中国人类世科学研究新进展

　　中国人类世科学研究新进展

　　1.引言

　　大气化学诺贝尔奖得主Crutzen与生态学家Stoermer于2000年首次正式提出“人类世”的概念，并认为自1784年瓦特发明蒸汽机以来，人类作用越来越成为一种重要的地质营力，产生了清晰可辨的、全球性的影响，全新世已经结束，当今地球进入一个以人类主导的地质新时期——人类世。该概念一经提出便引发了广泛讨论，随后多方证据表明人类营力正以前所未有的速率和幅度改变着地球系统的自然运动方式。

　　以Zalasiewicz等为代表的地质学家于2008年首次向国际地层委员会（theInternationalCommissiononStratigraphy，ICS）提出人类世应作为一个正式的地质年代单位。2009年，ICS专门设立了人类世工作组（theAnthropoceneWorkingGroup，AWG），致力于研究人类活动是否造成了一个地质新时期。AWG于2016年在南非举办的第35届国际地质大会上宣布了关于人类世关键问题的投票结果：人类世应该通过全球界线层型剖面和点位（GlobalboundaryStratotypeSectionandPoint，GSSP，俗称“金钉子”）定义为一个正式的地质年代单位。基于地层中清晰、独特的“人类活动地层信号”，以其全球同步性为基础，界定全球统一的人类世底界，同时标准层型剖面记录了人类活动营力与自然营力在驱动地球系统过程中的相对贡献变化历史。2019年AWG投票认为人类世的定义应基于20世纪中叶的地层信号。20世纪50~60年代大气核武器试验释放的239，240Pu具有明显的全球可对比性，在多种地质记录中，如珊瑚、海洋、冰芯和湖泊等都记录到了全球统一的239，240Pu信号，且其化学性质稳定，半衰期长，在AWG投票中获多数票，被选为人类世关键标志物。其他新型人造材料如微塑料、人工硅铝质体以及生物地球化学指标等也记录了1950年左右显著增强的人类活动，将在识别人类世地层中发挥重要作用。

　　2019年起AWG组织了全球人类世候选“金钉子”对比项目，共有12个点位加入其中，2023年根据投票结果，AWG提议将加拿大克劳福德湖作为人类世候选“金钉子”的标准剖面，中国吉林省四海龙湾玛珥湖沉积物剖面和日本别府海湾沉积物剖面作为辅助剖面，提交至国际地层委员会第四纪地层分委员会（SubcommissiononQuaternaryStratigraphy，SQS）审批，如获得通过，将提交给ICS审批，最终还需得到国际地质科学联合会执行委员会的批准。如果这一人类世提案最终获得正式通过，则标志着一个新的地质时代的确立，人类世将被添加到国际年代地层表中，成为地球历史上距离现在最近的新时代。

　　人类世这一概念提出后也存在一些争论，主要集中在地层学方面。曾任ICS第四纪地层分会主席的Gibbard和其他一些学者认为在全球范围内很难认定人类世的起始时间和标志，因为人类活动的影响具有渐变性和区域差异性，甚至最早可追溯至6000~8000年前的新石器革命和早期农业活动时期。曾任ICS主席的Finney曾撰文，认为“人类世”的提出并非基于地层学记录，而是具有很强的政治色彩，不应属于ICS的工作范畴。而AWG认为20世纪中叶的地质信号为识别人类世为全新世之后的地质新时代提供了有力的地层基础，许多观测证据表明，人类活动作为重要的地质营力，使地球系统偏离了全新世气候环境演化的自然轨迹，造成一些极端事件的发生，目前大多数学者就此已达成了共识。自20世纪中叶以来，人类活动的营力变得越来越强大，直接改变自然地貌、影响原有的地球演化速率和方向等，对地球环境造成了极为显著的影响。如城市化导致地表径流被阻断、自然水体污染以及土壤自然演化速率降低等，另外人类活动还引发全球变暖、海平面上升和海洋酸化等全球性问题。过去7000年大气CO2浓度从260×10-6升高至1945年的310×10-6，随后以平均每年约2×10-6的速度增长，到2022年已达到417×10-6，极地冰层边缘正迅速、持续地消退，海平面不断上升。生物灭绝率加速，较本底水平增加了100~1000倍，打破了生态系统原有的平衡。英国最新的一项模拟研究显示未来地球将越来越热，哺乳动物将在2.5亿年后灭绝。这些重大的全球范围环境变化，引发了人们对未来地球气候环境以及人类文明发展是否会受到影响的担忧。

