（自然地理学专业论文）重庆奉节地区古土壤剖面反映的全新世以来的环境变化.pdf

摘要 重庆奉节地区古土壤剖面反映的全新世以来 的环境变化 自然地理专业研究生吴旭东( 1 1 2 0 0 6 3 1 8 0 0 0 0 1 0 ) 指导教师李红春教授 摘要 随着人类活动影响的加剧，全球环境变化的问题越来越受到人们的重视。过去全球变化 研究的其中之一古气候研究能够帮助我们认识过去全球气候变化的规律，为预测未来的 气候变化提供可能。在过去的一万年来，伴随着人类社会的发展、繁荣，全新世的气候突变 对人类社会的发展有很人的影响，是古气候研究的重点时段。重庆地处于长江上游，西侧是 世界最高的青藏高原，即受到双重夏季风( 东亚和印度季风) 影响，又有冬季风影响和长江 = 峡水j 年的反馈作用，特殊的地理位置使重庆地区气候变化影响因素的复杂性。在重庆地区 进行最建占气候、古季风演化的研究，有利于我们在整体了解东哑季风的一般规律的基础上， 深入训 究尔哑季风对不同人气环流条件下区域气候的特殊影响。 本文以水系和古土壤剖面为主要研究对象，探讨它们的稳定同位素以及元素地球化学特 征，并以稳定同位素研究为主，建立了奉节县一个古土壤剖面全新世以来的古气候记录。经 过初步研究得到了一下几点结论： ( 1 ) 重庆奉节地区大气降水稳定同位素符合季风气候区的降水特征，夏季降水为主，冬季 降水的贡献较小；新崖洞洞穴水米自于大气降水，洞穴石笋6 1 8 0 适合用于古气候的重建，并 且以反映夏季风强度变化的夏季降雨为主。 ( 2 ) 水中各种常量、微量元素的含量反映了研究区的地质背景一石灰岩为主、不同采样点 的补给水源以及人类活动的影响。在对水体进行常、微量元素的研究中一定要重视地质背景 的调查。 ( 3 ) 古十壤剖面的6 1 3 c 。难指示了重庆奉节地区整个全新世的植被都以木本植物( c 3 植物) 为 主，气攸湿润：6 1 5 n 。r g 值反映了天然土壤的有机氮同位素特征：1 s 1 3 c o r g 、5 1 5 n o r g 变化趋势基本 一致，说明8 13 c 。r g 、8 15 n 。，g 都米源丁植被分解产生的有机质。8 1 3 c o r g 、6 1 5 n o r g 记录显示了全新 世早划的气候较冷；全新世早期向中期过渡时气候快速变暖，并且在全新世中期有着温暖的 气候条件；全新世后期的夏季风逐渐减弱，气候变冷。6 1 3 c 。曜、6 ”n o r g 反映的古土壤剖面的全 新世的气候变化中存在“缓慢变冷，迅速变暖”的气候变化特征。由于本研究区的降雨量一 直很高，温度升高造成了“有效湿度”降低。温度可能是影响“有效湿度”，进而影响植被发 l 两南大学硕十学位论文 育的控制洲f 。 ( 4 ) 受气候条件以及自身化学性质的影响，研究剖面的f e 、m n 含茸变化可能是f 热带地区 古土壤研究中反映气候降雨量变化的一种代用指标。 ( 5 ) 古土壤剖面的8 1 3 c 0 f g 记录能够可靠的反映重庆地区全新世以来的气候变化情况，所反 映的千年尺度的气候变化可与北大西洋深海沉积物对比，响应于全球变化机制，并受太阳辐 射因素的驱动。 关键词：稳定同位素常量、微量元素水系古壤古环境重庆奉节 a b s t r a c t cl i m a t ec h a n g ei nc h o n g q i n gd u r i n g t h e h o l o c e n e r e f l e c t e db yp a l e o s o lp r o f i l ei nf e n g ji ec o u n t y m s s t u d e n ti np h y s i c a lg e o g r a p h y ：w ux u d o n g ( 11 2 0 0 6 318 0 0 0 0 1 0 ) a d v i s o r ：l ih o n g c h u n ( p r o f e s s o r ) a bs t r a c t t h es t u d ya b o u tg l o b a lc h a n g ei sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ei m p o r t a n td u et ot h ec o n f l i c t sb e t w e e n e n v i r o n m e n t a li s s u e sa n dh u m a na c t i v i t i e s a so n eo b j e c t i v eo ft h ep a s tg l o b a lc h a n g e ( p a g e s ) s t u d y , p a l e o c l i m a t ei n v e s t i g a t i o nc a nh e l pu st ou n d e r s t a n dc o n t r o l l i n gf a c t o r so fc l i m a t ec h a n g e ，a n d m a k ep o s s i b l e p r e d i c t i o n o ff u t