第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
地球环境是在不断发展变化的，而人类的出现，对这种原本只受自然支配的变化产生了一定干预。在人类诞生初期，其对环境的干预作用微乎其微，但随着人类社会的迅速发展，这种干预就变得愈发全面和深刻，进而产生了一系列重大的环境问题，这严重影响到人类自身的生存和发展。当前，人类面临的主要环境问题涉及多个方面，如全球气候变暖、世界人口剧增、土地退化与沙漠化、植被覆盖率下降、淡水资源减少、自然灾害频繁发生等（联合国社会发展研究所，1997）。环境变化具有区域性和全球性特征，其主要原因是地球表层作为一个巨大的生态系统，环境因子随着该系统中的能量和物质流动影响全球的环境变化（夏建新等，2006）。基于上述原因，国际社会及相关领域专家、学者都对环境问题给予高度关注并投入了大量的研究工作。
早在17世纪，一些西方科学家就曾试图利用地层中的各种生物化石来解释地球环境演变的原因。英国地质学家赫顿（J. Hutton，1726—1797年）在18世纪后期撰写了著名的专著Theory of Earth，首次提出了均变论的学术思想。19世纪初期，在赫顿和其他学者的影响下，被誉为“冰川学奠基人”的路易斯?阿加西（Louis Agassiz，1807—1873年）于1840年对欧洲阿尔卑斯山的冰川进行了全面研究，并发展了冰川理论，后来他的冰川理论逐步得到了国际科学界的认可。1901—1909年，德国地理、地质学家瓦尔特?彭克（Walther Penck，1888—1923年）与爱德华?布吕克纳（Eduard Brückner）合作发表了《冰川时代的阿尔卑斯山》，详细研究了欧洲阿尔卑斯山的冰川沉积，并对第四纪冰期进行了详细的划分。南斯拉夫地质学天文学家米兰科维奇（M. Milanko-vich，1879—1958年）于1920年提出气候变化的天文学说，认为地球轨道周期变化是第四纪气候演变及冰期形成的重要影响因素；1922年，奥地利天文学家、地球物理学家魏格纳（Alfred Lothar Wegener，1880—1930年）在地质地貌、地球物理、气候、生物等学科领域搜集了丰富的关于地球环境变迁的数据资料，在此基础上提出了著名的“大陆漂移学说”，这对以后的全球环境演变研究产生了较为深远的影响（魏格纳，2006）。
20世纪40年代以后，环境演变研究取得了迅速的发展，一些较先进的技术方法和手段应用到环境演变研究中来，如利用放射性同位素的衰变特性测定沉积物的绝对年龄、沉积物氧同位素的分析、古地磁的测量等。到了20世纪60年代，在魏格纳“大陆漂移学说”的基础上，美国地质学家迪茨提出“海底扩张学说”，随后法国科学家勒比逊于1968年提出“板块构造学说”，也称为“全球大地构造学说”，这些学说对全球岩石圈的发展演变规律进行了较为详细的解释。新的理论方法和新技术手段的发现及应用，对全球环境演变研究起了很大的促进作用，其中更新世、全新世的全球环境演变研究受到了国际地理研究者的青睐。进入20世纪80年代以来，全球变化科学成为地球系统科学研究的焦点和热点问题（陈宜瑜等，2002）。1986年，国际科学联合会理事会（ICSU）组织了4个全球变化研究计划，即世界气候研究计划（World Climate Research Programme，WCRP）、全球环境变化的人文因素变化（The International Human Dimensions Programme，IHDP）、生物多样性计划（Biological Diversity Plan）和国际地圈生物圈计划（Inter- national Geosphere-Biosphere Program，IGBP）。过去全球变化（Past Global Changes，PAGES）是国际地圈生物圈计划研究的重点计划之一，其研究的目的就是“通过过去地球表面环境变化规律和机制的研究，弥补现代器测记录的不足，获得现代地球环境、气候变化规律和机制的理解，寻找与今天状况接近或相似的‘历史相似型’，从而为未来环境和气候变化预测服务”（安芷生和符涂斌，2001）。
