互动科普

农耕终结了冰河纪

William F. Ruddiman

人类活动最初从上世纪开始促使地球气候变暖，这已经成为大众公认的科学常识。随着燃煤工厂和电厂的出现，工业社会开始向大气中排放二氧化碳和其它温室气体。后来，机动车也加入到排放行列之中。在这种背景下，生活在工业时代的人类不仅影响大气温室气体的浓度，而且至少在某种程度

上要对由此导致的全球变暖趋势负责。然而现在看来，我们的农耕祖先可能早在几千年前就开始使得大气中的这些温室气体含量增加，从而改变全球气候，比任何人想象的都早得多。

新证据表明，大气中二氧化碳的浓度大约在8,000年前开始上升，尽管按照自然趋势其浓度应当下降。大约3,000年后，另一种温室效应气体甲烷的浓度也开始上升。这两种温室气体浓度的升高影响深远。如果二氧化碳和甲烷浓度没有上升，北美北部和欧洲目前的温度可能要比实际低3-4℃，足以使农业生产难于进行。此外，新的冰河期——特征是小冰帽出现——可能几千年前就已经在加拿大东北部开始。相反，最近几千年来地球气候依然保持相对温暖和稳定。

直到几年前，温室气体含量变化趋势的异常逆转及其对气候所产生的影响才引起人们的关注。但是，对该问题进行了一段时间研究后，我了解到大约8,000年前，温室气体含量的变化趋势不再遵循根据其过去的长期行为所预测的模式，这种模式的特征是呈现出规律性的周期。我推断，和农业耕作相关的人类活动——主要是森林砍伐和作物灌溉——必定向大气排放了额外的二氧化碳和甲烷。这些活动解释了温室气体变动趋势的异常逆转以及温室气体在工业时代来临前就在不断增加。工业时代以来，现代技术革新使温室气体浓度上升更快。

我认为，几千年前的人类活动就在改变地球气候，这引起了激烈的争论。其他科学家对我的观点既充满热情又抱有怀疑。其实，一种新观点提出时通常都会出现这种情况，对该假设的检验也在进行当中。

当前的观点

我的新观点建立在近几十年来人们对长期气候变化的理解不断深入的基础之上。自上世纪70年代以来，科学家已经知道，地球绕太阳飞行的轨道存在3个可以预测的变量参数，数百万年来这些变量对全球长期气候变化发挥了显著的制约作用。这些轨道周期变量(分别为100,000、41,000、22,000年）产生的一个后果是，在某一季节内，到达地球各部分的太阳辐射量存在10%的差异。过去300万年间，到达地球表面太阳光的规律性变化导致了一系列冰河期（北半球大陆被冰大面积覆盖）的出现；邻近的两次冰河期之间则是短暂、温暖的间冰期。

数百万年间，地球发生了数十起气候变化系列事件；其间原始人类从解剖学意义上缓慢地向现代人类进化。在最后一次冰河期晚期，欧洲北部和北美的大冰原从前100,000年开始一直在缩小，并且于6,000年前消失。不久之后，人类祖先修建了城市，发明了文字，创立了宗教。许多科学家将文明进步归因于两次冰河期之间的这种自然温升，但我认为这种观点远远不能代表全部事实。

近年来，从南极和格陵兰大冰原钻掘出的冰芯为研究地球从前的气候以及温室气体浓度变化提供了北半球大陆离太阳最近之时，大气从甲烷的主要自然来源——湿地植物分解——获得的甲烷量显著增加。

夏末湿地植物旺盛生长，随后死亡，腐烂，以甲烷（有时称为沼气)形式排放碳。夏季日照最强、热量最多时期，有两种主要方式可提高甲烷产生量：在南亚，热量使印度洋水分大量蒸发进入大气，产生强大的热带季风雨浇灌这些地区。在亚洲最北部和欧洲，炎热夏季使得北部湿地一年中的暖和时期更长。每22,000年，这两个过程都使更多植物生长、分解、排放甲烷。北半球远离太阳的时候，甲烷排放开始减少。11,000年后，甲烷排放量降到最低水平；到达周期中的该点时，北半球夏季获得的太阳辐射最少。

意外逆转

我仔细检查了东方站冰芯，发现记录的最新部分有些奇特之处。在以往的间冰期初期，由于岁差使夏季太阳辐射最大，甲烷浓度通常达到峰值700ppb。当前的间冰期开始时，即11,000年前发生了同样的事情。与以往的周期性变化相同，随着夏季太阳辐射相应减少，甲烷浓度降低了100ppb。如果当前趋势继续重复以往间冰期的情形，在夏季热量最低时甲烷浓度就要降到450ppb左右。事实恰恰相反，5,000年前甲烷浓度变动趋势发生逆转，到工业时代初期几乎逐渐回升到700ppb。总之，甲烷浓度该降时反升，且比以往周期中对应点的浓度提高了250ppb。

