程雅楠

“錦江近西煙水綠，新雨山頭荔枝熟?！碧拼?shī)人張籍的詩(shī)表明當(dāng)時(shí)四川地區(qū)有荔枝分布。然而在現(xiàn)代人的認(rèn)知中，荔枝的生長(zhǎng)區(qū)多位于南嶺以南，很多人對(duì)楊貴妃能吃到荔枝表示懷疑。歷史時(shí)期的氣候并非一成不變，氣候的波動(dòng)變化也對(duì)文明演變產(chǎn)生了重要影響。

20世紀(jì)70年代，著名學(xué)者竺可楨根據(jù)歷史文獻(xiàn)記載首次重建了我國(guó)過(guò)去5000年的溫度變化。不久前，科學(xué)家利用現(xiàn)代地學(xué)研究手段，定量重建了我國(guó)北方過(guò)去5000年以來(lái)高分辨率的暖季（4月至10月）溫度變化序列。此外，綜合重建的暖季溫度與同區(qū)域公海孢粉量化的降水?dāng)?shù)據(jù)，為我國(guó)過(guò)去5000年文明歷史提供了更加完整的定量氣候背景。我們約請(qǐng)研究團(tuán)隊(duì)成員撰文向讀者介紹相關(guān)情況。

20世紀(jì)70年代，竺可楨先生根據(jù)歷史文獻(xiàn)和考古發(fā)掘材料對(duì)中國(guó)5000年來(lái)氣候變化進(jìn)行了初步探究，將5000年來(lái)氣候變化與歷史朝代年代對(duì)應(yīng)，開(kāi)啟了氣候變化與朝代演替研究的先河。

竺可楨開(kāi)啟氣候變化與朝代演替研究先河

中國(guó)是世界上歷史最悠久的文明古國(guó)之一，過(guò)去5000年的歷史長(zhǎng)河中，見(jiàn)證了很多次的文明一統(tǒng)與分裂割據(jù)、和平穩(wěn)定與戰(zhàn)亂動(dòng)蕩，王朝更迭、北方少數(shù)民族南遷、農(nóng)民起義等司空見(jiàn)慣。究其原因，不少學(xué)者都將氣候變化作為重要的影響因素之一。作為傳統(tǒng)的農(nóng)耕文明社會(huì)，中國(guó)古代文明深受氣候變化的影響，氣候深刻影響著作物農(nóng)時(shí)與物候現(xiàn)象，古人靠天吃飯，一場(chǎng)自然災(zāi)害即能引起饑荒，進(jìn)而發(fā)展成社會(huì)的不安定因素，造成社會(huì)動(dòng)蕩。

古人已隱約發(fā)現(xiàn)歷史時(shí)期氣候存在反復(fù)無(wú)常的變化，早在北宋時(shí)期沈括就已根據(jù)地層中出露的竹類化石判斷該地曾經(jīng)有過(guò)濕熱的氣候，但是由于缺乏詳細(xì)的氣象觀測(cè)資料，以致難以進(jìn)行科學(xué)分析。

20世紀(jì)70年代，竺可楨先生根據(jù)歷史文獻(xiàn)和考古發(fā)掘材料對(duì)中國(guó)5000年來(lái)氣候變化進(jìn)行了初步探究，將5000年來(lái)氣候變化與歷史朝代年代對(duì)應(yīng)，開(kāi)啟了氣候變化與朝代演替研究的先河。

自此，學(xué)界出現(xiàn)了許多關(guān)于氣候變化影響中國(guó)歷史進(jìn)程的研究，探討氣候變化對(duì)朝代演替和社會(huì)動(dòng)蕩的影響機(jī)制。但是在進(jìn)行氣候重建時(shí)，由于缺乏合適的氣候代用指標(biāo)，特別是溫度代用指標(biāo)，導(dǎo)致古氣候重建結(jié)果分辨率較低且多以定性記錄為主。歷史時(shí)期氣候研究中通常采用樹(shù)輪和歷史文獻(xiàn)資料進(jìn)行氣候重建，但是由于材料和技術(shù)限制，只能追溯過(guò)去2000年以來(lái)的氣候變化，長(zhǎng)期的氣候變化趨勢(shì)難以較好重現(xiàn)。因此，中國(guó)古代文明核心區(qū)的高精度、長(zhǎng)時(shí)間尺度的氣候變化記錄較為缺乏，一些研究不得不使用大區(qū)域甚至半球尺度的氣候變化數(shù)據(jù)分析歷史氣候變化與我國(guó)文明演化的關(guān)系，造成在部分關(guān)鍵問(wèn)題上出現(xiàn)爭(zhēng)議，限制了對(duì)這一領(lǐng)域研究的深入理解。

