哈爾濱荒山巖芯黃土-古土壤的化學(xué)風(fēng)化特征*
——對(duì)古土壤形成環(huán)境指示

張 曼，謝遠(yuǎn)云，2?，康春國(guó)，遲云平，2，吳 鵬，魏振宇，張?jiān)萝埃瑒?璐

（1. 哈爾濱師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，哈爾濱 150025；2. 哈爾濱師范大學(xué)寒區(qū)地理環(huán)境監(jiān)測(cè)與空間信息服務(wù)黑龍江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱150025；3. 哈爾濱學(xué)院地理系，哈爾濱 150086）

化學(xué)風(fēng)化是地球表層系統(tǒng)中的一個(gè)重要過(guò)程，通過(guò)強(qiáng)迫和反饋機(jī)制，與全球氣候變化及生物地球化學(xué)循環(huán)密切相關(guān)[1]。沉積物的化學(xué)風(fēng)化在許多地表過(guò)程中起到重要作用，例如，通過(guò)消耗大氣CO2和控制陸地營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入海洋的數(shù)量從而調(diào)節(jié)全球碳循環(huán)和改變生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[1-3]。同時(shí)，化學(xué)風(fēng)化也可以改變土壤的微形態(tài)、礦物和地球化學(xué)組成[4]。因此，重建沉積物化學(xué)風(fēng)化過(guò)程和歷史對(duì)理解大氣CO2濃度變化、全球碳循環(huán)、陸地氣候環(huán)境變化以及海洋物質(zhì)平衡等具有重要意義[1-3]。此外，沉積物的化學(xué)風(fēng)化對(duì)于評(píng)估風(fēng)塵物源貢獻(xiàn)、侵蝕速率、源到匯的沉積物質(zhì)平衡以及構(gòu)造-氣候-風(fēng)化的耦合關(guān)系等也具有重要意義[5]。

中國(guó)黃土被認(rèn)為是最有價(jià)值的陸相古氣候古環(huán)境地質(zhì)檔案，記錄了亞洲內(nèi)陸干旱化、北半球風(fēng)塵源區(qū)、古大氣環(huán)流模式以及全球古氣候變化等重要信息[6-7]。黃土-古土壤序列反映了第四紀(jì)冰期-間冰期的氣候旋回變化，已有的研究顯示，黃土層是冰期干冷氣候條件下冬季風(fēng)的產(chǎn)物，而古土壤層是間冰期夏季風(fēng)盛行的暖濕氣候條件下成壤作用的產(chǎn)物[8-13]。

中國(guó)黃土-古土壤序列記錄了長(zhǎng)期的化學(xué)風(fēng)化和氣候演化歷史[3，14-16]，迄今為止，黃土-古土壤序列的化學(xué)風(fēng)化研究主要集中在黃土高原。然而，由于缺乏保存良好的長(zhǎng)時(shí)間尺度的黃土堆積，本文對(duì)東北地區(qū)，特別是位于歐亞黃土帶最東端的哈爾濱地區(qū)長(zhǎng)期的化學(xué)風(fēng)化歷史和氣候演化了解很少。黑龍江黑土母質(zhì)大多數(shù)為黃土性黏土，土壤質(zhì)地較黏，透水性較差，哈爾濱古土壤成土環(huán)境與黑土形成環(huán)境是否有必然聯(lián)系，目前還沒(méi)有此類(lèi)相關(guān)研究。為此，本文對(duì)哈爾濱荒山巖芯的黃土-古土壤序列進(jìn)行了元素地球化學(xué)、磁化率和重礦物分析，揭示哈爾濱地區(qū)502 ka以來(lái)黃土-古土壤序列的化學(xué)風(fēng)化特征，并對(duì)古土壤形成的氣候環(huán)境與黑土進(jìn)行了對(duì)比。此項(xiàng)研究對(duì)于理解成壤作用對(duì)區(qū)域氣候的響應(yīng)具有重要指示意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