与甲烷一样，二氧化碳在过去几千年也发生了意想不到的变化。虽然二氧化碳的变化要受到3个轨道周期变参数量的共同制约，但是以往间冰期的二氧化碳变动趋势都惊人相似。在每个暖期，甚至在大冰原最后残留物融化之前，二氧化碳浓度达到峰值275~300ppm。随后15,000年里二氧化碳浓度稳步下降，逐渐达到245ppm左右的平均水平。在目前的间冰期，二氧化碳浓度在10,500年前达到期望的峰值，并且正如预期的那样，开始类似的下降过程。但是，二氧化碳浓度并没有一直稳步下降到现代时期；相反，8,000年前二氧化碳变动趋势发生了反向逆转。工业时代之初，二氧化碳浓度回升到285ppm，大约比根据早期行为预测的期望值高40ppm。

甲烷和二氧化碳浓度自然变动趋势发生了意想不到的逆转，什么理由能解释它呢？其他研究者认为答案就在气候系统的自然因素之中。他们将甲烷增多归因于北极地区湿地扩大，将二氧化碳增多归因于大陆富碳植物自然损耗和海洋化学成分变化。然而，有个简单的理由提醒我这些解释注定说不通。在前4个间冰期里，影响大气温室气体浓度的主要因素几乎与最近几千年一样。北部大冰原已经融化，北部森林再次出现冰雪消融的土地上，冰融化而成的水重新将海平面提升到高间冰期时的位置，由地球绕轨道自转引起的太阳辐射增加，然后又以同样的方式开始减少。

那么，温室气体浓度在前4个间冰期下降，而只在当前的间冰期上升，这如何解释呢？我的结论是，气候系统自然影响之外的某些新因素必定一直在过去几千年间发挥作用。

人类影响

农业耕作最有可能是当前间冰期气候系统中发生作用的“新因素”。农业革新的基本时间表已经很清楚。大约11,000年前，农业发源于地中海东部的新月沃土地区，不久以后发展到中国北部，几千年后农业出现在美洲。随后的几千年农业扩展到世界其它地区，并且精细化得到提高。到2,000年前，我们现在食用的每种作物都已在世界的某些地方种植。几种农业活动会产生甲烷。灌水稻田产生甲烷，原因与自然湿地产生甲烷相同——植物在停滞的水中发生分解。农民为吸引猎物和促进浆果生长而焚烧草场也会释放甲烷。此外，人及其驯养的动物还通过排泄物排放甲烷。随着人口逐渐增长，所有这些因素都可能使甲烷逐渐增多。然而，大约5,000年前甲烷自然下降趋势意想不到地突然向上升趋势转变，似乎只有一个过程——南亚稻田灌溉的兴起——可以解释。

大约5,000年前，中国南部农民开始给河流附近的低地进行灌溉以种植适水性强的水稻。广阔的洪泛区靠近几大河流，因而灌溉技术发明不久，大片耕地就得到灌溉；这可以解释甲烷变动趋势的迅速逆转。历史记载还表明，在甲烷增多的整个间冰期，水稻灌溉面积也稳步扩张。到3,000年前，灌溉技术向南传播到印度支那半岛，向西传播到印度恒河流域，甲烷排放量进一步增加。2,000年之后，东南亚农民开始在陡峭的山坡上修造水稻梯田。

进一步研究可以得出当前间冰期5,000年间灌溉土地面积和甲烷产生量的量化估计值。然而，量化估计值可能很难取得，因为到现代为止，对同一块耕地进行反复灌溉可能已破坏了大量早期证据。目前，我的研究主要基于这样的基本事实——甲烷变动趋势走了“不正常的方向”，而农民恰在此时开始灌溉湿地正好可以解释这种不正常的变动趋势。

与农业相关的另一种普遍的实践活动——砍伐森林——似乎对二氧化碳异常变动趋势提供了合理解释。在自然湿地上种植作物需要砍树；为此，8,000年前欧洲和中国农民开始砍伐森林，最初用的是石斧，接着是铜器，随后是铁器。不管砍掉的树木是烧掉还是烂掉，结果都一样：其中碳很快被氧化，最终以二氧化碳的形式进入大气之中。

科学家拥有准确的年代证据，欧洲人在8,000年前开始在自然林地上种植小麦、大麦和豌豆等非本土的作物；这时也正是二氧化碳浓度变动趋势发生逆转的时间。这些作物最初在近东种植，随后几千年间其种植区域不断向西和向北扩展，其残存物最先发现于欧洲东南部湖底的沉积物中。在这期间，泥沙开始加速从裸露山坡冲进河流湖泊，这进一步证明了森林砍伐不断加剧。

早期大量砍伐森林最明确的证据存在于独一无二的历史文件——《末日审判书》之中。这项英格兰调查是按照征服者威廉的命令而完成的。调查指出，低地和农业地区90%的自然森林到公元1086年就被砍光了；该调查还查明当时英格兰人口为150万，这表明人口密度达到每平方千米10人就足以毁灭森林。因为中国和印度主要流域的先进文明地区人口密度早几千年就达到了比之高得多的水平；所以许多历史生态学家推断，这些地区的森林大约在2,000年甚至3,000年前就已遭到了严重破坏。总之，欧洲和南亚森林在工业时代来临以前很早就已遭受严重破坏;在二氧化碳浓度反常升高的全部时间里，森林砍伐一直持续不断。

