PAGEPAGE19《全球變化的高分辨率信息載體研究》講義全球變化科學(xué)(GlobalChangeScience)是20世紀(jì)80年代開始的一個(gè)新興科學(xué)領(lǐng)域。它的科學(xué)目標(biāo)是描述和理解人類賴以生存的地球環(huán)境系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制、它的變化規(guī)律以及人類活動(dòng)對地球環(huán)境的影響,從而提高對未來環(huán)境變化及其對人類社會發(fā)展影響的預(yù)測和評估能力?！獓H地圈生物圈計(jì)劃要點(diǎn)：1、全球變化：包括地球環(huán)境中所有的自然和人為引起的變化2、全球變化研究的意義：由于人類活動(dòng)的影響，全球變化過程正以前所未有的速度進(jìn)行著，森林破壞、臭氧洞、溫室效應(yīng)的增強(qiáng)等均為全球變化的顯著表現(xiàn)，但是全球變化遠(yuǎn)不是只有溫室效應(yīng)和臭氧洞的產(chǎn)生，根本的問題是：“人類正在以各種連自己還沒能認(rèn)識的很清楚的方式，根本性的改變使生命得以在地球上存在的各種系統(tǒng)和循環(huán)”。由于人類活動(dòng)，全球變化的趨勢在未來相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)將繼續(xù)下去，這種變化能否回到原來的平衡，或有否新的平衡？人類如何適應(yīng)這種變化，以及如何在可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中體現(xiàn)對未來環(huán)境變化的適應(yīng)？這些都是事關(guān)人類未來生存和發(fā)展的大問題。3、全球變化研究從整體上認(rèn)識動(dòng)態(tài)變化的地球系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的以地球的單一圈層為對象的地球科學(xué)的分支學(xué)科體系有本質(zhì)的不同。傳統(tǒng)的地理學(xué)被看成是空間的科學(xué)，過分強(qiáng)調(diào)區(qū)域特性，忽視了地球的整體性和時(shí)間性。自19世紀(jì)近代科學(xué)體系建立以來，形成了以研究地球某一部分為主的眾多學(xué)科，如研究地球大氣圈的氣象學(xué)，研究巖石圈的地質(zhì)學(xué)，人們通過對地球各個(gè)組成部分長達(dá)一百多年的研究，于進(jìn)幾十年更明確的認(rèn)識到自然過程不僅僅局限在地球的各個(gè)圈層內(nèi)部，而且也發(fā)生在各個(gè)圈層之間，從而對地球的各個(gè)組成部分之間的關(guān)聯(lián)性有了更為深刻的認(rèn)識。20世紀(jì)60年代以后，的板塊運(yùn)動(dòng)理論，70年代提出了氣候系統(tǒng)的概念，氣候在各個(gè)時(shí)間尺度上都存在變化的觀點(diǎn)得到普遍認(rèn)同，從天文因素解釋第四紀(jì)冰期-間冰期旋回變化的米蘭科維奇假說因得到深海沉積等地質(zhì)證據(jù)的支持而成為被廣泛接受的理論。至80年代提出了地球系統(tǒng)的科學(xué)思想，地球的整體性和動(dòng)態(tài)變化性成了人們認(rèn)識地球的新視角，并構(gòu)成了全球變化研究的出發(fā)點(diǎn)。地球系統(tǒng)——物理氣候系統(tǒng)：大氣圈和水圈為主的物理氣候系統(tǒng)決定著地球表層水分和能量的交換與分布，形成全球的氣候。固體地球系統(tǒng)：巖石圈為主的固體地球系統(tǒng)決定著地殼的生消及其運(yùn)動(dòng)，形成地球的海陸分布格局和各種地貌形態(tài)。全球生態(tài)系統(tǒng)：即生物圈全球生態(tài)系統(tǒng)由地向下和向上延伸到任何形式的生命自然存在的地方,包括了地球上多種多樣的生態(tài)群落與生態(tài)系統(tǒng)。要點(diǎn)：在對地球的各個(gè)組成部分進(jìn)行了長達(dá)一百多年的研究之后，科學(xué)家們于近幾十年形成的一個(gè)日益明確的認(rèn)識就是，自然過程不僅僅局限在地球的各個(gè)圈層內(nèi)部，而且也發(fā)生在各個(gè)圈層之間，如天氣氣候現(xiàn)象不僅與大氣的狀態(tài)有關(guān)，而且與海洋、冰雪、火山活動(dòng)等其他圈層中的過程相關(guān)聯(lián)。新仙女木事件是晚冰期末期一次降溫事件，在歐洲大西洋沿岸很明顯,時(shí)間大約是11000-10000年左中，也是就YD事件，被稱為冰期回返,應(yīng)屬于冰階。在中國黃土中也能發(fā)現(xiàn)。但時(shí)間與大西洋沿岸不同。YD(YoungerDryasStadial)事件：末次冰期在向全新世的轉(zhuǎn)暖過程中，被一個(gè)快速的冷事件打斷，這就是所謂的YD事件，是迄今在冰芯、陸地和海洋沉積物的古氣候記錄中研究最為詳細(xì)的一次快速氣候變冷事件。經(jīng)典YD是指發(fā)生在晚冰期中北歐地區(qū)的氣候突然變冷事件，但在世界各地的氣候代用指標(biāo)中都可以發(fā)現(xiàn)YD的蹤影，它是一次全球性的氣候突變。YD事件以格陵蘭的冰芯記錄最為強(qiáng)烈，氣溫的最大降幅可達(dá)8℃，可見YD事件是一個(gè)非常劇烈的氣候演變過程。根據(jù)用14C在各地測年獲得的數(shù)據(jù)顯示：YD事件的年代為11000～10000aB.P.。其持續(xù)的時(shí)間約1000年左右，在此之后的10000aB.P.氣候突然增溫，全球氣候進(jìn)入了全新世。有人認(rèn)為最后一個(gè)Heinrich事件就是YD事件。它在古里雅冰芯中有清晰的記錄。該冰芯的155～162m之間正對著晚冰期向全新世過渡階段。對其進(jìn)行δ18Ｏ分析得知：在12.5-11.05Ka階段，δ18Ｏ呈波動(dòng)下降的趨勢。從-12‰下降到-22‰。并且呈現(xiàn)出3個(gè)明顯的下降階段。12.2-11.8Ka；11.8-11.4Ka；11.4-10.9Ka。在這三個(gè)階段里，氣溫一次比一次低，氣候一次比一次寒冷。DO（Dansgaard-Oeschger）旋回事件：根據(jù)格陵蘭冰芯δ18Ｏ記錄推算的大氣溫度的變化表明，在115～14kaBP之間,共出現(xiàn)了24個(gè)快速的變暖事件，即DO事件。其年平均變化幅度為5～8℃，每一個(gè)暖期之后緊接著一個(gè)冷期，并以1～3ka為周期，這就是所謂的DO旋回，每個(gè)旋回開始只需數(shù)十年甚至更少的時(shí)間，持續(xù)數(shù)百年至2000a，平均持續(xù)約1500a。北大西洋的深海沉積物也曾記錄了相應(yīng)的海水表層溫度、冰山外泄過程和溫鹽環(huán)流的變化。D-O循環(huán)最后總是以一個(gè)最為寒冷的冰段而告終,隨后氣候突然轉(zhuǎn)暖。