哈爾濱（44°04′～46°40′N(xiāo)、125°42′～130°10′E），該區(qū)域?qū)儆谥袦貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，呈明顯的半濕潤(rùn)性、半干旱性，冬季受蒙古西北氣流控制，同時(shí)也受鄂霍次克寒流影響，年均氣溫4.2 ℃，年主導(dǎo)風(fēng)為西南風(fēng)，平均風(fēng)速3.6 m·s-1，全年平均降水量569.1 mm，夏季占全年降水量的60%。哈爾濱荒山（現(xiàn)稱(chēng)之為天恒山）巖芯（45°47′N(xiāo)，126°47′E）位于哈爾濱市道外區(qū)團(tuán)結(jié)鎮(zhèn)東郊，距離哈爾濱市約25 km，處于松花江沖積平原第二階地，南部為丘陵區(qū)，南部緊臨松嫩平原，西面為阿什河，北部為松花江[17]。圖1為哈爾濱荒山巖芯位置及剖面圖。

1.2 樣品采集與實(shí)驗(yàn)

使用雙管單動(dòng)內(nèi)襯塑料套管取芯技術(shù)鉆取一根101.11 m長(zhǎng)的沉積物巖芯，該巖芯已打穿整個(gè)第四紀(jì)直至白堊系基巖，回收巖芯93.21 m，取芯率在92%以上（本文主要研究30.4 m以上風(fēng)塵黃土部分），隨后按照2.5 cm間距對(duì)巖芯進(jìn)行分割?；趲r芯沉積物的顏色、巖性、沉積結(jié)構(gòu)特征及磁化率變化特征，巖芯的巖性自上而下依次為：

（1）0～0.98 m：呈暗褐色-褐黑色，現(xiàn)代土壤，含較多蟲(chóng)孔和植物根系，受人類(lèi)活動(dòng)和生物擾動(dòng)明顯。

（2）0.98～30.4 m：存在5個(gè)黃土-古土壤互層，白色菌絲體發(fā)育。其中S0-S4古土壤層為深灰褐色-灰黑色砂質(zhì)黏土，結(jié)構(gòu)致密。L1-L5黃土層為淺黃褐色粉砂，結(jié)構(gòu)疏松層理發(fā)育，其中L2黃土層含青灰色淤泥質(zhì)團(tuán)塊。

（3）30.4～101.11 m：河湖相沉積物，含細(xì)砂、黏土、粗砂，局部具有亞砂土-亞黏土夾層，鐵染明顯，其中，65.08 m以下粒度逐漸變粗，為砂質(zhì)黏土和泥質(zhì)砂（亞砂土），70.34 m粒度開(kāi)始變粗，為黃白色粗砂。

磁化率樣品分析間隔為10 cm，送至中國(guó)科學(xué)院地球環(huán)境研究所黃土和第四紀(jì)地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，在遠(yuǎn)離干擾磁場(chǎng)的情況下，采用英國(guó)Bartington儀器公司生產(chǎn)的MS2型磁化率儀對(duì)荒山巖芯樣品在470 Hz的低頻下進(jìn)行質(zhì)量磁化率的測(cè)定。

常量、微量元素樣品間隔40～60 cm，在中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）地質(zhì)過(guò)程與礦產(chǎn)資源國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。常量元素使用荷蘭帕納科XRF光譜儀，采用壓片法完成，測(cè)量誤差＜3%，微量元素使用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀MAT完成測(cè)定。

在黃土層L2（14.05 m）、L3（17.75 m）、L4（22.25 m）和古土壤S3層（20.15 m）分別采取了三個(gè)樣品作重礦物分析。在河北省廊坊誠(chéng)信地質(zhì)服務(wù)公司進(jìn)行重礦物處理和鑒定。鑒定過(guò)程如下：將樣品烘干稱(chēng)重，加入離散劑淘洗，之后用永久性磁鐵將樣品磁選出強(qiáng)磁性礦物、電磁性礦物和無(wú)磁性礦物。

