龐獎勵，黃春長，周亞利，查小春，喬晶，張玉柱，周亮

陜西師范大學(xué)旅游與環(huán)境學(xué)院， 西安, 710062

內(nèi)容提要: 對鄖縣—白河段漢江Ⅰ級河流階地上風(fēng)成黃土的沉積學(xué)、理化性質(zhì)、地球化學(xué)和年代學(xué)進行了系統(tǒng)研究。結(jié)果表明，漢江Ⅰ河流階的形成不晚于25 ka BP；黃土具有馬蘭黃土(L1)過渡黃土(Lt)古土壤(S0)全新世黃土(L0)表土(TS)的地層序列，與渭河谷地的黃土地層序列完全可比；25 ～ 11.5 ka BP，冬季風(fēng)強盛，氣候冷干，從11.5 ka BP開始，冬季風(fēng)逐漸減弱，氣候開始向暖濕方向逐步轉(zhuǎn)化，從8.5 ka BP開始，夏季風(fēng)達到了末次冰期結(jié)束后的鼎盛時期，3.1 ka BP前后，東亞季風(fēng)格局發(fā)生變化，夏季風(fēng)減弱，重新進入一個相對干冷的時期，而人類活動對地表的影響形成了表土；漢江上游谷地黃土記錄的末次冰期后季風(fēng)逐漸加強、中全新世季風(fēng)強盛、隨后季風(fēng)衰退和氣候變干的夏季風(fēng)演變模式與渭河谷地黃土的記錄高度一致，與鄰區(qū)石筍和泥炭記錄的季風(fēng)變化趨勢也有良好的可比性，但與石筍/泥炭記錄的夏季風(fēng)強盛期的起始時間(9.3 ～ 4.2 ka BP)并不完全一致。

黃土研究取得的成果可與深海和冰芯沉積記錄相媲美，認為其形成與全球變冷和季風(fēng)的發(fā)展緊密相關(guān)(劉東生，1985；Kukla，1987；丁仲禮等，1991；Porter，2001；寧有豐，2010a,b)。例如，馬蘭黃土以上的黃土—古土壤序列就很好地記錄了末次冰期冬季風(fēng)強盛、全新世初期夏季風(fēng)逐漸增強、全新世中期夏季風(fēng)十分強盛和全新世晚期夏季風(fēng)又減弱的季風(fēng)演變規(guī)律(安芷生等，1992；郭正堂等，1996； Pang Jiangli et al., 2006; Huang Chunchang et al., 2009；劉殿兵，2012)，這種季風(fēng)演變特征在其它介質(zhì)中也有很好的記錄(姚檀棟等，1992；劉嘉麒等，2000；Wang et al., 2001; Peng Yanjia et al., 2005; 鮑錕山等，2011；梅西等，2013)。秦嶺抬升的結(jié)果不僅成為中國南北間重要的氣候分界線，也促成了漢江流域各級河流階地的形成。在秦嶺以南地區(qū)，對石筍和泥炭等介質(zhì)的研究認為11.5 ka BP以前是季風(fēng)降水稀少和冷期氣候，11.5 ～ 9.4 ka BP季風(fēng)降水處于持續(xù)增長期，中全新世夏季風(fēng)強盛；4.3 ka BP 前后季風(fēng)降水突然減少，季風(fēng)氣候從濕潤期快速進入干旱期(張華等，2002；邵曉華等，2006；馬春梅等，2008)。漢江上游的盆地分布有許多面積不等的風(fēng)成黃土，其應(yīng)能夠記錄區(qū)域氣候演變的信息。不同學(xué)者對這些黃土進行的研究獲得了一些認識(黃培華等, 1995；李中軒等，2008；龐獎勵等，2011，2013； Zhang Yuzhu et al.，2012；Sun Xuefeng et al., 2012； 查小春等，2012；Huang Chunchang et al., 2013；楊建超等，2013；毛沛妮等，2013)，但諸多問題尚不明晰，例如漢江I級階地上黃土開始堆積的時間及其地層序列？黃土記錄的季風(fēng)變化與石筍—泥炭記錄的是否一致？與渭河谷地黃土記錄的季風(fēng)變化是否一致？等等。本文通過對漢江I階地上黃土的沉積學(xué)、地球化學(xué)和年代學(xué)研究，試圖闡述漢江I級階地形成的時間、秦嶺南側(cè)亞熱帶環(huán)境中黃土風(fēng)化的特征以及記錄的季風(fēng)變化規(guī)律。