Heinrich事件（HeinrichEvent）是在末次冰期中的一些氣候突然較為更加干冷，在短時(shí)間內(nèi)溫度變幅可達(dá)5℃，它以北大西洋發(fā)生大規(guī)模冰川漂移事件為標(biāo)志，代表大規(guī)模冰山涌進(jìn)大西洋的氣候效應(yīng)而產(chǎn)生的快速變冷事件。在末次冰期總的冰期氣候背景下，北大西洋共發(fā)生了6次強(qiáng)烈的冰川漂移事件，即代表發(fā)生6次大的Heinrich事件,其時(shí)代依次分別為16.8、24.1、30.1、35.9、50和66kaBP。HeinrichEvent在北大西洋的表現(xiàn)就是在深海沉積物中發(fā)現(xiàn)若干層其巖屑含量很高,而有孔蟲豐度非常低的層位（Heinrich層）。這些巖屑是被Lauren-tide冰蓋快速前進(jìn)時(shí)形成的大規(guī)模冰崩帶入北大西洋的。Heinrich層形成時(shí)氣候劇烈地轉(zhuǎn)冷,海洋表面溫度和鹽度都很低,浮游有孔蟲數(shù)量大大減少。Heinrich事件發(fā)生在DO旋回中的最冷期,代表上一次旋回的結(jié)束,隨后的變暖又代表新的DO旋回的開始,可見Heinrich事件與DO旋回并不是兩個(gè)孤立的氣候演變過程。Heinrich事件在一些湖泊沉積物中和我國的馬蘭黃土中也能鑒別出來地球系統(tǒng)實(shí)際上就是地球上各大圈層相互影響，互為組分形成了一個(gè)整體。因?yàn)槿藗冊絹碓秸J(rèn)識到地球上所有的系統(tǒng)過程都不是哪一個(gè)部分產(chǎn)生的，而是涉及到了地球所有的圈層，所以以系統(tǒng)觀來看等整個(gè)地球。就形成了地球系統(tǒng)的概念。在這個(gè)系統(tǒng)以物理過程,化學(xué)過程和生物過程為方式通過能量的再分配而形成了不同尺度的系統(tǒng)過程。如氣候系統(tǒng)的變化，化學(xué)元素的循環(huán)，海際變化，氣候波動(dòng)，地表環(huán)境的演變物理氣候系統(tǒng)調(diào)控著水循環(huán)，全球生態(tài)系統(tǒng)調(diào)控著生物地球化學(xué)循環(huán)，固體地球系統(tǒng)調(diào)控固體地球物質(zhì)循環(huán)。物理物候系統(tǒng)主要涉及到大氣圈水圈.系統(tǒng)內(nèi)部主要以各種天氣系統(tǒng)為主,氣候系統(tǒng)在地球系統(tǒng)中的影響著各地氣候的變化,主要是水分與熱量的調(diào)配.所以才調(diào)空著水循環(huán)。固體地球系統(tǒng)主要是巖石圈，因此主調(diào)空著地球固體的循環(huán),如海陸變化、巖漿的運(yùn)動(dòng)、火山活動(dòng)。全球變化,即地球系統(tǒng)的變化,可以定義為地球環(huán)境,包括氣候、土地生產(chǎn)力、海洋和其它水資源、大氣化學(xué)、生態(tài)系統(tǒng)等中的，能改變地球生命承載能力的變化。地球系統(tǒng)自形成以來就存在著永不停止的變化。它是在地外系統(tǒng)及地球系統(tǒng)內(nèi)部力量的作用下，其系統(tǒng)模式在時(shí)間軸線上，一定空間內(nèi)的延續(xù)。要點(diǎn)：全球變化的主要時(shí)間尺度可以用五個(gè)不同的時(shí)段來定義：幾百萬年至幾十億年：地球結(jié)構(gòu)的演化、生命的演化及于此有關(guān)的現(xiàn)代大氣化學(xué)成分的演變幾千年至幾十萬年：受地球軌道參數(shù)周期性變化所驅(qū)使的全球氣候的冰期和間冰期的交替，以及與此相關(guān)聯(lián)的大氣成分、土壤的發(fā)育、生物種類區(qū)域分布的相應(yīng)變化幾十年至幾百年：物理氣候系統(tǒng)及其與生命有機(jī)體，以及生物地球化學(xué)循環(huán)幾天到幾個(gè)季度：天氣、洋流、植物生長的年循環(huán)幾秒到幾個(gè)小時(shí)：陸地、海洋、大氣和生物群落之間的能量循環(huán)。傳統(tǒng)地理學(xué)中長期忽略甚至排斥對時(shí)間問題的研究，使得區(qū)域研究成了一種靜態(tài)的描述，與時(shí)間有關(guān)的地理學(xué)問題長期未受到應(yīng)有的重視。在相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)，很多地理學(xué)家認(rèn)為自然環(huán)境的變化是地質(zhì)時(shí)期的事情，忽視現(xiàn)代自然地理環(huán)境存在著變化。目前對全球變化研究的主要內(nèi)容之一就是重建過去全球環(huán)境的變化，主要是古氣候的重建。就是以殘存的過去環(huán)境變化的產(chǎn)物為依據(jù)，反推形成產(chǎn)物的環(huán)境狀態(tài)，進(jìn)一步推測其成因機(jī)制。之所以如此是由于地球系統(tǒng)中的許多過程具有很長的時(shí)間尺度，現(xiàn)代的觀測記錄中無法觀測得到，也不可能通過實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行印證。現(xiàn)代環(huán)境中的許多現(xiàn)象是過去不同時(shí)間，不同環(huán)境狀態(tài)下所形成的產(chǎn)物的殘留物的集合。所以才有可能根據(jù)現(xiàn)代所能獲得的信息載體來推測古環(huán)境的特點(diǎn)。信息載體觀測記錄，借助于各種觀測技術(shù)手段所獲得的環(huán)境信息，如地面的氣象、水文記錄、空間觀測所獲得的各種遙測數(shù)據(jù)。它們的特點(diǎn)是精度高，但時(shí)間尺度較短，而僅局限于小部分地區(qū)?？脊藕蜌v史文獻(xiàn)記錄，指由人類物質(zhì)文化活動(dòng)而形成的物質(zhì)的和文字的記錄，如古人類的遺址和遺物，有關(guān)物候、災(zāi)異、耕作制度的文字記錄。古環(huán)境的感應(yīng)體，即在過去某一時(shí)間段形成并保留至今的各種自然體。它們本身就是當(dāng)時(shí)環(huán)境過程的產(chǎn)物，記錄了當(dāng)時(shí)的環(huán)境狀態(tài)，具有更長的時(shí)間尺度和空間尺度的分布，能彌補(bǔ)觀測的不足，揭示更長時(shí)間尺度的全球變化歷史。要點(diǎn)：目前對全球變化研究的主要內(nèi)容之一就是重建過去全球環(huán)境的變化，主要是古氣候的重建。就是以殘存的過去環(huán)境變化的產(chǎn)物即信息載體為依據(jù)，反推形成產(chǎn)物的環(huán)境狀態(tài)，進(jìn)一步推測其成因機(jī)制。由于地球系統(tǒng)中的許多過程具有很長的時(shí)間尺度，現(xiàn)代的觀測記錄中無法觀測得到，也不可能通過實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行印證。