基于黃土地球化學(xué)研究的跨學(xué)科課程開發(fā)
——以“地化元素，氣候旋回”環(huán)境考古課程為例

曹宏偉

（福建師范大學(xué)附屬中學(xué), 福建 福州 350007）

一、跨學(xué)科課程開發(fā)背景

《普通高中地理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》在課程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)部分中提出：注重地理學(xué)科與其他學(xué)科的融合。[1]地理學(xué)科交叉性強(qiáng)、內(nèi)容跨度大，與生物學(xué)、化學(xué)、物理、政治和歷史等科目都存在較多交叉內(nèi)容。

隨著社會(huì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，學(xué)科交叉研究呈現(xiàn)顯著增長態(tài)勢(shì)，產(chǎn)生了對(duì)綜合型、復(fù)合型人才的巨大需求，培養(yǎng)學(xué)生綜合思維成為教育界的熱點(diǎn)話題。越來越多的中學(xué)教師開始嘗試開發(fā)跨學(xué)科課程，打破了高中學(xué)科壁壘，創(chuàng)建了更加豐富、生動(dòng)的教學(xué)情境，積累了許多跨學(xué)科案例與教學(xué)成果。例如，部分教師將文學(xué)素材引入月相、地形地貌、區(qū)域地理的教學(xué)中，提升了學(xué)生的人文情懷與自然審美水平；“一帶一路”作為國家重大戰(zhàn)略，教師將其開發(fā)為跨地理、歷史和政治的學(xué)科整合課程，運(yùn)用多學(xué)科思維，在課堂中構(gòu)建多維度、立體的“絲路課程”，挖掘其深厚的文化內(nèi)涵與經(jīng)濟(jì)價(jià)值，培育學(xué)生的文化自信與家國情懷。[2]以上跨學(xué)科課程的開發(fā)案例為高中地理教學(xué)提供了思路，但也存在深度有限、融合程度較淺及地理實(shí)踐力培養(yǎng)欠缺等不足。

二、跨學(xué)科課程設(shè)計(jì)

在不同的地理環(huán)境中，沉積物中的礦物、元素會(huì)發(fā)生游離、集中。不同類型的沉積物其元素組成存在巨大差異，而同一沉積物在不同地質(zhì)時(shí)期隨著古環(huán)境變化，其元素與礦物組成也不盡相同。隨著研究深入，利用化學(xué)元素研究地球環(huán)境變化的學(xué)科逐漸形成，被稱為“環(huán)境地球化學(xué)”。[3]地球化學(xué)被普遍應(yīng)用于環(huán)境考古的研究中。部分常量、稀土元素在母巖風(fēng)化、搬運(yùn)過程和沉積后受后期環(huán)境影響較小，遷移速度很低，能夠保留物質(zhì)來源地區(qū)的地球化學(xué)信息，成為可靠的示蹤分析指標(biāo)。

近幾十年來，眾多中國地學(xué)家對(duì)黃土沉積物的地球化學(xué)特征進(jìn)行了深入研究，挖掘出大量沉積時(shí)期的古環(huán)境信息，為全球古氣候重建做出巨大貢獻(xiàn)。[4]

本跨學(xué)科研究課程的設(shè)計(jì)以黃土地球化學(xué)研究為依托，探究正陽地區(qū)沉積黃土中蘊(yùn)含的古氣候變化信息，綜合高中地理與化學(xué)學(xué)科，包括五個(gè)探究任務(wù)。

任務(wù)一：了解研究區(qū)的區(qū)域概況，包括地理位置、地質(zhì)構(gòu)造、氣候、重要山脈及河流等，培養(yǎng)區(qū)域認(rèn)知。

任務(wù)二：閱讀中國黃土研究文獻(xiàn)，了解地球化學(xué)在黃土沉積研究中的應(yīng)用，感悟化學(xué)分析方法對(duì)自然地理定量分析的重要作用。

