基于黃土地球化學研究的跨學科課程開發
——以“地化元素，氣候旋回”環境考古課程為例

曹宏偉

（福建師范大學附屬中學, 福建 福州 350007）

一、跨學科課程開發背景

《普通高中地理課程標準（2017年版2020年修訂）》在課程結構設計部分中提出：注重地理學科與其他學科的融合。[1]地理學科交叉性強、內容跨度大，與生物學、化學、物理、政治和歷史等科目都存在較多交叉內容。

隨著社會和科學技術的發展，學科交叉研究呈現顯著增長態勢，產生了對綜合型、復合型人才的巨大需求，培養學生綜合思維成為教育界的熱點話題。越來越多的中學教師開始嘗試開發跨學科課程，打破了高中學科壁壘，創建了更加豐富、生動的教學情境，積累了許多跨學科案例與教學成果。例如，部分教師將文學素材引入月相、地形地貌、區域地理的教學中，提升了學生的人文情懷與自然審美水平；“一帶一路”作為國家重大戰略，教師將其開發為跨地理、歷史和政治的學科整合課程，運用多學科思維，在課堂中構建多維度、立體的“絲路課程”，挖掘其深厚的文化內涵與經濟價值，培育學生的文化自信與家國情懷。[2]以上跨學科課程的開發案例為高中地理教學提供了思路，但也存在深度有限、融合程度較淺及地理實踐力培養欠缺等不足。

二、跨學科課程設計

在不同的地理環境中，沉積物中的礦物、元素會發生游離、集中。不同類型的沉積物其元素組成存在巨大差異，而同一沉積物在不同地質時期隨著古環境變化，其元素與礦物組成也不盡相同。隨著研究深入，利用化學元素研究地球環境變化的學科逐漸形成，被稱為“環境地球化學”。[3]地球化學被普遍應用于環境考古的研究中。部分常量、稀土元素在母巖風化、搬運過程和沉積后受后期環境影響較小，遷移速度很低，能夠保留物質來源地區的地球化學信息，成為可靠的示蹤分析指標。

近幾十年來，眾多中國地學家對黃土沉積物的地球化學特征進行了深入研究，挖掘出大量沉積時期的古環境信息，為全球古氣候重建做出巨大貢獻。[4]

本跨學科研究課程的設計以黃土地球化學研究為依托，探究正陽地區沉積黃土中蘊含的古氣候變化信息，綜合高中地理與化學學科，包括五個探究任務。

任務一：了解研究區的區域概況，包括地理位置、地質構造、氣候、重要山脈及河流等，培養區域認知。

任務二：閱讀中國黃土研究文獻，了解地球化學在黃土沉積研究中的應用，感悟化學分析方法對自然地理定量分析的重要作用。

任務三：野外采樣小組進行剖面記錄、采樣及周邊環境觀察，體會地理野外工作的重要性與艱巨性，培養對自然地理環境的觀察能力，增強地理實踐力。

任務四：在福建師范大學地理科學學院實驗室檢驗與制備實驗物質，進行元素實驗分析和數據處理，進而通過實驗數據分析得出結論，培育科學探究與創新意識。

任務五：分析綜合元素實驗測試結果，利用地理信息與數據處理軟件進行繪圖，撰寫研究論文。

三、研究區概況與研究方法

1.研究區概況

研究區位于河南省正陽縣郊區，海拔185m，經緯度位置為114°42′33″N，32°52′33″E，是河南省南部伏牛山山地與華北平原過渡地區，同時也是北亞熱帶季風氣候與暖溫帶季風氣候交界區域，如圖1所示。該區域從新生代至今受到亞洲季風強度持續變化與黃河演化進程的影響，出現大面積風塵沉積。華北平原地區受農業耕作的長期影響，主要形成了水稻土與旱地耕作土。