不僅如此，我們所見到的環(huán)境中的一些現(xiàn)象，其形成過程遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過通常所理解的“現(xiàn)代”的范疇?，F(xiàn)代環(huán)境中的許多現(xiàn)象是過去不同時(shí)間，不同環(huán)境狀態(tài)下所形成的產(chǎn)物的殘留物的集合。所以才有可能根據(jù)現(xiàn)代所能獲得的信息載體來推測古環(huán)境的特點(diǎn)。根據(jù)來源與屬性的不同，過去全球變化的信息載體可分為三種類型：第一，觀測記錄，借助于各種觀測技術(shù)手段所獲得的環(huán)境信息，如地面的氣象、水文記錄、空間觀測所獲得的各種遙測數(shù)據(jù)。它們的特點(diǎn)是精度高，但時(shí)間尺度較短，最長的氣象觀測資料不過300余年，而僅局限于小部分地區(qū)。第二，考古和歷史文獻(xiàn)記錄，指由人類物質(zhì)文化活動(dòng)而形成的物質(zhì)的和文字的記錄，如古人類的遺址和遺物，有關(guān)物候、災(zāi)異、耕作制度的文字記錄。第三，古環(huán)境的感應(yīng)體，即在過去某一時(shí)間段形成并保留至今的各種自然體。它們本身就是當(dāng)時(shí)環(huán)境過程的產(chǎn)物，記錄了當(dāng)時(shí)的環(huán)境狀態(tài)，具有更長的時(shí)間尺度和空間尺度的分布，能彌補(bǔ)觀測的不足，揭示更長時(shí)間尺度的全球變化歷史。它同樣存在著局限性，如干擾因素多，需要提取、鑒別才能使用。研究全球環(huán)境變化所需要的載體可以從巖石圈沉積物、冰雪圈、生物圈和人類圈中找到。如：湖泊沉積，黃土沉積，深海沉積，冰芯，樹木年輪，考古遺跡等。不同類型的載體覆蓋不同的時(shí)間長度，具有不同的時(shí)間分辨率與不同的環(huán)境指示意義，因此不同的載體有不同的適用范圍。國際地圈——生物圈計(jì)劃（IGBP）推薦的研究過去150KaBP以來全球環(huán)境變化建議使用的主要信息及其適用范圍如下表：主要天然環(huán)境檔案特征（根據(jù)HansOeschserandJohnA.Eddy,1988）檔案時(shí)間分辨率時(shí)間長度可提取的環(huán)境參數(shù)樹木年輪年/季104THCaBVMLS湖泊沉積年104～106TBM極地冰巖芯年105THCaBVMS中緯度冰巖芯年103THBVMS海灣沉積年105TCwL黃土10年106TCsBM海洋巖芯100年107TCwBM花粉10年105THB古土壤100年105THCsV沉積巖芯2年107HCsVML歷史記錄天/小時(shí)103THBVMLST=溫度；H=濕度或雨量；C=大氣（a）、水（w）或土壤（s）的化學(xué)成分；B=生物量方面的信息；V=火山噴發(fā)；M=地磁場；L=海平面；S=太陽活動(dòng)。黃土作為古環(huán)境的良好感應(yīng)體忠實(shí)地記錄了曾經(jīng)發(fā)生的環(huán)境變化。中國黃土以其分布的面積及其深度具有極大的優(yōu)勢中國黃土是過去260(第四紀(jì))萬年以來連續(xù)的風(fēng)塵堆積物。氣候的冷、暖、干、濕的旋回變化在黃土剖面中留下了紅色古土壤與黃土相互交替的現(xiàn)象，這是風(fēng)塵堆積作用與成土作用兩種對立過程彼此消長的結(jié)果要點(diǎn)：我國黃土高原深厚的黃土沉積層內(nèi)，嵌埋著多層條帶狀紅色土。這些“紅層”是風(fēng)化程度相對較強(qiáng)的古土壤?！包S土-古土壤”序列，記錄了我國北方第四紀(jì)氣候的多旋回變化。因其具有較好的連續(xù)性和較高的分辨率，已成為研究第四紀(jì)環(huán)境變化最理想的陸相載體，可與深海沉積記錄相媲美。中國西北地區(qū)，從中新世以來就有持續(xù)不斷的風(fēng)塵沉積。這種風(fēng)塵沉積作用即使在氣候較為濕熱的古土壤發(fā)育時(shí)期也未中斷。黃土上土壤發(fā)生的獨(dú)特性在于成土過程與風(fēng)塵沉積的同步性。這種獨(dú)特的成土過程使得土壤剖面深厚而均勻,常呈復(fù)合性狀。古土壤與下伏黃土，不再是土壤與母質(zhì)的關(guān)系；古土壤的真正母質(zhì)應(yīng)是成土過程中不斷添加的風(fēng)塵物質(zhì)。古土壤中并不存在埋藏A層，對古土壤進(jìn)行A、B、C等發(fā)生學(xué)層次的劃分值得商榷。由于富含碳酸鈣風(fēng)塵物質(zhì)的不斷添入，成土作用強(qiáng)度受到不斷削弱，絕大多數(shù)古土壤的成土作用強(qiáng)度未達(dá)到棕壤的發(fā)育強(qiáng)度。已有的研究表明，250萬年來深厚的黃土剖面由37個(gè)黃土-古土壤序列組合而成，其中包括全新世代表地層S0。自剖面頂部向下的順序排列為S0，L1S1，L2S2….L37S37。黃土層——風(fēng)塵堆積作用強(qiáng)、成壤作用弱、氣候冷干、冰期(冰階)、冬季風(fēng)強(qiáng)度增大古土壤層——風(fēng)塵堆積作用弱、成壤作用強(qiáng)、氣候暖濕、間冰期(間冰階)、夏季風(fēng)強(qiáng)度增大要點(diǎn)：黃土作為古環(huán)境的良好感應(yīng)體忠實(shí)地記錄了曾經(jīng)發(fā)生的環(huán)境變化。在環(huán)境變化的研究中，中國黃土以其分布的面積及其深度具有極大的優(yōu)勢，而且能夠與深海沉積序列很好地進(jìn)行對比。已經(jīng)認(rèn)識到，中國黃土是過去260萬年以來連續(xù)的風(fēng)塵堆積物。氣候的冷、暖、干、濕的旋回變化在黃土剖面中留下了紅色古土壤與黃土相互交替的現(xiàn)象，這是風(fēng)塵堆積作用與成土作用兩種對立過程彼此消長的結(jié)果，當(dāng)風(fēng)塵堆積作用大于成土作用時(shí)形成黃土層，反之形成古土壤層。因此，黃土沉積與寒冷的冰期相對應(yīng)；古土壤層則對應(yīng)著相對溫暖的間冰期。如末次冰期中在黃土高原區(qū)堆積形成的厚達(dá)數(shù)米的馬蘭黃土。歐洲、北美的第四紀(jì)黃土主要堆積在冰川外緣，黃土沉積表明當(dāng)?shù)卦谠摃r(shí)期屬于寒冷苔原性質(zhì)的冰緣環(huán)境；我國黃土主要分布在干旱荒漠區(qū)的外緣，表明黃土沉積時(shí)期當(dāng)?shù)貙儆诟珊菰h(huán)境，而古土壤的發(fā)育時(shí)期則對應(yīng)著溫暖的森林或森林草原環(huán)境。根據(jù)黃土層的風(fēng)化程度和古土壤層發(fā)育程度的差別，可進(jìn)一步推斷環(huán)境在不同時(shí)期的差別。黃土與古土壤層的交替變化是對第四紀(jì)冰期——間冰期環(huán)境周期性變化的反映。不僅如此，黃土剖面沉積序列中的粒度、磁化率，碳同位素、碳酸鈣含量、微量元素和古生物化石等都可以作為古環(huán)境變化的替代指標(biāo)。風(fēng)成黃土中的成土過程，是一種不同于傳統(tǒng)土壤發(fā)生的獨(dú)特過程土壤發(fā)生過程始終伴隨著黃土的沉積。