（自然地理学专业论文）黄河中游地区全新世地层n的分布及其环境意义研究.pdf

黄河中游地区全新世地层n 的分布及其环境意义研究 徐勤向 摘要 环境演变是全球变化研究的重要组成部分 而与人类发展关系密切 的全新世环境演变更是当今全球变化研究的重点热点之一 对其研究对于现代环 境的研究具有借鉴意义 黄河中游地区是我国主要的黄土分布区 长期以来 许 多学者在该区域的黄土沉积上 借助一系列诸如磁化率 粒度 全铁 孢粉 硅 酸体 有机碳 碳酸钙 微量元素等气候替代指标 重建了环境演变的历史 全氮 t n 作为一种环境代用指标在海洋和湖泊沉积环境研究中得到了广泛 的应用 但在黄土一古土壤序列研究中应用较少 本文通过对黄河中游地区全新 世剖面中的全氮分析 试图探讨全氮在黄土沉积上作为气候环境替代指标的可行 性及其环境意义 这不仅有利于丰富古气候环境研究的方法 而且弥补了其它气 候环境替代指标在恢复气候环境时存在的不足 在大量的野外考察基础上 从西向东沿黄土高原区的南部边缘选取了扶风 j y c 华县l g t 和新郑p l g 三个剖面作为研究对象 三个研究剖面地层稳定 且 发育连续完整 保存良好 具有典型性 分别对它们自表土到马兰黄土顶部每隔2 c m 高密度采样 待样品在室内自然风干以后 对其分别进行了全氮 磁化率的室 内测定 全氮含量采用半微量开氏法测定 磁化率采用英国b a r t i n g t o n 公司生产的 m s 2 b 型磁化率仪测量 二者测量精度符合要求 通过对实验结果的分析并结合 相关文献资料 解释讨论了土壤n 的赋存形态及其各种形态转化 并比较分析了 全氮含量在全新世剖面各地层之间的变化以及与气候环境替代指标磁化率和黄土 一古土壤序列的对应关系 讨论全氮在全新世研究中作为环境气候代用指标的可 行性 并进一步探讨全氮的气候环境意义 通过本文的研究 主要得到以下几方 面的认识 1 全新世黄土一古土壤中 全氮含量在同一剖面的不同的地层层位上差异 显著 古土壤中的全氮含量明显大于黄土中的含量 表土层含量最高 在l g t 剖 面 古土壤中的全氮含量变化范围在0 4 4 6 5 0 2 0 5 4g 瓜g 之间 均值为o 3 8 5 6g k g 黄土中含量变化范围则在0 4 2 7 4 o 0 9 2 5 啦g 之间 平均o 2 9 4 0 9 m g 表土层 t s 全氮含量较高 平均值为o 4 6 8 5g l g 最高达0 6 6 3 0 舭g 在p l g 剖面中 古土 壤中的全氮含量变化范围在o 3 9 9 2 o 0 9 0 3g k g 之间 平均含量o 2 7 6 3g k g 黄 土中全氮含量变化范围为o 3 0 1 5 一o 0 9 0 9g g 平均含量0 1 7 6 1g k g 表土层t s 全氮含量最高 平均值为o 4 9 8 0g g 最高值达o 5 9 1 5g g 表土层中全氮含量 之所以为整个剖面撮高值 可能与表土层含有大量的尚未分解和半分解的植物残 体或人类对该层耕作 施加氮肥有关 并非气候变化所致 2 全氮含量的变化与黄土一古土壤序列及磁化率变化曲线有着良好对应关 系 而诸多研究证实黄土和古土壤是不同气候条件下的产物 黄土是在相对冷干 的气候条件下形成的 而古土壤的发育 气候条件相对暖湿 磁化率能较好地反 映古气候的变化 被认为是较理想的古气候替代指标 因而 可以通过对比得出 全氮含量分布应该也能反映的气候变化 即全氮含量高反映相对暖湿气候条件 而含量低则反映相对冷干气候条件 因此 全氮含量可以作为古气候环境变化的 替代指标 3 黄土一古土壤中的全氮是一定生物气候环境下的产物 其含量和性质都 与气候 环境和生物条件有直接关系 在古土壤层形成时期 气候温暖湿润 生 物活动较强 能够有较多的氮素堆积下来 使古土壤相对富含氮 而在黄土堆积 时期 气候比较干冷 生物活动减弱 氮在黄土层中富集较弱 因此 全氮含量 变化是反映古气候环境变化的一个重要信息 从这个角度上也可把全氮作为一个 气候环境替代指标来指示古气候环境 全氮含量高指示暖湿的生物活动强的气候 环境条件 含量低则指示冷干的生物活动弱的气候环境条件 4 全新世黄土一古土壤中的全氮绝对含量在空间上也存在着明显的差别 研究区域内的三个剖面中 扶风j y c 剖面的全氮含量最高 华县l g t 剖面次之 新郑p l g 剖面最低 这种含量差别也反映了三个剖面所在地区气候条件的不同 尤其表现在降水方面 实验结果表明 关中盆地西部剖面中的全氮含量要大于盆 地东部的含量 进一步印证了关中盆地降水西高东低的情况 而在豫西北山前丘 陵带的新郑剖面中 全氮含量要远小于关中盆地的含量 其原因与该地黄土沉积 物质来源有关 