黃土高原碳酸鈣含量變化特征及氣候表征研究
——以西安和寶雞為例

宋佃星，馬 莉

(寶雞文理學(xué)院，陜西省災(zāi)害監(jiān)測與機(jī)理模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 寶雞 721013)

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·環(huán)境科學(xué)·

黃土高原碳酸鈣含量變化特征及氣候表征研究
——以西安和寶雞為例

宋佃星，馬 莉

(寶雞文理學(xué)院，陜西省災(zāi)害監(jiān)測與機(jī)理模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 寶雞 721013)

以碳酸鈣含量為指標(biāo)表征黃土高原區(qū)氣候變遷,為重建氣候變化時(shí)間序列及現(xiàn)階段解析氣候變化特征提供借鑒。對西安少陵塬剖面、寶雞市北坡塬的馬家塬剖面、西安藍(lán)田剖面黃土地層中的碳酸鈣含量運(yùn)用氣量法進(jìn)行測定。少陵塬剖面CaCO3百分含量遠(yuǎn)低于馬家塬剖面CaCO3百分含量。馬家塬剖面出現(xiàn)了最大峰值,CaCO3百分含量平均值也達(dá)到了整個(gè)剖面的最大值9.17%。說明CaCO3在L2上部是寶雞剖面的沉積多于少陵塬剖面,也可間接反映CaCO3在少陵塬淋溶沉積較寶雞剖面深。少陵塬剖面CaCO3的遷移深度(5.6m)遠(yuǎn)大于藍(lán)田剖面的CaCO3遷移深度(4.4m),反映了這一時(shí)期少陵塬較藍(lán)田雨季降水量多且持續(xù)時(shí)間長。CaCO3層淀積厚度藍(lán)田剖面比少陵塬剖面厚0.05m。少陵塬CaCO3層平均含量為12.4%,藍(lán)田CaCO3層平均含量為38.7%。將少陵塬和藍(lán)田剖面晚更新世時(shí)期末次間冰期碳酸鈣的淀積深度與現(xiàn)代土壤碳酸鈣淀積深度對比,可以得出,晚更新世間冰期年均溫在15～18℃，降水量為750～1 000mm?？傮w上看在晚更新世時(shí)期,關(guān)中平原地區(qū)降雨量自西向東呈減少趨勢。

黃土高原；碳酸鈣含量；氣候

碳酸鹽是黃土和古土壤中普遍存在的礦物,是中國黃土的主要特征之一,也是第四紀(jì)沉積物中最常見的化學(xué)成分之一。黃土堆積物中有原生碎屑和次生碳酸鹽兩種成因的碳酸鹽,并以后者為主。黃土次生碳酸化的程度主要取決于堆積區(qū)當(dāng)時(shí)的生物氣候環(huán)境。碳酸鹽的淋失程度與降雨量的多少有關(guān),所以黃土中碳酸鹽的流失程度即黃土剖面上碳酸鹽含量縱向波動是當(dāng)?shù)攸S土堆積歷史中大氣降水多少的反映。因此,前人經(jīng)過大量研究將碳酸鹽作為土壤地層劃分的重要標(biāo)志和主要?dú)夂虼弥笜?biāo)[1-7]。一般研究者在有關(guān)黃土中的碳酸鹽含量來反映古氣候環(huán)境的研究時(shí),都認(rèn)同黃土碳酸鹽來源和堆積相對穩(wěn)定的條件下,溫暖氣候階段古土壤層中碳酸鹽含量低;干冷氣候階段黃土中碳酸鹽含量高[8-11]。但是陳忠、趙景波等研究證明了黃土-古土壤剖面碳酸鹽含量不是簡單的黃土層含量高,古土壤層含量低,古土壤中碳酸鹽受到強(qiáng)烈的風(fēng)化淋溶作用而淋失,但其在下伏的風(fēng)化黃土層中淀積下來,形成CaCO3淀積層,實(shí)際上在古土壤形成期碳酸鹽的含量高于黃土層[12-14]。因此,本文選取CaCO3作為研究指標(biāo)之一,試圖用來反映黃土高原南部晚更新世時(shí)期的降水量及氣溫的變化。

1 研究區(qū)自然地理概況

關(guān)中平原位于秦嶺北麓,屬于黃土高原的南部,氣候?qū)儆谂瘻貛О霛駶櫞箨懶约撅L(fēng)氣候,溫暖濕潤,水、熱、光較豐富,四季干濕分明。平均氣溫12～14℃，年降水量在500～900mm之間。褐土作為地帶性土壤廣泛發(fā)育。藍(lán)田屬于渭河地塹盆地的中段。渭河谷地的全新世地層常分布于河流的一級階地與河漫灘、 河床之中,有時(shí)則充填于沖溝之中。還有二級以至五級階地和塬上的黃土地層表面常有全新世的黑壚土及其上的薄層黃土。

