（一）生物证据

第四纪气候变化的生物证据主要来自各别种和一些种的共生组合，以及它们在时间和空间领域的分布和变化。用生物变化推定气候变化的理论基础是：个别生物的生态与环境的物理条件之间的关系是保持不变的；生物分布的变化，就意味着环境条件的变化，其中主要是气候条件的变化。

第四纪的化石共生组合给出了一种清晰的一般气候类型的指标。第四纪生物的共生组合与现时的一些生物组合颇为类似。根据第四纪生物化石和残骸的共生组合，可将第四纪时期的气候区分出大陆性和海洋性两种。大陆性又可分出湿热、温暖、干旱、半干旱、极地气候带。

第四纪更为详细的气候测定，需要了解生物各别种的生态习性以及决定着生物层、种分布的各种因素方面的现代知识。当这些因素在一定程度上为已知时，就可以根据各种的化石的产出，较详细地进行气候推定。

1.动物群证据　海洋沉积物中所含特殊有孔虫共生组合可以与海面温度和海面平均咸度联系起来，从而研究气候变化。

海洋沉积物中有孔虫的定量研究方法，导致了海洋大气关系的分类。这种方法主要用于含有孔虫和放射虫共生组合的海洋岩心中。当海水面的温度与海水面以上的空气温度平衡时，在含有有孔虫的化石浮游种Cocoolths和放射虫的沉积物中，就存在着温度变化的记录。无论是种的分布或产出的丰度，都反映出温度的变化。在岩心中动物群的变化，可以表现为各种方式。例如：改变温暖有孔虫（如Globortalia menardii）和寒冷有孔虫（如Globgerina Pachydrrma）的百分比值，及Globorolalia menardii的丰度改变等。定量生物学的研究，已从大西洋和加勒比海岩心中划分出了一个与一些气候阶段相当的生物带系。这对于第四纪气候历史，特别是对于北大西洋的第四纪气候历史，无疑是非常重要的。

海滨沉积物所含有孔虫和软体动物的定量古生物学的研究，业已揭示出第四纪温度和其他环境变化的细节。弗兰德里亚的最佳气候阶段，是根据北爱尔兰三角港的粘土动物群的研究提出来的。

其他动物群，如脊椎动物、昆虫类，特别是甲虫类和软体动物，都可以根据其种的形。念及分布的变化，证明更新世的气候变化。可以根据第四纪脊椎动物化石的骨骼对环境的适应性变化的单位面积内种的频度变化，来证明第四纪气候变迁。受某些植物群生长的控制，动物群分布的明显变化，也可以为区域气候变化提供证据。例如，马与草原的关系，就可以作为气候变化的依据。马分布的范围和频度与草原的出现和发展密切相关。一个植物区，都有自己的特殊动物群。变化小的动物，如陆地软体动物，可以作为局部气候的一种标志；但其共生组合，则可以示明气候的区域特点。例如，现时地中海出现Corbicula tluminalis和Belgramdia marginata示明该区域的气候变暖。

存在着推定生物与气候要素的关系的困难。例如，大犸猛象生活的气候条件，目前就尚不清楚，虽然根据其共生组合，一般被认为是一种寒冷气候的指标。

2.植物化石证据　第四纪孢粉的共生组合可以提供区域植物类型。第四纪区域植物类型如同现时植物区域类型一样，也能示明第四纪区域气候类型。每一种区域植物类型，都有适于其生长的特殊气候。这样就形成了植物气候区系。例如森林气候、草原气候、苔原气候、大陆和海洋植物气候等区系。例如，丹麦Viscam、Hedera和Ilex的孢粉频度，业已用来测定丹麦弗兰德利亚的气候。现实这些植物的开花和生长与气候变化有一定的联系。例如，Hedera的生长旺季为平均温度高于16—18℃的最暖月份，其正常生长的温度下限为1.5℃。因而可以根据第四纪Hedera的孢粉频度，推定第四纪气候的变迁。