圖1 研究區區位圖

2.野外剖面分析與實驗分析方法

正陽黃土剖面高510cm，為黃褐色粉質黏土，含有部分鐵錳質氧化物結核。以10cm等間距取樣，用塑封袋包裝，每袋樣品30～50g，共采集51個樣品。樣品在實驗室經過40℃恒溫烘干后在瑪瑙研缽中研磨，過100目篩，充分混合后稱取約5g的樣品壓成圓環狀。測試儀器為X射線熒光光譜儀。測試前加入國家一級標準物質開展質量控制，測算三次各元素回收率，所有樣品回收率均處于96%～103%范圍內。

四、地球化學參數解讀與分析

1.常量元素特征

正陽黃土的主要常量元素氧化物為SiO2、Al2O3和Fe2O3，三者之和超過85%。其中又以SiO2為主，含量為66.09%，Al2O3含量為13.97%，Fe2O3占5.26%。而K2O、MgO、Na2O和CaO占比均不足2%。全剖面黃土常量元素氧化物含量差別較小，表明其形成環境差異不大。

將正陽黃土與洛川黃土、下蜀黃土比較后可知：常量元素氧化物含量具有高度的同一性，SiO2、Al2O3和Fe2O3的占比總和超過70%；三者也存在差異，下蜀黃土（68.07%）SiO2含量高于正陽黃土（66.09%），而正陽黃土高于洛川黃土（57.57%），呈現出由東南向西北減少的趨向，這與黃土在沉積后成壤過程所經歷的不同氣候條件有密切關系。[5]正陽黃土和典型黃土常量元素參數如表1所示。

表1 正陽黃土與典型黃土的主要常量元素成分比較

2.化學風化強度

地球表層的沉積物大多來源于陸地地殼上部，陸殼上部中主要的母巖礦物為長石，其在化學風化作用下，堿金屬會大量流失，形成黏土礦物。眾多學者研究認為：不同環境中化學風化強度變化會導致Al2O3的摩爾分數不同。根據此原理，化學風化指數（CIA）可作為反映化學風化程度的重要指標，如表2所示。公式為：CIA=［Al2O3/(Al2O3+CaO+K2O+Na2O)］×100%。[6]

表2 CIA指數與化學風化強度的對應關系[7]

Na2O/K2O比（分子摩爾比）是度量樣品中斜長石風化程度的參數。斜長石中Na的含量較高，云母、鉀長石中K含量較高，而二者的風化速率并不相同，鉀長石顯著慢于斜長石。因此，沉積物中Na2O/K2O值升高證明其風化程度降低。根據正陽黃土CIA值與Na2O/K2O值的散點分布圖發現，正陽黃土的Na2O/K2O與CIA的分布趨勢表現為負相關，如圖2所示。

將正陽黃土與上部陸殼（UCC）、洛川黃土和南京下蜀黃土展開對比研究，發現不同區域的黃土沉積物經歷的化學風化強度變化趨勢：UCC<洛川黃土<正陽黃土<南京下蜀黃土，正陽黃土經歷了中等強度的化學風化。以上化學風化強度表現出由西北內陸向東南沿海逐漸增強的區域變化，反映出該方向上，夏季風勢力逐步強大。正陽地區處于亞熱帶與暖溫帶過渡地區，處于中等風化強度的中間階段，比靠近海洋且位于北亞熱帶的南京下蜀黃土風化程度弱，但明顯高于位于溫帶季風區比較干燥環境下形成的洛川黃土，這與其地理位置對應的氣候條件基本吻合。

3.古氣候反演

21世紀以來，銣Fb、鍶Sr這兩種微量元素被應用于環境考古研究中。因為以上兩種元素的化學性質差異較大，Rb惰性強，在風化成壤過程中大量保留，Sr與之相反，常以游離態的形式在地表水的作用下淋溶流失，所以Rb/Sr值成為化學風化強度的關鍵參數之一。在銣的富集與鍶的流失過程中，降水量是其首要影響因素。在中國東部季風區，降水量與夏季風強度存在正相關關系，因此Rb/Sr值能夠成為劃分夏季風強度指標。在濕潤期，降水量升高，Sr含量減少，Rb/Sr值升高；在干旱期，Rb/Sr值降低。[8]