任務(wù)三：野外采樣小組進(jìn)行剖面記錄、采樣及周邊環(huán)境觀察，體會(huì)地理野外工作的重要性與艱巨性，培養(yǎng)對(duì)自然地理環(huán)境的觀察能力，增強(qiáng)地理實(shí)踐力。

任務(wù)四：在福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院實(shí)驗(yàn)室檢驗(yàn)與制備實(shí)驗(yàn)物質(zhì)，進(jìn)行元素實(shí)驗(yàn)分析和數(shù)據(jù)處理，進(jìn)而通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得出結(jié)論，培育科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)。

任務(wù)五：分析綜合元素實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果，利用地理信息與數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行繪圖，撰寫研究論文。

三、研究區(qū)概況與研究方法

1.研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河南省正陽縣郊區(qū)，海拔185m，經(jīng)緯度位置為114°42′33″N，32°52′33″E，是河南省南部伏牛山山地與華北平原過渡地區(qū)，同時(shí)也是北亞熱帶季風(fēng)氣候與暖溫帶季風(fēng)氣候交界區(qū)域，如圖1所示。該區(qū)域從新生代至今受到亞洲季風(fēng)強(qiáng)度持續(xù)變化與黃河演化進(jìn)程的影響，出現(xiàn)大面積風(fēng)塵沉積。華北平原地區(qū)受農(nóng)業(yè)耕作的長期影響，主要形成了水稻土與旱地耕作土。

圖1 研究區(qū)區(qū)位圖

2.野外剖面分析與實(shí)驗(yàn)分析方法

正陽黃土剖面高510cm，為黃褐色粉質(zhì)黏土，含有部分鐵錳質(zhì)氧化物結(jié)核。以10cm等間距取樣，用塑封袋包裝，每袋樣品30～50g，共采集51個(gè)樣品。樣品在實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過40℃恒溫烘干后在瑪瑙研缽中研磨，過100目篩，充分混合后稱取約5g的樣品壓成圓環(huán)狀。測試儀器為X射線熒光光譜儀。測試前加入國家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)開展質(zhì)量控制，測算三次各元素回收率，所有樣品回收率均處于96%～103%范圍內(nèi)。

四、地球化學(xué)參數(shù)解讀與分析

1.常量元素特征

正陽黃土的主要常量元素氧化物為SiO2、Al2O3和Fe2O3，三者之和超過85%。其中又以SiO2為主，含量為66.09%，Al2O3含量為13.97%，F(xiàn)e2O3占5.26%。而K2O、MgO、Na2O和CaO占比均不足2%。全剖面黃土常量元素氧化物含量差別較小，表明其形成環(huán)境差異不大。

將正陽黃土與洛川黃土、下蜀黃土比較后可知：常量元素氧化物含量具有高度的同一性，SiO2、Al2O3和Fe2O3的占比總和超過70%；三者也存在差異，下蜀黃土（68.07%）SiO2含量高于正陽黃土（66.09%），而正陽黃土高于洛川黃土（57.57%），呈現(xiàn)出由東南向西北減少的趨向，這與黃土在沉積后成壤過程所經(jīng)歷的不同氣候條件有密切關(guān)系。[5]正陽黃土和典型黃土常量元素參數(shù)如表1所示。

表1 正陽黃土與典型黃土的主要常量元素成分比較

2.化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度

地球表層的沉積物大多來源于陸地地殼上部，陸殼上部中主要的母巖礦物為長石，其在化學(xué)風(fēng)化作用下，堿金屬會(huì)大量流失，形成黏土礦物。眾多學(xué)者研究認(rèn)為：不同環(huán)境中化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度變化會(huì)導(dǎo)致Al2O3的摩爾分?jǐn)?shù)不同。根據(jù)此原理，化學(xué)風(fēng)化指數(shù)（CIA）可作為反映化學(xué)風(fēng)化程度的重要指標(biāo)，如表2所示。公式為：CIA=［Al2O3/(Al2O3+CaO+K2O+Na2O)］×100%。[6]

表2 CIA指數(shù)與化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系[7]

