黃土高原—毛烏素沙漠過渡帶靖邊地區(qū)全新世土壤元素地球化學(xué)特征及其環(huán)境意義

王 攀，董秋瑤*，鞏雪嬌,3，陳洪云，宋 超，郭 嬌

(1. 中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所,河北 石家莊 050061; 2. 中國地質(zhì)調(diào)查局第四紀(jì)年代學(xué)與水文環(huán)境演變重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北 石家莊 050061; 3. 河北地質(zhì)大學(xué) 資源學(xué)院，河北 石家莊 050031)

0 引 言

黃土高原的黃土沉積具有沉積厚度大、沉積層序明顯、分布面積廣等特點(diǎn)。黃土層和不同發(fā)育程度的古土壤層蘊(yùn)含著豐富的古氣候信息，完整地記錄了黃土高原第四紀(jì)以來的環(huán)境變化，黃土磁化率變化曲線可與深海氧同位素曲線良好對應(yīng)，是陸相沉積物記錄大尺度環(huán)境變化的理想載體[1]。

黃土的地球化學(xué)研究一直是黃土研究的熱點(diǎn)之一，不同學(xué)者圍繞黃土的物質(zhì)組成、物源、化學(xué)風(fēng)化程度、氣候和環(huán)境指標(biāo)、表生地球化學(xué)行為、生物地球化學(xué)過程等方面開展研究，促進(jìn)了黃土地球化學(xué)的發(fā)展[2-5]。近年來，黃土的地球化學(xué)研究從黃土高原逐漸延伸到新疆[5-6]、東北[7-9]、長江中下游[10-11]、青藏高原東北緣[12-14]等黃土高原以外具有黃土沉積的區(qū)域。黃土沉積的元素分布規(guī)律特征與區(qū)域環(huán)境演化有著密切的關(guān)系?；瘜W(xué)風(fēng)化是地表圈層相互作用的主要形式，其產(chǎn)物是記錄古氣候變化的良好信息載體。因此，黃土的地球化學(xué)研究是揭示古氣候變化的一種重要手段[15]。

靖邊地區(qū)位于黃土高原與毛烏素沙漠的過渡帶、東亞季風(fēng)的尾閭區(qū)和農(nóng)牧交錯(cuò)帶，對第四紀(jì)氣候變化的響應(yīng)更加敏感。本文基于靖邊地區(qū)三道溝土壤剖面的年代學(xué)和元素地球化學(xué)特征，分析三道溝土壤剖面的化學(xué)風(fēng)化程度,定量重建靖邊地區(qū)的古氣候信息，并探討靖邊地區(qū)全新世以來的環(huán)境變化及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

靖邊地區(qū)三道溝土壤剖面(37.46°N，108.78°E)地處黃土高原西北緣和毛烏素沙漠東南緣，屬于黃土高原和毛烏素沙漠的過渡帶，行政上隸屬于陜西省榆林市靖邊縣鎮(zhèn)靖鄉(xiāng)三道溝村(圖1)。靖邊地區(qū)屬半干旱大陸性季風(fēng)氣候，年際溫差大且冬春季節(jié)多風(fēng)沙。靖邊縣氣象臺(tái)站1981～2010年記錄的年均溫為8.8 ℃，年均降水量為385 mm。研究區(qū)屬于東亞季風(fēng)的尾閭區(qū)，氣候變化受東亞季風(fēng)和西風(fēng)的共同控制。

圖1 黃土高原—毛烏素沙漠過渡帶靖邊地區(qū)三道溝土壤剖面位置Fig.1 Location of Sandaogou Soil Profile in Jingbian Area of Loess Plateau-Mu Us Desert Transitional Zone