沉積過程和成土過程同步進(jìn)行，但又受制于氣候的旋回變化：冰期干冷的氣候條件下，黃土沉積速率大于成壤速率以形成黃土為主；間冰期濕熱的氣候條件下，成壤速率大于黃土沉積速率，形成古土壤為主。黃土與古土壤的區(qū)分只是相對的：黃土是一種弱發(fā)育的古土壤；古土壤則是一種受風(fēng)化成土影響較明顯的古土壤。而且，即使在黃土或古土壤的形成期，由于次一級的氣候波動(dòng)，使得黃土層內(nèi)有弱發(fā)育的古土壤層如馬蘭黃土L1中的弱發(fā)育古土壤層L1SS1(見表1)古土壤層內(nèi)有薄層黃土夾層，如洛川、靈臺等地S5中的兩個(gè)黃土夾層(見表1)。安芷生等在研究洛川剖面S5后早已指出，古土壤的形成是成壤速率相對大于黃土堆積速率的結(jié)果，郭正堂等也指出，西峰剖面的古土壤為加積型古土壤，發(fā)育時(shí)仍存在著大量的粉塵堆積。埋藏古土壤深厚而均勻的剖面，是成土過程和風(fēng)塵沉積同步進(jìn)行的又一佐證。據(jù)調(diào)查，甘肅靈臺剖面S1、S2、S3、S4、S5的厚度分別為4.0、4.2、2.9、3.4、4.9m(見表1)。除了S2中部厚約30cm的黃土夾層和S5中的厚約20cm的兩個(gè)黃土夾層(見表1)，各古土壤剖面顏色均勻，未發(fā)現(xiàn)自上而下的層次分化現(xiàn)象。朱顯謨在陜西藍(lán)田地區(qū)的黃土層中，共發(fā)現(xiàn)15層古土壤，一般厚度1~3m,最厚達(dá)7米。這些土壤,土體物質(zhì)和粘粒的SiO2/Al2O3分子比在全剖面中非常接近，或幾乎完全相等。洛川剖面古土壤同樣層次深厚，有機(jī)質(zhì)!粘粒!游離氧化鐵(Fed)、全鐵(Fet)等理化指標(biāo)在剖面分布較均勻(見圖1)。很難想像，一個(gè)厚達(dá)3m以上，顏色和物質(zhì)組成十分均勻的土壤剖面，是在同樣厚度的黃土母質(zhì)中，自上而下進(jìn)行風(fēng)化成土過程而形成的。埋藏古土壤十分常見的所謂復(fù)合性狀，或多元發(fā)生特征，根本原因也是成土過程和風(fēng)塵沉積作用同步進(jìn)行的結(jié)果。渭南地區(qū)S1由三層古土壤復(fù)合組成，說明古土壤形成時(shí)期，古氣候不是穩(wěn)定不變的，而是常存在次一級的波動(dòng)。在次一級的冰期氣候條件下，風(fēng)塵沉積速率增強(qiáng)，就會在古土壤中形成黃土夾層，使得兩種或多種完全不同的發(fā)生學(xué)性狀疊合在一個(gè)層次中。這種復(fù)合性狀在微形態(tài)觀察中表現(xiàn)得十分明顯。如，在孔隙壁有流膠狀定向粘粒膠膜，孔隙中卻有針狀、微晶粒狀方解石新生體；在對陜西武功渭河河谷出露的古土壤進(jìn)行微形態(tài)研究時(shí)，發(fā)現(xiàn)同一剖面!同一層次，常出現(xiàn)矛盾現(xiàn)象：棕紅色鐵質(zhì)粘粒與碳酸鹽共存，光性定向粘粒的形成與周圍的微堿性環(huán)境。這種復(fù)合性狀的形成是成土過程中伴隨風(fēng)塵沉積，且沉積速率常隨氣候變化而波動(dòng)的必然結(jié)果。磁化率沉積物磁化率是衡量沉積物在外磁場作用下被磁化難易程度的物理量，一般分為體積、質(zhì)量、頻率磁化率。沉積物是在特定的沉積環(huán)境中形成的，記載了環(huán)境條件的變化，其所攜帶的磁性礦物則因其對環(huán)境的靈敏反映和記錄的穩(wěn)定性而成為較好的環(huán)境指示物質(zhì)。磁化率作為表征物質(zhì)磁學(xué)特征的物理量，能夠判斷樣品記載的環(huán)境變化信息、分析古氣候變化規(guī)律及其細(xì)節(jié)、推斷樣品形成過程的環(huán)境條件、為古環(huán)境研究提供可靠的磁學(xué)證據(jù)。近年來的研究認(rèn)為：樣品的磁化率相對較高，相應(yīng)的沉積物粒度則較細(xì)，表明樣品是在相對暖濕的環(huán)境下形成的；反之，樣品的磁化率相對較低，相應(yīng)的沉積物粒度則較粗，表明樣品是在相對干冷的環(huán)境下形成。不同的巖層，由于其沉積物巖性的差異，磁化率也不同，磁化率曲線與其對應(yīng)的巖層有較好的對應(yīng)關(guān)系。環(huán)境磁學(xué)研究中較多地用到了頻率磁化率Xfd,據(jù)其頻率的高低，頻率磁化率Xfd(frequencydependentsusceptibility)分為高頻和低頻，其值通過分別對沉積物樣品進(jìn)行高頻(Xhf)和低頻(Xlf)磁化率測量后計(jì)算得出，其公式為：Xfd=(Xlf-Xhf)/Xlf×100%.樣品的頻率磁化率與其所含磁性顆粒的多少呈正相關(guān)，我國北方黃土在形成古土壤的過程中有許多對低頻磁化率敏感的SP磁性顆粒形成，不同氣候條件下形成的SP磁性顆粒的相對含量反映了古氣候溫濕程度的強(qiáng)弱和持續(xù)時(shí)間的長短。在形成黃土?xí)r由于弱磁性粉塵通量增大，降低了其中強(qiáng)磁性物質(zhì)對物質(zhì)整體磁性的貢獻(xiàn),因而黃土磁化率較低。古土壤是重建古地理環(huán)境的最好手段,利用頻率磁化率能夠鑒別各種環(huán)境下的古土壤，如冰物環(huán)境中的埋藏土、黃土環(huán)境中的古土壤、風(fēng)砂環(huán)境中的埋藏土等。劉秀銘、劉東生根據(jù)洛川黃土剖面頻率磁化率曲線隨黃土和古土壤的出現(xiàn)分別呈現(xiàn)波峰和波谷與其對應(yīng)這一特征，建立了中國黃土-古土壤序列可靠而完整的古氣候事件序列模式，認(rèn)為頻率磁化率可以作為反映古氣候變化的靈敏指標(biāo)。土壤頻率磁化率記載了土壤形成過程的環(huán)境條件，有十分明確的環(huán)境指示作用，其變化是環(huán)境變化對土壤的影響留下的印記，或是母質(zhì)的不均一性、成土過程的間斷等引起的,反過來可以利用頻率磁化率去判斷土壤記載的環(huán)境變化信息。磁化率是黃土和古土壤剖面序列中提取的另一個(gè)重要的氣候指標(biāo)。磁化率是物質(zhì)被磁化難易程度的一種度量。目前對黃土剖面中的磁化率有不現(xiàn)的解釋：Heller和劉東生認(rèn)為暖期的成土過程如脫鈣，土壤的壓實(shí)作用可以引起順磁顆粒的相對富集。Kukla等認(rèn)為，黃土——古土壤的磁化率主要是由沉積作用所貢獻(xiàn)，黃土層中的磁化率低是由于當(dāng)時(shí)粉塵堆積快，古土壤中的磁化率高是由于粉塵堆積的慢引起的。Kaher和Thompson認(rèn)為成土過程中形成的自生順磁顆粒至少對土壤的磁化率有部分貢獻(xiàn)。也有人認(rèn)為在常溫下，磁化率是鐵磁性礦物含量的粗略量度。盡管對黃土——古土壤中的磁化率變化的成因有不同的認(rèn)識，但都認(rèn)為磁化率值的變化與氣候變化尤其是降水量的變化有一定的關(guān)系。應(yīng)用磁化率可以指示古氣候環(huán)境的變化：古土壤層發(fā)育時(shí)氣候溫濕,東南季風(fēng)占優(yōu)勢,成壤強(qiáng)度大,次生的鐵磁性礦物多;黃土層發(fā)育時(shí)氣候冷干,西北季風(fēng)占優(yōu)勢,風(fēng)塵堆積幾乎沒有多少次生變化。