因此，在中華古文明的核心地帶，獲取更長(zhǎng)時(shí)間尺度、更高分辨率、定量的氣候變化信息至關(guān)重要。溫度和降水是衡量氣候的兩個(gè)主要因子，通過(guò)地質(zhì)載體中石筍氧同位素、孢粉等指標(biāo)，已在我國(guó)北方地區(qū)獲得了較為可靠的陸地古降水記錄，而定量的古溫度重建卻相對(duì)稀少，且往往只覆蓋過(guò)去一兩千年，因而選擇合適的指標(biāo)重建過(guò)去5000年來(lái)的溫度變化就成為了關(guān)鍵問(wèn)題。

微生物分子化石為古溫度重建提供新思考

由于歷史時(shí)期的氣候記錄缺乏器測(cè)資料，需要借助地質(zhì)載體中保存的信息，作為古溫度計(jì)進(jìn)行反推。所以，如何從地質(zhì)載體中分離出能夠記錄氣候信息的指標(biāo)、選取什么樣的指標(biāo)、這些指標(biāo)包含怎樣的氣候意義，就成為了古氣候研究人員思考的問(wèn)題。陸地上地表過(guò)程變化多端，進(jìn)行古氣候重建本身相對(duì)困難，因而我們所熟知的全球溫度變化曲線主要來(lái)自冰芯、深海沉積物和樹(shù)輪的記錄。然而我國(guó)古代以陸權(quán)為重，是傳統(tǒng)的農(nóng)耕文明社會(huì)，陸地上的沉積記錄才能更好地反映我國(guó)歷史氣候變化。隨著新技術(shù)的發(fā)展，微生物分子化石的研究蓬勃發(fā)展，其中的一類化合物能夠作為古溫度計(jì)應(yīng)用于古氣候研究中，為古溫度重建提供了新的思考。

支鏈甘油二烷基甘油四醚酯（brGDGTs）是細(xì)菌細(xì)胞膜的組成部分，微生物活體死亡后，細(xì)胞膜中的brGDGTs等大分子能在地質(zhì)體中長(zhǎng)期保留下來(lái)，并保留當(dāng)時(shí)的氣候信息。其分子結(jié)構(gòu)中具有4到6個(gè)甲基和0到2個(gè)環(huán)戊烷，在氣候發(fā)生變化時(shí)，如同人天冷需要加衣、天熱需要減衣一樣，寒冷的氣候條件下細(xì)菌傾向于合成更多的甲基，而溫暖的環(huán)境下合成的甲基數(shù)量減少。據(jù)此，可以通過(guò)brGDGTs結(jié)構(gòu)中的甲基個(gè)數(shù)推斷當(dāng)時(shí)的溫度信息。

黃土高原是中國(guó)古代文明的核心區(qū)，無(wú)論是史前時(shí)期的大地灣文化、老官臺(tái)文化、仰韶文化，還是自夏以來(lái)的眾多王朝，黃土高原地區(qū)都是其生存繁衍、發(fā)展農(nóng)耕的重要區(qū)域。可以說(shuō)，黃土高原地區(qū)是了解我國(guó)歷史發(fā)展進(jìn)程的一面鏡子。

