川西高原甘孜黃土-古土壤容重的特征及其古環(huán)境意義

成 婷，楊勝利，劉維明，李 帥，梁敏豪，劉楠楠，陳 慧

1. 蘭州大學(xué) 西部環(huán)境教育部重點實驗室，資源環(huán)境學(xué)院，蘭州 730000

2. 中國科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，成都 610041

川西高原位于青藏高原的東南邊緣，氣候主要受印度洋西南季風(fēng)和高原季風(fēng)的影響（蔣復(fù)初等，1997；潘保田和王建民，1999；顏茂都等，2001；陳詩越等，2002）。川西高原上廣泛分布中更新世時期以來形成的連續(xù)風(fēng)塵黃土沉積（羅來興和楊逸疇，1963；柴宗新，1982；陳富斌等，1990；方小敏等，1996；蔣復(fù)初等，1997；潘保田和王建民，1999；顏茂都等，2001；喬彥松等，2010），它們是高原隆升、氣候變遷與環(huán)境演化最直接、最敏感的記錄之一。研究該地區(qū)黃土-古土壤序列及其古環(huán)境意義，對于認識高原隆升的環(huán)境影響，探討青藏高原東部地區(qū)的大氣環(huán)流模式及其與周邊地區(qū)氣候變化之間的關(guān)系，具有重要意義，并可為印度季風(fēng)、高原季風(fēng)和西風(fēng)的演化過程與機制的研究提供重要證據(jù)。

黃土-古土壤的容重是粉塵堆積過程和古環(huán)境變化的綜合反映，因此可以作為研究古環(huán)境的一個重要代用指標。對黃土高原地區(qū)的黃土-古土壤容重的研究顯示，土壤容重主要受沉積時期的氣候條件影響，反映了粉塵堆積速率和成壤過程的相互消長關(guān)系，可以作為古氣候的有效代用指標（安芷生和魏蘭英，1980；劉東生等，1985）。根據(jù)土壤容重、地層厚度，以及黃土在不同時期的堆積情況，可以很好地恢復(fù)黃土高原更新世以來的粉塵沉積通量變化（劉東生等，1985）。安芷生等（安芷生和肖舉樂，1990；An et al，1991）通過容重和堆積速率計算了洛川最近13萬年的風(fēng)塵沉積通量，重建了風(fēng)場強度和古氣候演化歷史。通過對鄭州邙山趙家峪剖面的研究，肖華國等（1998）發(fā)現(xiàn)容重與磁化率反映的夏季風(fēng)變化有顯著的正相關(guān)關(guān)系，而與粒度反映的冬季風(fēng)變化有顯著的負相關(guān)關(guān)系，因此容重記錄綜合反映了冬夏季風(fēng)氣候組合關(guān)系的變化。孫有斌等（2000）通過對靈臺剖面的研究，發(fā)現(xiàn)容重不僅在軌道時間尺度上記錄了東亞冬、夏季風(fēng)氣候的相互演替變化，而且典型冰期的容重記錄還可能在更短時間尺度上揭示了季風(fēng)氣候的變化。Zhu et al（2004）對靈臺剖面研究之后，發(fā)現(xiàn)容重可以作為中國黃土的一個有效古氣候敏感參數(shù)，它比磁學(xué)參數(shù)更獨立于成壤作用，其變化更加清晰地揭示了S1中的子地層。靳春勝等（2008）通過對比洛川剖面和白草塬剖面，發(fā)現(xiàn)在六盤山以東半濕潤半干旱氣候區(qū)，容重主要受成壤作用影響，可以作為夏季風(fēng)演化的替代性指標，在六盤山以西半干旱氣候區(qū)，容重主要受沉積物粒度影響，可以作為冬季風(fēng)演化的替代性指標。昝金波等（2010）通過對西昆侖山黃土容重的研究，認為在極端干旱區(qū)，容重受季風(fēng)的影響微弱，主要反映源區(qū)的干旱程度。

