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近百年来，全球气候变暖引发的两极冰川消融、海平面上升、极端干旱和炎热气候灾害事件频发等环境变化问题深刻影响着人类社会和经济的可持续发展[1-2]。为应对全球环境变化的挑战，人类需要对地质历史时期地球演化及其环境效应有更加深入的了解，以便更科学、合理地预测和应对未来全球变化，服务于人类文明的可持续发展。然而，相较于全球变化研究丰富的第四纪时期，涉及“深时”时期的全球变化研究则相对较少。“深时”研究(deep time rearch ：前第四纪地质记录的研究)旨在探索深时全球变化，从地球演化的宏观尺度上了解全球气候变化过程、地表各圈层与气候变化之间的相互关系，可为洞悉未来全球变化提供科学依据[3-4]。特别是“深时”时期的大气CO 2、温度、降水等古环境与气候参数变化及其驱动过程研究，对于如何面对和解决当代及未来全球变暖有重要的启迪作用[5-6]。
深时古土壤是指形成于前第四纪时期自然景
观下的已经岩化或石化且被上覆地层叠置的土壤，既是深时陆地表层系统的重要组成部分，也是研究全球变化的重要载体之一[7-8]。与岩溶石笋、黄土等其他地质载体一样，它们具有信息量丰富、连续性好、分布广泛等特点，能有效反映其形成过程中的气候环境自然变化信息[8-9]。因此，深时古土壤的识别和研究对于探索“深时”时期地球陆地表层系统景观变化、地球关键带特征、气候演变、大气CO 2和O 2
含量变化，以及揭秘“深时”重要地质气候事件具有重要的科学意义[4,10-12]。本文就深时古土壤研究的最新应用进行阐述与总结，为进一步深化深时古土壤研究在当代地球系统科学中的应用和更好地理解深时地球环境演变提供借鉴与证据。
贺新春手抄报>关于幸福的诗句1 深时古土壤的特征与鉴别
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深时古土壤是前第四纪时期的风化壳或风化堆积物与有机质原位变化的产物[7-8,10]。因漫长地质历史时期的变质和成岩作用，其原有的部分
*国家自然科学基金项目(41901066、41771248、41371225)和国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2012CB822003)†通信作者，研究方向：土壤与环境。E-mail:***************
doi: 10.3969/j.issn.0253-9608.2021.02.009
深时古土壤——远古地球环境演变的“记录仪”
*
李军①②，黄成敏②†，刘艳梅②
①兰州城市学院 地理与环境工程学院，兰州 730070；②四川大学 环境科学与工程系，成都 610065
摘要 深时地球环境演变的定量化和系统化研究对于服务宜居地球建设意义重大。古土壤是认识深时地球历史演化的一把钥匙。文章简要地介绍了深时古土壤的鉴别特征，并从深时古气候环境重建、深时古景观恢复、深时关键带研究和重要地质气候事件响应等四个方面论述了深时古土壤的应用研究，旨在为深化深时古土壤研究和深入理解深时地球环境演变提供借鉴与证据。
关键词 深时古土壤；深时古气候；古景观；深时关键带；地质气候事件
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成土特征被掩盖和损坏，从而造成它在野外岩石地层中不易与沉积岩区分。深时古土壤与沉积岩最鲜明的区别在于深时古土壤仍保留有土壤发生学的基本特征，如土壤发生层和土壤结构等(图1)，而沉积岩则具有层理、波痕、泥裂、缝合线、印模等常见的沉积构造。
A —腐殖质层；
B —淀积层；
C —母质层；Bk —碳酸盐淀积层
现代土壤与第四系、深时古土壤剖面特征：(a)现代土壤与被埋藏的第四系古土壤剖面(四川凉山)；(b)深时古土壤虫孔