Na2O/K2O比（分子摩爾比）是度量樣品中斜長石風(fēng)化程度的參數(shù)。斜長石中Na的含量較高，云母、鉀長石中K含量較高，而二者的風(fēng)化速率并不相同，鉀長石顯著慢于斜長石。因此，沉積物中Na2O/K2O值升高證明其風(fēng)化程度降低。根據(jù)正陽黃土CIA值與Na2O/K2O值的散點(diǎn)分布圖發(fā)現(xiàn)，正陽黃土的Na2O/K2O與CIA的分布趨勢(shì)表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)，如圖2所示。

將正陽黃土與上部陸殼（UCC）、洛川黃土和南京下蜀黃土展開對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)不同區(qū)域的黃土沉積物經(jīng)歷的化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度變化趨勢(shì)：UCC<洛川黃土<正陽黃土<南京下蜀黃土，正陽黃土經(jīng)歷了中等強(qiáng)度的化學(xué)風(fēng)化。以上化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度表現(xiàn)出由西北內(nèi)陸向東南沿海逐漸增強(qiáng)的區(qū)域變化，反映出該方向上，夏季風(fēng)勢(shì)力逐步強(qiáng)大。正陽地區(qū)處于亞熱帶與暖溫帶過渡地區(qū)，處于中等風(fēng)化強(qiáng)度的中間階段，比靠近海洋且位于北亞熱帶的南京下蜀黃土風(fēng)化程度弱，但明顯高于位于溫帶季風(fēng)區(qū)比較干燥環(huán)境下形成的洛川黃土，這與其地理位置對(duì)應(yīng)的氣候條件基本吻合。

3.古氣候反演

21世紀(jì)以來，銣Fb、鍶Sr這兩種微量元素被應(yīng)用于環(huán)境考古研究中。因?yàn)橐陨蟽煞N元素的化學(xué)性質(zhì)差異較大，Rb惰性強(qiáng)，在風(fēng)化成壤過程中大量保留，Sr與之相反，常以游離態(tài)的形式在地表水的作用下淋溶流失，所以Rb/Sr值成為化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度的關(guān)鍵參數(shù)之一。在銣的富集與鍶的流失過程中，降水量是其首要影響因素。在中國東部季風(fēng)區(qū)，降水量與夏季風(fēng)強(qiáng)度存在正相關(guān)關(guān)系，因此Rb/Sr值能夠成為劃分夏季風(fēng)強(qiáng)度指標(biāo)。在濕潤期，降水量升高，Sr含量減少，Rb/Sr值升高；在干旱期，Rb/Sr值降低。[8]

本課程利用古氣候指標(biāo)重建古環(huán)境變化過程，必須利用多個(gè)參數(shù)進(jìn)行交互驗(yàn)證。依據(jù)上述研究，采用化學(xué)風(fēng)化指數(shù)CIA與Rb/Sr值共同作為干濕階段的重要?jiǎng)澐謪⒖贾笜?biāo)。正陽地區(qū)位于中國東部季風(fēng)區(qū)，夏季風(fēng)強(qiáng)度對(duì)降水量起主導(dǎo)作用，因此，以上兩個(gè)參數(shù)能夠作為該地區(qū)夏季風(fēng)強(qiáng)度的參考指標(biāo)。

根據(jù)正陽黃土CIA與Rb/Sr值發(fā)現(xiàn)二者在垂直方向上的波動(dòng)趨勢(shì)明顯一致，高峰和低谷各有2個(gè)，代表著2個(gè)干旱-濕潤的氣候變化周期，如圖2所示。高峰代表降水量較多的濕潤期，圖中用灰色部分標(biāo)出，干旱期數(shù)值較低，在圖中為白色部分。從剖面底部至上部，也就是沉積初期至今，以上兩參數(shù)都呈現(xiàn)出了波動(dòng)上升的趨勢(shì)，說明降水量波動(dòng)增加，兩個(gè)明顯的濕潤期位于0～60cm和130～220cm地層處。這是區(qū)域沉積物對(duì)全球氣候變化的積極響應(yīng)。

