張文桐，龐獎(jiǎng)勵(lì)，周亞利，黃春長(zhǎng)，查小春，王學(xué)佳，王海燕

(陜西師范大學(xué)旅游與環(huán)境學(xué)院∥地理學(xué)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，陜西 西安 710062)

漢江上游彌陀寺剖面風(fēng)化成壤特征及其對(duì)氣候變化的響應(yīng)

張文桐，龐獎(jiǎng)勵(lì)，周亞利，黃春長(zhǎng)，查小春，王學(xué)佳，王海燕

(陜西師范大學(xué)旅游與環(huán)境學(xué)院∥地理學(xué)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，陜西 西安 710062)

對(duì)漢江上游彌陀寺發(fā)現(xiàn)的完整黃土-古土壤剖面進(jìn)行了沉積學(xué)特征以及磁化率、粒度、燒失量和w(Rb)/w(Sr)等氣候替代性指標(biāo)的分析及研究，結(jié)果表明：彌陀寺剖面自下而上具有馬蘭黃土(L1)→過渡層黃土(Lt)→古土壤層(S0)→近代黃土(L0)→表土層(TS)地層序列，記錄了自晚更新世以來的氣候變化；不同地層單元之間風(fēng)化成壤差異顯著，古土壤層(S0)的風(fēng)化成壤強(qiáng)度明顯高于其它地層，馬蘭黃土(L1)的風(fēng)化成壤強(qiáng)度最弱。剖面風(fēng)化成壤強(qiáng)度的變化揭示了自馬蘭黃土堆積以來記錄的氣候變化，馬蘭黃土形成時(shí)期氣候干燥寒冷，過渡層黃土的存在則說明氣候由干冷向暖濕轉(zhuǎn)變，古土壤層形成時(shí)期氣候最為溫暖濕潤(rùn)，近代黃土形成時(shí)期氣候由暖濕向干冷轉(zhuǎn)變。此外，彌陀寺剖面還記錄了在全新世大暖期期間的一次氣候變冷事件，結(jié)合光釋光(OSL)測(cè)年數(shù)據(jù)，確定此事件發(fā)生于6.48 ka BP左右。

風(fēng)化成壤；氣候變化；黃土-古土壤；漢江上游

隨著全球變暖問題的加劇，氣候變化問題成為人類關(guān)注的焦點(diǎn)，因此對(duì)未來氣候變化進(jìn)行有效預(yù)測(cè)顯得尤為重要。大量研究表明黃土-古土壤序列作為記錄氣候變化的良好載體，記錄了自其堆積以來的氣候變化，能反映其經(jīng)歷的化學(xué)風(fēng)化及成壤演變過程[1-5]。地處秦嶺以南的漢江上游地區(qū)，廣泛分布著風(fēng)成黃土，部分學(xué)者對(duì)其研究，取得了一系列研究進(jìn)展[6-10]。例如，馬蘭黃土以上的黃土-古土壤序列記錄了自末次冰期以來的氣候變化規(guī)律(晚更新世末期氣候干冷→全新世初期氣候向暖濕轉(zhuǎn)變→全新世中期氣候最為暖濕→全新世晚期氣候由暖濕向冷干轉(zhuǎn)變)。本文通過對(duì)漢江上游彌陀寺剖面的研究，不僅揭示了自晚更新世以來的氣候變化規(guī)律，并且發(fā)現(xiàn)在全新世大暖期期間存在氣候變冷事件，此次發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步完善了區(qū)域氣候變化資料。

1 研究材料與方法

漢江位于秦嶺南側(cè)，流經(jīng)陜西、湖北兩省，于武漢匯入長(zhǎng)江，其河谷深切入基巖之中，河道蜿蜒曲折，灘多流急，交替出現(xiàn)基巖峽谷和河谷盆地[11-12]。鄖縣盆地位于湖北省十堰境內(nèi)，地勢(shì)西高東低，南部和北部隆起，中間為漢江谷地，盆地寬幾公里到數(shù)十公里不等，長(zhǎng)約20 km，漢江從中穿越而過，在漢江兩側(cè)發(fā)育四級(jí)河流階地，階地面(特別是低級(jí)階地)比較平緩，有利于黃土的堆積以及厚層黃土的發(fā)育，在河流兩岸呈現(xiàn)面積不等的平坦黃土臺(tái)地。