u r ec l i m a t e c h a n g e t h e h o l o c e n ei s a c c o m p a n i e db y t h e d e v e l o p m e n ta n dp r o s p e r i t yo ft h eh u m a ns o c i e t y , w h i c hm a k et h i sp e r i o db e c o m i n go n eo f t h em o s t i m p o r t a n tp h a s e so fp a l e o c l i m a t ei n v e s t i g a t i o n c h o n g q i n gl o c a t e si n t h em i d - r e a c ho fy a n g t z e r i v e r ，a n do nt h ee a s ts i d eo ft i b e tp l a t e a u t h a tw h i c hi st h eh i g h e s tp l a t e a ui nt h ew o r l d t h ec l i m a t e o ft h i sa r e ai su n d e rt h ei n f l u e n c eo fe a s ta s i a nm o n o o n ，i n d i a nm o n s o o na n ds i b r a nh i g hw i n t e r m o n s o o n ，a sw e l la st h ef e e d b a c ko fy a n g t z er i v e r t h es p e c i a lg e o g r a p h i c a ll o c a t i o nm a k e st h e i n f l u e n c i n gf a c t o r so fc l i m a t ei nc h o n g q i n ga r e ab e c o m em o r ec o m p l i c a t e d t h r o u g hc o n d u c t i n g p a l e o c l i m a t ei n v e s t i g a t i o ni nc h o n g q i n ga r e a , w ec a nd e t e c tt h er e s p o n s eo fr e g i o n a lc l i m a t et oa s i a m o n s o o ns y s t e mu n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s t h em a j o ro b j e c t i v e so ft h i sm a s t e rt h e s i sa r et h es t a b l ei s o t o p e sa n de l e m e n t a lg e o c h e m i s t r y c h a r a c t e r i s t i c so ft h eh y d r o l o g i c a ls y s t e ma n dap a l e o s o lp r o f i l ei nf e n g j i ec o u n t y u s i n gt h e g e o c h e m i c a lr e s u l t sf r o mt h ep a l e o s o lp r o f i l e ，ir e c o n s t r u c t et h ep a l e o c l i m a t ec o n d i t i o n si n t h e s t u d y i n ga r e ad u r i n gt h eh o l o c e n e o u rc o n c l u s i o n sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ei s o t o p i cc o m p o s i t i o no ft h ep r e c i p i t a t i o ni nt h es t u d y i n ga r e as h o w st h em o n s o o n a l r a i n f a l lf e a t u r e ：s u m m e rp r e c i p i t a t i o nc o n t r i b u t e st h em a j o rp a r to ft h ea n n u a lp r e c i p i t a t i o n ，w h e r e a s t h ew i n t e ra m o u n tc o n t r i b u t e sm u c hl e s s d r i pw a t e ri nx i n y ac a v ei sf r o m t h ep r e c i p i t a t