深時古土壤
——遠古地球環境演變的“記錄儀”＊

李軍，黃成敏，劉艷梅

①蘭州城市學院 地理與環境工程學院，蘭州 730070；②四川大學 環境科學與工程系，成都 610065

近百年來，全球氣候變暖引發的兩極冰川消融、海平面上升、極端干旱和炎熱氣候災害事件頻發等環境變化問題深刻影響著人類社會和經濟的可持續發展[1-2]。為應對全球環境變化的挑戰，人類需要對地質歷史時期地球演化及其環境效應有更加深入的了解，以便更科學、合理地預測和應對未來全球變化，服務于人類文明的可持續發展。然而，相較于全球變化研究豐富的第四紀時期，涉及“深時”時期的全球變化研究則相對較少。“深時”研究(deep time research：前第四紀地質記錄的研究)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系，可為洞悉未來全球變化提供科學依據[3-4]。特別是“深時”時期的大氣CO2、溫度、降水等古環境與氣候參數變化及其驅動過程研究，對于如何面對和解決當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時期自然景觀下的已經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、黃土等其他地質載體一樣，它們具有信息量豐富、連續性好、分布廣泛等特點，能有效反映其形成過程中的氣候環境自然變化信息[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景觀變化、地球關鍵帶特征、氣候演變、大氣CO2和O2含量變化，以及揭秘“深時”重要地質氣候事件具有重要的科學意義[4,10-12]。本文就深時古土壤研究的最新應用進行闡述與總結，為進一步深化深時古土壤研究在當代地球系統科學中的應用和更好地理解深時地球環境演變提供借鑒與證據。

1 深時古土壤的特征與鑒別

深時古土壤是前第四紀時期的風化殼或風化堆積物與有機質原位變化的產物[7-8,10]。因漫長地質歷史時期的變質和成巖作用，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分。深時古土壤與沉積巖最鮮明的區別在于深時古土壤仍保留有土壤發生學的基本特征，如土壤發生層和土壤結構等(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造。

圖1 現代土壤與第四系、深時古土壤剖面特征：(a)現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)深時古土壤塊狀結構(四川雅安，白堊系灌口組)；(e)深時古土壤根系(黃色箭頭)與碳酸鹽結核(四川達州，侏羅系沙溪廟組，紅色箭頭)。圖中地質錘長為～28 cm，筆長為～14 cm，硬幣直徑為～1.9 cm

土壤發生導致土壤垂直層次結構的分異是土壤剖面形成的主要標志，也是辨識深時古土壤的重要依據[10,13-14](圖1)。一般情況下，土壤顏色、質地、結構、新生體和緊實度等形態特征是識別土壤發生層次的主要依據。深時古土壤發生層次的劃分通常沿用現代土壤發生學特征，也可分為腐殖質層(A)、淋溶層(E)、淀積層(B)、母質層(C)和母巖層(R)(圖1)。土壤的淀積層是一個發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，而且依據淀積物質的種類又可進一步細分為黏粒淀積層(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層(A)與淀積層(B)，部分土壤剖面只有淀積層(B)和母質層(C)(圖1)，極少數深時古土壤剖面具有完備的腐殖質層(A)、淀積層(B)、母質層(C)和母巖層(R)。此外，由于長期出露地表或在埋藏條件下經壓實、膠結和成巖作用，深時古土壤還會出現表土層缺失或產生土壤層重疊(A層和B層)的現象[15]。

土壤結構是指土粒相互團聚成一定形狀和大小且性質不同的土壤結構體。雖然深時古土壤因固結成巖作用，其形態特征發生了一定的變化，但仍保留有一定的土壤結構體特征[9-10,16]。團粒狀、透鏡狀、楔狀、塊狀、片狀、棱柱狀、圓柱狀、整塊狀結構體為深時古土壤野外剖面中常見的土壤結構形式[10,17]。除土壤發生層和土壤結構之外，同現代土壤一樣，以樹樁、根模或根圈的形式存在的根系結構，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構特征，比如形成于前寒武紀的古土壤，則需借助實驗室巖相分析、微形態觀察等手段進行辨識[19]。