彌陀寺剖面(MTS)位于湖北省鄖縣彌陀寺段漢江左岸一級(jí)河流階地(圖1)。由于采砂金而挖出的新鮮斷面，該地點(diǎn)一級(jí)階地河流相及其上覆沉積物出露，清晰可見黃土直接覆蓋在一級(jí)階地上。剖面地層完整，層次清晰。根據(jù)野外考察并結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，對(duì)此剖面進(jìn)行了詳細(xì)的地層劃分(表1)。自剖面頂部向下，以2 cm為間距進(jìn)行連續(xù)采樣，360 cm以下以4 cm為間距進(jìn)行連續(xù)采樣到深度620 cm處，共245個(gè)樣品，樣品自然風(fēng)干后進(jìn)行磁化率、粒度、燒失量、化學(xué)元素等指標(biāo)的測(cè)量。

磁化率測(cè)量方法：取適量風(fēng)干樣品(>10 g)在研缽中研磨至土壤顆粒的自然形態(tài)，稱取10 g研磨好的樣品放入塑料瓶并編號(hào)，用MS-2型磁化率儀(英國(guó)Bartington公司生產(chǎn))進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)3次，取平均值。粒度測(cè)量方法：取0.8 g風(fēng)干土樣置于500 mL的燒杯中，先后加入φ=10%的雙氧水和w=10%的鹽酸除去有機(jī)質(zhì)和鈣質(zhì)膠結(jié)物，經(jīng)過加水清洗，靜置72 h后加入適量的0.5 mol/L的(NaPO3)6使顆粒充分分散，采用美國(guó)Beckman公司生產(chǎn)的LS13320型激光粒度儀進(jìn)行測(cè)量，重復(fù)測(cè)量3次，取平均值，誤差小于2%。元素測(cè)量方法：用荷蘭Panalytical公司生產(chǎn)的X-Ray熒光光譜儀(PW2403)測(cè)量，將自然風(fēng)干的土樣放入磨土機(jī)內(nèi)研磨至200目以內(nèi)，稱取4.0 g土樣放入YY60型壓力機(jī)中，覆蓋適量硼酸壓成可用圓片進(jìn)行測(cè)量，實(shí)驗(yàn)誤差<5%。燒失量的測(cè)量：先將研磨至200目以下粒徑的樣品在電熱恒溫干燥箱內(nèi)105 ℃溫度條件下烘干稱量，然后在馬弗爐中400 ℃灼燒2 h后，再次稱量。燒失量為灼燒前后樣品質(zhì)量的差值占灼燒前樣品質(zhì)量的百分比。OSL年齡是在裝有90Sr/90Y 型β輻射源的釋光儀(RISφ-TL/OSL-20型)上進(jìn)行測(cè)定，采用粗顆粒(90～125 μm)石英單片再生劑量法(SAR)獲得[13-14]，已另行撰文進(jìn)行論述[6]，本文未進(jìn)行深入討論。

表1 鄖縣彌陀寺剖面地層特征描述Table 1 Stratigraphic description of the MTS profile in Yunxian county

圖1 漢江上游彌陀寺剖面采樣點(diǎn)位置圖Fig.1 The location of MTS profile in the upper reaches of the Hanjiang River

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 磁化率

MTS剖面的磁化率值在(45.3～350.8)×10-8m3/kg之間(表2，圖2)。不同地層單元之間磁化率值差異顯著，古土壤(S0)的磁化率值變化范圍為(75.0～337.1)×10-8m3/kg，平均值為259.9×10-8m3/kg，僅低于表土層(309.0×10-8m3/kg)；馬蘭黃土(L1)的磁化率是整個(gè)剖面的最低值，為65.1×10-8m3/kg；近代黃土(L0)與過渡層黃土(Lt)的磁化率值介于古土壤(S0)和馬蘭黃土(L1)兩者之間，分別為196.1×10-8m3/kg和65.1×10-8m3/kg(表2)。

表2 MTS剖面磁化率、粒度參數(shù)、燒失量及w(Rb)/w(Sr)1)表中各列括號(hào)內(nèi)是相應(yīng)量值范圍的均值Table 2 Magnetic susceptibility, grain-size,loess on ignition and w(Rb)/w(Sr) of the MTS profile

2.2 粒度

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，MTS剖面的粒度參數(shù)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