已有的研究主要集中在黃土高原和干旱區(qū)黃土，而青藏高原地區(qū)黃土容重的研究較少，尤其是對川西高原地區(qū)的黃土沉積的容重，還未見相關(guān)報道。因此本文選擇了位于甘孜縣新市區(qū)北的典型黃土剖面進行了詳細的土壤容重分析，并結(jié)合磁化率與粒度記錄，系統(tǒng)探討了黃土沉積過程、土壤化過程對甘孜地區(qū)黃土容重的影響，及其所反映的古環(huán)境信息。研究無論對于理解不同氣候環(huán)境條件下的土壤容重的古氣候意義，還是對于揭示青藏高原東部地區(qū)的氣候演化過程都具有重要意義。

1 剖面概況

甘孜位于川西高原西部，地處橫斷山脈北段，屬于青藏高原東南緣，為大陸性高原山地型季風(fēng)氣候，主要受西南季風(fēng)、高原季風(fēng)和西風(fēng)的影響。年平均溫度5.6℃，冬長夏短；年平均降水量636 mm，降水主要集中在夏季，占全年的80%以上。

新市黃土剖面（XS）位于四川省甘孜縣新市區(qū)西北部（圖1），雅礱江三級階地上，海拔為3400 m。出露部分為一垂直陡崖，厚10 m，未見底，上部0.75 m為全新世古土壤S0，深棕褐色，中等團塊—團粒結(jié)構(gòu)，含大量植物根系；0.75 — 3.3 m為灰黃色黃土層，塊狀疏松；中部3.3 — 4.6 m為淺棕色古土壤層；4.6 — 7.4 m灰黃色黃土層，塊狀疏松；7.4 — 10.0 m為棕褐色古土壤層，其中9.15 — 9.5 m處夾一薄層黃土。土壤有機質(zhì)AMS-14C和光釋光（optically stimulated luminescence，OSL）測年分析表明該剖面底部開始堆積于～75 ka。根據(jù)野外記錄和環(huán)境指標結(jié)果將剖面地層自下而上劃分為：S1，L1—2，Sm，L1—1，S0（圖 2）。

圖1 川西高原地形與剖面位置圖Fig.1 Topography of the western Sichuan Plateau and the location of XS section in Ganzi

圖2 甘孜XS剖面地層以及容重、磁化率（χlf）和粒度指標隨深度的變化Fig.2 Stratrigraphy and variations of bulk density, magnetic susceptibility and grain size in the Ganzi loess section

2 實驗方法

容重、磁化率和粒度分析均在蘭州大學(xué)西部環(huán)境教育部重點實驗室完成。容重分析先將獲得的塊狀樣品進行風(fēng)干，然后根據(jù)阿基米德原理采用浸油法（孫有斌等，2000；昝金波等，2010）測量。首先在量筒中倒入適量植物油，讀取油的體積為v1，將量筒放于天平置零，取風(fēng)干后的塊狀樣品快速浸入油中，并快速讀取樣品質(zhì)量為m和油與樣品的總體積為v2，計算求得樣品的容重：容重= m /(v2? v1)。每個樣品重復(fù)測量2次后取其平均值，整個剖面共分析樣品200個。

磁化率分析使用英國Bartington MS2磁化率儀完成，將樣品用保鮮膜包好稱重后放入無磁塑料盒，每個樣品重復(fù)測量2次后取其平均值。粒度分析在英國Mastersizer 2000激光粒度儀上測量，使用H2O2去除有機質(zhì)，HCl去除碳酸鹽，靜置12小時使其充分沉淀后倒去上層液體，再加入(NaPO3)6分散劑并用超聲波振蕩后，放入儀器進行分析。AMS-14C測年在蘭州大學(xué)西部環(huán)境實驗室進行樣品前處理后，送往北京大學(xué)AMS-14C實驗室完成測量；光釋光測年選用石英礦物，采用單片再生劑量法（Murray and Wintle，2000），在中國科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所釋光測年實驗室完成測量。