2 材料與方法

2.1 采樣點(diǎn)的布設(shè)與試驗(yàn)方法

選取黃土高原古土壤發(fā)育較好地區(qū),西安少陵塬剖面、寶雞市北坡塬的馬家塬剖面、西安藍(lán)田剖面3個(gè)地點(diǎn)為采樣點(diǎn)。研究剖面地層穩(wěn)定,發(fā)育連續(xù)完整,保存良好,具有典型性。少陵塬剖面從上往下,全新世代表的L0和S0層黃土,每間隔10cm采取樣品,分別采樣13和8個(gè)。晚更新世代表的L1和S1層黃土和L2中碳酸鈣結(jié)核層上部,每間隔5cm間距采取樣品,分別采樣135個(gè)、54個(gè)和47個(gè), CaCO3層采樣4個(gè),CaCO3層向下采樣5個(gè)。共采樣266個(gè)。馬家塬剖面從上往下,晚更新世代表的L1，S1層黃土和L2中碳酸鈣結(jié)核層下部,每間隔20cm間距采取樣品,采樣45個(gè)。藍(lán)田剖面采樣從S1層至風(fēng)化淋濾黃土層次下部的CaCO3結(jié)核淀積層,剖面共深4.45cm,每隔10cm間距采取樣品,共采樣44個(gè)。每個(gè)樣品采集250g左右。

采用氣量法測定土壤中CaCO3含量[15]，其中CaCO3含量的計(jì)算公式為:

W=100×[m2×(v1-v3)]/[m1×(v2-v3)]。

(1)

W:土壤中CaCO3含量(%);m1:待測土樣的質(zhì)量;m2:CaCO3的質(zhì)量;v1:土樣產(chǎn)生CO2氣體的體積;v2:CaCO3反應(yīng)產(chǎn)生CO2氣體的體積;v3:CaCO3滴定管中初始刻度(空白產(chǎn)生的體積也可能是負(fù)值)。

2.2 剖面地層劃分

根據(jù)地層學(xué)和土壤學(xué)特征將各剖面土層劃分為:第一層黃土(L0);第二層古土壤(S0);第三層黃土(L1-L01);第四層弱古土壤(L1-S01);第五層黃土(L1-L02);第六層古土壤(S1);第七層黃土(L2)

3 討 論

3.1 西安少陵塬剖面CaCO3含量變化

少陵塬整個(gè)剖面CaCO3含量變化范圍是0.002%～17.98%,平均值為5.23%,自上而下含量變化明顯。其各層特征分別為L0平均值為2.55%,分布范圍0.13%～5.73%;S0平均值為0.69%,分布范圍0.072%～4.38%;L1平均值為9.12%,分布范圍0.4%～17.98%;其中,L1-L01平均值為11.33%,分布范圍4.89%～17.98%;L1-S01平均值為6.20%,分布范圍1.49%～10.56%;L1-L02平均值為9.13%,分布范圍0.82%～15.95%;S1平均值為0.7%,分布范圍0.02%～3.35%;L2平均值為1.15%,分布范圍0.002%～13.92%。

從平均值來看,CaCO3在整個(gè)剖面的分布總體上是黃土層大于古土壤層,依次是L1>L0>L2>S1;L1中CaCO3百分含量分布也是L1-L01>L1-L02>L1-S01。

3.2 寶雞馬家塬剖面CaCO3含量變化

寶雞馬家塬整個(gè)剖面CaCO3含量變化范圍是0.05%～19.56%,平均值為7.69%,自上而下含量變化明顯。其各層特征分別為L1平均值為8.58%,分布范圍1.81%～13.12%;其中,L1-L01平均值為8.33%,分布范圍7.04%～9.41%;L1-S01平均值為6.80%,分布范圍1.81%～11.74%;L1-L02平均值為9.90%,分布范圍4.59%～13.12%;S1平均值為0.91%,分布范圍0.48%～1.34%;L2平均值為9.17%,分布范圍0.05%～19.56%。

從平均值來看,CaCO3在整個(gè)剖面的分布總體上是黃土層大于古土壤層,依次是L2>L1>S1;L1中CaCO3含量分布也是L1-L02>L1-L01>L1-S01。

3.3 西安藍(lán)田剖面CaCO3含量變化

西安藍(lán)田剖面整個(gè)剖面CaCO3含量變化范圍是0 %～68.3%,平均值為5.33%,自上而下含量變化明顯。其各層特征分別為S1古土壤層平均值為0.06%,分布范圍0%～0.32%;L2平均值為9.33%,分布范圍0%～68.3%,S1古土壤層比L2黃土層CaCO3含量少9.27%。