也说明了成土母质也是全氮含量多寡的一个影响因素 5 全氮作为一个可能的气候环境替代指标与磁化率曲线进行分析比较 发 现在某些层位上全氮变化表现的更为清楚 这说明全氮反映古气候环境在某些方 面可能比磁化率更为灵敏和优越 在p l g 剖面 全氮变化曲线在古土壤层s 段8 5 9 5c m 处出现一个十分显著的低值 这反映的可能就是大量研究表明的中原地区 在5 0 0 0 6 0 0 0 a b p 存在一次以干早为特征的气候恶化期 而这一时期在土壤成壤 强度上没有明显表现出来 在气候替代指标磁化率 粒度上的表现也不显著 并 且 全氮含量变化曲线在全新世古土壤s 形成时期出现多次明显的低值段 可能 揭示了s 形成期内存在类似于末次间冰期那样的千年尺度的气候波动 关键词 全氮黄河中游全新世 替代指标环境演变 i i t o t a l n i t r o g e ni nt h eh o l o c e n el o e s s p a l e o s o ls e q u e n c e sa n di t s e n v i r o n m e n t a l s i g n i f i c a n c ei nt h em i d d l er e a c h e so f t h ey e l l o wr i v e r x u q i n x i a n g a b s t r a c t t h eh o l o c e n ee n v i r o n m e n t a lc h a n g eb o u n d e d u p w i t l lt h ed e v e l o p m e n t o f h u m a n b e i n g si so n eo f t h e m o s te m p h a s i sa n d h o t s p o t so f t h eg l o b ec h a n g es t u d y s o t h es t u d yo ft h eh o l o c e n ee n v i r o n m e n t a lc h a n g eb e c o m e sr e f e r e n c et ot h em o d e m e n v i r o n m e n t t h em i d d l er e a c ho ft h ey e l l o wr i v e ri st h em a i n l o e s s d i s t r i b u t i n gz o n e f o ral o n gt i m e m a n ys c h o l a rh a v er e b u i l tt h ee n v i r o n m e n t a lc h a n g e sh i s t o r yi nv i r t u e o fs o m ec l i m a t e e n v i r o n m e n t p r o x yi n d e x e s s u c h a s m a g n e t i cs u s c e p t i b i l i t y g r a i n s i z ea n a l y s i s t o t a lf e o r g a n i cc a r b o n c a c 0 3 s i l i c a t eb o d y m i c r o e l e m e n t s e t c t h et o t a ln i t r o g e na sac l i m a t e e n v i r o n m e n t p r o x yi n d e x i su s e dp r e f e r a b l yi nl a k e a n do c e a ns e d i m e n t b u tl e s si nl o e s s p a l a e o s o ls e q u e n c e b a s e do nm u c hp a r t i c u l a r f i e l di n v e s t i g a t i o n t h r e el o e s s p a l a e o s o lp r o f i l e sa l o n gt h es o u t h e r nv e r g eo ft h el o e s s p l a t e a ua r es e l e c t e da n ds a m p l e d t h et o t a ln i t r o g e na n dm a g n e t i cs u s c e p t i b