王夏青，彭保發(fā)，李福春，闞 尚

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黃土高原聚湫沉積旋回特征及地球化學(xué)劃分①

王夏青1,2，彭保發(fā)1,2，李福春3，闞 尚3

(1 湖南文理學(xué)院資源環(huán)境與旅游學(xué)院，湖南常德 415000；2 洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)建設(shè)與發(fā)展湖南省協(xié)同發(fā)展中心，湖南常德 415000；3 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，南京 210095)

黃土高原聚湫/淤地壩內(nèi)的沉積物是黃土再侵蝕搬運(yùn)的直接結(jié)果，以高堆積速率和多沉積旋回為特征，是追蹤該地區(qū)小流域土壤侵蝕、認(rèn)識(shí)黃土高原地球關(guān)鍵帶過(guò)程的理想載體。如何鑒定并有效劃分沉積旋回是利用沉積序列恢復(fù)小流域土壤侵蝕和生態(tài)環(huán)境變化過(guò)程的基礎(chǔ)。本文選取靖邊和合水聚湫為代表，通過(guò)典型可見(jiàn)沉積旋回的物理、地球化學(xué)和生物等指標(biāo)綜合分析，較全面地認(rèn)識(shí)沉積旋回特征，進(jìn)而提出劃分旋回的有效地球化學(xué)指標(biāo)。結(jié)果表明：沉積旋回的下部粗顆粒層主要由粗粉砂和細(xì)砂組成，以低含水量、高亮度為特征，富集石英和鋯石，Si和Zr含量高；上部細(xì)顆粒層主要由黏粒和細(xì)粉砂組成，具水平層理，含水量高，亮度較低，富集方解石、白云母、伊利石、綠泥石、高嶺石等輕礦物，高Al、K、Fe、Rb、Ca和Sr等造巖元素，富含孢粉、有機(jī)碳氮、磷脂脂肪酸及微生物。在此基礎(chǔ)上，提出Rb/Zr比值是有效劃分黃土高原聚湫/淤地壩沉積旋回的地球化學(xué)指標(biāo)。這為深入認(rèn)識(shí)黃土高原地球關(guān)鍵帶中侵蝕風(fēng)化、水文和生態(tài)環(huán)境變化等過(guò)程提供了研究載體和基礎(chǔ)。

沉積旋回；Rb/Zr比；聚湫/淤地壩；地球關(guān)鍵帶；黃土高原

地處東亞季風(fēng)邊緣地帶的中國(guó)黃土高原地表以強(qiáng)烈的土壤侵蝕和脆弱的生態(tài)環(huán)境為特征。該地區(qū)的土壤侵蝕涉及到地球關(guān)鍵帶(earth’s critical zone)研究的3大過(guò)程：侵蝕風(fēng)化過(guò)程、水文過(guò)程和生物地球化學(xué)過(guò)程，是控制流域關(guān)鍵帶物質(zhì)、能量和信息流動(dòng)與轉(zhuǎn)化的重要節(jié)點(diǎn)[1-3]。因此，示蹤流域內(nèi)土壤侵蝕與遷移過(guò)程和歷史對(duì)認(rèn)識(shí)黃土高原地球關(guān)鍵帶功能具有重要的意義。

黃土高原分布有大量的聚湫、淤地壩和水庫(kù)，一些壩庫(kù)具有確切形成或修建時(shí)間，可以追溯到幾百年前。這些聚湫/淤地壩將自壩體形成以來(lái)的經(jīng)歷再次侵蝕搬運(yùn)的泥沙截留在壩庫(kù)中，并以沉積旋回為最小單元連續(xù)地保存下來(lái)，形成約10 ~ 60 m不等的沉積序列[4-12]。因此，黃土高原特有的壩庫(kù)沉積物為高分辨率研究地球關(guān)鍵帶中侵蝕和沉積、水文事件、土地利用等過(guò)程和歷史提供了難得的地質(zhì)載體[13-20]。然而，有關(guān)黃土高原流域侵蝕過(guò)程和歷史的研究主要集中在最近60 a，對(duì)歷史時(shí)期黃土高原暴雨侵蝕過(guò)程的認(rèn)識(shí)還十分有限。其中一個(gè)最大的障礙在于如何有效地劃分沉積旋回。