1 研究區(qū)域、材料和方法

1.1 區(qū)域背景

漢江上游地處溫帶和亞熱帶分界線，對環(huán)境變化十分敏感。區(qū)內(nèi)多年平均降水870 mm，降雨集中在5～10月份(圖1)。漢江發(fā)源于陜西省寧強縣，于武漢匯入長江，上游(丹江口以上)自西向東穿行于秦嶺和大巴山之間，長約925 km。漢江流域的地形以峽谷和盆地為主，峽谷地段一般缺少漫灘，階地狹窄或缺失。盆地地段的河流階地較發(fā)育，可見到I～Ⅳ級階地，階地面分別高出漢江平水位10～15 m、30～40 m、60～70 m 和90～110 m，一般認為分別形成于全新世或晚更新世、晚更新世、中更新世和早更新世。I級階地分布較廣泛和階地面較平坦，如漢中盆地、安康盆地、鄖縣盆地等地均可見到發(fā)育較好的I級階地，而Ⅱ～Ⅳ級階地的階地面一般侵蝕破壞嚴重，多遭受沖溝強烈切割破壞，地形多呈丘陵，地層殘缺不全(朱震達,1955;沈玉昌,1956; 楊秀芬等，1987；閻桂林,1993)。

圖1 漢江上游地區(qū)概況圖Fig. 1 Map showing the upper reaches of Hanjiang River valley，China

1.2 研究材料

對丹江口—安康段漢江調(diào)研發(fā)現(xiàn)，盆地地區(qū)的Ⅰ級河流階地發(fā)育較好，階地面寬緩和侵蝕較弱，其上常覆蓋5～10 m厚的黃土，不同地點的黃土可進行良好的對比(例如庹家州、晏家棚、前坊村、彌陀寺、黃家坪等地，圖1)，這些黃土無疑是記錄漢江Ⅰ級階地形成以來氣候變化信息的良好載體。當(dāng)?shù)亟鸬V在采挖漢江河道含金礫石過程中形成的天然斷面使多處Ⅰ級階地及覆蓋物完整地暴露，本文的研究對象——前坊村剖面就是其中之一。前坊村剖面位于鄖縣前坊村段漢江Ⅰ級階地，為超過15 m厚的天然斷面，黃土(約6m厚)清晰地覆蓋在河流相礫石層上(圖1)，剖面沉積過程連續(xù)，人類耕作活動的影響僅集中在地表附近(30cm內(nèi))。根據(jù)顏色和結(jié)構(gòu)的變化，剖面從上到下依次劃分為7層：

第1層，表土層(TS)，0～40cm，濁棕(5YR7/4)，粘土—粉砂質(zhì)地，團粒結(jié)構(gòu)，疏松多孔。

第2層，黃土層(L0)，40～110cm，濁黃橙(7.5YR 5/4)，粉砂質(zhì)地，塊狀—團塊狀結(jié)構(gòu)。

第3層，古土壤(S0)，110～260cm，濁紅棕(5.5YR 3/4)，大量亮紅棕色粘土膠膜，結(jié)構(gòu)體內(nèi)部呈紅棕色，粘土質(zhì)地，棱塊狀結(jié)構(gòu)，十分致密，少量鐵錳結(jié)核(<0.2mm)。

第4層，過渡層(Lt)，260～320cm，濁黃橙色(7.5YR 5/4)，粉砂質(zhì)地，塊狀構(gòu)造，裂隙面常常有暗棕色粘土膠膜，但結(jié)構(gòu)體內(nèi)仍是濁黃橙色。

