镜泊湖一日游日记（探寻湖沼里的风尘往事）

作者：老庄 文章来源于：中国科学院地球环境所

2001年，时年83岁的刘东生院士在《第四纪研究》上撰文指出，既然在太平洋的深海沉积中都可追溯到到来自亚洲内陆的风尘信息，为什么离风尘源区更近的我国湖泊沉积中却没有关于风尘堆积的报道？刘先生之问，为开启利用黄土以外的地质载体研究风尘变化指明了方向。

那一年，我恰好从西北大学获得硕士学位。因错过了当年秋季入学的博士生考试，我和孙千里、吴枫、郑艳红一起参加了中国科学院地球环境研究所翌年春季入学的博士生考试。在正式被录取为博士研究生之前，我在周卫健研究员的课题组以项目聘用人员的身份从事放射性碳测年样品的制靶工作。

2002年3月我正式跟随周卫健研究员攻读博士学位。周老师建议我开展一些泥炭记录的全新世气候变化研究。这个题目对我来说是一个巨大的挑战，因为我在西北大学跟随薛祥煦教授从事地层古生物学方面的研究，主要是通过地貌学、地层学和古生物学来厘定大荔人出土层位的年代和当时的环境。新旧两个研究方向无论是研究对象还是研究的时间尺度都存在巨大差异，我必须从最基本的知识入手，开始新的研究工作。

第一次到野外开展湿地考察和泥炭样品采集是在2002年夏天。和我一同前往采样的除了师弟鲜锋和实验员靖伟外，还有与周老师合作开展泥炭研究的瑞典哥德堡大学Lars G Franzen教授。事实上在开展这次野外采样前，周老师派遣宋少华、鲜锋、吴枫、余华贵等到该地区开展过前期踏勘，规划了几个可能的采样地点。他们先赴成都，到中科院成都山地灾害与环境研究所拜会了张信宝研究员。张老师就是那位在汶川地震后因坚持就地重建和某大牌记者怒怼的学者，曾被称为“最牛教授”。他常年在西部从事山地灾害研究，掌握大量第一手资料。张老师给了他们很多建议和具体指导。我因兼任黄土与第四纪地质国家重点实验室学术秘书，恰有管理事务需处理，未能参加那次野外踏勘。

前期踏勘小分队在野外有许多值得记录的故事，一路的颠簸，高原上野外工作的艰辛就不再一一赘述。

多年后大家仍在津津乐道的却是那一次邂逅。

那是高原上雨过天晴的一个午后，考察队员们研究地形图后决定去花湖湿地进行踏勘。途中，他们向一个在公交站亭等车的藏族女孩问路，姑娘彬彬有礼地给他们指了正确的道路。大概是雨后的草原格外清爽，也许是藏族姑娘清纯秀丽的气质给考察队员们留下了好感，不免额外攀谈了许多。

闲谈间了解到女孩叫雪莲，是一位正在大学读书的学生。分别后，考察队员们对雪莲姑娘仍念念不忘，以至于他们将花湖附近的一处备用采样点命名为“雪莲湾”。多年以后，考察队员提起这件往事，还是掩饰不住内心的兴奋。美好事物往往不能太长久，这次邂逅也成为考察队员心里一个美丽的遗憾，从那以后他们再也没有遇到过雪莲姑娘。

我也没有遇到过雪莲姑娘，很难想象雪莲的样子，只好从连环画中截取了一个图片，我想这个形象一定和他们遇到的有很大差别。

这一次野外采样是我第一次攀上3500米以上的高原。

七月的若尔盖草原，天蓝草碧，水清气爽，景色美的让人心颤。

洁白的云朵下面，一群群牦牛点缀在起伏和缓的绿油油的山坡上，宛如碧玉上点染了些许烟黛。日暮时分，弯弯曲曲的黑河静静地绕着地势形成的月亮湾流淌，在落日余晖下，像一条匍匐的巨蟒闪耀着金色麟光。马背上淳朴的藏民，挥舞着牧鞭在大草原上跃马歌唱。黑色藏包里升起的袅袅炊烟，伴随着阵阵青稞酥油茶的香气，让人置身美景的同时也深深感受到浓郁的烟火气息。