20世纪80年代以来，全球人口数量迅速增长，加之科学技术发展迅猛，人类改造地球环境的能力和范围大大加强，由此而产生的环境问题也出现了“由点向面”式的发展趋势，即由局部性、地区性问题逐渐发展成为全球性问题，因此以区域环境变化研究为重点，加强区域环境变化研究的全球性已成为众多学科领域普遍关注的热点问题（陈伴勤和方修琦，2004；葛全胜等，2004；陈力奇，2003；延军平，2006）。过去全球变化研究在时间上主要注重两种尺度：一是长时间尺度的环境演化研究，即过去200 ka以来的冰期—间冰期旋回，着重研究地球系统长时间演变的动力过程；二是近2 ka以来的短时间尺度环境演化研究，主要研究不同历史时期各种自然因素与人类活动对环境变化的影响和作用。随着过去全球变化研究方法和技术的不断改进，如测年技术的不断改进，过去全球变化研究的时间尺度经历了新生代、第四纪、全新世早期、全新世中期、全新世晚期以及百年或十年际时间尺度等多个时段。全新世是地质历史时期*年轻也是*重要的一个时代，因为它对人类具有十分重要的意义，人类社会的发展、繁荣、富强都发生在全新世。全新世环境演化规律与现在及未来的环境条件变化相比更为接近，因此，深刻了解和认识全新世的环境演化对于未来环境变化趋势预测具有重要意义。
在已有的过去全球变化研究中，环境演变研究的信息载体较多，主要体现在以下几个方面：①岩石、地层学的依据。其主要包括海洋沉积物和大陆沉积物（冰川、黄土、红层、古沙丘、河湖沼相沉积物等），可以根据沉积物的各种物理和化学性质，如颜色、粒度、元素组成、矿物成分及含有的各种化石等判断当时的沉积环境条件。②生物、生态学依据。各种动物和植物的生存都需要一定的环境条件作支撑，因此，一些动植物的化石、生态特征、种类及群体特征等都可以作为古地理环境演化的证据。例如，化石造礁珊瑚的存在表明当时的海洋为浅海环境，而且是热带环境；微体古生物，如沉积物中的孢粉、孔虫、介形类等所提供的信息可以重建古地理环境的演变过程。③地球化学依据。沉积物所含元素的表生地球化学行为可以反映古地理环境中的温度、降水量、水体的盐度等，因此也是环境演变的重要信息依据。例如，Fe（铁）和Mn（锰）元素在沉积物中的含量及比值变化可以反映水体的氧化还原状况（段丽琴，2011）。④地球物理学依据。古环境变化可以通过测定不同年代沉积物的古地磁和同位素来推测。⑤考古学依据。利用考古所获得的数据资料，可以为全新世中晚期的环境演化提供重要参考依据。⑥文献记载的依据。不同年代丰富的历史文献记载是非常宝贵的资料，是环境演化重建不可或缺的信息依据。我国地大物博，历史文化悠久，古人留下的史料异常丰富，从大量的历史文献中，如《永乐大典》等都可以找到区域环境演变的证据。⑦仪器监测记录的依据。仪器监测记录的数据资料在时间尺度上较短，*长也就一两百年，但是这些精确的资料是研究百年尺度气候环境变化的基本依据。
目前，在环境演变研究所使用的各种信息载体中，湖泊沉积物具有信息量丰富、连续性较好、较高的时间分辨率及沉积速率、分布广泛等一系列优势（余铁桥，2009），因此是千年时间尺度上全球环境演变研究的重要信息源。我国幅员辽阔，自然地理环境复杂且丰富多彩，据统计，当前全国湖泊中面积在1 km2以上的约2600个，总面积合计达到74 277 km2。这些湖泊在全国各地均有分布，其中在我国东部平原和青藏高原地区分布*为密集（王洪道，1995）。此外，在新疆和内蒙古等干旱区分布有大量的盐湖。近些年来，诸多学者利用不同的方法和技术手段进行了我国不同气候区湖泊沉积记录的气候环境变化系统研究，得出了一些有意义的研究结论。然而，不同气候区湖泊沉积记录所反映的气候变化特征不尽相同，具有明显的区域差异。内蒙古南部鄂尔多斯高原位于东亚季风区的边缘地带，为典型的干旱、半干旱生态脆弱区，该地区的湖泊是当地重要的陆地水资源，对区域生态环境的稳定发展具有重要作用。利用湖泊这一对气候变化*为敏感的“指示器”进行区域环境的演变研究，对该地区及周边区域的环境变化及驱动机制研究具有重要意义。
