漠扩展、聚落迁移、旱涝灾害等等，都是考证环境演变过程的依据。历史 文献中更有大量涉及当时当地环境条件的内容，包括海陆分布、河湖情况、 城镇位置、生产方式、气候、植被、物产等等。对比不同时期文献中关于该 方面的记载，可以作出环境演变过程的推断。
　　竺可桢先生曾根据文献记载中物候现象的差异、植物分布的差异、河流 湖泊封冻时间的差异、雪线高低的差异等，推断我国公元前 1100 年至公元
1900 年之间的气候变化，在此期间从温暖转寒冷以及 17 世纪小冰期等，均 得到清晰反映。

我国文化悠久，历史文献之丰富在世界上首屈一指。从二十五史，数量
近 13000 部之多的地方志，《太平御览》（宋）、《永乐大典》（明）、《古 今图书集成》（清）等大型类书以及浩繁的诗文集中，都有可能探寻追溯环 境演变过程。近年来，对我国东部海岸平原的推进，黄河河道的变迁，长江 口的变化与崇明岛的发展形成，众多湖泽的萎缩消亡以及西部许多地区植被 变化，沙漠的推进，聚落的废弃等过程，都有所阐明，文献资料对这些研究 提供了很大的帮助。利用旱涝记录以及河湖溶冰、封冻日期与亚热植物种植 变化等现象恢复历史时期不同阶段气候冷暖、干湿变化，所得到的成果更是 众多。
国外利用文献记载推测环境演变的成果也很多。以英国葡萄种植与酿酒
业的兴衰记载来推测西欧气候变化，是常被引用的例证。1100—1310 年间， 英国南部葡萄种植十分成功，酿酒业发达。但仅仅二百余年便衰落以至完全 消失。15 世纪以后葡萄酒酿造业不复存在。其原因即是冬季气候转向严寒， 阻碍了葡萄的生长。

7．仪器监测记录的依据


　　利用仪器观测的记录作为阐明环境演变的依据，自能得到最直接的、定 量的结果。缺点在于记录所覆盖的时间都还很短。
　　气象记录一般只有一二百年的历史。1424 年明成祖朱棣曾下令地方官， 每年报告雨量，藉以估计各地农业收成丰歉，应有量雨器，但不久即废。在 北京建立台站以温度计观测气温迟至 1867 年才开始。英格兰中部的温度记录 是世界上最长的气温记录之一，起自 1659 年，但这一记录实际上是由北起爱 丁堡（Edinburgh）南至普利茅斯（Plymouth）许多不同地点的记录连续而成 的，1815 年以后才在牛津（Oxford）地区稳定下来。荷兰 DeBilt 冬季气温 记录起自 1634 年，但实际上正式观测记录从 1897 年才开始，以前的记录都 是根据当地运河结冰日数推算而来的。世界各地长短不同的气象记录，经过
　　
整理，都是研究近数百年气候演变的基本依据。 由于对农业生产的重大意义，尼罗河的水位测量可能从公元前 3100 年埃
及第一代法老时已经开始，至今已有长达五千年的历史。开罗附近，除若干 年份有缺失外，自公元 622 年至今保存有逐年高低水位的记录。高、低水位 均呈逐年增高的趋势，这是河床淤高的结果。根据水位升高的情况推算，尼 罗河开罗附近河床每世纪淤高约 10 厘米。


　　这一水位记录并已用于推算降水变化。由于上游支流青尼罗河源自全年 降水分布比较均匀的赤道非洲，白尼罗河来自东埃塞俄比亚高地、冬夏降水 量变化很大的季风雨区，低水位曲线的升降应能反映赤道雨区多年降水的丰 歉变化，高水位曲线应能反映季风雨区降水丰歉的变化。按这一原则进行分 析，赤道雨区的降水量近千余年来是基本稳定的；东非高地的降水则有明显 旱涝变化，其中 1100—1150 年、1400—1450 年以及 19 世纪中叶，都是突出 的降水高峰时期（图 8）。
　　其他如海洋观测、地震观测等记录，时期更短，但都是研究短时间尺度 环境演变的重要依据。


　　自从人造卫星上天、遥感技术得到广泛应用以来，所积累的卫星影像资 料已成为分析环境演变过程极为有效的依据。许多国家的卫星都正在监视地 球，直接观测地表的变化，并测量诸如太阳常数、平流层性质、地面反照率、 海面温度、陆上生物体、全球云量覆盖状况等等物理参数，以便从全球的角 度来理解环境演变的机制，为模拟演变过程提供依据，使环境演变的研究步 入了一个新纪元。