i o n ，s ot h a t t h e8 1 8 0o fs t a l a g m i t e si ss u i t a b l ef o rp a l e o c l i m a t er e c o n s t r u c t i o na n dc h i e f l yr e f l e c t st h es u m m e r p r e c i p i t a t i o na m o u n t ( 2 ) t h ec o n t e n t so fm a j o ra n dt r a c e e l e m e n t si nt h ew a t e rs a m p l e sr e f l e c tt h eg e o l o g i c a l b a c k g r o u n d ，d i f f e r e n tr e s o u r c e sa n dt h ee f f e c to f t h eh u m a na c t i v i t yd e p e n d i n go ns a m p l ep o s i t i o n s o n em u s tp a yg r e a ti n t e n t i o nt ot h eg e o l o g i c a lb a c k g r o u n dw h e ns t u d y i n gt h em a j o ra n dt r a c e e l e m e n t a lc o n t e n t so fw a t e rs a m p l e s i i i 两南人学硕十学伊论文 ( 3 ) 6 c o f gv a l u e so ft h ep a l e o s o lp r o f i l ed e n o t et h a tt h ew o o d yp l a n t ( c 3p l a n t ) w a st h ed o m i n a n t v e g e t a t i o ni nc h o n g q i n ga r e ad u n n gt h eh o l o c e n e ，r e f l e c t i n gh u m i dc l i m a t e 6 d n o r gv a l u e sr e f l e c t t h a tt h en i t r o g e ns o u r c ei nt h ep a l e o s o li s n a t u r a l 8 1 3 c o na n d8 1 5 n 。r gv a l u e sh a v et h es i m i l a r v a r i a t i o n a lt r e n d s ，d e m o n s t r a t i n gt h a tt h eb u l ko r g a n i cm a t t e r sa r ed e c o m p o s e df r o mp l a n t s a c c o r d i n gt o t h e6 1 3 c o r ga n d8 5 n 0 r gv a l u e s ，t h ec l i m a t ew a sc o l di ne a r l yh o l o c e n e ，b u tr a p i d l y w a r m e du pf r o me a r l yh o l o c e n et om i d d l eh o l o c e n e t h ec l i m a t i cc o n d i t i o nd u r i n gt h em i d d l e h o l o c e n ew a sw a r m t h es u m m e rm o n s o o nb e c a m eg r a d u a l l yw e a k e ra n dt h ec l i m a t et u r n e dc o l d d u r i n gt h el a t eh o l o c e n e i nt h ep a l e o s o lp r o f i l e ，t h e “s u d d e n l yw a n n i n g ，g r a d u a l l yc h i l l c h a r a c t e r o fc l i m a t ei nt h eh o l o c e n ei sa l s os h o w nu p d u et oh i g l la n n u a lp r e c i p i t a t i o nb u tm e a na n n u a l t e m p e r a t u r ei nt h es t u d y i n ga r e ad u r i n gt h eh o l o c e n e ，l o w e f f e c t i v eh u m i d i t y i nn e tc l i m a t i c c o n d i t i o nm a yb er e s u l t e dt h a tm a