1.3 年代標(biāo)尺的建立

在荒山剖面3 m處取OSL樣品，單片再生劑量法測(cè)得OSL年齡為7.4 ka，此外，在L5黃土層底部（剖面深度約27.6 m）的ESR年齡數(shù)據(jù)為482 ka，說(shuō)明哈爾濱荒山黃土-古土壤系列反映的冰期與間冰期旋回周期約為100 ka，與黃土高原及深海氧同位素一致[18-19]。因此，本研究年代標(biāo)尺的建立是采用深海氧同位素堆棧記錄[18]的MIS階段轉(zhuǎn)折（即冰期向間冰期轉(zhuǎn)化的中間點(diǎn)）以及7.4 ka作為控制點(diǎn)，采用線(xiàn)性外推的方式獲?。▓D2）。這個(gè)方法已被普遍應(yīng)用于黃土高原和赤峰黃土剖面[19]。其中，MIS1/2控制點(diǎn)年齡為11 ka，MIS5/6控制點(diǎn)年齡為130 ka，MIS7/8控制點(diǎn)年齡為243 ka，MIS9/10控制點(diǎn)年齡為337 ka，MIS11/12控制點(diǎn)年齡為424 ka。

1.4 化學(xué)風(fēng)化指數(shù)

本研究采用度量化學(xué)風(fēng)化程度的參數(shù)有：元素遷移指數(shù)：αAlE=[Al/E]sample/[Al/E]UCC、化學(xué)蝕變指數(shù)（CIA）[Al2O3/（Al2O3+K2O+Na2O+CaO*）]、化學(xué)蝕變指標(biāo)（CPA，Chemical Proxy of Alteration）[Al2O3/（Al2O3+Na2O）]、退堿指數(shù)（Bc）[（CaO*+Na2O）/Al2O3]、風(fēng)化淋溶系數(shù)（BA）[（K2O+Na2O+CaO*+MgO）/Al2O3]、化學(xué)風(fēng)化指數(shù)（CIW，Chemical Index of Weathering）[Al2O3/（Al2O3+Na2O+CaO*）]和風(fēng)化指數(shù)（WIP，Weathering Index）[100×（CaO*/0.7+2Na2O/0.35+2K2O/0.25+MgO/0.9）]。上述式中：各元素采用摩爾分?jǐn)?shù)，CaO*為硅酸鹽主峰中的CaO。本文采用McLennan[20]提出的校本方法估算硅酸鹽組分中的CaO含量：首先消除磷灰石中的CaO，即CaOR=mol CaO-（10/3×mol P2O5）。假如CaOR≤Na2O，則CaOR值=CaO*；假如CaOR＞Na2O，則CaO*=Na2O。

αAl指數(shù)[21]反映的是樣品中的穩(wěn)定元素Al和任意元素E比值與其在UCC（Upper Continental Crust）中相比較，αAlE＞1，E元素相對(duì)于UCC表現(xiàn)為虧損；αAlE=1，E元素不富集也不虧損；αAlE＜1，E元素相對(duì)于UCC呈現(xiàn)為富集狀態(tài)。CIA值主要反映硅酸鹽礦物（主要是長(zhǎng)石礦物）的風(fēng)化程度[22-24]，通常情況下，CIA指數(shù)介于50～100之間[25]，其中80～100反映炎熱潮濕條件下的強(qiáng)烈風(fēng)化程度；60～80屬于溫暖濕潤(rùn)氣候條件下的中等風(fēng)化程度；50～60代表寒冷干燥氣候條件下的低等化學(xué)風(fēng)化程度[26-27]。一般情況下，CIW指數(shù)在50～60之間屬于未經(jīng)過(guò)風(fēng)化的巖石，CIW＞70，表明該樣品經(jīng)過(guò)較強(qiáng)烈的化學(xué)風(fēng)化[28-29]。隨著化學(xué)風(fēng)化和再循環(huán)的增強(qiáng)，WIP指數(shù)降低。CPA為反映鈉長(zhǎng)石淋溶強(qiáng)度的適宜指標(biāo)[30]，BA主要反映鹽基的淋溶情況，與化學(xué)風(fēng)化呈反比[31]，Bc值越大，沉積環(huán)境越干旱，越小越暖濕[32]。

