从黄土地走向世界的科学家——记中国科学院院士安芷生

文/王遂社 黄明 周亚龙

陕西长嘉实业（集团）发展有限公司 特约

作为西北人，在黄土地出生，在黄土地成长，又在黄土地繁衍生息，那么，如果要问黄土是怎样生长起来的？恐怕没有几个人知道。

雄奇壮伟的黄土高原，总面积达60多万平方公里。这里的黄土平均厚度在50—80米，最厚达到250米以上。

地球上70%的黄土都集中在这里。

2002年，安芷生（前）在云南鹤庆钻孔钻探现场

曾经有人形容说，人类要了解地球数百万年的变化历史，必须读三本“书”：一本是深海沉积的历史，一本是极地冰芯的历史，第三本便是黄土的历史。安芷生就是在黄土形成和演变历史研究方面作出卓越贡献的人。“黄土地是我们世世代代休养生息的地方，它是一个巨大的地质文献库，隐含着地球环境变化的各种信息，它像一把钥匙，能够解开无数的谜。”

黄土从哪里来？“设想一下，如果类似现在沙尘暴的风沙天气会带来0.01毫米厚的尘土，每年10次便能积0.1毫米，10年1毫米，100年1厘米，1000年10厘米，1万年1米，到现在，黄土高原上最厚的地方已经深达250米，换一种说法也就是说，我们现在所见的黄土高原已经存在了250万年。从地质上讲，我国的干旱史也有250万年了。”

如此说来，似乎有一定的道理。

那么，风又从哪里来？

云厚者，雨必猛；弓劲者，箭必远。

1941年，安芷生出生于湖南芷江。1958年10月高中毕业考入南京地质学院，不久，并入南京大学地质系地质找矿与勘探专业。1962年大学毕业时适逢国家提出要培养我们自己的硕士和博士，安芷生迎来了继续升学做研究的机遇。通过考试，安芷生进入中国科学院地质研究所，师从著名地质学家、“黄土之父”刘东生攻读研究生，专业为第四纪地质学。罗曼·罗兰在《约翰·克里斯多夫》中曾写道：“一个人年轻的时候需要有个幻想，觉得自己参与着人间的伟大活动，在那里革新世界，他的感官会跟着宇宙所有的气息而震动。”风华正茂的安芷生“野心”更大，因为他的导师刘东生毕生从事地球科学研究，是中国科学院资深院士，曾获国家最高科学技术奖，是泰山北斗式的学界巨擘。“刘老师先安排我到中国科学院古脊椎所学习古脊椎动物化石与石器。他认为研究气候变化，古生物研究能够建立时间和年代的概念，如果没有这些，第四纪气候环境变化研究就会缺失坐标。”“更重要的是，我常被老师安排到不同类型的实验室开展研究。我做过古生物化石的鉴定，做过地球化学分析，做过偏光显微镜的观察，甚至做过孢子花粉的鉴定，受过的训练严格又全面。这些训练为后来的研究打下了坚实的基础，直到今天仍然受用。”安芷生对恩师的感激之情溢于言表。

第一个将磁性地层学引入中国

1966年，安芷生研究生毕业，成为贵阳中国科学院地球化学研究所的助理研究员，仍然从事黄土与第四纪研究。那时，他不仅和大家一起，解决了成昆铁路沿线隧道中含盐地层的工程地质难题，为黄河下游暂不改道提出合理建议，另一项重要工作就是翻译影印版的外国文献。“世界上怕就怕认真二字，”认真让他发现了美国科学家考克斯发表的最近500万年的地磁极性变化年表，根据这个年表可以测出沉积物的年龄。学俄文出身的安芷生，用读研究生期间学到的英文知识把考克斯的地磁极性年表翻译成中文并进行评述，于20世纪70年代初发表在中科院地球化学所主办的《地质地球化学》杂志上，把磁性地层学引进中国。之后，他又据此对蓝田猿人的年龄进行了测定，确定了澳洲沙漠化的时间。

