李軍，黃成敏，劉艷梅

①蘭州城市學(xué)院 地理與環(huán)境工程學(xué)院，蘭州 730070；②四川大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程系，成都 610065

近百年來，全球氣候變暖引發(fā)的兩極冰川消融、海平面上升、極端干旱和炎熱氣候災(zāi)害事件頻發(fā)等環(huán)境變化問題深刻影響著人類社會和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[1-2]。為應(yīng)對全球環(huán)境變化的挑戰(zhàn)，人類需要對地質(zhì)歷史時期地球演化及其環(huán)境效應(yīng)有更加深入的了解，以便更科學(xué)、合理地預(yù)測和應(yīng)對未來全球變化，服務(wù)于人類文明的可持續(xù)發(fā)展。然而，相較于全球變化研究豐富的第四紀(jì)時期，涉及“深時”時期的全球變化研究則相對較少?！吧顣r”研究(deep time research：前第四紀(jì)地質(zhì)記錄的研究)旨在探索深時全球變化，從地球演化的宏觀尺度上了解全球氣候變化過程、地表各圈層與氣候變化之間的相互關(guān)系，可為洞悉未來全球變化提供科學(xué)依據(jù)[3-4]。特別是“深時”時期的大氣CO2、溫度、降水等古環(huán)境與氣候參數(shù)變化及其驅(qū)動過程研究，對于如何面對和解決當(dāng)代及未來全球變暖有重要的啟迪作用[5-6]。

深時古土壤是指形成于前第四紀(jì)時期自然景觀下的已經(jīng)巖化或石化且被上覆地層疊置的土壤，既是深時陸地表層系統(tǒng)的重要組成部分，也是研究全球變化的重要載體之一[7-8]。與巖溶石筍、黃土等其他地質(zhì)載體一樣，它們具有信息量豐富、連續(xù)性好、分布廣泛等特點，能有效反映其形成過程中的氣候環(huán)境自然變化信息[8-9]。因此，深時古土壤的識別和研究對于探索“深時”時期地球陸地表層系統(tǒng)景觀變化、地球關(guān)鍵帶特征、氣候演變、大氣CO2和O2含量變化，以及揭秘“深時”重要地質(zhì)氣候事件具有重要的科學(xué)意義[4,10-12]。本文就深時古土壤研究的最新應(yīng)用進(jìn)行闡述與總結(jié)，為進(jìn)一步深化深時古土壤研究在當(dāng)代地球系統(tǒng)科學(xué)中的應(yīng)用和更好地理解深時地球環(huán)境演變提供借鑒與證據(jù)。

1 深時古土壤的特征與鑒別

深時古土壤是前第四紀(jì)時期的風(fēng)化殼或風(fēng)化堆積物與有機(jī)質(zhì)原位變化的產(chǎn)物[7-8,10]。因漫長地質(zhì)歷史時期的變質(zhì)和成巖作用，其原有的部分成土特征被掩蓋和損壞，從而造成它在野外巖石地層中不易與沉積巖區(qū)分。深時古土壤與沉積巖最鮮明的區(qū)別在于深時古土壤仍保留有土壤發(fā)生學(xué)的基本特征，如土壤發(fā)生層和土壤結(jié)構(gòu)等(圖1)，而沉積巖則具有層理、波痕、泥裂、縫合線、印模等常見的沉積構(gòu)造。

圖1 現(xiàn)代土壤與第四系、深時古土壤剖面特征：(a)現(xiàn)代土壤與被埋藏的第四系古土壤剖面(四川涼山)；(b)深時古土壤蟲孔痕跡(四川綿陽，白堊系七曲寺組，黃色箭頭)；(c)深時古土壤根系(四川雅安，白堊系灌口組，黃色箭頭)；(d)深時古土壤塊狀結(jié)構(gòu)(四川雅安，白堊系灌口組)；(e)深時古土壤根系(黃色箭頭)與碳酸鹽結(jié)核(四川達(dá)州，侏羅系沙溪廟組，紅色箭頭)。圖中地質(zhì)錘長為～28 cm，筆長為～14 cm，硬幣直徑為～1.9 cm