2 結(jié)果與討論

2.1 元素特征

荒山巖芯黃土層的主量元素以SiO2（61.02%）、Al2O3（19.51%）、Fe2O3（4.19%）和K2O（3.03%）為主，四者平均含量之和可達(dá)87.75%；古土壤層的主量元素以SiO2（65.85%）、Al2O3（19.33%）和Fe2O3（4.23%）為主，三者之和可達(dá)89.41%。其中，SiO2變化范圍為58.15%～66.70%（平均值為63.44%，下同）；Al2O3變化范圍為 16.98%～20.59%（19.42%）；Fe2O3變化范圍為 3.03%～4.58%（4.21%）；MgO變化范圍為1.56%～2.07%（1.87%）；CaO變化范圍為0.72%～0.96%（0.87%）；Na2O變化范圍為1.62%～2.45%（1.84%）；K2O變化范圍為2.80%～3.19%（2.99%）；MnO變化范圍為0.001%～0.74%（0.46%）；TiO2變化范圍為0.15%～0.80%（0.39%）；P2O5變化范圍為0.001%～0.22%（0.08%）。

荒山巖芯元素隨深度表現(xiàn)出一定程度的變化（圖3），各元素有明顯的波峰曲線(xiàn)，其中，SiO2、K2O、Na2O、TiO2元素含量在古土壤S1和S3中表現(xiàn)出明顯的峰值，Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、P2O5元素含量有明顯的低谷。相對(duì)于UCC平均含量[33]，荒山巖芯的SiO2、MgO、CaO、Na2O、K2O、P2O5含量明顯偏低，Ca、Na元素虧損較多，Al2O3、MnO元素含量較高，F(xiàn)e2O3、TiO2含量與UCC基本一致。

2.2 元素遷移αAl指數(shù)特征

元素的化學(xué)風(fēng)化分異規(guī)律取決于其表生環(huán)境中的地球化學(xué)行為[20，33]。在化學(xué)風(fēng)化過(guò)程中，元素的遷移能力通常依次為：Ca＞Sr＞Na＞Mg＞K＞Si＞（Fe、Ti、Al）[34]，荒山巖芯黃土-古土壤序列的αAl指數(shù)在0.59～6.87之間變化，其中，αAlFe變化范圍為1.32～1.8（1.53）；αAlCa變化范圍為 5.55～6.87（6.20）；αAlMg變化范圍為1.36～1.71（1.51）；αAlK變化范圍為1.31～1.79（1.46）；αAlNa變化范圍為1.78～3.73（2.75）；αAlTi變化范圍為0.73～1.04（0.91）；αAlRb變化范圍為1.09～1.43（1.23）；αAlSr變化范圍為1.70～2.46（2.03）；αAlCs變化范圍為0.59～0.91（0.75）；αAlBa變化范圍為1.07～1.58（1.28）?；纳綆r芯中，F(xiàn)e、Ca、Mg、K、Na、Rb、Sr、Ba元素較為虧損（圖4），Ti、Cs元素相對(duì)富集，按反應(yīng)的化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度，哈爾濱荒山巖芯元素遷移αAl指數(shù)可排序?yàn)棣罙lCa＞αAlNa＞αAlSr＞αAlFe＞αAlMg＞αAlK＞αAlBa＞αAlRb＞αAlTi＞αAlCs，其中，在黃土層αAl指數(shù) 序 為 αAlCa＞αAlNa＞αAlSr＞αAlFe＞αAlMg＞αAlK＞αAlBa＞αAlRb＞αAlTi＞αAlCs，在 古 土 壤 層 中，αAl指 數(shù) 序 為αAlCa＞αAlNa＞αAlSr＞αAlFe＞αAlMg＞αAlK＞αAlBa＞αAlRb＞αAlTi＞αAlCs。αAl指數(shù)在黃土層-古土壤層排序一致，可見(jiàn)黃土-古土壤形成環(huán)境的相似性。