第5層，黃土層(L1)，320～480cm，濁黃橙色(7.5YR 5/4)，粉砂質(zhì)地，均勻的塊狀構(gòu)造，底部見較多碳酸鹽結(jié)核，與下部砂層界限清晰。

第6層，典型砂層，480～600cm，亮黃橙色，中砂，河漫灘相沉積物。

第7層，礫石層，厚度大于300cm。

1.3 研究方法

從剖面頂部向下2cm連續(xù)采全樣，至礫石層頂部，共290個樣品，同步采集OSL測年樣品。地層界線根據(jù)野外觀察和實驗數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法確定。樣品顏色描述采用標準比色卡描述(中國科學(xué)院南京土壤研究所，1989)。粒度用貝克曼公司生產(chǎn)的激光粒度儀(LS13320)測量。元素用荷蘭帕納科公司的X-Ray熒光光譜儀(PW2403)測定，實驗過程中加入標準樣品(GSS-1)，誤差控制在5%內(nèi)。OSL測年采用單片再生劑量法，用丹麥生產(chǎn)的RIS TL/ OSL2DA215儀測量，釋光信號通過 9235QB15 光電倍增管檢測，濾光片為 U340。

2 黃土地層年代與漢江Ⅰ級階地形成時間

2.1 漢江Ⅰ級階地形成時間

河流階地的形成是區(qū)域構(gòu)造運動和氣候變化共同作用的產(chǎn)物，構(gòu)造運動為階地的形成提供了垂直空間，而在構(gòu)造運動后的相對穩(wěn)定期氣候變化則成為階地上沉積物形成驅(qū)動力，沉積物底界的年齡就是階地形成的最小年齡(胡小猛等,2001；Starkel，2003；潘保田等；2007)。OSL測年數(shù)據(jù)顯示，前坊村剖面底部黃土層(L1)的最老年齡是20.66±0.95 ka BP，考慮樣品的位置，根據(jù)黃土厚度與年齡的關(guān)系外推得到剖面底界年齡大致在25 ka BP。砂層的OSL年齡是24.62±1.99 ka BP，與外推的黃土底部年齡十分接近(圖2)。同樣方法得到其它地點黃土L1底界年齡分別是：歸仙河口24 ka BP、庹家州大于26 ka BP、羅家灘26 ka BP、遼瓦店25 ka BP、彌陀寺24 ka BP、尚家臺子25 ka BP，不同地點漢江Ⅰ級階地覆蓋物底界年齡在分布在24～26 ka BP之間(圖2)。因此，本文認為漢江上游Ⅰ級階地黃土覆蓋層的底界年齡大致在在25 ka BP，即漢江Ⅰ級階地抬升的年齡不晚于25 ka BP。薛祥煦(2004)確定的南洛河Ⅰ級階地年齡在28 ～ 31 ka BP，與本文確定的漢江Ⅰ級階地年齡接近，也為本文確定階地形成年齡提供了佐證。

2.2 黃土地層的年代

(1) 古土壤S0的年齡：不同地點的古土壤S0頂部的OSL年齡在2.9～3.3 ka BP，平均3.10 ka BP(圖2)。前坊村剖面的古土壤S0頂部位置見有灰色陶片(周代)，其它地點(遼瓦店、庹家州、黃家坪等)的古土壤S0頂部也發(fā)現(xiàn)類似的周代灰色陶片(湖北省文物局，2007)，這些文化遺跡指示古土壤S0頂界年齡在3.1 ka BP附近，與OSL年齡的范圍吻合，也與渭河谷地古土壤S0的年齡頂界年齡(3.1 ka BP)(Pang Jiangli et al., 2006; Huang Chunchang et al., 2009)一致?；谏鲜隼碛桑瑢⒐磐寥繱0的上界年齡定為31ka BP。前坊村剖面古土壤S0底部年齡為8.23 ka BP，其它地點的年齡在7.99～9.42 ka BP之間(平均8.53 ka BP)，這個年齡與渭河谷地古土壤S0底界年齡(8.5 ka BP)(Pang Jiangli et al., 2006； Huang Chunchang et al., 2009)也一致，故將古土壤S0的下界年齡定為8.5 ka BP。