1)w(黏粒)(<5 μm)的變化范圍為6.1%～38.2%，不同地層單元之間區(qū)別顯著。古土壤(S0)中w(黏粒)為整個(gè)剖面的最高值，為32.4%；馬蘭黃土(L1)為最低值，為13.0%；表土層、近代黃土及過渡層黃土的w(黏粒)介于二者之間(表2)。w(黏粒)由高到低剖面層為S0>TS>Lt>L0>L1。

2)w(砂粒)(>50 μm)的變化趨勢(shì)與w(黏粒)及磁化率變化趨勢(shì)相反(圖2)。MTS剖面w(砂粒)變化范圍為6.6%～67.1%，馬蘭黃土w(砂粒)為40.3%，是整個(gè)剖面的最高值；古土壤層w(砂粒)為14.2%，是整個(gè)剖面的最低值；表土層、近代黃土及過渡層黃土的w(砂粒)分別為20.5%、33.5%和21.8%(表2)。

圖2 MTS剖面磁化率、粒度、燒失量和w(Rb)/w(Sr)分布曲線Fig.2 The distribution curves of magnetic susceptibility， grain-size, loess on ignition and w(Rb)/w(Sr) at MTS profile

3)w(砂粒)/w(粉砂)的變化與w(黏粒)的變化一致(表2，圖2)。MTS剖面w(砂粒)/w(粉砂)變化范圍為0.20～0.69，古土壤層w(黏粒)/w(粉砂)的變化范圍為0.44～0.69，平均值為0.61，在粒度分布曲線圖上顯示為高值區(qū)，且明顯高于其它地層(圖2)。表土層、近代黃土、過渡層黃土及馬蘭黃土的w(黏粒)/w(粉砂)值分別為0.34、0.32、0.33和0.27，具有S0>TS>Lt>L0>L1的特征。

4) 在古土壤(S0，140～280 cm)中170～190 cm深度處的w(黏粒)(32.3%)低于古土壤層(32.4%)，而w(砂粒)(16.9%)明顯高于古土壤層(14.2%)。

2.3 燒失量

圖2所示，MTS剖面的燒失量介于1.1%～4.9%之間，從燒失量變化曲線可以看出：古土壤(S0)的燒失量要遠(yuǎn)高于馬蘭黃土(L1)，其值分別為3.5%和2.0%，變化范圍為2.3%～4.4%和1.1%～2.6%。表土層的燒失量最大，為4.1%，變化范圍為2.6%～4.9%。近代黃土與過渡層黃土的燒失量介于古土壤與馬蘭黃土之間，分別為2.6%和2.7%。在170～190 cm深度處燒失量的平均值為3.3%，明顯低于古土壤(S0)的燒失量(3.5%)。

2.4 Rb-Sr比值

w(Rb)/w(Sr)在各地層中具有明顯的差異性，變化范圍為0.49～1.10(表2，圖2)，與磁化率值以及燒失量的變化趨勢(shì)呈現(xiàn)出高度一致性。古土壤(S0)的w(Rb)/w(Sr)值最高，平均值為0.92；表土層次之，為0.91；馬蘭黃土的w(Rb)/w(Sr)值在整個(gè)剖面中為最低值，變化范圍為0.45～0.81，平均值為0.68。在170～190 cm深度處w(Rb)/w(Sr)與磁化率及燒失量表現(xiàn)一致，皆低于古土壤(S0)(圖2)，此深度處w(Rb)/w(Sr)為0.83。