20世纪80年代，伴随改革开放，国家支持国际合作的政策陆续出台，安芷生有机会走出了国门。1981年，他负笈澳洲，师从澳大利亚国立大学杰出的地质学家Jim Bowler教授研究澳大利亚湖泊演化和沙漠化。他发表的第一篇英文文章，就是通过磁性地层学确定了大规模澳洲沙漠化的时间约为60万年前。

初露头角，令人刮目相看。

从澳洲回国后，安芷生继续跟随刘东生院士开展科学研究。1985年，他们将中国黄土—古土壤序列与深海氧同位素记录的全球冰量变化做了正确的对比。“其中最关键的一步是我发现了最复杂的第五层古土壤层（S5）要与深海氧同位素阶段13、14和15对应。”安芷生说，“这样就解决了在对比中最难解决的问题。中国黄土、深海沉积和冰芯一起受到国际学术界的重视，成为了研究全球气候变化的三大支柱。”同年，时为中国科学院地球化学研究所副研究员的安芷生带领8位年轻研究人员，从贵阳来到西安，受命组建中国科学院黄土与第四纪地质研究室，开始了艰苦而执着的追求与探索，也开启了中国黄土与第四纪地质研究的一次新的飞跃。

首创东亚环境变迁的季风控制学说

1995年中国科学院黄土与第四纪地质研究室合影，二排左五和左六分别为刘东生和安芷生

上世纪30年代，李四光提出了中国古气候变化的概念。80年代，刘东生等结合黄土与环境变化的研究，建立了中国黄土层型剖面，确认了反映全球冰期—间冰期旋回的黄土—古土壤序列，发现中国黄土的古气候记录具有重要的科学价值。

第四纪是地质年代分期中最年轻的一个时代，自距今260万年以前到现在。这一地质时期与气候变化、人类出现和人类社会发展休戚相关。于科学而言，关键是找到气候环境变化的规律和机制，认识它的发展趋势，从而提出科学的应对措施。在安芷生看来，研究得越深，提出应对措施的针对性也就越强。

东亚环境变化有很多现象，关于湖面升降、黄土堆积、土壤变化、沙漠进退、植被带迁移等等，国际学术界普遍认为，这是由冰期、间冰期的交替造成的。但是如果要进一步探究起来，这么多变化并没有一条线能够贯穿起来。

1987年，安芷生与哥伦比亚大学拉蒙特地球观测所的George Kukla教授和马萨诸塞州州立大学地球科学系Raymond Bradley教授获得了第一个美国自然科学基金委的合作项目，研究中国黄土。在著名的板块学说的诞生地拉蒙特地球观测所，安芷生和Kukla将黄土—古土壤序列及其磁化率曲线与全球气候记录做了对比。尤其在捷克和匈牙利等国家实地勘察之后，安芷生留下了一个深刻印象：这里的黄土分布并不很厚，最多只有上百米，属于冰川外围的冰缘黄土。1989年，在美国华盛顿参加国际地质大会之后，安芷生前往密西西比河野外旅行，看到一路分布的都是黄土，而且也是与冰川进退有关的冰缘黄土。一直在中国研究黄土的安芷生，此刻置身海外，突然找到了灵感：“不识庐山真面目，只缘身在此山中！”——中国的黄土，分布面积之广达60多万平方公里，厚度达50多米到200多米，而且黄土与古土壤分层相互交替规律十分明显——显然，它的形成原因与冰川进退并无联系。

