李欣+龐獎勵+黃春長+周亞利+鄭樹偉

摘要：本研究對湖北鄖縣盆地內黃坪村（HPC）剖面的剖面構型、年齡框架以及剖面各地層單元的磁化率、粒度、微形態(tài)、燒失量、Rb/Sr指標進行分析比對。結果表明，HPC剖面具有TS-L0-S0-Lt-L1的剖面構型。各地層經歷的風化成壤強度不同，其成壤強度排序為：古土壤S0>過渡層Lt>全新世黃土L0>馬蘭黃土L1。剖面記錄了鄖縣盆地全新世氣候的演變過程：11500～8500aB.P.氣候回暖；8500～3100aB.P.氣候溫暖濕潤；3100aB.P.至今，氣候惡化以干涼為主要特征。

關鍵詞：黃土-古土壤序列；成壤；全新世；環(huán)境變化；漢江上游地區(qū)

中圖分類號：S151+.3（263）文獻標識號：A文章編號：1001-4942（2015）04-0088-07

全新世是人類進入文明社會的重要時期，這一時期的氣候變遷與社會發(fā)展、科學進步有著密切的關系，因此深入理解全新世環(huán)境變化具有重要意義。漢江上游地區(qū)位于南北方過渡帶，北亞熱帶北緣，屬于全球氣候變化的敏感帶，該區(qū)域的氣候演變研究對完善全球氣候變化具有不可替代的作用。目前對該區(qū)域的古氣候研究多集中于氣象要素的短尺度記錄以及歷史文獻災害事件的整理[1～4]，或以石筍、樹木年輪、湖盆泥炭及孢粉為研究介質記錄氣候變化[5～9]，少有以黃土為研究介質的報道。國內外學者在我國黃土高原、長江中下游等地區(qū)均發(fā)現黃土存在，并將黃土高原的南界定為秦嶺的北麓，對黃土的研究也主要集中于黃土高原地區(qū)[10～12]。風成黃土在秦嶺南側亞熱帶環(huán)境下的堆積特征、成壤改造特征及其蘊含環(huán)境信息等方面的研究仍是個空白。經野外調查及進一步研究發(fā)現，秦嶺以南的漢江上游階地上分布著大量“黃土狀物質”，這些“黃土狀物質”具有典型的風塵堆積物的特征，且與黃土高原全新世黃土——古土壤地層結構相同[13～16]，但這些風成黃土在秦嶺側亞熱帶環(huán)境下的堆積特征、成壤改造特征及其蘊含環(huán)境信息仍需進一步探究。因此，本研究以漢江上游鄖縣盆地黃坪村（HPC）剖面為依托，利用地層對比建立年代序列框架，結合黃土古土壤的組成特征、風化特征綜合分析其成壤特征，以部面的成壤特征為指導，解譯秦嶺以南的北亞熱帶地區(qū)環(huán)境演變信息。

收稿日期：2014-11-26

基金項目：國家自然科學基金項目（41271108；41030637；41371029）；中央高校基本科研費（CK201301003）

1材料與方法

1.1研究區(qū)域概況

鄖縣盆地位于湖北省四北部，北依秦嶺，南屏大巴山，漢江自西向東橫穿全境。屬于北亞熱帶季風氣候，氣候溫和濕潤，年均氣溫15.8℃，年積溫約4800～5000℃。氣溫年較差為25.2℃，無霜期244天，年均降水量約為830mm，年均日照總時數為2000h。自然植被以過渡類型的常綠闊葉與落葉闊葉混交林為主。區(qū)域內主要分布有黃褐土和黃棕壤。盆地內地勢平緩，高差小于100m。漢江兩岸可見1～4級河流階地，其中2～4級階地地勢起伏大，風塵沉積物不易保存，而一級階地發(fā)育完整且地勢平坦寬闊，有利于風塵堆積物的保存。