欣赏美景但需忍受因海拔超过3500米给人带来的轻微高原反应，稍有运动便会喘粗气，晚上睡觉也会有隐隐的头痛。采样工作却进行的非常顺利，为我开展博士阶段的研究工作奠定了基础。此后，我多次来此地采样和野外考察，对红原-若尔盖地区的湿地沉积有着深刻的印象。

钻取样品到大概4米的时候，有一层泥沙含量较高的薄层。Lars用手指抠取一块放入嘴中，品尝半天后神秘的告诉我，这一层可能是8.2千年那次冷事件的沉积物，并示意我也尝尝。刚刚钻取的泥炭岩心呈黄褐色，是腐草和泥的混合物，与牛粪无异，而且我对北欧人这种用嘴鉴别沉积物性质的做法很不能接受，便没有品尝。不过，事后的测年结果却印证Lars关于冷事件的判断，由此，我也对Lars的野外能力由嗤笑转为佩服，尽管我到现在也没搞明白用牙齿判断沉积物性质的诀窍在哪儿。

样品有了

从其中提取什么信息，怎样提取信息

就是摆在我面前的一个课题

最初，周老师希望我开展一些碳氧同位素方面的研究，并把我送到贵阳地球化学研究所洪业汤先生的实验室学习从泥炭中提取纤维素的实验技术。在洪先生指导下，我在他的实验室学会了从植物中提取α纤维素的实验流程，并制备了一些纤维素样品。在贵阳学习期间我了解到，洪业汤先生已经在若尔盖地区、东北地区用泥炭纤维素的碳同位素研究气候变化，他的学生徐海博士也开展了用泥炭纤维素氧同位素重建温度变化的研究。我认为在同一个地区再开展相同工作的意义不大，只好从一些前人尚未注意到或是尚未开展研究的方面去寻求突破。

文献调研中，我发现泥炭腐殖化度（Humification）在欧洲泥炭研究中是一个非常有用的指标，但在国内泥炭研究中尚未被报道。腐殖化度是反映在一定水热条件下微生物对泥炭分解程度的指标，因微生物活动强度较高的时候主要在夏季，故可以用作指示夏季风强度的指标。我决定尝试使用腐殖化度这个指标对若尔盖泥炭进行研究。按照Blackford & Chambers（1993）测量碱提取液吸光度的方法，我完成了若尔盖泥炭的腐殖化度测量。在测量腐殖化度之前，我先测量了样品的灰度值，发现灰度数据和碱提取液吸光度之间存在一定相关性。我猜测，虽然两种测量方法不同，但两个指标可能都可以表示泥炭被微生物分解的程度。

通过仔细研究泥炭灰度和碱提取液吸光度的赋色原理，我们提出将泥炭灰度值作为表征腐殖化度的一种简便方法。较之碱提取液吸光度测量，灰度测量就简单的多了。正当我为发现这一现象而兴奋的时候，洪业汤先生的学生王华在《科学通报》发表了若尔盖地区泥炭腐殖化度记录夏季风变化的文章。王华在洪先生指导下利用泥炭腐殖化度开展的夏季风研究是国内第一次将腐殖化度指标用于泥炭研究中。我意识到，纯粹利用腐殖化度去研究这一地区的气候变化似乎很难通过博士学位答辩。我还得再寻找不同的研究角度。

红原泥炭灰度和腐殖化度序列

刘东生先生关于湖泊中风尘记录的发问启发了我，联想起Lars在野外通过泥沙含量来判断一次冷事件，我猜想可能与风尘输入有关系。该地区的湿地环境，主要靠降水维系，却没有河流汇入，那么泥炭沉积中的无机组分应该主要是尘降积累形成的。这一逻辑就为在泥炭沉积中开展风尘记录研究奠定了基础。

如何表征泥炭中的无机组分呢？

Lars教授是专门从事泥炭研究的学者，他在哥德堡大学测量了同一剖面的泥炭灰分。因为是合作研究，两个课题组有着数据共享的约定。当周老师将Lars测量的灰分数据发给我，我意识到，这不就是泥炭沉积中的无机组分嘛！尽管燃烧得到的灰分中有一部分是植物灰烬，但比起风尘输入来，这一部分非常少，因此可以将泥炭灰分作为指示粉尘输入多少的指标。因为粉尘输入主要取决于粉尘源区干燥度和风力强弱，所以这里的泥炭灰分可以用来指示冬季风强度。