大植物化石，对于推定第四纪古气候特别有用。水生植物对于区域气候是一种特别好的指标，因为它们生长的环境是比较一致的。

利用植物化石推定第四纪气候变化的困难在于：①一些植物的生态可以随气候条件变化而改变，而作为化石残留下来的一部分植物的形态却保持不变。②由于更新世气候的反复变化而使植物被迫多次迁移的某些生物的生态没有变化。③某些植物化石共生组合与气候标志有矛盾，例如混合指示寒冷和温暖气候的植物种，除去由于化石的次生沉积所产生的混合外，植物的混合还可以有许多其他解释。在变化的气候条件下，某些植物群的迁移较另一些植物群快。例如，水生植物较陆地植物迁移快。④植物和迁移较动物迁移慢，所以，在第四纪中，就存在着利用动物群化石和利用植物群化石推定气候变化的矛盾。⑤微气候变化也给利用植物化石解释第四纪气候变化带来困难。在一个大气候区内的不同微气候区内，可以出现植物的差异。⑥一些第四纪植物化石的种，现时业已灭绝。

Blytt-sernander方案挪威植物学家Adel Blytt根据泥碳沉积物和其中的树木层的研究，描述了在挪威植物群中的北极、亚北极、北海、大西洋、亚北海、亚大西洋成分。他以为这些成分在干期和湿期的交替过程中，按顺序进入挪威。干期（大陆气候期）包括北海期、亚北海期，以树木层作为标志、湿期（海洋期）包括大西洋期，以泥炭层的形成作为标志。Blytt方案由R.Sernander应用于瑞典并进行了修改。Sernander使北海、大西洋、亚北海和亚大西洋这些术语与波罗的海的分期联系起来，并使其广泛地用来表示弗兰德利亚（Flanderian）气候阶段的划分。以后，这些术语又与斯堪的纳维亚孢粉带联系起来。

（二）地质证据

1.沉积物

（1）冰川沉积物　无论是陆地的还是水中的冰川沉积物，虽然都是冰川作用的产物，但却不能证明气候变化的细节。第四纪冰川和冰楯的形成和分布，仅仅是气候变化的结果之一。这种变化的规模和时间，是不能用研究沉积物加以确定的。一方面是因为冰川作用在短时间内可以沉积巨厚的冰积物；另一方面是在一个漫长时间内，却可以没有产生冰积物。冰积物是一种受冰蚀作用和冰积作用控制的变数。然而，冰积物的区域分布，却可以在一定程度上说明气候。因为，冰积物分布界限，平行于现时雪线和夏季的等温线。这一点证明在冰积物沉积时期内，大气环流与现时是类似的。

（2）其他沉积物　第四纪其他非生物沉积物及生物沉积物，都可以证明气候，但它们时常是由局部环境因素所决定的。例如，泥流沉积物、泥炭沉积物就时常受到局部气候环境的控制，而不能严格地确定其气候意义。黄土堆积于现时的草原环境而不是堆积于潮湿环境，所以黄土一般是与干旱或半干旱的大陆性气候环境伴生的。但黄土中所含的粉砂，却可以是多种成因的。粉砂由风或其他介质再搬运和沉积并经过半干旱气候条件下的风化作用（黄土化作用）而形成黄土。在冰期内，粉砂的来源（例如来自外冲平原）是宽广的。在黄土动物群中，喜冷种的出现，证明黄土形成时的气候与冰期有联系。

第四纪古风成砂丘的方向，可以帮助估定风的主要方向，而砂丘构造则可以据以推定风环流的细节。

深海沉积物岩心的分析，可以据以分析季候风以及与冰川伴生的风的区域环流。

2.冰缘现象　冰缘现象具有明显的气候意义。冰缘冻结-融解构造可以证明穿过冻结点的温度变化，其中最明显的证据是构造变形剧烈的冰楔。泥流并非冰缘地带唯一的现象，但却是广泛发育于冰缘地带的一种现象。在冻结-融解层之下，存在着一个永久冻结层作为不透水层，以使融解层为水所饱和，并沿斜坡向下缓缓的流动（蠕动）。

