湖北鄖縣黃坪村剖面記錄的全新世成壤特征及氣候演變

李欣+龐獎(jiǎng)勵(lì)+黃春長(zhǎng)+周亞利+鄭樹偉

摘要：本研究對(duì)湖北鄖縣盆地內(nèi)黃坪村（HPC）剖面的剖面構(gòu)型、年齡框架以及剖面各地層單元的磁化率、粒度、微形態(tài)、燒失量、Rb/Sr指標(biāo)進(jìn)行分析比對(duì)。結(jié)果表明，HPC剖面具有TS-L0-S0-Lt-L1的剖面構(gòu)型。各地層經(jīng)歷的風(fēng)化成壤強(qiáng)度不同，其成壤強(qiáng)度排序?yàn)椋汗磐寥繱0>過渡層Lt>全新世黃土L0>馬蘭黃土L1。剖面記錄了鄖縣盆地全新世氣候的演變過程：11500～8500aB.P.氣候回暖；8500～3100aB.P.氣候溫暖濕潤(rùn)；3100aB.P.至今，氣候惡化以干涼為主要特征。

關(guān)鍵詞：黃土-古土壤序列；成壤；全新世；環(huán)境變化；漢江上游地區(qū)

中圖分類號(hào)：S151+.3（263）文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：A文章編號(hào)：1001-4942（2015）04-0088-07

全新世是人類進(jìn)入文明社會(huì)的重要時(shí)期，這一時(shí)期的氣候變遷與社會(huì)發(fā)展、科學(xué)進(jìn)步有著密切的關(guān)系，因此深入理解全新世環(huán)境變化具有重要意義。漢江上游地區(qū)位于南北方過渡帶，北亞熱帶北緣，屬于全球氣候變化的敏感帶，該區(qū)域的氣候演變研究對(duì)完善全球氣候變化具有不可替代的作用。目前對(duì)該區(qū)域的古氣候研究多集中于氣象要素的短尺度記錄以及歷史文獻(xiàn)災(zāi)害事件的整理[1～4]，或以石筍、樹木年輪、湖盆泥炭及孢粉為研究介質(zhì)記錄氣候變化[5～9]，少有以黃土為研究介質(zhì)的報(bào)道。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在我國(guó)黃土高原、長(zhǎng)江中下游等地區(qū)均發(fā)現(xiàn)黃土存在，并將黃土高原的南界定為秦嶺的北麓，對(duì)黃土的研究也主要集中于黃土高原地區(qū)[10～12]。風(fēng)成黃土在秦嶺南側(cè)亞熱帶環(huán)境下的堆積特征、成壤改造特征及其蘊(yùn)含環(huán)境信息等方面的研究仍是個(gè)空白。經(jīng)野外調(diào)查及進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，秦嶺以南的漢江上游階地上分布著大量“黃土狀物質(zhì)”，這些“黃土狀物質(zhì)”具有典型的風(fēng)塵堆積物的特征，且與黃土高原全新世黃土——古土壤地層結(jié)構(gòu)相同[13～16]，但這些風(fēng)成黃土在秦嶺側(cè)亞熱帶環(huán)境下的堆積特征、成壤改造特征及其蘊(yùn)含環(huán)境信息仍需進(jìn)一步探究。因此，本研究以漢江上游鄖縣盆地黃坪村（HPC）剖面為依托，利用地層對(duì)比建立年代序列框架，結(jié)合黃土古土壤的組成特征、風(fēng)化特征綜合分析其成壤特征，以部面的成壤特征為指導(dǎo)，解譯秦嶺以南的北亞熱帶地區(qū)環(huán)境演變信息。

收稿日期：2014-11-26

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41271108；41030637；41371029）；中央高?；究蒲匈M(fèi)（CK201301003）

