首
“紫禁城内，祈年殿前。文武百官一字排开，禁军兵士齐步走来。静鞭挥舞，旌旗飞扬，钢筒声震耳欲聋，仪仗队气势恢宏。丹陛桥上，乾隆皇帝神情肃穆，虔心祈祷皇天上地护佑国泰民安，江山永固。”乾隆十三年的祭天大典在万民注视下庄严进行，由皇帝代表万民苍生向上天祈求风调雨顺、五谷丰登的祭天大典，是中华文化几千年发展过程中最庄严的仪式。
从历史学的角度出发，祭天大典有着巩固君主权威，江山一统和强化社会认同的文化宗教功能。而从气候学的角度去看，祭天大典更透露着在科技水平较低的古代人们不得不“靠天吃饭”的无奈，气候的变化直接决定了能否吃饱穿暖，对适宜气候的期待便是当时的人们对美好生活的向往。
今日，让我们戴上科普眼镜，走向山川湖海，翻开三卷“无字天书”，共同探寻气候变化与人类活动的前世今生。
壹
石笋元素正负偏 朝代更替晴雨天
第一卷“无字天书”藏于崇山峻岭间，神奇溶洞内。
普通人看溶洞，看到的是溶洞之中的色彩绚丽梦幻仙境（图2）。地球科学工作者看溶洞，看到的是石笋内部的层理分明元素波动（图3）。
图2 溶洞内部照片（来源www.nipic.com）
图3 石笋内部剖面与化学元素含量（据Zhang et al., 2018修改）
石笋是由饱含着碳酸钙的水通过洞顶的裂隙至洞底，由于水分蒸发和水溶解CO₂的量减小，所以钙质析出，沉积在洞底而形成的。而洞顶滴水的化学元素性质又和洞外的降水变化息息相关，因此，石笋的化学性质就受到洞外降水变化的控制。科研人员研究发现，当地的降水变化和石笋的δ¹⁸O值密切相关：当地降水多的时候，石笋δ¹⁸O值偏负，当地降水少的时候，石笋δ¹⁸O值偏正（图4）。
图4 降水变化和石笋的δ18O值对比（据Zhang et al., 2008修改）
石笋中δ¹⁸O值就相当于大自然的语言，可以告诉你过去的降水变化。因此，地质科学工作者把δ¹⁸O值作为一种气候代用指标，通过测试分析石笋中的δ¹⁸O值来重建过去的降水历史。
一项发表在《Science》期刊上的研究中，科研工作者用一段生长在中国西北地区长度12厘米的石笋重建出过去1810年（大约公元192-2003年）的降水变化历史（图5），透过这段降水变化的历史，发现了过去1810年来降水变化与中国历史文明演化的关系。在唐朝最后60年和五代十国的前30年（公元850-940年）、元末明初时期（公元1350-1380年）、明朝的最后几十年（公元1580-1640）气候极端干旱。
图5 过去1810年降水变化与朝代更迭（据Zhang et al., 2008修改）
从气候与朝代更迭的对应关系来看，气候变化对中国历史发展和朝代更迭可能产生重大影响。如《资治通鉴·卷第二百五十二》记载的公元874年“臣窃见关东去年旱灾，自虢至海，麦才半收，秋稼几无，冬菜至少，贫者硙蓬实为面，蓄槐叶为齑”，在古代，灌溉技术不成熟，农业种植只能依靠自然降水，当碰上干旱气候时，庄稼收成不足，百姓则食不果腹，忍饥挨饿。当人们的基本生活需求无法得到满足，那么社会矛盾就会加剧，从而影响到政权稳定，甚至朝代更迭。尽管考古学家认为影响朝代的更迭的因素众多，但是从石笋记录中重建的降水变化与历史进程的一致对应关系，可以发现在这其中气候变化也发挥了重要作用。
贰
近海颗粒粗细间 唐诗宋词传万千
第二卷“无字天书”藏于蓬莱以东，近海之中。
中国版图绵延千里的海岸线，风光无限，当你在某个雨后初晴天，漫步海岸边，暂别工作时间，和对象把手牵，吹着海风，吃着海鲜，生活乐无边。你可知在北黄海海岸不远的近海泥质区里藏着另一部精彩绝伦的“无字天书”——近海泥质沉积物（图6）。
这些近海质沉积物是被“君不见”的“黄河之水”（亦有其他地表河流）从陆地上搬运入海不复回的，年复一年地就在近海形成了厚厚的泥质沉积。这个搬运的过程会受到气候变化的影响，所以近海的泥质沉积物里就记录着年复一年的气候信息：当华北地区降水减少的时候，河流径流量小，水动力弱，搬运过程慢时间长，泥质颗粒在搬运过程中就会被水动力冲的越细。相反，在降水增多的时候，搬运到近海的泥质颗粒会越粗。
图6 近海泥质沉积岩心
