李軍 黃成敏

一套地層、一片露頭，承載著地球的演變歷程；一個剖面、一個土層，記錄著地球過去的模樣。透過層層疊疊的地層與類型各異的露頭，我們可以看到遠(yuǎn)古地球波瀾壯闊的海陸變遷過程，也可以探察遠(yuǎn)古地球超級火山的肆虐蔓延，還可以見到遠(yuǎn)古地球生態(tài)系統(tǒng)中絢麗多彩的生物群。

萬物土中生，作為地球的皮膚，土壤是人類生存之本，也是“綠水青山”的根。土壤發(fā)生學(xué)認(rèn)為土壤是復(fù)雜的自然因素和多變的人為因素相互作用的結(jié)果，即土壤是氣候、生物、地形和母質(zhì)及人為作用長期綜合作用的產(chǎn)物[1]。而古土壤又稱為化石土壤，也就是地質(zhì)歷史時期已經(jīng)石化了的土壤[2]，它因結(jié)出了豐碩的第四紀(jì)黃土—古土壤序列研究成果而聞名中外；又因“深時”指的是前第四紀(jì)的地質(zhì)記錄[3]，所以深時古土壤指的是形成于前第四紀(jì)時期的土壤。和現(xiàn)代土壤一樣，深時古土壤也是前第四紀(jì)時期地球表層系統(tǒng)氣候、母質(zhì)、生物、地形和時間綜合作用下的風(fēng)化成土產(chǎn)物[4]。

“過去是未來的鑰匙”。古全球變化研究是我們理解未來全球變化的重要基礎(chǔ)之一，越來越多的科學(xué)家試圖從各類地質(zhì)—生物記錄的環(huán)境變化規(guī)律中尋找未來全球變化的趨勢。作為深時地質(zhì)記錄載體的深時古土壤蘊含了前第四紀(jì)時期地球環(huán)境演化的奧秘，是前第四紀(jì)時期地球無字的環(huán)境歷史檔案庫，承載著地球陸地生態(tài)系統(tǒng)建立以來地表環(huán)境變化留下的“史料”，記錄著豐富的地球過去環(huán)境演化信息[2，4-5]。深時古土壤研究在時間上聚焦于前第四紀(jì)，研究思路和研究方法上在傳承和延續(xù)現(xiàn)代土壤與第四紀(jì)古土壤研究的基礎(chǔ)上，還結(jié)合了沉積學(xué)、地球化學(xué)、古氣候?qū)W、古生態(tài)學(xué)等多學(xué)科的方法和手段，研究范疇也不再是單純研究土壤本身，而是逐步延伸到古氣候?qū)W、古地層學(xué)及古地球表層系統(tǒng)科學(xué)，以解決地球系統(tǒng)科學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)問題。

當(dāng)前，科學(xué)家們基于“將今論古”或“將古論未來”的經(jīng)典方法，通過對不同類型深時古土壤的識別、分析和研究，結(jié)合各種環(huán)境替代指標(biāo)，可勾勒出深時古土壤形成時的局地或區(qū)域花草樹木的古景觀概貌，還原當(dāng)時涼爽宜人抑或是焦金爍石的古氣候信息，復(fù)原當(dāng)時郁郁蔥蔥又或是戈壁荒漠的古環(huán)境概況。特別是在面向認(rèn)識地球宜居性的戰(zhàn)略研究背景下，深時古土壤的形成、演化及其對環(huán)境變化的響應(yīng)與記錄研究，已著眼于并試圖為理解宜居地球的過去及預(yù)測未來全球變化提供科學(xué)證據(jù)，并為改進(jìn)地球系統(tǒng)模式提供“深時”的基礎(chǔ)資料。

從古至今，不論中外，經(jīng)典的自然科學(xué)研究都遵循這樣一種研究模式，那就是認(rèn)真觀察、詳細(xì)記錄、深度思考、探索規(guī)律與提出理論。比如，意大利科學(xué)家伽利略通過改進(jìn)望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行天文觀測，以觀測行星運動的規(guī)律；我國沉積地質(zhì)學(xué)家王成善院士和胡修棉教授基于對白堊紀(jì)地層的長期觀察與研究，提出了“白堊紀(jì)大洋紅層”的概念[6]。深時古土壤學(xué)的研究工作就是通過觀察與識別巖石地層中的深時古土壤，從中探究地質(zhì)歷史時期地球表層系統(tǒng)的演變歷程，窺視深時地球白駒過隙的若干瞬間，目睹地球曾經(jīng)波瀾壯闊、超越時空的滄海巨變。那么，如何在層層疊疊的巖石地層中慧眼識“真君”呢？我們可以通過尋找?guī)r石地層露頭或深地鉆孔巖芯中的根系遺跡、蟲孔巢穴、成壤碳酸鹽結(jié)核、土壤結(jié)構(gòu)體和土壤發(fā)生層[5，7-8]，揭開它的神秘“面紗”。

