漢江上游晏家棚段二級(jí)階地風(fēng)成黃土成壤特征及氣候變化

羊俊敏　周亞利　龐獎(jiǎng)勵(lì)　黃春長　崔穎穎　閆雪嬌

摘要：為完善漢江上游更新世風(fēng)成黃土成壤特征和氣候變化資料，本研究以漢江上游晏家棚段二級(jí)階地黃土-古土壤剖面為材料，進(jìn)行粒度、磁化率和Rb/Sr的測(cè)定及對(duì)比分析。結(jié)果表明：晏家棚剖面自下而上呈現(xiàn)出更新世黃土（L2）-過渡性黃土（Lt）-古土壤（S1）的地層序列，剖面中古土壤（S1）的黏粒、磁化率（χlf）和Rb/Sr值均高于黃土層（Lt、L2），平均粒徑（Mz）則低于黃土層，反映了古土壤（S1）風(fēng)化成壤強(qiáng)度明顯高于黃土層的特征。風(fēng)化成壤特征的變化則進(jìn)一步指示了古土壤形成時(shí)期受東亞夏季風(fēng)影響，較溫暖濕潤;黃土形成時(shí)期，東亞冬季風(fēng)增強(qiáng)，轉(zhuǎn)為寒冷干旱的氣候特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：漢江上游;黃土;古土壤;成壤作用;氣候變化

中圖分類號(hào)：S151+.23文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：A文章編號(hào)：1001-4942（2020）05-0064-07

Abstract In order to reveal the pedogenic characteristics of aeolian loess and climate change in the Pleistocene in upper reaches of the Hanjiang River， the loess-paleosol profile of Yanjiapeng in the upper reaches of Hanjiang River was used as the research object， and the measurement and analysis of particle size， magnetic susceptibility and Rb/Sr were developed. The Yanjiapeng section shows a stratigraphic sequence of Pleistocene loess （L2） -transition loess （Lt）-paleosol （S1） from bottom to top. The clay particle， magnetic susceptibility and Rb/Sr value of the paleosol in the profile are higher than those in the loess layer， but the average particle size （Mz） is the opposite. It is suggested that the weathering pedogenic intensity of S1 is significantly higher than that of Lt and L2. The weathering pedogenic intensity of YJP profile indicated the influence of climate change in the Pleistocene. The paleosol layer in the upper Hanjiang River was mainly affected by summer monsoon with a warm and humid climate， and during the period of loess accumulation， the East Asian winter monsoon was strengthened， so the climate turned cold and arid.

Keywords Upper reaches of Hanjiang River; Loess; Palaeosol; Pedogenesis; Climate change

第四紀(jì)黃土-古土壤序列是古環(huán)境信息的良好記錄者，能反映自堆積以來的風(fēng)化成壤特征及環(huán)境演變過程[1]。近年，基于快速發(fā)展的高分辨率測(cè)年手段[2-4]和磁化率、地球化學(xué)元素、粒度等多種氣候替代性指標(biāo)[5-8]的研究，黃土高原不同時(shí)間尺度的成壤強(qiáng)度變化特征、氣候演變、元素遷移富集等問題得以解決。但除黃土高原以外，位于南北過渡帶的秦嶺地區(qū)，受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和氣候變化影響而發(fā)育的多級(jí)河流階地上也廣泛覆堆積風(fēng)成黃土[9]。盡管秦嶺與黃土高原風(fēng)成沉積基礎(chǔ)相似，但成壤強(qiáng)弱及氣候變化具有強(qiáng)烈的區(qū)域性特征[10]。

