黄土地上的薪火传承——记我院校友2018年“何梁何利奖”获得者郭正堂

 

 

1979年的晋北农村，生活条件还相当艰苦；高考是年轻人唯一的出路。出生于这片黄土地的郭正堂踏上了高考之路，一路的梦想是考个医学院，毕业后当一名医生，悬壶济世。

 

 

但他收到的却是北京大学地貌学与第四纪地质学专业的录取通知书。郭正堂不知道这个专业学什么，研究什么。直到有人告诉他，李四光先生研究的正是这个专业，心里似乎“踏实”了许多。就这样，时年15岁、还在长个子的郭正堂“误打误撞”地开始了他的地貌学与第四纪地质学生涯。

同事们后来开玩笑说：“就此黄土地上少了一名乡村医生，多了一名到处乱跑的地质学家”。但郭正堂在2015年北京大学研究生毕业典礼校友代表致辞时说：“我也可以算是未名湖看着长大的，因为1979年我踏入校门时身高1.67 m，毕业时长到1.76 m，到今天没有再变。

郭正堂第一次见到“黄土之父”刘东生院士，正是在北大上学的时候。那时，刘东生先生是北大的兼职教授，来到学校做讲座。但那时郭正堂并没有意识到，他和这位“黄土之父”后来有不解之缘。

 

 

四年的大学时光，使郭正堂打下了扎实的地质学和地理学基础。他后来经常说，这些基础使他终生受益，成为研究古气候学的起点。大学毕业之年，他参加了全国研究生入学考试，被当时的国家教委录取为出国预备研究生，准备赴日本留学，学习新构造运动与地震；但由于年龄太小，不符合日本研究生入学的年龄条件，而被转派法国学习。这一次的“误打误撞”，使他与黄土研究又结下了不解之缘。

 

 

在古气候学历史上，历次认识的突破均以地质记录研究的突破为前提。国家改革开放之后，刘东生院士等在中国260万年来的第四纪黄土的地层年代学研究上取得突破，成功地实现了中国黄土与深海大洋地质记录的对比，把中国黄土纳入了全球气候变化的框架。我国以黄土研究为核心的古气候研究，很快成为中国地球科学的一大亮点，研究工作进入了一个崭新的时代，在国内外学术界引起巨大的反响。

 

 

郭正堂在法国的博士导师Nicolas Fedoroff教授是国际著名的古土壤学家，深知中国第四纪黄土中的数十层古土壤对间冰期环境研究的重要性，于是与刘东生院士商议决定，把郭正堂论文的研究方向确定为中国黄土中的古土壤及与欧洲古土壤的对比。

 

 

从那时开始，郭正堂就经常得到刘东生院士的指导和帮助，并于1990年在法国获得博士学位后，26岁时回国到中国科学院地质研究所，成为刘东生先生招收的第一名博士后和先生科学思想的传承者之一。

 

 

由于地球轨道的周期性变化，第四纪的地球气候总是“忽冷忽热”。冷的时候是冰期，暖的时候称间冰期。这使中国的第四纪黄土中形成了数十层浅色的黄土层，与数十层红色调的古土壤层相互叠置、交替出现。这些古土壤正是间冰期气候环境变化难得的档案库。获取其中的信息，对理解气候变化的机制、研究未来全球增温和CO2浓度升高对环境的影响都非常重要。

 

 

刘东生先生自然深知这些古土壤的奥秘，安排回国不久的郭正堂继续专攻这些古土壤包含的古气候、古环境信息；更何况，用显微镜研究土壤—土壤微形态学，正是郭正堂在法国学到的“看家本领”。

 

 

郭正堂把博士导师Fedoroff等发展的“微土壤特征重建成壤过程、过程分析揭示环境控制”的古土壤学新理论和新思路，系统地运用于我国第四纪的古土壤研究，获取了大量新的环境信息，恢复了古土壤形成时精细的环境变化过程，厘定了复合古土壤记录的气候事件序列，鉴别出突变气候事件对土壤发育的影响，为全球变化领域关注的暖期气候特征与机制提供了新证据。郭正堂也在1997年获得了国家杰出青年科学基金的资助。

