揭開深時古土壤的神秘面紗

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，我們可以看到遠古地球波瀾壯闊的海陸變遷過程，也可以探察遠古地球超級火山的肆虐蔓延，還可以見到遠古地球生態(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)生學認為土壤是復雜的自然因素和多變的人為因素相互作用的結果，即土壤是氣候、生物、地形和母質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，也就是地質歷史時期已經(jīng)石化了的土壤[2]，它因結出了豐碩的第四紀黃土—古土壤序列研究成果而聞名中外；又因“深時”指的是前第四紀的地質記錄[3]，所以深時古土壤指的是形成于前第四紀時期的土壤。和現(xiàn)代土壤一樣，深時古土壤也是前第四紀時期地球表層系統(tǒng)氣候、母質、生物、地形和時間綜合作用下的風化成土產(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之一，越來越多的科學家試圖從各類地質—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。作為深時地質記錄載體的深時古土壤蘊含了前第四紀時期地球環(huán)境演化的奧秘，是前第四紀時期地球無字的環(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，研究思路和研究方法上在傳承和延續(xù)現(xiàn)代土壤與第四紀古土壤研究的基礎上，還結合了沉積學、地球化學、古氣候學、古生態(tài)學等多學科的方法和手段，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學、古地層學及古地球表層系統(tǒng)科學，以解決地球系統(tǒng)科學領域的科學問題。

當前，科學家們基于“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，結合各種環(huán)境替代指標，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，還原當時涼爽宜人抑或是焦金爍石的古氣候信息，復原當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)境變化的響應與記錄研究，已著眼于并試圖為理解宜居地球的過去及預測未來全球變化提供科學證據(jù)，并為改進地球系統(tǒng)模式提供“深時”的基礎資料。

從古至今，不論中外，經(jīng)典的自然科學研究都遵循這樣一種研究模式，那就是認真觀察、詳細記錄、深度思考、探索規(guī)律與提出理論。比如，意大利科學家伽利略通過改進望遠鏡進行天文觀測，以觀測行星運動的規(guī)律；我國沉積地質學家王成善院士和胡修棉教授基于對白堊紀地層的長期觀察與研究，提出了“白堊紀大洋紅層”的概念[6]。深時古土壤學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、成壤碳酸鹽結核、土壤結構體和土壤發(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。同時植物的生長也有利于土壤的形成。實質上，土壤形成的真正開始是從植物定居于其母質之后。在漫長的地質歷史時期，植物登上充滿巖石的陸地，進行“開疆拓土”，陸生植物的根系通過分解有機酸和“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組分，加速了巖石風化成土的過程，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，進而提高了陸地初級生產(chǎn)力和有機碳的沉積。當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、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，導致其部分形態(tài)與結構不復存在，但部分根系不斷分叉成越來越細的模糊殘影后依然清晰可見。例如，側根的生長，主根的下扎，須根系的無序、叉狀分枝的輪廓結構，還有部分根系結構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、有害物質的分解與轉化、有機物質的分泌與礦化等，進而改變土壤的團粒結構。隨著歲月的流逝，它們在自己的地下宮殿內壽終正寢，它們的遺體很快就會被乘虛而入的真菌和細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”之成壤碳酸鹽結核

母質風化成土的過程中，土壤剖面內伴隨著物質和能量的交換與轉化。碳酸鹽的淋溶與淀積過程就是其中之一，該過程的實質為下列反應式：

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)育為成壤碳酸鹽結核。

作為化石土壤的深時古土壤，其剖面中的成壤碳酸鹽結核常以孤立的結核單體或是以大量結核單體“抱團”的形式存在。孤立的結核單體形態(tài)各異，多為不規(guī)則團狀結構，有些似豆莢，有些為橢圓狀或細顆粒狀，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，是成壤碳酸鹽結核形成的早期“幼年”階段。而大量單體結核的淀積“抱團”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)則凹凸狀，沿古土壤剖面水平層面方向斷續(xù)或連續(xù)存在，是成壤碳酸鹽結核中后期“中老年”階段。成壤碳酸鹽結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，還被廣泛應用于深時古氣候環(huán)境的重建。比如，深時古土壤碳酸鹽結核碳、氧同位素組成及團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”之土壤結構體

土壤結構是土壤形成的重要標志。與具有層理、波痕、縫合線和生物擾動構造等沉積構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構[5]。土壤結構指的是土壤中砂粒、粉粒、黏粒和有機顆粒等土粒的排列組合形式，土壤學家把這些如同積木塊一樣的土粒構建在一起所形成的不同尺度結構單元稱為結構體（peds）或團聚體（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，其土壤結構雖然發(fā)生了改變，但是具有一定形狀、大小和特征的土壤結構體仍然保留于土壤剖面中[8]。深時古土壤結構體主要以塊狀、整塊狀和楔狀3種形狀存在，團粒狀、片狀、圓柱狀和棱柱狀結構體則較少見。

塊狀結構體又可進一步細分為多角塊狀和棱角塊狀結構體，常見于深時古土壤的淀積層；整塊狀結構體因具有連續(xù)、未固結塊體的特征而又可稱為無結構體，是部分深時古土壤的常見結構；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構體，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構表現(xiàn)為團粒狀，然而深時古土壤的表層常因地質剝蝕作用而消失，因而團粒結構較為少見；片狀結構體為相對薄的，呈水平層狀的結構體，常存在于深時古土壤表層或是下層；圓柱狀和棱柱狀結構體呈直立的柱狀或臺狀，圓柱狀結構體具有突出的圓頂，棱柱狀結構體則呈多角頂或平頂形狀。深時古土壤結構體的類型（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，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志。

神秘“面紗”之土壤發(fā)生層

不同的地質條件、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致土壤發(fā)生層組合的不同，進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)育過程中原來均質的母質發(fā)生分異，形成土壤垂直層次結構的分異，這種垂直方向上顯示的系列層次結構就是土壤發(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、膠結等作用，但土壤剖面的礦質表土層——腐殖質層（A層）、淀積層（B層）、土體層以下的疏松物質層（C層，即母質層）和未分化的固結巖石層（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鍵證據(jù)，也是認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土體構型的深時古土壤剖面，較為常見的是A–B–C或B–C土體構型。這是因為深時古土壤的表層常因地表廣泛分布的地質剝蝕作用而消失，而巖石層也因常被剝蝕風化為松散的母質層而較少存在[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著不同的淀積層。例如，黏化淀積層、鈣化淀積層等。性質各異的土壤發(fā)生層組合構成了各種各樣的土體構型，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。

作為遠古地球表層環(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，是遠古地球陸地生態(tài)系統(tǒng)存在、演變和發(fā)展的物質基礎，支撐著遠古地球陸地生態(tài)系統(tǒng)中的生命過程，調節(jié)著遠古地球表層元素生物地球化學循環(huán)[5，8]。深時古土壤這一覆蓋于遠古地球表面的連續(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環(huán)境事件等信息。相關探索與挖掘還在持續(xù)開展，以進一步完善人類對遠古地球演化歷史的認知。

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

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關鍵詞：深時古土壤 根系 蟲孔 碳酸鹽結核 土壤結構 土壤發(fā)生層 ■