3.4 少陵塬和馬家塬剖面CaCO3含量對比

西安少陵塬和寶雞馬家塬剖面的CaCO3百分含量呈波動變化,但總體上看變化范圍不超過20%。根據(jù)CaCO3百分含量曲線的變化可分為4個(gè)階段的波動變化,CaCO3百分含量變化分界線與黃土與古土壤層的分界線基本一致,且都是黃土層L1和L2的碳酸鈣含量遠(yuǎn)高于古土壤層的S1含量。

黃土層L1-L01層CaCO3百分含量呈下降趨勢, 就總體平均含量來看, 少陵塬剖面大于寶雞剖面。 但是， 寶雞剖面的曲線變化比較平緩, 少陵塬剖面曲線的斜率較大, 說明寶雞馬家塬剖面CaCO3百分含量較西安少陵塬CaCO3百分含量均勻。L1-S01弱古土壤層CaCO3百分含量總體上小于黃土層L1-L01層,少陵塬剖面CaCO3百分含量與寶雞剖面CaCO3百分含量的平均值相當(dāng)。不同的是少陵塬剖面CaCO3百分含量先下降后上升,而寶雞剖面CaCO3百分含量先上升后下降。并且L1-L02黃土層寶雞剖面CaCO3百分含量遠(yuǎn)高于L1-S01弱古土壤層,變化曲線且呈倒“U”型,總體上處于一個(gè)高平穩(wěn)狀態(tài)。少陵塬剖面CaCO3平均含量為9.13%,小于寶雞剖面CaCO3平均含量9.90%,但是相差不大。S1古土壤層CaCO3百分含量總體上小于1%,且曲線波動不大,幾乎與x軸平行,處于一個(gè)低平穩(wěn)狀態(tài)。L2黃土層CaCO3百分含量總體上是隨著剖面深度的加深呈上升趨勢。CaCO3百分含量是L2黃土層遠(yuǎn)大于S1古土壤層。少陵塬剖面CaCO3百分含量曲線呈持續(xù)上升,而寶雞剖面是先上升后下降。就平均值來看,少陵塬剖面CaCO3百分含量遠(yuǎn)低于寶雞剖面CaCO3百分含量。寶雞剖面出現(xiàn)了最大峰值,CaCO3百分含量平均值也達(dá)到了整個(gè)剖面的最大值9.17%。說明CaCO3在L2上部是寶雞剖面的沉積多于少陵塬剖面,也可間接反映CaCO3在少陵塬淋溶沉積較寶雞剖面深。

3.5 少陵塬和藍(lán)田剖面CaCO3含量對比

選取西安少陵塬剖面和藍(lán)田兩個(gè)剖面相對應(yīng)的黃土地層進(jìn)行比較分析。圖1所示,少陵塬末次間冰期發(fā)育的土壤S1層CaCO3含量很低,平均值為0.7%,分布范圍為0.02%～3.35%,風(fēng)化淋濾的黃土層L2層的上部CaCO3平均含量為0.03%,分布范圍為0.002%～0.1%,碳酸鈣結(jié)核層含量達(dá)5.3%,最大值為9.8%;碳酸鈣結(jié)核層以下CaCO3平均含量為12.4%。藍(lán)田末次間冰期發(fā)育的土壤S1層CaCO3含量平均值為0.06%,分布范圍為0%～0.32%,風(fēng)化淋濾的黃土層L2層的上部CaCO3平均含量為5.3%,分布范圍為0%～59.6%,碳酸鈣結(jié)核層含量達(dá)36.7%,最大值為68.3%。少陵塬剖面和藍(lán)田剖面的S1古土壤層和L2黃土層剖面厚度相差較大,CaCO3淀積深度相差較大。少陵塬剖面比藍(lán)田剖面厚1.2m。

圖1 少陵塬剖面和藍(lán)田剖面CaCO3含量對比分析圖Fig.1 Calcium carbonate content of Comparative analysis about ShaoLing plateau and Majia plateau