1.2 樣品采集與分析方法

2013年6月對三道溝土壤剖面進(jìn)行野外觀察和樣品采集，頂部至1.4 m為黑壚土層，以下為黃土層。其中，0～50 cm深度黑壚土層(SDG1層)顏色發(fā)黑，菌絲體發(fā)育，根孔和蟲孔發(fā)育，可見大量植物根系;50～96 cm深度黑壚土層(SDG2層)顏色比上層更深，土壤更加致密;96～140 cm深度黑壚土層(SDG3層)顏色漸變到比上層淺，空隙較發(fā)育。以2 cm等間隔對黑壚土層取樣，共采集70組樣品?；谏疃群蛶r性變化，共采集4件14C樣品。14C樣品測試在北京大學(xué)加速器質(zhì)譜(AMS)實(shí)驗(yàn)室和BETA實(shí)驗(yàn)室完成，元素地球化學(xué)樣品測試采用中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所的X射線熒光光譜儀(PW4400型)完成，具體分析方法見文獻(xiàn)[16]。

2 結(jié)果分析

2.1 年代學(xué)特征

黃土高原—毛烏素沙漠過渡帶靖邊地區(qū)三道溝土壤剖面4件AMS14C樣品的年齡隨深度增加而變大，未出現(xiàn)上下倒轉(zhuǎn)，最老年齡為(8 189±141)cal.a BP，說明三道溝土壤剖面形成于全新世。根據(jù)4件AMS14C樣品的年齡，利用分段線性內(nèi)插與外推方法計(jì)算出不同深度對應(yīng)的年齡及沉積速率(圖2)。結(jié)果表明：0～60 cm深度沉積速率為22.2 cm·ka-1;60～100 cm深度沉積速率為16.9 cm·ka-1;100～140 cm深度沉積速率為29.4 cm·ka-1。不同深度的沉積速率差別較大，反映出全新世氣候的不穩(wěn)定性。年齡與深度成顯著線性相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)大于0.99，擬合直線的斜率即三道溝土壤剖面的平均沉積速率(19.9 cm·ka-1)與相鄰吳起地區(qū)(18.8 cm·ka-1)[17]和橫山地區(qū)(21.3 cm·ka-1)[18]記錄的全新世土壤剖面沉積速率一致。根據(jù)建立的年齡框架，三道溝土壤剖面記錄了靖邊地區(qū)8.4～1.8 ka BP期間的氣候變化。

年齡數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[16]圖2 不同深度對應(yīng)的年齡及沉積速率Fig.2 Diagram of Age and Deposition Rate Corresponding to Different Depths

2.2 元素地球化學(xué)特征

靖邊地區(qū)三道溝土壤剖面的常量元素含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)以氧化物形式統(tǒng)計(jì)，微量元素以單獨(dú)元素形式統(tǒng)計(jì)(表1)。常量元素在剖面中的平均含量從大到小為SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3、K2O、MgO、Na2O，其中前4種氧化物平均含量之和超過75%，氧化物含量排序與相鄰的吳起地區(qū)全新世土壤剖面[17]完全相同，反映了三道溝土壤剖面同樣為風(fēng)成沉積物。微量元素Rb、Sr、Zr在黃土研究中具有明顯的古氣候指示意義[19-20]，Rb、Sr、Zr在剖面中的平均含量分別是81.24×10-6、169.35×10-6、197.39×10-6，變異系數(shù)均較低。

表 1 靖邊地區(qū)三道溝土壤剖面地球化學(xué)元素分析結(jié)果

元素由于自身性質(zhì)的差異在化學(xué)風(fēng)化過程中的表現(xiàn)不同?；瘜W(xué)性質(zhì)活潑的元素容易淋溶，穩(wěn)定元素則會(huì)相對富集。為了更清楚地反映元素在化學(xué)風(fēng)化過程中的富集或虧損程度，一般計(jì)算樣品與地球上部陸殼(Upper Continetal Curst,UCC)元素含量之比來評價(jià)某種元素相對的虧損與富集。該比值小于1為相對虧損，反之則為相對富集。靖邊地區(qū)三道溝土壤剖面具有富Ca,貧Na、Sr、Al、K的特征，F(xiàn)e、Rb、Mg、Si呈現(xiàn)一定程度的虧損，但與上部陸殼元素含量接近，Zr化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，與上部陸殼元素含量基本相同(圖3)。

ws為樣品含量；wu為上部陸殼含量圖3 上部陸殼標(biāo)準(zhǔn)化地球化學(xué)元素蛛網(wǎng)圖Fig.3 UCC-normalized Geochemical Elements Spider Diagram