1材料與方法

1.1研究區(qū)域概況

鄖縣盆地位于湖北省四北部，北依秦嶺，南屏大巴山，漢江自西向東橫穿全境。屬于北亞熱帶季風(fēng)氣候，氣候溫和濕潤(rùn)，年均氣溫15.8℃，年積溫約4800～5000℃。氣溫年較差為25.2℃，無霜期244天，年均降水量約為830mm，年均日照總時(shí)數(shù)為2000h。自然植被以過渡類型的常綠闊葉與落葉闊葉混交林為主。區(qū)域內(nèi)主要分布有黃褐土和黃棕壤。盆地內(nèi)地勢(shì)平緩，高差小于100m。漢江兩岸可見1～4級(jí)河流階地，其中2～4級(jí)階地地勢(shì)起伏大，風(fēng)塵沉積物不易保存，而一級(jí)階地發(fā)育完整且地勢(shì)平坦寬闊，有利于風(fēng)塵堆積物的保存。

1.2研究材料

在鄖縣—鄖西段漢江兩岸進(jìn)行了詳細(xì)的野外考察，最終選取鄖縣黃坪村（HPC）剖面（32°50'20"N，110°44'27"E）（見圖1）進(jìn)行深入細(xì)致的研究。該剖面天然出露于漢江上游一級(jí)階地的前沿，為上覆于漢江上游谷地一級(jí)階地之上的厚層風(fēng)塵沉積物剖面，其下部河流相沉積物清晰可見。剖面所在的漢江上游第一級(jí)階地面寬約1000m，起伏平緩，寬緩的階地面能夠使上覆風(fēng)塵沉積物剖面很好地保存下來，較少受到坡積物及水土流失作用的影響。剖面頂部雖受人為耕作活動(dòng)影響，但對(duì)整個(gè)剖面沒有顯著影響，保證了主體的完整性。

1.3研究方法

從剖面頂部向下每隔5cm連續(xù)采樣，共獲得136個(gè)樣品。樣品在實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干后，進(jìn)行磁化率、粒度、微形態(tài)、燒失量、Rh/Sr分析。磁化率是將風(fēng)干土樣研磨至<2mm的均勻顆粒，準(zhǔn)確稱取10g裝入無磁性塑料盒中，用英國(guó)Bartington公司生產(chǎn)的MS-2B型磁化率儀測(cè)量；粒度測(cè)量先稱取0.8g樣品，用H2O2和HCl去除有機(jī)質(zhì)和碳酸鹽，加水清洗后靜置72h后加入適量分散劑（六偏磷酸鈉），再由美國(guó)Beckman公司生產(chǎn)的LS13320型激光粒度儀測(cè)得；土壤微形態(tài)特征使用Leica-DMRX顯微鏡觀察；燒失量測(cè)定采用燃燒失重法測(cè)量；元素測(cè)定，將自然風(fēng)干樣品研磨200目以下并壓成圓片，采用荷蘭Panalytical公司生產(chǎn)的X-Ray熒光光譜儀（PW2403）測(cè)定。

2結(jié)果與分析

2.1地層結(jié)構(gòu)與年代框架

綜合分析剖面的質(zhì)地、顏色變化及磁化率等特征，可將HPC剖面劃分出5層（表1），再與已研究的LWD（遼瓦店）剖面和TSG剖面進(jìn)行對(duì)比（表1，圖2）發(fā)現(xiàn)，漢江上游鄖縣段河流一級(jí)階地上的黃土剖面具有統(tǒng)一的構(gòu)型，并與渭河谷地地層序列相同，剖面從上到下依次可劃分為：表土層（TS）—全新世黃土層（L0）—古土壤層（S0）—過渡性黃土層（Lt）—馬蘭黃土層（L1）。