3 結(jié)果與討論

XS剖面黃土-古土壤容重值在1.63 — 2.53 g ? cm?3變化，其中黃土的容重變化范圍為1.67 — 2.48 g ? cm?3，平均值為2.01 g ? cm?3。古土壤的容重變化范圍為1.63 — 2.53 g ? cm?3，平均值為 1.94 g ? cm?3，較黃土平均容重小0.07 g ? cm?3（表1）。其容重值高于洛川剖面（靳春勝等，2008）（1.25 — 1.86 g ? cm?3）和白草塬剖面（靳春勝等，2008）（1.05 — 2.18 g ? cm?3），遠高于西昆侖山地區(qū)的土壤容重（昝金波等，2010）（1.25 — 1.60 g ? cm?3），與靈臺剖面（孫有斌等，2000）（1.85 — 2.18 g ? cm?3）和邙山剖面（肖華國等，1998）（1.50 — 2.50 g ? cm?3）基本相當(dāng)。

表1 XS剖面黃土-古土壤層的容重平均值Tab.1 Average bulk density of loess-paleosols at XS section /(g ? cm?3)

甘孜黃土-古土壤容重隨剖面深度變化明顯（圖2），自上而下未見增大趨勢，表明天然壓實作用的影響較小，考慮到地層厚度較薄，其影響基本可以忽略。整體來看，隨著剖面深度增加，容重值的變化趨勢與磁化率、粒度的變化趨勢十分相似。與磁化率、＜2 μm組分的變化具有很好的負相關(guān)關(guān)系，而與平均粒徑、＞63 μm組分的變化呈明顯正相關(guān)，即容重的高值對應(yīng)著磁化率的降低和粒度的變粗。這種對應(yīng)關(guān)系比較特殊，尤其與黃土高原地區(qū)存在很大差異。

在古土壤中，0 — 0.75 m處、3.3 — 4.6 m處、7.4 — 9.1 m處和9.9 m處，磁化率顯示峰值的等深處的容重均顯示低值；粒度＜2 μm組分百分含量的變化曲線與磁化率曲線變化趨勢一致，與容重同樣存在類似的負相關(guān)關(guān)系（圖2），而磁化率的高低與成壤作用有關(guān)（安芷生等，1990；An et al，1991），成壤過程中產(chǎn)生的新的自生磁顆粒主要集中在黏粒部分（＜2 μm），因此反映了剖面容重受到了研究區(qū)土壤化過程的影響。在黃土中，1.2 m處、4.6 — 7.4 m處，平均粒徑、＞63 μm組分百分含量峰值的等深處完全對應(yīng)著容重的峰值，且在整個剖面的容重曲線與平均粒徑、＞63 μm組分百分含量的變化曲線非常相似。僅4.3 m處的容重谷值較平均粒徑、＞63 μm組分百分含量的谷值稍微偏下一些。粒度的變化代表了大尺度空間范圍內(nèi)風(fēng)場的變化（安芷生等，1991）以及冬季風(fēng)的強弱與物源的遠近（Ding et al，1994，2002；Porter and An，1995；Xiao et al，1995；Lu et al，2003），尤其粗粒組分較為穩(wěn)定，不易受沉積后改造的影響，對于風(fēng)積粉塵而言可以反映其源區(qū)與搬運風(fēng)動力的情況（Rutter，1992；劉冬雁等，2010），因此反映了剖面容重受到了研究區(qū)沉積過程的影響。