土壤發(fā)生導(dǎo)致土壤垂直層次結(jié)構(gòu)的分異是土壤剖面形成的主要標(biāo)志，也是辨識深時古土壤的重要依據(jù)[10,13-14](圖1)。一般情況下，土壤顏色、質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、新生體和緊實度等形態(tài)特征是識別土壤發(fā)生層次的主要依據(jù)。深時古土壤發(fā)生層次的劃分通常沿用現(xiàn)代土壤發(fā)生學(xué)特征，也可分為腐殖質(zhì)層(A)、淋溶層(E)、淀積層(B)、母質(zhì)層(C)和母巖層(R)(圖1)。土壤的淀積層是一個發(fā)育完整的土壤剖面必備的重要土層，在土壤分類時，常常作為診斷層，而且依據(jù)淀積物質(zhì)的種類又可進(jìn)一步細(xì)分為黏粒淀積層(Bt)、碳酸鹽淀積層(Bk)、潛育層(Bg)、石膏淀積層(By)等多個亞層。在野外巖石地層或露頭中，大部分深時古土壤剖面為腐殖質(zhì)層(A)與淀積層(B)，部分土壤剖面只有淀積層(B)和母質(zhì)層(C)(圖1)，極少數(shù)深時古土壤剖面具有完備的腐殖質(zhì)層(A)、淀積層(B)、母質(zhì)層(C)和母巖層(R)。此外，由于長期出露地表或在埋藏條件下經(jīng)壓實、膠結(jié)和成巖作用，深時古土壤還會出現(xiàn)表土層缺失或產(chǎn)生土壤層重疊(A層和B層)的現(xiàn)象[15]。

土壤結(jié)構(gòu)是指土粒相互團(tuán)聚成一定形狀和大小且性質(zhì)不同的土壤結(jié)構(gòu)體。雖然深時古土壤因固結(jié)成巖作用，其形態(tài)特征發(fā)生了一定的變化，但仍保留有一定的土壤結(jié)構(gòu)體特征[9-10,16]。團(tuán)粒狀、透鏡狀、楔狀、塊狀、片狀、棱柱狀、圓柱狀、整塊狀結(jié)構(gòu)體為深時古土壤野外剖面中常見的土壤結(jié)構(gòu)形式[10,17]。除土壤發(fā)生層和土壤結(jié)構(gòu)之外，同現(xiàn)代土壤一樣，以樹樁、根模或根圈的形式存在的根系結(jié)構(gòu)，蟲孔、生物洞穴、潛穴等生物活動遺跡以及因成壤碳酸鹽淀積而形成的碳酸鹽結(jié)核或鈣磐亦是深時古土壤鑒別的主要特征[9-10,16,18](圖1)。然而，并不是所有的深時古土壤都保留有明顯的宏觀根系結(jié)構(gòu)特征，比如形成于前寒武紀(jì)的古土壤，則需借助實驗室?guī)r相分析、微形態(tài)觀察等手段進(jìn)行辨識[19]。

2 深時古土壤與重建古氣候

土壤發(fā)生學(xué)理論認(rèn)為氣候環(huán)境是影響土壤形成的因素之一，即深時古土壤是深時氣候環(huán)境作用下的產(chǎn)物[8,10-11]。以“現(xiàn)在是認(rèn)識過去的鑰匙”為基本思想的“將今論古”研究方法就是利用深時古土壤進(jìn)行古氣候環(huán)境的重建，即以現(xiàn)代土壤發(fā)生特征與成壤環(huán)境關(guān)系為基礎(chǔ)，通過對深時古土壤發(fā)生學(xué)的精細(xì)研究，反演不同類型古土壤的形成環(huán)境。例如，現(xiàn)代干旱土的發(fā)育意味著干旱、半干旱氣候環(huán)境，而發(fā)育深厚的鐵鋁土則代表著炎熱濕潤的氣候特征，深時環(huán)境下亦是如此。