　　围绕人类世的研究，关系到人类的生存和发展，同时具备重要的科学和社会意义。研究人类活动对地球环境的影响并建立应对措施，可以为人类社会应对全球环境变化做出贡献。目前中国人类世科学研究处于快速发展中，近期在人类活动代用指标体系构建、人类世候选“金钉子”与国际对比方面取得了突出进展。但综合来看，我们对这一地质新时代的特征和规律的理解还不够深入，人类世的全球对比工作尚未完成，未来人类世科学研究的重点关注内容也尚不明确。针对这些问题，本文对人类世候选“金钉子”全球对比工作和中国人类世研究的代表性成果进行概述，并对未来人类世科学研究方向作出展望。

　　2.围绕人类世起始时间的争议

　　AWG建议将1950年代作为“人类世”的开始，国际上有些学者对此持不同观点，例如有学者认为早在农业起源时的全新世早期，人类活动对地球气候环境的影响就改变了晚第四纪地球气候演化的冰期—间冰期旋回；根据人类活动与大气CO2变化的联系，有学者认为1610年是人类世的开始，此时人口、贸易和动植物物种在新、旧大陆开始大规模交换；而最早提出人类世概念的Crutzen等则认为人类世的起点为工业革命时期的18世纪后期。

　　AWG并不否认其他学者提出的这些时期内人类活动对地球环境造成的影响，但因为当时全球人口规模小，人均能源使用和资源消耗低，人类活动对地球系统的影响小，一般是区域性的，在时间上具有跨时代的特征（如农业的传播），并且主要局限于陆地，对海洋的影响非常有限，与20世纪中叶的全球“大加速”时期相比要弱许多。AWG强调要将人类世确定为一个正式的地质年代单位，需要满足高精度、全球同步性的年代地层要求的“金钉子”来确定人类世的起始时间，在考虑了一系列可能的开始日期后，AWG提出人类世的底界应位于20世纪中叶的“大加速”时期，这一时期人类活动突变式增强，在地质记录中留下清晰的物理、化学和生物印记，与全球人口、经济、能源和资源使用以及工业化相关的一些指标大致呈同步上升趋势，相比几千年前的“全新世早期”和公元1800年左右的工业革命，“大加速”时期具有最明显的全球同步记录，这为识别这一新的地质年代单位的底界提供了最合适的信号。2019年AWG通过投票达成共识，同意将人类世定义为国际年代地层表中的正式地质年代单位，认为将1950年代作为人类世底界是地质上的最佳选择。

　　3.人类世候选“金钉子”的全球对比研究

　　“金钉子”是由国际地质科学联合会和国际地层委员会推行的作为全球地层划分的标准，是在一个特定的地点和特定的岩层序列中作为确定和识别全球2个地层时代之间界线的唯一标志。2019年以来，AWG和柏林世界文化之家启动了专门项目，对全球多个“金钉子”候选剖面和点位进行评估，共选出了12个人类世“金钉子”候选剖面和点位，研究载体包括湖泊沉积物、海洋沉积物、珊瑚、冰芯和石笋等，根据各点位提交的人类活动标志物的结果，2022年12月17日AWG第一次正式投票选出3个候选剖面和点位参与进一步投票，包括加拿大克劳福德湖、中国四海龙湾玛珥湖以及日本别府海湾沉积物；2023年3月3日投票选出加拿大克劳福德湖和中国四海龙湾玛珥湖沉积物进入最终环节角逐。2023年7月11日，AWG宣布，经过对比参评的12个候选“金钉子”，提议将加拿大克劳福德湖沉积物作为人类世候选“金钉子”，中国吉林省四海龙湾玛珥湖和日本别府海湾的沉积物剖面作为辅助剖面。