i l i t yo f t h e t h r e ep r o f i l e s r em e a s u r e di nt h el a b t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h et o t a ln i t r o g e ni nt h e m i d d l er e a c h e so ft h ey e l l o wr i v e r t h et e x tt r yt od i s c u s st h ef e a s i b i l i t ya sac l i m a t e e n v i r o n m e n t p r o x y i n d e xa n dc l i m a t i cs i g n i f i c a n c eo ft h et o t a ln i t r o g e n w h i c hn o to n l y e n r i c ht h em e t h o do f c l i m a t e e n v i r o n m e n tp r o x yi n d e xb u ta l s om a k eu pf o rt h e d e f i c i e n c yo f o t h e rc l i m a t e e n v i r o n m e n t p r o x y i n d e x t h et h e s i sd r a w st h ef o l l o w i n g c o g n i t i o n s 1 t h e c o n t e n to ft o t a l n i t r o g e n i s d i v e r s i t y i nd i f f e r e n t s t r a t i g r a p h y o f l o e s s p a l a e o s o l i nt h eh o l o c e n e o b v i o u s l y t h ec o n t e n to ft o t a ln i t r o g e ni sm o r ei n p a l a e o s o lt h a ni nl o e s s i nl g t t h et i p t o po f t n a p p e a r si nt h et o p s o i l o 6 6 3 0g k g o 3 8 5 6g k gi np a l a e o s o la n do 2 9 4 0g k gi nl o e s s i np l g0 4 9 8 0g k gi nt h et o p s o i l o 2 7 6 3g k gi np a l a e o s o la n do 1 7 6 1g k gi nl o e s s t h et i p t o po ft h et ni nt h et o p s o i l p o s s i b l yr e s u l t sf r o m h u m a n b e i n g si n f l u e n c eo rd e m o u n to f o r g a n i c s u b s t a n c e 2 t h ec h a n g eo ft o t a ln i t r o g e n c o n t e n ti si n c o r r e s p o n d e n c ew i t hm a g n e t i c s u s c e p t i b i l i t y c u r v ea n dt h el o e s s p a l a e o s o ls e q u e n c e b e c a u s et h el o e s s p a l a e o s o l s e q u e n c e a n dm a g n e t i c s u s c e p t i b i l i t y r er e g a r d a s g o o dc l i m a t i cp r o x y s o t o t a l n i t r o g e nc a nb eac l i m a t e e n v i r o n m e n tp r o x yi n d e x h i g h t o t a ln i t r o g e nc o n t e n ts h o w s 1 1 1 w a r m h u m i dc l i m a t i ce n v i r o n