黃土地上的薪火傳承——記我院校友2018年“何梁何利獎(jiǎng)”獲得者郭正堂

 

 

1979年的晉北農(nóng)村，生活條件還相當(dāng)艱苦；高考是年輕人唯一的出路。出生于這片黃土地的郭正堂踏上了高考之路，一路的夢(mèng)想是考個(gè)醫(yī)學(xué)院，畢業(yè)后當(dāng)一名醫(yī)生，懸壺濟(jì)世。

 

 

但他收到的卻是北京大學(xué)地貌學(xué)與第四紀(jì)地質(zhì)學(xué)專業(yè)的錄取通知書。郭正堂不知道這個(gè)專業(yè)學(xué)什么，研究什么。直到有人告訴他，李四光先生研究的正是這個(gè)專業(yè)，心里似乎“踏實(shí)”了許多。就這樣，時(shí)年15歲、還在長(zhǎng)個(gè)子的郭正堂“誤打誤撞”地開始了他的地貌學(xué)與第四紀(jì)地質(zhì)學(xué)生涯。

同事們后來開玩笑說：“就此黃土地上少了一名鄉(xiāng)村醫(yī)生，多了一名到處亂跑的地質(zhì)學(xué)家”。但郭正堂在2015年北京大學(xué)研究生畢業(yè)典禮校友代表致辭時(shí)說：“我也可以算是未名湖看著長(zhǎng)大的，因?yàn)?979年我踏入校門時(shí)身高1.67 m，畢業(yè)時(shí)長(zhǎng)到1.76 m，到今天沒有再變。

郭正堂第一次見到“黃土之父”劉東生院士，正是在北大上學(xué)的時(shí)候。那時(shí)，劉東生先生是北大的兼職教授，來到學(xué)校做講座。但那時(shí)郭正堂并沒有意識(shí)到，他和這位“黃土之父”后來有不解之緣。

 

 

四年的大學(xué)時(shí)光，使郭正堂打下了扎實(shí)的地質(zhì)學(xué)和地理學(xué)基礎(chǔ)。他后來經(jīng)常說，這些基礎(chǔ)使他終生受益，成為研究古氣候?qū)W的起點(diǎn)。大學(xué)畢業(yè)之年，他參加了全國研究生入學(xué)考試，被當(dāng)時(shí)的國家教委錄取為出國預(yù)備研究生，準(zhǔn)備赴日本留學(xué)，學(xué)習(xí)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)與地震；但由于年齡太小，不符合日本研究生入學(xué)的年齡條件，而被轉(zhuǎn)派法國學(xué)習(xí)。這一次的“誤打誤撞”，使他與黃土研究又結(jié)下了不解之緣。

 

 

在古氣候?qū)W歷史上，歷次認(rèn)識(shí)的突破均以地質(zhì)記錄研究的突破為前提。國家改革開放之后，劉東生院士等在中國260萬年來的第四紀(jì)黃土的地層年代學(xué)研究上取得突破，成功地實(shí)現(xiàn)了中國黃土與深海大洋地質(zhì)記錄的對(duì)比，把中國黃土納入了全球氣候變化的框架。我國以黃土研究為核心的古氣候研究，很快成為中國地球科學(xué)的一大亮點(diǎn)，研究工作進(jìn)入了一個(gè)嶄新的時(shí)代，在國內(nèi)外學(xué)術(shù)界引起巨大的反響。

 

 

郭正堂在法國的博士導(dǎo)師Nicolas Fedoroff教授是國際著名的古土壤學(xué)家，深知中國第四紀(jì)黃土中的數(shù)十層古土壤對(duì)間冰期環(huán)境研究的重要性，于是與劉東生院士商議決定，把郭正堂論文的研究方向確定為中國黃土中的古土壤及與歐洲古土壤的對(duì)比。

 

 

從那時(shí)開始，郭正堂就經(jīng)常得到劉東生院士的指導(dǎo)和幫助，并于1990年在法國獲得博士學(xué)位后，26歲時(shí)回國到中國科學(xué)院地質(zhì)研究所，成為劉東生先生招收的第一名博士后和先生科學(xué)思想的傳承者之一。

 

 