2.3 化學(xué)風(fēng)化程度

荒山巖芯黃土-古土壤序列的CIA值變化范圍為67.6～76.5之間，平均值為71.6；CIW指數(shù)變化在77.2～85.3之間，平均值為81.4。在古土壤層（S0～S4）中，CIA范圍分別為73.0～73.9（73.4）、67.6～71.8（69.8）、71.3～72.8（72.2）、69.6～73.9（72.3）、72.0～72.9（72.3）；黃土層（L1-L5）變化范圍分別為71.0～73.6（72.2）、71.1～74.1（72.7）、71.3～73.1（72.2）、71.1～73.3（72.3）、71.8～74.5（73.0）。CIA值在荒山巖芯黃土-古土壤序列中沒(méi)有明顯變化，相對(duì)于黃土層，古土壤層也未表現(xiàn)出更高的化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度，甚至在古土壤S1和S3層中有明顯的低值（圖5）。WIP與CIA曲線(xiàn)變化趨勢(shì)相對(duì)一致，即可排除鉀的交代作用的影響。W（Weathering）指數(shù)[35]和WIP的值也常用來(lái)反映礦物的風(fēng)化程度，未風(fēng)化母巖的W值一般在0～15[36]，荒山巖芯W(wǎng)變化范圍為45.0～56.5（51.7），遠(yuǎn)大于未風(fēng)化母巖的W值，綜上所述可確定該巖芯經(jīng)歷了中等化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度。

如圖5所示，CPA曲線(xiàn)、BA曲線(xiàn)和Bc曲線(xiàn)表現(xiàn)為波動(dòng)起伏，CPA與BA和Bc曲線(xiàn)呈現(xiàn)出明顯的對(duì)稱(chēng)性，體現(xiàn)為負(fù)相關(guān)性特征。從曲線(xiàn)變化特征上看，CPA同CIA一樣在S1和S3古土壤層也呈現(xiàn)出明顯的最低值，而B(niǎo)A和Bc在此處表現(xiàn)為明顯的最高值，表明該處化學(xué)風(fēng)化程度較弱。從平均值上看，在黃土層（L1-L5）中，CPA平均值為86.4，BA平均值為0.4，Bc平均值為0.1；在古土壤（S0～S4）中，CPA平均值為86.7，BA平均值為0.3，Bc平均值為0.1。CPA、BA、Bc在黃土與古土壤層沒(méi)有明顯的差異，表示黃土與古土壤形成過(guò)程中氣候差異不大，但其在古土壤中，BA、Bc平均值略小于黃土，表明古土壤形成環(huán)境較濕潤(rùn)。

在由Nesbitt和Young[26]提出的大陸風(fēng)化的Al2O3-（CaO*+NaO）-K2O三角模型，即A-CN-K三角圖解中（圖6），荒山巖芯數(shù)據(jù)點(diǎn)全部位于斜長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石上方，且與PAAS（Post-Archern average Australian Shale，代表典型的大陸初期風(fēng)化趨勢(shì)）較為接近，數(shù)據(jù)投點(diǎn)基本平行于A(yíng)-CN連線(xiàn)，表明斜長(zhǎng)石已經(jīng)風(fēng)化分解，Ca、Na流失，鉀長(zhǎng)石穩(wěn)定。數(shù)據(jù)點(diǎn)沒(méi)有向A-K連線(xiàn)靠近的趨勢(shì)，說(shuō)明還沒(méi)有進(jìn)入脫K過(guò)程。各數(shù)據(jù)點(diǎn)緊緊聚集團(tuán)簇，說(shuō)明哈爾濱黃土經(jīng)歷了一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)的化學(xué)風(fēng)化。風(fēng)化指數(shù)WIP常用于估算沉積物的化學(xué)風(fēng)化程度甚至可以區(qū)分初次沉積和再沉積循環(huán)[37]，即使在風(fēng)化程度很強(qiáng)地區(qū)，初次循環(huán)沉積物的CIA/WIP比值也很少超過(guò)10，而多次循環(huán)沉積物的CIA/WIP比值通常大于10，甚至達(dá)到100左右[37]，荒山巖芯中，CIA/WIP比值在1.74～2.34之間，表明荒山巖芯至少經(jīng)歷了一次沉積循環(huán)。K2O/Al2O3與Na2O/Al2O3二元圖解常被用來(lái)解釋沉積物的化學(xué)風(fēng)化程度及循環(huán)再沉積[38]。結(jié)合圖6的A-CN-K三角圖和K2O/Al2O3與Na2O/Al2O3二元圖解表明，荒山巖芯黃土-古土壤經(jīng)歷了中等程度的化學(xué)風(fēng)化和再循環(huán)過(guò)程。