隨著研究的深入，以深時古土壤為載體的古氣候環(huán)境重建研究已趨于成熟且不斷走向精細(xì)化。傳統(tǒng)的表征性和定性描述類比性研究已逐漸被定量化和精細(xì)化研究所取代。定量化研究是以地質(zhì)歷史時期的土壤為代用指標(biāo)，利用“轉(zhuǎn)換函數(shù)法”定量重建歷史時期地表陸相氣候變化，尤以古年均溫度、古年均降水量與古大氣二氧化碳和氧含量重建為主[8,13,16,20-21]，主要有：利用特定類型古土壤的地球化學(xué)特征和氧同位素組成及土壤淀積物質(zhì)深度進(jìn)行古年均溫度與古年均降水的定量重建；基于古土壤成壤碳酸鹽結(jié)核與其有機(jī)質(zhì)的穩(wěn)定碳同位素組成古土壤氣壓計(paleosol barometer)的古大氣二氧化碳濃度重建；以古土壤中氧化還原環(huán)境敏感的元素或其比值的研究來推演古大氣中氧含量的重建。這些定量重建模式已被廣泛應(yīng)用于深時地球古生代、中生代等不同時期或階段的古氣候與古環(huán)境重建[16,20,22-24]。例如：利用深時古土壤對四川盆地中生代(晚三疊世晚期—白堊紀(jì))古溫度和古降水的定量重建顯示四川盆地中生代年均降水量變化較大(145～1 400 mm)，而年均溫度變化幅度相對較小(7～15 ℃)，為理解中生代陸相氣候變化提供了定量氣候數(shù)據(jù)[14]；以上白堊統(tǒng)灌口組古土壤碳酸鹽結(jié)核為研究對象，定量恢復(fù)了馬斯特里赫特期(Maastrichtian)中晚期時的古大氣CO2含量[25]，該時期古大氣CO2含量整體處于較低水平(＜300 ppm，1 ppm = 10-6)(圖2)，與近年來古植物氣孔的重建結(jié)果較為一致[26]；利用古元古界古土壤可以重建古元古代時期大氣中氧含量的變化，其中距今2.46 Ga時為10-7.1～10-5.4atm(1 atm = 101.325 kPa)，2.15 Ga時為10-5.0～10-2.5atm，2.08 Ga時為10-5.2～10-1.7atm，至1.85 Ga時，大氣氧含量超過10-4.6～10-2.0atm，印證了古元古代時期大氣中氧含量增加的趨勢[27]。

圖2 四川盆地晚白堊世馬斯特里赫特期古氣候變化(據(jù)參考文獻(xiàn)[25]修改)

3 深時古土壤與恢復(fù)古景觀

深時古土壤是“深時”時期地表景觀下形成的土壤，必然記錄了形成時期地表的景觀環(huán)境[8,10]。利用深時古土壤恢復(fù)深時古景觀的核心關(guān)鍵在于古土鏈(paleo-catena)。古土鏈?zhǔn)侵冈谝欢▍^(qū)域空間尺度范圍內(nèi)，在成土母質(zhì)、年代和氣候類似或一致的條件下，因地形和排水的差異導(dǎo)致古土壤的成土作用不同，從而發(fā)育有類型不同的古土壤所形成的土壤序列[28](圖3)。實際研究常在區(qū)域局部或盆地尺度范圍內(nèi)，利用古土鏈中不同類型古土壤的空間分布來推斷土壤形成時期的水文、植被、氣候等地表自然景觀變遷[8]。例如在局部尺度范圍內(nèi)，古土鏈中古土壤類型由古新成土的發(fā)育變遷為古干旱土的分布，說明研究區(qū)局部范圍內(nèi)自然植被景觀由草本植物和灌木的廣布演變?yōu)橹脖幌∈璧纳衬蚋珊档墓嗄緟^(qū)。