(2) 黃土L1頂界年齡：前坊村剖面的兩個OSL數(shù)據(jù)分別是11.0ka BP和12.98 ka BP，其它地點黃土L1頂部的OSL年齡在10.72～12.53 ka BP之間(平均11.45 ka BP)，這個年齡數(shù)據(jù)與渭河谷地馬蘭黃土頂界的年齡(11.5 ka BP)也一致(劉東生，1985； Huang Chunchang et al., 2009), 因此將黃土L1的頂界定為11.5 ka BP。

上述分析說明用不同方法(OSL法、考古年齡、地層對比)獲得的地層年齡有良好的可比性，不同地點的地層年齡也有良好可比性，與渭河谷地的黃土地層的年齡也可進行良好比較，這說明本文所確定的地層年代是合理的，即黃土L1的底界和頂界年齡分別是25 ka BP 和11.5 ka BP,古土壤S0的底界和頂界年齡分別在8.5 ka BP和3.1 ka BP。

圖2 漢江上游前坊村剖面地層序列及年代Fig. 2 Stratigraphy and geological age of the Qianfangcun profile in the upper reaches of the Hanjiang River valley

3 漢江Ⅰ級階地黃土理化性質(zhì)

3.1 地層磁化率變化

磁化率是表征沉積物中鐵磁性礦物含量的指標，它能較好地判斷黃土風(fēng)化成壤的強度，是反映季風(fēng)強度的重要指標(劉東生，1985；安芷生等，1992；Chen Tianhu et al., 2005; 張華等，2012； )。不同地點黃土剖面的磁化率曲線有良好的可比性，均表現(xiàn)出在黃土層較低和古土壤較高的基本規(guī)律(圖3)。前坊村剖面的磁化率值在59.3×10-8～336.2×10-8m3/kg之間，平均為147.4×10-8m3/kg，大小順序是古土壤S0(260.1) >
表土MS(202.8) > 黃土L0(149.1) > 過渡層Lt(93.4) > 黃土L1(70.4)。馬蘭黃土L1(320cm以下)磁化率在剖面中最低(70.4×10-8m3/kg)，反映風(fēng)化程度比最弱。全新世黃土L0(40 ～ 110cm)的磁化率(149.6×10-8m3/kg)雖略高于黃土L1，但仍顯著地低于古土壤S0(260.1×10-8m3/kg)，證明其受到的風(fēng)化作用強度仍低于古土壤S0。古土壤S0(110 ～ 260cm)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)均反映具有強烈淋溶過程和成壤作用，土壤類型相當(dāng)黏磐濕潤淋溶土(龐獎勵等，2013)，其磁化率(260.1×10-8m3/kg)顯著高于黃土L1和黃土L0(圖3)，表明其在風(fēng)化成壤過程中有較多的次生鐵磁性礦物形成。表土層TS的磁化率較高與人類長期耕作活動有關(guān)。

圖3 漢江Ⅰ級階地黃土剖面磁化率曲線Fig. 3 Magnetic susceptibility curve of loess profiles at the first terraces in the upper reaches of the Hanjiang River Valley

3.2 粒度變化

3.3 風(fēng)化程度

圖4 前坊村剖面磁化率、平均粒徑、粘粒、Kd、CIA、Na/K和 A—CN—K分布圖Fig 4 Magnetic susceptibility, average grain size，clay particles content, Kd，CIA, Na/K and A—CN—K graph of the Qianfangcun profile in the upper reaches of the Hanjiang River valley, ChinaFig. 4c中, A=Al2O3，CN=CaO*+ Na2O，K= K2O；U—上部陸殼; Y—陸源頁巖 InFig. 4c, A=Al2O3，CN=CaO*+ Na2O，K= K2O；U—the upper continental crust; Y—terrigenous shale