有了指示夏季风强度变化的腐殖化度指标，也有了指示冬季风强度变化的灰分指标，我就可以讨论这个地区冬夏季风变化的历史了，这在同一个泥炭剖面中还是首次。在周老师指导下，我在2004年夏天准备了一篇文章投给了《中国科学 D辑》，因编辑部人员调换，文章在编辑部耽搁了较长一段时间，但最后审稿意见还是回来了。审稿人认为用灰分指示冬季风变化比较新颖，但是缺少一些证据来证明灰分就是风尘输入的，因为此前大家都认为湖沼堆积是一种水成沉积，与风尘联系不起来。

为了提供若尔盖泥炭灰分主要是风尘堆积的证据，我随机选取一些泥炭样品开展了灰分的粒度分析。沉积物粒度特征是表征其沉积环境的主要证据之一。在国外，沉积学家通过大量不同沉积环境下沉积物的粒度分析，总结了不同沉积物的粒度特征，并归纳出一个判别沉积相的经验公式。这一方法在国内石油地质研究中被广泛使用（成都地质学院陕北队，1976）。鹿化煜教授最早将这一方法用于判定黄土高原红粘土的沉积动力，并取得成功。我在硕士阶段也借鉴了鹿化煜教授的方法，对大荔人遗址剖面黄土-古土壤序列底部的几个水平互层开展过判定。所以当审稿人要求提供证据的时候，我自然想到了这一方法。

幸运的是，粒度分析和沉积相判断的结果和我们预期的一致，支持了我们对泥炭灰分主要来自风尘堆积的猜测。于是，《中国科学 D辑》的文章得以顺利刊出。弋双文和王先彦在粒度测量中给与了帮助，王苏民研究员在这篇论文的修订过程中也给与了很多指导和帮助。

红原泥炭粒度分布和沉积相判别参数显示其中含有风尘组分（于学峰等2006，沉积学报）

若尔盖泥炭记录的冬夏季风变化历史（于学峰等2006，中国科学 D辑）

卢演俦教授在国内较早针对黄土沉积物开展了基于扫描电镜的颗粒物表面形态研究，为判断黄土物质来源提供了一个方面的证据。

我们猜想，如果泥炭沉积中含有风尘物质，那么颗粒物表面形态也应该有较为典型的风尘物质的颗粒物表面形态特征。在西北大学弓虎军博士的帮助下，我对红原泥炭颗粒物的表面形态进行了电镜观察。结果发现其中有些石英颗粒确实具有诸如贝壳断口、蝶形坑以及毛玻璃麻点等风成堆积特征。通过请教卢演俦教授，泥炭颗粒物表面形态特征确实可以进一步提供若尔盖泥炭地接受风尘堆积的证据。

红原泥炭颗粒物表面形态（于学峰，刘钊，2010，地球环境学报）

泥炭地中含有风尘来源的组分，不仅为重建冬季风变化历史奠定了基础，而且为开展过去大气化学变化历史重建奠定了基础。

2004年夏天，我在中国科学院东北地理与农业生态研究所王国平研究员的实验室开展了元素测试。在分析元素测试结果的时候，我遇到了一个困惑：大部分元素与灰分变化规律一致，但是有几个元素（如铅、锌等）在某些时段出现数量级上的突然增大，而且与其他元素变化规律呈相反的趋势。这种现象似乎很难用自然的沉积过程去解释。

在文献调研过程中，我读到了南京大学水涛教授关于甘青地区青铜时代考古的论文集。我惊奇地发现，甘青地区青铜时代（包括新石器时代晚期）几期人类文化与铅锌元素的异常变化在时间上非常吻合。考虑到这些古文化发展地区与若尔盖地区距离很近，且若尔盖正好处于甘青地区的下风区，我们猜测，若尔盖泥炭沉积可能记录了甘青地区人类活动的信息。将水涛教授整理的甘青地区不同文化期墓葬出土人口数量和泥炭铅锌元素异常进行对比后，我更加确信若尔盖地区泥炭记录了过去人类活动的某些信息。