m e n t w h e r e a sl o wt o t a ln i t r o g e nc o n t e n ts h o w sc o l d d r yc l i m a t i ce n v i r o n m e n t 3 t h en i nl o e s s p a l a e o s a li so f f s p r i n go ft h eb i o l o g y c l i m a t ea n de n v i r o m n e n t t h ec o n t e n ta n dc h a r a c t e ro fni s c o r r e s p o n d i n gw i t hc l i m a t ec o n d i t i o n d u r i n gt h e p a l a e o s o lf o r m i n g c l i m a t ew a r m a n d h u m i d p l a n t sf l o u r i s ha n db i o l o g ye n e r g e t i c t h u s m u c hne n r i c hi nt h es o i l d u r i n gt h el o e s sf o r m i n g t h ec o l d d r yc l i m a t e l e s sp l a n t a n dd u l lb i o l o g ym a k ens c a r c ci nt h el o e s s f o l l o w i n gt h ea b o v ea n a l y s i s t h ec h a n g e o ft h et nc o n t a i n st h ei n f o r m a t i o no ft h ec l i m a t e t h e r e f o r e t h et nc a nb er e g a r da sa c l i m a t e e n v i r o n m e n t p r o x y i n d e x 4 t h ec o n t e n to f t ni nl o e s s p a l a e o s o le x i s t sd i s t i n c t i o nw i t hs p a t i a lp o s i t i o n a m o n g t h et h r e es t u d yp r o f i l e t h ec o n t e n to ft ni st h em o s ti nj y ca n dl e s ti np l g t h ed i f f e r e n c eo ft h et nc o n t e n tr e f l e c t sc l i m a t ed i s t i n c t i o n e s p e c i a l l yi np r e c i p i t a t i o n a s p e c t t h es o i l so r i g i n a lm a t u r e i sa ni n f l u e n c ef a c t o ro f t h et o t a ln i t r o g e nc o n t e n t 5 t h et n a sa p o s s i b l ec l i m a t e e n v i r o n m e n tp r o x y i n d e xi sm o r es e n s i t i v ea n d s u p e r i o rt om a g n e t i cs u s c e p t i b i l i t ya n d o t h e rp r o x yi ns o m ea s p e c t i nl g t t h e t nb u t n o t m a g n e t i cs u s c e p t i b i l i t y g r a i n s i z e d i s c l o s e st h e5 0 0 0 6 0 0 0 ab p c l i m a t e d e t e r i o r a t i o nw h i c hi sp r o v e db ym a n ys t u d i e s m o r e o v e r s e v e r a ll o w v a l u eo ft h et n i nt h e s od i s c l o s ep o s s i