本課程利用古氣候指標重建古環境變化過程，必須利用多個參數進行交互驗證。依據上述研究，采用化學風化指數CIA與Rb/Sr值共同作為干濕階段的重要劃分參考指標。正陽地區位于中國東部季風區，夏季風強度對降水量起主導作用，因此，以上兩個參數能夠作為該地區夏季風強度的參考指標。

根據正陽黃土CIA與Rb/Sr值發現二者在垂直方向上的波動趨勢明顯一致，高峰和低谷各有2個，代表著2個干旱-濕潤的氣候變化周期，如圖2所示。高峰代表降水量較多的濕潤期，圖中用灰色部分標出，干旱期數值較低，在圖中為白色部分。從剖面底部至上部，也就是沉積初期至今，以上兩參數都呈現出了波動上升的趨勢，說明降水量波動增加，兩個明顯的濕潤期位于0～60cm和130～220cm地層處。這是區域沉積物對全球氣候變化的積極響應。

圖2 正陽黃土CIA與Rb/Sr值垂向變化圖

五、總結與展望

本跨學科研究課程以元素測試為技術手段，利用常量元素測試，計算出化學風化指數CIA與Rb/Sr值，挖掘出正陽黃土蘊含的古氣候信息，重建正陽地區的古環境變化過程。研究發現：正陽黃土常量元素特征與中國典型黃土相似，處于中等化學風化階段，在垂直方向上出現多個干旱-濕潤的氣候變化階段。

在研究課程中學生第一次體驗到化學元素測試技術的數據量化功能，能夠讓高中生提前體驗到大學地理科學的理科屬性，即運用物理化學實驗手段，以數學和計算機模型為支持，定量化解決自然地理科學的前沿問題。同時與人教版教科書中土壤的形成因素相關聯，讓學生深度理解不同氣候影響下土壤理化性質的差異，將定性描述在實驗數據中定量化體現。同時本研究課程充分體現出不同區域黃土堆積形成后，在氣候要素的差異化作用下形成的黃土理化性質的地域差異，據此進行原創試題設計。

在研究課程中，學生經歷了一次跨地理與化學科學研究過程，對培養地理實踐力、綜合思維、科學探究與創新意識具有重要的作用。本課程處于初期至中期開發階段，第一階段探究正陽黃土的形成因素，培養綜合思維。[9]第二階段挖掘正陽黃土的古氣候信息，進行跨學科課程設計。兩個階段著重解決黃土的物質來源與古氣候信息這兩個重要科學問題，存在遞進關系，同時也是對教科書知識的實際運用。

本研究課程對部分科學問題還不能夠得出完整結論。首先，本研究的地層年齡沒有測試，沒有準確的地層年齡就無法對應具體的地質年代，導致干濕旋回的周期變化失去了時間意義。第二，在沒有測年數據的情況下，無法將氣候變化曲線與周邊地區沉積物進行同一時期對比，失去了科研結論交互驗證的機會。第三，依據眾多學者的研究成果，淮河上游的黃土沉積主要來源于黃河泛濫形成的沖積扇[10]，這一地區是中華文明發祥地，如果能夠更精細地重建當地的古環境變化信息就足以將黃河流域的重大氣候變化事件、人類活動影響等進行關聯。第四，本研究采用的指標只能指示干濕旋回，對于推算氣溫變化，目前元素地球化學還難以精確指示或者存在明顯的區域差異，難以直接引用。第五，我國部分地區干濕變化與歲差、黃赤交角和軌道偏心率存在深度關聯，從而導致冰期-間冰期旋回、夏季風強度變化[11]，如果能將以上不同時間尺度影響因素進行分離，有望對其影響的準周期進行分析。