2 深時古土壤與重建古氣候

土壤發生學理論認為氣候環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境作用下的產物[8,10-11]。以“現在是認識過去的鑰匙”為基本思想的“將今論古”研究方法就是利用深時古土壤進行古氣候環境的重建，即以現代土壤發生特征與成壤環境關系為基礎，通過對深時古土壤發生學的精細研究，反演不同類型古土壤的形成環境。例如，現代干旱土的發育意味著干旱、半干旱氣候環境，而發育深厚的鐵鋁土則代表著炎熱濕潤的氣候特征，深時環境下亦是如此。

隨著研究的深入，以深時古土壤為載體的古氣候環境重建研究已趨于成熟且不斷走向精細化。傳統的表征性和定性描述類比性研究已逐漸被定量化和精細化研究所取代。定量化研究是以地質歷史時期的土壤為代用指標，利用“轉換函數法”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特征和氧同位素組成及土壤淀積物質深度進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核與其有機質的穩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)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據[14]；以上白堊統灌口組古土壤碳酸鹽結核為研究對象，定量恢復了馬斯特里赫特期(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(據參考文獻[25]修改)

3 深時古土壤與恢復古景觀

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境[8,10]。利用深時古土壤恢復深時古景觀的核心關鍵在于古土鏈(paleo-catena)。古土鏈是指在一定區域空間尺度范圍內，在成土母質、年代和氣候類似或一致的條件下，因地形和排水的差異導致古土壤的成土作用不同，從而發育有類型不同的古土壤所形成的土壤序列[28](圖3)。實際研究常在區域局部或盆地尺度范圍內，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，古土鏈中古土壤類型由古新成土的發育變遷為古干旱土的分布，說明研究區局部范圍內自然植被景觀由草本植物和灌木的廣布演變為植被稀疏的沙漠或干旱的灌木區。

圖3 理想的深時古土鏈示意圖

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，印度東部地區發育自太古界-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，研究認為，區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現，下白堊統古土壤發育自排水良好且穩定的景觀環境之中，而上白堊統古土壤則形成于排水良莠不齊且不穩定的景觀環境下，區域降水量是影響古土鏈中古土壤序列發育的主要環境因子[30]。中生代與新生代地層界線也有相關報道，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、有機碳和成土特征分析，發現古土鏈中發育有淺粉砂質古始成土、橄欖綠黏土質古變性土和巧克力黏土質古變性土，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 深時古土壤與重現古地球關鍵帶

深時地球關鍵帶包含前第四紀(＞2 Ma)時期地球關鍵帶各種過程和組分的基礎信息，反映了“深時”時期關鍵帶對氣候變化和構造運動的響應[32]。深時地球關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過程等科學問題，其實質上為涉及古土壤學、地質學、水文學、生態學、植物學等多學科交叉融合的深時陸地表層系統演化的綜合研究[33]。

古土壤圈為深時地球巖石圈、水圈、生物圈和大氣圈進行物質遷移、能量交換和信息傳遞的交匯區域，起著核心與紐帶作用(圖4)。目前，在缺乏深時關鍵帶觀測站的基礎資料背景下，構成深時古土壤圈的古土壤被認為是研究深時關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、植被(生物)、地形、時間綜合作用下的產物，各種古土壤類型、特征和性質都是深時地球不同圈層相互作用下的反映，記錄有“深時”時期地球關鍵帶的物質、能量和信息流動與轉化的信息[8,10]。所以，深時古土壤發生過程的認知是深時地球關鍵帶科學研究的核心內容，即以深時古土壤研究為基礎，以深時古土壤-景觀格局、深時古土壤-生態變遷、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-生物地球化學循環為紐帶和橋梁，開展深時不同空間尺度的關鍵帶過程和規律的模擬與重建[12,33-34]。