黃土高原聚湫/淤地壩沉積序列由物源一致且層理明顯的沉積旋回疊加而成，每個(gè)沉積旋回是單次暴雨侵蝕沉積作用的結(jié)果。每次暴雨后，流域內(nèi)的地表泥沙侵蝕進(jìn)入聚湫和淤地壩，通過(guò)分選作用，形成兩層結(jié)構(gòu)的沉積旋回，即下部粗顆粒層和上部細(xì)顆粒層。沉積旋回?cái)?shù)量和產(chǎn)沙模數(shù)主要受控于暴雨的頻率和強(qiáng)度[10]。一些學(xué)者對(duì)黃土高原壩庫(kù)沉積序列開(kāi)展了相關(guān)研究，從沉積結(jié)構(gòu)、孢粉[11, 21]、粒度分布[22-23]及元素組成[24]等方面描述了沉積旋回的特征。例如，龍翼等[11]分析了黃土洼聚湫出露剖面長(zhǎng)約12.73 m沉積序列的粒度和孢粉含量，并根據(jù)兩個(gè)指標(biāo)劃分了沉積旋回，在此基礎(chǔ)上計(jì)算了各旋回的產(chǎn)沙模數(shù)；Zhang 等[13]根據(jù)野外剖面觀察、粒度和孢粉含量分布及經(jīng)驗(yàn)性分析，進(jìn)一步提出了聚湫沉積旋回中年際凍融層的概念，其是一年內(nèi)末次旋回上部細(xì)顆粒層經(jīng)歷凍融作用的結(jié)果，為沉積旋回的年際劃分提供了依據(jù)。然而，這些工作都是基于野外肉眼可見(jiàn)的、厚的沉積旋回的某一方面進(jìn)行的，缺乏對(duì)旋回全面的認(rèn)識(shí)，特別是難以識(shí)別一些肉眼不易分辨的旋回，更缺乏劃分沉積旋回的有效指標(biāo)，從而阻礙了沉積序列信息的全面提取及對(duì)流域地表過(guò)程的深入認(rèn)識(shí)。

本文擬在全面分析黃土高原北部靖邊聚湫、南部合水聚湫沉積旋回物理、地球化學(xué)、生物特征指標(biāo)的基礎(chǔ)上，提出高分辨率劃分沉積旋回的地球化學(xué)指標(biāo)，進(jìn)而解析其物理、地球化學(xué)和生物特征耦合機(jī)制，從而為聚湫/淤地壩沉積序列旋回劃分、反演流域侵蝕歷史及生態(tài)環(huán)境演變過(guò)程，以及認(rèn)識(shí)黃土高原地球關(guān)鍵帶過(guò)程提供基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

1.1.1靖邊花豹灣流域 花豹灣流域(37°18′N, 108°36′E，圖1A)位于陜西省靖邊縣王渠則鎮(zhèn)花豹灣村，無(wú)定河源頭紅柳河上游溝谷。流域內(nèi)聚湫(JB-1)形成于清朝咸豐年間(公元1851—1861年)，溝谷左岸黃土坡天然滑坡和坍塌阻截溝谷形成“聚湫”(圖1B)[25]。目前，該聚湫壩高67 m，淤積地面平均海拔約1 560 m，溝谷相對(duì)高差約200 m。經(jīng)野外實(shí)地測(cè)量，聚湫流域面積為2.87 km2，縱長(zhǎng)約1.15 km，淤積地面面積約為0.19 km2。野外勘察還發(fā)現(xiàn)，在聚湫的天然滑坡壩下游約500 m處，殘留一塊兩側(cè)被下切至原始溝谷的沉積臺(tái)地，并于臺(tái)地下游約1 000 m處發(fā)現(xiàn)一明顯的古滑坡痕跡(圖1B)。由此判斷，該臺(tái)地是一古聚湫(JB-2)的沉積產(chǎn)物，其形成年代不詳。古聚湫的淤積臺(tái)面平均海拔約1 550 m，溝谷相對(duì)高差約250 m，流域面積為7.87 km2，殘留的臺(tái)地面積約為1.32 × 105m2，厚約5 m，總體積約為6.68 × 105m3。