根據(jù)對歧山五里鋪全新世黃土剖面磁化率的測定[3]，可以得出全新世中兩層古土壤磁化率最高可達(dá)150×10-6ＳＩ以上,馬蘭黃土層和黃土Ｌｘ層最低僅為40×10-6ＳＩ左右。在黃土地區(qū)的研究表明,磁化率與溫度和降水呈線性關(guān)系。呂厚遠(yuǎn)提出了磁化率對溫度和降水量的四次回歸方程：Ｙ=-2.3731+0.21567Ｘ-1.1053×10-3Ｘ2+2.7069×10-6Ｘ3-2.6525×10-9Ｘ4式中:Ｙ為年平均氣溫;Ｘ為磁化率值。Ｙ=-22.706+11.554Ｘ-6.7166×10-2Ｘ2+1.8684×10-4Ｘ3-1.9264×10-7Ｘ4式中:Ｙ為年平均降水量;Ｘ為磁化率值。粒度要點(diǎn)：圖例:1-黃土,2-過渡層,3-弱成壤黃土,4-古土壤,5-表土岐山五里鋪全新世黃土剖面粒度分析結(jié)果[3]作為一種風(fēng)塵組分為主的堆積，我國黃土堆積主要與冬季風(fēng)環(huán)流的搬運(yùn)密切相關(guān)。因此黃土可以作為反映東亞冬季風(fēng)變化的標(biāo)志，而冬季風(fēng)的進(jìn)退可能與全球環(huán)境的劇烈變化相關(guān)。在260萬年前后黃土堆積取代紅粘土堆積標(biāo)志著現(xiàn)代冬季風(fēng)環(huán)流體系的建立；黃土分布范圍的擴(kuò)大則表明了冬季風(fēng)影響范圍與冬季風(fēng)勢力和增強(qiáng)。在不同的環(huán)境下形成的土壤（黃土也可視為一種古土壤）是由許多大小不同的土粒按不同的比例混合而成的。我國的土粒劃分一般是：1～0.05mm是砂粒；0.05～0.005mm是粉砂粒；<0.005mm是粘粒。它們組成的土壤的粗細(xì)程度用粒度表示。粒度的大小反映了風(fēng)力搬運(yùn)的強(qiáng)度差別。在同一土壤剖面中，古土壤層的粒度較黃土層細(xì)。在成土作用下形成的古土壤層中粘粒的含量高，在風(fēng)塵堆積作用下的黃土層中粘粒的含量較低；粉砂的含量相反，在黃土層中較高，而在古土壤層中較低。根據(jù)這樣的規(guī)律，粘粒所占比例較低的層位形成時(shí)期的環(huán)境可能是以風(fēng)塵堆積為主，而粘粒所占比例較高的層位形成時(shí)期的環(huán)境可能是以成壤化作用為主。因此，黃土——古土壤剖面序列的粒度變化就指示了搬運(yùn)粉塵動(dòng)力的變化和沉積環(huán)境的變化。上圖是通過對黃土剖面進(jìn)行粒度分析而得出的曲線圖。粒度的變化不僅可以反映同一個(gè)剖面不同層位的環(huán)境變化，而且它的指示意義還在于可以指示不同的區(qū)域。在黃土高原的南部和東部主要反映風(fēng)力強(qiáng)度的變化，而在黃土高原的北部和西部則與作為物源區(qū)的沙漠的進(jìn)退有密切的關(guān)系。不論是黃土層，還是古土壤層，粒度從北向南的降低幅度均較大，其中黃土層中粒度的降低幅度大于古土壤層，它表明無論是冷期還是暖期，粉塵物質(zhì)在空間受風(fēng)搬運(yùn)過程中，均有一個(gè)粒度分異過程。在同一個(gè)剖面中不同層位的粒度差異可能與成壤作用的次生粘土礦物的形成有關(guān)，而在不同區(qū)域的粒度的指示作用可能與不同粒度的顆粒的沉積順序不同。要點(diǎn)：在沉積學(xué)研究中，廣泛采用粒度分布的正態(tài)概率累積曲線來分析碎屑沉積的的形成環(huán)境，以區(qū)分不同介質(zhì)和動(dòng)力條件下搬運(yùn)和沉積的粒度組成。沉積物的粒度成分出于搬運(yùn)方式的不同可分為懸移、躍移和推移三個(gè)粗細(xì)不同的組分。每一種組分中，粒度分布都自成對數(shù)正態(tài)分布。因此整個(gè)樣品的粒度分布在正態(tài)概率累積曲線上顯示為幾個(gè)直線段。其中粒粒段反映推移組分；中粒段反映躍移組分；細(xì)粒段反映懸移組分。各個(gè)線段的斜率反映了相應(yīng)組分的分選性。斜率越大，分選性越好。兩個(gè)直線段的交點(diǎn)稱為截點(diǎn)。截點(diǎn)所對應(yīng)的·值粒徑分別標(biāo)志了懸移組分的上限粒徑與推移組分的下限粒徑。一個(gè)沉積樣品可以由一種、二種、三種搬運(yùn)方式中沉積下來的混合物構(gòu)成，因而它們的概率累積曲線可以表現(xiàn)為單一的直線段或二個(gè)、三個(gè)直線段構(gòu)成。一般對應(yīng)于黃土來說，粗粒端截點(diǎn)則是懸浮組分與一些飄塵組分的分界點(diǎn)元素分布要點(diǎn)：常量元素黃土的礦物組成主要是石英、長石、粘土礦物和碳酸鹽[46]，其化學(xué)風(fēng)化過程主要是碳酸鹽的淋失，硅酸鹽礦物沒有發(fā)生明顯的遷移[17]。Si和Al是硅酸鹽礦物的主要組成部分，在風(fēng)化過程中屬于相對穩(wěn)定的元素。Al在表生環(huán)境中，即使經(jīng)風(fēng)化作用被解析出來，大部分Al也只是轉(zhuǎn)變?yōu)榇紊恼惩恋V物而不像Ca那樣發(fā)生淋失[47]。Fe、Ti同樣在黃土形成過程中表現(xiàn)出穩(wěn)定的表生行為。Ti一般難以形成可溶性化合物。Fe則只有在強(qiáng)酸性條件下才發(fā)生淋溶遷移[47]，而黃土高原黃土堆積環(huán)境基本處于弱堿性氧化環(huán)境，不利于Fe的遷移。K、Na元素也分布于硅酸鹽礦物中，被風(fēng)化解析出來后，易受到粘粒的置換、吸附[21]。但K、Na的遷移能力在表生環(huán)境中是不同的。Na是化學(xué)性質(zhì)活潑的元素，在暖濕氣候條件下最容易產(chǎn)生淋溶遷移[48]。K離子半徑（1.33?）大于Na（0.97?），這使得K不僅是黃土中主要粘土礦物伊利石的組成元素之一，也更易于粘粒吸附[49]。K相對富集，其變化趨勢受到粘粒含量的影響，與成壤強(qiáng)度正相關(guān)。因此，Na的遷移與K的聚集代表了相對溫暖濕潤的環(huán)境。如上所述，黃土的化學(xué)風(fēng)化過程主要是碳酸鹽類的淋失，Ca、Mg主要賦存在碳酸鹽礦物中，微量元素Sr則主要分散在含Ca礦物中。碳酸鹽礦物的淋失與氣候尤其是降水量有直接的關(guān)系。因此，反應(yīng)比較靈敏。在氣候干冷、降雨量小、風(fēng)化成壤作用弱的條件下，它們可在黃土中穩(wěn)定存在，含量較高；相反，如氣候濕熱，降雨量大，風(fēng)化成壤作用強(qiáng)，則它們極易被淋濾遷移而使含量相對虧損。對同一剖面而言，Ca、Mg、Sr的虧損量與當(dāng)時(shí)的平均降雨量基本成正比[40~41]。理論上講，Ca、Sr應(yīng)是同步變化的，但在風(fēng)化過程中，Ca的淋溶淀積始終受控于碳酸鹽礦物，遷移強(qiáng)度受降水量的控制[50]，在水分下滲過程中，溶解態(tài)物質(zhì)因過飽和而逐漸發(fā)生不同程度的淀積，即次生碳酸鹽的富集。盡管Sr與Ca地球化學(xué)行為相似，但Sr隨水遷移時(shí)表現(xiàn)出典型的分散性，大部分被遷移帶走，只有少量隨Ca向下部層位淀積[50]。