1.2研究材料

在鄖縣—鄖西段漢江兩岸進行了詳細的野外考察，最終選取鄖縣黃坪村（HPC）剖面（32°50'20"N，110°44'27"E）（見圖1）進行深入細致的研究。該剖面天然出露于漢江上游一級階地的前沿，為上覆于漢江上游谷地一級階地之上的厚層風塵沉積物剖面，其下部河流相沉積物清晰可見。剖面所在的漢江上游第一級階地面寬約1000m，起伏平緩，寬緩的階地面能夠使上覆風塵沉積物剖面很好地保存下來，較少受到坡積物及水土流失作用的影響。剖面頂部雖受人為耕作活動影響，但對整個剖面沒有顯著影響，保證了主體的完整性。

1.3研究方法

從剖面頂部向下每隔5cm連續(xù)采樣，共獲得136個樣品。樣品在實驗室自然風干后，進行磁化率、粒度、微形態(tài)、燒失量、Rh/Sr分析。磁化率是將風干土樣研磨至<2mm的均勻顆粒，準確稱取10g裝入無磁性塑料盒中，用英國Bartington公司生產的MS-2B型磁化率儀測量；粒度測量先稱取0.8g樣品，用H2O2和HCl去除有機質和碳酸鹽，加水清洗后靜置72h后加入適量分散劑（六偏磷酸鈉），再由美國Beckman公司生產的LS13320型激光粒度儀測得；土壤微形態(tài)特征使用Leica-DMRX顯微鏡觀察；燒失量測定采用燃燒失重法測量；元素測定，將自然風干樣品研磨200目以下并壓成圓片，采用荷蘭Panalytical公司生產的X-Ray熒光光譜儀（PW2403）測定。

2結果與分析

2.1地層結構與年代框架

綜合分析剖面的質地、顏色變化及磁化率等特征，可將HPC剖面劃分出5層（表1），再與已研究的LWD（遼瓦店）剖面和TSG剖面進行對比（表1，圖2）發(fā)現，漢江上游鄖縣段河流一級階地上的黃土剖面具有統(tǒng)一的構型，并與渭河谷地地層序列相同，剖面從上到下依次可劃分為：表土層（TS）—全新世黃土層（L0）—古土壤層（S0）—過渡性黃土層（Lt）—馬蘭黃土層（L1）。

HPC剖面與LWD剖面（32°47'11"E，110°42'14"）[5]直線距離小于10km，選取地點皆為平坦寬闊的漢江上游鄖縣段河流一級階地面上，所處的地理環(huán)境相同。兩剖面皆為厚層的風成黃土，均可劃分出5個地層，且各地層的顏色、質地、結構等特征相似（表1），說明兩剖面具有良好可比性。岡此本研究將以LWD已知的釋光（OSL）測年數據作為絕對測年參照標尺（如圖2），結合地層對比的方式確定HPC剖面地層的年代序列框架。河流階地上覆蓋的連續(xù)沉積物可記錄階地形成后穩(wěn)定時期的氣候變化信息，沉積物的底界年齡就是階地形成的最小年齡，漢江一級階地形成時問為晚更新世[17]，所研究的厚層黃土直接覆蓋在階地之上，由此可判斷剖面底界的年齡不早于晚更新世。LWD測年數據顯示，古土壤S0頂部的年齡在3050aB.P.，在古土壤S0頂部見有灰色陶屑片（周代），這指示古土壤S0頂界年齡在3100aB.P.附近，而在HPC黃家坪等剖面的L0底部也發(fā)現有類似的周代灰色陶屑片[18]，這些文化遺跡指示的地層年齡（3100aB.P.）和OSL年齡的分布范圍十分吻合，這個年齡數據也與渭河谷地古土壤S0的年齡頂界（3100aB.P.）[19，20]一致?；谏鲜隼碛?，將古土壤S0的上界年齡定為3100aB.P.，LWD剖面的古土壤S0底部年齡為8770aB.P.，這個年齡與渭河谷地古土壤S0底界年齡（8500aB.P.）[19，20]也一致，HPC與LWD可良好比對，故將HPC古土壤S0的下界年齡定為8500aB.P.。LWD的釋光L1年齡12980aB.P.，該年齡渭河谷地的L1頂界年齡11500aB.P.接近[10，12]。因此，可將HPC剖面的L1頂界年齡界定為11500aB.P.。endprint