　　4.中国人类世科学研究现状与新进展

　　中华文明是世界上持续时间最长的文明之一，史册中保存了丰富的人类活动大规模改变环境的记录，中国拥有广阔的国土面积和丰富多样的地质生物记录（湖泊沉积物、海洋沉积物、泥炭、石笋、冰芯、树轮和黄土等），同时中国人口规模巨大，人类活动对国土地理环境改造的幅度剧烈。因此在中国开展“人类世”研究的自然和社会基础条件优势明显。中国科学家在21世纪初就开始关注并参与到人类世研究中，例如安芷生于2001年强调当今全球变化研究已进入了新阶段，称之为“人类世纪”，刘东生在两院院士大会上做了“人与自然和谐发展——来自环境演化研究的启示”的报告，介绍了“人类世”的概念，并发表相关论文，汪品先等认为“人类世”的提出，推倒了“古”“今”之间在学术上的隔墙，促使学术界用新的眼光去研究地球表层的各种地质过程，奠定了中国人类世研究的基础。

　　目前人类世研究在中国处于快速发展中，2020年国家自然科学基金委员会设立重大项目“地质新时代的人类世”，发起了中国首次系统性的人类世研究。中国在人类世科学领域的代表性进展体现在：

　　（1）中国不同地质生物记录中的人类活动代用指标的变化特征，揭示了大加速时期中国环境的变化，为人类世候选“金钉子”全球对比研究以及人类活动对地球系统的影响程度与效应研究提供了关键数据。

　　通过对中国不同地质生物记录中不同类型人类活动代用指标的分析发现，这些指标的变化特征与全球大加速时期的特征相吻合，根据这些指标的变化特征及成因，可以组成人类活动的指标体系。第一类指标是从20世纪中叶以来，地层中新出现的指标，例如人工放射性核素和微塑料等新型标志物，可作为人类世理想的标志物：被AWG确定为人类世关键标志物的239，240Pu同位素，中国沉积物中的记录表明20世纪中叶以来大气核武器试验释放的239，240Pu进行全球循环后沉降保存在地层单元中，可清晰地辨识人类世的开始时间；大气核武器试验停止后，沉积物中的129I含量还在不断升高，记录了核燃料后处理厂持续释放129I的过程，指示人类核活动发展历程；地质记录中新型标志物如水泥、砖块、碳球粒、微塑料、有机农药和多氯联苯等的出现和快速升高与全球大加速时期一致，并且在环境中持久存在，长距离迁移到达地球各圈层，是人类活动理想的标志物。第二类指标是过去存在于地层中，但从20世纪中叶以来发生了显著改变：人类大量燃烧化石燃料和施用氮肥等，极大地扰动了自然碳、氮循环过程，对δ13C和δ15N等有机和无机地球化学指标的影响显著；工业排放标志物例如黑碳、烟炱和多环芳烃等均显示出“大加速”时期以来化石能源利用的增加；气候指标如珊瑚和砗磲的Sr/Ca和Mg/Ca重建了高分辨率的过去海表温度，记录了1950年以来显著的全球变暖。第三类指标是沉积物中的孢粉、植硅体、硅藻、有孔虫、古DNA和摇蚊等生物标志物，其在地层中的记录反演了生物群落演替过程及湖泊生态系统对多种环境驱动因素的响应轨迹，反映了20世纪中叶以来人类活动对湖泊生态系统的显著影响，导致生物多样性显著下降和群落结构重组。