痕迹(四川绵阳，白垩系七曲寺组，黄色箭头)；(c)深时古土壤根系(四川雅安，白垩系灌口组，黄色箭头)；(d)深时古土壤块状结构(四川雅安，白垩系灌口组)；(e)深时古土壤根系(黄色箭头)与碳酸盐结核(四川达州，侏罗系沙溪庙组，红色箭头)。图中地质锤长为~28 cm ，笔长为~14 cm
，硬币直径为~1.9 cm
图1土壤发生导致土壤垂直层次结构的分异是土壤剖面形成的主要标志，也是辨识深时古土壤的重要
依据[10,13-14](图1)。一般情况下，土壤颜色、质地、结构、新生体和紧实度等形态特征是识别土壤发生层次的主要依据。深时古土壤发生层次的划分通常沿用现代土壤发生学特征，也可分为腐殖质层(A)、淋溶层(E)、淀积层(B)、母质层(C)和母岩层(R)(图1)。土壤的淀积层是一个发育完整的土壤剖面必备的重要土层，在土壤分类时，常常作为诊断层，而且依据淀积物质的种类又可进一步细分为黏粒淀积层(Bt)、碳酸盐淀积层(Bk)、潜育层(Bg)、石膏淀积层(By)等多个亚层。在野外岩石地层或露头中，大部分深时古土壤剖面为腐殖质层(A)与淀积层(B)，部分土壤剖面只有淀积层(B)和母质层(C)(图1)，极少数深时古土壤剖面具有完备的腐殖质层(A)、淀积层(B)、母质层(C)和母岩层(R)。此外，由于长期出露地表或在埋藏条件下经压实、胶结和成岩作用，深时古土壤还会出现表土层缺失或产生土壤层重叠(A 层和B 层)的现象[15]。
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土壤结构是指土粒相互团聚成一定形状和大小且性质不同的土壤结构体。虽然深时古土壤因固结成岩作用，其形态特征发生了一定的变化，但仍保留有一定的土壤结构体特征[9-10,16]。团粒状、透镜状、楔状、块状、片状、棱柱状、圆柱状、整块状结构体为深时古土壤野外剖面中常见的土壤结构形式[10,17]。除土壤发生层和土壤结构之外，同现代土壤一样，以树桩、根模或根圈的形式存在的根系结构，虫孔、生物洞穴、潜穴等生物活动遗迹以及因成壤碳酸盐淀积而形成的碳酸盐结核或钙磐亦是深时古土壤鉴别的主要特征[9-10,16,18](图1)。然而，并不是所有的深时古土壤都保留有明显的宏观根系结构特征，比如形成于前寒武纪的古土壤，则需借助实验室岩相分析、微形态观察等手段进行辨识[19]。
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2 深时古土壤与重建古气候
土壤发生学理论认为气候环境是影响土壤形成的因素之一，即深时古土壤是深时气候环境作用下的产物[8,10-11]。以“现在是认识过去的钥匙”为基本思想的“将今论古”研究方法就是利用深时古土壤进行古气候环境的重建，即以现代土壤发生特征与成壤环境关系为基础，通过对深时古土壤发生学的精细研究，反演不同类型古土壤的形成环境。例如，现代干旱土的发育意味着干旱、半干旱气候环境，而发育深厚的铁铝土则代表着炎热湿润的气候特征，深时环境下亦是如此。
随着研究的深入，以深时古土壤为载体的古气候环境重建研究已趋于成熟且不断走向精细化。传统的表征性和定性描述类比性研究已逐渐被定量化和精细化研究所取代。定量化研究是以地质历史时期的土壤为代用指标，利用“转换函数法”定量重建历史时期地表陆相气候变化，尤以古年均温度、古年均降水量与古大气二氧化碳和氧含量重建为主[8,13,16,20-21]，主要有：利用特定类型古土壤的地球化学特征和氧同位素组成及土壤淀积物质深度进行古年均温度与古年均降水的定量重建；基于古土壤成壤碳酸盐结核与其有