2.2HPC剖面理化性質

2.2.1磁化率磁化率是反映沉積物中鐵磁性礦物含量的指標，可用于評估沉積物的風化成壤強度[21]，它的變化與受夏季季風控制的降水量變化密切相關[22]。HPC剖面低頻磁化率值在（45.80～270.20）×10-8m3/kg之間。磁化率變化曲線與地層層序變化吻合（見圖5）。古土壤層S0磁化率最高，均值為224.93×10-8m3/kg，馬蘭黃土L1最低，均值為58.27×10-8m3/kg。近代黃土層L0以及過渡層Lt的磁化率值介于古土壤和馬蘭黃土之間。

2.2.2粒度HPC剖面是以粗粉砂為眾數粒級（含量為44.57%），其后依次為粘粒（含量為22.29%）、細粉砂（含量為15.26%）、砂粒（含量為17.88%）。粒度數據顯示（圖3，圖5），剖面各粒級隨深度的變化與其磁化率曲線有良好的對應，其分異特征與野外觀測的地層質地吻合。粘粒含量常作為反映風塵沉積物沉積后受到成壤改造強度的指標[23]。HPC粘粒（<5μm）在古土壤S0層最為豐富，平均含量達32.39%，顯著高于黃土層（L0、Lt、L1）粘粒含量的均值21.67%、26.90%、14.94%、細粉砂（5～10μm）具有與粘粒相似的變化趨勢。粗粉砂（10～50μm）是風力搬運的基本組分，易被風力作用吹揚在大氣中或者被長距離搬運，因此常被用作西北季風強弱的替代指標[24]。剖面中粗粉砂變化趨勢與粘粒變化趨勢相反，在黃土層呈現高值，古土壤層呈現低值。

kd值（粘粒/粉砂）反映了土壤粘化程度，古土壤層S0的Kd值最高，為0.54，大于上部全新世黃土L0（0.36）和下部馬蘭黃土L1（0.25）。在粒度頻率曲線上（圖4）馬蘭黃士層L1分布頻率曲線峰態(tài)尖窄，峰值落在粗粉砂區(qū)間內，整體粒度偏粗，以粗粉砂為主；古土壤S0的分布頻率曲線峰態(tài)寬平，整體比黃土分布曲線明顯偏細，且粘粒區(qū)間的數值明顯高于黃土層；全新世黃土L0與馬蘭黃土層L1曲線形態(tài)相似，但整體略微左偏，在粘粒、粗粉砂區(qū)段數值均高于馬蘭黃土L1。

2.2.3燒失量燒失量主要反映土壤有機質含量，它與土壤的植被覆蓋度及成壤過程當中生物活動強度的變化有關，對環(huán)境變化也具有指示意義[25～26]。由表2看出，剖面燒失量平均值范圍為25.17～35.49g/kg，古土壤層S0的燒失量在變化曲線上（圖5）呈現出峰值，該層燒失量平均值為32.92g/kg，高于黃土層Lt（26.66g/kg）。馬蘭黃土L1燒失量含量最少，為25.17g/kg。

2.2.4Rb/Sr，硅鋁系數，淋溶系數，殘積指數在風化成壤過程中，Rb+和Sr2+具有不同的地球化學特征，Rb+易被粘土礦物吸附而保留在原地，而Sr2+較容易以游離態(tài)的形式（主要以碳酸鹽形式）隨土壤溶液或地表水遷移出地層，因此，Rb/Sr值大小與風化程度呈明顯的正相關關系，可以作為衡量成壤強度的指標[27～29]。HPC剖面的Rb/Sr值在古土壤層S0平均為1.15，全新世黃土層L0為1.04，而在馬蘭黃土層L1為0.86，過渡層LtRb/Sr值則介于S0和L1之間，均值為1.07。

為了進一步比較各地層單元的成壤程度，計算了反映土壤中Ca2+、Na+、K+鹽基受淋洗的程度風化淋溶系數和殘積指數以及常用于反映熱帶、亞熱帶土壤脫硅富鋁化程度的硅鋁系數。結果表明（見表2），S0層硅鋁系數均值為4.22，小于黃土層L0、Lt、L1（4.27，4.25，4.39）。淋溶系數與硅鋁系數相同，具體表現為S0

