揭开深时古土壤的神秘面纱

  作者      李军    黄成敏

一套地层、一片露头，承载着地球的演变历程；一个剖面、一个土层，记录着地球过去的模样。透过层层叠叠的地层与类型各异的露头，我们可以看到远古地球波澜壮阔的海陆变迁过程，也可以探察远古地球超级火山的肆虐蔓延，还可以见到远古地球生态系统中绚丽多彩的生物群。

深时古土壤的定义与内涵

万物土中生，作为地球的皮肤，土壤是人类生存之本，也是“绿水青山”的根。土壤发生学认为土壤是复杂的自然因素和多变的人为因素相互作用的结果，即土壤是气候、生物、地形和母质及人为作用长期综合作用的产物 [1]。而古土壤又称为化石土壤，也就是地质历史时期已经石化了的土壤 [2]，它因结出了丰硕的第四纪黄土-古土壤序列研究成果而闻名中外；又因“深时”指的是前第四纪的地质记录 [3]，所以深时古土壤指的是形成于前第四纪时期的土壤。和现代土壤一样，深时古土壤也是前第四纪时期地球表层系统气候、母质、生物、地形和时间综合作用下的风化成土产物 [4]。

“过去是未来的钥匙”。古全球变化研究是我们理解未来全球变化的重要基础之一，越来越多的科学家试图从各类地质-生物记录的环境变化规律中寻找未来全球变化的趋势。作为深时地质记录载体的深时古土壤蕴含了前第四纪时期地球环境演化的奥秘，是前第四纪时期地球无字的环境历史档案库，承载着地球陆地生态系统建立以来地表环境变化留下的“史料”，记录着丰富的地球过去环境演化信息 [2,4-5]。深时古土壤研究在时间上聚焦于前第四纪，研究思路和研究方法上在传承和延续现代土壤与第四纪古土壤研究的基础上，还结合了沉积学、地球化学、古气候学、古生态学等多学科的方法和手段，研究范畴也不再是单纯研究土壤本身，而是逐步延伸到古气候学、古地层学及古地球表层系统科学，以解决地球系统科学领域的科学问题。

当前，科学家们基于“将今论古”或“将古论未来”的经典方法，通过对不同类型深时古土壤的识别、分析和研究，结合各种环境替代指标，可勾勒出深时古土壤形成时的局地或区域花草树木的古景观概貌，还原当时凉爽宜人抑或是焦金烁石的古气候信息，复原当时郁郁葱葱又或是戈壁荒漠的古环境概况。特别是在面向认识地球宜居性的战略研究背景下，深时古土壤的形成、演化及其对环境变化的响应与记录研究，已着眼于并试图为理解宜居地球的过去及预测未来全球变化提供科学证据，并为改进地球系统模式提供“深时”的基础资料。

深时古土壤的神秘“面纱”

从古至今，不论中外，经典的自然科学研究都遵循这样一种研究模式，那就是认真观察、详细记录、深度思考、探索规律与提出理论。比如，意大利科学家伽利略通过改进望远镜进行天文观测，以观测行星运动的规律；我国沉积地质学家王成善院士和胡修棉教授基于对白垩纪地层的长期观察与研究，提出了“白垩纪大洋红层”的概念 [6]。深时古土壤学的研究工作就是通过观察与识别岩石地层中的深时古土壤，从中探究地质历史时期地球表层系统的演变历程，窥视深时地球白驹过隙的若干瞬间，目睹地球曾经波澜壮阔、超越时空的沧海巨变。那么，如何在层层叠叠的岩石地层中慧眼识“真君”呢？我们可以通过寻找岩石地层露头或深地钻孔岩芯中的根系遗迹、虫孔巢穴、成壤碳酸盐结核、土壤结构体和土壤发生层 [5,7-8]，揭开它的神秘“面纱”。