因此，本书选择以内蒙古南部鄂尔多斯高原毛乌素沙漠地区的苏贝淖及其流域为研究对象，通过加速器质谱 测年和光释光测年，采用沉积物粒度、磁化率、烧失量、碳酸盐、地球化学元素等多环境代用指标综合分析的方法，重建了苏贝淖流域全新世以来的环境演变历史。
1.2 环境演变研究进展
1.2.1 全新世环境演变研究进展
第四纪（Quaternary）是地质历史时期*后一个阶段，而全新世（Holocene）是第四纪*后一次冰期至今的这一段时间，也称为冰后期（Postgacial）。被誉为现代地质学的奠基人——英国地质学家莱伊尔（C. Lyell1，797—1875年）在1839年称这一时期为近代世（Recent Epoch）。全新世一词由法国古生物学家哲尔瓦（P. Gervais）于1860年提出，并在1885年的国际地质大会（International Geological Congress）上获得通过。对于全新世的时间下限，目前科学界尚无统一的意见，大多采用距今11 500—10 000 a前。全新世时间较短，因此沉积物厚度不大，但是沉积物在全球的分布范围非常广泛。许多学者对全新世进行了阶段划分，获得普遍认可的是挪威人布利特（A. Blytt）和瑞典人塞南德尔（R. Sernan-der）的划分方案。他们对欧洲北部沼泽地层中的生物化石和孢粉进行了较为详细的研究，在此基础上于1909年将北欧冰后期的气候期划分为5个阶段（表1-1）（刘嘉麒等，2001）。他们的气候划分方案被世界各国一直延用至今，且不断得到完善。瑞典学者波斯特（L. von Post）在1946年把全新世气候变化划分为Ⅰ期（温度上升期）→Ⅱ期（温度*高）→Ⅲ期（温度下降期）3个阶段。安蒂夫斯（E. Antevs）于1953年将全新世也分为3个时期，即升温期→高温期→中温期，对应时间段为11.5—8.5 ka BP（全新世早期）、8.5—3.0 ka BP（全新世中期）和3.0 ka BP以来（全新世晚期）。由于各地响应全球变化存在一定的区域差异，因此多数研究结论之间存在较大差别，使早、中、晚全新世各阶段的起止时间不尽相同。目前大多数研究者通常将8.5—8.0 ka BP和4.0—3.0 ka BP作为各阶段的时间界限（闫慧等，2011；施雅风，1992；王绍武和龚道溢，2000；张兰生，1999）。全新世作为一个特殊的地质历史时段，其对人类社会的发展具有重要意义，因此许多学者将全新世作为环境变化研究的热点时段之一。到了20世纪70年代，美国学者George Denton和Karlen教授对欧洲和北美洲的山地冰川活动的研究表明，全新世的气候环境很不稳定，变化较为频繁，而且千年左右的时间尺度是气候旋回变化的主要周期（Denton and Karlen，1973）。
表1-1 布利特—塞南德尔全新世气候分期表
但是，还有部分研究者的研究成果并不支持全新世气候频繁波动、很不稳定的说法，如有学者在1993年通过对格陵兰冰芯氧同位素的研究分析，认为在全新世的绝大部分时间段，气候变化并没有出现波动，反而表现出异常稳定的特征（GRIP members，1993）。但是这样的结论很快被其他研究成果推翻。O’Brien等在1995年再次对全新世的格陵兰冰芯进行了化学成分分析，结果表明：全新世存在以千年时间尺度为周期的气候振荡（O’Brien et al.，1995）；Bond等通过对北大西洋海洋沉积物的研究，进一步证实在全新世确实存在频繁的气候波动变化，周期为千年左右（Bond et al.，1997）。此外，我国学者吴文祥和葛全胜（2005）认为，不论是在高纬度
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