3 討 論

3.1 彌陀寺剖面風(fēng)化強(qiáng)度變化規(guī)律

磁化率、粒度、燒失量及w(Rb)/w(Sr)值等氣候替代性指標(biāo)在黃土-古土壤剖面中的變化與風(fēng)化成壤強(qiáng)度密切相關(guān)[7-8,15-16]。磁化率的高低取決于黃土中鐵磁性礦物(主要是磁鐵礦、磁赤鐵礦等)的含量、種類及其粒徑大小，反映了氣候的干濕狀況[17-20]；黃土的粒度能夠很好地指示東亞冬季風(fēng)的強(qiáng)弱變化[15,21-22]，其組成與風(fēng)力強(qiáng)弱以及后期成壤改造作用密切相關(guān)[23-25]；燒失量的高低與沉積物中有機(jī)質(zhì)含量密切相關(guān)，而有機(jī)質(zhì)的損失量可以反映過去的氣候和環(huán)境條件[26]；w(Rb)/w(Sr)值則反映了風(fēng)成沉積物形成過程中經(jīng)歷的風(fēng)化成壤強(qiáng)度[27-28]。馬蘭黃土(L1，360～600 cm)的磁化率值(65.1×10-8m3/kg)、w(黏粒)(13.0%)、w(黏粒)/w(粉砂)值(0.27)、燒失量(2.0%)及w(Rb)/w(Sr)值(0.68)在整個(gè)剖面中均為最低值(表2)，而w(砂粒)(40.3%)為剖面中的最高值，說明其成壤改造作用微弱，風(fēng)化強(qiáng)度低，保持了風(fēng)成黃土的基本特征。過渡層黃土(Lt，280～360 cm)的磁化率值、w(黏粒)、w(黏粒)/w(粉砂)值、燒失量及w(Rb)/w(Sr)值略高于馬蘭黃土層，表明過渡層黃土仍保持了黃土的基本特性，但是風(fēng)化成壤強(qiáng)度要略高于馬蘭黃土。與過渡層黃土相比古土壤(S0，140～280 cm)的w(黏粒)明顯升高，磁化率值變大，燒失量、w(Rb)/w(Sr)值增大，w(砂粒)降低(表2)，說明古土壤形成階段風(fēng)塵堆積物中的原生含鐵礦物分解為游離鐵，形成細(xì)小的鐵磁性礦物，使磁化率值明顯升高；粗顆粒分解形成黏粒及細(xì)粒物質(zhì)，導(dǎo)致黏粒及細(xì)粉砂含量升高而w(砂粒)降低；Sr發(fā)生淋溶遷移，w(Rb)/w(Sr)明顯增大，這些表明古土壤(S0)經(jīng)歷的風(fēng)化及淋溶作用顯著高于馬蘭黃土(L1)與過渡層黃土(Lt)，受到強(qiáng)烈的成壤改造。近代黃土(L0，70～140 cm)的地層結(jié)構(gòu)特征(顏色、質(zhì)地、結(jié)構(gòu))與馬蘭黃土極為相似，其磁化率值(196.1×10-8m3/kg)、w(黏粒)(16.2%)、w(黏粒)/w(粉砂)(0.32)及w(Rb)/w(Sr)值(0.71)明顯低于古土壤層而高于馬蘭黃土層，但w(砂粒)高于古土壤層，說明其風(fēng)化成壤強(qiáng)度低于古土壤層而高于馬蘭黃土層。在170～190 cm處的w(黏粒)(32.3%)、燒失量(3.3)和w(Rb)/w(Sr)值(0.83)均低于古土壤(S0)，而w(砂粒)(16.9)則明顯高于古土壤(S0)(表2)，說明在170～190 cm深度處的風(fēng)化成壤作用要明顯低于古土壤(S0)形成階段的風(fēng)化成壤作用。

3.2 風(fēng)化成壤對(duì)氣候變化的響應(yīng)

MTS剖面風(fēng)化成壤強(qiáng)度的變化反映了漢江上游地區(qū)不同時(shí)期的氣候特征，并可以與漢江上游地區(qū)歸仙河口及遼瓦店等剖面形成良好對(duì)比[8-9]，與之前王學(xué)佳等人基于化學(xué)元素對(duì)此剖面進(jìn)行討論得出的結(jié)果基本一致[29]。馬蘭黃土(L1)形成階段：厚層黃土的堆積以及微弱的風(fēng)化成壤作用，表明該時(shí)期冬季風(fēng)強(qiáng)盛，有利于黃土的形成。過渡層黃土(Lt)形成階段：風(fēng)化成壤作用略高于馬蘭黃土(L1)形成階段，說明末次冰期結(jié)束后，進(jìn)入全新世早期，氣候開始由干燥寒冷向溫暖濕潤(rùn)轉(zhuǎn)變，冬季風(fēng)減弱。古土壤(S0)形成階段：此階段經(jīng)歷了最為強(qiáng)烈的成壤改造作用，說明該時(shí)期氣候最為溫暖濕潤(rùn)，降水充沛，生物活動(dòng)頻繁。同時(shí)在古土壤(S0)中170～190 cm明顯變?nèi)醯娘L(fēng)化成壤作用，表明此階段氣候與整個(gè)古土壤(S0)形成階段相比表現(xiàn)為相對(duì)干燥寒冷，結(jié)合OSL測(cè)年數(shù)據(jù)，確定了此次氣候事件的發(fā)生時(shí)間約為6.48 Ka BP，此次氣候事件可以與鹿化煜等人對(duì)東亞季風(fēng)的研究形成良好對(duì)比[30]。近代黃土(L0)形成階段：該階段的成壤改造作用明顯低于古土壤(S0)階段，說明全新世大暖期結(jié)束后，氣候開始由溫暖濕潤(rùn)向干燥寒冷轉(zhuǎn)變，冬季風(fēng)變強(qiáng)，風(fēng)塵堆積速率加快，進(jìn)入一個(gè)相對(duì)干旱少雨時(shí)期。