圖4 深時地球古土壤圈與其他圈層的耦合關系圖

近年來，古土壤學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鍵帶的生物地球化學循環過程[35]。研究者也以深時古土壤的理化性質為基礎，在景觀尺度上重現了地球1.21億年前的關鍵帶景況[32]。另外，根據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時的水文環境特征[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鍵帶中生物地球化學循環的信息。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過程。已有研究嘗試利用深時古土壤成壤碳酸鹽和成壤菱鐵礦的氧同位素組成來進行古水文方面的研究[38-39]，為深時關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氣候事件

深時古土壤是“深時”時期地表沉積物風化成土的產物，其成壤過程受地球表層系統重要地質氣候事件的影響與控制，是重要地質氣候事件的記錄者[7]。比如泥盆紀喬木的出現、中二疊世末期全球大規模的海平面下降、二疊紀末期的氣候突變、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”。通過解譯重要地質氣候事件發生時期深時古土壤的類型、分布、結構等成壤性質變化，來探討與解讀深時古土壤成壤過程與重要地質氣候事件之間的耦合關系，有助于全面理解地質歷史時期的重要地質氣候事件[7]。

泥盆紀中期地球陸地上木本植物的出現被認為是大氣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現，該地區泥盆紀吉維特階類型多樣的森林景觀發育伴隨著大氣CO2濃度的下降[40]。Retallack和Huang[41]對美國紐約泥盆紀古土壤的研究也進一步證實了這一發現。中二疊世晚期的大規模海平面降低現象是全球重要的地質事件。Li等[42]對中國西南地區玄武巖噴發區域進行野外調查研究時，發現西南玄武巖噴發區域發育有中二疊統晚期玄武巖-古土壤-灰巖序列，可以揭示海平面升降現象。研究人員通過對位于四川峨眉山地區的該序列古土壤發生學特征和古土壤下伏灰巖碳酸鹽微相分析，發現中二疊世末期華南地區海平面在3.5～30 m之間變化，整體上呈下降趨勢，響應了全球海平面下降事件(圖5)。二疊紀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。二疊紀末期到三疊紀初期，中國西北新疆博格達山脈區域的古土壤在形態、礦物和地球化學特征上發生了相應的變化。二疊紀末期古土壤剖面中鐵錳結核、有機質的聚集，說明了濕潤的氣候環境；而到了三疊紀初期，古土壤剖面中出現了鈣質結核與石膏的淀積，表明當時的蒸發量強于降水量，氣候變得干旱。這也說明古土壤的發育特征在受到氣候突變影響的同時，也響應了二疊紀末期的生物滅絕事件[43]。中生代末期的白堊紀—古近紀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”被認為可能是始于白堊紀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表明，白堊紀—古近紀期間印度境內為典型的季風型濕潤亞熱帶森林氣候，而德干高原火山噴發期間，印度廣域的時空范圍內陸相氣候和生態系統并未發生顯著變化。因此，德干火山作用不太可能是白堊紀—古近紀陸相滅絕事件的“主兇”，該地區陸相古植物與孢粉數據以及沉積記錄也支持這一新認識[45]。

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

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

6 結論和展望

深時古土壤如同地球“深時”時期的環境記錄儀，記錄了遠古地球環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識地球環境演變歷史過程提供了天然的物質材料和實驗室。雖然目前以古土壤為代用指標的古氣候環境定量重建成果豐碩，但仍需加深精細化研究，鼓勵方法創新，加強深時古土壤應用于古景觀、深時關鍵帶等領域的研究，以便服務深時地球系統的科學研究。我們相信，隨著古土壤指標的不斷完善與修訂，以及分析技術手段的更新與科學認識的深入，必將進一步推動以古土壤學研究為基礎的深時地球陸相環境系統演變研究的繁榮發展。在多學科深度交叉融合和跨學科整合集成研究的驅動與科學家們的不斷努力下，深時古土壤必將在預測未來全球變化與共建宜居地球過程中提供新證據和發揮新作用。