三、年代测定


　　研究环境演变，必须对根据各种不同依据所重建的每一幕古环境都定出 它在发展过程中的时间位置，才能建立演变过程的顺序，从而了解全过程。
年代测定包括两个方面。
　　一类是相对年龄的测定，即将根据不同依据所重建的一系列事件相互比 较，定出先后，排列成顺序，并按照某个标准事件的出现时间，来估计前后 各事件的大致时间范围。
另一类是绝对年龄的测定。即对确定某一事件所凭籍的依据测定年代，
从而这一事件出现的年代也就得到了确定。 前一类方法只是确定相对位置，后一类则是直接定出年代。 一种代用资料在重建古环境方面的价值，不仅与此项资料对环境感应的
灵敏度与记录的真切性有关，而且也与是否易于对之作出年代测定有关。极 地冰芯应用时间范围的扩展受到限制，困难之一就在于对深层冰的测年技 术。
　　环境演变研究在本世纪中期以来得到迅速发展，取得许多重大突破，一 方面与所凭藉的代用资料的种类不断扩大、资料内涵的发掘不断得到加深有 关；另一方面也是多种有效的绝对年代学测定方法的出现的结果。
　　现代常用的年代测定方法，包括物理的、化学的、生物的、地质的等多 方面手段。
　　
　　利用放射性元素的衰变规律以测定绝对年龄，在地质学和古地理学中应 用都很普遍。半衰期长达 1.3×109 年的放射性钾（40K），适用于测定年龄超
过 5 万年的样品，以火山来源的富钾物质为测试对象，这一方法称为钾氩法，
因为 40K 衰变为惰性气体氩（40Ar）。半衰期仅为 5730 年的放射性碳（14C）， 适用于测定年龄小于 5 万年的样品。碳是一切生物体的基本组成元素，生物 生存期间，体内的 14C 含量是与周围大气中的 14C 量平衡的，从死亡之日起， 不再与大气或水分中的 14C 进行交换，即不再获得新的补充，体内原有的 14C 原子便按衰变规律减少，因而，只要测定遗体中 14C 的衰减情况，就可以确 定该生物已死亡多久。14C 年代测定的适用范围极其广泛，因为一切动植物遗 体，包括骨骼、毛发、贝壳、纤维、谷物、木块、木炭以至泥炭，都可以作 为测试样品，因而这一方法近年来在对研究最后冰期以来环境演变方面、考 古环境研究方面都作出了很大贡献。
近年来发展了以直接计数样品中 14C 原子数目为工作原理的加速器质谱
计 14C 测年法，即 AMS 法，使得有可能将 14C 的测年极限提高到 7 万年或更早， 并且所用样品量极少，几毫克纯碳即可，而常规 14C 方法需耗散几克纯碳。
地质学上采用的放射性元素测定年龄方法还有：铀（U）—铅（Pb）、钍
（Th）—镤（Pa）、铷（Rb）—锶（Sr）、U 系法等。 古磁场的研究表明，在地球的发展过程中，磁极有过多次“逆转”。例
如，近 69 万年以来形成的岩石中，岩石磁轴的北极基本上都是指向现代磁北
极方向的；但在 69 万年以前至 243 万年之间的时期，情况正相反，基本上都 是指向磁南极方向的，等等。前者称为正极性时期，后者称为逆极性时期。 在正极性时期内，存在若干短时期出现逆极性；在逆极性时期内，也有若干 短时期出现正极性；此等短时期称为该“时期”内的“事件”或“亚期”。 利用钾—氩法，标定每一次磁场逆转的绝对年代，可编制成地球的地磁年代 表。测绘待测定年龄的沉积物层的磁性逆转图象，将它与地磁年代表相对比， 便可以确定待测沉积物层属于哪一个年代。这一方法称为古地磁年代测定 法。古地磁方法对测定海洋积物的年龄，及基本上连续沉积的陆上沉积物如 黄土层的年龄，成效很好，近年来在研究第四纪环境演变的工作中得到广泛 利用。
属于物理类的绝对年代测定法，如裂变径迹法、热发光法等，也较常采
用。
　　活体内的氨基酸均呈左旋光性质，死亡后，左旋光向右旋光转化，称为 外消旋作用。因而，根据氨基酸的外消旋转化率，可以推算出样品死亡的年 代，称为氨基酸年代测定法。
　　计算树木年轮数以确定绝对年龄的方法，称为年轮年代法。它与计算水 层、纹泥层等以确定绝对年代的方法在本质上有相似之处，即都是利用气候 季节变化留下的以一年为周期的痕迹。年轮年代法特别适用于百十年以至数 千年的年代计算，目前利用树木年轮推算的最长年代已超出 8000 年。
　　地衣的孢子降落到岩石面上萌发后，有些种的生长速度是有规律可循 的。因而，在冰川、雪线前缘，根据岩石面上所生长的最大的地衣的直径， 可以推算岩石开始出露于地表的年代，从而了解冰川、雪线后退的过程。
　　传统的根据沉积率或侵蚀率以推断年代的地貌-沉积年代法，虽所得结论 比较粗略，常需用其他方法进一步验证，但在某些缺少采用其他测年条件的
　　
场合，仍不失是作出初步判断的手段。地质学上最常用的根据标准化石以确 定地层时代的方法，具有简便易得的优点，只是在用于确定短尺度环境演变 事件的时代方面，会受到一定限制。
　　利用史前人类在其发展过程各个阶段所遗留下来的生产、生活用品的性 质、形状、纹饰特征、精致程度等，来判断这些遗物所在的文化层的年代， 称为考古断代法。这些遗物都应是随着社会生产力的发展而日益趋向于精 美、细致的。一万年以前旧石器时代的石器都是粗劣的打制石器，及至出现 把石器表面磨光、磨出刃部，就已经是距今不及一万年的新石器时代的工具 了。陶器也是判断文化层时代的重要依据。我国黄河流域以彩绘陶器为主要 特征的仰韶文化，属于新石器时代早期；以黑陶及磨光石器为代表的龙山文 化，则属于新石器时代的晚期。我国年代最早的青铜器出现在公元前 1900 至公元前 1600 年的文化遗址中；而出现铁器，则标志着时代已进入春秋晚期 公元前 500 年左右。
　　有许多古代遗物如甲骨、竹简、青铜器、货币等，常刻有文字，甚至纪 年，更是判断所在文化层年代的良好依据。
　　对历史文献所记载的事件，一般说来，确定年代已不是大困难，但当然 也有仍是十分困难的事例。有时并须将时间精确判断到季、月甚至日，那就 需要根据古今中外历法的变更作出换算，或是进一步作出其他方面的考证 了。
　　
关于开展地理环境演变与预测的研究①