漢江上游穿行于秦嶺之中，其河流階地上堆積的風(fēng)成黃土為區(qū)域成壤作用和氣候演化研究提供了良好材料。通過對(duì)漢江上游一級(jí)階地和三級(jí)階地風(fēng)成黃土的粒度、磁化率、風(fēng)化殘蝕指數(shù)（CIA）等氣候指標(biāo)研究，已分別揭示了末次冰期（25 ka）以來和中更新世早期（810～760 ka）漢江上游的風(fēng)成黃土成壤強(qiáng)度及氣候演變規(guī)律[10-13];但對(duì)于中更新世-晚更新世期間形成的黃土-古土壤成壤特征及其揭示的氣候演變規(guī)律尚缺乏研究，基于此，本研究擬通過對(duì)漢江上游二級(jí)階地晏家棚剖面的分析，揭示中更新世-晚更新世的風(fēng)成黃土成壤特征及氣候變化，進(jìn)一步完善漢江上游的環(huán)境變化資料，為區(qū)域生態(tài)建設(shè)等方面提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究材料

漢江起源于陜西省寧強(qiáng)潘冢山，是長江第一大支流，由西向東流經(jīng)陜西、湖北兩省，在武漢匯入長江，干流長1 577 km，流域面積15.9×104 km2。丹江口以上為漢江上游，平均海拔2 000 m左右，曲流發(fā)育，河谷較深，水能資源豐富;屬北亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，溫暖濕潤，四季分明，無霜期較長，雨量豐沛，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥。受秦嶺造山運(yùn)動(dòng)影響，峽谷和盆地相間分布，在盆地或?qū)掗熀庸鹊貐^(qū)的河流階地上廣泛堆積厚層風(fēng)成黃土。

經(jīng)過細(xì)致的野外觀察，本研究選取位于漢江上游鄖縣盆地的晏家棚（YJP）為研究剖面（32°49′33.59″N，110°26′12.53″E）。YJP是天然出露的漢江T2階地前緣，剖面厚8.35 m，地層保存完整且界限清晰，共可分為7個(gè)沉積層，具體地層特征如表1。在清理出YJP的新鮮垂直剖面上，從上至下以10 cm為間隔連續(xù)采集沉積樣品139個(gè)，并在頂部古土壤層采集光釋光年齡樣品2個(gè)。

1.2 試驗(yàn)方法

光釋光樣品參照Aitken等[14]的方法完成。自然風(fēng)干后的沉積樣品在陜西師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院實(shí)驗(yàn)室完成粒度、化學(xué)元素和磁化率的測(cè)試。磁化率的測(cè)試是在無磁性物品干擾的情

況下，將裝有10 g樣品的干凈塑料瓶，置于英國Bartington公司的MS-2B磁化率儀進(jìn)行測(cè)定。粒度的測(cè)試，首先以濃度為10%的HCl和H2O2消解有機(jī)質(zhì)和碳酸鹽并清洗至中性，再加入濃度為0.5 mol/L的六偏磷酸鈉（（NaPO3）6）溶液5 mL，在顆粒充分分散的狀態(tài)下，利用Mastersize-2000型激光粒度儀完成測(cè)試。元素Rb、Sr采用德國布魯克公司制造的X射線熒光光譜儀S8 TIGER上機(jī)測(cè)試，測(cè)試過程中加入標(biāo)準(zhǔn)樣品（GSS-1和GSS-14）控制誤差范圍在5%以內(nèi)。

2 結(jié)果與分析

2.1 地層年代

YJP剖面的地層年代通過光釋光測(cè)年（OSL）和地層對(duì)比確定。利用OSL測(cè)年方法，得到的古土壤頂部和底部樣品等效劑量值（De）均未達(dá)到飽和，且分布較為集中（圖2），可采用均值作為樣品最終的等效劑量，結(jié)合年劑量率，利用AGE軟件最終獲得古土壤頂部和底部的OSL年代分別為（48.80±2.23） ka、（94.04±3.45） ka（表2）。眾多研究學(xué)者已對(duì)中國黃土建立了可靠的年代框架[2，4，15，16]，秦嶺地區(qū)各古文化遺址地層年代也相繼得到證實(shí)[17-20]，YJP剖面與漢中盆地何家梁、窯廠灣地層年代[17]對(duì)比良好，考慮到誤差的影響，可以確定YJP剖面古土壤層為S1，對(duì)應(yīng)于晚更新世;黃土層為L2，對(duì)應(yīng)于中更新世晚期。

