基于黄土地球化学研究的跨学科课程开发——以“地化元素，气候旋回”环境考古课程为例

曹宏伟

（福建师范大学附属中学, 福建 福州 350007）

一、跨学科课程开发背景

《普通高中地理课程标准（2017年版2020年修订）》在课程结构设计部分中提出：注重地理学科与其他学科的融合。[1]地理学科交叉性强、内容跨度大，与生物学、化学、物理、政治和历史等科目都存在较多交叉内容。

随着社会和科学技术的发展，学科交叉研究呈现显著增长态势，产生了对综合型、复合型人才的巨大需求，培养学生综合思维成为教育界的热点话题。越来越多的中学教师开始尝试开发跨学科课程，打破了高中学科壁垒，创建了更加丰富、生动的教学情境，积累了许多跨学科案例与教学成果。例如，部分教师将文学素材引入月相、地形地貌、区域地理的教学中，提升了学生的人文情怀与自然审美水平；“一带一路”作为国家重大战略，教师将其开发为跨地理、历史和政治的学科整合课程，运用多学科思维，在课堂中构建多维度、立体的“丝路课程”，挖掘其深厚的文化内涵与经济价值，培育学生的文化自信与家国情怀。[2]以上跨学科课程的开发案例为高中地理教学提供了思路，但也存在深度有限、融合程度较浅及地理实践力培养欠缺等不足。

二、跨学科课程设计

在不同的地理环境中，沉积物中的矿物、元素会发生游离、集中。不同类型的沉积物其元素组成存在巨大差异，而同一沉积物在不同地质时期随着古环境变化，其元素与矿物组成也不尽相同。随着研究深入，利用化学元素研究地球环境变化的学科逐渐形成，被称为“环境地球化学”。[3]地球化学被普遍应用于环境考古的研究中。部分常量、稀土元素在母岩风化、搬运过程和沉积后受后期环境影响较小，迁移速度很低，能够保留物质来源地区的地球化学信息，成为可靠的示踪分析指标。

近几十年来，众多中国地学家对黄土沉积物的地球化学特征进行了深入研究，挖掘出大量沉积时期的古环境信息，为全球古气候重建做出巨大贡献。[4]

本跨学科研究课程的设计以黄土地球化学研究为依托，探究正阳地区沉积黄土中蕴含的古气候变化信息，综合高中地理与化学学科，包括五个探究任务。

任务一：了解研究区的区域概况，包括地理位置、地质构造、气候、重要山脉及河流等，培养区域认知。

任务二：阅读中国黄土研究文献，了解地球化学在黄土沉积研究中的应用，感悟化学分析方法对自然地理定量分析的重要作用。

任务三：野外采样小组进行剖面记录、采样及周边环境观察，体会地理野外工作的重要性与艰巨性，培养对自然地理环境的观察能力，增强地理实践力。

任务四：在福建师范大学地理科学学院实验室检验与制备实验物质，进行元素实验分析和数据处理，进而通过实验数据分析得出结论，培育科学探究与创新意识。

任务五：分析综合元素实验测试结果，利用地理信息与数据处理软件进行绘图，撰写研究论文。

三、研究区概况与研究方法

1.研究区概况

研究区位于河南省正阳县郊区，海拔185m，经纬度位置为114°42′33″N，32°52′33″E，是河南省南部伏牛山山地与华北平原过渡地区，同时也是北亚热带季风气候与暖温带季风气候交界区域，如图1所示。该区域从新生代至今受到亚洲季风强度持续变化与黄河演化进程的影响，出现大面积风尘沉积。华北平原地区受农业耕作的长期影响，主要形成了水稻土与旱地耕作土。

图1 研究区区位图

2.野外剖面分析与实验分析方法

正阳黄土剖面高510cm，为黄褐色粉质黏土，含有部分铁锰质氧化物结核。以10cm等间距取样，用塑封袋包装，每袋样品30～50g，共采集51个样品。样品在实验室经过40℃恒温烘干后在玛瑙研钵中研磨，过100目筛，充分混合后称取约5g的样品压成圆环状。测试仪器为X射线荧光光谱仪。测试前加入国家一级标准物质开展质量控制，测算三次各元素回收率，所有样品回收率均处于96%～103%范围内。

四、地球化学参数解读与分析

1.常量元素特征

正阳黄土的主要常量元素氧化物为SiO2、Al2O3和Fe2O3，三者之和超过85%。其中又以SiO2为主，含量为66.09%，Al2O3含量为13.97%，Fe2O3占5.26%。而K2O、MgO、Na2O和CaO占比均不足2%。全剖面黄土常量元素氧化物含量差别较小，表明其形成环境差异不大。

将正阳黄土与洛川黄土、下蜀黄土比较后可知：常量元素氧化物含量具有高度的同一性，SiO2、Al2O3和Fe2O3的占比总和超过70%；三者也存在差异，下蜀黄土（68.07%）SiO2含量高于正阳黄土（66.09%），而正阳黄土高于洛川黄土（57.57%），呈现出由东南向西北减少的趋向，这与黄土在沉积后成壤过程所经历的不同气候条件有密切关系。[5]正阳黄土和典型黄土常量元素参数如表1所示。

表1 正阳黄土与典型黄土的主要常量元素成分比较

2.化学风化强度

地球表层的沉积物大多来源于陆地地壳上部，陆壳上部中主要的母岩矿物为长石，其在化学风化作用下，碱金属会大量流失，形成黏土矿物。众多学者研究认为：不同环境中化学风化强度变化会导致Al2O3的摩尔分数不同。根据此原理，化学风化指数（CIA）可作为反映化学风化程度的重要指标，如表2所示。公式为：CIA=［Al2O3/(Al2O3+CaO+K2O+Na2O)］×100%。[6]