圖1 黃土高原靖邊(JB)聚湫、合水(HS)聚湫地理位置(A)及采樣點(diǎn)分布圖(B：靖邊聚湫；C：合水聚湫)

該流域以破碎梁狀丘陵帶峁頂?shù)孛矠樘卣?，黃土層主要為上更新統(tǒng)上部風(fēng)積黃綿土，其主要特點(diǎn)為土壤質(zhì)地稍細(xì)，在雨水作用下極易受蝕。該地區(qū)屬半干旱大陸性季風(fēng)氣候。據(jù)靖邊縣氣象局1957—1980年測(cè)量和統(tǒng)計(jì)資料，該地年平均氣溫為7.8℃，年平均降水量為395.4 mm，降水主要集中在6—9月，占全年降水量的63%，其中以7、8月的降水量較為集中，且多為雷陣雨、暴雨等。該地年均蒸發(fā)量為891.7 mm，約為降水量的2.5倍。該區(qū)水土流失嚴(yán)重，年產(chǎn)沙模數(shù)高達(dá)1.68×104t/(km2·a)[25]。

1.1.2 合水老城鎮(zhèn)流域 合水老城鎮(zhèn)流域位于甘肅省合水縣老城鎮(zhèn)，黃河的二級(jí)支流馬蓮河流域中游(圖1A)。合水聚湫(36°1′ N, 108°7′ E, HS, 圖1C)地處合水縣老城鎮(zhèn)段右岸。該聚湫因右岸黃土坡自然滑坡和坍塌，阻截溝谷并形成天然聚湫，距今已有100多年[26]。目前，該聚湫壩高43 m，淤積地面平均海拔約1 206 m，溝谷相對(duì)高差約200 m，聚湫流域面積為1.98 km2，縱長(zhǎng)約1.25 km，淤積地面面積約為0.14 km2。流域內(nèi)地形為典型的黃土高原溝壑，主要為第四紀(jì)黑壚土和黃綿土。該流域具有典型的溫帶大陸性季風(fēng)氣候，據(jù)當(dāng)?shù)貧庀缶?968—2006年測(cè)量和統(tǒng)計(jì)資料，該地年平均氣溫為9.4℃，年平均降水量為557.7 mm，降水主要集中在6—9月，占全年降水量的70%，且多為暴雨；年均蒸發(fā)量為1 470.1 mm，約為降水量的2.5倍。合水縣內(nèi)水蝕地區(qū)的年產(chǎn)沙模數(shù)約為3.1×103t/(km2·a)，水土流失較為嚴(yán)重[26]。

1.2 研究方法

1.2.1 巖心和散樣采集 于2013年4—5月利用螺旋鉆在JB-1聚湫和HS聚湫進(jìn)行鉆探采樣。鉆探位置為各個(gè)聚湫近中心位置(圖1B，1C)，每一鉆長(zhǎng)2.5 m，鉆頭長(zhǎng)10 cm，鉆孔直徑為10 cm，樣品取心率近100%。JB-1和HS聚湫分別鉆取22.25 m和30.43 m的沉積巖心。其中，JB-1-10段和HS-34-2段中可見(jiàn)典型沉積旋回，用于分析其礦物特征，所處深度分別為3.74 ~ 3.85 m和26.16 ~ 26.25 m。散樣劃分以可見(jiàn)旋回分層為基礎(chǔ)，細(xì)顆粒層以1 cm間隔分樣，粗顆粒層以2 cm間隔分樣，JB-1-10段和HS-34-2段中典型旋回分別獲得9個(gè)和6個(gè)樣品[10]。

于2014年11月利用荷蘭生產(chǎn)的沖擊鉆配以重型電沖擊錘(HM 1800)鉆探JB-2古聚湫沉積序列。取心器套入的塑料管長(zhǎng)1 m，外徑為5 cm，切割頭長(zhǎng)為3 cm，取心率為100%。JB-2臺(tái)地共獲取巖心5.29 m，JB-2-2段中5個(gè)典型可見(jiàn)旋回位于巖心的1.28 ~ 1.44 m處，同樣以1 cm和2 cm間隔獲得13個(gè)散樣，用于分析含水量、色度、粒度、元素等。與此同時(shí)，在JB-2臺(tái)地右側(cè)出露剖面深度為62.0 ~ 66.5 cm(旋回1)和71.5 ~ 79.5 cm(旋回2)的兩個(gè)可見(jiàn)旋回以相同間隔分別采集3個(gè)和5個(gè)樣品，用于分析生物組成。