yc o n t r o lt h ev e g e t a t i o n ( 4 ) b a s e do nt h ec h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ，f ea n dm ni nt h ep a l e o s o lp r o f i l ew e r en o tl e a c h e do u t u n d e rt h ec l i m a t ec o n d i t i o n s o n em a yu s ev a r i a t i o n si nf ea n dm nc o n t e n t si nt h ep a l e o s o lp r o f i l ei n s u b - t r o p i c a la r e aa si n d e x sf o rc l i m a t i cc h a n g e s ( 5 ) t h e6 ”c o r gv a l u e si nt h ep a l e o s o lp r o f i l ec a nr e f l e c tt h ec l i m a t ec h a n g ei nc h o n g q i n ga r e a d u r i n gt h eh o l o c e n e ，w h i c hh a v eag o o dc o m p a r i s o nw i t ht h er e c o r do fn o r t ha t l a n t i ci c e r a f t d e b r i so nm i l l e n n i a l s c a l e t h ec l i m a t ec h a n g ei nc h o n g q i n ga r e ah a sb e e nr e s p o n s e dt ot h eg l o b a l c h a n g ed r i v e db yt h es o l a rr a d i a t i o n k e yw o r d s ：s t a b l ei s o t o p e s ，m a j o ra n dt r a c ee l e m e n t s ，h y d r o l o g i c a ls y s t e m ， p a l e o s o lp r o f i l e ，p a l e o e n v i r o n m e n t ，f e n g j i e ，c h o n g q i n g i v 独创性声明 学位论文题目：鱼盘盘茎玉垒垦益兰遮圭_ 面基噬。幽垒堑 丝丛塞丝坯篮垒包 本人提交的学位论文是在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。论文中引用他人已经发表或出版过的研究成果，文中已加 了特别标注。对本研究及学位论文撰写曾做出贡献的老师、朋友、同 仁在文中作了明确说明并表示衷心感谢。 学位论文作者：美鸠泵 签字日期： 2 7 年争月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解西南大学有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅。本人授权西南大学研究生院( 筹) 可以将学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书，本论文：耐不保密， 口保密期限至年月止) 。 学位论文作者签名：吴搏奇 签字日期：z 呼年争月日 导师签名：磊 嘉 签字日期： 阳p 夕年中月6 日 第一章绪论 第一章绪论弟一早三百了匕 1 1 选题背景 1 1 1 全球变化研究现状 工业革命以来，人类活动对地球系统各圈层的影响逐渐增强。人类活动造成 了一系列严重的全球性环境问题温室效应、全球变暖、臭氧减少在平流层形 成臭氧空洞、土地荒漠化、淡水资源短缺、环境污染、等环境问题( 孙成权等，1 9 9 6 ) 。 今天，人类活动对环境造成的影响已经接近自然变化的强度和速率，并对人类未 来的生存环境产生长远的影响。然而这些环境问题已经不是局部的、区域的，而 是全球性的：涉及的范围已经远远超过了单一的学科，迫切要求从整体上来研究 地球环境和生命系统的变化；在这种形势下，全球变化学产生了。全球变化研究 涉及剑地球科学、宏观生物学、天体科学、遥感技术等众多的自然科学和社会科 学等领域，具有高度综合与交叉学科研究的特点( 孙成权等，1 9 9 4 ) 。它把地球的各 个圈层作为一个整体，研究地球系统过去、现在和未来的变化规律和控制这些变 化的原因和机制，从而建立全球变化预测的科学基础，并为地球系统的管理提供 科学依据。至今，国际科学界已组织了4 个大型的全球变化研究计划：世界气 候研究计划( w c i 冲) ；国际地圈生物圈计划( i g b p ) ；全球环境变化的人类因素 计划( i h d p ) ；生物多样性计划( d i v e r s t a t s ) 。它们分别研究地球物理系统、地 球系统的物理化学生物相互耦合作用的过程、环境变化的人类因素以及 养育人类的生物多样性4 个方面。 