b l y t h e m i l l e n a r y d i m e n s i o n c h a n g e i nt h eh o l o c c n e m e g a t h e r m a l l i k ei nt h el a s ti n t e r g l a c i a l k e y w o r d t o t a l n i t r o g e n t h em i d d l ey e l l o wr i v e r h o l o c e n e c l i m a t e e n v i r o n m e n tp r o x yi n d e x e n v i r o n m e n tc h a n g e 学位论文独创性声明 矿 2 8 0 3 本人声明所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的 研究成果 尽我所知 除文中已经注明引用的内容外 论文中不包含其他个人已 经发表或撰写过豹研究成果 也不包含为获得陕西师范大学或其它教育机构的学 位或证书面使用过的材料 对本文的研究做出重要贞献的个人和集体 均已在文 中作了明确说明并表示谢意 作者签名 街 殓f 1 2日期 芝堕 j y 学位论文使用授权声明 本人同意研究生在校攻读学位期问论文工作的知识产权单位属陕西师范大 学 本人保证毕业高技后 笈表本论文或使用本论文成果时署名单位仍为陕西师 范大学 学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其它指定机构送交论文的电 子版和纸质版 有权将学位论文用于非赢利巳的的少量复制并允许论文进入学校 疆i 书馆 院系资料室被裔润 有权将学位论文的内容编入有关数掘库进行梭索 有权将学位论文的标题和摘要汇编出版 作者签名 丝勃函日期 丝尘 立童驴 第一章绪言 1 论文题目的选择 全新眭上是人类文明迅速发展的时期 也是人地关系变化最为剧烈的时期 因 而 对这一时期环境信息的提取眭5 理所当然成为当今全球变化研究的重点和热点 之一 中国黄土高原地区的黄土一古土壤序列十分发育且完整 被认为是重建古 气候演变历史的重要信息库 是目前研究全球变化最好的陆地信息载体之 黄 河中游是我国主要的黄土分布区 这一带黄土连续分布 覆盖在不同高度的中低 山 丘陵和平原之上以及河谷地段 形成著名的黄土高原 包括了甘肃省的中东 部 陕西省的中北部 山西省和河南省的西部地区 到目前为止 众多学者们对黄土高原的黄土沉积进行了深入研究 建立了许 多直接和间接的指示古气候环境变化的指标 如粒度特征 磁化率 黄土一古土壤 序列 全铁 同位素组成变化和地球化学组分等等 黄土粒度变化指示了冬季风 的强度变化及沉积区与物源区的距离远近w 3 磁化率反映了夏季风的强弱变化及 成壤强度 4 1 5 而现存的黄土一古土壤序列是东亚季风环流作用的产物 其中 黄 土是在寒冷干燥时期由冬季风环流搬运堆积而形成 古土壤则是在温暖湿润时期 因夏季风增强而形成 6 1 7 的 这些指标为解释东亚季风演化历史和全球气候变化的 成因提供了重要的依据 以上成果侧重于黄土物理和化学方面的研究 而生物地 球化学方面的工作一直是黄土研究中的薄弱环节 氮作为一种黄土中活性较强元 素 又是生物生长的必需元素 在整个生物循环中起着重要作用 众所周知 风 尘物质堆积后 经受不同程度的风化成壤作用 在干冷的冰期形成黄土 在温湿 的间冰期则发育成古土壤 8 口在这种冷暖气候波动下 氮对古气候变化的信息可能 被黄土一古土壤序列保存下来 在黄土堆积和成壤过程中 氮的地球化学行为受 到风化成壤强度的制约 在很大程度上取决于温度和降水量 而温度和降水量是 东亚季风的主要标志 因此 黄土中氮的地球化学行为不仅受到黄土高原小气候 环境变化的制约 而且受到东亚季风乃至全球气候变化的影响 基于此 我们沿 黄土高原的南部边缘在关中盆地的西部及东部和豫西北山前丘陵地带选取了三个 典型剖面 开展氮的生物地球化学方面的研究 这将是一项对研究反映古气候环 境变化很有意义的尝试性工作 本文的选题是在查阅了大量资料的基础上 经过自己的分析论证和导师的指 导确定的 结合导师国家自然基金项目 编号 4 0 4 7 1 1 1 9 开展工作并撰写成文 2 全氮在环境变迂中的研究现状 2 1 全氮在海洋沉积中的研究现状 宋金明等 9 1 研究发现海洋沉积物中氮的来源既有陆源输入 也有生物化学转化 过程 前者一般是近海沉积物氮的主要来源 吸附态的无机氮 包括硝态氮和铵态 氮 在氮的生物地球化学循环中具有重要作用 它是沉积物中全氮最 活跃 的部 分 与水体关系密切 易受到物理 化学 生物 