跳出了黄土成因的冰川说之后，安芷生陷入了更深的思考：中国的黄土如此特殊，它的形成到底与什么有关？

谁也没有想到，一个偶然的机会，安芷生翻开了女儿的中学地理教科书，竟然让这一科学难题的研究豁然开朗。他在女儿的初中地理教科书和书后的附图中发现，东亚的现代气候主要受东亚季风气候控制。受此启发，安芷生开始了深入地研究与求证：东亚季风在冬夏两季分别由冬季风和夏季风两股力量交替主导，这是否是黄土形成的动力学因素？“黄土是风成的，虽然在春季发生，但与冬季风有关，古土壤的形成，则主要是受夏季风影响。由此，在东亚季风的影响下，中国黄土的特殊旋回才得到了合理的解释，而不是简单的冰期、间冰期理论能够说明的。”

安芷生院士荣获美国沙漠研究所“杰出国际科学家奖”

此后，安芷生带领团队积极开拓了黄土与第四纪地质研究新的生长点，在我国不同环境单元获取了大批珍贵的环境变化记录（黄土、湖泊沉积、石笋、珊瑚、树轮等），在构造（百万年）、轨道（十万年—万年）和短时间（千年—百年）尺度东亚大陆环境演化的历史和规律研究上取得了一系列具有重大国际影响的成果。安芷生把风成沉积作用从黄土高原顶部黄土层拓展到整个黄土序列，并把过去只强调搬运过程的风成作用扩展到物源－搬运－沉积－沉积后变化这一完整过程，为全球变化研究奠定了基础。

安芷生并没有停留在黄土研究上，通过对湖面升降、植被带迁移、沙漠进退、动物迁移、雪线变化的系统研究，他发现，从黄土研究上找到的规律，同样能用于说明这类自然现象变迁的原因，由此，所有的研究都指向了东亚季风。东亚古季风控制中国古代环境变迁的理论由此成立。1991年，安芷生明确提出“东亚古环境变迁的季风控制论”，较合理地揭示了中国黄土沉积多旋回的气候意义。季风控制论完美地解决了一系列以前令人不解的现象，如分布广泛且厚度很大的中国黄土堆积、沙漠的进退、湖面的波动、林线和雪线的变化、生物气候带的移动以及中国南海海表温度的变化等。这项研究曾被国际科学联合会全球变化委员会确定为东亚地区进行过去全球变化研究的主要议题之一，极大地推动了中国乃至世界第四纪环境变迁研究的发展。

“起初，刘先生不太赞成这个观点，他总觉得有些形而上学，冰期受冬季风而间冰期受夏季风的影响是不是太简单了？后来，我们向他报告了只有用季风变迁理论才能解释中国黄土独一无二的特点，他很快转变了观点。”安芷生说。季风，尤其是东亚季风和印度季风带来的降水关系着东亚和南亚众多人口的生存和社会的发展。因此，安芷生提出的季风控制论，从20世纪90年代至今都是中国第四纪研究和全球气候变化研究的一个经久不衰的热点，并得到了学术界的普遍认可。这也成为安芷生在科研路上一个非常重要的原始创新。陈嘉庚地球科学奖颁奖词对这一学说贡献的描述是：首次提出最近250万年中国黄土—古土壤序列是东亚季风变迁的良好记录，并将各种地质生物记录和古大气环流研究结合，明确指出季风变迁与太阳辐射、全球变化和青藏高原隆升的关系，系统提出了东亚环境变化的季风控制学说，将东亚环境变化推向动力学的理解。从而解释了以黄土和古土壤交替为特征的中国黄土—古土壤序列以及其他东亚环境变化的一系列现象，为推动上世纪90年代以来东亚过去全球变化和第四纪科学研究的发展作出重大贡献。

季风历史和动力学研究队伍的不断壮大，鼓舞安芷生组织了一个更大的专家团队去研究全球季风。他们认为，全球季风是由太阳辐射的季节循环、海—陆—气相互作用共同强迫所导致的，具有显著季节变化现象的行星环流系统，表现为行星尺度气压系统及气压梯度的显著季节变化、盛行风向的季节性反转以及干湿季节的交替出现。这一定义强调了季节性气压梯度驱动季风变化的重要性，也考虑了不同时间尺度，如构造、轨道、千年、百年甚至更短时间尺度上季风变化的特点和动力学。