Sr在原生碳酸鹽中含量較高，在次生碳酸鹽中較低[51]，這可能正與其分散性有關(guān)。因此在本節(jié)對常量元素的討論中加入微量元素Sr作為比較，同時(shí)，磁化率作為夏季風(fēng)強(qiáng)度和降水的敏感代用指標(biāo)也在此作為重要的參考數(shù)據(jù)出現(xiàn)，微量元素元素在風(fēng)化成壤過程中的遷移與聚集不僅與黃土母質(zhì)中礦物成分、粒度有關(guān)，而且與其形成后的氣候環(huán)境和生物地球化學(xué)過程有關(guān)。微量元素Cu、Mn、Zn等在偏堿性偏氧化性的黃土形成環(huán)境中一般不易發(fā)生遷移。同時(shí)，研究結(jié)果證實(shí)[14,19,34,52~55]，成壤過程中生物活動(dòng)特別是植物的生長可以造成某些元素在土壤表層進(jìn)行一定程度的聚集。Cu、Mn、Zn是植物生長必需的微量元素，植物能從土壤中吸收一定量的Cu、Mn、Zn，并隨枝葉落在地表而在表層相對富集。此外，游離的Cu、Mn、Zn又易被粘土礦物、有機(jī)質(zhì)所吸附，而土壤中的粘土和有機(jī)質(zhì)與風(fēng)化成壤強(qiáng)度呈正相關(guān)。顯然，植物生長量和風(fēng)化成壤強(qiáng)度直接影響著這些元素在土壤中的富集強(qiáng)度。即植被越茂盛，生物地球化學(xué)和風(fēng)化成壤作用越強(qiáng)烈，Cu、Mn、Zn在土壤層相對富集程度就越高；相反，植被稀少，風(fēng)化成壤作用弱，這些元素在土壤層相對富集程度就越低。在風(fēng)化成壤過程中，Rb、Sr的地球化學(xué)行為不同，Rb/Sr比值大小與風(fēng)化程度呈明顯的正相關(guān)關(guān)系[17,34,56]。由于Rb的離子半徑較大，具有較強(qiáng)的被吸附性能，被粘土礦物吸附而保留在原位；相比之下離子半徑較小的Sr則主要以游離態(tài)形式被地表水或地下水帶走，造成風(fēng)化產(chǎn)物中Rb/Sr比值升高[25,28,57]。Rb/Sr大小實(shí)際上反映了降水量的變化，指示了成壤作用的強(qiáng)度。降水量的增加會促進(jìn)植被發(fā)育，生物風(fēng)化作用增強(qiáng)，導(dǎo)致土壤的淋溶作用加強(qiáng)，可溶物質(zhì)的遷移加劇，Rb/Sr比值升高；反之，降水量的減少會導(dǎo)致地表植物量的降低，可溶物質(zhì)在土壤中富集，Rb/Sr比值則會降低。土壤中P的存在形式，除生物有機(jī)磷化合物以外，主要是以磷灰石為代表的磷酸鹽礦物以及吸附態(tài)的磷酸根離子為主。磷灰石的穩(wěn)定程度介于黑云母和長石之間，屬于較易風(fēng)化的礦物；同時(shí)在堿性土壤中Ca、Mg化合物對P有吸附和固定的作用，尤其是磷酸根離子可以單分子形式沉淀在CaCO3的表面與之結(jié)合形成難溶化合物而使其固定。這說明，淋溶強(qiáng)度和CaCO3的含量是土壤中P虧損的影響因素。但另一方面，有研究表明土壤中的全磷量與有機(jī)質(zhì)含量成正相關(guān)關(guān)系[58]。腐殖質(zhì)的灰分中含有高達(dá)3.3﹪的P2O5，可見其對P有強(qiáng)烈的吸附作用。因此，作為植物生長所需最重要的營養(yǎng)元素之一，P在土壤中的含量主要受到生物積累和淋溶作用的雙重影響，兩者的相對強(qiáng)度決定了土壤中全磷量的變化。有機(jī)碳、碳酸鈣、燒失量要點(diǎn)：盡管CaCO3的成因和存在比較復(fù)雜，其仍可用于黃土剖面中指示氣候的變化。黃土中所含有的CaCO3主要是黃土化過程和古土壤形成過程中形成的次生碳酸鈣。它的含量的變化可以反映氣候的干濕變化。一般黃土中的CaCO3淋濾和鐵鋁富集呈正相關(guān)[4]，在溫暖氣候階段古土壤層中的鐵鋁含量高，CaCO3含量低；干冷階段黃土層中的CaCO3含量較高，而鐵鋁含量較低。即在黃土層中的CaCO3含量高，而在古土壤層中的CaCO3含量較低。除此之外，還可以用土壤中次生碳酸鈣的碳氧同位素來恢復(fù)古環(huán)境。盛雪芬等根據(jù)對黃土和古土壤中＜2μm粒級中的碳酸鹽與蝸牛殼及根狀結(jié)核碳酸鹽碳氧同位素的比較認(rèn)為＜2μm粒級組分可代表次生碳酸鹽(成壤碳酸鹽)。次生碳酸鹽的碳氧同位素δ13C、δ18O分別與生成時(shí)期的植物組成類型及大氣降水有關(guān)。盛雪芬等在論述這個(gè)問題時(shí)通過陸生蝸牛殼的碳氧同位素來說明。她認(rèn)為：生物與周圍環(huán)境處于同位素平衡狀態(tài)，因此在成壤過程中，環(huán)境碳氧同位素信息可記錄在腹足類動(dòng)物如陸生蝸牛殼碳酸鹽中并保存在相應(yīng)的沉積層位。陸生蝸牛是一種食草軟體動(dòng)物，殼體碳酸鹽的碳同位素主要與其所食的植物碎片有關(guān)。對一系列的生長在半干旱——干旱地區(qū)的一些蝸牛進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)蝸牛殼的δ13C值與其生存區(qū)域的植被類型有關(guān)，在C4植物生長區(qū)域蝸牛殼的δ13C值比較高（陸生的植物依據(jù)光合作用的途徑不同可區(qū)分為Ｃ3、Ｃ4和ＣＡＭ植物,Ｃ3植物具有明顯的植物類型、生物量及地理分布上的優(yōu)勢，其發(fā)育的條件是氣候溫暖濕潤，降雨量充沛，土壤的呼吸率高;Ｃ4植物能適應(yīng)較高溫度和干旱環(huán)境,只有在強(qiáng)光照條件下才顯示出一定的優(yōu)勢;ＣＡＭ植物選擇極干燥的環(huán)境,僅存在于少數(shù)高等植物類型[9]。）。而且由于蝸牛生長時(shí)暴露在大氣中，其氧同位素比值主要與大氣降水的δ18O值及降水量的大小有關(guān)[11]。至于土壤中的次生碳酸鹽碳氧同位素比值的大小與古環(huán)境之間有什么的聯(lián)系還要進(jìn)一步的研究。同時(shí)陳駿對采自洛川、西峰和段家坡剖面中的S1古土壤中的次生碳酸鹽膠膜進(jìn)行碳氧同位素分析表明：土壤中的碳酸鹽的δ13C分布實(shí)際上取決于土壤大氣中的CO2的組成。進(jìn)而取決于C3和C4型植被比例。研究表明，在100%C4型植被條件下形成的土壤碳酸鹽其δ13C值為+1‰，而100%C3型植被群落平衡的土壤碳酸鹽δ13C值為—12‰。按此模式可以計(jì)算出S1古土壤碳酸鹽所代表的古植被類型組合。而根據(jù)S1古土壤中的碳酸鹽氧同位素δ18O的值可以估算出與S1古土壤碳酸鹽平衡的大氣降水的δ18O的平均值。而大氣降水中的同位素與降水量有關(guān)。表現(xiàn)在為雨水的δ值與平均降雨量呈負(fù)相關(guān)。古土壤中的δ18O值重則表明了古降水量偏少的氣候特征[12]。燒失量主要是指樣品經(jīng)過高溫灼燒后失去的質(zhì)量這就是燒失量。對于黃土部面的樣品來說，經(jīng)過灼燒后，里面的有機(jī)質(zhì)會失去，一般在600度灼燒6個(gè)小時(shí)左右會失去絕大多數(shù)的有機(jī)質(zhì)，但各家的研究不同。