神秘“面紗”之根系遺跡

古書《周易·離》中提到“日月麗乎天，百谷草木麗乎土”，意思是說天和地是日月、人類和草木依存的載體，即土壤支撐著植物的生長，主要是為植物根系生長提供介質(zhì)。同時植物的生長也有利于土壤的形成。實質(zhì)上，土壤形成的真正開始是從植物定居于其母質(zhì)之后。在漫長的地質(zhì)歷史時期，植物登上充滿巖石的陸地，進(jìn)行“開疆拓土”，陸生植物的根系通過分解有機(jī)酸和“根劈作用”等分解了巖石，同時通過吸取養(yǎng)分改變了巖石的化學(xué)組分，加速了巖石風(fēng)化成土的過程，將陸地上大量的巖石變成土壤，重塑了地球表層的陸地生態(tài)環(huán)境。

“為有犧牲多壯志，敢教巖石變土壤”。隨著植物花殘葉落、枯萎凋零，落葉、莖稈、殘體即刻受到來自土壤中微型和大型動物的協(xié)同“攻擊”，將它們撕為碎片，與土壤融為一體，進(jìn)而提高了陸地初級生產(chǎn)力和有機(jī)碳的沉積。當(dāng)這一切繁華落幕之后，不同類型植物的根系會深深地埋在土壤之中，伴隨著地球歷史的變遷和漫長歲月的埋藏變質(zhì)、逐漸石化。和殘枝落葉一樣，根系同樣會被土壤動物分解蠶食，導(dǎo)致其部分形態(tài)與結(jié)構(gòu)不復(fù)存在，但部分根系不斷分叉成越來越細(xì)的模糊殘影后依然清晰可見。例如，側(cè)根的生長，主根的下扎，須根系的無序、叉狀分枝的輪廓結(jié)構(gòu)，還有部分根系結(jié)構(gòu)巖化為根模的形式與巖層互為一體，永久性地在地層巖石中留下了“烙印”。這些都給科學(xué)家們留下了“見根識土”最直觀、最有利的證據(jù)。

神秘“面紗”之蟲孔巢穴

土壤是地球上生物多樣性最高的棲息地之一，是眾多大大小小生物的家園。這個家園里生活著鼴鼠、拔地鼠等大型動物，也居住著螞蟻、蚯蚓等小型動物，還蝸居有線蟲、單細(xì)胞原生動物等微型動物[9-10]。這些“居民”們會在距離地表1.5～4米的土體內(nèi)不定期地給自己“建筑”新的巢穴，這其中蚯蚓更是以在土體內(nèi)吃出通道而獲得大自然“耕夫”的美譽。動物們頻繁的“勞動”影響了土壤中氣體的交換、有害物質(zhì)的分解與轉(zhuǎn)化、有機(jī)物質(zhì)的分泌與礦化等，進(jìn)而改變土壤的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)。隨著歲月的流逝，它們在自己的地下宮殿內(nèi)壽終正寢，它們的遺體很快就會被乘虛而入的真菌和細(xì)菌類腐生生物啃食殆盡。然而，土壤動物們呈長圓柱形或呈彎彎曲曲不規(guī)則形狀的地下宮殿在被隨之而來的上覆砂巖或粉砂巖填充掩埋之后，與被石化的土壤融為一體，以化石的形態(tài)得以保留，并隨著地球環(huán)境的變遷而成為永恒，為后世科學(xué)家識別深時古土壤提供了必要的輔助證據(jù)。

神秘“面紗”之成壤碳酸鹽結(jié)核

母質(zhì)風(fēng)化成土的過程中，土壤剖面內(nèi)伴隨著物質(zhì)和能量的交換與轉(zhuǎn)化。碳酸鹽的淋溶與淀積過程就是其中之一，該過程的實質(zhì)為下列反應(yīng)式：