為獲取我國(guó)過(guò)去5000年來(lái)高分辨率的溫度變化記錄，中科院青藏高原研究所陳發(fā)虎院士、南京大學(xué)趙成教授以及中科院南京地理與湖泊研究所、蘭州大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)組成的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)，選取了靠近中華文明核心區(qū)——黃土高原地區(qū)六盤山北聯(lián)池的沉積物樣品，借助brGDGTs指標(biāo)，定量重建了過(guò)去5000年來(lái)中國(guó)北方30年分辨率的暖季（4月至10月）溫度變化，同時(shí)結(jié)合山西公海沉積物孢粉重建的降水記錄，獲得了我國(guó)北方地區(qū)5000年以來(lái)完整的氣候演變歷程。

過(guò)去5000年我國(guó)北方不斷變冷變干

從重建的溫度與降水結(jié)果來(lái)看，過(guò)去5000年間，我國(guó)北方地區(qū)經(jīng)歷了復(fù)雜的氣候波動(dòng)變化。在長(zhǎng)期趨勢(shì)上，溫度逐漸變冷，大約前3000年下降緩慢，降幅僅為0.5℃，之后的2000年下降幅度增加，降幅高達(dá)4℃;降水逐漸減少，大約前2000年降水量相對(duì)較高，約為500mm，之后的3000年快速下降，降幅超過(guò)150mm。

整體而言，過(guò)去5000年以來(lái)，我國(guó)北方地區(qū)的氣候呈不斷變冷、變干的大趨勢(shì)，這主要與太陽(yáng)輻射變化有關(guān)。由于太陽(yáng)輻射能量的周期性變化，在過(guò)去5000年以來(lái)持續(xù)下降，一方面到達(dá)地面的熱量減少，地表氣溫隨之下降;另一方面由于海洋與陸地比熱容的差異，海陸熱力差異降低，我國(guó)北方季風(fēng)降水也隨之減少。另外，過(guò)去2000年以來(lái)的快速冷干現(xiàn)象還可能與太陽(yáng)活動(dòng)、局部火山活動(dòng)等因素有關(guān)，并且，這一時(shí)段內(nèi)區(qū)域植被中木本植物逐漸減少，導(dǎo)致地表反射率上升，也可能增加了氣候變冷變干的速度。

除此之外，在氣候整體呈冷干趨勢(shì)的背景下，我國(guó)北方地區(qū)還經(jīng)歷了4次顯著的降溫事件和兩次顯著的干旱事件，具體表現(xiàn)為在大約100年間溫度突然下降約2℃-3℃，年均降水量突然減少100mm。這幾次冷或干事件的發(fā)生可能與Bond事件有關(guān)。Bond事件是由美國(guó)學(xué)者Bond等人提出的全新世氣候變化中的異常冷事件，最初發(fā)現(xiàn)于北大西洋，研究者在深海沉積物中發(fā)現(xiàn)多起浮冰碎屑沉積，認(rèn)為其代表了氣候變化過(guò)程中幾次氣候異常變冷的現(xiàn)象。本研究中的4次降溫事件和兩次干旱事件發(fā)生的時(shí)間均與之相符。

過(guò)去5000年以來(lái)我國(guó)北方地區(qū)的溫度和降水變化并不完全耦合，雖然都因?yàn)樘?yáng)輻射量減小而表現(xiàn)出整體下降的趨勢(shì)，但是具體的變化存在不一致性，比如溫度下降過(guò)程中共出現(xiàn)了4次變冷事件而降水變化過(guò)程中僅有兩次干旱事件，這可能因?yàn)榻邓淖兓€受到其他多種因素如東亞夏季風(fēng)的強(qiáng)弱變化、赤道太平洋副熱帶高壓、熱帶輻合帶的位置以及區(qū)域地形等因素的影響，反映出氣候系統(tǒng)的復(fù)雜性。

揭示高精度的5000年氣候變化史

研究人員將氣候重建的結(jié)果與中國(guó)古代歷史按照年代相對(duì)應(yīng)，將氣候變化背景與歷史朝代相結(jié)合，構(gòu)建出高精度的5000年氣候變化歷史。