若尔盖盛行风向及上风区的文化序列（于学峰等 2006，第四纪研究）

既然有些元素能够忠实的记录气候变化，而有些元素则受人类活动影响，那么就可以用元素数据讨论气候变化和人类活动之间的关系。我尝试对元素数据中包含的自然环境变化信息和人类活动信息进行了分离，结果发现人类活动较强的时期恰是冬季风较弱的时期，说明过去人类文明的发展受自然环境的影响较强，优越的自然环境有利于甘青地区青铜文化的发展，不利的自然环境也会限制人类文明的发展。

泥炭剖面中的铅锌异常与上风区古人类活动强度对比（a为四期文化类型出土人口数量，b 为分离后的锌元素自然变化，c为分离后的铅元素自然变化，d为分离后的人为影响的锌元素变化，e为分离后人为影响的铅元素变化，f为甘青地区新石器时代晚期以来主要文化序列。该图收录于安芷生院士编著的专著：An Zhisheng, 2014, Late Cenozoic Climate Change in Asia: Loess, Monsoon and Monsoon-arid Environment）

尽管简单使用泥炭灰分就可以定性地指示冬季风强度变化，但要准确描述风尘输入的多少，则需要粉尘通量这个指标。要计算剖面上的粉尘通量，往往需要计算沉积速率和沉积物的体积。沉积速率倒是容易计算，只需有年代标尺和深度就可以了。为了测量沉积物体积，我买了一些打孔器，先将钻孔岩心按照每厘米分样，烘干后用打孔器在分好的样品上钻取一个柱体。因为柱体的底面积已知，只需用卡尺精确测量柱体高度即可算出体积。用这种方法，我重新测量了若尔盖泥炭的灰分，并计算了粉尘通量。

用于钻取泥炭样品的打孔器

当把粉尘通量和腐殖化度一起比较时，可以发现二者在千年尺度上变化模态并非完全一致，而是以大约6ka为界出现了转折：6ka之前二者在千年尺度上呈反相位变化，而在6ka之后二者在千年尺度上则呈同相位变化。为了解释这一变化的原因，我尝试对太阳辐射曲线进行求导计算，发现太阳辐射曲线的导数在6ka前后达到最大。因为曲线导数的数学意义代表了曲线的变化速率，我们猜测，也许是太阳辐射的变化速率引起了冬夏季风变化模态的变化。我一直希望通过数值模拟去证实或证伪我的猜想，但是由于对数值模拟一窍不通，这个愿望一直被悬在了那里，没有任何进展。

太阳辐射变率对冬夏季风的可能影响（Yu et al., 2011 The Holocene）

尽管我在博士论文研究过程中证实了若尔盖泥炭中含有风尘组分，开展了该地区冬夏季风变化历史研究，也进行了大气化学变化历史重建，甚至将元素异常与上风区人类活动进行了对比，但我兼职从事国家重点实验室管理工作确实占用了大量时间。导师周卫健研究员对毕业论文的要求又非常高，她担心我的博士论文太单薄，便将她在华南地区的大湖泥炭剖面实验室数据，以及陕北的糜地湾剖面数据给了我，让我再增加一些对比研究。

我在对比华南和陕北两个剖面数据时发现，两个沉积剖面都是由泥炭和其他沉积相交互构成的。沉积相变化代表了水文变化，而泥炭堆积则代表了碳积累状况。

我在博士论文中提出了一个基于植物生理的水文与碳积累概念模型。在水分正限制区，水分增加会促进植物生长，进而增加碳积累，而在水分负限制区，水分增加会抑制植物生长，从而降低碳积累。根据这一模型，我们利用沉积相重建了两个地区水文变化，并讨论了碳积累与水文变化的关系。

基于植物生理的水文与碳积累概念模型（Yu et al., 2020）

我在攻读博士阶段不仅得到了导师周卫健院士的悉心指导，也得到了多位宗师级人物和众多同学的帮助。那些年，那些人，那些事和那份情，值得我永远铭记。

我坚持不走别人已经踩过的路，不断调整自己的研究内容，既丰富了自己的知识面，也最终走出了自己的道路。博士阶段的研究内容和后来补充的部分数据，一共发表了9篇论文，最近这篇讨论水文和碳积累的文章，算是博士阶段研究内容挖掘写作的最后一篇文章。

回首过往，可以说我人生的每一个重要阶段都有贵人相助，何其幸哉！

部分图片来自网络

文中涉及的文献资料

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