2.4 磁化率與重礦物特征

黃土磁化率由沉積物中鐵磁性礦物濃度決定[42]，古土壤層通常經(jīng)歷了磁性礦物的富集較其原生黃土有相對(duì)較高的磁化率值[43-45]?；纳綆r芯磁化率曲線(xiàn)如圖5所示，地表受人類(lèi)活動(dòng)的影響，有一個(gè)明顯的最高值，其次，在黃土-古土壤層呈現(xiàn)出了高低性周期變化，黃土層出現(xiàn)了明顯的較高值，在古土壤層磁化率較低，與黃土高原磁化率有相反的變化規(guī)律，與阿拉斯加和西伯利亞較為相似[46]。

從圖5磁化率曲線(xiàn)變化趨勢(shì)上看，磁化率在古土壤層有明顯的低值，在黃土層磁化率相對(duì)較高?；纳綆r芯重礦物主要包括磁鐵礦、磁赤褐鐵礦、角閃石、綠簾石、輝石、石榴子石、電氣石、赤褐鐵礦、鈦鐵礦、獨(dú)居石、榍石、白鈦石、銳鈦石、金紅石、磷灰石、鋯石等，其中磁鐵礦和磁赤褐鐵礦為鐵磁性礦物。由圖7重礦物含量可知，哈爾濱古土壤不含磁鐵礦，鐵磁性礦物為磁赤褐鐵礦且含量?jī)H為3.09%，黃土層磁性礦物為磁鐵礦，為強(qiáng)磁性礦物，在L2、L3、L4層含量分別為9.17%、10.09%、15.48%，表明鐵磁性礦物含量差異是導(dǎo)致磁化率高低變化的基本原因。

黃土磁化率增強(qiáng)機(jī)制有多種解釋?zhuān)妓徕}溶解作用[43]、自然條件下的植被燃燒[47]、成壤作用[44，48]、植物殘?bào)w分解[49]、磁通量稀釋模式[50]、物源物質(zhì)的影響[51]、風(fēng)力作用[52]、成壤過(guò)程中發(fā)生的磁性礦物的溶解作用[46]?；纳綆r芯CIA、CIW、CPA、W指數(shù)與磁化率具有相同的變化特征，在古土壤層低于黃土層，且BA、Bc指數(shù)表征哈爾濱古土壤形成氣候較為濕潤(rùn)。荒山巖芯古土壤的磁化率解釋可歸因于磁性礦物的溶解作用。黃土高原大部分地區(qū)，蒸發(fā)量大于降水量，地表長(zhǎng)期處于一種干旱氧化環(huán)境，適當(dāng)?shù)乃钟欣诩?xì)小的磁鐵礦和磁赤鐵礦形成，使得磁化率與古氣候呈正比；哈爾濱地區(qū)所處緯度較高，氣候較為寒冷，蒸發(fā)作用較弱，每年10—5月份均會(huì)有冰雪覆蓋，降水量大于黃土高原地區(qū)，寒冷濕潤(rùn)氣候?yàn)樵摰貐^(qū)的主要特征。間冰期濕潤(rùn)環(huán)境導(dǎo)致該地區(qū)地表趨于還原環(huán)境，喜氧化的強(qiáng)磁性礦物磁鐵礦和磁赤鐵礦還原為弱磁性礦物褐鐵礦等。