HPC剖面與LWD剖面（32°47'11"E，110°42'14"）[5]直線距離小于10km，選取地點(diǎn)皆為平坦寬闊的漢江上游鄖縣段河流一級(jí)階地面上，所處的地理環(huán)境相同。兩剖面皆為厚層的風(fēng)成黃土，均可劃分出5個(gè)地層，且各地層的顏色、質(zhì)地、結(jié)構(gòu)等特征相似（表1），說明兩剖面具有良好可比性。岡此本研究將以LWD已知的釋光（OSL）測(cè)年數(shù)據(jù)作為絕對(duì)測(cè)年參照標(biāo)尺（如圖2），結(jié)合地層對(duì)比的方式確定HPC剖面地層的年代序列框架。河流階地上覆蓋的連續(xù)沉積物可記錄階地形成后穩(wěn)定時(shí)期的氣候變化信息，沉積物的底界年齡就是階地形成的最小年齡，漢江一級(jí)階地形成時(shí)問為晚更新世[17]，所研究的厚層黃土直接覆蓋在階地之上，由此可判斷剖面底界的年齡不早于晚更新世。LWD測(cè)年數(shù)據(jù)顯示，古土壤S0頂部的年齡在3050aB.P.，在古土壤S0頂部見有灰色陶屑片（周代），這指示古土壤S0頂界年齡在3100aB.P.附近，而在HPC黃家坪等剖面的L0底部也發(fā)現(xiàn)有類似的周代灰色陶屑片[18]，這些文化遺跡指示的地層年齡（3100aB.P.）和OSL年齡的分布范圍十分吻合，這個(gè)年齡數(shù)據(jù)也與渭河谷地古土壤S0的年齡頂界（3100aB.P.）[19，20]一致?；谏鲜隼碛?，將古土壤S0的上界年齡定為3100aB.P.，LWD剖面的古土壤S0底部年齡為8770aB.P.，這個(gè)年齡與渭河谷地古土壤S0底界年齡（8500aB.P.）[19，20]也一致，HPC與LWD可良好比對(duì)，故將HPC古土壤S0的下界年齡定為8500aB.P.。LWD的釋光L1年齡12980aB.P.，該年齡渭河谷地的L1頂界年齡11500aB.P.接近[10，12]。因此，可將HPC剖面的L1頂界年齡界定為11500aB.P.。endprint

2.2HPC剖面理化性質(zhì)

2.2.1磁化率磁化率是反映沉積物中鐵磁性礦物含量的指標(biāo)，可用于評(píng)估沉積物的風(fēng)化成壤強(qiáng)度[21]，它的變化與受夏季季風(fēng)控制的降水量變化密切相關(guān)[22]。HPC剖面低頻磁化率值在（45.80～270.20）×10-8m3/kg之間。磁化率變化曲線與地層層序變化吻合（見圖5）。古土壤層S0磁化率最高，均值為224.93×10-8m3/kg，馬蘭黃土L1最低，均值為58.27×10-8m3/kg。近代黃土層L0以及過渡層Lt的磁化率值介于古土壤和馬蘭黃土之間。

2.2.2粒度HPC剖面是以粗粉砂為眾數(shù)粒級(jí)（含量為44.57%），其后依次為粘粒（含量為22.29%）、細(xì)粉砂（含量為15.26%）、砂粒（含量為17.88%）。粒度數(shù)據(jù)顯示（圖3，圖5），剖面各粒級(jí)隨深度的變化與其磁化率曲線有良好的對(duì)應(yīng)，其分異特征與野外觀測(cè)的地層質(zhì)地吻合。粘粒含量常作為反映風(fēng)塵沉積物沉積后受到成壤改造強(qiáng)度的指標(biāo)[23]。HPC粘粒（<5μm）在古土壤S0層最為豐富，平均含量達(dá)32.39%，顯著高于黃土層（L0、Lt、L1）粘粒含量的均值21.67%、26.90%、14.94%、細(xì)粉砂（5～10μm）具有與粘粒相似的變化趨勢(shì)。粗粉砂（10～50μm）是風(fēng)力搬運(yùn)的基本組分，易被風(fēng)力作用吹揚(yáng)在大氣中或者被長(zhǎng)距離搬運(yùn)，因此常被用作西北季風(fēng)強(qiáng)弱的替代指標(biāo)[24]。剖面中粗粉砂變化趨勢(shì)與粘粒變化趨勢(shì)相反，在黃土層呈現(xiàn)高值，古土壤層呈現(xiàn)低值。

kd值（粘粒/粉砂）反映了土壤粘化程度，古土壤層S0的Kd值最高，為0.54，大于上部全新世黃土L0（0.36）和下部馬蘭黃土L1（0.25）。在粒度頻率曲線上（圖4）馬蘭黃士層L1分布頻率曲線峰態(tài)尖窄，峰值落在粗粉砂區(qū)間內(nèi)，整體粒度偏粗，以粗粉砂為主；古土壤S0的分布頻率曲線峰態(tài)寬平，整體比黃土分布曲線明顯偏細(xì)，且粘粒區(qū)間的數(shù)值明顯高于黃土層；全新世黃土L0與馬蘭黃土層L1曲線形態(tài)相似，但整體略微左偏，在粘粒、粗粉砂區(qū)段數(shù)值均高于馬蘭黃土L1。