表2 CIA指数与化学风化强度的对应关系[7]

Na2O/K2O比（分子摩尔比）是度量样品中斜长石风化程度的参数。斜长石中Na的含量较高，云母、钾长石中K含量较高，而二者的风化速率并不相同，钾长石显著慢于斜长石。因此，沉积物中Na2O/K2O值升高证明其风化程度降低。根据正阳黄土CIA值与Na2O/K2O值的散点分布图发现，正阳黄土的Na2O/K2O与CIA的分布趋势表现为负相关，如图2所示。

将正阳黄土与上部陆壳（UCC）、洛川黄土和南京下蜀黄土展开对比研究，发现不同区域的黄土沉积物经历的化学风化强度变化趋势：UCC<洛川黄土<正阳黄土<南京下蜀黄土，正阳黄土经历了中等强度的化学风化。以上化学风化强度表现出由西北内陆向东南沿海逐渐增强的区域变化，反映出该方向上，夏季风势力逐步强大。正阳地区处于亚热带与暖温带过渡地区，处于中等风化强度的中间阶段，比靠近海洋且位于北亚热带的南京下蜀黄土风化程度弱，但明显高于位于温带季风区比较干燥环境下形成的洛川黄土，这与其地理位置对应的气候条件基本吻合。

3.古气候反演

21世纪以来，铷Fb、锶Sr这两种微量元素被应用于环境考古研究中。因为以上两种元素的化学性质差异较大，Rb惰性强，在风化成壤过程中大量保留，Sr与之相反，常以游离态的形式在地表水的作用下淋溶流失，所以Rb/Sr值成为化学风化强度的关键参数之一。在铷的富集与锶的流失过程中，降水量是其首要影响因素。在中国东部季风区，降水量与夏季风强度存在正相关关系，因此Rb/Sr值能够成为划分夏季风强度指标。在湿润期，降水量升高，Sr含量减少，Rb/Sr值升高；在干旱期，Rb/Sr值降低。[8]

本课程利用古气候指标重建古环境变化过程，必须利用多个参数进行交互验证。依据上述研究，采用化学风化指数CIA与Rb/Sr值共同作为干湿阶段的重要划分参考指标。正阳地区位于中国东部季风区，夏季风强度对降水量起主导作用，因此，以上两个参数能够作为该地区夏季风强度的参考指标。

根据正阳黄土CIA与Rb/Sr值发现二者在垂直方向上的波动趋势明显一致，高峰和低谷各有2个，代表着2个干旱-湿润的气候变化周期，如图2所示。高峰代表降水量较多的湿润期，图中用灰色部分标出，干旱期数值较低，在图中为白色部分。从剖面底部至上部，也就是沉积初期至今，以上两参数都呈现出了波动上升的趋势，说明降水量波动增加，两个明显的湿润期位于0～60cm和130～220cm地层处。这是区域沉积物对全球气候变化的积极响应。

图2 正阳黄土CIA与Rb/Sr值垂向变化图

五、总结与展望

本跨学科研究课程以元素测试为技术手段，利用常量元素测试，计算出化学风化指数CIA与Rb/Sr值，挖掘出正阳黄土蕴含的古气候信息，重建正阳地区的古环境变化过程。研究发现：正阳黄土常量元素特征与中国典型黄土相似，处于中等化学风化阶段，在垂直方向上出现多个干旱-湿润的气候变化阶段。

在研究课程中学生第一次体验到化学元素测试技术的数据量化功能，能够让高中生提前体验到大学地理科学的理科属性，即运用物理化学实验手段，以数学和计算机模型为支持，定量化解决自然地理科学的前沿问题。同时与人教版教科书中土壤的形成因素相关联，让学生深度理解不同气候影响下土壤理化性质的差异，将定性描述在实验数据中定量化体现。同时本研究课程充分体现出不同区域黄土堆积形成后，在气候要素的差异化作用下形成的黄土理化性质的地域差异，据此进行原创试题设计。

在研究课程中，学生经历了一次跨地理与化学科学研究过程，对培养地理实践力、综合思维、科学探究与创新意识具有重要的作用。本课程处于初期至中期开发阶段，第一阶段探究正阳黄土的形成因素，培养综合思维。[9]第二阶段挖掘正阳黄土的古气候信息，进行跨学科课程设计。两个阶段着重解决黄土的物质来源与古气候信息这两个重要科学问题，存在递进关系，同时也是对教科书知识的实际运用。

本研究课程对部分科学问题还不能够得出完整结论。首先，本研究的地层年龄没有测试，没有准确的地层年龄就无法对应具体的地质年代，导致干湿旋回的周期变化失去了时间意义。第二，在没有测年数据的情况下，无法将气候变化曲线与周边地区沉积物进行同一时期对比，失去了科研结论交互验证的机会。第三，依据众多学者的研究成果，淮河上游的黄土沉积主要来源于黄河泛滥形成的冲积扇[10]，这一地区是中华文明发祥地，如果能够更精细地重建当地的古环境变化信息就足以将黄河流域的重大气候变化事件、人类活动影响等进行关联。第四，本研究采用的指标只能指示干湿旋回，对于推算气温变化，目前元素地球化学还难以精确指示或者存在明显的区域差异，难以直接引用。第五，我国部分地区干湿变化与岁差、黄赤交角和轨道偏心率存在深度关联，从而导致冰期-间冰期旋回、夏季风强度变化[11]，如果能将以上不同时间尺度影响因素进行分离，有望对其影响的准周期进行分析。