在1000度左右灼燒會失去無機(jī)碳酸鹽，所以我們一般做的是400度燒上四個(gè)小時(shí)，燒失量即失去的量中包括了有機(jī)質(zhì)，如果溫度高在900度以上，可能還包括了碳酸鹽，還有粘粒的結(jié)晶水。燒失量即失去的量中包括了有機(jī)質(zhì)，如果溫度高在900度以上，可能還包括了碳酸鹽，還有粘粒的結(jié)晶水400度燒時(shí)，失去的主要是有機(jī)質(zhì)的結(jié)晶水。黃土部面中，成壤作用不同，有機(jī)質(zhì)含量不同，結(jié)晶水與粘粒的含量成正比，解釋就是：成壤作用強(qiáng)時(shí)，有機(jī)質(zhì)含量高，粘粒含量高，燒失量一般較大，成壤作用弱時(shí)，有機(jī)質(zhì)含量低，粘粒含量低，燒失量一般較小，與TOC變化曲線一致的土壤微結(jié)構(gòu)要點(diǎn)：土壤微形態(tài)即是用顯微鏡方法研究土壤，是野外土壤剖面形態(tài)研究的延續(xù)，它的核心研究內(nèi)容是土壤微結(jié)構(gòu)，包括粗顆粒、細(xì)土物質(zhì)和孔隙及空間排列!微結(jié)構(gòu)類型等。通過微形態(tài)研究，能夠看到那些組成土壤微固相物質(zhì)的全部相關(guān)分布型式、形狀和大小、物質(zhì)成分，以及各種孔隙的外形和大小，全部土壤組成分之間的數(shù)量比。它能夠直接反映土壤形成發(fā)育程度和土壤組成、物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化過程，可以直接記錄土地利用方式和程度對土壤結(jié)構(gòu)的影響信息。因此，在研究土地利用變化時(shí)，土壤微形態(tài)研究有其不可替代的優(yōu)勢。黃土沉積的其他指標(biāo)：孢粉分析、木炭屑分析、土壤微形態(tài)分析、碳氧同位素的分析……………….要點(diǎn)：孢粉分析（sporo-pollenanalysis）是通過鑒別埋藏在沉積物中的孢子花粉，來推論過去一定時(shí)期的植被特征和氣候狀況。植物釋放出的大量孢粉除少部分起到繁殖作用外，其余大部分都降落在植株附近的土壤中，有的則隨風(fēng)飛揚(yáng)一定的距離再降落下來，這就是所謂的”花粉雨”（pollenrain）。落地的孢粉有的被埋在土壤中或泥炭層中，有的則被雨水沖刷搬運(yùn)沉積在河流沉積物、湖泊沉積物中。孢粉含有成分復(fù)雜的花粉素，因在埋藏后不會腐爛，大都完整地保存下來成為化石孢粉。由于孢粉可以被大氣和流水搬運(yùn)很長的距離，所以多數(shù)的土壤和水域沉積物中即有當(dāng)?shù)氐逆叻鄢煞钟钟型鈦淼某煞?。G.Jacobson和R.Bradshaw研究建立了沉積物中孢粉來源與流域大小關(guān)系的模式。它表明直徑小于100m的盆地，孢粉中的50%到70%來自于本地區(qū)；當(dāng)直徑大于1000m時(shí)僅有15%的孢粉來自于本地區(qū)和附近的區(qū)域，其余則是外源成分。在利用孢粉恢復(fù)古氣候環(huán)境時(shí)要對區(qū)域的代表性及區(qū)域的地貌、土壤、孢粉傳播路徑和來源區(qū)進(jìn)行分析。在環(huán)境變遷的研究中，將孢粉分析方法用于封閉的不流域研究，由此可以獲取區(qū)域代表性的孢粉譜（pollendiagrams），在剖面上采樣要盡可能地密集，以提高時(shí)間分辨率。對沉積物樣品在室內(nèi)要通過重液懸浮集中或溶礦法獲取孢粉樣品。在顯微鏡下進(jìn)行的孢粉鑒定通常只能到植物的科或?qū)?。利用孢粉分析植被和環(huán)境，注重的是孢粉的組合，而不是片面的強(qiáng)度個(gè)別的孢粉成分。如云彬、冷彬的孢粉組合反映了寒溫帶針葉林的環(huán)境；八瓣仙女木、極地柳、矮樺、對葉虎耳草、半日花、蒿屬和藜組合的出現(xiàn)，反映了冰期中極地苔原類型的植被。冰芯極地冰蓋和中緯度高山冰川地區(qū)，冰雪終年不化，每年積累的雪最終轉(zhuǎn)換成冰，形成一個(gè)年層。從這些地區(qū)獲取的冰芯是高分辨率地記錄全球環(huán)境變化的主要信息載體之一要點(diǎn)：極地冰蓋和中緯度高山冰川地區(qū)，冰雪終年不化，每年積累的雪最終轉(zhuǎn)換成冰，形成一個(gè)年層。從這些地區(qū)獲取的冰芯是高分辨率地記錄全球環(huán)境變化的主要信息載體之一。主要記錄之一就是氧同位素比率δ18O。當(dāng)從水面蒸發(fā)時(shí)，含有18O的重分子水不易蒸發(fā)，而當(dāng)水汽凝結(jié)時(shí)含有18O的水分子比含有16O的水分子更易于凝結(jié)，剩余在水汽中的H218O更少。因而陸地水體中的18O/16O均小于標(biāo)準(zhǔn)大洋水中的18O/16O值。離海洋蒸發(fā)源越遠(yuǎn)，水體中的18O/16O值越小，δ18O負(fù)值越大。蒸發(fā)和凝結(jié)作用均與溫度有關(guān)，因此δ18O與溫度之間存在著一定的關(guān)系，它的值反映了冰蓋上空水汽凝結(jié)成雪時(shí)的氣溫變化，成雪時(shí)氣溫越低，18O的含量就越小。研究表明，溫度每降低1℃，δ18O在格陵蘭地區(qū)降低0.70‰，在南極地區(qū)降低0.75‰，在青藏高原北部降低0.65‰，根據(jù)這種關(guān)系，可以由冰芯中的δ18O值推斷溫度的變化。同樣冰面的溫度會影響冰晶的生長，因此也可以根據(jù)冰芯中的冰晶的生長形態(tài)來推斷溫度的變化。此外，從冰芯中還能提取許多其它的信息。冰川的凈累積率可以作為降水量變化的指標(biāo)；冰芯中包裹的氣體記錄著氣泡生成時(shí)的大氣成分；如：南極東方站(Ｖｏｓｔｏｋ)冰芯是目前所獲取的時(shí)序最長的冰芯,可將大氣中ＣO2濃度記錄追溯到16萬年前，該冰芯研究顯示,末次冰期旋回中ＣＯ2濃度在(190～280)×10-6,而且ＣＯ2濃度在暖期內(nèi)高、冷期內(nèi)低[10]。冰芯中的化學(xué)成分和微粒含量記錄著當(dāng)時(shí)大氣氣溶膠的狀況，以及地球沙漠化和大氣環(huán)流的強(qiáng)度，如冰芯中的K+、Na+、Ca2+、Mg2+、NO-3、SO2-4和Cl-等離子能提供環(huán)境信息以恢復(fù)研究地區(qū)的古環(huán)境,但其研究結(jié)果也間接地含有氣候信息。Pb2+、Zn2+、Cu2+、Cd2+等離子能夠提供人類活動(dòng)對環(huán)境的影響[5]；冰芯中的有機(jī)物質(zhì)記錄了當(dāng)時(shí)的生物地球化學(xué)循環(huán)過程，冰芯中用于氣候和環(huán)境研究的生物有機(jī)質(zhì)主要有孢子花粉、碳黑、有機(jī)氣體、可溶有機(jī)質(zhì)、顆粒有機(jī)質(zhì)以及有機(jī)污染物。甲酸和乙酸是廣泛存在于大氣圈對流層內(nèi)的化學(xué)成分,其濃度的高低與氣候的暖冷相對應(yīng)。冰芯中的甲酸、乙酸和甲基磺酸(MSA)（一種說法是甲基碘酸[5]）是研究得最多的有機(jī)質(zhì),它們具有敏感的氣候指示意義。