1.2.2 試驗(yàn)方法 JB-2-2巖心段在蘭州大學(xué)西部環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室利用Avaatech XRF core scanner進(jìn)行掃描。首先，利用該實(shí)驗(yàn)室的高質(zhì)量Geotek core splitter巖心切割機(jī)對(duì)所有鉆探巖心沿長(zhǎng)軸進(jìn)行切割和分離，并利用塑料三角鏟壓平分離的巖心表面；其次，為了避免污染掃描儀測(cè)量探頭和防止樣品在掃描過(guò)程中變干，在巖心表面覆蓋4 μm Ultralene薄膜，且確保薄膜沒(méi)有褶皺和在薄膜下不存在氣泡。高分辨率Avaatech XRF core scanner的儀器設(shè)置分別為：利用锘(No)管在10 kV電壓下獲取較輕元素(如Al、Si、K、Ca和Fe)的信號(hào)值，掃描步驟為2 mm，曝光時(shí)間為20 s；利用鉛(Pb)管在30 kV電壓下獲取較重元素(如Zr、Rb和Sr)的信號(hào)值，掃描步驟為2 mm，曝光時(shí)間為40 s。掃描的元素信號(hào)強(qiáng)度表示為峰域面積或計(jì)量數(shù)(peak area/ counts)，信號(hào)值提供了沉積序列元素組成的半定量信息[27-28]。JB-2-2巖心段色度分布利用Avaatech XRF core scanner配備的像素高達(dá)3×2048 pixels 色度照相機(jī)獲得，其掃描分辨率為0.07 mm，數(shù)據(jù)格式為RGB和CIE-l*-a*-b*兩種。

利用烘干法測(cè)定JB-2-2巖心段散樣的含水量；粒度(各粒徑的體積分?jǐn)?shù))利用英國(guó)Malvern公司生產(chǎn)的Mastersizer-2000型激光粒度儀測(cè)量，其誤差小于2%。以上試驗(yàn)均在中國(guó)科學(xué)院地球環(huán)境研究所完成。

剖面樣品(旋回1和旋回2)的土壤有機(jī)碳(SOC)和全氮(TN)含量分布利用重鉻酸鉀外加熱法和凱氏定氮法測(cè)定；微生物生物量碳(MBC)和微生物生物量氮(MBN)利用氯仿熏蒸–K2SO4提取法測(cè)定；磷脂脂肪酸(PLFA)利用修正的Bligh-Dyer 方法測(cè)定，細(xì)菌、真菌和放線菌數(shù)量利用PLFA法測(cè)定。以上試驗(yàn)均在南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院完成[29]。

JB-1-10段和HS-34-2段散樣的礦物含量在中國(guó)科學(xué)院地球環(huán)境研究所利用荷蘭帕納科公司生產(chǎn)的X’pert PRO MPD多晶X射線衍射儀進(jìn)行測(cè)量，其儀器設(shè)置為：使用銅靶和超能陣列探測(cè)器，Ni片濾波，工作管壓和管流分別為40 kV和40 mA，掃描范圍( 2) 為5° ~ 70°，掃描步長(zhǎng)為0. 012°/步，掃描速度29.845 s/步。測(cè)量結(jié)果利用X’pertHighscore Plus軟件和ICDD PDF22003卡片集進(jìn)行礦物成分鑒定，并用Rietveld精修選項(xiàng)進(jìn)行半定量分析[30]。