由于地球軌道的周期性變化，第四紀(jì)的地球氣候總是“忽冷忽熱”。冷的時(shí)候是冰期，暖的時(shí)候稱間冰期。這使中國的第四紀(jì)黃土中形成了數(shù)十層淺色的黃土層，與數(shù)十層紅色調(diào)的古土壤層相互疊置、交替出現(xiàn)。這些古土壤正是間冰期氣候環(huán)境變化難得的檔案庫。獲取其中的信息，對(duì)理解氣候變化的機(jī)制、研究未來全球增溫和CO2濃度升高對(duì)環(huán)境的影響都非常重要。

 

 

劉東生先生自然深知這些古土壤的奧秘，安排回國不久的郭正堂繼續(xù)專攻這些古土壤包含的古氣候、古環(huán)境信息；更何況，用顯微鏡研究土壤—土壤微形態(tài)學(xué)，正是郭正堂在法國學(xué)到的“看家本領(lǐng)”。

 

 

郭正堂把博士導(dǎo)師Fedoroff等發(fā)展的“微土壤特征重建成壤過程、過程分析揭示環(huán)境控制”的古土壤學(xué)新理論和新思路，系統(tǒng)地運(yùn)用于我國第四紀(jì)的古土壤研究，獲取了大量新的環(huán)境信息，恢復(fù)了古土壤形成時(shí)精細(xì)的環(huán)境變化過程，厘定了復(fù)合古土壤記錄的氣候事件序列，鑒別出突變氣候事件對(duì)土壤發(fā)育的影響，為全球變化領(lǐng)域關(guān)注的暖期氣候特征與機(jī)制提供了新證據(jù)。郭正堂也在1997年獲得了國家杰出青年科學(xué)基金的資助。

 

 

這使他在顯微鏡下，看到北大西洋千年尺度的浮冰事件對(duì)東亞夏季風(fēng)有顯著的影響；亞洲的季風(fēng)變化與大洋碳同位素異常存在耦合關(guān)系；南、北兩半球的冰期-間冰期旋回存在顯著的不對(duì)稱演化行為，與米蘭科維奇理論強(qiáng)調(diào)的“對(duì)稱演化模式”不盡相符，且這種不對(duì)稱對(duì)季風(fēng)環(huán)流和大氣溫室氣體濃度都有非常重要影響。這些研究豐富了學(xué)術(shù)界對(duì)東亞和全球間冰期氣候行為和機(jī)制的認(rèn)識(shí)，受到國內(nèi)外同行的廣泛關(guān)注和高度評(píng)價(jià)。

二、風(fēng)成紅土譜新章

 

 

1990年代后期的黃土研究又孕育了新的科學(xué)突破。中國的黃土研究團(tuán)隊(duì)在六盤山以東的東部黃土高原的研究，確定了第四紀(jì)黃土之下的“三趾馬紅土”也是風(fēng)塵沉積，最老可達(dá)800萬年，并在其中獲得大量新的氣候變化信息。

 

 

與其他氣候變化的地質(zhì)記錄不同，由于風(fēng)塵堆積是大氣環(huán)流的直接產(chǎn)物，風(fēng)成“三趾馬紅土”研究受到國際學(xué)術(shù)界高度重視。此時(shí)正在專心研究第四紀(jì)古土壤的郭正堂感到非常好奇：所報(bào)道的風(fēng)成“三趾馬紅土”都來自六盤山以東地區(qū)，當(dāng)時(shí)更接近青藏高原的西部黃土高原發(fā)生了什么？

 

 

從1998年開始，獲得國家杰出青年科學(xué)基金資助的郭正堂有了所需的研究經(jīng)費(fèi)，帶著三名學(xué)生和這份好奇心，一路唱著電視劇《西游記》的插曲，開始在六盤山以西的黃土高原跋涉。

一天正午，驕陽似火，汽車行進(jìn)在崎嶇的山道上。郭正堂透過車窗，隱隱約約看見遠(yuǎn)處一條溝的溝壁上，有紅白相間的沉積，酷似他在關(guān)中等地看見的第四紀(jì)黃土-古土壤序列。

 

 

未等汽車停穩(wěn)就沖下溝的郭正堂很快就認(rèn)出，這些紅色條帶是古土壤。這些古土壤發(fā)育強(qiáng)度之高，在第四紀(jì)的黃土高原還從來沒有見過；溝壁上竟然出露著數(shù)百層這樣的古土壤，數(shù)量之多，也使他意識(shí)到這絕不是第四紀(jì)的古土壤，因?yàn)榈谒募o(jì)黃土中總共只有數(shù)十層古土壤。古土壤旋回之清晰，也意味著這套沉積不像六盤山以東的三趾馬紅土，后者看上去旋回不清。