4 黃土地層變化與25 ka BP以來季風(fēng)的演變

黃土作為陸地上厚度大、沉積基本連續(xù)的風(fēng)塵沉積物，較完整地記錄了第四紀以來環(huán)境變化的信息，一些替代指標的變化可靠地記錄季風(fēng)強弱的變化，例如平均粒徑的變化指示了冬季風(fēng)的盛衰，磁化率的高低對應(yīng)夏季風(fēng)的強弱，風(fēng)化強度變化與夏季風(fēng)的強弱密切相關(guān)(劉東生，1985；丁仲禮等，1991；安芷生等，1992；郭正堂等，1996；Pang Jiangli et al, 2006; Huang Chunchang et al, 2009)。剖面底部的馬蘭黃土L1以濁黃橙色為特征，磁化率(70.4×10-8m3/kg)、粘粒含量、Kd(0.24)、CIA(67.7)在剖面中均呈低值，而Md(31.2μm)卻呈最高值(圖2和圖3)，反映了較低的風(fēng)化程度，表明25 ～ 11.5 ka BP這一時期冬季風(fēng)強盛，氣候冷干，風(fēng)塵顯著堆積形成黃土L1，即具有冰期氣候的特征，全球范圍內(nèi)這一時期處于末次盛冰期。馬春梅等(2008)和張華等(2002)對鄰區(qū)大九湖中泥炭研究也認為這一時期的氣候相當(dāng)于老仙女—新仙女之間的冷期氣候，呈冷暖波動頻繁的氣候條件(圖5b)，這佐證了黃土L1記錄的氣候特征。過渡黃土Lt以裂隙面有少量粘土膠膜與黃土L1相區(qū)別，磁化率(84.5×10-8m3/kg)、粘粒含量、Kd值(0.26)和CIA值(70.1)與黃土L1相比均有增加，而Md(28.2μm)有所降低，這些指示其風(fēng)化程度有所增強，表明11.5 ～ 8.5 ka BP期間隨著全球性末次冰期的結(jié)束，冬季風(fēng)逐漸減弱，氣候開始向暖濕方向逐步轉(zhuǎn)化。大九湖泥炭也記錄在11.4 ～ 9.4 ka BP期間氣候呈現(xiàn)由末次冰期的冷濕氣候向全新世溫暖氣候轉(zhuǎn)換過渡時期的緩慢升溫過程(圖5b)。神農(nóng)架SB10石筍記錄也表明11.5 ～ 9.3ka BP是全新世初期的緩慢升溫過程，期間季風(fēng)降水處于持續(xù)增長期(圖5a)。這些結(jié)論與過渡層(Lt)反映的氣候特征一致。

圖5 漢江河谷的黃土剖面與相鄰區(qū)泥炭和石筍記錄對比Fig. 5 Comparison Qianfangcun loess profile in the Hanjiang River valley with records of the stalagmite and peat from adjacent area, China (a)前坊村黃土剖面磁化率；(b) 大九湖泥炭的有機碳同位素記錄(馬春梅等, 2008); (c) 神農(nóng)架山寶洞石筍的δ18O 記錄(邵曉華等，2006) (a)magnetic susceptibility records of Qianfancun loess profile；(b) organic carbon isotope records of peat from Dajiuhu Lake(Ma Chunmei et al., 2008); (c)δ18O records of cave stalagmite from Shennongjia area; (Shao Xiaohua et al.，2006)

