劉建成

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黃土高原位于亞洲季風的邊緣區，是黃河中游的重要水、沙來源。日前，中國科學院地球環境研究所譚亮成副研究員等通過對甘肅烏鴉洞兩支石筍的研究，重建了黃土高原西部地區近400年以來的高分辨率降雨變化，揭示黃土高原地區降雨變化呈現明顯的準50年周期，并與歷史上幾次大規模的農業開發和饑荒有著對應關系。
降雨變化暗合太平洋十年濤動周期
中科院地球環境所研究人員聯合國內外同行，分析了甘肅西和縣烏鴉洞的兩支石筍最近370年來的生長變化數據。兩支石筍的生長變化數據非常一致，可相互驗證。在最近的幾十年，石筍數據記錄和氣象觀測到的當地降雨量變化有很好的相關關系，揭示石筍生長變化數據記錄可以反映過去370年的當地降雨變化。進一步的空間相關分析顯示，烏鴉洞地區的降雨變化和整個黃土高原地區，特別是黃土高原西部地區的降雨量變化顯著正相關，說明烏鴉洞石筍生長變化數據記錄能代表整個黃土高原地區，特別是黃土高原西部地區最近370年的降雨變化。
他們的石筍重建記錄和同一地區的樹輪降雨重建結果有很好的一致性，揭示黃土高原地區降雨變化呈現明顯的準50年周期。結論如下。

最近370年研究區的顯著干旱時段：1670至1680年代；1760至1770年代前期；1810至1820年代；1860至1870年代；1910年代后期至1920年代；1970年代以及1990年代后期。
而19世紀末期以來的干旱趨勢明顯。
最近370年研究區的顯著濕潤時段：1690至1730年代；1780至1800年代；1830至1850年代；1880至1900年間。
同時，黃土高原的降雨變化的準50年周期也和太平洋十年濤動周期相似。進一步的對比研究也證實，歷史時期的幾次干旱事件都對應于十年濤動的暖相位。十年濤動的特征為太平洋北緯20度以北區域，表層海水溫度異常偏暖或偏冷。在太平洋十年濤動“暖相位”期間西太平洋偏冷而東太平洋偏暖，在“冷相位”期間西太平洋偏暖而東太平洋偏冷。
現代氣象記錄的研究顯示，在十年濤動“暖相位”期間，類似于厄爾尼諾狀態，東亞夏季風減弱，西太平洋副熱帶高壓南移，這會導致黃土高原地區降雨的減少。反之，在十年濤動“冷相位”期間，東亞夏季風增強，西太平洋副熱帶高壓北推，這會導致雨帶更多地停留在黃土高原地區，造成降雨的增加。因此，十年濤動的變化也是黃土高原地區歷史時期降雨變化的影響因子。
“南泥灣”大生產正處于濕潤氣候階段
由于黃土高原屬于半干旱、半濕潤區，降雨是影響當地農業發展乃至人民生存的重要因素。歷史文獻記錄顯示，黃土高原地區最近370年有兩次大規模的農業開發活動——清康熙和雍正時期的農業開發，以及20世紀30至40年代陜甘寧邊區開發；而這兩次大規模的開發都對應于石筍記錄的濕潤氣候階段。這說明，盡管政策導向很重要，但適宜的氣候為當時黃土高原的農業開發提供了必要條件。
與之相反的是，重大干旱事件對黃土高原的影響更是巨大。歷史時期的幾次大饑荒都對應于年代際的嚴重干旱事件。比如，19世紀70年代中后期清光緒年間，包括黃土高原在內的我國北方地區發生了一次特大饑荒，造成1000余萬人餓死，另有2000余萬災民逃荒到外地，影響人口更是達到了1.6億至2億，對中國晚清歷史發生了深遠影響。時任山西巡撫的曾國荃稱之為“二百余年未有之災”，史稱“丁戊奇荒”。這次大饑荒主要是當時的嚴重干旱導致，對應于石筍記錄中的1860至1870年代的嚴重干旱事件。
上世紀20年代類似的嚴重干旱又再次發生，干旱從1910年代末期開始，1920年代末期達到頂峰。這次事件造成的饑荒范圍和嚴重程度和“丁戊奇荒”有著驚人的相似，當時的傳教士評價稱西北陷入“活地獄”。 以陜西為例，陜西原有人口1300萬，在上世紀20年代末的三年大饑荒中，死者多達300多萬，流離失所600多萬人，兩者相加占全省人口的70%。甘肅的情況和陜西相似，有的報道說“甘肅情況已將無人跡，查災者多不敢深入，恐糧絕水盡而不生還”。一些地方傳教士記載道“居民絕食或缺種子者已達百分之八十，故多以嬰兒烹食充饑”、“其最慘日必餓死數千人，各縣兒童不敢出戶”。
200年來黃河四次大決口都和氣候變化有關
由于黃土高原是黃河中游的重要水、沙來源，其降雨變化不僅對當地有重要影響，還對保障黃河流域的水安全有重要作用。
研究進一步發現，最近240年，歷史文獻記載的黃河中游三門峽的徑流量變化和石筍重建的黃土高原降雨量變化非常一致。黃土高原干旱的時期，黃河中游的徑流量都是偏少的。反之，最近200年，黃河的四次大的決口事件，分別是1841至1843年祥符決口、1855年銅瓦廂決口、1887年鄭州決口和1938年花園口決堤，都對應于石筍記錄的降雨最豐富的時段。盡管1938年花園口決堤是為了阻止日軍進攻而人為炸開的，但這一時期黃河的高徑流量是前提。這揭示黃土高原地區的降雨變化對黃河水安全的重要影響。
該項研究凸顯出，如果未來我國北方地區氣候轉濕的話，需要特別注意黃河的防洪問題。
石筍記錄顯示，黃土高原的降雨變化有顯著的準50年變化周期，和印度季風變化的周期相似。另外，最近370年黃土高原地區的石筍記錄也和反映印度季風變化的印度地區的石筍記錄一致，這揭示印度季風帶來的熱帶海洋的水汽對黃土高原降雨的重要影響。
延伸閱讀
洞穴石筍記錄氣候變化
我們都知道，石筍是由洞穴滴水形成的。由于形成石筍的滴水主要來自大氣降水，而大氣降水在往洞穴滲流的過程中又溶解了土壤和基巖的物質，因此，石筍的化學組分保留了大氣降水和洞穴上覆土壤的化學組分信息。這些化學組分的變化和氣候-環境變化有密切關系，因此通過測試石筍的年代，以及分析石筍的化學組分，比如碳、氧同位素和微量元素等，就能知道歷史時期的氣候-環境變化。

確定石筍的形成年代，主要是利用高精度的電感耦合等離子質譜儀，分析各種核素的濃度，結合它們的半衰期，就能知道樣品的沉積后經歷的時間，也即年齡。當然，如果石筍中能看到有年紋層，像樹木年輪那樣，我們也能通過計算年輪的數目，來獲知石筍的形成年齡。

在石筍的古氣候研究中，氧同位素應用的最多。那么，石筍氧同位素的變化如何反映歷史時期的氣候變化呢？我們知道，大氣降水都是源自海洋蒸發的氣團。水分子中的氧，主要有兩種同位素，氧16和氧18（另外一種氧17含量很低）。當水汽從海洋蒸發的時候，質量較輕的氧16先蒸發，而當水汽凝結降落的時候，較重的氧18會先降落。那么，一個地區降雨越多，輕的氧16會越降越多，當地降水中的氧同位素會比較偏輕。根據這個原理，通過分析歷史時期石筍中氧16與氧18含量的變化，就可以推斷過去的氣候變化。

圖/華蓋創意