2.5 古土壤形成環(huán)境

我國(guó)黑土分布于四季分明的北溫帶，主要分布于遼寧省、吉林省、黑龍江省中東部，地處溫帶半濕潤(rùn)氣候區(qū)，黑土分布區(qū)氣候條件較為濕潤(rùn)，年降水量一般為500～800 mm左右，大多數(shù)集中于暖季，占全年降水量1/2以上，東北地區(qū)廣泛存在的季節(jié)性冰融交替現(xiàn)象大幅度提高了土壤團(tuán)聚體的水穩(wěn)定性[53]，凍融作用可使土壤中水分發(fā)生遷移，由水勢(shì)高的下部遷移至上部，隨著凍融循環(huán)周期的增加，土壤含水量逐漸增大[54]，凍融作用和冰雪融化是土壤容重、土壤結(jié)構(gòu)和含水率的重要因素[55]。

以往研究表明黑土是溫帶草原草甸條件下形成的土壤，其自然植被為草原化草甸植物，母質(zhì)絕大多數(shù)為黃土性黏土，土壤質(zhì)地較黏，透水較差，且有季節(jié)性?xún)鐾?，容易形成上層滯水，夏季溫暖多雨，植物生長(zhǎng)茂盛，有機(jī)物年積累量非常大，秋季霜期較早，植物殘?bào)w易存于地表和地下，隨之冬季氣溫急劇下降而使殘枝落葉等有機(jī)質(zhì)得不到較好分解，第二年夏季土溫升高，微生物作用迫使植物殘?bào)w轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)在土壤中積累，從而形成深厚的腐殖質(zhì)層。在夏季多雨時(shí)期，在臨時(shí)性滯水和有機(jī)質(zhì)分解產(chǎn)物的影響下，產(chǎn)生還原條件，使土壤中的鐵元素發(fā)生還原，這也是導(dǎo)致上述古土壤層磁化率低的重要因素?？梢?jiàn)，黑土成土過(guò)程是一種特殊的草甸過(guò)程，主要包括腐殖質(zhì)積累過(guò)程和物質(zhì)的遷移與轉(zhuǎn)化過(guò)程[56]。

其次，黑土區(qū)冬季較為寒冷，降雪量較少，土壤凍結(jié)深度較大，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，季節(jié)性?xún)鰧用黠@，凍層的存在對(duì)黑土團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成具有重要意義[57]，土的凍脹作用會(huì)使土壤顆粒進(jìn)一步變細(xì)，粉粒、黏粒含量增多[58]。土壤冰凍狀態(tài)保持時(shí)間的長(zhǎng)短，凍土一般可分為短時(shí)凍土、季節(jié)凍土以及多年凍土3種類(lèi)型。短時(shí)凍土難以形成持續(xù)的還原環(huán)境，多年凍土在長(zhǎng)期低溫下，有機(jī)質(zhì)難以進(jìn)行礦化分解，因此，黑土多分布于季節(jié)凍土區(qū)[57]。

哈爾濱古土壤不同于赤峰地區(qū)的紅色古土壤[59]及黃土高原乃至其他地區(qū)的棕紅色古土壤[59]，哈爾濱古土壤為灰褐色-灰黑色黏土，結(jié)構(gòu)致密，粒間孔隙度較小，透水性差，通氣性差，熱容量大，溫度不易上升，為冷性土，古土壤的此種地域性差異可追溯為氣候差異。

赤峰地區(qū)地處內(nèi)陸，屬于溫帶半干旱大陸性氣候區(qū)，年平均氣溫為7.5℃，年均降水量365 mm。哈爾濱年均降水量529 mm，氣候較為寒冷（年平均氣溫為4.5℃），且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。一年中，表土溫度最低值出現(xiàn)在1月份，之后溫度開(kāi)始緩慢升高，到3月末地溫開(kāi)始變?yōu)榱闵?，?月中旬凍土全部消融，夏季多雨短暫，降水量大于赤峰及黃土高原地區(qū)，蒸發(fā)量小于赤峰及黃土高原地區(qū)，氣溫較低、濕度較大為本區(qū)的主要?dú)夂蛱攸c(diǎn)。