3 討 論

3.1 化學(xué)風(fēng)化程度

化學(xué)蝕變指數(shù)(Chemical Index of Alteration，CIA,ICIA)首次被提出是用來判斷物源區(qū)的風(fēng)化程度[22]，之后發(fā)展到可作為黃土—古土壤序列化學(xué)風(fēng)化程度的環(huán)境代用指標(biāo)[23]。化學(xué)蝕變指數(shù)越高，表明沉積物化學(xué)風(fēng)化越強(qiáng)烈，所代表的氣候暖濕程度也越高?；瘜W(xué)蝕變指數(shù)低于50表示無化學(xué)風(fēng)化作用；化學(xué)蝕變指數(shù)為50～60表示初等化學(xué)風(fēng)化作用；化學(xué)蝕變指數(shù)為60～80表示中等化學(xué)風(fēng)化作用；化學(xué)蝕變指數(shù)高于80表示強(qiáng)烈化學(xué)風(fēng)化作用[24]。靖邊地區(qū)三道溝土壤剖面化學(xué)蝕變指數(shù)為55.53～60.47，平均值為58.65，處于初等化學(xué)風(fēng)化作用階段(圖4)，其值小于黃土高原腹地的洛川黃土[25]和西峰紅黏土[26]，與同樣位于毛烏素沙漠東南緣的全新世吳起土壤[17]和位于騰格里沙漠南緣的武威黃土[27]類似。該結(jié)果與其所處的黃土高原—毛烏素沙漠過渡帶的地理位置密切相關(guān)。

圖4 化學(xué)風(fēng)化程度示意圖Fig.4 Diagram of Chemical Weathering Intensity

Na2O/K2O值利用Na和K遷移富集的差異來表示化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度。Na主要賦存于斜長石(鈉長石)中，易受風(fēng)化；K主要賦存于正長石(鉀長石)中，抗風(fēng)化能力較強(qiáng)，不易風(fēng)化遷移。因此，Na2O/K2O值可以指代化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度[25,28-29]。Na2O/K2O值越高，風(fēng)化程度越弱，與化學(xué)蝕變指數(shù)成反比。靖邊地區(qū)三道溝土壤剖面Na2O/K2O值為0.83～1.02，與化學(xué)蝕變指數(shù)成負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖4)。這與化學(xué)蝕變指數(shù)表達(dá)了相同的環(huán)境意義，即三道溝土壤剖面處于初等化學(xué)風(fēng)化作用階段。

3.2 全新世古氣候定量重建

很多代用指標(biāo)可以用來定量重建古土壤形成時(shí)期的古環(huán)境和古氣候信息[30]。歐陽椿陶等在研究毛烏素沙漠南緣薩拉烏蘇河流域米浪溝剖面末次間冰期古土壤成壤環(huán)境時(shí)，利用化學(xué)蝕變指數(shù)與降水量、溫度的線性關(guān)系對古土壤層的古氣候進(jìn)行了定量重建，其中降水量P=-1 162.9+30.248ICIA，溫度T=-120.82+32.45lnICIA[31]。米浪溝剖面位于三道溝土壤剖面西北方向，與三道溝土壤剖面處于同一個(gè)氣候帶，其古土壤風(fēng)化程度與三道溝土壤層相當(dāng)，故本文選擇此模型來定量重建靖邊地區(qū)全新世的古溫度和古降水量。靖邊地區(qū)全新世的降水量為516～666 mm，平均值為611 mm，溫度為9.9 ℃～12.7 ℃，年均溫度為11.7℃，高于靖邊地區(qū)現(xiàn)今的降水量和溫度。選擇同樣位于東亞夏季風(fēng)邊緣區(qū)的巴彥查干[32]、岱海[33]和公海[34]3個(gè)湖泊重建的降水量進(jìn)行比較(圖5)，靖邊地區(qū)的降水量大于巴彥查干、岱海和公海，但全新世的變化趨勢大體一致，降水量的差異可能是不同重建指標(biāo)本身的性質(zhì)差異造成的，也可能與其所處的位置有關(guān)。靖邊地區(qū)全新世溫度與北半球(30°N～90°N)溫度異常綜合值[35]相比，變化趨勢總體一致。降水量和溫度變化趨勢的一致性反映出總體都受到東亞夏季風(fēng)的驅(qū)動(dòng)控制。