神秘“面纱”之根系遗迹

古书《周易·离》中提到“日月丽乎天，百谷草木丽乎土”，意思是说天和地是日月、人类和草木依存的载体，即土壤支撑着植物的生长，主要是为植物根系生长提供介质。同时植物的生长也有利于土壤的形成。实质上，土壤形成的真正开始是从植物定居于其母质之后。在漫长的地质历史时期，植物登上充满岩石的陆地，进行“开疆拓土”，陆生植物的根系通过分解有机酸和“根劈作用”等分解了岩石，同时通过吸取养分改变了岩石的化学组分，加速了岩石风化成土的过程，将陆地上大量的岩石变成土壤，重塑了地球表层的陆地生态环境。

“为有牺牲多壮志，敢教岩石变土壤”。随着植物花残叶落、枯萎凋零，落叶、茎秆、残体即刻受到来自土壤中微型和大型动物的协同“攻击”，将它们撕为碎片，与土壤融为一体，进而提高了陆地初级生产力和有机碳的沉积。当这一切繁华落幕之后，不同类型植物的根系会深深地埋在土壤之中，伴随着地球历史的变迁和漫长岁月的埋藏变质、逐渐石化。和残枝落叶一样，根系同样会被土壤动物分解蚕食，导致其部分形态与结构不复存在，但部分根系不断分叉成越来越细的模糊残影后依然清晰可见。例如，侧根的生长，主根的下扎，须根系的无序、叉状分枝的轮廓结构，还有部分根系结构岩化为根模的形式与岩层互为一体，永久性地在地层岩石中留下了“烙印”。这些都给科学家们留下了“见根识土”最直观、最有利的证据。

神秘“面纱”之虫孔巢穴

土壤是地球上生物多样性最高的栖息地之一，是众多大大小小生物的家园。这个家园里生活着鼹鼠、拔地鼠等大型动物，也居住着蚂蚁、蚯蚓等小型动物，还蜗居有线虫、单细胞原生动物等微型动物 [9-10]。这些“居民”们会在距离地表1.5~4米的土体内不定期地给自己“建筑”新的巢穴，这其中蚯蚓更是以在土体内吃出通道而获得大自然“耕夫”的美誉。动物们频繁的“劳动”影响了土壤中气体的交换、有害物质的分解与转化、有机物质的分泌与矿化等，进而改变土壤的团粒结构。随着岁月的流逝，它们在自己的地下宫殿内寿终正寝，它们的遗体很快就会被乘虚而入的真菌和细菌类腐生生物啃食殆尽。然而，土壤动物们呈长圆柱形或呈弯弯曲曲不规则形状的地下宫殿在被随之而来的上覆砂岩或粉砂岩填充掩埋之后，与被石化的土壤融为一体，以化石的形态得以保留，并随着地球环境的变迁而成为永恒，为后世科学家识别深时古土壤提供了必要的辅助证据。

神秘“面纱”之成壤碳酸盐结核

母质风化成土的过程中，土壤剖面内伴随着物质和能量的交换与转化。碳酸盐的淋溶与淀积过程就是其中之一，该过程的实质为下列反应式：

通常情况下，碳酸钙（CaCO₃）不易溶于水，而重碳酸盐（HCO₃—）在地下水环境和土壤溶液中具有较好的可溶性和移动性。因此，在湿润地区，密集的降水过程会使土壤剖面内的碳酸盐发生淋溶脱钙作用，即碳酸钙形成可溶的重碳酸盐，并随降水移动淋溶出某个土层或整个土体。而在干旱、半干旱和半湿润的地区，稀少的降水或者降水不足，难以将碳酸盐淋洗出土体，从而发生钙积作用，也就是上述反应式向左移动，碳酸氢钙[Ca(HCO₃)₂]释放出二氧化碳（CO₂）而变成碳酸钙（CaCO₃），淀积于土壤剖面中发育为成壤碳酸盐结核。

