重建中华五千年气候史 程雅楠
北京日报 | 2021年05月26日
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“锦江近西烟水绿，新雨山头荔枝熟。”唐代诗人张籍的诗表明当时四川地区有荔枝分布。然而在现代人的认知中，荔枝的生长区多位于南岭以南，很多人对杨贵妃能吃到荔枝表示怀疑。历史时期的气候并非一成不变，气候的波动变化也对文明演变产生了重要影响。
20世纪70年代，著名学者竺可桢根据历史文献记载首次重建了我国过去5000年的温度变化。不久前，科学家利用现代地学研究手段，定量重建了我国北方过去5000年以来高分辨率的暖季（4月至10月）温度变化序列。此外，综合重建的暖季温度与同区域公海孢粉量化的降水数据，为我国过去5000年文明历史提供了更加完整的定量气候背景。我们约请研究团队成员撰文向读者介绍相关情况。
本研究重建的中国北方文明核心区过去五千年气候变化历史。上图温度曲线图框内，左侧坐标轴对应本研究温度重建结果范围，右侧坐标轴对应竺可桢先生重建的温度相对变化结果，其中绿色阴影代表本研究中温度重建误差。本文中重建的温度为暖季（4月至10月）平均气温，降水为年平均降水量。
1.竺可桢开启气候变化与朝代演替研究先河
中国是世界上历史最悠久的文明古国之一，过去五千年的历史长河中，见证了很多次的文明一统与分裂割据、和平稳定与战乱动荡，王朝更迭、北方少数民族南迁、农民起义等司空见惯。究其原因，不少学者都将气候变化作为重要的影响因素之一。作为传统的农耕文明社会，中国古代文明深受气候变化的影响，气候深刻影响着作物农时与物候现象，古人靠天吃饭，一场自然灾害即能引起饥荒，进而发展成社会的不安定因素，造成社会动荡。
古人已隐约发现历史时期气候存在反复无常的变化，早在北宋时期沈括就已根据地层中出露的竹类化石判断该地曾经有过湿热的气候，但是由于缺乏详细的气象观测资料，以致难以进行科学分析。
20世纪70年代，竺可桢先生根据历史文献和考古发掘材料对中国五千年来气候变化进行了初步探究，将五千年来气候变化与历史朝代年代对应，开启了气候变化与朝代演替研究的先河。
自此，学界出现了许多关于气候变化影响中国历史进程的研究，探讨气候变化对朝代演替和社会动荡的影响机制。但是在进行气候重建时，由于缺乏合适的气候代用指标，特别是温度代用指标，导致古气候重建结果分辨率较低且多以定性记录为主。历史时期气候研究中通常采用树轮和历史文献资料进行气候重建，但是由于材料和技术限制，只能追溯过去2000年以来的气候变化，长期的气候变化趋势难以较好重现。因此，中国古代文明核心区的高精度、长时间尺度的气候变化记录较为缺乏，一些研究不得不使用大区域甚至半球尺度的气候变化数据分析历史气候变化与我国文明演化的关系，造成在部分关键问题上出现争议，限制了对这一领域研究的深入理解。
因此，在中华古文明的核心地带，获取更长时间尺度、更高分辨率、定量的气候变化信息至关重要。温度和降水是衡量气候的两个主要因子，通过地质载体中石笋氧同位素、孢粉等指标，已在我国北方地区获得了较为可靠的陆地古降水记录，而定量的古温度重建却相对稀少，且往往只覆盖过去一两千年，因而选择合适的指标重建过去五千年来的温度变化就成为了关键问题。
2.微生物分子化石为古温度重建提供新思考
由于历史时期的气候记录缺乏器测资料，需要借助地质载体中保存的信息，作为古温度计进行反推。所以，如何从地质载体中分离出能够记录气候信息的指标、选取什么样的指标、这些指标包含怎样的气候意义，就成为了古气候研究人员思考的问题。陆地上地表过程变化多端，进行古气候重建本身相对困难，因而我们所熟知的全球温度变化曲线主要来自于冰芯、深海沉积物和树轮的记录。然而我国古代以陆权为重，是传统的农耕文明社会，陆地上的沉积记录才能更好地反映我国历史气候变化。随着新技术的发展，微生物分子化石的研究蓬勃发展，其中的一类化合物能够作为古温度计应用于古气候研究中，为古温度重建提供了新的思考。