一


　　人类赖以生存的地理环境以各种不同的时间尺度在不断演变。地理环境 的任何变化都会对各种生命有机体从而也对人类发生或是有利的或是不利的 多方面影响。较小的短时间尺度的变化，所产生的影响可以只是局地性的或 区域性的，但也往往足以成为灾难。较大的、长时间尺度的变化影响范围广 大，后果深远，甚至可以迫使人类不得不作出全球性的经济与社会调整。
　　在自然演变的同时，人类还通过自己的活动使地理环境发生变化。随着 人口的迅速增长和人类社会经济的发展、人对地理环境的影响在日益增强， 由此引起的地理环境的变化，其速度和程度都有可能比自然演变更为强烈， 后果更为严重。
　　因此，为了争取做到比较合理地利用自然，比较有效地改造自然，不仅 需要认识地理环境的现状，而且必须对地理环境的发展作历史的认识，研究 地理环境自然演变的规律和在人类影响下的变化规律，从而了解它的演变前 景。
我国地理环境复杂，即处在最容易引起气候变化的中纬度位置上，又受
变化多端的季风环流的直接控制，大部分地区新构造运动非常强烈，再加上 人口数量大、人类活动历史悠久，地理环境变化所已经或可能造成的问题及 环境演变前景的预测，都是四化建设战略部署所不可忽视的必要依据。
已有的研究成果表明：在 14—17 世纪小冰期时，我国气温低于现代 2℃
左右，生长期比现代短半个月以至 25 天；6—10 世纪隋唐温暖时期，气温高 于现代 1—2℃，生长期长于现代 10—15 天。研究出现此一数量级温度变化 的可能性及其对植物生长、农作物布局以及耕作制度等方面的影响，对于保 证今后农业生产的稳步发展具有现实意义。
已有的研究成果表明：冰后气候最适宜时期，我国边缘海海平面高出现
代海面 2—4 米，海水大面积侵入东部平原地区。验潮站的记录表明：我国沿 海的现代海平面都正在持续上升，上升率平均达到 2.5 毫米／年；最大甚至 超过 10 毫米／年。今后趋势与强度的研究，出现气候最适宜期情况的可能性 的探讨，以及导致海面升降变化机制的研究等，对沿海城市规划、土地利用、
港口建设等都有重要意义。
　　我国半干旱地区广泛存在着土地的现代沙漠化现象。原来的草原遭到沙 丘侵入，历史上著名的城镇荒弃，成为废墟等等。据估计仅近 50 年来形成的 沙漠化土地面积就达到 5 万平方公里。土地沙漠化的原因有多大程度应归于 自然的趋势，又有多大程度是属于人为的影响，只有通过对演变过程作出历 史的分析才能得到正确的结论，这方面的研究对规划、确定今后内蒙古、西 北大面积土地开发利用的方向有重要指导价值。
青藏高原的强烈隆起导致高原本身的自然环境从亚热带森林迅速演变为 现今的高寒荒漠-草甸，并通过对大气环流的影响使高原广大地区的环境发生 变化。隆起过程仍在进行，高原湖泊的退缩、湖水的盐化等现象，莫不与此 有关。研究这些变化过程，对高原水草资源及盐湖资源的开发利用有重要参