继提出季风控制论，为探索东亚环境变化的机制提供了新思路后，安芷生和华盛顿大学地质学家Stephen Porter一起，根据黄土粒度的证据，又指出千年尺度的东亚气候突变事件，反映了东亚和北大西洋通过大气过程的关系。在21世纪初，安芷生发表了关于东亚古季风的历史、变率以及控制机制的总结性文章。他提出的“热力牵引和压力推动”将东亚和澳大利亚季风联系起来。2011年，安芷生和他的团队也论证了在冰期—间冰期尺度上，印度夏季风变率很大程度上也受南北半球气候强迫控制的判断，阐明了冰期—间冰期印度季风变化的动力学，认为跨赤道气压梯度控制的跨赤道气流影响了南北半球气候的变化。

学以致用，服务社会发展

我国地处生存环境脆弱多变的东亚地区，在全球变化和社会经济高速发展的影响下，环境问题尤其突出。其中最为严峻的是占国土面积40%的北方地区干旱化，已经成为妨碍东北商品粮基地的发展、华北能源基地的建设以及实施“战略西移”方针的主要障碍。科学地预测干旱化未来的发展趋势，评估其社会经济影响，提出合理的适应对策，是国家战略决策的需要。

为此，安芷生承担了国家重点基础研究发展规划项目《我国生存环境演变和北方干旱化趋势预测研究》，运用多学科交叉的集成分析，生态系统的观测实验和数值模拟方法，研究生存环境系统的自然演变规律，揭示全球增暖以及人类活动对于干旱化的影响过程和机理，在此基础上研究如何通过组织有序人类活动，保护和改善生态环境，从根本上缓解干旱化影响的科学途径。同时，又将在季风环境系统的形成和变化规律、全球变化的区域影响和人类活动的环境效应等基础科学问题上进行研究，发展季风环境系统与全球变化相互关系的科学理论。安芷生对北方干旱、半干旱区和其中典型地区的土地利用和水利用驱动力以及相关生态特征的分析结果表明，由于近几十年来我国北方地区人口总量及密度迅速增加，工业快速发展，城市扩展，消费水平不断提高以及对生态系统的不合理经营，造成该地区土地利用和水资源利用变化，加剧了干旱化的发展。建议根据当地的气候、水文和土壤等条件合理安排农林牧和工业的宏观布局，是成功实施退耕还林（草）措施的基本原则。该研究成果处于国际先进水平，并产生了重要的学术影响。还对北方干旱化发展的未来趋势做出了初步的定性预测，为国家有关部门提供了咨询报告。“我们今天要改善我国西部和黄土高原的生态环境，首先要遵循自然环境变化的规律，基础性和前瞻性的科学研究能够直接为国家经济社会的可持续发展服务，尤其在资源环境领域。”安芷生说。

安芷生院士获瑞典哥德堡大学名誉博士学位

黄土为基，季风为翼，构筑了安芷生波澜壮阔的人生。从1958年进入南京地质学院起，60余年来，安芷生在黄土与环境、第四纪地质与全球变化、大气颗粒物污染控制等领域的研究，取得了丰硕成果。先后在国外高影响杂志上发表论文20余篇，在国内外专业期刊上共发表文章400余篇，其中SCI引用2.7万余次。1996年—2007年，他的研究论文在地球科学领域全球排名第16位，中国地球科学领域排名第1位。截至2016年，共培养了12个国家杰出青年基金获得者，以及40多名博士、20多名硕士。

因贡献突出，他先后荣获国家自然科学奖、中国科学院杰出科技成就奖、美国沙漠研究所杰出国际科学家奖、陈嘉庚地球科学奖、陕西省科技进步奖等奖项10余项；1991年当选中国科学院院士，2000年当选第三世界科学院院士，2016年当选美国国家科学院外籍院士 。2019年荣获陕西省最高科技进步奖，入选2019年全球“高被引科学家”名单。