我国华北、西北、内蒙和东北地区，广泛分布着冰积物，黄土堆积物和冰缘现象。已有许多文献解释了它们的气候意义，并用来划分第四纪地层。但对这个问题的意见还不一致，它们的性质及其对第四纪气候意义的解释，都还需要进一步研究。

（三）地貌证据

在一些内陆湖岸，分布着湖成阶地，说明在过去，湖水面曾较现时高。这一点可以证明以前降水量较大和蒸发量较小，以致产生湖涨。后者是内陆地区冰期中的现象。湖岸阶地系，说明冰期和间冰期的交替。但在根据湖涨和湖退现象说明第四纪气候变化时，需要与其他原因，例如，构造运动所引起的湖涨和湖退现象加以区分。

冰期和间冰期的交替引起海退和海侵，并从而形成海成阶地系。与海面下降和上升伴生的是一些大河系和大陆坡峡谷的间歇性地深切。

冰斗的分布，在局部雪线确定中很重要，因为它们在雪线的位置或在雪线附近形成。所以，一群冰斗底部的高度，指示着它们形成时的雪线。冰斗底与现时雪线之间的高差，可以证明在冰斗形成时的雪线降低幅度，并可据以计算第四纪冰期时的温度与现时的温度差。

（四）土壤

各种风化作用，特别是生物风化作用过程在母质（基岩或松散堆积物）的表层产生土壤。土壤发育过程取决于作为母质的岩石或沉积物的类型、气候、地形、植物和微生物的生长，以及土壤发育的时间。大的土类分布带（如黑土、棕壤、灰壤等）与气候和植物相关。所以，一种化石土壤和一个特殊土类带的鉴定，可以提供它们形成时期的气候和植物的资料。主要土类（植物）带以及与其相关的气候带如下：

1.灰壤（灰化土）　这种土发育在潮湿气候和自由排水区。在A层中具有灰色的由于淋溶作用所形成的淋滤1带；在B层中具有腐植酸向下搬运的氧化物堆积（图11-1）。植物一般为松杉针叶林。

2.棕壤　棕壤形成气候条件较之灰壤温暖和干旱。土壤中空气充足，并且干燥。所以，其A层主要不以淋滤作用为主，而是以氧化作用为主，有机物质快速被氧化，形成氧化物。腐植质较少，氧化物很少能被淋滤出来，绝大部分堆积于剖面中，但微弱的淋溶作用却能够使盐基被淋滤出来。其B层一般不清楚。土的颜色是由氧化铁和水解铁造成的。棕壤伴生的典型植物带是温带阔叶林。

3.黑钙土（黑土）　黑钙土形成于夏季较干旱、温暖，降雨主要集中在春、秋季节的大陆气候条件下。黑钙土的主要特点是在A层中富含有机质，底部含CaCO3；而在B层中，却没有CaCO3。降水不足以使盐基完全淋滤，而由于夏季较干旱所引起的地下水的毛细作用，却使A层以下的CaCO3向上迁移，在那里富集并形成结核（图11-2）。伴随这种土壤发育的自然植物是矮棵林原和草原植物。

图11-1　灰化土剖面

A0—腐植层；A1—淋滤层（含腐植质）A2—淋滤灰化层；B—沉积层；C—母质

图11-2　黑钙土剖面

A0—腐植层；A—淋滤层；B1—碳酸盐沉积层（含腐植质）；B2—沉积层（含腐植质）；C—母质

4.栗钙土　这种土产生于夏季温度高和降水量小的气候条件下，A层的腐植质少，CaCO3分布于整个剖面中。伴生植物为草原植物。

5.红土　红土产生于热夏季和温湿冬季气候条件下，其形成过程与棕壤相同，但在夏季却更为干旱的条件下形成。所以，这种土氧化作用更剧烈，其游离氧化铁的水解程度小，因而使这种土壤呈红色。