在末次間冰期（S1）階段，氣候溫暖濕潤，有利于土壤發(fā)育和土壤孔隙度變小，磁化率表現(xiàn)為高值（圖2），但粒度數(shù)據(jù)分析表明，冬季風(fēng)與西風(fēng)減弱，粉塵顆粒明顯變細，這就使得沉積物質(zhì)量顯著變輕，最終導(dǎo)致容重減小。末次冰期（L1）階段，氣候相對干冷，表現(xiàn)為磁化率曲線與粒度＜2 μm組分百分含量曲線處于較低水平且變化較為平緩，強盛的冬季風(fēng)與西風(fēng)使得粉塵粒度變粗且波動較大，容重曲線與平均粒徑、＞63 μm組分百分含量曲線具有很好的正相關(guān)關(guān)系，即在土壤孔隙度變化較小的情況下，粉塵顆粒變粗質(zhì)量變大，容重增大。全新世（S0）階段，氣候溫暖，降水充沛，土壤發(fā)育，磁化率表現(xiàn)為高值。雖然S0階段的磁化率相較S1階段更高，但S0階段的粒度明顯粗于S1階段，容重的變化特征與粒度一致，S0階段的容重大于S1階段，表明相較于磁化率，剖面容重與粒度的相關(guān)性更強，即沉積過程對容重的影響比土壤化作用更明顯。上述分析解釋了剖面黃土地層中的容重略大于古土壤地層中的容重這一特征，這一現(xiàn)象與洛川剖面（靳春勝等，2008）和邙山趙家峪剖面（肖華國等，1998）存在較大差異；反映了剖面容重主要受沉積物顆粒粗細的影響，這與白草塬剖面（靳春勝等，2008）的情況較為一致。因研究區(qū)主要受西南季風(fēng)、高原季風(fēng)和西風(fēng)影響，而西風(fēng)和高原冬季風(fēng)主要控制了高原東部的降塵活動（葉篤正等，1979），即沉積物粒度主要記錄了西風(fēng)和高原冬季風(fēng)的變化信息，所以推測甘孜黃土-古土壤容重主要受西風(fēng)和高原冬季風(fēng)作用的風(fēng)塵沉積過程的控制，可以作為西風(fēng)和高原冬季風(fēng)演化的替代性指標。

XS剖面黃土樣品和古土壤樣品的容重與磁化率的相關(guān)性均較弱（圖3），可能表明土壤化過程對容重的影響較??；而黃土、古土壤樣品的容重與粒度＞ 63 μm組分的百分含量存在一定的相關(guān)性。在黃土樣品中容重與粗顆粒含量之間的正相關(guān)關(guān)系更為明顯，即沉積物粗顆粒含量越多，容重越大，這指示了研究區(qū)土壤容重受粒度變化的影響更大，而粒度變化主要為西風(fēng)和高原冬季風(fēng)所控制。黃土中＞ 63 μm的組分很難被風(fēng)吹揚至高空以懸移的方式輸送，主要在近地面以躍移的方式移動，因此該組分的含量除了受到風(fēng)力強度的控制之外，還受到沉積區(qū)與物源區(qū)的距離控制（丁仲禮等，1996）。當(dāng)氣候干旱加劇，源區(qū)范圍擴大，粗顆粒物質(zhì)較容易搬運，沉積物中粗顆粒組分含量越多質(zhì)量就越大，在土壤孔隙度變化較小的情況下，再加上壓實、成壤等后期改造作用較小，所以土壤容重也就越大。因此，甘孜黃土容重一定程度上還反映了青藏高原東部地區(qū)干旱程度的變化。

圖3 甘孜XS剖面黃土和古土壤容重與磁化率（χlf）、＞ 63 μm粒度含量的相關(guān)關(guān)系Fig.3 Scatter plots of bulk density versus magnetic susceptibility and grain size of the loess-paleosol sequence from XS

4 結(jié)論

甘孜黃土 -古土壤容重在 1.63 — 2.53 g ? cm?3變化，其中黃土的容重變化范圍為1.67 — 2.48 g ? cm?3，平均值為2.01 g ? cm?3；古土壤的容重變化范圍為1.63 — 2.53 g ? cm?3，平均值為 1.94 g ? cm?3，較黃土平均容重小0.07 g ? cm?3。甘孜黃土-古土壤容重高于洛川黃土和干旱區(qū)黃土，與靈臺黃土、邙山黃土基本相當(dāng)。

土壤容重與磁化率、粒度＜ 2 μm組分變化具有很好的負相關(guān)關(guān)系，而與平均粒徑、粒度＞ 63 μm組分變化呈明顯正相關(guān)，表明土壤容重受到了土壤化過程和風(fēng)塵沉積過程的影響。與環(huán)境指標的相關(guān)分析表明甘孜黃土受風(fēng)塵沉積過程的影響更為顯著，因此可以作為西風(fēng)和高原冬季風(fēng)變化的替代性指標，深入研究該區(qū)黃土的容重變化有助于進一步理解青藏高原東部環(huán)境的演化歷史與過程。

致謝：黃政、洪苗苗參加了野外工作，深致謝忱。