2 結(jié)果分析

2.1 典型旋回的亮度、含水量、粒度和礦物含量分布

黃土高原聚湫/淤地壩沉積的典型旋回由兩層結(jié)構(gòu)組成，即下部粗顆粒層和上部細(xì)顆粒層[10-13]，該層理結(jié)構(gòu)分選成層充分且足夠厚時(shí)肉眼可見(jiàn)并易于識(shí)別。靖邊聚湫JB-2-2巖心段的照片、亮度、含水量和粒度分布顯示于圖2中，5個(gè)旋回的粗、細(xì)顆粒層分布清晰可見(jiàn)。該段亮度值分布范圍為56.1 ~ 79.5 cd/m2，旋回下部粗顆粒層表現(xiàn)為高值，而上部細(xì)顆粒層顯示為低值，說(shuō)明旋回下部較亮而上部較暗，與肉眼觀察一致。該段含水量分布范圍為56.1 ~ 193.5 g/kg，含水量的最低值和最高值分別出現(xiàn)在129.8 cm和142.8 cm處，總體均表現(xiàn)為下部粗顆粒層呈低值，上部細(xì)顆粒層呈高值，說(shuō)明粗顆粒層含水量低，細(xì)顆粒層含水量高。該段粒度分布總體表現(xiàn)為每個(gè)旋回下部粗顆粒層主要由粗粉砂和細(xì)砂組成，上部細(xì)顆粒層主要由黏粒和細(xì)粉砂組成。

圖3 顯示HS聚湫HS-34-2巖心段和JB-1聚湫JB-1-10巖心段典型可見(jiàn)旋回礦物組成。兩段巖心段的典型可見(jiàn)旋回劃分和理化特征詳見(jiàn)Wang等[10]的研究報(bào)告。通過(guò)對(duì)兩個(gè)典型可見(jiàn)旋回不同礦物組成的半定量分析，石英在兩個(gè)旋回中所占比例最大，高達(dá)35% ~ 65%(圖3)。該兩個(gè)典型可見(jiàn)旋回的礦物組成總體表現(xiàn)為：石英主要富集在下部粗顆粒層；方解石、白云母、黏土礦物(伊利石、綠泥石、高嶺石)集中在上部細(xì)顆粒層。該礦物分布特征與JB-2古聚湫中典型可見(jiàn)旋回的色度、含水量和粒度分布相匹配。

圖2 JB-2-2巖心段5個(gè)典型可見(jiàn)旋回亮度、含水量和粒度分布

圖3 HS-34-2和JB-1-10巖心段典型可見(jiàn)旋回礦物組成

2.2 典型旋回的元素分布

JB-2古聚湫JB-2-2巖心段5個(gè)可見(jiàn)旋回的元素分布通過(guò)高分辨率XRF巖心原狀掃描獲得。單個(gè)元素的信號(hào)強(qiáng)度和分布受多種因素的影響，如X射線源(能力強(qiáng)度、光管類型)、曝光時(shí)間、沉積物物理特征等[31-37]。在最佳儀器設(shè)置下，掃描的元素信號(hào)強(qiáng)度主要受巖心表面平整度、巖心裂隙、粒度與礦物一致性、巖心基質(zhì)、有機(jī)質(zhì)含量、含水量、薄膜下水汽等表面物理屬性的影響。研究表明，含水量對(duì)原子量≤26(Fe)的元素(特別是Al、Si)影響較大，而原子量較大的元素(如Rb、Sr、Zr)幾乎不受其影響[31-33]，其他所有因素對(duì)元素信號(hào)強(qiáng)度的影響基本一致。

JB-2-2巖心段Zr和Si元素信號(hào)強(qiáng)度分布基本一致，其分布范圍分別為(3.7 ~ 8.3)×103counts和(3.1 ~ 9.9)×104counts，兩個(gè)元素的峰值均出現(xiàn)在各旋回的粗顆粒層中，說(shuō)明Zr和Si元素富集在該層中(圖4)。為了識(shí)別其他元素(Al、K、Fe、Rb、Ca和Sr)在旋回中的分布特征，利用Zr元素信號(hào)分布作為元素比值的分母消除掃描過(guò)程中巖心表面物理屬性對(duì)所有元素信號(hào)強(qiáng)度的一致影響(圖4)。JB-2-2巖心段Al/Zr、K/Zr、Fe/Zr、Rb/Zr、Ca/Zr和Sr/Zr在5個(gè)可見(jiàn)旋回的分布基本一致，其分布范圍依次為：0.5 ~ 1.4、3.3 ~ 9.1、14.6 ~ 35.1、0.4 ~ 0.6、16.1 ~ 48.2和1.1 ~ 1.6。相比于Zr和Si，這些元素的峰值均出現(xiàn)在每個(gè)旋回的細(xì)顆粒層中，表明Al、K、Fe、Rb、Ca和Sr元素主要富集于該層中。