圖2 正陽黃土CIA與Rb/Sr值垂向變化圖

五、總結(jié)與展望

本跨學(xué)科研究課程以元素測試為技術(shù)手段，利用常量元素測試，計(jì)算出化學(xué)風(fēng)化指數(shù)CIA與Rb/Sr值，挖掘出正陽黃土蘊(yùn)含的古氣候信息，重建正陽地區(qū)的古環(huán)境變化過程。研究發(fā)現(xiàn)：正陽黃土常量元素特征與中國典型黃土相似，處于中等化學(xué)風(fēng)化階段，在垂直方向上出現(xiàn)多個(gè)干旱-濕潤的氣候變化階段。

在研究課程中學(xué)生第一次體驗(yàn)到化學(xué)元素測試技術(shù)的數(shù)據(jù)量化功能，能夠讓高中生提前體驗(yàn)到大學(xué)地理科學(xué)的理科屬性，即運(yùn)用物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)手段，以數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)模型為支持，定量化解決自然地理科學(xué)的前沿問題。同時(shí)與人教版教科書中土壤的形成因素相關(guān)聯(lián)，讓學(xué)生深度理解不同氣候影響下土壤理化性質(zhì)的差異，將定性描述在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中定量化體現(xiàn)。同時(shí)本研究課程充分體現(xiàn)出不同區(qū)域黃土堆積形成后，在氣候要素的差異化作用下形成的黃土理化性質(zhì)的地域差異，據(jù)此進(jìn)行原創(chuàng)試題設(shè)計(jì)。

在研究課程中，學(xué)生經(jīng)歷了一次跨地理與化學(xué)科學(xué)研究過程，對(duì)培養(yǎng)地理實(shí)踐力、綜合思維、科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)具有重要的作用。本課程處于初期至中期開發(fā)階段，第一階段探究正陽黃土的形成因素，培養(yǎng)綜合思維。[9]第二階段挖掘正陽黃土的古氣候信息，進(jìn)行跨學(xué)科課程設(shè)計(jì)。兩個(gè)階段著重解決黃土的物質(zhì)來源與古氣候信息這兩個(gè)重要科學(xué)問題，存在遞進(jìn)關(guān)系，同時(shí)也是對(duì)教科書知識(shí)的實(shí)際運(yùn)用。

本研究課程對(duì)部分科學(xué)問題還不能夠得出完整結(jié)論。首先，本研究的地層年齡沒有測試，沒有準(zhǔn)確的地層年齡就無法對(duì)應(yīng)具體的地質(zhì)年代，導(dǎo)致干濕旋回的周期變化失去了時(shí)間意義。第二，在沒有測年數(shù)據(jù)的情況下，無法將氣候變化曲線與周邊地區(qū)沉積物進(jìn)行同一時(shí)期對(duì)比，失去了科研結(jié)論交互驗(yàn)證的機(jī)會(huì)。第三，依據(jù)眾多學(xué)者的研究成果，淮河上游的黃土沉積主要來源于黃河泛濫形成的沖積扇[10]，這一地區(qū)是中華文明發(fā)祥地，如果能夠更精細(xì)地重建當(dāng)?shù)氐墓怒h(huán)境變化信息就足以將黃河流域的重大氣候變化事件、人類活動(dòng)影響等進(jìn)行關(guān)聯(lián)。第四，本研究采用的指標(biāo)只能指示干濕旋回，對(duì)于推算氣溫變化，目前元素地球化學(xué)還難以精確指示或者存在明顯的區(qū)域差異，難以直接引用。第五，我國部分地區(qū)干濕變化與歲差、黃赤交角和軌道偏心率存在深度關(guān)聯(lián)，從而導(dǎo)致冰期-間冰期旋回、夏季風(fēng)強(qiáng)度變化[11]，如果能將以上不同時(shí)間尺度影響因素進(jìn)行分離，有望對(duì)其影響的準(zhǔn)周期進(jìn)行分析。