阻止了冰河期？

如果农民对温室气体异常变动负责——到18世纪甲烷浓度高了250ppb，二氧化碳浓度高了40ppm——那么他们的耕作实践对地球气候的影响就是巨大的。基于一系列气候模型所显示的平均敏感性，这些异常变化的综合效应在工业时代之前几乎使平均温度升高了0.8°C，而上世纪的变暖幅度只有0.6°C，这意味着早期农耕实践对气候的影响相当于甚至超过了快速工业化时期记录的综合变化。

为什么这一巨大的变暖效应被长期忽略了呢？主要原因在于，它被相反方向的气候自然变化所掩盖了地球轨道周期一直在驱动同步的自然变冷趋势，特別是在高纬度地区。温度的基本变化是夏季逐渐变冷，这个趋势一直持续到19世纪。

如果温室气体按照自然趋势下降，由此引起的气候变冷可能加剧由于夏季太阳辐射减少所引起的气候变冷，地球就会比现在冷得多。为了探索这种可能性，我同威斯康星-麦迪逊大学的Stephen J. Vavrus和John E. Kutzbach—道，利用一个气候模型预测了在不考虑任何人类产生温室气体的情况下现代的温度。该模型模拟了地球气候的一般状态参数（包括温度和降雨量）对各种初始条件的反应。

就实验而言，我们将大气温室气体的水平降低到假设没有早期农业或工业排放情况下的今日之值。由此得到的模拟结果表明，地球几乎会比现在冷2°C——这个差异是极大的。比较而言，20,000年前最后一个冰河期最冷时，全球平均温度也不过比现在低5〜6°C。实际上，如果没有早期农耕实践和随后的工业化所产生的温室气体影响，目前的温度会很快逼近典型的冰河期温度。

我还最先提出，如果这种自然的变冷趋势继续下去，新冰原可能已经开始在远北形成。其他研究人员先前已经揭示，如果世界再冷1.5〜2.0℃，加拿大远东北地区今天可能已被冰层覆盖。我们的实验表明，温室气体的异常变化抵消了1.5〜2.0°C的变冷幅度。后来我同威斯康星大学同事进行的模拟工作表明：现在，雪天会在加拿大东北部两个地区一一巴芬岛(在大陆正东部)和拉布拉多(在最南部）——持续到夏末。由于在整个夏季都不消失的任何雪将年复一年地堆积得越来越厚，最终变成流动冰，因而这些结果表明，新冰河期本应于几千年前就在加拿大东北部(至少在更小的范围内）开始到来。

这一结论与传统观点存在惊人差异。传统观点认为人类文明兴旺于自然形成的温暖期；而在我看来，自然会使地球气候变冷，但是我们人类袓先发明了农业，从而使地球保持温暖。

对未来的启示

人类抑制了全球气候变冷，从而阻止冰河期开端；上述结论直接影响有关不久将来全球气候变化形势的论战。上个世纪80年代，政策制定者难于接受全球变暖这一预测;其部分原因是许多科学家已经花费了10年时间来告诉人们几乎完全相反的预测——冰河期正在来临。根据新的证据，地球轨道运行变化控制大冰原的消涨，一些研究这些更大规模变化的科学家已经合理地得出结论，下个冰河期可能仅在几百年至多几千年内就要来临了。

然而随后几年里，研究人员发现温室气体浓度不断迅速上升，全球气候变暖，至少部分原因在于温室气体增加。这一证据令大多数科学家相信，在相对不久的将来（下个世纪或下两个世纪）可能是全球变暖趋势而不是全球变冷趋势占主导地位。这一修正预测基于改进了对气候系统的认识;它使一些政策制定者怀疑所有的预测——不管是全球变暖或冰河期来临都是不值得信赖的。

我的发现为两大阵营又提供了新颖的观点。如果有什么区别的话，应该是这种冰河时代“即将来临”的预测将被真正理解:新冰原应当在几千年前就开始生长。冰之所以没有形成，是因为人类活动导致的全球变暖实际上开始得远比人们先前认为的要早得多——早于工业时代。

在这类争论激烈、影响公共政策的主题中，科学成果经常被用于相反的目的。全球变暖怀疑者可能引用我的成果证明：人类产生的温室气体使得地球气候比其本来的情景更宜人，几千年来发挥了有益的作用。其他人可能反对前面的说法，如果仅仅掌握了原始技术的少数人就能如此显著地改变气候过程，而目前温室气体正以前所未有的速度达到了史无前例的高浓度，那么我们有理由给予高度关注。

上个世纪的快速变暖趋势可能注定至少还要再持续200年，直到可经济利用的化石燃料变得稀缺。这种情况一旦发生，随着深海慢慢吸收人类活动产生的大量多余二氧化碳，地球气候将逐渐变冷。全球气候将是冷得足以产生长期延续的冰河期，还是保持足够温暖以避免那种命运，这些都是无法预见的。

[冉隆华/译   柯江华/校]