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机质的稳定碳同位素组成古土壤气压计(paleosol barometer)的古大气二氧化碳浓度重建；以古土壤中氧化还原环境敏感的元素或其比值的研究来推演古大气中氧含量的重建。这些定量重建模式已被广泛应用于深时地球古生代、中生代等不同时期或阶段的古气候与古环境重建[16,20,22-24]。例如：利用深时古土壤对四川盆地中生代(晚三叠世晚期—白垩纪)古温度和古降水的定量重建显示四川盆地中生代年均降水量变化较大(145～1 400 mm)，而年均温度变化幅度相对较小(7～15 ℃)，为理解中生代陆相气候变化提供了定量气候数据[14]；以上白垩统灌口组古土壤碳酸盐结核为研究对象，定量恢复了马斯特里赫特期(Maastrichtian)中晚期时的古大气CO 2含量[25]，该时期古大气CO 2含量整体处于较低水平(＜300 ppm ，1 ppm = 10-6)(图2)，与近年来古植物气孔的重建结果较为一致[26]；利用古元古界古土壤可以重建古元古代时期大气中氧含量的变化，其中距今2.46 Ga 时为10-7.1～10-5.4 atm(1 atm = 101.325 kPa)，2.15 Ga 时为10-5.0～10-2.5 atm ，2.08 Ga 时为10-5.2～10-1.7 atm ，至1.85 Ga 时，大气氧含量超过10-4.6～10-2.0 atm ，印证了古元古代时期大气中氧含量增加的趋势[27]。
图2 四川盆地晚白垩世马斯特里赫特期古气候变化(据参考文献[25]修改
)
3 深时古土壤与恢复古景观
深时古土壤是“深时”时期地表景观下形成的
土壤，必然记录了形成时期地表的景观环境[8,10]。利
用深时古土壤恢复深时古景观的核心关键在于古土链(paleo-catena)。古土链是指在一定区域空间尺度
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范围内，在成土母质、年代和气候类似或一致的条件下，因地形和排水的差异导致古土壤的成土作用不同，从而发育有类型不同的古土壤所形成的土壤序列[28](图3)。实际研究常在区域局部或盆地尺度范围内，利用古土链中不同类型古土壤的空间分布来推断土壤形成时期的水文、植被、气候等地表自
然景观变迁[8]。例如在局部尺度范围内，古土链中
古土壤类型由古新成土的发育变迁为古干旱土的分布，
说明研究区局部范围内自然植被景观由草本植物和灌木的广布演变为植被稀疏的沙漠或干旱的灌木区。
图3 理想的深时古土链示意图
近些年来，在局部尺度上重建土壤形成时排水性差异的古景观研究较多。例如，印度东部地区发育自太古界元古界接触面的古变性土具有显著的胀缩成土特征和挤压微地貌，研究认为，区域古土壤形成于未受地下水影响的非饱和带(又称包气带)且排水良好、干湿交替的景观环境[29]。对美国新泽西州和特拉华州中生代白垩系波托马克组(Potomac formation)古土壤的成土分析发现，下白垩统古土壤发育自排水良好且稳定的景观环境之中，而上白垩统古土壤则形成于排水良莠不齐且不稳定的景观环境下，区域降水量是影响古土链中古土壤
序列发育的主要环境因子[30]。
中生代与新生代地层界线也有相关报道，Wiest 等[31]通过对威林斯顿盆地白垩系古近系界线古土链中古土壤序列的颗粒组成、有机碳和成土特征分析，发现古土链中发育有浅粉砂质古始成土、橄榄绿黏土质古变性土和巧克力黏土质古变性土，且这三种土壤类型在古土链中的分布反映出该土链形成时排水性由良好到较差的景观变迁。
4 深时古土壤与重现古地球关键带
深时地球关键带包含前第四纪(>2 Ma)时期
地球关键带各种过程和组分的基础信息，反映了“深时”时期关键带对气候变化和构造运动的响应[32]。深时地球关键带研究旨在获取深时地球近地表各圈层演变的历史，即研究深时地球的古大气圈演化、古水文循环过程、古生物圈中动植物和古人类变迁及古岩石圈生物地球化学过程等科学问题，其实质上为涉及古土壤学、地质学、水文学、生态学、植物学等多学科交叉融合的深时陆地表层系统演化的综合研究[33]。小米盒子怎么投屏