　　（2）四海龙湾玛珥湖沉积物层型剖面参加人类世候选“金钉子”全球对比研究，AWG投票提议将其作为人类世“金钉子”辅助剖面。

　　可实现高分辨率定年的湖泊和海洋沉积物、珊瑚、石笋、树轮和冰芯等都记录了人类活动的信号，其中发育年纹层的湖泊沉积物可实现高分辨率定年，记录的大气沉降放射性核素、硝酸盐和球形飞灰颗粒等信号在各大洲不同纬度的湖泊中显示出一致的变化模式，是AWG遴选人类世“金钉子”时的重点对象。中国在湖泊沉积物方面开展了很多与人类世有关的研究，其中位于吉林省的四海龙湾玛珥湖沉积物被AWG遴选为中国唯一参与国际人类世“金钉子”竞选的候选剖面和点位。对比多种地质生物载体的优缺点，位于国家自然保护区内、远离城市和人类活动排放物影响的四海龙湾玛珥湖，无河流输入，物质来源主要为大气沉降，对全球信号敏感。基于纹层和放射性核素交叉定年建立了过去200年以来高分辨率的年代框架，显示出了1950年代人为活动指标体系的系统性变化，其中全球首条高分辨率的239，240Pu浓度呈单峰分布，于1953年快速增加，与全球不同地区典型湖泊沉积物的239，240Pu记录相似，这与1952年10月31日美国太平洋核试验场第一颗氢弹爆炸、大量239，240Pu被首次释放到环境中有关。对测量的其他多种标志物进行多元统计分析，同样发现1953年存在显著的临界点，如多环芳烃、129I、烟炱14C、碳球粒、DNA、δ13C和重金属等指标在其前后发生了系统性变化，指示了“大加速”时期人为活动的显著增强。对四海龙湾湖的研究表明，1953年应作为人类世的底界。参照ICS公开的“金钉子”相关标准，对比其他候选剖面，四海龙湾玛珥湖在候选点地理位置和关键标志物239，240Pu的时间分辨率以及对大气核试验的响应，其他标志物的多样性及其在20世纪50年代的系统性变化等方面具有显著的优势。

　　在人类世概念提出之后，中国学者瞄准国际地球科学前沿，加入国际人类世研究的行列，并通过国际交流、争取大项目并参与实施、成立学会以及发起全国专业会议等多方面推动中国人类世研究。安芷生和韩永明当选为新一届（2020—2024年）AWG委员（发展中国家仅有的2人，全球共38人），在国际合作中发出中国声音，与国际科学家合作发表系列人类世研究成果，并在国际人类世网站主笔撰写燃烧生成物作为人类世指示物的介绍。周卫健作为联合国教科文组织国际地球科学计划（InternationalGeoscienceProgramme，IGCP）理事在IGCP理事会上提出设立人类世主题，达到高度共识并推动后续项目的实施。张路远作为联合负责人获批IGCP首个聚焦人类世研究的国际合作项目（IGCP-732）。在安芷生和周卫健的联合推动下，发起并成立中国地质学会“人类世研究分会”，于2023年6月17～18日举办“首届人类世科学”大会，400余名人类世研究领域专家学者参会，围绕人类世的定义、历史背景、人类世的记录、标志物与底界等议题进行了探讨。中国地理学会也成立了“人类世与湖泊生态研究工作组”，于2023年5月12～14日举办了“第五届中国湖泊古生态学术研讨会暨第一届中国地理学会人类世与湖泊生态研究工作组年会”，这表明中国人类世研究发展迅速。

　　5.人类世科学及未来发展方向

　　人类世的提出是基于在气候学和地质学等领域发现的多方面对环境的显著改变，并承认人类活动在其中的重要性。但这不只是划分一个地质新时代而已，而是自现代地学诞生后，继板块学说、全球变化与地球系统科学之后一个亟需开拓的新前沿领域。人类世研究范畴现已由单纯的地层学拓展到地球科学其他领域，并在社会文化、经济技术、政治、医学、法学以及文化艺术等诸多领域产生广泛影响。由此又引申出新的学科——人类世科学，其未来研究方向可能包括：定量人类活动对不同圈层的影响及其阈值，环境过程与其生态环境效应和健康影响，人类世气候变化及其预测，人类世社会经济发展、政策与人地协调发展路径，人类世科学和地球系统科学与社会可持续发展等。人类世科学研究的最终目标应是阐明人类活动对生标和其他元素等的物质能量转化过程、气候环境变化和地球系统的影响，深化人地系统耦合与适应的可持续发展理论和技术创新。最终制定一项全世界公认的战略，将其实际应用于现今的信息社会，使生态系统能够抵御人类各项活动产生的压力，为人类文明、宜居地球和社会可持续发展服务。为此，我们将提出史无前例、持久广泛影响的人类世理论框架（thetheoreticalframeworkfortheUnprecedented，Pervasive，PersistentAnthropocene，UPPA）。

　　摘自《地球科学进展》2024年1期