作为化石土壤的深时古土壤，其剖面中的成壤碳酸盐结核常以孤立的结核单体或是以大量结核单体“抱团”的形式存在。孤立的结核单体形态各异，多为不规则团状结构，有些似豆荚，有些为椭圆状或细颗粒状，还有些似爆米花状 [5]。它们不均匀地分布在深时古土壤剖面中，是成壤碳酸盐结核形成的早期“幼年”阶段。而大量单体结核的淀积“抱团”会形成层状、块状或块状相互镶嵌的钙磐。它们上下边界呈平整或不规则凹凸状，沿古土壤剖面水平层面方向断续或连续存在，是成壤碳酸盐结核中后期“中老年”阶段。成壤碳酸盐结核这一深时古土壤剖面的“面纱”，除了用于辨识深时古土壤之外，还被广泛应用于深时古气候环境的重建。比如，深时古土壤碳酸盐结核碳、氧同位素组成及团簇同位素在重建古大气二氧化碳、古高程和古温度研究中发挥着重要作用 [11]。

神秘“面纱”之土壤结构体

土壤结构是土壤形成的重要标志。与具有层理、波痕、缝合线和生物扰动构造等沉积构造特征的沉积岩相比，深时古土壤和现代土壤一样具有鲜明的土壤结构 [5]。土壤结构指的是土壤中砂粒、粉粒、黏粒和有机颗粒等土粒的排列组合形式，土壤学家把这些如同积木块一样的土粒构建在一起所形成的不同尺度结构单元称为结构体（peds）或团聚体（aggregates） [9]。深时古土壤经历了百万年时间的埋藏、压实和成岩作用的影响，其土壤结构虽然发生了改变，但是具有一定形状、大小和特征的土壤结构体仍然保留于土壤剖面中 [8]。深时古土壤结构体主要以块状、整块状和楔状3种形状存在，团粒状、片状、圆柱状和棱柱状结构体则较少见。

块状结构体又可进一步细分为多角块状和棱角块状结构体，常见于深时古土壤的淀积层；整块状结构体因具有连续、未固结块体的特征而又可称为无结构体，是部分深时古土壤的常见结构；季节性降水引起成土过程中干湿变化，从而促使含有大量膨胀黏土的土壤出现胀缩过程而形成的楔状结构体，常见于深时古土壤的淀积层，在表层也可能存在。现代土壤中因生物活动的作用使得土壤表层结构表现为团粒状，然而深时古土壤的表层常因地质剥蚀作用而消失，因而团粒结构较为少见；片状结构体为相对薄的，呈水平层状的结构体，常存在于深时古土壤表层或是下层；圆柱状和棱柱状结构体呈直立的柱状或台状，圆柱状结构体具有突出的圆顶，棱柱状结构体则呈多角顶或平顶形状。深时古土壤结构体的类型（形状）、大小和发育程度与深时古土壤的发育程度息息相关，类似于现代土壤。因此，这一神秘“面纱”也是深时古土壤鉴别的重要标志。

神秘“面纱”之土壤发生层

不同的地质条件、地理环境孕育了不同类型的土壤，正是因为类型多样的土壤，才有了多彩斑斓的自然界。背后的奥秘就是成土过程的多样性导致土壤发生层组合的不同，进而形成的自然景观多样，造就我们身边世界的多彩缤纷。这也就是“土壤被称为自然景观的一面镜子”的原因。那到底什么是土壤发生层呢？

土壤发生层也称为土层（horizon），是土壤发育过程中原来均质的母质发生分异，形成土壤垂直层次结构的分异，这种垂直方向上显示的系列层次结构就是土壤发生层 [9]。土壤形成过程中，不同的成土过程均会形成其相对应的典型土层。例如，黏化过程形成黏化层、钙积化过程形成钙积层等。对于长期“躺平”在“暗无天日”地层中的深时古土壤而言，虽然经历了百万年“漫漫长夜”的埋藏、压实、胶结等作用，但土壤剖面的矿质表土层——腐殖质层（A层）、淀积层（B层）、土体层以下的疏松物质层（C层，即母质层）和未分化的固结岩石层（R层）等主要土层均得以保留。这为深时古土壤的野外识别提供了关键证据，也是认识深时古土壤的主要窗口。然而，在野外露头或岩层中很难遇到保留有完整A–B–C–R土体构型的深时古土壤剖面，较为常见的是A–B–C或B–C土体构型。这是因为深时古土壤的表层常因地表广泛分布的地质剥蚀作用而消失，而岩石层也因常被剥蚀风化为松散的母质层而较少存在 [8]。除发育于灰岩或玄武岩上的深时古土壤，因较难风化而得以原位留存有岩石层。