① 本文与周廷儒合作完成，发表于《地理学与国土研究》，第 1 卷，第 2 期，1985 年。

考价值。研究高原隆起对大气环流的影响更将有助于探讨我国东部季风区和 西北干旱区环境演变过程的历史与趋向。
　　此外，如黄土高原自然环境演变过程的分析，对有效地治理黄土区水土 流失以至黄河的综合治理都是必不可少的依据；各地区森林破坏所引起的环 境演变，大型水利设施建立后周围及下游环境的变化情况的研究和总结，都 是进一步保护、利用和改造我国自然环境所不可缺少的基本参考资料。而全 面恢复晚更新世最后冰期以来我国自然演变各阶段的本来面貌，将为预测我 国地理环境的演变提供最基本的依据和背景。

二


　　自然环境的形成与演变就是地理学的重要研究课题之一，近年来，三方 面的原因促使这一课题在国际范围内得到进一步的重视与突破性的发展。
　　原因之一是 60 年代后期、70 年代初期以来世界气候异常所导致的农业 减产和灾难，以及至今还在不断出现、时见于报道的多种自然异常，使人们 认识到环境变化似乎在加剧。而变化对经济的发展甚至人类社会的存在都是 息息相关的。必须掌握它的发展规律，对前景作出预测，才能取得主动、立 于不败之地。美国 Stephen H．Schneider 在《The Genesisstrategy》一书 中将现代人类社会比拟为在雾海中航行的 Titanic 号邮船，而环境演变的危 机有如迎面而来的冰山，如果不尽快采取措施，对临近的危机的了解继续处 在若明若暗之中，后果不堪设想。
第二方面的原因是随着近年来人口的急剧增加，资源消耗量的急剧增
长，污染及其它对自然环境破坏作用的增强，人们开始认识到，人类本身有 意无意的行为已经有使地理环境趋向恶性发展以至于达到不可收拾的危机境 地的可能。西方环境学家将地球比拟为一艘围绕固定轨道运行的宇宙飞船， 如何回顾过去，探索未来，从而预见环境发展的趋向，保持这个封闭系统内 的生态平衡不被人类自己破坏，已成为关系到全人类生存的头等重要大事。 第三方面的原因是科学技术的发展使人类已有可能进行这方面的研究和 探索。例如，遥感技术和人造卫星的结合，使人类具有了能作全球性监测的 手段；深海勘探和极地冰盖钻探技术的发展，对研究全球性的气候和洋面变 化提供了意想不到的新资料；显微技术的进步使人类有可能从微观世界的研 究中解决以前不能解决的难题；年代学特别是放射性同位素与古地磁测年技 术的进步对确定环境演变中重大事件的确切出现时期提供了强有力的武器； 大容量快速计算机的使用，使大量资料的综合处理以及环境变化的模拟试验
等有了可能等等。 国际上对地理环境演变的研究，首先集中在第四纪最后冰期以来，即更
新世末期和全新世时期。研究这一时期的环境演变具有较大的现实意义：现 代环境正在进行着的自然过程是上述时期一系列演化过程的继承和发展；许 多现代环境的特征只有历史地认识才能得到全面的理解；而上述时期内曾经 出现的事件，在今后不太远的时期内也有较大的重现可能性。
　　对晚更新世以来地理环境演变所做的研究工作，焦点集中在气候变化方 面。各国学者的专著和论文集不胜枚举，有些国家如美国、澳大利亚等制定 了国家研究计划，并出现了许多国际性协作机构和研究项目。研究气候变化， 只要涉及范围超出具有气象记录的一二百年以外的期间，实际上都是在取得