 

 

这使他在显微镜下，看到北大西洋千年尺度的浮冰事件对东亚夏季风有显著的影响；亚洲的季风变化与大洋碳同位素异常存在耦合关系；南、北两半球的冰期-间冰期旋回存在显著的不对称演化行为，与米兰科维奇理论强调的“对称演化模式”不尽相符，且这种不对称对季风环流和大气温室气体浓度都有非常重要影响。这些研究丰富了学术界对东亚和全球间冰期气候行为和机制的认识，受到国内外同行的广泛关注和高度评价。

二、风成红土谱新章

 

 

1990年代后期的黄土研究又孕育了新的科学突破。中国的黄土研究团队在六盘山以东的东部黄土高原的研究，确定了第四纪黄土之下的“三趾马红土”也是风尘沉积，最老可达800万年，并在其中获得大量新的气候变化信息。

 

 

与其他气候变化的地质记录不同，由于风尘堆积是大气环流的直接产物，风成“三趾马红土”研究受到国际学术界高度重视。此时正在专心研究第四纪古土壤的郭正堂感到非常好奇：所报道的风成“三趾马红土”都来自六盘山以东地区，当时更接近青藏高原的西部黄土高原发生了什么？

 

 

从1998年开始，获得国家杰出青年科学基金资助的郭正堂有了所需的研究经费，带着三名学生和这份好奇心，一路唱着电视剧《西游记》的插曲，开始在六盘山以西的黄土高原跋涉。

一天正午，骄阳似火，汽车行进在崎岖的山道上。郭正堂透过车窗，隐隐约约看见远处一条沟的沟壁上，有红白相间的沉积，酷似他在关中等地看见的第四纪黄土-古土壤序列。

 

 

未等汽车停稳就冲下沟的郭正堂很快就认出，这些红色条带是古土壤。这些古土壤发育强度之高，在第四纪的黄土高原还从来没有见过；沟壁上竟然出露着数百层这样的古土壤，数量之多，也使他意识到这绝不是第四纪的古土壤，因为第四纪黄土中总共只有数十层古土壤。古土壤旋回之清晰，也意味着这套沉积不像六盘山以东的三趾马红土，后者看上去旋回不清。

沉积物的地层年代学和成因一时成了难解之谜。一向学术敏锐的郭正堂当即决定，把这套沉积作为下一步的主要研究目标，就此开始了为期十多年的中新世风成红土成因和地层年代学研究。

 

 

中新世风成红土厚达250多米，每个剖面就是一座山；而郭正堂团队的研究需要每5-10厘米、甚至每2厘米采集一个样品，然后在实验室进行室内测试，耗力耗时。郭正堂说“这是建立国际对比标准必须的步骤”。

他与合作者通过大量地质-地貌背景调查、沉积类型制图等野外工作、数万样次的土壤-沉积和地球化学实验分析，证明了这套沉积为风成成因，明确了风成红土与其它沉积的接触关系。从秦岭南坡到青藏高原东北缘，郭正堂及团队共在不同地貌单元上选择了9条代表性剖面，开展了详细的磁性地层、土壤和岩石地层研究，建立了地层年代序列，检验了风成红土在时间上的连续性和空间上的可对比性。

 

 

这项工作可谓“十五年磨一剑”，把中国的风成沉积序列从800万年拓展到2200万年，并在六盘山以西建立了具平行剖面验证的环境变迁序列。首批成果发表后即引起国内外同行的广泛关注和高度评价。

 

 

国际古全球变化研究（PAGES）前主席、利物浦大学Oldfield教授评价说：“新近纪连续的长尺度环境记录极其稀少，最引人注目的记录之一是郭等向世界科学界展示的黄土高原西部几乎覆盖整个中新世的序列”。相关成果进入了英美出版的多部教科书、教学研究指南和百科全书。

 

 