CaCO3+H2O+CO2？Ca（HCO3）2

通常情況下，碳酸鈣（CaCO3）不易溶于水，而重碳酸鹽（HCO3-）在地下水環(huán)境和土壤溶液中具有較好的可溶性和移動性。因此，在濕潤地區(qū)，密集的降水過程會使土壤剖面內(nèi)的碳酸鹽發(fā)生淋溶脫鈣作用，即碳酸鈣形成可溶的重碳酸鹽，并隨降水移動淋溶出某個土層或整個土體。而在干旱、半干旱和半濕潤的地區(qū)，稀少的降水或者降水不足，難以將碳酸鹽淋洗出土體，從而發(fā)生鈣積作用，也就是上述反應(yīng)式向左移動，碳酸氫鈣[Ca（HCO3）2]釋放出二氧化碳（CO2）而變成碳酸鈣（CaCO3），淀積于土壤剖面中發(fā)育為成壤碳酸鹽結(jié)核。

作為化石土壤的深時古土壤，其剖面中的成壤碳酸鹽結(jié)核常以孤立的結(jié)核單體或是以大量結(jié)核單體“抱團(tuán)”的形式存在。孤立的結(jié)核單體形態(tài)各異，多為不規(guī)則團(tuán)狀結(jié)構(gòu)，有些似豆莢，有些為橢圓狀或細(xì)顆粒狀，還有些似爆米花狀[5]。它們不均勻地分布在深時古土壤剖面中，是成壤碳酸鹽結(jié)核形成的早期“幼年”階段。而大量單體結(jié)核的淀積“抱團(tuán)”會形成層狀、塊狀或塊狀相互鑲嵌的鈣磐。它們上下邊界呈平整或不規(guī)則凹凸?fàn)?，沿古土壤剖面水平層面方向斷續(xù)或連續(xù)存在，是成壤碳酸鹽結(jié)核中后期“中老年”階段。成壤碳酸鹽結(jié)核這一深時古土壤剖面的“面紗”，除了用于辨識深時古土壤之外，還被廣泛應(yīng)用于深時古氣候環(huán)境的重建。比如，深時古土壤碳酸鹽結(jié)核碳、氧同位素組成及團(tuán)簇同位素在重建古大氣二氧化碳、古高程和古溫度研究中發(fā)揮著重要作用[11]。

神秘“面紗”之土壤結(jié)構(gòu)體

土壤結(jié)構(gòu)是土壤形成的重要標(biāo)志。與具有層理、波痕、縫合線和生物擾動構(gòu)造等沉積構(gòu)造特征的沉積巖相比，深時古土壤和現(xiàn)代土壤一樣具有鮮明的土壤結(jié)構(gòu)[5]。土壤結(jié)構(gòu)指的是土壤中砂粒、粉粒、黏粒和有機(jī)顆粒等土粒的排列組合形式，土壤學(xué)家把這些如同積木塊一樣的土粒構(gòu)建在一起所形成的不同尺度結(jié)構(gòu)單元稱為結(jié)構(gòu)體（peds）或團(tuán)聚體（aggregates）[9]。深時古土壤經(jīng)歷了百萬年時間的埋藏、壓實和成巖作用的影響，其土壤結(jié)構(gòu)雖然發(fā)生了改變，但是具有一定形狀、大小和特征的土壤結(jié)構(gòu)體仍然保留于土壤剖面中[8]。深時古土壤結(jié)構(gòu)體主要以塊狀、整塊狀和楔狀3種形狀存在，團(tuán)粒狀、片狀、圓柱狀和棱柱狀結(jié)構(gòu)體則較少見。

塊狀結(jié)構(gòu)體又可進(jìn)一步細(xì)分為多角塊狀和棱角塊狀結(jié)構(gòu)體，常見于深時古土壤的淀積層；整塊狀結(jié)構(gòu)體因具有連續(xù)、未固結(jié)塊體的特征而又可稱為無結(jié)構(gòu)體，是部分深時古土壤的常見結(jié)構(gòu)；季節(jié)性降水引起成土過程中干濕變化，從而促使含有大量膨脹黏土的土壤出現(xiàn)脹縮過程而形成的楔狀結(jié)構(gòu)體，常見于深時古土壤的淀積層，在表層也可能存在?，F(xiàn)代土壤中因生物活動的作用使得土壤表層結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為團(tuán)粒狀，然而深時古土壤的表層常因地質(zhì)剝蝕作用而消失，因而團(tuán)粒結(jié)構(gòu)較為少見；片狀結(jié)構(gòu)體為相對薄的，呈水平層狀的結(jié)構(gòu)體，常存在于深時古土壤表層或是下層；圓柱狀和棱柱狀結(jié)構(gòu)體呈直立的柱狀或臺狀，圓柱狀結(jié)構(gòu)體具有突出的圓頂，棱柱狀結(jié)構(gòu)體則呈多角頂或平頂形狀。深時古土壤結(jié)構(gòu)體的類型（形狀）、大小和發(fā)育程度與深時古土壤的發(fā)育程度息息相關(guān)，類似于現(xiàn)代土壤。因此，這一神秘“面紗”也是深時古土壤鑒別的重要標(biāo)志。