圖3 理想的深時古土鏈?zhǔn)疽鈭D

近些年來，在局部尺度上重建土壤形成時排水性差異的古景觀研究較多。例如，印度東部地區(qū)發(fā)育自太古界-元古界接觸面的古變性土具有顯著的脹縮成土特征和擠壓微地貌，研究認(rèn)為，區(qū)域古土壤形成于未受地下水影響的非飽和帶(又稱包氣帶)且排水良好、干濕交替的景觀環(huán)境[29]。對美國新澤西州和特拉華州中生代白堊系波托馬克組(Potomac formation)古土壤的成土分析發(fā)現(xiàn)，下白堊統(tǒng)古土壤發(fā)育自排水良好且穩(wěn)定的景觀環(huán)境之中，而上白堊統(tǒng)古土壤則形成于排水良莠不齊且不穩(wěn)定的景觀環(huán)境下，區(qū)域降水量是影響古土鏈中古土壤序列發(fā)育的主要環(huán)境因子[30]。中生代與新生代地層界線也有相關(guān)報道，Wiest等[31]通過對威林斯頓盆地白堊系-古近系界線古土鏈中古土壤序列的顆粒組成、有機(jī)碳和成土特征分析，發(fā)現(xiàn)古土鏈中發(fā)育有淺粉砂質(zhì)古始成土、橄欖綠黏土質(zhì)古變性土和巧克力黏土質(zhì)古變性土，且這三種土壤類型在古土鏈中的分布反映出該土鏈形成時排水性由良好到較差的景觀變遷。

4 深時古土壤與重現(xiàn)古地球關(guān)鍵帶

深時地球關(guān)鍵帶包含前第四紀(jì)(＞2 Ma)時期地球關(guān)鍵帶各種過程和組分的基礎(chǔ)信息，反映了“深時”時期關(guān)鍵帶對氣候變化和構(gòu)造運動的響應(yīng)[32]。深時地球關(guān)鍵帶研究旨在獲取深時地球近地表各圈層演變的歷史，即研究深時地球的古大氣圈演化、古水文循環(huán)過程、古生物圈中動植物和古人類變遷及古巖石圈生物地球化學(xué)過程等科學(xué)問題，其實質(zhì)上為涉及古土壤學(xué)、地質(zhì)學(xué)、水文學(xué)、生態(tài)學(xué)、植物學(xué)等多學(xué)科交叉融合的深時陸地表層系統(tǒng)演化的綜合研究[33]。

古土壤圈為深時地球巖石圈、水圈、生物圈和大氣圈進(jìn)行物質(zhì)遷移、能量交換和信息傳遞的交匯區(qū)域，起著核心與紐帶作用(圖4)。目前，在缺乏深時關(guān)鍵帶觀測站的基礎(chǔ)資料背景下，構(gòu)成深時古土壤圈的古土壤被認(rèn)為是研究深時關(guān)鍵帶的核心和最佳材料[12,33-34]。這是因為深時古土壤是深時地球陸地表層或其附近氣候、母質(zhì)、植被(生物)、地形、時間綜合作用下的產(chǎn)物，各種古土壤類型、特征和性質(zhì)都是深時地球不同圈層相互作用下的反映，記錄有“深時”時期地球關(guān)鍵帶的物質(zhì)、能量和信息流動與轉(zhuǎn)化的信息[8,10]。所以，深時古土壤發(fā)生過程的認(rèn)知是深時地球關(guān)鍵帶科學(xué)研究的核心內(nèi)容，即以深時古土壤研究為基礎(chǔ)，以深時古土壤-景觀格局、深時古土壤-生態(tài)變遷、深時古土壤-大氣組分、深時古土壤-氣候變化、深時古土壤-水文變化、深時古土壤-生物地球化學(xué)循環(huán)為紐帶和橋梁，開展深時不同空間尺度的關(guān)鍵帶過程和規(guī)律的模擬與重建[12,33-34]。