她质等环境的影响 海洋沉积 物中的吸附态无机氮可以直接释放进入海水 也可以经过成岩作用转化为结合形 态更为牢固的沉积物颗粒中的氮 m a y e re ta l lo j 认为沉积物中氮的浓度分布除了与物质来源有关外 还与沉积 速率 矿化进程 沉积物的氧化还原环境 沉积物粒度等因素有关 全氮含量分 布在近岸区域较高 在泥质沉积物中要比砂质沉积物中高 表明全氮含量受陆源 输入物质及沉积物粒度的影响 宋金明 1 l j 对渤海南部海域2 9 个站位的沉积物样品中的吸附形式的无机氮 包 括硝态氮和铵态氮 和全氮 a n 进行了分析研究 表明在表层沉积物中 吸附形 式的铵态氮和硝态氮平均含量分别为o 0 1 4g k g 和0 0 6 7 1 毋g 分别占吸附形式氮 的1 7 1 3 和8 2 1 7 即硝态氮是可吸附形式氮的主体 铵态氮主要受有机质含量 氧化还原环境 黏土矿物组成的影响 硝态氮主要受水体硝态氮浓度和分布的控 制 吸附态氮占t n 的3 2 8 刘春莲等 1 2 对广州番禺区z k 5 孔中全新世横栏组淤泥沉积进行了总有机碳 全氮含量和碳氮比值分析 根据三者的变化趋势把全新世横栏组淤泥沉积划分为 两个不同的沉积环境阶段 阶段i 1 5 1 8 9 1 0m 的总有机碳含量变化幅度较大 全氮含量很低 碳氮比值较高 表明其有机质以陆源为主 有机质生产力明显受 气候的控制 阶段i i 9 1 0 1 1 4m 总有机碳和总氮含量上升 但碳氮比值变小 表明阶段i i 的沉积环境明显不同阶段i 该时期有利于表层水体中浮游生物的繁 荣 而碳氮比值下降 表明其主要受海洋的影响 有机质主要来源于原地浮游 生物 d el a n g ee ta l t l 3 的研究则认为固定铵可能成为沉积物全氮组成中的重要部 分 在海洋和某些湖泊沉积中固定铵可达到全氮含量的1 8 9 6 沉积物固定 铵的能力取决于粘土矿物的含量和种类 邓兵等 1 4 j 研究长江三角洲第一古土壤层认为 土壤氮组成是成土与沉积 气 候 古地理条件等古环境因素共同作用的结果 在强成土阶段 古土壤加积作用 减弱 土壤层稳定发育 有机质积累 有机氮的质量分数相应增高 同时 成土 过程中有机质腐殖化导致土壤有机元素组成发生变化 有机质发生脱氮富碳作用 使得m c 州 n 值增高 地下水位低 土壤层透气良好的环境也有利于土壤有 2 机质的分解与转化 增强脱氮作用 从而形成 c 埘 n 的高值 2 2 全氮在湖泊沉积中的研究现状 钱君龙等 鄹通过对若尔盖r m 孔的研究 认为湖泊沉积中的全氮含量的高低往 往由气候因素 如气温和降水 所控制的 在温暖湿润的气候条件下 湖泊的初 始生产力提高 全氮含量通常较高 反之 在寒冷干旱的气候条件下 全氮含量 则低 通过测定还发现在全氮含量中 无机氮的含量很少 这可能与埋藏年代久 远有关 吴艳宏等f 1 6 j 根据滇池沉积物分析得出全氮 有机碳 尤其是碳氮比 c n 可 以判定有机质来源及数量 进而恢复古环境 以外源有机质为主时 较丰沛的降 水 增大了地表径流 带来了更多的有机质 t o c t n 和c n 的值高 对应高湖 面 以内源有机质为主时 c n 降低 反映降水量少 为低湖面 袁旭音等 i7 j 咀太湖底泥为研究对象 通过分析不同形态氮的含量 揭示太湖 底泥中全氮的区域和垂直方向的变化特征 全氮含量的高值区分布在太湖北部五 里湖 梅梁湾北部和竺山湖北部区域 有效氮的分布与总氮的分布一致 氮垂直 变化显示 数千年人类的活动并未明显影响底泥中氮的含量 而在近代由于人类 活动的影响 底泥中的氮则明显增加 相关分析还表明太湖底泥氮含量还与粘土 矿物的含量成正比 王雨春等n 埘研究表明红枫湖和白花湖沉积物中具有较高的全氮含量 平均含 量约为沉积物干重的0 3 6 o 4 0 其垂直分布在埋藏过程中受到成岩作用的 改造 呈现阶段性变化 表层 上部 沉积物全氮含量明显高于下部沉积物 随 着沉积深度的增加 全氮含量迅速下降 达到一定的沉积深度后全氮含量相对稳 定 吴丰昌 j9 通过对云贵高原湖泊研究发现 湖泊水环境中的氮主要以颗粒有机 氮的形式进入沉积物 其含量与有机质含量有关 沉积物中铵态氮主要以交换形 式存在 而硝态氮则已可溶形式存在 郑卓等 2 0 通过对海南岛双池玛珥湖的s c 1 钻孔泥芯研究发现 孔深在1 7 8m 以下的全新世早期 全氮含量多半小于0 2 而在1 7 8m 6 0 0m 的全新世中期 全氮含量明显上升 大约在0 3 o 7 之间 沉积物中全氮含量差异反映了当时生 态气候环境变化 2 3 全氮在现代农业土壤中研究 在受人类活动影响最为深刻的农业土壤中 氮的研究工作开展的不仅最早 而且取得了大量的研究成果 