從上古三皇五帝時(shí)期開(kāi)始，我國(guó)北方整體上處于溫暖濕潤(rùn)的氣候環(huán)境，當(dāng)時(shí)的環(huán)境條件相對(duì)優(yōu)越，早期農(nóng)業(yè)種植已經(jīng)萌芽，部族生活相對(duì)穩(wěn)定。夏的建立標(biāo)志著我國(guó)世襲王朝的開(kāi)始，作為從原始社會(huì)向氏族封建邦國(guó)的過(guò)渡，夏的建立借助了氣候環(huán)境變化的契機(jī)。上古氏族部落晚期，出現(xiàn)了一次氣候異常變冷的事件，其后黃河中下游一帶還發(fā)生了一次罕見(jiàn)的大洪水，也就有了大禹治水的典故。夏朝（約公元前2070年—前1600年）建立后乃至殷商時(shí)期（約公元前1600年—前1046年），北方文明核心區(qū)氣候一直溫暖濕潤(rùn)，雖然偶爾會(huì)存在一些波動(dòng)，但是總體上氣候條件相對(duì)適宜。

周朝（公元前1046年—前256年）前期氣候溫暖，但是不久后又一次受到快速變冷事件的影響，氣候惡化，公元前770年左右平均溫度下降幅度達(dá)到2℃，在這一氣候條件的影響下，西周（公元前1046年—前771年）后期社會(huì)動(dòng)蕩、王室沒(méi)落，雖然平王東遷建立東周（公元前770年—前256年），但是周王室的勢(shì)力已日漸衰落，諸侯割據(jù)、戰(zhàn)亂頻發(fā)。

秦（公元前221年—前206年）、漢（公元前206年—公元220年）時(shí)期是我國(guó)歷史上第一次達(dá)到封建社會(huì)繁盛的階段，此時(shí)氣候溫暖濕潤(rùn)，盡管降水呈現(xiàn)出明顯的減少趨勢(shì)，北方少數(shù)民族邊界地區(qū)戰(zhàn)亂不斷，但是中原核心區(qū)的氣候條件適宜，漢武帝時(shí)期更是達(dá)到了空前的繁榮盛世局面。

魏晉南北朝時(shí)期（公元220年—589年）是繼春秋戰(zhàn)國(guó)之后又一次亂世，在氣候變化上的表現(xiàn)為平均溫度下降約1℃，而降水的變化則不明顯。受此影響，這一階段是我國(guó)歷史上政權(quán)更迭最頻繁的時(shí)期，戰(zhàn)爭(zhēng)連綿不斷，北方少數(shù)民族大舉南下，促進(jìn)了民族大融合。之后隋朝（公元581年—618年）一統(tǒng)，前期氣候溫暖濕潤(rùn)，但隋末時(shí)氣候趨于冷干。

唐朝（公元618年—907年）時(shí)期的氣候狀態(tài)相對(duì)復(fù)雜，暖季時(shí)的溫度偏低、降水適中，冬季的溫度則相對(duì)偏高、降水也偏多，這樣的氣候條件推動(dòng)了當(dāng)時(shí)的農(nóng)業(yè)發(fā)展與社會(huì)經(jīng)濟(jì)繁榮，達(dá)到了我國(guó)封建社會(huì)最鼎盛的時(shí)期。公元750年左右，盛唐之后氣候快速轉(zhuǎn)冷，降溫幅度跌破2℃，與之相伴的是明顯的干旱化，安史之亂的發(fā)生使得唐朝盛世轟然倒塌。

唐滅亡進(jìn)入五代十國(guó)時(shí)期（公元907年—979年），北方經(jīng)歷了長(zhǎng)達(dá)70余年寒冷干燥的氣候條件。宋朝（公元960年—1279年）氣候狀況稍微好轉(zhuǎn)，相對(duì)溫暖濕潤(rùn)的氣候條件為宋朝的繁華奠定了基礎(chǔ)。宋之后，元朝（公元1206年—1368年）與清朝（公元1644年—1911年）又是歷史上的兩個(gè)大冷期，并且都為少數(shù)民族所統(tǒng)治 ，其間的明朝（公元1368年—1644年）則有著較為溫暖濕潤(rùn)的氣候。由此可以發(fā)現(xiàn)，在我國(guó)5000年的歷史長(zhǎng)河中，氣候變化可能扮演著十分重要的角色，深刻影響了我國(guó)古代社會(huì)文明的發(fā)展。

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