　　
环境变化的证据和结论的基础上，再作气候演变的推论。环境科学、考古学 和第四纪地质学等学科近年来也都把研究不同的时间尺度的环境变化作为本 学科的一部分课题。专门讨论第四纪以来环境变化的专著不在少数，其中如 英国 A．Goudie 的《Environmental Change》已有中文译本。恢复古环境的 主要依据有冰川地貌、冰缘地貌、古土壤、孢粉分析、古水文、树木年轮分 析、黄土沉积、深海沉积、极地冰盖、海洋微体古生物、古人类以及有关环 境变化的历史文献的研究等，近年来都有长足的进展。1982 年在莫斯科举行 的第十一届国际第四纪会议上，以上各方面的学科几乎都有新的成果出现。 以上各方面的研究工作，在美国都分散在各大学中。美国许多大学的具 有特色的专门研究所或实验室，不仅享有全国声誉，并且具有国际地位。例 如哥伦比亚大学 Lamont-Doher-ty 地质实验室（深海沉积），加利福尼亚大
学 Scripps 海洋研究所（化石浮游生物），亚利桑那大学树木年轮研究实验 室，俄亥俄大学极地研究所，科罗拉多大学高山与极地研究所等。澳大利亚 有些大学对于南半球环境演变所取得的研究成果也受到国际上的称道。
在人类活动对于环境变化的影响方面，一项得到国际普遍重视的研究项
目是化石燃料耗费量急剧增加导致的大气中的 CO2 含量增长所可能产生的后
果。研究工作的一个方面是根据以各种手段分析极地冰芯、树木年轮等所取 得的数据，并估计人类今后对化石燃料的需要量，从而估算 CO2 增长的前景； 另一方面的研究工作则是推测 CO2 温室效应有可能对全球地理环境带来的变 化。一般都是在对温度变化自然趋势的基础上，叠加人为影响，推算两者的 综合效应。这一问题至今尚无一致公认的结论，但初步研究表明人为影响带 来的变化大大超过自然趋势的变化。
　　在国内，地理环境变化方面的工作主要由地理工作者和第四纪地质工作 者在进行。一部分气象工作者参与了对最近几百年来气候变化的研究。近十 余年来，特别是在以下各方面已取得不少成就：
孢粉分析，复原植被从而推论气候变化；微体古生物分析，复原海水进
退过程、气候变化；古冰缘地貌研究，推论最后冰期时的环境及以后的变化； 黄土及古土壤研究，推测气候、植被变化；泥炭分布及形成的研究，推测古 海面升降及气候条件；古海岸线、湖岸线的研究，推测水文、气候变化；大 量历史文献的分析与考古工作的结合，以复原古环境、讨论气候变化等。
从地域方面来看，以京津为中心的华北平原、以上海为中心的长江三角
洲及其附近平原、东北平原南部等地区，研究工作比较集中，成果较多。随 着青藏、西北干旱区多方面考察工作的开展，高原环境演变方面的研究也都 有不少成绩。近年来浅海石油勘探的开展，为东部边缘海环境变化的研究提 供了良好的机会与大量的资料。
　　大多研究成果还只是探讨自然演变过程，但也有部分研究工作试图将研 究结论作为农业生产、土地利用、自然保护以及其它方面的参考。

三

进一步开展我国环境演变与预测的研究应包括以下两方面内容：
（1）更新世最后冰期以来各主要阶段全国古地理环境的复原，主要是
104—103 年时间尺度变化的研究。包括以下课题：