4 結(jié) 論

通過對(duì)漢江上游MTS剖面的磁化率、粒度、燒失量及w(Rb)/w(Sr)值的綜合分析，揭示了該地區(qū)自晚更新世末期以來的風(fēng)成沉積物的風(fēng)化成壤過程及其反映的氣候變化規(guī)律：晚更新世末期，漢江上游一級(jí)階地上厚層馬蘭黃土的堆積，表明該時(shí)期成壤作用微弱，氣候干燥寒冷，沙塵暴活動(dòng)頻繁，冬季風(fēng)強(qiáng)盛。

進(jìn)入全新世早期，成壤作用增強(qiáng)，氣候向暖濕轉(zhuǎn)變，冬季風(fēng)減弱，沉積物堆積變慢。全新世大暖期，成壤作用最為強(qiáng)烈，氣候最為溫暖濕潤(rùn)，降水豐富，生物活動(dòng)頻繁。進(jìn)入全新世晚期，成壤作用減弱，黃土繼續(xù)堆積，氣候向干燥寒冷轉(zhuǎn)變。

在6.48 ka BP 前后，雖處于全新世大暖期期間，但是氣候發(fā)生過一次劇烈波動(dòng)，氣候表現(xiàn)為相對(duì)干燥，且降水較少，通過磁化率、粒度組分、燒失量及w(Rb)/w(Sr)值的變化曲線很好的表現(xiàn)出來。

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PedogeniccharacteristicsofMituosiprofileintheupperHanjiangrivervalleyanditsresponsetoclimatechange

ZHANGWentong,PANGJiangli,ZHOUYali,HUANGChunchang,ZHAXiaochun,WANGXuejia,WANGHaiyan

(College of Tourism and Environment∥National Demonstration Center for Experimental Education， Shaanxi Normal University, Xi’an 710062, China)

The Mituosi(MTS) profile in Yunxian, Hubei of China was served to investigate pedo-stratigraphy and sedimentary characteristics of the first river terrace of the upper Hanjiang river. Magnetic susceptibility, grain-size distribution, loss on ignition and Rb/Sr were analyzed. The MTS profile recorded the environmental evolution with the stratigraphic series from bottom to top: Malan Loess(L1)→Transitional Loess(Lt)→Paleosol(S0)→Holocene Loess(L0)→Top soil(TS). Different stratigraphic units show different degree of weathering intensity, with S0>Lt>L0>L1. The weathering intensity change of MTS profile indicates the climate change since Malan loess accumulation. It was cold and arid with gradually intensified southeast monsoon during the early Holocene. The strongest monsoon occurred in the mid-Holocene. During the late Holocene, the climate became drying with the monsoon recession. A cold climate event was recorded in MTS profile, dating to around 6.48 Ka BP (OSL dating).

pedogenesis; climate change; loess-paleosol; upper Hanjiang river

10.13471/j.cnki.acta.snus.2017.06.004

2016-09-01

國(guó)家自然科學(xué)基金(41271108,41371029)；國(guó)家社會(huì)科學(xué)基金(14BZS070)；中央高?；究蒲匈M(fèi)(201601006)

張文桐(1991年生)，男；研究方向土地利用和氣候變化;E-mail:978696657@qq.com

龐獎(jiǎng)勵(lì)(1963年生)，男；研究方向資源開發(fā)與環(huán)境演變;E-mail:jlpang@snnu.edu.cn

P532

A

0529-6579(2017)06-0031-07