鄖縣前坊村剖面黃土—古土壤序列風(fēng)化成壤及古氣候研究①

趙艷雷 龐獎勵 黃春長 查小春 喬 晶

(陜西師范大學(xué)旅游與環(huán)境學(xué)院 西安 710119)

黃土—古土壤序列是在古氣候冷暖交替、周期性波動背景下形成的風(fēng)塵堆積—風(fēng)化成壤過程的產(chǎn)物，其良好地記錄了形成時期及其形成以來的環(huán)境變化信息［1］。其中，黃土具有陸地上連續(xù)性好、分布廣泛、物質(zhì)均一等特點(diǎn)，蘊(yùn)含著豐富的古環(huán)境信息而與極地冰芯、深海沉積物并稱為研究全球氣候變化的三大支柱，特別是中國的黃土剖面具有連續(xù)時間長，分辨率高，厚度大，直觀，研究方便等特點(diǎn)而成為研究全球變化最好的古氣候旋回代表［2，3］。秦嶺作為我國南方和北方地理、氣候、自然環(huán)境的天然分界線，被當(dāng)作是黃土高原的南屏障，在一些山間盆地，秦嶺河谷階地上常常發(fā)育著黃土—古土壤剖面，其中，完整的黃土剖面記錄著第四紀(jì)以來秦嶺大量的古氣候環(huán)境變化信息［4，5］。長期以來，人們一直認(rèn)為秦嶺阻擋了南下的西北風(fēng)，致使沙塵暴不能在其南側(cè)堆積，初期學(xué)者們對漢江上游階地上“黃土狀覆蓋層”成因存在認(rèn)識爭議［6，7］，相關(guān)學(xué)者的研究成果也主要集中在對秦嶺以北的黃土高原區(qū)和長江中下游黃土區(qū)研究［8～10］。但最新越來越多證據(jù)表明沉積物具有風(fēng)成堆積的特征［8，9］。本文研究是位于漢江上游谷地一級階地上，選取馬蘭黃土—古土壤剖面為研究對象，通過對其理化性質(zhì)的分析，試圖用第一手實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，揭示風(fēng)成沉積物在亞熱帶環(huán)境中黃土成壤改造特征，重建該地區(qū)晚更新世以來氣候環(huán)境變化規(guī)律。

1 區(qū)域背景

漢江是長江北岸第一大支流，全長1 577 km，發(fā)源于秦嶺南側(cè)，屬北亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候。漢江上游(丹江口以上)流經(jīng)漢中、安康和十堰地區(qū)，流域面積9．5×104km2，自西向東穿行于秦嶺和大巴山之間，地形以盆地與峽谷交替出現(xiàn)為特征。盆地地段，一般可見到1～4級河流階地，平坦的階地面一般堆積了較厚的風(fēng)成黃土并風(fēng)化成壤，土壤北定為黃褐土－淋溶黃褐土，其中2～4級階地由于地形變化，往往水土流失較強(qiáng)，剖面往往保存不完整。而第1級河流階地面往往地形比較寬緩，水土流失很弱，較穩(wěn)定的環(huán)境使得剖面常常能完整地保存了下來。本文選擇第一級階地上的前坊村剖面為研究對象(當(dāng)?shù)夭缮敖鹬谐雎兜臉O其完整的剖面)，剖面層序完整，發(fā)生層接觸界線清晰，自地表向下，每隔2 cm連續(xù)采樣，采至河流相的砂層，采樣深度584 cm。采樣過程中同時對剖面結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步劃分和描述，結(jié)合室內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對發(fā)生層界線進(jìn)行校正。對剖面進(jìn)行詳細(xì)土壤學(xué)、地層學(xué)和沉積學(xué)特征研究，從上而下依次可劃分為:①0～20 cm(MS)表土層，濁棕色(10YR5/6)，黏土—粉砂質(zhì)地，團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，疏松多孔，有耕作擾動現(xiàn)象;②20～96 cm(L0)全新世黃土層，亮黃棕(10YR7/6)，粉砂質(zhì)地，團(tuán)塊塊狀結(jié)構(gòu)，其頂部含有一些灰色陶片和木炭屑等，通過地層對比和考古法判斷應(yīng)為漢代文化層;③96～246 cm(S0)，濁紅棕(5YR4/4)，呈顯著的偏紅色調(diào)，有明顯的黏化特征，黏土—粉砂質(zhì)地，棱柱狀結(jié)構(gòu)，致密堅(jiān)硬，受力后形成的碎塊棱角分明，裂隙面有大量暗棕色鐵錳質(zhì)黏土膠膜沉淀，結(jié)構(gòu)內(nèi)部仍呈紅棕色，屬于黃褐土類型，上下層界線比較清晰;④246～304 cm(Lt)，濁紅棕(10YR6/4)，黏土—粉砂質(zhì)地，結(jié)構(gòu)面有少量棕色黏土膠膜;⑤308～464 cm(L1)馬蘭黃土，濁黃橙(10YR6/4)，粉砂質(zhì)地，剖面底部有碳酸鹽結(jié)核;⑥464～584 cm(AD)典型河流相沉積物，下部可見河床相沉積層，水平層理發(fā)育。