古温度与古降水变化过程的研究； 植被带推移变化的研究； 生物群迁移变化的研究； 古土壤与古风化壳的研究； 内陆湖泊水文变化的研究；
冰川、冰缘地貌研究及我国冰缘环境演变过程的研究； 气候带变迁与环流形式变化的研究； 最后冰期以来自然地理带的推移和演变的研究； 人类活动历史的考古研究；
古地理综合制图研究。 以上各项研究至少要恢复以下三个时期的古自然环境：最后冰期最盛期
（距今 22000—18000 年）、现代间冰期开始期（距今 10000 年）、冰后气候 最适宜期（距今 7000—5000 年），以作为研究我国晚更新世以来地理环境演 变的基本依据。
　　（2）100 年以后，如最近小冰期（距今 200—500 年）气候以及主要是 人类活动引起的短时间尺度环境变化的研究。这是预测 21 世纪我国环境发展 趋势的主要依据。研究重点应是：严重水土流失地区，森林、草原大面积开 发地区，已建立大型水利设施地区，国家重点开发的京津唐、长江三角洲、 辽宁、山西、内蒙古、海南岛等地区。
此外，对我国环境变迁方面为国际所注目的重大问题，应加强研究，如
青藏高原的隆起及高原本身环境的演变过程，青藏高原的隆起对东部季风区 自然环境变化的影响，青藏高原的隆起对西北干旱区自然环境变化的影响， 中国第四纪冰川发育问题等。
积极参加涉及世界性环境演变的国际研究项目，如极冰研究、深海沉积
物研究、人类活动对大气成分的改变及其对环境的影响等。 为完成以上工作，必须着手解决以下各方面问题：
（1）资料的收集和分析。现有的资料分布很不平衡，时间上和地区上的
空白都很多，必须广泛收集和补充。已有资料的对比、综合，由于多方面的 原因，特别是确切年代的预测问题，也存在困难，需要解决。
（2）必须建立手段比较全面的分析测试中心和各种实验室，包括模拟实
验室。
　　（3）开展监测和实验站工作，以了解正在进行中的环境演变过程。这是 薄弱环节，至今工作不多。开展这方面的工作可利用已经开展起来的遥感手 段，并与环境科学的应用项目相结合，以取得观测资料和研究成果。也应开 展国际合作，利用国外卫星像片资料取得现代环境演变方面的信息。
　　
以半农半牧地带为重点开展我国环境演变规律的研究


需要开展对我国环境演变规律的研究。 地理学研究地域的空间差异，同时也研究环境随时间演变的过程。 环境演变使一个地区的生产条件和资源，包括水、热量、土地肥力、植
被状况等等，都发生变化。短时间尺度的变化对经济发展、人类生活的影响 是局部的或区域性的，但已足以成为灾难；长时间尺度的变化后果深远，甚 至必须作出全球战略性的经济与社会调整，以适应变化。这就是 60 年代以 来，“环境演变”成为世界各国科学界、特别是地理学界热门研究课题的重 要原因之一。
　　非洲萨赫勒（Sahel）地带——东起埃塞俄比亚，西至塞内加尔广大地区 发生长期灾荒后，更是引起各国科学家对该地区环境演变规律研究的重视， 联合国也迫切希望早日对当地环境演变的规律有所认识，以便拟订对策。
　　二三十年来，国际上研究环境演变的手段和所取得的成果，都有了极大 的进展。
　　我国地理环境复杂，中纬度是最容易感受气候变化的地带，而季风本身 的不稳定性又助长了这一变化的复杂性。我国山地面积广大，大部分地区新 构造运动强烈，山区的侵蚀和平原的堆积过程都极为旺盛。我国人口数量大， 人类活动历史悠久，自然演变的规律之上又叠加了深刻的人为作用。因此， 研究我国环境演变规律是为当前国土整治和规划 21 世纪国民经济发展提供 必要依据的、刻不容缓的课题。
自从更新世中期现代季风格局形成以后，我国便出现了一条从自然地带
性质来说，其演变规律有可与非洲 Sahel 地区相比拟之处的地带，这就是北 起大兴安岭西麓呼伦贝尔，向西南延伸，经内蒙古东南、冀北、晋北直至鄂 尔多斯、陕北的、从半干旱区向干旱区过渡的广阔地带，这就是所谓的农牧 交错带，不但有农有牧，而且时而农时而牧；这就是我国生产最不稳定的地 带，丰、歉更替，也是旱、风、冻、雪灾害频繁的地带。
但在历史上，这里有过兴旺发达的时期。这一地带的东部曾经出现过元
代上都这样的政治经济中心，这一地带的西部曾经出现过赫连勃勃统万城那 样的政治经济中心。这一地带曾是我国境内内陆湖泊极其发育的地带，但现 在湖泊萎缩了，残迹比比皆是；因湖水干涸或湖泊缩小而暴露于地表的湖河 沉积层在强力风蚀作用下成了导致形成沙荒地的沙源；环境退化，使牧草的 密度和高度都减小，“风吹草低见牛羊”的景象也不复存在。是自然演变规 律加上人为影响造成环境的退化，但是各占多大比重，演变遵循着怎样的规 律，这都需要探讨。只有这样才能拟具合理开发、稳定生产的计划和途径。 更新世以来，我国环境变化以西北干旱区、青藏高原区、华北-内蒙古区 最为剧烈（上述农牧交错带正位于华北与内蒙古的交界区上，向西已涉及西 北区）。此外，东部沿海平原地带由于河流、海洋的作用，除了气候变化所 导致的演变外，河口、三角洲的地形变化特别剧烈，直接影响到海岸带和港 口的开发。因此，这四个地区都应列为研究我国环境演变规律的重点地区。 上述地区各具特殊的地理特征，对它们环境演变规律的阐明，不仅对各地区 有生产实践上的意义，而且在地理学的发展上占有重要地位。青藏高原隆起 的过程和对本身及周围环境的影响，西北、华北是否趋向于干旱化等，都是
世界瞩目的重大问题。