荒山巖芯中，低的化學(xué)風(fēng)化程度（CIA、CIW、CPA、W表現(xiàn)為低值，而B(niǎo)A、Bc、WIP體現(xiàn)出明顯的高值）表明了哈爾濱古土壤冷濕氣候條件下的成壤環(huán)境，蒸發(fā)量小于降水量，致使地表長(zhǎng)期處于濕潤(rùn)氣候環(huán)境，古土壤層質(zhì)地較黏，透水性較差，水分在不透水層或透水速度較慢層容易造成缺氧環(huán)境及還原環(huán)境，這種條件下鐵磁性礦極易發(fā)生溶解作用，強(qiáng)磁性礦物磁鐵礦還原為弱磁性礦物褐鐵礦等。哈爾濱古土壤的這種滯水潛育成壤機(jī)制與黑龍江黑土的形成過(guò)程類(lèi)似，故可稱(chēng)之為古黑土。盡管哈爾濱古土壤為間冰期氣候條件下的產(chǎn)物，其水熱配置成壤條件應(yīng)為冷濕環(huán)境。黃土為風(fēng)力搬運(yùn)沉積而形成，是冰期冷干氣候條件下的產(chǎn)物。

3 結(jié) 論

（1）荒山巖芯的黃土層中常量元素以SiO2、Al2O3、Fe2O3和K2O為主，四者之和可達(dá)87.75%；古土壤層中以SiO2、Al2O3和Fe2O3為主，三者之和可達(dá)89.41%。表征元素遷移能力的αAl指數(shù)在化學(xué)風(fēng)化過(guò)程中Ca、Na、Sr、Fe、Mg、K、Ba和Rb元素的相對(duì)虧損，Ti和Cs元素的相對(duì)富集，在黃土-古土壤序列中的排序依次為αAlCa＞αAlNa＞αAlSr＞αAlFe＞αAlMg＞αAlK＞αAlBa＞αAlRb＞αAlTi＞αAlCs。（2）荒山巖芯的BA指數(shù)平均值為0.4；Bc指數(shù)平均值為0.1，Rb/Sr比值在古土壤中比值均大于其在下伏黃土，表明古土壤形成時(shí)氣候較為濕潤(rùn)。CPA（86.5）CIA（71.6）CIW（81.4）和W（51.7）均體現(xiàn)出該巖芯屬于中等化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度。黃土-古土壤的化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度沒(méi)有明顯差異，且在古土壤S1和S3層中表現(xiàn)為最低程度的化學(xué)風(fēng)化。（3）與洛川和赤峰黃土磁化率對(duì)比，哈爾濱地區(qū)黃土-古土壤序列磁化率特征體現(xiàn)出了明顯的地域性差異，古土壤層磁化率低于黃土層。從重礦物組成上看，哈爾濱古土壤不含磁鐵礦，且鐵磁性礦物為磁赤褐鐵礦，含量?jī)H為3.09%，黃土層中鐵磁性礦物為磁鐵礦，為強(qiáng)磁性，在L2，L3，L4層含量分別為9.17%、10.09%和15.48%，磁性礦物種類(lèi)及含量是影響磁化率高低變化的基本原因。黑龍江地區(qū)緯度高，氣溫低，降雨量大，蒸發(fā)量小，荒山巖芯古土壤的磁化率解釋機(jī)制可歸因于磁性礦物的溶解作用。（4）哈爾濱古土壤S1和S3層，磁化率、CIA、CIW、CPA、W均體現(xiàn)出明顯的低值，BA、Bc、WIP體現(xiàn)出明顯的高值，表明哈爾濱古土壤是冷濕條件下成壤作用的產(chǎn)物，與黑龍江黑土形成環(huán)境相似。盡管哈爾濱古土壤為間冰期氣候條件下的產(chǎn)物，但成壤環(huán)境與其他地區(qū)有較大的差異性，其水熱配置應(yīng)為冷濕環(huán)境。

致 謝：地球化學(xué)組成得到中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）地質(zhì)過(guò)程與礦產(chǎn)資源國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室黃俊華研究員的大力支持，碩士研究生杜慧榮、孫磊和王嘉新參加了部分野外取樣和實(shí)驗(yàn)室樣品處理工作，在此一并表示感謝。