2 研究材料研究方法

顏色描述采用標(biāo)準(zhǔn)比色卡(中科院南京土壤研究所制，1989)。黃土和古土壤樣品經(jīng)風(fēng)干、剔除動植物根系后進(jìn)行酸溶實(shí)驗(yàn)，磁化率使用英國Bartington公司制造的MS-2B型磁化率儀測定。具體測量步驟如下:準(zhǔn)確稱取10 g自然風(fēng)干的土樣，在不損傷顆粒結(jié)構(gòu)的前提下粗研磨至粒徑＜2 mm以下，裝入無磁性塑料盒進(jìn)行測量，對每個樣品均進(jìn)行低頻磁化率(χlf)和高頻磁化率(χhf)的測量，低頻頻率設(shè)定為0．47 kHz，高頻頻率設(shè)定為 4．7 kHz，每個樣品連續(xù)測3次，取其平均值，測量精度為0．1。

化學(xué)元素的測定使用荷蘭PW2403 X-Ray熒光光譜儀進(jìn)行測定。分析測定之前先將樣品在室內(nèi)自然風(fēng)干，過200目篩后，再從每個樣品中稱取并磨樣品4 g，放入壓樣機(jī)(YY60)中，并在土樣上覆蓋適量硼酸壓成圓片，依次編號按放入樣杯中，實(shí)驗(yàn)過程中加入標(biāo)樣(GSS1、GSS2)進(jìn)行控制，實(shí)驗(yàn)誤差控制在5%以內(nèi)。

圖1 漢江上游谷地鄖縣前坊村剖面位置圖Fig．1 Location of the QFC profile in the upper reaches of Hanjiang River Valley，China

黃土高原全新世黃土—古土壤地層序列已有較為成熟的地層年代框架［10～12］。本文的年代問題是通過采用OSL測年得到地層年齡的絕對值，結(jié)合地層年齡對比以及考古文化層的斷代解決。OSL測年是在陜西師范大學(xué)旅游與環(huán)境學(xué)院完成，具體步驟采用采用細(xì)顆粒單片再生劑量法測定［13］。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3．1 磁化率特征及環(huán)境意義