研究认为农业土壤中的全氮含量可用于衡量土壤氮 素的基础肥力 而士壤有效氮 又称水解氮与农作物的生长更为密切 农业土壤 氮素收入包括降水 灌溉 施肥 种子和生物固氮等途径进入农田系统 氮素支 出主要有作物吸收和氮素损失 2 2 5 1 进入土壤的氮素经过有机氮的矿化 氮素的 吲持 硝化和反硝化 铵离子吸附释放等复杂的转化过程后 在农业土壤系统中 达到一种收支动态平衡 2 6 2 7 1 2 4 氮素在黄土 古土壤中的研究现状及闷题 关于氮素在黄土一古土壤中的研究 部分学者做了一些工作 例如 任福弘 等1 28 j 认为不同价态的氮元素及与其相关的微生物含量 在黄土一古土壤剖面上的 分布不是一个简单的线性递增或衰减过程 全氮在剖面上的丰度波动及其递增或 衰减的幅度受地球化学场和它的组构形式制约 在黄土一古土壤剖面上 不仅自 上而下存在着纵向的层间氮转化过程 而且存在横向同一层内部的强烈的转化过 程 饶文波掣2 9 对1 3 万年以来洛川黄土一古土壤序列中固定铵态氮进行了分析 结果表明 末次间冰期古土壤中固定铵态氮含量最高 其次为冰后期s o 古土壤 末次冰期形成的马兰黄土最低 而且 固定铵态氮的分布在马兰黄土中也能体现 出三次小的低 高值的波动特征 洛川黄土1 3 万年以来固定铵态氮的分布与磁化 率和小于2 u n l 粒度组分的分布相似 在此基础上 利用马兰黄土中粒度与固定铵 态氮的相关关系 计算了s 1 古土壤中固定铵的分布 并与实测结果进行了对比 推测s 古土壤中固定铵态氮有轻微的损失 尽管如此 s l 古土壤中固定铵态氮含 量仍然高于黄土 鉴于黄土 古土壤序列中固定铵态氮的分布与粉尘粒度有密切的 关系 能与气候变化较好地对应 它可视为反映黄土高原区东亚冬季风强 弱周 期性变化较好的替代性指标 但总的来看 作为一种气候环境代用指标在海洋和 湖泊沉积环境研究中得到较好应用的全氮 在黄土一古土壤序列研究中应用还是 比较少 3 本次研究的过程及工作量 3 1 研究中的实验内容 为了较为全面 准确地获取本研究区域的黄土 古土壤中的信息 在做了多 次详细的野外考察之后 首先确定了研究区域和研究剖面 采样点 在研究区域 内分别选取了关中盆地西部的扶风匠杨村 盆地东部的华县老官台村和豫西北山 前丘陵地带的新郑裴李岗村为本研究的采样地点 随后对选取的剖面进行了精密 采样 以2 锄为单位连续取样 然后在样品自然风干后 选取了全氮 磁化率指 标 对三个剖面的样品认真地做了室内实验分析 每一个实验分析均严格按照实 验的步骤和要求进行操作的 全氮和磁化率在实验分析之前都认真地做了样品前 处理和指标实验分析 为了使分析误差降到最低 还做了大量的样品重新测试工 4 作 通过检测同一样品分析结果的重现性来确保每一个指标分析结果的准确性和 可靠性 然后借助于计算机做了大量详细的统计分析 并参考专家看法和已掌握 的文献资料对实验结果进行了解释和讨论 虽后撰写成文 3 2 研究工作流程 3 3 研究工作量 时间主要工作 工作量 2 0 0 3 矩 选题和开题 查阅大量中外文资料 了解全氮在环境演变中 8 月一1 0 月 的进展 结合参与的课题进行了选题和开题 2 0 0 3 年3 月 野岁 考察及采样 确定研究区域后 在区域内进行多次野外考 2 0 0 3 年1 0 月察 最后确定采样点为扶风j y c 华县l g t 1 1 月 新郑p l g 剖面 并对三剖面进行了采样 2 0 0 3 年1 1 月样品预处理样品在实验室自然风干后 对每个样品大约取 一2 0 0 4 年2 月 2 0 g 进行研磨 2 0 0 4 经剖面 分析项目及样品个数 2 月 1 2 月 室 扶风j y c全氮 9 5 磁化率 1 9 0 内 实 验 室 华县l g t全氮 9 5 磁化率 1 9 0 分 析 新郑v l g全氮 5 0 磁化率 1 0 0 2 0 0 4 年1 2 月实验数据统计和论对实验数据进行了详细的统计分析 结合野外 2 0 0 5 年5 月文的撰写考察结果和专家意见完成论文撰写工作 6 第二章区域概况和剖面选择 1 研究区域的自然背景 本研究所涉及的地理区域范围 大致在3 4 3 5 0 n 1 0 7 5 1 1 3 5 0 e 之间 包 括了陕西关中盆地的西部 东部地区和河南豫西北山前丘陵地带 陕西关中盆地 是黄土高原南缘的断层陷落瓮地 盆地西起宝鸡峡口 东到潼关港口 全长3 6 0k m 从宝鸡峡起从西向东逐渐展宽 在西安附近南北宽度可达8 0k m 关中盆地南 西 北三面皆为山脉环绕 其内发育渭河 因此 该盆地又称渭河盆地 盆地内的黄 土地貌主要是3 4 级的台塬 这些黄土台塬呈阶梯状分布于渭河两侧 高于渭河 水面1 0 0 4 0 0m 