2.2 粒度、磁化率和Rb/Sr值

由表3、圖3看出，YJP剖面的平均粒徑（Mz）介于1.65～7.99 μm之間，古土壤為3.02 μm，低于過渡黃土Lt（5.95 μm）和黃土L2（6.12 μm），呈現(xiàn)出古土壤<過渡黃土<黃土的變化特點(diǎn)。黏粒（<2 μm）含量變化范圍則在4.70%～19.84%之間，黃土L2黏粒均值為6.87%，在黃土-古土壤序列中呈最低值，過渡黃土Lt黏粒（6.98%）介于黃土L2和古土壤S1之間，古土壤S1黏粒含量為11.04%，達(dá)到最高值，在剖面垂直方向上黏粒含量呈現(xiàn)出古土壤>過渡黃土>黃土的變化特征。

此外，古土壤S1的Rb含量介于118.50～136.30 mg/kg之間，均值為130.35 mg/kg;Sr含量介于81.50～120.40 mg/kg之間，均值為100.80 mg/kg;Rb/Sr值介于1.12～1.50之間，均值為1.32。過渡黃土Lt的Rb和Sr分別介于126.20～134.30、118.70～134.30 mg/kg之間，均值分別為130.05、124.73 mg/kg;Rb/Sr值介于0.97～1.19之間，均值為1.05，略低于古土壤S1;黃土L2的Rb含量（123.07 mg/kg）最低，Sr（137.68 mg/kg）含量最高，Rb/Sr值介于0.81～0.96之間，均值為0.90。

通過相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，YJP剖面的黏粒含量與χlf、Rb/Sr值呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.958和0.944;而均值粒徑與χlf、Rb/Sr值則呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.985、-0.992。并且古土壤S1的黏粒含量、χlf和Rb/Sr值均高于黃土層（Lt、L2），平均粒徑則是黃土層（Lt、L2）高于古土壤S1，說明χlf、Rb/Sr與沉積物粒度組分有關(guān)，平均粒徑越小，黏粒含量越多，χlf和Rb/Sr值也就越高。

3 討論

3.1 風(fēng)化成壤強(qiáng)度

YJP剖面中存在緊密相關(guān)關(guān)系的粒度、χlf、Rb/Sr值可以表征風(fēng)化成壤強(qiáng)度。這是由于風(fēng)化成壤作用會(huì)不同程度地改造沉積物各粒度組分含量，并產(chǎn)生次生化學(xué)物質(zhì)和粘土礦物，尤其會(huì)造成平均粒徑的變細(xì)和超細(xì)顆粒含量的增加[8，21，22]。同時(shí)，在表生環(huán)境中，元素遷移率受成壤作用的影響，Rb易被黏土礦物吸附，滯留于原地層，產(chǎn)生富集;Sr易隨土壤中的水分等發(fā)生遷移而被淋失;因此，風(fēng)化成壤作用越強(qiáng)，黏粒含量越多，Rb/Sr值也越高[23，24]。黃土磁化率的高低主要取決于成壤作用的強(qiáng)度和細(xì)小磁性礦物的含量，成壤作用越強(qiáng)，細(xì)顆粒含量越多，形成的磁赤鐵礦越多，磁化率值就越高[25，26]。因此粒度、磁化率和Rb/Sr均可以作為揭示漢江上游更新世黃土風(fēng)化成壤強(qiáng)度的良好替代性指標(biāo)。

YJP更新世黃土L2 的χlf （34.60×10-8 m3/kg）、黏粒含量（6.87%）、Rb/Sr值（0.90），均為剖面中的最低值，Mz（6.