3討論

3.1成壤強度變化規(guī)律

按照傳統(tǒng)土壤發(fā)生學的觀點，土壤的形成是以各類成土母質為基礎，受表生環(huán)境的影響不斷向下發(fā)展并產生一定發(fā)生層，由于成壤過程中很少有外來物質加入，成壤強度是呈“V”型連續(xù)向下楔入的。然而，HPC剖面與一般土壤剖面不同，呈現出向上下兩方向發(fā)展的趨勢，其形成伴隨著沉積作用，之所以會形成性質不同的黃土層（L0，Lt，L1）與古土壤層S0，是因為風塵沉積作用與成壤改造交替演化的結果。

一般而言，土壤形態(tài)特征反映了成土作用下成士母質發(fā)生的累積變化。根據土壤形態(tài)特征，如土層厚度、土壤顏色、質地、粘粒膠膜、結構性等，能夠迅速地推斷土壤發(fā)育的強弱[30]。為了得到更有利的成壤證據，這里結合實驗數據對各層土壤發(fā)育強度進行評價。馬蘭黃土L1（310～？cm）在剖面中色澤最淺，呈典型的濁橙黃色，以均質粉砂質疏松多孔為特征，該層土壤結構發(fā)育較弱，以不規(guī)則的塊狀結構為主，結構面上發(fā)現稀少的粘土膠膜，受力后極易破碎，結構體內呈現明顯的黃色，磁化率、粘粒含量、燒失量、Rb/Sr、殘積指數等指標在剖面中均呈最低值，而且各指標變化平穩(wěn)，無明顯的波動，該層缺少淀積粘土，粘粒未發(fā)生淋移，說明馬蘭黃土L1仍保持了物質均一的特性，沒有經歷明顯的物質分異過程，總體受到的風化改造較弱，且在HPC剖面中的風化程度最低。因此，可將馬蘭黃土L1的成壤特征作為評估全新世剖面的風化成壤強度的背景。

與馬蘭黃土L1相比，過渡層Lt（270～310cm）顏色明顯偏暗偏紅，并形成較致密似棱柱狀結構，土壤裂隙面附著少量暗棕色粘土膠膜，磁化率、燒失量、粘粒含量、Rb/Sr變化曲線呈同步增加趨勢，相比L1來講，殘積指數增加淋溶系數減小，說明該層土壤受到了一定的風化改造作用，其成壤強度明顯強于馬蘭黃土L1，但從粗顆粒（<10μm）較多且少有土壤形成物（粘土礦物、鐵錳質）的微形態(tài)特征中可以看出Lt仍保持了風積物的主要特征。

古土壤S0（100～270cm）在剖面中顏色最暗且偏紅，為暗棕色，以粘土-粉砂質地堅硬致密為特征，發(fā)育成典型的棱柱狀結構（1～2cm），結構面被亮紅棕色的鐵錳質粘粒膠膜包裹，受力后形成堅硬致密的碎塊，結構體內部亦被鐵質浸染成紅棕色。微結構顯示古土壤中淀積粘土占優(yōu)勢，并發(fā)育大量粘粒膠膜和鐵錳凝團，二者的出現是粘粒發(fā)生強烈機械移動和淀積的標志，也是鐵錳質開始淋移的標志，指示了較強烈的成壤作用。古土壤層S0的磁化率、燒失量、Rb/Sr、淋溶系數在該層均達到最高值，各指標波動較大，并呈現不對稱的峰狀，表明古土壤S0經歷明顯的物質分異過程，受到強烈的風化成壤改造，且在整個剖面中成壤強度最強。一般而言，黃褐土以質地粘匝（粘壤土至粘土）和土層緊實、粘化作用明顯、光性定向粘土較多、碳酸鈣強烈淋失和較弱的鐵錳淋淀作用為主要特征[31]。而S0的頻率曲線在粘粒區(qū)段明顯抬升（圖4），粘粒含量超過30%，分別是L0、L1的1.49倍和2.16倍，Kd值高達0.54，說明該層的粘粒明顯聚集具有較高的粘化程度。碳酸鈣含量<1g/kg、微形態(tài)顯示該土層中未形成明顯的鐵質獨立礦物，指示S0具有碳酸鈣強烈淋失和Fe質弱淋移的特點。古土壤S0與黃褐土的特征相符，說明S0受到的成壤改造程度與黃褐土相同。