　　高校由于分布面广，人材集中，在开展我国环境演变方面具有很大优势。 近十余年来，特别是以甘、新、青、蒙、宁夏、华北、东部平原和长江三角 洲等地的环境演变研究，当地各校地理系都开展了许多工作，成果是不少的。 通过近年来的建设，几个教委所属重点高校的基本设备也大体可以承担常规 的分析测试工作。只要对各校的队伍适当加以组织，对地方院校的力量进一 步发动，在经费允许情况下建立中心实验室，作一些重点配备，就是一支强 大力量。
　　环境演变的研究应区分为不同的时间尺度来进行，而以最近几千年来的 变化为主。遥感监测和实验观测站的工作可以阐明数年以至十几年来的演 变。气候记录、树木年轮和历史记载以及考古材料的分析，可以推测百年以 至千年级的演变。孢粉分析、封闭湖盆的地貌与沉积物研究以及古土壤、古 沙丘的研究，可以了解数千年以至万年以来的演变规律。掌握了千年左右的 演变规律，就有可能对未来百、十年的前景作出展望和预报，成为经济发展 规划的依据。例如，由于许多方面的研究成果都表明未来世界气候有转暖趋 势，直接的影响是两极冰盖融量增大，导致海面上升，有些国家已限制在一 定海拔高度以下的地区作重点建设投资。已有的研究成果表明，1000 年前我 国气温曾高于现代约 2℃左右，生长期长于现代 10—15 天；但就在二三百年 前，气温又曾低于现代 2℃左右，生长期比现今短半个月以至 25 天。所有这 些情况在我国再现的可能性、出现后将引起的各地环境承载能力的变化及对 策，都只有通过研究环境演变规律来得到认识和解决。
研究我国环境演变的工作目前普遍处在收集、分析资料的阶段，监测和
实验站工作有待于开展。在分析资料、取得参数、解决边界条件的基础上建 立模式，进行模拟工作，这也有待于开展。