圖4 深時地球古土壤圈與其他圈層的耦合關(guān)系圖

近年來，古土壤學(xué)家利用古新世土壤的成土過程，通過土壤-巖石界面重建了古新世期間地球關(guān)鍵帶的生物地球化學(xué)循環(huán)過程[35]。研究者也以深時古土壤的理化性質(zhì)為基礎(chǔ)，在景觀尺度上重現(xiàn)了地球1.21億年前的關(guān)鍵帶景況[32]。另外，根據(jù)深時古土壤剖面中留存的植物或者樹木的根系、植物根莖的密度及其滲透的深度，研究者還可以推斷當(dāng)時的水文環(huán)境特征[36]。因此，Pawlik等[37]提出可以利用深時古土壤中植物或者樹木的根系-巖石-土壤界面來洞悉深時地球關(guān)鍵帶中生物地球化學(xué)循環(huán)的信息。此外，研究者還可以通過獲取參與水-巖石體系交互反應(yīng)的成巖流體和大氣降雨的氧同位素組成來重建古水文循環(huán)過程。已有研究嘗試?yán)蒙顣r古土壤成壤碳酸鹽和成壤菱鐵礦的氧同位素組成來進(jìn)行古水文方面的研究[38-39]，為深時關(guān)鍵帶研究提供了新思路與新視角。

5 深時古土壤與揭秘重要地質(zhì)氣候事件

深時古土壤是“深時”時期地表沉積物風(fēng)化成土的產(chǎn)物，其成壤過程受地球表層系統(tǒng)重要地質(zhì)氣候事件的影響與控制，是重要地質(zhì)氣候事件的記錄者[7]。比如泥盆紀(jì)喬木的出現(xiàn)、中二疊世末期全球大規(guī)模的海平面下降、二疊紀(jì)末期的氣候突變、中生代末期的滅絕事件等地球上壯觀的重要地質(zhì)氣候事件均在深時古土壤中留下了“蹤跡”。通過解譯重要地質(zhì)氣候事件發(fā)生時期深時古土壤的類型、分布、結(jié)構(gòu)等成壤性質(zhì)變化，來探討與解讀深時古土壤成壤過程與重要地質(zhì)氣候事件之間的耦合關(guān)系，有助于全面理解地質(zhì)歷史時期的重要地質(zhì)氣候事件[7]。