土壤中CaCO3淀積深度變化可以作為衡量氣候濕潤程度的指標(biāo)[13]。CaCO3淀積深度為從古土壤頂部到CaCO3結(jié)核層底部之間的垂直距離,這一深度是CaCO3遷移的最大距離[14]。少陵塬剖面CaCO3淀積深度為5.6m,藍(lán)田剖面CaCO3淀積深度為4.4m。少陵塬剖面CaCO3的遷移深度遠(yuǎn)大于藍(lán)田剖面的CaCO3遷移深度,反映了這一時(shí)期少陵塬較藍(lán)田雨季降水量多且持續(xù)時(shí)間長。CaCO3層淀積厚度藍(lán)田剖面比少陵塬剖面厚0.05m。少陵塬剖面和藍(lán)田剖面CaCO3百分含量曲線變化浮動不大。CaCO3層含量變化波動大,少陵塬CaCO3層平均含量為12.4%,藍(lán)田CaCO3層平均含量為38.7%。可見,現(xiàn)代土壤的CaCO3淀積深度隨著年均溫和年均降水量的變化呈增加趨勢。將少陵塬和藍(lán)田剖面晚更新世時(shí)期末次間冰期碳酸鈣的淀積深度與現(xiàn)代土壤碳酸鈣淀積深度對比,可以得出,晚更新世間冰期的年均溫為15～18℃,降水量為750～1 000mm。

4 結(jié) 論

1)西安少陵塬、藍(lán)田及寶雞馬家塬整個(gè)剖面CaCO3含量變化特征呈現(xiàn)自上而下的變化趨勢。少陵塬CaCO3在整個(gè)剖面的分布依次是L1>L0>L2>S1,而馬家塬CaCO3呈現(xiàn)分布依次是L2>L1>S1。二者在L1中CaCO3含量分布均為L1-L02>L1-L01>L1-S01。

2)西安少陵塬和寶雞馬家塬剖面的CaCO3百分含量呈波動變化,其變化分界線和黃土與古土壤層的分界線基本一致。但是，二者在不同的土層CaCO3百分含量曲線存在一定差異。其中,L2上部是寶雞剖面的沉積多于少陵塬剖面,可間接反映CaCO3在少陵塬淋溶沉積較寶雞剖面深。

3)少陵塬末次間冰期發(fā)育的土壤S1層CaCO3含量與風(fēng)化淋濾的黃土層L2層的上部碳酸鈣結(jié)核層含量較藍(lán)田剖面都較少。 少陵塬剖面CaCO3(5.6m)的遷移深度遠(yuǎn)大于藍(lán)田剖面的CaCO3(4.4m)遷移深度,反映了這一時(shí)期少陵塬較藍(lán)田雨季降水量多且持續(xù)時(shí)間長。

4)晚更新世間冰期的年均溫為15～18℃,降水量為750～1 000mm。總體上看在晚更新世時(shí)期,關(guān)中平原地區(qū)降雨量自西向東呈減少趨勢。

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(編 輯 徐象平)

The variety characteristic of calcium carbonate content and represented climate of the Loess Plateau

SONG Dianxing, MA Li

(Key Laboratory of Disaster Monitoring and Mechanism Simulating of Shaanxi Province,Baoji University of Arts and Sciences, Baoji 721013, China)

Calcium carbonate content is the important measure for climate of the loess and paleosol. This paper is expected to offer some adviles for reconstruction the climatic time series and analysis climate change features. Calcium carbonate content form the ShaoLing Plateau of Xi′an, MaJia Plateau of Baoji and Lantian of Xian was sampled and determined in this paper. Calcium carbonate content of ShaoLing Plateau is far lower than MaJia plateau. The peak occurs on MaJia Plateau and the average content reached maximum, it was 9.17%. Calcium carbonate deposits on L2in MaJia Plateau was more than ShaoLing Plateau. And it reflects indirectly that the leaching sediments of Calcium carbonate on ShaoLing Plateau was deeper than those of MaJia Plateau. The transport depth of Calcium carbonate on ShaoLing Plateau(5.6m) was far deeper than Lantian. And it reflects that rain season precipitation on ShaoLing Plateau more and longer than Lantian. The depositions of Calcium carbonate on Lantian was thicker than those of ShaoLing Plateau, it was 0.05m. The average content of Calcium carbonate content on ShaoLing Plateau and Lantian were 12.4% and 38.7%. Soil types was yellow brown in the Late Pleistocene-glacial, and annual temperature was 15～18℃, and precipitation was 750～1 000mm by the deposited depth of Calcium carbonate on ShaoLing Plateau and Lantian in Late Pleistocene-last interglacial and modern soil were contrasted. In total, precipitation showed a declining trend from the west to the east on the Guanzhong Plain.

Loess Plateau; Calcium carbonate content; climate

2015-09-05

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41071359);陜西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金資助項(xiàng)目(16JS004);寶雞文理學(xué)院重點(diǎn)基金資助項(xiàng)目(ZK12052)

宋佃星,男,山東淄博人,博士,從事氣候變化與適應(yīng)研究。

P461+.4

A

10.16152/j.cnki.xdxbzr.2016-06-022