世界气候研究计划( w c r p ) 使全球变化研究的重要组成部分，它的目标在于深 化对气候、气象变迁以及引起气候变化的机制的认识，探索气候的可预报性及人 类对气候的影响程度( 张志强等，1 9 9 9 ) 。过去全球变化( p a s tg l o b a lc h a n g e ) 是世界 气候研究计划的一部分，强调要应用各种代用指标重建过去气候、环境变化的历 史，找到这种变化的规律和驱动因素，为预测未来的环境、气候变化提供科学依 据。为了预测未来的全球变化趋势，必须深入了解过去的全球变化规律。但有记 录的气象资料大多数只有几十至二百年，而这些气候条件又受近代人类活动很大 的影响，所以这些记录的气象资料不适合用来模拟未来的全球变化趋势。过去长 l 两南大学硕+ 学位论文 时间尺度的全球变化研究古气候研究能够帮助我们认识过去全球变化的规 律。因此，研究古气候变化问题，不仅是一个重大的科学问题，也是关系到今后 整个人类的生存与发展的重要问题。 1 1 2 全新世古气候研究进展 全新世是最年轻的地质时代，开始于1 2 0 0 0 1 0 0 0 0 年前持续至今。全新世以 最后一次冰期结束、气候转暖为标志，因此又称为冰后期。全新世的年代下限在 各个国家的标准不同，在中国普遍接受1 0 0 0 0abp 是全新世的开端。在全新世内 部又划分为三个阶段：早全新世，1 0 0 0 0 7 0 0 0abp ；中全新世，7 0 0 0 2 5 0 0ab p ；晚全新世，2 5 0 0abp 至今。中国的研究资料显示了中国全新世气候变化经j 力 了早全新世升温期、中全新世的大暖期和晚全新世降温期( 施雅风等，1 9 9 2 11 9 9 3 ) 三个环境变化阶段。 第四纪的主要气候特点是冰期一间冰期交替出现。末次冰期后，欧洲、北美 大陆的冰川相继瓦解。然而此后又发生了一次气候突变事件，称为“新仙女木事 件”，持续时间大概为1 0 0 0 年左右，后来又快速变暖。这是末次冰期中最后1 次 气候突变。“新仙女木”事件之后，进入间冰期阶段，也即伞新世。2 0 世纪后期人 们已经认识到冰期气候的不稳定性，这是古气候研究的一项重要成果。但是，人 们仍认为间冰期的气候温暖而平和，没有大的气候波动。d e n t o n 和k a r l n e ( 1 9 7 3 ) 在对北美和欧洲全新世山岳冰川的研究后提出全新世气候的不稳定性，但他们的 观点由于缺乏在其它记录中确切证据的支持并未得到广泛承认。直到1 9 9 5 年o b e m i 等对格陵兰冰芯中的化学成分进行分析后，发现了全新世可能有一系列的冷 事件，才又一次提出了全新世气候不稳定性的观点( o b r i e ne ta l ，1 9 9 5 ) 。随后， 关于全新世的气候不稳定性的报告相继发表( b o n de ta l ，1 9 9 7 ；m c d e r m o t te ta l ， 2 0 0 1 ；陈发虎等，2 0 0 1 ；周卫健等，2 0 0 1 ) ，研究应用的地质载体涉及到深海沉积 物、洞穴石笋、湖泊沉积物、泥炭等。其中最著名的是b o n d 等( 1 9 9 7 ) 根据北大西 洋深海沉积中的浮冰碎屑( i r d ) 确定的冷事件年表。根据b o n d 等的研究，全新世 共发生9 次冷事件，小冰期大约出现于0 4 k a b p 。美国缅因州大学教授p a u l 等对 全球5 0 余个古气候记录进行了集成研究( p a u l ，2 0 0 4 ) ，结果表明：全新世存在6 个主要的气候快速变化时期，即：9 0 0 0 8 0 0 0 ；6 0 0 0 5 0 0 0 ；4 2 0 0 3 8 0 0 ：3 5 0 0 2 5 0 0 ； 1 2 0 0 - 1 0 0 0 ；6 0 0 1 5 0c a ly rb p 。除了6 0 0 - 1 5 0c a ly rb p 为极地变冷而热带某些地 2 第一苹绪论 区湿度增加外，其余时段的气候快速变化记录的特征是极地变冷、热带干旱和大 气环流发生改变。其中以9 0 0 0 8 0 0 0c a ly rb p 气候波动幅度最为剧烈。 随着高分辨率的古气候记录的重建，不少学者发现全新世内的气候变化存在 一定的周期性。b o n d 等( 1 9 9 7 ) 在北大西洋深海沉积记录研究中发现了全新世冰后 期典型的1 5 0 0 a 准周期，陈发虎( 1 9 9 9 ) 发现兰州地区的冬季风存在1 5 0 0 年左右的 周期，王绍武等( 2 0 0 2 ) 根据众多学者用不同的代用资料确定全新世寒冷事件平均再 现周期接近1 5 0 0 年。这种千年尺度的周期显然不同于冰期间冰期这种轨道尺 度周期变化，那么它的驱动机制是什么呢? 大量的研究表明( b r o e c k e re ta l ，1 9 9 0 ； s t r e e t - p e r r o t te ta l ，1 9 9 0 ；b o y l ee ta l ，2 0 0 0 ) ，全球气候环境突变与热盐环流( t h c ) 变化密切相关，也成为了目前解释气候突变事件最主要的机制。