圖4 JB-2-2巖心段5個(gè)典型可見(jiàn)旋回元素分布

2.3 典型旋回的微生物及孢粉分布

對(duì)JB-2古聚湫兩個(gè)典型沉積旋回各層的SOC、TN、MBC、MBN、PLFA、細(xì)菌、真菌和放線菌含量分析表明，8種生物指標(biāo)均在各旋回的細(xì)顆粒層中表現(xiàn)為高值，而低值出現(xiàn)在旋回的粗顆粒層中(表1)，說(shuō)明土壤有機(jī)質(zhì)和微生物主要富集于旋回的細(xì)顆粒層中[29]。前人有關(guān)淤地壩和聚湫典型旋回粗、細(xì)顆粒層的孢粉含量分析表明，各旋回的孢粉含量高值均出現(xiàn)在細(xì)顆粒層中，最高值達(dá)2 775粒/g，表明孢粉主要富集于每個(gè)旋回的細(xì)顆粒層中[21]。

表1 JB-2古聚湫沉積典型旋回的微生物特征分布

3 討論

3.1 典型沉積旋回特征

黃土高原聚湫/淤地壩沉積旋回的物質(zhì)主要來(lái)源于流域再侵蝕搬運(yùn)的黃土，被壩體截留后，侵蝕泥沙發(fā)生分選和成層作用，粗顆粒物質(zhì)率先沉積，細(xì)顆粒物質(zhì)隨后沉積，進(jìn)而形成兩層結(jié)構(gòu)的旋回，即下部粗顆粒層和上部細(xì)顆粒層。該旋回層理結(jié)構(gòu)在其分選充足且足夠厚時(shí)肉眼可見(jiàn)，一些細(xì)顆粒層在出露剖面可呈現(xiàn)“凍豆腐”結(jié)構(gòu)[10, 13]。通過(guò)綜合分析來(lái)自黃土高原南部合水聚湫和北部靖邊聚湫HS-34-2、JB-1-10和JB-2-2巖心段、JB-2古聚湫出露剖面典型可見(jiàn)旋回，其物理特征為：下部粗顆粒層亮度較高，主要由粗粉砂和細(xì)砂組成，含水量低，石英富集在該層。較石英密度更大、質(zhì)量更重的鋯石在分選過(guò)程中更易快速沉積[38]，因此也主要集中在粗顆粒層中。上部細(xì)顆粒層亮度較低，主要由黏粒和細(xì)粉砂組成，含水量高，較輕的礦物如方解石、白云母、黏土礦物(伊利石、綠泥石、高嶺石)富集在該層。沉積旋回的地球化學(xué)特征表現(xiàn)為：Si和Zr主要富集在下部粗顆粒層中，而Al、K、Fe、Rb、Ca和Sr元素在上部細(xì)顆粒層的含量較高。這一結(jié)果與岳大鵬等[24]分析黃土洼聚湫沉積旋回的化學(xué)特征基本一致。旋回的生物特征表現(xiàn)為：上部細(xì)顆粒層的SOC、TN、MBC、MBN、PLFA、細(xì)菌、真菌、放線菌和孢粉[21]等均顯著高于下部粗顆粒層。這些特征有助于在利用聚湫/淤地壩沉積序列反演小流域不同時(shí)期生態(tài)環(huán)境和地球關(guān)鍵帶生態(tài)過(guò)程時(shí)，僅需分析各旋回上部細(xì)顆粒層的生物特征，有效減少了試驗(yàn)工作量和費(fèi)用。