沉積物的地層年代學(xué)和成因一時(shí)成了難解之謎。一向?qū)W術(shù)敏銳的郭正堂當(dāng)即決定，把這套沉積作為下一步的主要研究目標(biāo)，就此開始了為期十多年的中新世風(fēng)成紅土成因和地層年代學(xué)研究。

 

 

中新世風(fēng)成紅土厚達(dá)250多米，每個(gè)剖面就是一座山；而郭正堂團(tuán)隊(duì)的研究需要每5-10厘米、甚至每2厘米采集一個(gè)樣品，然后在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行室內(nèi)測(cè)試，耗力耗時(shí)。郭正堂說“這是建立國際對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)必須的步驟”。

他與合作者通過大量地質(zhì)-地貌背景調(diào)查、沉積類型制圖等野外工作、數(shù)萬樣次的土壤-沉積和地球化學(xué)實(shí)驗(yàn)分析，證明了這套沉積為風(fēng)成成因，明確了風(fēng)成紅土與其它沉積的接觸關(guān)系。從秦嶺南坡到青藏高原東北緣，郭正堂及團(tuán)隊(duì)共在不同地貌單元上選擇了9條代表性剖面，開展了詳細(xì)的磁性地層、土壤和巖石地層研究，建立了地層年代序列，檢驗(yàn)了風(fēng)成紅土在時(shí)間上的連續(xù)性和空間上的可對(duì)比性。

 

 

這項(xiàng)工作可謂“十五年磨一劍”，把中國的風(fēng)成沉積序列從800萬年拓展到2200萬年，并在六盤山以西建立了具平行剖面驗(yàn)證的環(huán)境變遷序列。首批成果發(fā)表后即引起國內(nèi)外同行的廣泛關(guān)注和高度評(píng)價(jià)。

 

 

國際古全球變化研究（PAGES）前主席、利物浦大學(xué)Oldfield教授評(píng)價(jià)說：“新近紀(jì)連續(xù)的長(zhǎng)尺度環(huán)境記錄極其稀少，最引人注目的記錄之一是郭等向世界科學(xué)界展示的黃土高原西部幾乎覆蓋整個(gè)中新世的序列”。相關(guān)成果進(jìn)入了英美出版的多部教科書、教學(xué)研究指南和百科全書。

 

 

汪品先院士曾經(jīng)說：“中新世風(fēng)塵系列的發(fā)現(xiàn)，歸功于長(zhǎng)期扎實(shí)的野外工作。郭正堂和他的合作同事們的野外考察并不滿足于公路沿線與河流兩側(cè)，而是不畏艱苦進(jìn)入山區(qū)深處，因而能夠見到前人之所未見”。郭正堂說，他也得益于古土壤學(xué)的知識(shí)。

 

 

劉東生院士曾經(jīng)說：“郭的研究收集了上萬個(gè)數(shù)據(jù)，因?yàn)闀r(shí)間跨度大，有些數(shù)據(jù)不行了就再做，這才是踏踏實(shí)實(shí)做事情”。2005年，88歲的劉東生先生來到甘肅秦安對(duì)風(fēng)成紅土進(jìn)行了生命中最后一次野外考察。

 

 

對(duì)劉東生院士而言，后輩的成就，是先驅(qū)者最大的欣慰；但對(duì)于郭正堂而言，前輩的贊許和期望，才是繼承者最大的鼓勵(lì)和鞭策。科學(xué)精神和科學(xué)研究的傳承和發(fā)展，在這對(duì)師徒身上得到了完美的詮釋。

三、黃土高原論季風(fēng)

 

 

亞洲內(nèi)陸荒漠和強(qiáng)盛季風(fēng)的出現(xiàn)是新生代具全球意義的重大環(huán)境變革之一。過去對(duì)亞洲內(nèi)陸荒漠形成的確切時(shí)代不明，而南亞的地質(zhì)記錄和國際大洋鉆探的研究結(jié)果使國內(nèi)外學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為，亞洲的現(xiàn)代季風(fēng)環(huán)境只有800萬年的歷史。

 

 