支链甘油二烷基甘油四醚酯（brGDGTs）是细菌细胞膜的组成部分，微生物活体死亡后，细胞膜中的brGDGTs等大分子能在地质体中长期保留下来，并保留当时的气候信息。其分子结构中具有4到6个甲基和0到2个环戊烷，在气候发生变化时，如同人天冷需要加衣、天热需要减衣一样，寒冷的气候条件下细菌倾向于合成更多的甲基，而温暖的环境下合成的甲基数量减少。据此，可以通过brGDGTs结构中的甲基个数推断当时的温度信息。
黄土高原是中国古代文明的核心区，无论是史前时期的大地湾文化、老官台文化、仰韶文化，还是自夏以来的众多王朝，黄土高原地区都是其生存繁衍、发展农耕的重要区域。可以说，黄土高原地区是了解我国历史发展进程的一面镜子。
为获取我国过去五千年来高分辨率的温度变化记录，中科院青藏高原研究所陈发虎院士、南京大学赵成教授以及中科院南京地理与湖泊研究所、兰州大学等科研机构组成的联合团队，选取了靠近中华文明核心区——黄土高原地区六盘山北联池的沉积物样品，借助brGDGTs指标，定量重建了过去五千年来中国北方30年分辨率的暖季（4月至10月）温度变化，同时结合山西公海沉积物的孢粉重建的降水记录，获得了我国北方地区五千年以来完整的气候演变历程。
3.过去五千年我国北方不断变冷变干
从重建的温度与降水结果来看，过去五千年间，我国北方地区经历了复杂的气候波动变化。在长期趋势上，温度逐渐变冷，大约前3000年下降缓慢，降幅仅为0.5℃，之后的2000年下降幅度增加，降幅高达4℃；降水逐渐减少，大约前2000年降水量相对较高，约为500mm，之后的3000年快速下降，降幅超过150mm。
整体而言，过去五千年以来，我国北方地区的气候呈不断变冷、变干的大趋势，这主要与太阳辐射变化有关。由于太阳辐射能量的周期性变化，在过去五千年以来持续下降，一方面到达地面的热量减少，地表气温随之下降；另一方面由于海洋与陆地比热容的差异，海陆热力差异降低，我国北方季风降水也随之减少。另外，过去2000年以来的快速冷干现象还可能与太阳活动、局部火山活动等因素有关。并且，这一时段内区域植被中木本植物逐渐减少，导致地表反射率上升，也可能增加了气候变冷干的速度。
除此之外，在气候整体呈冷干趋势的背景下，我国北方地区还经历了四次显著的降温事件和两次显著的干旱事件，具体表现为在大约一百年间温度突然下降约2-3℃，年均降水量突然减少100mm。这几次冷或干事件的发生可能与Bond事件有关。Bond事件是由美国学者Bond等人提出的全新世气候变化中的异常冷事件，最初发现于北大西洋，研究者在深海沉积物中发现多起浮冰碎屑沉积，认为其代表了气候变化过程中几次气候异常变冷的现象。本研究中的四次降温事件和两次干旱事件发生的时间均与之相符。
过去五千年以来我国北方地区的温度和降水变化并不完全耦合，虽然都因为太阳辐射量减小而表现出整体下降的趋势，但是具体的变化存在不一致性，比如温度下降过程中共出现了四次变冷事件而降水变化过程中仅有两次干旱事件，这可能因为降水的变化还受到其他多种因素如东亚夏季风的强弱变化、赤道太平洋副热带高压、热带辐合带的位置以及区域地形等因素的影响，反映出气候系统的复杂性。
4.揭示高精度的五千年气候变化史
研究人员将气候重建的结果与中国古代历史按照年代相对应，将气候变化背景与历史朝代相结合，构建出高精度的五千年气候变化历史。