基于泥质颗粒大小与降水强弱的关系，科研工作者在2米厚的近海泥质沉积天书里解读出气候信息——用泥质颗粒大小定性重建了过去4000年以来华北地区的降水变化（图7）。通过这本2米厚的泥质记录“天书”，发现过去2000年以来的降水变化与历史资料里集成分析得到的经济指数密切相关。在中世纪时期，颗粒物偏粗，指示降水增加，气候偏湿润，这个时间段里的经济指数较高；而在中世纪前后，颗粒物偏细，指示降水减少，气候偏干旱，在这两个时间段里的经济指数也偏低。我们可以发现，在气候偏湿润的时间段里，社会经济也得到了较好的发展。
图7 过去2000年华北降水变化与经济指数对比（据Zhang et al., 2020修改）
泥质沉积物里记录的降水变化与经济指数的良好对应关系，再次说明了在气候适宜是社会发展，文明进步的重要前提。值得注意的是，泥质沉积里指示的气候适宜期（中世纪）正对应着古代唐宋时期。而唐宋时期在中国文学发展上注定是最为重要的时期之一，这一时期随着物质生活的丰富，经济的繁荣发展，人们对文化生活的追求也更加强烈，促进了诗词文化突飞猛进的发展。在你熟读唐诗三百首的时候，你可知这唐宋大家的千古留名与唐诗宋词的繁荣鼎盛背后，也有适宜气候的Buff加持。
叁
湖泥孢粉南北线 文化遗址交替见
第三卷“无字天书”藏于林间碧玉，深湖之下。
旅行爱好者说：世界上的每一片湖泊，都是上帝洒落人间的眼泪；
地质工作者说：世界上的每一片湖泊，都是记录气候变化的天书。
这些湖泊或水草丰茂，或碧蓝如玉，每一处都令人爱慕倾心，每一处都记录着气候秘密（图8）。气候的密码就记录在湖底深处，地质工作者们使用湖泊沉积物取芯设备透过湛蓝的湖水，深入冰冷的湖底，获取千年万年前开始沉积到如今的湖泥（图9），发掘湖泥中的气候信息。
图8 东北地区火山口湖
图9 湖泊沉积物钻探获取
湖泊沉积记录是如何记录气候变化的信息的呢？湖泊周围的植物孢子和花粉（统称孢粉）会被风吹落到湖中并慢慢沉到湖底混到湖泊底泥里，随着湖泊底泥一年一年的沉积下来，湖泊周围植被的孢粉也年复一年地被保存在湖泊底泥里。所以湖泊底泥是通过保存周围植物的孢粉来记录过去气候信息的。当气候适宜的时候，湖泊周围生长的是喜湿喜温类型的花粉，因此保存在湖泊底泥里就是喜湿喜温类型植物的孢粉，相反当气候干旱的时候，保存在湖泊里的就是干旱类型植物的孢粉。因此，古气候学家也可以通过识别沉积物里的孢粉类型，来解译湖泥天书里的气候信息。
一项集成了中国东部地区贯穿华南、华北、东北10条湖泥孢粉的研究，通过对南北地区孢粉反应的气候类型的分析，发现过去的一万年里南方地区的气候适宜期开始的更早，北方地区的适宜期开始的更晚，华南地区的气候适宜期开始于距今约11000，江淮地区开始于距今约9000，华北地区开始于距今约7000年，东北地区开始于距今约5000年，气候适宜期的开始时间与纬度呈线性关系（图10）。
图10 气候适宜期开始时间与纬度的线性关系（据Zhou et al., 2016修改）
为了探讨气候适宜期的变化和人类活动历史的关系，研究者通过这种地质记录里反映的线性关系计算出淮河流域地区的气候适宜期，发现该地区在距今9100-8000年的时候段内气候开始变得适宜。令人惊奇的是，恰恰也是在这个时间段里，淮河流域的遗址数量出现了爆发式的增加，新石器考古研究中极具代表性的顺山集文化、贾湖文化和裴李岗文化等三处考古学文化便是气候适宜期出现的时候产生的（图11）。可见气候的适宜对古文明的产生和发展也起到了推动作用。（注：考古学文化指某一个历史时期中、一定区域内出现的相同的工具、技术、墓葬和遗迹遗物等文化因素特征，一般以所在地命名，是人类活动发展的重要体现）
图11 淮河流域气候适宜期开始时间与古文化发展时间对比（据Jiang et al., 2018修改）
尾
地质记录里的气候变化与文化古籍里的历史发展有着千丝万缕的关系，充满着神秘与惊奇。时至今日，地质记录“无字天书”里仍然还有很多的气候秘密等着我们去探索。未来，我们还将从不同的地质记录解译出不同的语言，发掘出更加精彩的气候-历史故事。
（责任编辑：杨玉露）
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