6.沙漠土　沙漠土是在气候干旱条件下形成的，由于地下水向上蒸发，并使溶解物质沉积于土层中。所以土层中常常富含碱金属或钙的碳酸盐类，并可在土的表面形成介壳或结核（钙核）。

用第四纪化石土壤解释气候有几个问题：第一个问题是化石土壤的鉴定。第二个问题是土壤中的富铁层或铁核、富碳酸盐层或其结核，可以由于土壤形成之后的气候环境变化引起。土壤中的富有机物层，也可以由于土壤形成后的沉积作用引起。第三个问题是化石土壤可以是一个时期改变着的气候的最终产物，但也可以是在其发展过程中，气候环境没有明显变化的产物。第四个问题是一种发育良好的化石土壤，可以表示其形成时期的一般气候条件。但第四纪堆积物中的化石土壤剖面却常常被割切或者被扰动，以致给鉴定造成困难。

与黄土伴生的化石土壤，由于它与第四纪气候变化以及与冰期、间冰期的密切关系而引起人们较多的注意。这种化石土壤的气候解释已用土壤薄片和伴生的软体动物群的研究加以提高。气候区的变化，可以改变土类，并且，大陆土壤的分布是不连续的，在一些地方可以缺失，所以，土壤的对比是困难的。由于黄土是一种比较连续的大陆堆积.所以，黄土中化石土壤在地区之间的土壤对比中，就占有重要位置。黄土及化石土壤中所含植物残骸（木炭）的放射年龄测定，使土壤的对比得到改善。

在冰碛层的上部，发育着一种被淋滤、被氧化的灰色粘土，称为“坚韧冰碛”。人们认为，“坚韧冰碛”是一种在间冰期中被改造的冰碛。这是一种形成于间冰期中排水不良环境下的土壤的B层。坚韧冰碛已成为第四纪冰期划分的一个主要标志，它代表间冰期。

泥炭表面的初生土壤（图11-3）。一些泥炭层表面发生腐植化和氧化，这是由于气候变干旱，泥炭生长缓慢或停止牛长所引起的。被腐植化和氧化的泥碳层是一种初生土壤。它是地区性气候变化引起沼泽的水文变化的结果。但沼泽水文变化，也可以是局部性的，例如，沼泽与周围水面关系的改变。所以，在使用泥炭改造表面的初生土壤解释第四纪气候时，需要注意这一点。

我国分布着上述各种类型的土壤，特别是黄土及其夹层中的古土壤，发育尤为良好。冰碛坚韧粘土和泥炭层分布也很广泛。但运用第四纪古土壤的研究资料以确定气候变化的工作、在我国进行得还不够深入。有必要加强这方面的工作。

（五）同位素测定

图11-3　沼泽土剖面

T—泥炭层；G—初生（潜育）上层；C—母质

存在于生物碳酸盐、有机物质和冰中的氢、碳和氧的同位素比例的变化，可以部分地取决于温度的改变。这样一些同位素成分的测定，可以了解它们形成时的温度。这类研究中、最成功的是在海生生物碳酸盐和冰中的氧同位素（16O18O）的研究，但其他一些可利用的陆地物质，如对湖成碳酸盐、动植物及其残骸的研究，也获得了很大的进展。例如，泥炭中H的浓度，在时间过程中，是随C的含量的增大而系统地减少的。因此，植物H的含量就与包括温度在内的气候有联系。在泥炭中H浓度的估定，具有古气候学的意义。

在冰中氧同位素的估定。18O/160测定已经用于格林兰和南极洲冰楯的铅心。冰中18O含量越少，温度也越低，结成冰的浓度也越大。所以，18O值的曲线，指示着冰形成时期的温度曲线。