从上古三皇五帝时期开始，我国北方整体上处于温暖湿润的气候环境，当时的环境条件相对优越，早期农业种植已经萌芽，部族生活相对稳定。夏的建立标志着我国世袭王朝的开始，作为从原始社会向氏族封建邦国的过渡，夏的建立借助了气候环境变化的契机。上古氏族部落晚期，出现了一次气候异常变冷的事件，其后黄河中下游一带还发生了一次罕见的大洪水，也就有了大禹治水的典故。夏朝（约公元前2070年-前1600年）建立后乃至殷商时期（约公元前1600年-前1046年），北方文明核心区气候一直温暖湿润，虽然偶尔会存在一些波动，但是总体上气候条件相对适宜。
周朝（公元前1046年-前256年）前期气候温暖，但是不久后又一次受到快速变冷事件的影响，气候恶化，公元前770年左右平均温度下降幅度达到2℃，在这一气候条件的影响下，西周（公元前1046年-前771年）后期社会动荡、王室没落，虽然平王东迁建立东周（公元前770年-前256年），但是周王室的势力已日渐衰落，诸侯割据、战乱频发。
秦（公元前221年-前206年）、汉（公元前206年-公元220年）时期是我国历史上第一次达到封建社会繁盛的阶段，此时气候温暖湿润，尽管降水呈现出明显的减少趋势，北方少数民族边界地区战乱不断，但是中原核心区的气候条件适宜，汉武帝时期更是达到了空前的繁荣盛世局面。
魏晋南北朝时期（公元220年-589年）是继春秋战国之后又一次乱世，在气候变化上的表现为平均温度下降约1℃，而降水的变化则不明显。受此影响，这一阶段是我国历史上政权更迭最频繁的时期，战争连绵不断，北方少数民族大举南下，促进了民族大融合。之后隋朝（公元581年-618年）一统，前期气候温暖湿润，但隋末时气候趋于冷干。
唐朝（公元618年-907年）时期的气候状态相对复杂，暖季时的温度偏低、降水适中，冬季的温度则相对偏高、降水也偏多，这样的气候条件推动了当时的农业发展与社会经济繁荣，达到了我国封建社会最鼎盛的时期。公元750年左右，盛唐之后气候快速转冷，降温幅度跌破2℃，与之相伴的是明显的干旱化，安史之乱的发生使得唐朝盛世轰然倒塌。
唐灭亡进入五代十国时期（公元907年-979年），北方经历了长达70余年寒冷干燥的气候条件。宋朝（公元960年-1279年）气候状况稍微好转，相对温暖湿润的气候条件为宋朝的繁华奠定了基础。宋之后，元朝（公元 1206年-1368年）与清朝（公元1644年-1911年）又是历史上的两个大冷期，并且都为少数民族所统治 ，其 间 的 明 朝（公 元 1368年-1644年）则有着较为温暖湿润的气候。由此可以发现，在我国五千年的历史长河中，气候变化可能扮演着十分重要的角色，深刻影响了我国古代社会文明的发展。
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延伸阅读
要避免落入“地理环境决定论”陷阱
竺可桢先生凭着对科学的热爱和极高的素养，在20世纪70年代极其困难的条件下，根据考古资料、物候记载以及文献资料记载，为我国五千年的气候变化作出了初步结论，将气候与历史进程相结合，昭显出气候对人类发展的重要意义，为我国历史气候变化研究奠定了基石。随着时代的发展，历史气候研究的方法、技术不断发展，气候重建的精度提高，因此在一些具体阶段中所得的结论与竺可桢先生当年的结论有些许出入，譬如唐朝时期的气候温和主要与冬季温度偏高有关，暖季时的温度却是相对偏低的。
尽管气候变化对历史发展有重要影响，但是气候变化并不是文明发展的决定因素，在探讨气候变化与朝代演替的关系时，要看到气候变化只是其中一个辅助因素，必须避免落入“地理环境决定论”的陷阱。
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