汪品先院士曾经说：“中新世风尘系列的发现，归功于长期扎实的野外工作。郭正堂和他的合作同事们的野外考察并不满足于公路沿线与河流两侧，而是不畏艰苦进入山区深处，因而能够见到前人之所未见”。郭正堂说，他也得益于古土壤学的知识。

 

 

刘东生院士曾经说：“郭的研究收集了上万个数据，因为时间跨度大，有些数据不行了就再做，这才是踏踏实实做事情”。2005年，88岁的刘东生先生来到甘肃秦安对风成红土进行了生命中最后一次野外考察。

 

 

对刘东生院士而言，后辈的成就，是先驱者最大的欣慰；但对于郭正堂而言，前辈的赞许和期望，才是继承者最大的鼓励和鞭策。科学精神和科学研究的传承和发展，在这对师徒身上得到了完美的诠释。

三、黄土高原论季风

 

 

亚洲内陆荒漠和强盛季风的出现是新生代具全球意义的重大环境变革之一。过去对亚洲内陆荒漠形成的确切时代不明，而南亚的地质记录和国际大洋钻探的研究结果使国内外学术界普遍认为，亚洲的现代季风环境只有800万年的历史。

 

 

郭正堂团队新的地质记录研究突破也导致了科学认识的突破。他们进一步开展了大量的古土壤学、沉积学和地球化学研究，确定中新世风成红土中300多层古土壤多为湿润气候下发育的淋溶土（Luvisol），降水由夏季风从低纬海洋搬运而来，且是季节交替的大气环流作用下的加积型土壤；古土壤之间的浅色沉积为干冷期冬季风从亚洲内陆荒漠搬运堆积的粉尘沉积；二者的交替出现指示了地球轨道变化对季风的控制。

 

 

这就证明了亚洲典型季风环境与中国西北和中亚地区的内陆荒漠在2200多万年以前已经存在，中国北方的沙尘暴已有2000多万年的历史。郭正堂团队进而重建了中新世亚洲内陆干旱化和季风演变历史，提出青藏高原隆升在2200万年前就达到了改变大气环流的阈值，被后来的许多研究证实。

这些工作改变了风尘沉积和亚洲季风限于“800万年”的原有认识，揭示了中国和亚洲构造演变与气候环境的相互连接, 成为新生代地球系统研究中的一大突破。被国际学者评价“是季风历史追溯到2200万年前的重要标志”，“为喜马拉雅的隆升历史提供了独立的看法”，并被国内外大量研究作为构造与气候、环境与生命演化研究的环境背景框架和出发点。

 

 

今天，正处于科研生涯成熟期的郭正堂院士，没有躺在过去的成就上止步不前，他仍然在前瞻思考着全球变化研究的前沿问题，正在致力于地球大陆演化与季风系统演变的交叉性研究。他还承担着中国科学院大学的研究生教学工作，任国际第四纪研究联合会（INQUA）副主席等，承担着多家重要学术期刊的编委工作。

郭正堂常以“心态平静”和“感恩”要求自己。他曾经说：“一颗平静的心会让人头脑清醒，明确长远的目标，从而学会坚守。他能让人在顺境中不轻狂，在逆境中不妥协；他会帮助人明白，将军是在战场上练就的，而不是抱怨出来的；他会帮助人懂得去感恩所在的群体和平台，学会合作，从而准确定位自己，不因过多的自信而期望过高，不因过份的谦卑而忽视自己的作用；他还能帮助我们变得更加有情有义，懂得在为国家和集体奉献的过程中才能成就自己，懂得没有团队的帮助终将一事无成”

在11月5日，有1200多名代表参加的第十二届全国第四纪学术大会在青岛刚刚闭幕。郭正堂理事长在大会开幕式的致辞中说，有着60多年历史的全国第四纪学术大会，已经成为中国第四纪科学传承的一个重要的载体，承载着至少5代科学家的科学认知、科学精神、科学文化和科学梦想。以这样的传承为基础，中国的第四纪科学工作者一定会在地球系统科学的新时代创造新的辉煌。

 

 

选编自中国地质地球所