郭正堂團(tuán)隊(duì)新的地質(zhì)記錄研究突破也導(dǎo)致了科學(xué)認(rèn)識(shí)的突破。他們進(jìn)一步開展了大量的古土壤學(xué)、沉積學(xué)和地球化學(xué)研究，確定中新世風(fēng)成紅土中300多層古土壤多為濕潤(rùn)氣候下發(fā)育的淋溶土（Luvisol），降水由夏季風(fēng)從低緯海洋搬運(yùn)而來，且是季節(jié)交替的大氣環(huán)流作用下的加積型土壤；古土壤之間的淺色沉積為干冷期冬季風(fēng)從亞洲內(nèi)陸荒漠搬運(yùn)堆積的粉塵沉積；二者的交替出現(xiàn)指示了地球軌道變化對(duì)季風(fēng)的控制。

 

 

這就證明了亞洲典型季風(fēng)環(huán)境與中國西北和中亞地區(qū)的內(nèi)陸荒漠在2200多萬年以前已經(jīng)存在，中國北方的沙塵暴已有2000多萬年的歷史。郭正堂團(tuán)隊(duì)進(jìn)而重建了中新世亞洲內(nèi)陸干旱化和季風(fēng)演變歷史，提出青藏高原隆升在2200萬年前就達(dá)到了改變大氣環(huán)流的閾值，被后來的許多研究證實(shí)。

這些工作改變了風(fēng)塵沉積和亞洲季風(fēng)限于“800萬年”的原有認(rèn)識(shí)，揭示了中國和亞洲構(gòu)造演變與氣候環(huán)境的相互連接, 成為新生代地球系統(tǒng)研究中的一大突破。被國際學(xué)者評(píng)價(jià)“是季風(fēng)歷史追溯到2200萬年前的重要標(biāo)志”，“為喜馬拉雅的隆升歷史提供了獨(dú)立的看法”，并被國內(nèi)外大量研究作為構(gòu)造與氣候、環(huán)境與生命演化研究的環(huán)境背景框架和出發(fā)點(diǎn)。

 

 

今天，正處于科研生涯成熟期的郭正堂院士，沒有躺在過去的成就上止步不前，他仍然在前瞻思考著全球變化研究的前沿問題，正在致力于地球大陸演化與季風(fēng)系統(tǒng)演變的交叉性研究。他還承擔(dān)著中國科學(xué)院大學(xué)的研究生教學(xué)工作，任國際第四紀(jì)研究聯(lián)合會(huì)（INQUA）副主席等，承擔(dān)著多家重要學(xué)術(shù)期刊的編委工作。

郭正堂常以“心態(tài)平靜”和“感恩”要求自己。他曾經(jīng)說：“一顆平靜的心會(huì)讓人頭腦清醒，明確長(zhǎng)遠(yuǎn)的目標(biāo)，從而學(xué)會(huì)堅(jiān)守。他能讓人在順境中不輕狂，在逆境中不妥協(xié)；他會(huì)幫助人明白，將軍是在戰(zhàn)場(chǎng)上練就的，而不是抱怨出來的；他會(huì)幫助人懂得去感恩所在的群體和平臺(tái)，學(xué)會(huì)合作，從而準(zhǔn)確定位自己，不因過多的自信而期望過高，不因過份的謙卑而忽視自己的作用；他還能幫助我們變得更加有情有義，懂得在為國家和集體奉獻(xiàn)的過程中才能成就自己，懂得沒有團(tuán)隊(duì)的幫助終將一事無成”

在11月5日，有1200多名代表參加的第十二屆全國第四紀(jì)學(xué)術(shù)大會(huì)在青島剛剛閉幕。郭正堂理事長(zhǎng)在大會(huì)開幕式的致辭中說，有著60多年歷史的全國第四紀(jì)學(xué)術(shù)大會(huì)，已經(jīng)成為中國第四紀(jì)科學(xué)傳承的一個(gè)重要的載體，承載著至少5代科學(xué)家的科學(xué)認(rèn)知、科學(xué)精神、科學(xué)文化和科學(xué)夢(mèng)想。以這樣的傳承為基礎(chǔ)，中國的第四紀(jì)科學(xué)工作者一定會(huì)在地球系統(tǒng)科學(xué)的新時(shí)代創(chuàng)造新的輝煌。

 

 

選編自中國地質(zhì)地球所