但是也有学者尝 试用太阳活动( w i g l e ytm le ta l ，1 9 9 0 ；w a n ge ta l ，2 0 0 5 ) 、火山活动( r m a p i n om pe ta l ，1 9 9 2 ) ) 等因素解释全新世气候变化的周期性。 大量的研究证明全新世的气候确实是不稳定的，而气候的突变对人类社会的 发展有很大的影响。因此，全新世的古气候研究有助于我们预测未来气候变化( y h ee ta l ，2 0 0 4 ) 。8 2 k a b p 左右的冷事件可能促进了农牧业的发展，而5 5 k a b p 左 右的气候变冷( 吴文祥等，2 0 0 2 ) 在三大文明古国的发展中有重要的推动作用。 4 0 k a b p 前后的降温事件又是一次全球性的气候突发事件，这次变冷事件与一些古 文明的衰落在时间上是一致的( w e i s s e t a l ，1 9 9 3 ；c u l l n ee ta l ，2 0 0 0 ；c o u r t ye ta l ， 1 9 8 9 ；吴文祥等，2 0 0 1 ) 。愈来愈多的证据表明，人类社会的发展与全新世大约出 现于8 k a b p 、6 k a b p 以及4 k a b p 的3 次气候突变有密切的联系。由于全新世气候 条件的不稳定性，而全新世过去的气候变化曾经给人类社会的发展、繁荣造成了 非常大的影响，在这种情况下人类如果不对全新世的气候变化规律进行研究是非 常危险的。唯一的办法是从全新世古环境研究入手，总结规律，为未来的环境演 化趋势预测提供科学依据。 全新世古气候研究的重点时段之一是全新世中期( 8 5 k a ) 。全新世中期，全球 气候发，卜了深刻的变化( s t e i g ，1 9 9 9 ) ：全球大部分地区的气温下降，尤其是极地地 区气温f 降更为明显( s t e i ge ta l ，1 9 9 8 ；f i s h e re ta l ，1 9 9 8 ) 。而在我国季风区的研 究中很多学者发现中全新世是暖期( 秦伯强等，1 9 9 7 ；于革等，1 9 9 8 ；赵强，2 0 0 5 ) ， 气候温暖湿润、夏季风强；但是近年来在季风边缘区的研究中发现中全新世可能 阳南人号：硕十号：伊论文 存在干旱情况( c h e ne ta l ，2 0 0 3 ；陈发虎等，2 0 0 4 ) 。总之，对十全新世中期的气候 条件还存在着争议。由于本研究区的古气候研究非常薄弱，而其独特的地理位置 决定了它独特的气候特征，在这种气候影响下的全新世气候特征研究显得非常有 意义。 全新世伴随着人类社会的发展、繁荣。全新世的气候变化也是在人类活动的 影响下形成的，那么这种气候变化中人类活动影响所占的比例究竟有多大呢? 尤 其是在全新世后期，人类活动逐渐增强，温室气体大量排放，造成了大气成分的 改变。而近现代的温度正处于不断升高的阶段：i p c c l 9 9 0 年估计，未来气温变化 每十年增加0 3 ，至2 0 2 5 年平均气温比现在高1 ，2 1 0 0 年平均气温将比现今 高3 。c 。这种增温现象主要是受周期性气候因子的影响还是人类活动的影响，两者 对近现代增温影响的权重各是多少，还需要进一步的研究。 1 i 3 古土壤研究进展 古土壤是指形成于过去自然景观下的土壤。古土壤主要是第四纪时期形成的， 偶尔也见于第三纪地层中。更早时期的土壤一般均已石化，不再称为古土壤。古 土壤因受到地质物质( 如火山灰、熔岩、黄土、崩积物、冲积物和风积物等) 的覆盖 而被埋藏形成，实际上只有埋藏在一定深度的土壤才是真正的古土壤( 郭萨拳等， 1 9 9 4 ) 。研究占土壤可帮助人们重建古地理环境，了解土壤的发生和演变等具柯重 要的意义。 中国的古土壤研究主要集中于西北的黄土高原区。而黄土高原区的古土壤则 是黄土古土壤交替出现的形式存在的。中国的黄土分布广、沉积连续、保存 的环境信息丰富。根据中国黄土序列提取的环境所建立的2 5 m ab p 以来环境演 化的时间序列，可以和深海沉积和冰芯环境变化时间序列相对比，所以中国黄土 已成为国际上环境变化研究的支柱之一( m a j w i l l i a m se ta l ，19 9 7 ) 。在黄土 古土壤序列中可以提取很多环境气候代用，例如：粒度组成( a nz se ta l ，1 9 9 1 ； d i n gzle ta l ，1 9 9 4 ；丁仲礼等，1 9 9 6 ) ，可以反映冬季风强度的变化和沙漠范围 变化；7 0 年代后期，安芷生( 1 9 7 7 ) 就注意到黄土与古土壤磁化率的差异。磁化率 是探讨古土壤剖面发育程度的指标( 刘秀铭等，1 9 9 3 ；安芷生等，1 9 9 0 ) ，进而可以 反映降水、温度等影响土壤发育的气候因子( m a h e rba e ta l ，1 9 9 5 ) ：植物石t 酸体( 吕 厚远等，1 9 9 6 ) ，可以反映古土壤堆积时的古植被进而反映气候条件；次生碳酸盐 4 第一章绪论 的氧、碳i 叫位素，古土壤中的碳酸盐可以分为原生、次生两种，通过对次生碳酸 盐氧、碳同位素分析可以恢复碳酸盐沉积时的古温度( 李春园等，1 9 9 5 ) ：孢粉组合 ( 孙湘君等，1 9 9 5 ) 的原理和植物硅酸体的原理相似；有机碳同位素，不同类型的植 被具有不同的有机碳同位素值，研究古土壤剖面的有机碳同位素值可以恢复过去 植被类型从而反映气候条件( c e d i n g ，1 9 8 4 ；刘卫国等，2 0 0 2 ；顾兆炎等，2 0 0 3 ) ： 蜗牛化石( 吴乃琴等，1 9 9 6 ) ，通过给不同气候条件下适宜生存的蜗牛化石分类来讨 论季j x l 强度的变化；常量、微量元素含量，由于在成壤过程中元素的迁移特征， 古土壤剖面的元素组合地球化学特征可以反映成壤时期温度、降水等气候条件( 刘 东生等，1 9 8 5 ；陈骏等，1 9 9 6 ；顾兆炎等，2 0 0 0 ) 。 