2.2.3燒失量燒失量主要反映土壤有機(jī)質(zhì)含量，它與土壤的植被覆蓋度及成壤過程當(dāng)中生物活動(dòng)強(qiáng)度的變化有關(guān)，對(duì)環(huán)境變化也具有指示意義[25～26]。由表2看出，剖面燒失量平均值范圍為25.17～35.49g/kg，古土壤層S0的燒失量在變化曲線上（圖5）呈現(xiàn)出峰值，該層燒失量平均值為32.92g/kg，高于黃土層Lt（26.66g/kg）。馬蘭黃土L1燒失量含量最少，為25.17g/kg。

2.2.4Rb/Sr，硅鋁系數(shù)，淋溶系數(shù)，殘積指數(shù)在風(fēng)化成壤過程中，Rb+和Sr2+具有不同的地球化學(xué)特征，Rb+易被粘土礦物吸附而保留在原地，而Sr2+較容易以游離態(tài)的形式（主要以碳酸鹽形式）隨土壤溶液或地表水遷移出地層，因此，Rb/Sr值大小與風(fēng)化程度呈明顯的正相關(guān)關(guān)系，可以作為衡量成壤強(qiáng)度的指標(biāo)[27～29]。HPC剖面的Rb/Sr值在古土壤層S0平均為1.15，全新世黃土層L0為1.04，而在馬蘭黃土層L1為0.86，過渡層LtRb/Sr值則介于S0和L1之間，均值為1.07。

為了進(jìn)一步比較各地層單元的成壤程度，計(jì)算了反映土壤中Ca2+、Na+、K+鹽基受淋洗的程度風(fēng)化淋溶系數(shù)和殘積指數(shù)以及常用于反映熱帶、亞熱帶土壤脫硅富鋁化程度的硅鋁系數(shù)。結(jié)果表明（見表2），S0層硅鋁系數(shù)均值為4.22，小于黃土層L0、Lt、L1（4.27，4.25，4.39）。淋溶系數(shù)與硅鋁系數(shù)相同，具體表現(xiàn)為S0

3討論

3.1成壤強(qiáng)度變化規(guī)律

按照傳統(tǒng)土壤發(fā)生學(xué)的觀點(diǎn)，土壤的形成是以各類成土母質(zhì)為基礎(chǔ)，受表生環(huán)境的影響不斷向下發(fā)展并產(chǎn)生一定發(fā)生層，由于成壤過程中很少有外來物質(zhì)加入，成壤強(qiáng)度是呈“V”型連續(xù)向下楔入的。然而，HPC剖面與一般土壤剖面不同，呈現(xiàn)出向上下兩方向發(fā)展的趨勢(shì)，其形成伴隨著沉積作用，之所以會(huì)形成性質(zhì)不同的黃土層（L0，Lt，L1）與古土壤層S0，是因?yàn)轱L(fēng)塵沉積作用與成壤改造交替演化的結(jié)果。

一般而言，土壤形態(tài)特征反映了成土作用下成士母質(zhì)發(fā)生的累積變化。根據(jù)土壤形態(tài)特征，如土層厚度、土壤顏色、質(zhì)地、粘粒膠膜、結(jié)構(gòu)性等，能夠迅速地推斷土壤發(fā)育的強(qiáng)弱[30]。為了得到更有利的成壤證據(jù)，這里結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)各層土壤發(fā)育強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)價(jià)。馬蘭黃土L1（310～？cm）在剖面中色澤最淺，呈典型的濁橙黃色，以均質(zhì)粉砂質(zhì)疏松多孔為特征，該層土壤結(jié)構(gòu)發(fā)育較弱，以不規(guī)則的塊狀結(jié)構(gòu)為主，結(jié)構(gòu)面上發(fā)現(xiàn)稀少的粘土膠膜，受力后極易破碎，結(jié)構(gòu)體內(nèi)呈現(xiàn)明顯的黃色，磁化率、粘粒含量、燒失量、Rb/Sr、殘積指數(shù)等指標(biāo)在剖面中均呈最低值，而且各指標(biāo)變化平穩(wěn)，無明顯的波動(dòng)，該層缺少淀積粘土，粘粒未發(fā)生淋移，說明馬蘭黃土L1仍保持了物質(zhì)均一的特性，沒有經(jīng)歷明顯的物質(zhì)分異過程，總體受到的風(fēng)化改造較弱，且在HPC剖面中的風(fēng)化程度最低。因此，可將馬蘭黃土L1的成壤特征作為評(píng)估全新世剖面的風(fēng)化成壤強(qiáng)度的背景。