古土壤S0以濁紅棕和棱塊狀狀結(jié)構(gòu)為特征，各種指標在剖面中為最高值(磁化率、粘粒含量、Kd和CIA)或最低值(Md值)，反映較強的風(fēng)化程度，這指示全新世中期(8.5 ～ 3.1 ka BP)具有夏季風(fēng)強盛的氣候特征，氣候溫暖濕潤，降水量較多和植物生長茂盛，成壤作用強烈。這種氣候在其它介質(zhì)中(泥炭、石筍、黃土高原的黃土等)也有記錄，例如，大九湖泥炭記錄在9.4 ～ 4.2 ka BP期間屬總體溫暖(圖5b)，神龍架SB10石筍記錄9.3 ～ 4.4 ka BP為降水豐沛的濕潤期(圖5c)；黃土高原的黃土也記錄全新世的溫暖時期在8.5 ～ 3.1 ka BP(安城邦等，2003；趙景波等，2009； Huang Chunchang et al.,2009；王麗娟等，2011)，這些佐證了漢江谷地黃土記錄的全新世中期暖濕氣候階段是普遍存在的。值得注意的是，土壤S0記錄的全新世中期暖濕氣候事件的起始時間(8.5 ～ 3.1 ka BP)與石筍/泥炭記錄的起始時間(9.3 ～ 4.2 ka BP)并不完全一致，而與渭河谷地古土壤S0記錄的起始時間(8.5 ～ 3.1 ka BP)相一致。

全新世黃土L0與古土壤S0相比較，各種指標(磁化率、粘粒含量、Kd、CIA)降低、其外觀結(jié)構(gòu)卻與黃土L1相似，反映其風(fēng)化強度低于古土壤S0，這表明在暖濕的全新世大結(jié)束后，東亞季風(fēng)格局發(fā)生變化，從3.1 ka BP 開始夏季風(fēng)減弱，重新進入一個相對干冷的時期，風(fēng)塵明顯堆積增強和成壤強度減弱，形成了全新世黃土L0，而地表則受到人類活動的影響形成了表土MS。鄰區(qū)的SB10石筍記錄4.4 ～ 2.1 ka BP期間是降水較少的干旱期(圖5c)，泥炭記錄3.5 ka BP 前后中全新世暖濕開始向干涼的晚全新世轉(zhuǎn)化，氣候出現(xiàn)以低溫干燥為特征(圖5b)，這些認識也佐證了上述結(jié)論。

5 結(jié)論

通過上面的討論，可獲得下列初步結(jié)論：

(1) 以O(shè)SL測年數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，論證后認為漢江上游Ⅰ級河流階地出現(xiàn)的時間在25 ka BP前后。

(3) 黃土記錄了距今25 ka BP以來季風(fēng)變化信息。在25 ～ 11.5 ka BP，具有冰期氣候的特征，表現(xiàn)為冬季風(fēng)強盛，氣候冷干的特征，風(fēng)塵顯著堆積形成黃土L1。從11.5 ka BP開始，隨著全球性末次冰期逐步結(jié)束，冬季風(fēng)逐漸減弱，氣候開始向暖濕方向逐步轉(zhuǎn)化，形成了過渡層(Lt)。從8.5 ka BP開始，夏季風(fēng)經(jīng)過前期的逐漸強盛階段，達到了末次冰期結(jié)束后的鼎盛時期，氣候溫暖濕潤，風(fēng)化成壤作用強烈并形成了黏磐濕潤淋溶土。3.1 ka BP前后，東亞季風(fēng)格局發(fā)生變化，夏季風(fēng)減弱，降雨減少，重新進入一個相對干冷的時期，同時也是古土壤S0成壤過程終止的時期，而風(fēng)塵堆積又增強形成了全新世黃土(L0)。人類農(nóng)業(yè)活動的影響形成了表土(MS)。

(4) 漢江階地上的黃土記錄的25 ka BP以來季風(fēng)具有末次冰期后季風(fēng)逐漸加強、中全新世季風(fēng)強盛、隨后季風(fēng)衰退和氣候變干的夏季風(fēng)演變模式，與渭河谷地黃土的記錄有著高度的一致性。與鄰區(qū)石筍和泥炭記錄的季風(fēng)變化趨勢也有良好的可比性，但黃土所記錄的夏季風(fēng)鼎盛階段(全新世中期暖濕氣候事件)的起始時間(8.5 ～ 3.1 ka BP)與石筍/泥炭記錄的起始時間(9.3 ～ 4.2 ka BP)并不完全一致,具體原因尚需進一步研究。