研究表明，冰芯中的,甲酸和乙酸的峰值多出現(xiàn)在低粉塵季節(jié),對應(yīng)于夏季。而ＭＳＡ的峰值在夏末秋初[10]。冰芯中有機(jī)污染物和碳黑（一種說法是黑碳[5]）的研究可以揭示人類活動(dòng)對環(huán)境的影響。冰芯中可溶有機(jī)質(zhì)的研究則可提供重要的環(huán)境追蹤手段——環(huán)境分子標(biāo)志化合物[5]；冰芯中的火山灰和強(qiáng)酸信號則記錄了火灰活動(dòng)的歷史；冰芯中的10Be等放射性同位素含量的變化反映了宇宙射線強(qiáng)度、太陽活動(dòng)和地磁場強(qiáng)度變化的歷史。冰芯中的物質(zhì)平衡也可以反映古氣候：冰心中物質(zhì)平衡的高值對應(yīng)于冷濕和暖濕的氣候,而低值對應(yīng)于冷干和暖干的氣候[5]。深海沉積要點(diǎn)：大洋的沉積主要可以分為淺海大陸沉積、板塊復(fù)合帶的海溝或前陸盆地沉積，以及深海沉積。只有數(shù)十米深的大陸架是第四紀(jì)冰期——間冰期海面變化影響所能到的地區(qū)，其上的淺海沉積物主要是由大江、大河所搬運(yùn)的陸源物質(zhì)。從淺海沉積物中不但可以獲得海面變化、淺海地區(qū)的溫度等信息，而且可以獲取一定的有關(guān)陸上的環(huán)境變化的信息。如通過對海岸帶的海侵（transgression）與海退(regression)的研究可以了解曾經(jīng)發(fā)生的海平面的升降狀況。海平面的相對變化對氣候的變化比較敏感而有可能對應(yīng)著氣候的巨大變化。大幅度的海平面變化與冰期、間冰期這樣大幅度氣候變化相聯(lián)系著的。在冰期中，氣候寒冷，陸地形成大規(guī)模的冰川，大量的水以固態(tài)形式存在陸地上，不再返回海洋，海水蒸發(fā)損失得不到補(bǔ)充，引起海平面的下降即海退。在間冰期，氣候相對溫暖，冰川融水返回海洋使海平面升高。根據(jù)對我國東部沿海平原和海域進(jìn)行鉆探調(diào)查的結(jié)果表明，我國東部第四紀(jì)時(shí)期共發(fā)生過12次海侵（包括汾渭盆地的海相層）。對這些埋藏的海相地層中的有孔蟲化石生物群進(jìn)行研究可以確定其海洋沉積環(huán)境及其氣候狀況。在這些海相地層中，有孔蟲化石以暖水卷轉(zhuǎn)蟲（Ammoniatepida）占優(yōu)勢，表明古海水溫度高，屬于間冰期（間冰階）氣候類型。深海沉積因其沉積連續(xù)性好而能建立連續(xù)的、能反映全球變化的時(shí)間序列。在遠(yuǎn)離大陸的大洋中心地區(qū)的深海沉積中，陸源物質(zhì)很少，主要來自風(fēng)塵堆積，其主要成分是微細(xì)的粘土、生物和化學(xué)成因的軟泥。在大于63μｍ的砂質(zhì)顆粒中，除主要成分是有孔蟲和藻類的殘?bào)w外，還有由風(fēng)力從陸地吹揚(yáng)搬運(yùn)來的塵砂和火山灰砂。如果在大洋區(qū)追溯過去某一時(shí)代的這種塵砂分布狀況，可以了解當(dāng)時(shí)的盛行風(fēng)向及其路徑和影響范圍。根據(jù)深海沉積中碎屑物質(zhì)的含量及分布能夠獲取有關(guān)大氣環(huán)流狀況、大氣中塵埃物質(zhì)的含量等信息。在深海沉積剖面中塵砂相對豐度的變化可以重建該區(qū)域季風(fēng)的活動(dòng)歷史。而冰期對應(yīng)著陸源塵砂豐度的增加，表明來自內(nèi)陸的干冷氣流非?；钴S。海洋中浮游微體生物骨骼的富集在深海沉積過程中具有主導(dǎo)地位，由有孔蟲、放射蟲等微體古生物的組合或物征種屬的含量可以對古水溫、古鹽度等環(huán)境特征進(jìn)行推斷。在進(jìn)行環(huán)境變化研究中廣泛使用的是氧同位素。利用有孔蟲的碳酸鹽介殼的18O/16O值能夠定量地反映全球溫度變化及冰量變化的特征。其基本原理是，自然界存在著18O，17O，16O三種同位素，其中以18O為主，17O的含量極小，18O的比例為0.2℅。18O屬于穩(wěn)定同位素，其含量比例不隨時(shí)間變化，但水的相態(tài)發(fā)生變化時(shí)會影響到氧同位素的含量。所以，18O的含量變化與溫度有關(guān)。在水的蒸發(fā)過程中，H218O的逸出速度比較慢，相對的H216O分子比H218O分子更易于蒸發(fā)。所以，水汽中的18O的含量要比水中小一些。在寒冷的冰期里，大陸冰蓋擴(kuò)展，大量的低18O含量的淡水被固定的冰蓋中不能回來大洋，大洋中的18O的含量顯著增高，由于有孔蟲介殼中的CO32-與大洋中的CO32-之間處在一定的平衡狀態(tài)，因此介殼中的18O也相應(yīng)的增高。另一方面，在有孔蟲介殼體的CO32-與周圍海水中的氧同位素進(jìn)行交換過程中，18O進(jìn)入到CO32-中的比重受到溫度的影響：水溫增高，碳酸鹽溶解度降低，濃集效應(yīng)降低；水溫降低，濃集效應(yīng)增高。兩種影響的效應(yīng)是同向的，都是低溫時(shí)18O/16O增大，保存在有孔蟲殘骸中的δ18O值是兩種效應(yīng)的疊加，其中后者比前者可能更加顯著。以現(xiàn)在平均大洋水中的18O/16O（SMOW）值比標(biāo)準(zhǔn)，可以計(jì)算不同時(shí)期沉積物中有孔蟲殘骸樣品中的18O/16O（S）值與標(biāo)準(zhǔn)值的差值δ18O[1]；δ18O=[18O/16O（S）—18O/16O（SMOW）]÷[18O/16O（SMOW）]×1000‰。根據(jù)δ18O值的變化可以計(jì)算出有孔蟲生存時(shí)期的溫度，也可以對全球冰量的變化進(jìn)行推斷。Epstein(1953)通過大量的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)有孔蟲介殼中的δ18O值與海水溫度的關(guān)系，即δ18O值增加1‰，相當(dāng)于海水溫度降低大約4.3℃。世界各大洋沉積中，δ18O的值變化在-2.5～3.5之間[2]。有關(guān)氧同位素方法的理論是HaroldUrey(1947)提出來的。美國學(xué)者CesareEmiliani在1955年對加勒比海深海巖芯中有孔蟲δ18O作了研究，根所δ18O的曲線變化發(fā)現(xiàn)過去70萬年有7個(gè)間冰期與冰期旋回。在被喻為“Rosettastone”太平洋深海巖芯V28—238的氧同位素氣候曲線也證實(shí)了第四紀(jì)以來的氣候的旋回變化[2]。末次間冰期以來，氣候的變化在δ18O曲線上的反是δ18O值以不同的幅度的變化，有一定的周期性規(guī)律和突變。樹木年輪在一定的土壤和光照條件下，影響樹木生長的主要是溫度和水分。溫暖或濕潤的環(huán)境下，樹木生長快，細(xì)胞大而細(xì)胞壁薄，形成的年輪較寬；寒冷或干燥的環(huán)境下樹木生長緩慢，細(xì)胞小而且細(xì)胞壁厚，形成較窄的年輪。環(huán)境變化所引起的樹木年輪寬度變化反映的是對樹木生長限制最大的環(huán)境因子的變化。如在溫度起主導(dǎo)作用的森林北界或山地森林上限地區(qū)，低溫年分年輪窄，高溫年分年輪寬；在水分條件作為限制因子的干旱