此外，淀积层是深时古土壤的核心土层，常作为深时古土壤分类的诊断层和古气候重建的取样层 [8]。和现代土壤一样，深时古土壤的不同成土过程对应着不同的淀积层。例如，黏化淀积层、钙化淀积层等。性质各异的土壤发生层组合构成了各种各样的土体构型，也就形成了形形色色的土壤类型。因此，土壤发生层这一深时古土壤剖面的“面纱”，既是野外深时古土壤辨识的依据，也是深时古土壤分类的基础。

作为远古地球表层环境系统的重要组成部分，深时古土壤连接着古大气圈、古水圈、古岩石圈和古生物圈，是各圈层相互作用的枢纽，是远古地球陆地生态系统存在、演变和发展的物质基础，支撑着远古地球陆地生态系统中的生命过程，调节着远古地球表层元素生物地球化学循环 [5,8]。深时古土壤这一覆盖于远古地球表面的连续体，犹如地球自然环境变化的信息“富矿”，蕴藏了地球自远古时期以来，地球表层系统环境气候演化、景观变迁、岩层更替以及重大地质环境事件等信息。相关探索与挖掘还在持续开展，以进一步完善人类对远古地球演化历史的认知。

[本文相关工作得到了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）资助。]

李军，副教授：兰州城市学院城市环境学院，兰州 730070;黄成敏，教授：四川大学环境科学与工程系，成都 610065。

Li Jun: Associate Professor, College of Urban Environment, Lanzhou City University, Lanzhou 730070; Huang Chengmin: Professor, Department of Environmental Science and Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065.

[2] Retallack G J. Soil of the past. Chichester: Wiley, 2019.

[3] 孙枢, 王成善. “深时”(Deep Time) 研究与沉积学. 沉积学报, 2005, 27(5): 792-810. 

[4] 文星跃, 黄成敏, 王成善. 重要环境与气候变化事件: 深时古土壤的记录与响应. 土壤通报, 2015,46(5): 1272-1280. 

[5] 李军, 黄成敏, 刘艳梅. 深时古土壤——远古地球环境演变的“记录仪”. 自然杂志, 2021, 43(2): 141-148.

[6] 王成善, 胡修棉. 白垩纪世界与大洋红层. 地学前缘, 2005, 12(2): 11-21. 

[7] 黄成敏, 王成善. 晚第三纪以前形成古土壤的鉴别、分类及其在古环境研究中的应用. 地球科学进展, 2006, 21(9): 911-917.

[8] Tabor N J, Myers T S, Michel L A. Sedimentologist’s guide for recognition, description, and classification of paleosols// Zeigler K E, Parker W G. Terrestrial depositional systems: deciphering complexities through multiple stratigraphic methods. Amsterdam: Elsevier, 2017.

[9] 尼尔·布雷迪, 雷·韦尔. 土壤学与生活. 李保国, 徐建明，等译.  北京: 科学出版社, 2019.

[10] 褚海燕, 刘满强, 韦中, 等. 保持土壤生命力，保护土壤生物多样性. 科学, 2020, 72(6): 38-42. 

关键词：深时古土壤    根系    虫孔    碳酸盐结核    土壤结构    土壤发生层  ■

END

  本文刊载于2022年第74卷第3期《科学》杂志（P48-P52）  

《科学》杂志于1915年1月在上海问世，

 早年由任鸿隽，杨杏佛，胡明复，赵元任等学者编辑写作，

是我国历史最长的综合性科学刊物。

杂志定位为高级科普期刊，致力于科学知识、理念和科学精神的传播，科学与人文互动，历史和前沿并举，为提升我国全民科学素质和建设创新型国家服务。杂志现任主编为中国科学院院士白春礼先生，主办单位为上海科学技术出版社有限公司。

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