前人的研究表明，黃土高原黃土古土壤序列中磁化率變化具有很強(qiáng)規(guī)律性，研究發(fā)現(xiàn)古土壤層較高、黃土層較低，因此磁化率被視為東亞夏季風(fēng)強(qiáng)度的替代性指標(biāo)［16～19］。前坊村剖面的低頻磁化率(χlf)和高頻磁化率(χhf)曲線變化趨勢一致，它們與黃土古土壤的交替出現(xiàn)而變化。主要表現(xiàn):馬蘭黃土(L1)堆積時期，低頻磁化率高頻磁化率值分別在61．3～103．3 和 57．3～95．3 范圍之間，平均值分別為 81．9 和76．4;古土壤(S0)磁化率值最大，低頻和高頻磁化率平均值分別為187．1和163．3，其中在138 cm處出現(xiàn)峰值，為336．2;過渡層(Lt)磁化率曲線總體變化不大，低頻和高頻磁化率平均值分別為74．9和68．6;古土壤S0的磁化率高值反映了這一時期夏季風(fēng)強(qiáng)盛，氣候溫暖、濕潤，生物的成壤作用強(qiáng)烈，鐵磁性礦物的含量較多;黃土層(L1、Lt、L0)磁化率值較低，反映了這一黃土形成時期夏季風(fēng)減弱，氣候趨于寒冷、干燥，主要以黃土沉積為主，黃土堆積速率大于成壤速率，所以鐵磁性顆粒沒有條件大量富集起來。

3．2 燒失量分析

在自然條件下，可以表征有機(jī)質(zhì)的含量多少。通過對燒失量的測定，可以用來反映沉積物有機(jī)質(zhì)含量的變化，同時反映成壤過程中氣候和環(huán)境的變化特征［20，21］。前坊村剖面的燒失量數(shù)值變化范圍 3．49%～36．57%之間，全剖面的平均含量為 15．84%，馬蘭黃土(L1)燒失量的平均值最低(8．12%)，其中在408 cm處出現(xiàn)剖面最低值(3．49%);其次為過渡層(Lt)，平均值為17．36%;全新世黃土(L0)介于兩者之間，平均值為14．06%;古土壤(S0)最高，平均值為 20．83%;這說明暖濕氣溫條件下成壤作用較強(qiáng)，地表植被發(fā)育，有機(jī)質(zhì)和結(jié)晶水在此大量積累;相反，相對干冷的氣候條件下有機(jī)質(zhì)和結(jié)晶水積累較少。從圖中整體可以看到燒失量變化曲線從下到上逐漸增加，趨勢明顯。馬蘭黃土(L1)形成時期出現(xiàn)極小值，古土壤(S0)形成時期出現(xiàn)峰值，因此，燒失量的變化規(guī)律對環(huán)境狀況和氣候特征有明顯的指示意義。

3．3 粒度三角圖

采用中國土壤粒度分類系統(tǒng)，以黏粒(＜0．005 mm)、粉砂(0．005～0．05 mm)和細(xì)砂(＞0．05 mm)含量為指標(biāo)，做出QFC剖面各層粒度成分三角圖。從圖2我們可以看出馬蘭黃土L1和古土壤S0所代表的點(diǎn)落在不同的區(qū)域內(nèi)，說明三者的粒度成分構(gòu)成明顯不同。馬蘭黃土為黏土質(zhì)粉砂土;古土壤為粉砂質(zhì)黏土。顯然，古土壤以黏土為主，粒度成分總體比黃土層細(xì)，具有較強(qiáng)的成壤改造特征。

圖2 前坊村剖面沉積物粒度三角圖Fig．2 Triangle diagram of grain-size of the deposits at QFC profile