靖邊降水量和溫度是根據(jù)化學(xué)蝕變指數(shù)定量重建的；巴彥查干[32]、岱海[33]、公海[34]降水量是根據(jù)孢粉定量重建的圖5 不同區(qū)域全新世降水量、溫度對比Fig.5 Comparison of Holocene Precipitation and Temperature in Different Areas

3.3 全新世氣候變化及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制

化學(xué)蝕變指數(shù)指示沉積物化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度，是良好的夏季風(fēng)代用指標(biāo)[36]。SiO2/Al2O3值同小于50 μm顆粒粒級存在顯著正相關(guān)關(guān)系，可基本反映原始風(fēng)塵顆粒的大小，是良好的冬季風(fēng)代用指標(biāo)[37]。Rb/Sr值是利用Rb不易遷移和Sr易受淋溶遷移來指代環(huán)境變化，是常見的夏季風(fēng)代用指標(biāo)，在黃土高原地區(qū)廣泛應(yīng)用[19,38-44]。Zr常賦存在耐風(fēng)化的鋯石或鉀長石中，而Rb賦存在鉀長石中，且最外層電子數(shù)為1，很容易被黏土吸附，Zr/Rb值被認(rèn)為是一種可靠的冬季風(fēng)代用指標(biāo)[20,45-46]。本文利用化學(xué)蝕變指數(shù)、SiO2/Al2O3、Rb/Sr、Zr/Rb、古溫度、古降水量等指標(biāo)綜合研究靖邊地區(qū)全新世的古氣候演化過程。根據(jù)各指標(biāo)隨年齡的垂向變化，靖邊地區(qū)全新世的氣候變化可分為3個(gè)階段(圖6)。

圖6 化學(xué)蝕變指數(shù)、SiO2/Al2O3、Rb/Sr、Zr/Pb、降水量和溫度隨年代變化Fig.6 Changes of Chemical Index of Alteration, SiO2/Al2O3, Rb/Sr, Zr/Pb, Precipitation and Temperature with Age

階段Ⅰ(8.4～6.8 ka)為全新世升溫期。此階段化學(xué)蝕變指數(shù)和Rb/Sr值處于波動(dòng)上升狀態(tài)，而SiO2/Al2O3值和Zr/Rb值變化正好相反。這表明此階段夏季風(fēng)占主導(dǎo)地位，沉積物化學(xué)風(fēng)化程度提升，氣候轉(zhuǎn)為暖濕。古溫度和古降水量的變化可以直觀反映該階段的暖濕程度，年均溫度為9.9 ℃～ 11.4 ℃，年均降水量為517～594 mm，處于早全新世的轉(zhuǎn)暖期。

階段Ⅱ(6.8～4.2 ka)為全新世適宜期，又稱全新世大暖期。此階段化學(xué)蝕變指數(shù)和Rb/Sr值達(dá)到整個(gè)全新世的峰值，SiO2/Al2O3值和Zr/Rb值為最小值，表明該階段的氣候較上一階段更暖濕，沉積物化學(xué)風(fēng)化程度進(jìn)一步加強(qiáng)。年均溫度為11.7 ℃～12.7 ℃，較階段Ⅰ大幅提升，升溫幅度約1.7 ℃，達(dá)到整個(gè)全新世的最大值，年均降水量為612～666 mm，較階段Ⅰ增加了約94 mm，已達(dá)到暖溫帶濕潤—半濕潤氣候的溫濕水平。