12 μm）為剖面中的最高值，說明在黃土堆積時(shí)期，夏季風(fēng)勢(shì)力較弱，風(fēng)化成壤作用較弱。過渡黃土（Lt）除均值粒徑Mz（5.95 μm）略低于黃土L2以外，χlf（36.50×10-8 m3/kg）、黏粒含量（6.98%）、Rb/Sr值（1.05）略高于黃土L2，表明盡管過渡黃土夏季風(fēng)勢(shì)力仍較弱，但稍有變化，導(dǎo)致風(fēng)化成壤作用略有加強(qiáng)。古土壤S1的χlf（40.60×10-8 m3/kg）、黏粒含量（11.04%）、Rb/Sr值（1.32）表現(xiàn)為剖面中的最高值，Mz（3.02 μm）為剖面最低值，說明在古土壤形成時(shí)期，東亞夏季風(fēng)勢(shì)力增強(qiáng)，成壤作用強(qiáng)度加大，粗顆粒組分被分解形成細(xì)顆粒，導(dǎo)致古土壤的平均粒徑變細(xì)、黏粒含量增加;同時(shí)，降水增多，大量Rb被黏土礦物吸附，Sr離子則被淋溶遷移，導(dǎo)致Rb/Sr值明顯增加;沉積物中的次生磁赤鐵礦含量也明顯增加，導(dǎo)致磁化率值升高。

3.2 中更新世以來的氣候變化規(guī)律

晏家棚風(fēng)成黃土成壤強(qiáng)度在不同地層上的差異進(jìn)一步反映了不同時(shí)期的氣候變化特征。中更新世黃土（L2）形成期，微弱的風(fēng)化成壤作用表明，這一時(shí)期漢江上游東亞冬季風(fēng)較為強(qiáng)盛，氣候寒冷干旱，利于黃土的形成;與洛南盆地黃土層中的孢粉記錄[27]、陜西渭南、洛川剖面磁化率記錄[28]、南京洞穴石筍δ18O記錄[29]對(duì)比良好。過渡性黃土（Lt）比黃土L2稍高的黏粒、磁化率值和Rb/Sr值，反映了略有加強(qiáng)的風(fēng)化成壤作用，指示在過渡黃土堆積時(shí)期，東亞冬季風(fēng)勢(shì)力開始有所下降，進(jìn)入由寒冷轉(zhuǎn)為溫暖濕潤的氣候轉(zhuǎn)變階段。晚更新世古土壤（S1）形成期，進(jìn)一步增加的黏粒含量、高磁化率值和高Rb/Sr值，揭示顯著加強(qiáng)的風(fēng)化成壤作用，反映了東亞冬季風(fēng)勢(shì)力進(jìn)一步減弱，夏季風(fēng)勢(shì)力顯著加強(qiáng)，氣候變得溫暖濕潤，降水充沛，植被茂盛，生物活動(dòng)頻繁。漢中盆地的何家梁、窯廠灣，陜西渭南等地均有古土壤S1發(fā)育[17，30];泥河灣盆地孢粉[31]、云南宣威石筍[32]、貴州荔波石筍[33]、青藏高原古里雅冰芯[34]等也記錄了這一時(shí)期的暖濕氣候。

4 結(jié)論

通過對(duì)漢江上游二級(jí)階地晏家棚（YJP）剖面黃土地層的粒度、磁化率和Rb/Sr綜合分析看出，它表現(xiàn)出了除平均粒徑外，古土壤S1的黏粒、磁化率及Rb/Sr值均高于過渡性黃土Lt和黃土L2的特點(diǎn)，指示在古土壤形成期，東亞夏季風(fēng)強(qiáng)盛，氣候溫暖濕潤，降水較多，成壤作用較強(qiáng);黃土形成時(shí)期，東亞夏季風(fēng)勢(shì)力減弱，冬季風(fēng)勢(shì)力增強(qiáng)，氣候轉(zhuǎn)為寒冷干旱，降水減少，成壤作用弱。

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