3.4 Rb/Sr、Zr/Rb 比值變化

Rb/Sr比值具有明顯的氣候意義，在黃土—古土壤風(fēng)化序列中，Rb/Sr值可以作為衡量東亞夏季風(fēng)強(qiáng)度的代用指標(biāo)［22，23］。在風(fēng)化成壤過程中，微量元素Rb、Sr的地球化學(xué)行為有很大差異，Rb的離子半徑較大，很容易被帶負(fù)電荷的黏土礦物所吸附，較少發(fā)生遷移，只有少量以懸浮膠體的狀態(tài)隨土壤溶液或地表水向下遷移淋溶;而Sr離子半徑較小，容易遷移淋溶，Rb/Sr比值大小與風(fēng)化程度呈明顯的正相關(guān)關(guān)系［24，25］。由圖可知:在馬蘭黃土(L1)中，Rb/Sr 很低，范圍在 0．67～0．79 之間，平均值為 0．74，表明馬蘭黃土(L1)堆積時降水很少，風(fēng)化成壤和淋溶作用很弱;過渡層(Lt)中，Rb/Sr的含量明顯升高，但其增幅依然很低，平均值為0．85，表明這個時期氣候開始向暖濕方向轉(zhuǎn)變，但降水量有所增加，但增幅較低，成壤作用弱。在古土壤 S0中，Rb/Sr在 0．92～1．25 之間變化，平均值為1．07，說明此期氣候溫暖濕潤、淋溶風(fēng)化強(qiáng)烈，成壤旺盛，在104 cm處達(dá)到峰值(1．25)，但Zr/Rb表現(xiàn)為谷值(1．68)，此階段與磁化率峰值相對應(yīng)，這說明淋溶風(fēng)化在此階段最強(qiáng)烈，黏化作用最強(qiáng)烈。全新世黃土層(L0)和表土層(MS)Rb/Sr含量降低，而Zr/Rb含量升高，表明氣候趨于干冷，風(fēng)化淋溶減弱。

圖3 前坊村剖面磁化率、Rb/Sr、Zr/Rb、燒失量分布曲線Fig．3 Magnetic susceptibility，Rb/Sr，Zr/Rb and LOI frequency curves of the loess deposits in the QFC profile

4 結(jié)論

前坊村剖面中不同地層的化學(xué)指標(biāo)表現(xiàn)出明顯的差異，文章通過磁化率、粒度組成和Rb/Sr等指標(biāo)進(jìn)行探討。通過研究，得出以下幾點(diǎn)認(rèn)識:

(1)晚更新世以來沙塵暴極有可能在秦嶺南側(cè)堆積下來，保存了較為完整地晚更新世以來的地層單元結(jié)構(gòu)，全新世黃土—古土壤序列從上到下依次為:MS－L0－S0－Lt－L1－AD，剖面風(fēng)化成壤強(qiáng)度的變化:古土壤S0＞全新世黃土L0＞過渡層L t＞馬蘭黃土L1。

(2)前坊村剖面中，理化性質(zhì)在不同地層單元有顯著差異。例如磁化率、燒失量、Rb/Sr指標(biāo)平均含量的高值出現(xiàn)在古土壤層中，低值出現(xiàn)在黃土層;而Zr/Rb含量變化正好相反;這些理化性質(zhì)表明，在古土壤發(fā)育期，水熱條件進(jìn)入最適宜期，沉積物的風(fēng)化成壤作用顯著;在黃土堆積期，氣候寒冷干燥，主要以粉塵堆積為主，沉積物的風(fēng)化成壤作用較弱。

(3)秦嶺南側(cè)北亞熱帶漢江上游前坊村一級階地剖面化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度變化揭示了黃土—古土壤環(huán)境氣候變化的規(guī)律:末次冰期以來(大約18．0～11．5 ka B．P．)，氣候干冷，沙塵暴頻繁出現(xiàn)，沉積物以黃土堆積為主，成壤作用微弱，形成馬蘭黃土(L1);全新世早期(約 11．5～8．5 ka B．P．)，氣候由干冷向暖濕方向轉(zhuǎn)變，但主要以干冷為主，形成過渡層(Lt);在全新世大暖期(8．5～3．1 ka B．P．)，氣候條件達(dá)到最優(yōu)階段，水熱配合較好，生物活動活躍，成壤作用十分顯著，發(fā)育了古土壤 S0;到了全新世晚期以來(3．1 ka B．P．)氣候又由暖濕向干冷方向轉(zhuǎn)變，成壤作用明顯減弱，沙塵暴出現(xiàn)較為頻繁，形成了以黃土堆積為主的全新世黃土(L0)?，F(xiàn)代表土層(MS)是在(1．5 ka B．P．)以來氣候轉(zhuǎn)暖，加之人類長期農(nóng)業(yè)耕作擾動，在全新世黃土L0頂部疊加而形成的。

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