海生生物碳酸盐中，氧同位素比值。存在于水生生物碳酸盐（有孔虫、软体动物介壳）中的氧同位素16O和18O的丰度，与这种碳酸盐形成时期内水中的这些氧同位素的丰度有联系。这些碳酸盐中18O/160的比值，随海洋水的温度而变化，并且取决于冰川的控制。所以，测定骨骼中CaCO的18O/16O，例如，深海连续岩心中有孔虫介壳中180/16O的测定，就可以推导出过去沉积物形成时期内温度的变化或海水同位素成分的变化。这种碳酸盐中同位素的比值用质谱仪加以测定。这种比值变化是很小的，温度下降1℃，18O相对于16O增大0.02%。

用这种方法推定古气候，多进行于深海洋碳酸盐物质内。因在浅海或内海中，18O/16O比值，可能由于其他干扰而有变化。但近来在内陆水体沉积物中，也进行了测定。并获得了成就。

同位素比值曲线的解释是建立在这样的理论基础之上的，即：这种同位素含量的变化是由温度变化和冰川控制的。在第四纪冰期中，海洋水被蒸发，以降雪的形式降落于大陆表面，并转变成为冰，冰被封固于大陆冰川和冰楯。由于H16O蒸发得较H18O快，所以，海洋中的16O相对地减少，18O相对地富集；而在冰川冰中则相反，16O相对地增多，18O相对地减少。经估定，18O/16O的变化，30%是由海洋温度变化引起的，70%是受到冰川控制的。所以，18O/160曲线，即是第四纪冰川消长曲线，也是温度变化曲线。但是，作为一种冰川消长曲线，它所反映的是地球表面整个冰体总量的变化，而不是任何一个特殊地区的冰川或冰楯的变化；作为一种古气候曲线，它证明第四纪内海洋表面水温度变化为4-7.5℃。这个数值较之利用其他方法所获得的数值小。

由于沉积物中的碳酸盐可以发生次生变化，沉积物钻芯采取常常不完整，所以，这种估定第四纪古气候的方法，仍有一些困难，不能估定气候变化的细节。但这些困难正在被克服。

（六）降水量变化

第四纪降水量的证据不如温度变化那样多。一般认为，第四纪时期内，中纬带和赤道附近湖泊的水面，高于现时水面，其原因是冰期中这些地区的气候变冷，使蒸发量降低，降水有较多的累积。

第四纪冰进和冰退都伴随着降水量的变化。在冰进早期，由于北半球反气旋由北极冰楯上空向南方运动，引起中纬和高纬地区降水量增大。而后，在冰期的最冷时期，由于在反气旋内，水蒸气少，而使降水量减少。所以，在一个冰期内，降水量随着冰进和冰退而变化。但无论降水量减小或增大，中纬和低纬带内由于气温降低所引起的蒸发量减小，都会引起湖水面的升高和咸度的降低；反之，在间冰期，则会引起湖面降低，湖水咸度升高。

（七）风

在冰期，由于冰川的产生，大气环流被加剧，由冰楯上空发生的反气旋持续地影响着中纬带和高纬带的带状环流，使风力增大。广泛分布的风成砂和黄土，说明了这一点。所以，可以根据第四纪堆积物中风积物的研究，以推定大气环流，进而推定第四纪气候。

（八）第四纪气候变化的结论

上述各种证据都说明第四纪发生过剧烈的气候变化。第四纪气候变化导致大陆冰川的大规模发生和消退。冰期和间冰期的温度差为8-15℃。地质、生物、冰缘现象等不同类型的证据，都只能由其本身证明气候变化，它们之间的确切对比是困难的。陆地古气候证据与海洋古气候证据联合起来，可以详细地划分冷期和暖期。陆地古气候证据，由于常常缺失或被剥蚀作用所破坏，只能确定冰期和间冰期的大轮廓，而连续的海洋证据，则可从详细地研究冷期和暖期。