階段Ⅲ(4.2～1.8 ka)為全新世降溫期。此階段化學(xué)蝕變指數(shù)和Rb/Sr值開始波動(dòng)下降，SiO2/Al2O3值和Zr/Rb值較階段Ⅱ有所上升。溫度和降水量曲線清晰地記錄了此次降溫，降溫對應(yīng)了全新世4.2 ka冷事件。在整個(gè)全新世降溫期，年均溫度為11.3 ℃～12.6 ℃，較階段Ⅱ下降約0.3 ℃，年均降水量為593～664 mm，較階段Ⅱ減少約19 mm。

三道溝土壤剖面在全新世經(jīng)歷的氣候變化，與毛烏素沙漠東南緣(錦界剖面[47]、滴哨溝灣剖面[48]、大保當(dāng)剖面[49]、大柳塔和牛灘剖面[50])和薩拉烏蘇河流域[51-52]記錄的全新世以來的氣候波動(dòng)相類似，表明地球化學(xué)特征良好地記錄了靖邊地區(qū)全新世以來的氣候變化。

根據(jù)貴州董哥洞石筍δ18O值[53]、格陵蘭GISP2冰芯δ18O值[54]、30°N夏季太陽輻射量[55]以及靖邊地區(qū)三道溝土壤剖面古溫度和古降水量曲線對比(圖7)發(fā)現(xiàn)，三道溝土壤剖面古溫度、古降水量曲線變化與董哥洞石筍、格陵蘭GISP2冰芯δ18O值曲線變化存在一致性，特別是在早中全新世，隨著δ18O值增加，溫度和降水量同步增加，其變化的一致性表明三道溝土壤剖面記錄的全新世氣候變化主要受東亞夏季風(fēng)的影響。早全新世太陽輻射量減少，三道溝剖面的溫度和降水量相應(yīng)增加；到中全新世，太陽輻射量減少到最小值，溫度和降水量增加到最大值，對應(yīng)全新世大暖期；到晚全新世，太陽輻射量增加到最大值，溫度和降水量相應(yīng)減少。30°N夏季太陽輻射量與三道溝土壤剖面溫度、降水量同步變化，表明靖邊地區(qū)記錄的全新世氣候變化主要受太陽輻射量變化的控制。

4 結(jié) 語

(1)黃土高原—毛烏素沙漠過渡帶靖邊地區(qū)三道溝土壤剖面形成于8.4 ka BP左右，其平均沉積速率為19.9 cm·ka-1，與相鄰吳起地區(qū)和橫山地區(qū)記錄的全新世土壤剖面沉積速率一致。

(2)三道溝土壤剖面化學(xué)蝕變指數(shù)為55.53～60.47，Na2O/K2O值為0.83～1.02，處于初等化學(xué)風(fēng)化作用階段，與其所處的黃土高原—毛烏素沙漠過渡帶有關(guān)。

(3)用化學(xué)蝕變指數(shù)重建得到靖邊地區(qū)全新世的平均降水量和平均溫度為611 mm和11.7 ℃，比靖邊地區(qū)現(xiàn)今的降水量和溫度高。

(4)靖邊地區(qū)三道溝土壤剖面全新世以來的氣候變化可分為3個(gè)階段：8.4～6.8 ka的全新世升溫期、6.8～4.2 ka的全新世適宜期和4.2～1.8 ka的全新世降溫期。全新世氣候波動(dòng)具有全球性，且主要受控于太陽輻射量變化。

自然資源部國土衛(wèi)星遙感應(yīng)用中心石迎春副研究員參與了野外樣品的采集工作，在此表示感謝！

圖7 靖邊降水量和溫度與董哥洞石筍氧同位素、GISP2冰芯氧同位素、30°N夏季太陽輻射量記錄對比Fig.7 Comparison of Precipitation and Temperature in Jingbian with Oxygen Isotope Records from Dongge Cave Stalagmite and GISP2 Ice Core, Summer Insolation Record for 30°N