黃土高原典型聚湫沉積旋回的物理、地球化學(xué)和生物特征分布表明，它們之間存在相互耦合的機(jī)制。當(dāng)暴雨侵蝕流域溝谷地表物質(zhì)匯入聚湫后，侵蝕泥沙在水體中發(fā)生分選和成層作用，含有鋯石和石英的細(xì)砂、粗粉砂率先沉積在下部，導(dǎo)致Zr和Si元素集中在下部粗顆粒層中；細(xì)砂及粗粉砂顆粒間的間隙較大[39-40]，土壤孔隙水易向下流失，且單位體積顆粒數(shù)較少，故而粗顆粒層的含水量較低、亮度較高。隨后，相對(duì)較輕的細(xì)粉砂和黏粒覆蓋于粗顆粒層上部，其中黏土礦物、方解石、云母等礦物富集在該層，進(jìn)而導(dǎo)致Al、K、Fe、Rb、Ca和Sr元素的含量較高；此外，在黏粒中有更多的交換性Ca2+，使得Ca和Sr進(jìn)一步富集在該層。黏粒和細(xì)粉砂顆粒間較為致密，孔隙水不易流失，故而細(xì)顆粒層的含水量較高、亮度較低。由于質(zhì)量較輕、黏粒吸附及豐富的有機(jī)質(zhì)，孢粉、生物有機(jī)質(zhì)、微生物等也主要富集在該層[41]。這些物理、化學(xué)和生物過(guò)程的相互耦合形成了沉積旋回相對(duì)一致的變化特征。

3.2 劃分旋回的地球化學(xué)指標(biāo)

前人對(duì)黃土高原聚湫/淤地壩沉積旋回的研究主要通過(guò)對(duì)沉積序列出露剖面的野外觀測(cè)和經(jīng)驗(yàn)性分析，基于亮度、結(jié)構(gòu)、層理和粒度組成劃分沉積旋回并以≥1 cm的分辨率采集樣品和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)分析[11-13, 19-23]。這些傳統(tǒng)方法僅可用于識(shí)別足夠厚的沉積旋回，然而聚湫/淤地壩沉積序列中存在一些無(wú)法用肉眼識(shí)別的旋回[10]。本課題前期的研究表明，基于高分辨率XRF巖心連續(xù)掃描技術(shù)(XRF Core Scanning，XRF-CS)獲得的元素分布可清晰指示旋回各層次的界限及侵蝕泥砂不同顆粒由快到慢的沉積過(guò)程[10]。在此，本研究根據(jù)上述沉積旋回的變化特征，通過(guò)XRF-CS獲得的元素分布提出有效的地球化學(xué)指標(biāo)，以高分辨率地識(shí)別沉積序列中的所有可見(jiàn)和不可見(jiàn)(無(wú)法用肉眼識(shí)別)的沉積旋回。

通過(guò)對(duì)沉積巖心表面原位測(cè)量，XRF-CS可獲取分辨率高達(dá)0.1 mm的、連續(xù)的元素信號(hào)強(qiáng)度。該技術(shù)特別適用于類似黃土的顆粒較細(xì)(黏粒和細(xì)粉砂)、組成均勻的沉積序列元素分析[28-29]，因此XRF-CS為黃土沉積序列中元素分布提供了最佳的分析工具[10, 42-43]，進(jìn)而為識(shí)別沉積旋回的地球化學(xué)特征和指標(biāo)提取提供了條件。

研究表明，利用富集在粗顆粒中的元素與集中在細(xì)顆粒中的元素比值(如Zr/Rb、Si/Al和Zr/Al)可以分辨黃土和古土壤層[38, 44-45]。考慮到由于較輕的原子量，Al和Si在XRF-CS掃描時(shí)易受光管質(zhì)地和沉積物表面屬性的影響而導(dǎo)致測(cè)量精度較差[46]，本研究著重考慮Zr/Rb比值劃分沉積旋回的有效性。上述聚湫沉積旋回的理化特征表明，Zr主要存在于抗風(fēng)化的鋯石中，其在侵蝕泥沙的分選過(guò)程中由于高密度和質(zhì)量快速沉積于旋回粗顆粒層底部；Rb以類質(zhì)同象存在于含K的云母和黏土礦物中，其主要富集在旋回的細(xì)顆粒層頂部；兩個(gè)元素Zr和Rb在旋回成層后穩(wěn)定存在于粗顆粒層和細(xì)顆粒層中，不隨孔隙水在凍融作用下向上遷移[10]。因此，XRF-CS獲得的高分辨率Rb/Zr比值可作為高分辨率劃分聚湫沉積旋回的有效地球化學(xué)指標(biāo)。由圖4可見(jiàn)，高Rb/Zr比值可以清晰指示上部細(xì)顆粒層，而下部粗顆粒層以低Rb/Zr比值為特征，從而有效地劃分了各旋回及層理的界限。

