研究发现黄河四次大决口都和气候变化有关

刘建成

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    黄土高原位于亚洲季风的边缘区，是黄河中游的重要水、沙来源。日前，中国科学院地球环境研究所谭亮成副研究员等通过对甘肃乌鸦洞两支石笋的研究，重建了黄土高原西部地区近400年以来的高分辨率降雨变化，揭示黄土高原地区降雨变化呈现明显的准50年周期，并与历史上几次大规模的农业开发和饥荒有着对应关系。

    降雨变化暗合太平洋十年涛动周期

    中科院地球环境所研究人员联合国内外同行，分析了甘肃西和县乌鸦洞的两支石笋最近370年来的生长变化数据。两支石笋的生长变化数据非常一致，可相互验证。在最近的几十年，石笋数据记录和气象观测到的当地降雨量变化有很好的相关关系，揭示石笋生长变化数据记录可以反映过去370年的当地降雨变化。进一步的空间相关分析显示，乌鸦洞地区的降雨变化和整个黄土高原地区，特别是黄土高原西部地区的降雨量变化显著正相关，说明乌鸦洞石笋生长变化数据记录能代表整个黄土高原地区，特别是黄土高原西部地区最近370年的降雨变化。

    他们的石笋重建记录和同一地区的树轮降雨重建结果有很好的一致性，揭示黄土高原地区降雨变化呈现明显的准50年周期。结论如下。

    最近370年研究区的显著干旱时段：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世纪末期以来的干旱趋势明显。

    最近370年研究区的显著湿润时段：1690至1730年代；1780至1800年代；1830至1850年代；1880至1900年间。

    同时，黄土高原的降雨变化的准50年周期也和太平洋十年涛动周期相似。进一步的对比研究也证实，历史时期的几次干旱事件都对应于十年涛动的暖相位。十年涛动的特征为太平洋北纬20度以北区域，表层海水温度异常偏暖或偏冷。在太平洋十年涛动“暖相位”期间西太平洋偏冷而东太平洋偏暖，在“冷相位”期间西太平洋偏暖而东太平洋偏冷。

    现代气象记录的研究显示，在十年涛动“暖相位”期间，类似于厄尔尼诺状态，东亚夏季风减弱，西太平洋副热带高压南移，这会导致黄土高原地区降雨的减少。反之，在十年涛动“冷相位”期间，东亚夏季风增强，西太平洋副热带高压北推，这会导致雨带更多地停留在黄土高原地区，造成降雨的增加。因此，十年涛动的变化也是黄土高原地区历史时期降雨变化的影响因子。

    “南泥湾”大生产正处于湿润气候阶段

    由于黄土高原属于半干旱、半湿润区，降雨是影响当地农业发展乃至人民生存的重要因素。历史文献记录显示，黄土高原地区最近370年有两次大规模的农业开发活动——清康熙和雍正时期的农业开发，以及20世纪30至40年代陕甘宁边区开发；而这两次大规模的开发都对应于石笋记录的湿润气候阶段。这说明，尽管政策导向很重要，但适宜的气候为当时黄土高原的农业开发提供了必要条件。

    与之相反的是，重大干旱事件对黄土高原的影响更是巨大。历史时期的几次大饥荒都对应于年代际的严重干旱事件。比如，19世纪70年代中后期清光绪年间，包括黄土高原在内的我国北方地区发生了一次特大饥荒，造成1000余万人饿死，另有2000余万灾民逃荒到外地，影响人口更是达到了1.6亿至2亿，对中国晚清历史发生了深远影响。时任山西巡抚的曾国荃称之为“二百余年未有之灾”，史称“丁戊奇荒”。这次大饥荒主要是当时的严重干旱导致，对应于石笋记录中的1860至1870年代的严重干旱事件。

    上世纪20年代类似的严重干旱又再次发生，干旱从1910年代末期开始，1920年代末期达到顶峰。这次事件造成的饥荒范围和严重程度和“丁戊奇荒”有着惊人的相似，当时的传教士评价称西北陷入“活地狱”。 以陕西为例，陕西原有人口1300万，在上世纪20年代末的三年大饥荒中，死者多达300多万，流离失所600多万人，两者相加占全省人口的70%。甘肃的情况和陕西相似，有的报道说“甘肃情况已将无人迹，查灾者多不敢深入，恐粮绝水尽而不生还”。一些地方传教士记载道“居民绝食或缺种子者已达百分之八十，故多以婴儿烹食充饥”、“其最惨日必饿死数千人，各县儿童不敢出户”。

    200年来黄河四次大决口都和气候变化有关

    由于黄土高原是黄河中游的重要水、沙来源，其降雨变化不仅对当地有重要影响，还对保障黄河流域的水安全有重要作用。

    研究进一步发现，最近240年，历史文献记载的黄河中游三门峡的径流量变化和石笋重建的黄土高原降雨量变化非常一致。黄土高原干旱的时期，黄河中游的径流量都是偏少的。反之，最近200年，黄河的四次大的决口事件，分别是1841至1843年祥符决口、1855年铜瓦厢决口、1887年郑州决口和1938年花园口决堤，都对应于石笋记录的降雨最丰富的时段。尽管1938年花园口决堤是为了阻止日军进攻而人为炸开的，但这一时期黄河的高径流量是前提。这揭示黄土高原地区的降雨变化对黄河水安全的重要影响。

    该项研究凸显出，如果未来我国北方地区气候转湿的话，需要特别注意黄河的防洪问题。

    石笋记录显示，黄土高原的降雨变化有显著的准50年变化周期，和印度季风变化的周期相似。另外，最近370年黄土高原地区的石笋记录也和反映印度季风变化的印度地区的石笋记录一致，这揭示印度季风带来的热带海洋的水汽对黄土高原降雨的重要影响。

    延伸阅读

    洞穴石笋记录气候变化

    我们都知道，石笋是由洞穴滴水形成的。由于形成石笋的滴水主要来自大气降水，而大气降水在往洞穴渗流的过程中又溶解了土壤和基岩的物质，因此，石笋的化学组分保留了大气降水和洞穴上覆土壤的化学组分信息。这些化学组分的变化和气候-环境变化有密切关系，因此通过测试石笋的年代，以及分析石笋的化学组分，比如碳、氧同位素和微量元素等，就能知道历史时期的气候-环境变化。

    确定石笋的形成年代，主要是利用高精度的电感耦合等离子质谱仪，分析各种核素的浓度，结合它们的半衰期，就能知道样品的沉积后经历的时间，也即年龄。当然，如果石笋中能看到有年纹层，像树木年轮那样，我们也能通过计算年轮的数目，来获知石笋的形成年龄。

    在石笋的古气候研究中，氧同位素应用的最多。那么，石笋氧同位素的变化如何反映历史时期的气候变化呢？我们知道，大气降水都是源自海洋蒸发的气团。水分子中的氧，主要有两种同位素，氧16和氧18（另外一种氧17含量很低）。当水汽从海洋蒸发的时候，质量较轻的氧16先蒸发，而当水汽凝结降落的时候，较重的氧18会先降落。那么，一个地区降雨越多，轻的氧16会越降越多，当地降水中的氧同位素会比较偏轻。根据这个原理，通过分析历史时期石笋中氧16与氧18含量的变化，就可以推断过去的气候变化。

    图/华盖创意