泥盆紀(jì)中期地球陸地上木本植物的出現(xiàn)被認(rèn)為是大氣CO2濃度與水蒸氣濃度銳減的主要原因。對美國紐約泥盆系吉維特階的古土壤與木化石研究發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)泥盆紀(jì)吉維特階類型多樣的森林景觀發(fā)育伴隨著大氣CO2濃度的下降[40]。Retallack和Huang[41]對美國紐約泥盆紀(jì)古土壤的研究也進(jìn)一步證實了這一發(fā)現(xiàn)。中二疊世晚期的大規(guī)模海平面降低現(xiàn)象是全球重要的地質(zhì)事件。Li等[42]對中國西南地區(qū)玄武巖噴發(fā)區(qū)域進(jìn)行野外調(diào)查研究時，發(fā)現(xiàn)西南玄武巖噴發(fā)區(qū)域發(fā)育有中二疊統(tǒng)晚期玄武巖-古土壤-灰?guī)r序列，可以揭示海平面升降現(xiàn)象。研究人員通過對位于四川峨眉山地區(qū)的該序列古土壤發(fā)生學(xué)特征和古土壤下伏灰?guī)r碳酸鹽微相分析，發(fā)現(xiàn)中二疊世末期華南地區(qū)海平面在3.5～30 m之間變化，整體上呈下降趨勢，響應(yīng)了全球海平面下降事件(圖5)。二疊紀(jì)末期的生物大滅絕事件是顯生宙以來地球上最大的滅絕事件。二疊紀(jì)末期到三疊紀(jì)初期，中國西北新疆博格達(dá)山脈區(qū)域的古土壤在形態(tài)、礦物和地球化學(xué)特征上發(fā)生了相應(yīng)的變化。二疊紀(jì)末期古土壤剖面中鐵錳結(jié)核、有機(jī)質(zhì)的聚集，說明了濕潤的氣候環(huán)境；而到了三疊紀(jì)初期，古土壤剖面中出現(xiàn)了鈣質(zhì)結(jié)核與石膏的淀積，表明當(dāng)時的蒸發(fā)量強(qiáng)于降水量，氣候變得干旱。這也說明古土壤的發(fā)育特征在受到氣候突變影響的同時，也響應(yīng)了二疊紀(jì)末期的生物滅絕事件[43]。中生代末期的白堊紀(jì)—古近紀(jì)界線事件亦是地球著名的“五次生物大滅絕”事件“主角”之一。此次滅絕事件的“幕后主兇”被認(rèn)為可能是始于白堊紀(jì)末期的印度德干高原火山引起的全球氣候變化[44]。然而，近期來自印度玄武巖古土壤的證據(jù)表明，白堊紀(jì)—古近紀(jì)期間印度境內(nèi)為典型的季風(fēng)型濕潤亞熱帶森林氣候，而德干高原火山噴發(fā)期間，印度廣域的時空范圍內(nèi)陸相氣候和生態(tài)系統(tǒng)并未發(fā)生顯著變化。因此，德干火山作用不太可能是白堊紀(jì)—古近紀(jì)陸相滅絕事件的“主兇”，該地區(qū)陸相古植物與孢粉數(shù)據(jù)以及沉積記錄也支持這一新認(rèn)識[45]。

圖5 峨眉山玄武巖-古土壤-灰?guī)r序列野外實景圖：(a)峨眉山玄武巖-古土壤-灰?guī)r序列全景圖(攝于2015年6月)；(b)峨眉山玄武巖-古土壤-灰?guī)r序列局部圖(攝于2013年1月)；(c)峨眉山玄武巖-古土壤-灰?guī)r序列反映的海平面變化示意圖(據(jù)參考文獻(xiàn)[42]修改)。圖中地質(zhì)錘長為～28 cm

以深時古土壤研究為切入點來揭示地質(zhì)歷史時期重要地質(zhì)氣候事件，不僅對于理解地史時期重要事件、海洋-陸地環(huán)境變化有重要意義，而且豐富了判別重要地質(zhì)氣候事件類型和推斷其驅(qū)動機(jī)制的研究手段。

6 結(jié)論和展望

深時古土壤如同地球“深時”時期的環(huán)境記錄儀，記錄了遠(yuǎn)古地球環(huán)境與氣候波瀾壯闊的演變歷史。我國地域遼闊，地球形成與演化不同時期的陸相記錄豐富，古土壤分布廣泛，為開展深時古土壤研究和認(rèn)識地球環(huán)境演變歷史過程提供了天然的物質(zhì)材料和實驗室。雖然目前以古土壤為代用指標(biāo)的古氣候環(huán)境定量重建成果豐碩，但仍需加深精細(xì)化研究，鼓勵方法創(chuàng)新，加強(qiáng)深時古土壤應(yīng)用于古景觀、深時關(guān)鍵帶等領(lǐng)域的研究，以便服務(wù)深時地球系統(tǒng)的科學(xué)研究。我們相信，隨著古土壤指標(biāo)的不斷完善與修訂，以及分析技術(shù)手段的更新與科學(xué)認(rèn)識的深入，必將進(jìn)一步推動以古土壤學(xué)研究為基礎(chǔ)的深時地球陸相環(huán)境系統(tǒng)演變研究的繁榮發(fā)展。在多學(xué)科深度交叉融合和跨學(xué)科整合集成研究的驅(qū)動與科學(xué)家們的不斷努力下，深時古土壤必將在預(yù)測未來全球變化與共建宜居地球過程中提供新證據(jù)和發(fā)揮新作用。