與馬蘭黃土L1相比，過渡層Lt（270～310cm）顏色明顯偏暗偏紅，并形成較致密似棱柱狀結(jié)構(gòu)，土壤裂隙面附著少量暗棕色粘土膠膜，磁化率、燒失量、粘粒含量、Rb/Sr變化曲線呈同步增加趨勢(shì)，相比L1來講，殘積指數(shù)增加淋溶系數(shù)減小，說明該層土壤受到了一定的風(fēng)化改造作用，其成壤強(qiáng)度明顯強(qiáng)于馬蘭黃土L1，但從粗顆粒（<10μm）較多且少有土壤形成物（粘土礦物、鐵錳質(zhì)）的微形態(tài)特征中可以看出Lt仍保持了風(fēng)積物的主要特征。

古土壤S0（100～270cm）在剖面中顏色最暗且偏紅，為暗棕色，以粘土-粉砂質(zhì)地堅(jiān)硬致密為特征，發(fā)育成典型的棱柱狀結(jié)構(gòu)（1～2cm），結(jié)構(gòu)面被亮紅棕色的鐵錳質(zhì)粘粒膠膜包裹，受力后形成堅(jiān)硬致密的碎塊，結(jié)構(gòu)體內(nèi)部亦被鐵質(zhì)浸染成紅棕色。微結(jié)構(gòu)顯示古土壤中淀積粘土占優(yōu)勢(shì)，并發(fā)育大量粘粒膠膜和鐵錳凝團(tuán)，二者的出現(xiàn)是粘粒發(fā)生強(qiáng)烈機(jī)械移動(dòng)和淀積的標(biāo)志，也是鐵錳質(zhì)開始淋移的標(biāo)志，指示了較強(qiáng)烈的成壤作用。古土壤層S0的磁化率、燒失量、Rb/Sr、淋溶系數(shù)在該層均達(dá)到最高值，各指標(biāo)波動(dòng)較大，并呈現(xiàn)不對(duì)稱的峰狀，表明古土壤S0經(jīng)歷明顯的物質(zhì)分異過程，受到強(qiáng)烈的風(fēng)化成壤改造，且在整個(gè)剖面中成壤強(qiáng)度最強(qiáng)。一般而言，黃褐土以質(zhì)地粘匝（粘壤土至粘土）和土層緊實(shí)、粘化作用明顯、光性定向粘土較多、碳酸鈣強(qiáng)烈淋失和較弱的鐵錳淋淀作用為主要特征[31]。而S0的頻率曲線在粘粒區(qū)段明顯抬升（圖4），粘粒含量超過30%，分別是L0、L1的1.49倍和2.16倍，Kd值高達(dá)0.54，說明該層的粘粒明顯聚集具有較高的粘化程度。碳酸鈣含量<1g/kg、微形態(tài)顯示該土層中未形成明顯的鐵質(zhì)獨(dú)立礦物，指示S0具有碳酸鈣強(qiáng)烈淋失和Fe質(zhì)弱淋移的特點(diǎn)。古土壤S0與黃褐土的特征相符，說明S0受到的成壤改造程度與黃褐土相同。