現代黃土L0（50～100cm）的宏觀特征與馬蘭黃土相似，顏色與L1相近，呈濁黃橙色，明顯區(qū)別于古土壤S0。以粉砂質均質塊狀結構為特征，土壤結構比古土壤S0松散但比馬蘭黃土緊實，具有較多細小的孔隙和植物細根，較少發(fā)育粘土膠膜，以殘積粘土為主。磁化率、燒失量、粘粒、Rb/sr、硅鋁率、淋溶系數及殘積指數的平均值處于S0與L1之間，說明現代黃土L0受到的成壤改造強度明顯弱于古土壤S0但略強于馬蘭黃土L1。

綜上所述，HPC各層次成壤強度排序為（S0>Lt>L0

3.2氣候變化過程重建

土壤是在一定的自然條件下形成的，通過土壤特征可以反演一定時間和空間范圍內環(huán)境的演變過程。綜合分析黃土—古土壤序列和氣候替代指標不難發(fā)現HPC剖面共記錄了4個氣候變化階段：

（1）晚更新世末期（11500aB.P.）形成較厚且成壤微弱的L1，說明晚更新世末期氣候干旱寒冷，風沙活動盛行，沙塵暴強烈，粉塵堆積作用加大，減緩了成壤過程，L1微弱成壤，表明該時期干旱寒冷的氣候條件，使堆積的粉塵幾乎沒有經歷淋溶和粘化作用，難以發(fā)生顯著的成壤作用。（2）全新世早期（11500～8500aB.P.）形成具有一定成壤特征的過渡黃土Lt，說明末次冰期結束后氣候開始向暖濕方向轉變，風塵沉積物減少，從Lt的成壤特征可以看出，此時地表風化作用仍較弱，成壤作用不顯著。（3）全新世中期（8500～3100aB.P.）成壤強度相當于黃褐土的S0，說明沙暴活動減弱，風塵沉積作用減弱，強烈的成壤改造已經成為主導作用，典型的棱柱狀結構、強烈發(fā)育的鐵質粘土膠膜、較高的和Rh/Sr值以及較低的淋溶系數指示土壤經歷了強烈的淋溶和淀積作用，說明這一時期的鄖縣盆地降水充沛。而該層多植物根系和蟲孔，磁化率、燒失量顯著升高，反映氣溫增高，植被繁茂，生物作用加劇，地表風化作用增強的環(huán)境特征。結合上述風化成壤程度，說明全新世中期氣候非常溫暖濕潤。（4）全新世晚期（3100aB.P.至今），古土壤S0停止發(fā)育，并出現顯著的風塵堆積，形成黃土層L0。從S0與L0之間明顯的界限和二者成壤差異可以看出，全新世大暖期以后氣候格局突變。土壤粗顆粒增多，粘粒膠膜顯著減少，磁化率和Rb/Sr恢復低值，進一步說明這一時期環(huán)境惡化，氣溫和降水量下降，成為相對干旱的時期。

4結論

HPC剖面具有TS-L0-S0-Lt-L1的剖面構型。各層位的成壤強度不一，其成壤強度排序為：古土壤S0>過渡層Lt>全新世黃土L0>馬蘭黃土L1。HPC剖面各地層的成壤差異反映了鄖縣地區(qū)在全新世時期主要經歷了以下幾個氣候階段：11500～8500aB.P.氣候回暖，是氣候從干冷到暖濕的過渡階段；8500～3100aB.P.是全新世最適宜期，鄖縣境內氣候溫暖濕潤；3100aB.P.至今，氣候系統(tǒng)變得極不穩(wěn)定且加速惡化，暖濕程度下降。