古土壤圈为深时地球岩石圈、水圈、生物圈和大气圈进行物质迁移、能量交换和信息传递的交汇区域，起着核心与纽带作用(图4)。目前，在缺乏深时关键带观测站的基础资料背景下，构成深时古土壤圈的古土壤被认为是研究深时关键带的核心和最佳材料[12,33-34]。这是因为深时古土壤是深时地球陆地表层或其附近气候、母质、植被(生物)、地形、时间综合作用下的产物，各种古土壤类型、特征和性质都是深时地球不同圈层相互作用下的反映，记录有“深时”时期地球关键带的物质、能量和信息流动与转化的信息[8,10]。所以，深时古土壤发生过程的认知是深时地球关键带科学研究的核心内容，即以深时
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古土壤研究为基础，以深时古土壤景观格局、深时古土壤生态变迁、深时古土壤大气组分、深时古土壤气候变化、深时古土壤水文变化、深时古土壤生物地球化学循环为纽带和桥梁，开展深时不同空间尺度的关键带过程和规律的模拟与重建[12,33-34]。
近年来，古土壤学家利用古新世土壤的成土过程，通过土壤岩石界面重建了古新世期间地球关键带的生物地球化学循环过程[35]。研究者也以深时古土壤的理化性质为基础，在景观尺度上重现了地球1.21亿年前的关键带景况[32]。另外，根据深时古土壤剖面中留存的植物或者树木的根系、植物根茎的密度及其渗透的深度，研究者还可以推断当时的水文环境特征[36]。因此，Pawlik 等[37]提出可以利用深时古土壤中植物或者树木的根系岩石土壤界面来洞悉深时地球关键带中生物地球化学循环的信息。此外，研究者还可以通过获取参与水岩石体系交互反应的成岩流体和大气降雨的氧同位素组成来重建古水文循环过程。已有研究尝试利用深时古土壤成壤碳酸盐和成壤菱铁矿的氧同位素组成来进行古水文方面的研究[38-39]，为深时关键带研究提供了新思路与新视角。
5 深时古土壤与揭秘重要地质气候事件
深时古土壤是“深时”时期地表沉积物风化成土的产物，其成壤过程受地球表层系统重要地质气候事件的影响与控制，是重要地质气候事件的记录者[7]。比如泥盆纪乔木的出现、中二叠世末期全球大规模的海平面下降、二叠纪末期的气候突变、中生代末期的灭绝事件等地球上壮观的重要地质气候事件均
在深时古土壤中留下了“踪迹”。通过解译重要地质气候事件发生时期深时古土壤的类型、分布、结构等成壤性质变化，来探讨与解读深时古土壤成壤过程与重要地质气候事件之间的耦合关系，有助于全面理解地质历史时期的重要地质气候事件[7]。
泥盆纪中期地球陆地上木本植物的出现被认为是大气CO 2浓度与水蒸气浓度锐减的主要原因。对美国纽约泥盆系吉维特阶的古土壤与木化石研究发现，该地区泥盆纪吉维特阶类型多样的森林景观发育伴随着大气CO 2浓度的下降[40]。Retallack 和Huang [41]对美国纽约泥盆纪古土壤的研究也进一步证实了这一发现。中二叠世晚期的大规模海平面降低现象是全球重要的地质事件。Li 等[42]对中国西南地区玄武岩喷发区域进行野外调查研究时，发现西南玄武岩喷发区域发育有中二叠统晚期玄武岩古土壤灰岩序列，可以揭示海平面升降现象。研究人员通过对位于四川峨眉山地区的该序列古土壤发生学特征和古土壤下伏灰岩碳酸盐微相分析，发现中二叠世末期华南地区海平面在3.5~30 m 之间变化，整体上呈下降趋势，响应了全球海平面下降事件(图5)。二叠纪末期的生物大灭绝事件是显生宙以来地球上最大的灭绝事件。二叠纪末期到三叠纪初期，中国西北新疆博格达山脉区域的古土壤在形态、矿物和地球化学特征上发生了相应的变化。二叠纪末期古土壤剖面中铁锰结核、有机质的聚集，说明了湿润的气候环境；而到了三叠纪初期，古土壤剖面中出现了钙质结核与石膏的淀积，表明当时的蒸发量强于降水量，气候变得干旱。这也说明古土壤的发育特征在受到气候突变影响的同时，也响应了二叠纪末期的生物灭绝事
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图4
深时地球古土壤圈与其他圈层的耦合关系图