中国环境演变研究的进展①


　　60 年代晚期以来，全球各地一系列气候异常事件所造成的严重后果，引 起人们对环境演变问题的关注。其中，特别是非洲萨赫勒（Sahel）地带的旱 化，导致广大范围的饥荒和大量人畜死亡，尤为引起国际上的注目。对此， 至少有两个问题急于回答：一是萨赫勒的这种旱化，究竟只是短期的波动， 还是长期的趋势；二是导致旱化究竟完全是自然因素的作用，还是掺杂着人 为因素。只有对这两个问题得到确切的答案，方能拟订出摆脱困境的正确方 案。于是引起对区域环境演变历史全面研究的重视和开展。其后，CO2 增暖问 题、极冰融化和海平面上升问题以及氟里昴的使用导致臭氧层破坏等问题的 出现，更使环境演变问题从区域的研究进展到全球的研究，导致了国际全球 演变（Global hange）研究计划的开展。
　　近二三十年来，环境演变的研究工作取得了丰硕的成果，而取得这些成 就的保证条件则是科学技术的进步。采样技术的进步使极地冰芯和大洋深海 沉积等都得以成为取得环境演变信息的来源；分析测试技术的进步扩大了从 各种生物和地学代用资料中取得的信息量及其精确度；数学方法和计算机技 术使信息处理、数学模拟得到前所未有的提高；各种年代测定技术的发展保 证了环境演变事件能形成确切的时间序列等等。在这样的全球背景下，70 年 代末以来，我国科技工作者在微体古生物研究、古土壤与古风化壳研究、树 木年轮研究、冰缘现象研究、环境考古研究、文献记载研究以及古地磁学和
特别适用于晚冰期以来年代测定的 14C 年代学方法的研究等许多方面都取得 长足进展，使对我国新生代以来自然环境演变的研究取得了多方面的突破， 对这一时期的演变过程有了一个轮廓性的认识，并已开始参与全球演变研究 计划。近年来我国环境演变研究最重要的进展可以归纳为以下几个方面。

一、新生代以来全球环境演变与中国自然环境演变之间关系的认识


早在 30 年代，李四光先生发表著名的《冰期之庐山》，其后在安徽黄山、 九华山，浙江天目山等地发现条痕、漂砾与冰流擦痕，提出：“中国大陆在 第四纪时期，虽非如西欧、北美曾为大陆冰盖掩覆，但山区地带冰川运行亦 颇广泛”［1］的重大论断。我国东部低山地区是否曾发育冰川，疑歧颇多， 李先生这一论断更重要的意义是在于将我国第四纪环境发展的过程与世界背 景联系了起来。50、60 年代以来对中国西部高山冰川的广泛考察以及近年来 对中国东部“冰川遗迹”，特别是对庐山遗迹从宏观的地貌—沉积研究深入 到微观的物理、化学性质的分析都已证明了：第四纪期间我国冷期-暖期交替 出现的总格局与全球规律是一致的［2］。冰缘现象的研究、许多地区孢粉序 列的研究、哺乳动物群的研究［3］、海平面升降的研究等也都证实了这一结 论。尤其是陕甘黄土研究所取得的重大成就，更进一步证实了中更新世以来 我国环境演变格局与全球变化规律完全相应［4］。Kukla 曾将根据捷克 Brno 黄土层所划分的中欧气候旋回与 Emiliani 根据深海沉积氧同位素分析所得 到的全球气候旋回进行对比，取得良好关系。我国陕西洛川剖面中，73 万年 以来属于布容正极性期的古土壤共发育 9 层，每层古土壤恰好相应于深海沉


① 本文发表于《地理科学》，第 10 卷，第 3 期，1990 年。

积氧同位素曲线上的一个“终端”（Termination）［5］，即每当气候转暖 时，我国的黄土沉积发生中断，黄土面上出现成土过程；全球气候再度转向 寒冷时期，黄土沉积重又开始，发育的土壤剖面受掩覆而成为“古土壤”。 这种对应关系表明，中国环境发展的节奏与全球过程一致。
　　从 20 年代开始，竺可桢先生便不断发表研究我国历史时期气候变化的论 著，至 70 年代初，发表著名论文《中国近五千年来气候变迁的初步研究》。 他把根据从考古到文献以至仪器观测资料所得到的中国气候变迁过程与世界 其他区域比较，结论是：“以我国五千年来气温升降与挪威的雪线高低相比， 大体是一致的，但有先后参差之别”；以 1700 年来气温变化与格陵兰冰芯
18O 同位素变化相比较，“相距二万余公里而古代气候变动如出一辙，足以说 明这种变动是全球性的”［6］。气候变化与新构造运动是引起我国第四纪时 期环境演变的］，两大因子，竺可桢先生的研究成果无异于进一步将我国千 年尺度甚至百年尺度的环境演变也纳入了全球变化的格局。竺可桢先生的工 作依据大部分来自文献记载，但后来研究其他多种代用资料所得的结果也都 证实了他的论断的正确，即：中国全新世时期气候变化的总格局与全球一致， 即使在强烈隆起、环境演变异乎寻常的青藏高原也不例外。［7］

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