神秘“面紗”之土壤發(fā)生層

不同的地質(zhì)條件、地理環(huán)境孕育了不同類型的土壤，正是因為類型多樣的土壤，才有了多彩斑斕的自然界。背后的奧秘就是成土過程的多樣性導(dǎo)致土壤發(fā)生層組合的不同，進(jìn)而形成的自然景觀多樣，造就我們身邊世界的多彩繽紛。這也就是“土壤被稱為自然景觀的一面鏡子”的原因。那到底什么是土壤發(fā)生層呢？

土壤發(fā)生層也稱為土層（horizon），是土壤發(fā)育過程中原來均質(zhì)的母質(zhì)發(fā)生分異，形成土壤垂直層次結(jié)構(gòu)的分異，這種垂直方向上顯示的系列層次結(jié)構(gòu)就是土壤發(fā)生層[9]。土壤形成過程中，不同的成土過程均會形成其相對應(yīng)的典型土層。例如，黏化過程形成黏化層、鈣積化過程形成鈣積層等。對于長期“躺平”在“暗無天日”地層中的深時古土壤而言，雖然經(jīng)歷了百萬年“漫漫長夜”的埋藏、壓實、膠結(jié)等作用，但土壤剖面的礦質(zhì)表土層——腐殖質(zhì)層（A層）、淀積層（B層）、土體層以下的疏松物質(zhì)層（C層，即母質(zhì)層）和未分化的固結(jié)巖石層（R層）等主要土層均得以保留。這為深時古土壤的野外識別提供了關(guān)鍵證據(jù)，也是認(rèn)識深時古土壤的主要窗口。然而，在野外露頭或巖層中很難遇到保留有完整A–B–C–R土體構(gòu)型的深時古土壤剖面，較為常見的是A–B–C或B–C土體構(gòu)型。這是因為深時古土壤的表層常因地表廣泛分布的地質(zhì)剝蝕作用而消失，而巖石層也因常被剝蝕風(fēng)化為松散的母質(zhì)層而較少存在[8]。除發(fā)育于灰?guī)r或玄武巖上的深時古土壤，因較難風(fēng)化而得以原位留存有巖石層。

此外，淀積層是深時古土壤的核心土層，常作為深時古土壤分類的診斷層和古氣候重建的取樣層[8]。和現(xiàn)代土壤一樣，深時古土壤的不同成土過程對應(yīng)著不同的淀積層。例如，黏化淀積層、鈣化淀積層等。性質(zhì)各異的土壤發(fā)生層組合構(gòu)成了各種各樣的土體構(gòu)型，也就形成了形形色色的土壤類型。因此，土壤發(fā)生層這一深時古土壤剖面的“面紗”，既是野外深時古土壤辨識的依據(jù)，也是深時古土壤分類的基礎(chǔ)。

作為遠(yuǎn)古地球表層環(huán)境系統(tǒng)的重要組成部分，深時古土壤連接著古大氣圈、古水圈、古巖石圈和古生物圈，是各圈層相互作用的樞紐，是遠(yuǎn)古地球陸地生態(tài)系統(tǒng)存在、演變和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，支撐著遠(yuǎn)古地球陸地生態(tài)系統(tǒng)中的生命過程，調(diào)節(jié)著遠(yuǎn)古地球表層元素生物地球化學(xué)循環(huán)[5，8]。深時古土壤這一覆蓋于遠(yuǎn)古地球表面的連續(xù)體，猶如地球自然環(huán)境變化的信息“富礦”，蘊藏了地球自遠(yuǎn)古時期以來，地球表層系統(tǒng)環(huán)境氣候演化、景觀變遷、巖層更替以及重大地質(zhì)環(huán)境事件等信息。相關(guān)探索與挖掘還在持續(xù)開展，以進(jìn)一步完善人類對遠(yuǎn)古地球演化歷史的認(rèn)知。

[本文相關(guān)工作得到了國家自然科學(xué)基金項目（4190 1066，41771248，41371225）和國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973計劃）項目（2012CB822003）資助。]

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關(guān)鍵詞：深時古土壤 根系 蟲孔 碳酸鹽結(jié)核 土壤結(jié)構(gòu) 土壤發(fā)生層 ■