中国南方地区的古土壤由于成因复杂而研究较少，只有关于“华南红土 ( 朱 照宇等，1 9 9 5 ；徐义芳等，2 0 0 0 ) 和分布于长江流域发育于晚更新世的风成沉积物 “下蜀上”( 李徐生等，2 0 0 7 ；杨守业等，2 0 0 1 ) 的部分研究。对于“华南红土”， 并没有从年代上进行精确的占气候记录研究，而只是探讨了华南红土的理化特征、 地球化学特征、风化强度、演化历史、土壤肥力、红壤与新构造的关系和生态环 境效应等，主要是以定性和半定量研究为主( 李庆逵等，1 9 8 3 ；黄镇国等，1 9 9 6 ； 赵其国等，2 0 0 2 ；朱照宇等，1 9 9 5 ) 。虽然对于长江中下游地区的“下蜀土 有年 代学的讨论，但是主要认为其是风成沉积，来源与西北地区的“黄土 相同，对 “下蜀上”的研究手段也多与“黄土”的研究手段相似。我们所采得古土壤剖面 基本拿黄色，所以判断研究剖面町能为风尘堆积与碎屑堆积的混合物。由于本区 的植被发育程度较黄土高原区好，使本区的土壤堆积速率比同时期的黄土高原区 堆积速率大大提高。由于研究区的气候特征影响，后期“成壤作用”强烈，基本 上不存在原生“黄土”，已经完全转化为“古土壤”。 1 2 研究指标的选择及其古气候意义 本研究选取了有机碳、氮同位素和常量、微量元素等指标进行研究，以下将 对选取指标的古气候意义进行简单介绍。 1 2 1 有机碳同位素 现代土壤中的有机碳同位素( 6 1 3 c o 曜) 的变化主要反映了成土时期c 3 c 4 植物比 例的变1 1 l ( c e r l i n g ，1 9 8 4 ) 。那么古土壤剖面6 1 3 c 。r g 反映的c 3 c 4 植物比例的变化可 能是占气候和古环境的反映。自然界中的陆生高等植物根据光合作用的不同类型 两南大学硕十号叫市论文 叮以分为三种类型：c 3 植物，以木本植物为土( 乔术、灌卜等) ，6 乃c 值住- 2 2 o 3 4 o 之间，平均为2 7 o 。c 4 植物以草本为主，6 1 3 c 值在1 0 o - 2 1 o 之间，平 均为1 4 o 。c a m 植物，这一类植物不是植物中的主要类型，生活在干旱的沙漠 中，其6 1 3 c 值在c 3 与c 4 植物之间，一般可忽略不计。古土壤剖面的6 1 3 c o 隍值的变化 反映了植被类型的变化，而植被时气候条件的反映，因而古土壤剖面的6 1 3 c o 喧值可 以反演气候的变化。c 3 植物更习惯于相对湿、冷的气候条件，而c 4 植物更习惯于 相对干、热的气候条件。在相对湿、冷的环境下，c 3 植被大量发育，形成的古土 壤就有较低的6 1 3 c 懈值；相反，在相对干、热的条件下，c 4 植被发育，形成的古土 壤就有较高的6 1 3 c 町空值。 2 0 世纪8 0 年代，r s 。d z u r e c 等( 1 9 8 5 ) 就用土壤6 1 3 c o r g 来揭示过去历史时期 美国犹他9 l c u r l e w 山谷中的植被演替。9 0 年代初期，林本海等( 1 9 9 2 ) 将土壤6 门c 。馒 引入中国黄土的研究中，并用其指示夏季风强弱的变化。得到的普遍结论是在夏 季风减弱阶段，气候干冷，以黄土沉积为主，6 1 3 c o 陀偏负；夏季风增强阶段，气候 温暖湿润，古土壤发育，6 1 3 c o 璀偏正。但是安芷生等( 1 9 9 3 ) 在巴谢剖面的研究结果刚 好相反。顾兆炎等( 2 0 0 0 ，2 0 0 3 ) 发现渭南剖面约o 8 8 - 2 6 m a 古土壤6 1 3 c o ，。与黄土没 有差别，推；濒j c 4 植被相对生物量与夏季风不是简单的线性关系，认为温度是导致 全新世c 4 植物相对丰度增加的最主要的区域性因素。刘卫国等( 2 0 0 2 ，2 0 0 5 ) 对黄土 高原中部地区现代植物、不同生态区域现代表土和古土壤剖面土壤6 1 3 c o 馆进行了研 究，推测末次间冰期以来黄土高原区一直以草原为主。 土壤6 1 3 c o 曜研究多集中于黄土高原中部地区，其他区域的研究基本是窄白。南 方地区的气候、环境、植被组成与黄土高原都有很大不同，土壤6 1 3 c o 伦的环境意义、 控制因素都不同于黄土高原区。 1 2 2 有机氮同位素 相对于被广泛应用于古生态研究的土壤有机碳同位素( 6 1 3 c o ，。) 来说，有机氮同 位素( 6 n o 曲的应用要少得多( m i c h a e lz e c h e ta l ，2 0 0 7 ) 。