現(xiàn)代黃土L0（50～100cm）的宏觀特征與馬蘭黃土相似，顏色與L1相近，呈濁黃橙色，明顯區(qū)別于古土壤S0。以粉砂質(zhì)均質(zhì)塊狀結(jié)構(gòu)為特征，土壤結(jié)構(gòu)比古土壤S0松散但比馬蘭黃土緊實(shí)，具有較多細(xì)小的孔隙和植物細(xì)根，較少發(fā)育粘土膠膜，以殘積粘土為主。磁化率、燒失量、粘粒、Rb/sr、硅鋁率、淋溶系數(shù)及殘積指數(shù)的平均值處于S0與L1之間，說明現(xiàn)代黃土L0受到的成壤改造強(qiáng)度明顯弱于古土壤S0但略強(qiáng)于馬蘭黃土L1。

綜上所述，HPC各層次成壤強(qiáng)度排序?yàn)椋⊿0>Lt>L0

3.2氣候變化過程重建

土壤是在一定的自然條件下形成的，通過土壤特征可以反演一定時(shí)間和空間范圍內(nèi)環(huán)境的演變過程。綜合分析黃土—古土壤序列和氣候替代指標(biāo)不難發(fā)現(xiàn)HPC剖面共記錄了4個(gè)氣候變化階段：

（1）晚更新世末期（11500aB.P.）形成較厚且成壤微弱的L1，說明晚更新世末期氣候干旱寒冷，風(fēng)沙活動(dòng)盛行，沙塵暴強(qiáng)烈，粉塵堆積作用加大，減緩了成壤過程，L1微弱成壤，表明該時(shí)期干旱寒冷的氣候條件，使堆積的粉塵幾乎沒有經(jīng)歷淋溶和粘化作用，難以發(fā)生顯著的成壤作用。（2）全新世早期（11500～8500aB.P.）形成具有一定成壤特征的過渡黃土Lt，說明末次冰期結(jié)束后氣候開始向暖濕方向轉(zhuǎn)變，風(fēng)塵沉積物減少，從Lt的成壤特征可以看出，此時(shí)地表風(fēng)化作用仍較弱，成壤作用不顯著。（3）全新世中期（8500～3100aB.P.）成壤強(qiáng)度相當(dāng)于黃褐土的S0，說明沙暴活動(dòng)減弱，風(fēng)塵沉積作用減弱，強(qiáng)烈的成壤改造已經(jīng)成為主導(dǎo)作用，典型的棱柱狀結(jié)構(gòu)、強(qiáng)烈發(fā)育的鐵質(zhì)粘土膠膜、較高的和Rh/Sr值以及較低的淋溶系數(shù)指示土壤經(jīng)歷了強(qiáng)烈的淋溶和淀積作用，說明這一時(shí)期的鄖縣盆地降水充沛。而該層多植物根系和蟲孔，磁化率、燒失量顯著升高，反映氣溫增高，植被繁茂，生物作用加劇，地表風(fēng)化作用增強(qiáng)的環(huán)境特征。結(jié)合上述風(fēng)化成壤程度，說明全新世中期氣候非常溫暖濕潤(rùn)。（4）全新世晚期（3100aB.P.至今），古土壤S0停止發(fā)育，并出現(xiàn)顯著的風(fēng)塵堆積，形成黃土層L0。從S0與L0之間明顯的界限和二者成壤差異可以看出，全新世大暖期以后氣候格局突變。土壤粗顆粒增多，粘粒膠膜顯著減少，磁化率和Rb/Sr恢復(fù)低值，進(jìn)一步說明這一時(shí)期環(huán)境惡化，氣溫和降水量下降，成為相對(duì)干旱的時(shí)期。

4結(jié)論

HPC剖面具有TS-L0-S0-Lt-L1的剖面構(gòu)型。各層位的成壤強(qiáng)度不一，其成壤強(qiáng)度排序?yàn)椋汗磐寥繱0>過渡層Lt>全新世黃土L0>馬蘭黃土L1。HPC剖面各地層的成壤差異反映了鄖縣地區(qū)在全新世時(shí)期主要經(jīng)歷了以下幾個(gè)氣候階段：11500～8500aB.P.氣候回暖，是氣候從干冷到暖濕的過渡階段；8500～3100aB.P.是全新世最適宜期，鄖縣境內(nèi)氣候溫暖濕潤(rùn)；3100aB.P.至今，氣候系統(tǒng)變得極不穩(wěn)定且加速惡化，暖濕程度下降。