4 結(jié)論

1) 黃土高原聚湫沉積旋回具有的特征為下部粗顆粒層主要由粗粉砂和細(xì)砂組成，松散、含水量低，亮度高，富集石英等重礦物，Si和Zr元素含量高；上部細(xì)顆粒層主要由黏粒和細(xì)粉砂組成，含水量高、亮度低，呈水平層理，較輕的礦物如方解石、白云母、黏土礦物(伊利石、綠泥石、高嶺石)集中在該層，Al、K、Fe、Rb、Ca和Sr元素含量較高，孢粉、SOC、TN、MBC、MBN、PLFA、細(xì)菌、真菌和放線菌等均富集在該層中。

2) XRF巖心連續(xù)掃描的Rb/Zr比被推薦用于高分辨率劃分聚湫/淤地壩沉積旋回的有效地球化學(xué)指標(biāo)。

致謝：感謝中國(guó)科學(xué)院地球環(huán)境研究所金章東研究員和中國(guó)科學(xué)院水利部成都山地與災(zāi)害環(huán)境研究所張信寶研究員對(duì)論文構(gòu)思和撰寫(xiě)的指導(dǎo)，中國(guó)科學(xué)院地球環(huán)境研究所肖軍、張飛對(duì)樣品采集和分析的協(xié)助，蘭州大學(xué)西部環(huán)境與氣候變化研究院潘燕輝對(duì)XRF巖心掃描的指導(dǎo)和幫助。

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Features and Geochemical Identification Index of Deposition Couplets in Landslide-dammed Reservoirs on Loess Plateau of China

WANG Xiaqing1, 2, PENG Baofa1, 2, LI Fuchun3, KAN Shang3

(1 College of Resources and Environment and Tourism, College of Hunan Arts and Science, Changde, Hunan 415000, China;2 Hunan Province Cooperative Innovation Center for the Construction & Development of Dongting Lake Ecological Economic Zone, Changde, Hunan 415000, China;3 College of Resources and Environmental Sciences, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China)

The sediment in the landslide-dammed/check dam reservoirs on the Loess Plateau of China is the direct result of the erosion and retransfer of loess and is characterized by high deposition rate and lots of deposition couplets, thus it is an ideal object to trace erosion flux and understand the processes of the Earth’s Critical Zone. How to exactly identify and plot out the couplet is the basis for using the sediment sequence to recover soil erosion and eco-environment change within a small catchment. In this study, Jingbian (paleo) and Heshui landslide-dammed reservoirs in the north of Loess Plateau were choose as the study sites based on field investigation and documents records. Meanwhile, the physical, geochemical and biological characters of the representative couplets were analyzed in order to comprehensively understand the feature of the couplet and further put forwards the effective geochemical identification index. The results showed that the lower coarse-grained layer in the couplet was composed of coarse silts and fine sands, which was characterized by low water content and high luminance, enriched with quartz and zircon, along with high Si and Zr. On the other hand, the upper fine-grained one was characterized by high contents of clays and fine silts, high water content, low luminance and lenticular bedding, correlating well with high contents of calcite, muscovite, illite, chlorite and kaolinite, along with high Al, K, Fe, Rb, Ca, and Sr. Pollen, organic carbon and nitrogen, phospholipid fatty acids, microorganism also concentrated in this layer. Then, Rb/Zr ratios by XRF core scanning are recommended as the ideal geochemical index to identify deposition couplets within the sediment sequence. These results provide the scientific foundation on deeply realizing the processes of erosion and weathering, hydrology and eco-environment change in the Earth’s Critical Zone on the Loess Plateau.

Deposition couplet; Rb/Zr ratio; Landslide-dammed/Check dam reservoirs; Earth’s Critical Zone; Loess Plateau

黃土與第四紀(jì)地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目(SKLLQG1622)，國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41471114)，湖南省教育廳科研項(xiàng)目(17C1075)和湖南文理學(xué)院博士科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目(E07017015)資助。

王夏青(1986—)，男，山西昔陽(yáng)人，博士，講師，主要從事小流域生態(tài)環(huán)境研究。E-mail: wangxq1517@hotmail.com

10.13758/j.cnki.tr.2018.05.026

P539.2；P934

A