6 1 5 n o r g 主要被应用于湖泊 和海洋沉积物的研究中( b r e n n e rm e ta l ，1 9 9 9 ；w o l f eb be ta l ，1 9 9 9 ：吴敬禄等， 2 0 0 5 ；陈志华等，2 0 0 6 ) ，用来反映有机质的来源。6 m n o 堆在古土壤的研究中并不 多见，而对于土壤6 1 5 n 讲。的环境意义也没有统一的见解。但是我们可以参考其在湖 泊和海洋沉积物种的应用方法，或许通过与6 1 3 c o 理以及其他环境代用指标的对比研 6 第一章绪论 究，我们_ 口j 以对6 1 5 n 。r g 在古土壤中的环境意义做一个初步的解释。 1 2 3 常量、微量元素研究 在风化作用中，母岩的成分对风华速度和沉积物的化学组成起控制作用。但 是在同一沉积剖面中，沉积物的化学组成的变化主要反映了环境的变化。研究化 学元素在沉积物中的分布和变化规律，不仅能够探索它们的来源，而且可以用来 恢复古气候与环境变化历史。这就是利用元素地球化学研究探讨气候变化历史的 基础( 张虎j 等，1 9 9 7 ) 。 由于元素的地球化学特性不同，在风化作用过程中的迁移能力也不同。其中， c 1 、b r 、i 、s 等元素属于强烈迁移的元素；c a 、n a 、m g 、k 等属于易迁移的元素； p 、m n 、s i ( 硅酸盐) 等属于可迁移的；f c 、a l 、t i 等属于略可迁移的；s i ( 石英) 基本 不会迁移。与上述元素从风化壳中淋出的顺序相应，波雷诺夫将风化过程分为四 个阶段，在各阶段中，各有其独特的风化产物。这四个阶段为： ( 1 ) 破碎为主的碎屑阶段。以物理风化为主，形成岩石或矿物的碎屑。 ( 2 ) 饱和硅铝阶段。c 1 与s 均已流失，c a ，n a ，m g ，k 等仍大部分保留，其中 c a 和n a 的流失l i , k , i i m g 要快些。溶液呈碱性或中性反应。 ( 3 ) 酸性硅铝阶段。风化壳遭到强烈淋溶，c a ，n a ，m g ，k 均已淋失，碱性条 件逐渐为酸性条件所代替。 ( 4 ) 铁铝十阶段。是风化的最后阶段，全部可移动的元素都被带走，只有氧化 铁、铝饯留。 c a 、n a 、m g 、k 属于易迁移元素，一般的水热条件即可从风化壳中淋洗出来； 而f e 、m n 、c u 等元素迁移性较弱，只有在湿润的条件下，化学风化和生物作用较 强时，才能够从岩石中迁出。因此，f e 、m n 、c u 等元素在古土壤中的含量与气候 的湿润程度有关。以上是土壤元素地球化学研究的理论基础。 以往对“黄土古土壤”、“华南红土 和“下蜀土 的研究中也有很多 已素地球化学手段的应用( 文启忠等，1 9 9 6 ：徐瑞松等，2 0 0 6 ；李徐生等，2 0 0 7 ) 。 所研究的元素包括f e 、a i 、n a 、s 、s i 、n 、p 、m n 、t i 、s r 、g a 、b a 、c u 、z n 、 c o 、n i 、c r 、v 等多种元素。根据不同的母岩和气候特征，可以选择不同的元素 进行研究。本研究选取了k 、n a 、c a 、m g 、b a 、s r 、c u 、z n 、f e 、m n 、c d 、c r 、 a s 、p b l 4 o f i 常、微量元素得稀酸可溶性形态进行研究。 7 两南大学硕十学位论文 1 3 本区前人主要研究工作 1 9 9 2 年赵贵林先生在三峡经济上撰文，首次介绍了天坑地缝；重庆市南 江水文队的工程师谭开鸥从岩溶地质的专业角度在中国岩溶上予以报道。1 9 9 4 年8 月由中国地质科学院岩溶地质研究所朱学稳教授和国际洞穴协会第一副主席 a n d ye a v i s 先生率领的中英联合科考探险队对奉节小寨天坑和天井峡地缝及邻近 地区进行洞穴探险和科学考察，首次让全国、全世界看到了天坑地缝。此后中英 联合科考探险队于1 9 9 6 、1 9 9 7 、1 9 9 9 和2 0 0 4 年由叫次对该地区进行科考、探险； 法国、爱尔兰等中外科考、探险队也曾在此进行科考、探险工作。 国内的一些研究机构也在此地区作了考察研究：中国地质科学院岩溶地质研 究所在天坑地缝景区进行了岩溶地质、地貌综合考察，并对其自然遗产价值进行 评价；中国科学院动物研究所、植物研究所、水生生物研究所等单位组成的联合 考察队于2 0 0 0 年1 1 月至2 0 0 1 年8 月对天坑地缝景区的生物多样性进行考察；中 国科学院古脊椎动物与古人类研究所，龙骨坡古人类研究所、奉节县旅游丈化局 等单位于2 0 0 1 年5 月、9 月对天坑地缝景区及其周边做调查发掘，发现了“大熊 猫剑齿象”动物群化石和古人类遗址( 陈伟海等，2 0 0 3 ) 。 以上的研究基本上都只是科学考察性质的，研究区内的古气候研究常薄弱， 只有新崖洞的两个石笋记录( 李廷勇等2 0 0 6 ，2 0 0 7 a ) ，因此在本研究区进行古气候 研究十分必要。 1 4 研究意义 1 4 1 探讨长江中上游地区季风强弱变化的周期及控制因素 重庆市处于我国地势第二阶梯往第三阶梯过渡的地区，受东亚季风、印度季 风联合影响，气候条件相当复杂。2 0 0 6 年夏重庆遭受百年不遇的大旱，2 0 0 7 年夏 则是百年不遇的大水。连续的自然灾害让我们不得不思考这种灾害性气候产生的 驱动因素是什么，重复周期是多久? 从气候带来讲，亚热带季风主控制着重庆地 区的降雨。