河南豫西北山地为秦岭山系的余脉 在其山前丘陵地带分布着 一些黄土高原经流水切割而形成的黄土丘陵 是黄土高原与华北平原过渡带上最 东南缘的黄土塬 研究区域海拔皆在5 0 0 1 0 0 0m 之内 属于黄土台塬区和山前 沉积地段 本研究所选的剖面皆来自这些黄土塬上 图2 1 研究区域及土壤剖面的分布图 本区域属于大陆季风气候区 夏季受东南海洋性季风的影响 气候温热湿润 冬季则受西北大陆性季风的控制 气候寒冷干燥 两种方向 性质相反季风决定 了本研究区域年降水量自东南向西北递减的趋势 但由于关中盆地三面环山 两 窄东宽的地形地貌的影响 盆地西部的降水量要远远大于东部地区 就其热量指 标而言 该研究区域基本属于暖温带气候范畴 2 研究剖面的选取与地层特征 本文研究区域位于我国季风与非季风交界的黄土高原南部 南以秦岭与亚热 带交接 西与世界屋脊青藏高原接壤 独特的地理位置 使得本区域成为全球变 化响应最为敏感的地区之一 为了较全面获取本区n 含量和环境演变的信息 在 做了多次详细的野外考察之后 从西到东沿黄土分布区的南部边缘选取了3 个剖 面进行分析研究 它们分别是扶风j y c 剖面 华县l g t 剖面和新郑p l g 剖面 2 1j y c 剖面 扶风j y c 剖面 3 4 2 8 7 n 1 0 7 5 3 7 e 位于扶风县西北台塬面上的浅洼地 内 海拔6 8 5m 临近先周歧邑的遗址周围 当地年平均气温1 2 4 1 3 5 一 月平均气温 o 5 0 9 七月平均气温2 6 3 年降水量约为6 0 0m m 属于 暖温带半湿润气候 目前为农田景观 该黄土 古土壤剖面出露在约5 6i r l 的 陡坎之上 剖面中两层红棕色古土壤及相问的橙黄色黄土界限分明 易于识别和 划分 为了进行室内实验分析 对j y c 剖面进行了系统采样 自地表开始向下以 2c m 为单位连续取样 至马兰黄土顶部 共采集了1 9 0 个样品 结合野外观察记 录和室内观察分析 将该剖面作如下划分和宏观形态特征描述 见表2 1 2 2 l g t 剖面 华县l g t 剖面 3 4 3 17 n 1 0 9 4 4 7 e 位于华县县城西南约3 k m 处的老 官台村南侧约2 0 0m 地处渭河南岸二级阶地上 海拔5 6 0m 左右 本区属于暖温 带气候 年均温1 3 4 一月平均气温 1 2 七月平均气温2 7 3 年均降 水量6 0 0l l n l 左右 该剖面位于一个砖窑取土后的新鲜陡坎处 剖面厚度大于5 i r l 从剖面出露情况可以看出 全新世剖面厚度 4m 黄土一古土壤序歹i 发育良好 层间界限清晰 为了进行室内分析 对l g t 剖面进行了系统采样 自地表开始向 下以2c m 为单位连续取样 至马兰黄土顶部 共采集了1 9 0 个样品 结合野外观 察记录和室内观察分析 将该剖面作如下划分和宏观形态特征描述 见表2 2 2 3 p l g 剖面 新郑p l g 剖面位于新郑县城西北8k m 处 3 4 3 0 n 1 1 3 0 4 2 7 e 地处颍 河支流双洎河的第三阶地上 该地区年均温1 4 2 c 年均降水量7 0 0m m 左右 该 8 表2 1扶风j y c 剖面地层划分及形态特征描述 地层单元深度 c m 颜色 形态描述特征 表土 t s 0 4 5 浊橙 7 5 y r 4 6 粉沙质地 团块 团粒构造 孔隙中等发育 疏松易碎 可见球形小团粒很发育 直径 多在1 0 2 0r a m 下部比较坚硬 多蚯 蚓孔和粪粒 偶见木炭屑和小石子 近代黄土 l 0 4 5 一一8 0浊黄橙 1 0 y r 7 4 粉沙质地 比较坚硬 块状结构 有的斑 块相对比较均匀 可见发育良好的微团聚 体 偶见蚯n f l 和粪粒 耕作扰动特征明 显 一一一一 一 一一一一一一一 一 一一一一一 一 一一一一一一 一 一一 一 一一 一一一一 j 土8 0 1 6 0上部浊红棕粉沙质地 团块结构 球形小团粒很发育 i 壤 5 y r 4 6 直径0 5 2 0r a m 相对较紧实 含小 i s 下部亮红棕中空隙 根孔 可见有少量蚯蚓孔和粪粒 j 5yr5 6 1 0 5c m 以下可见少量白色钙质菌丝体 黄1 6 0 一 1 9 0浊橙 7 5 y r 4 6 粉沙质地 块状结构 略硬 但仍能用手 古土壤j 土捏成粉末 偶见细小球形微团聚体 直径 s o k为小于0 5m m 有一些根孔填充的白色钙 质粉霜和假菌丝体 过渡性2 4 2 2 6 5浊黄橙 1 0 y r 6 4 黄土 t o 马兰黄土 l 1 2 6 5 3 8 0浊黄橙 1 0 y r 7 4 粘土质粉沙质地 棱柱状结构 碎裂成梭 块 相对较紧实 略硬 含中小空隙 根 孔 顶部1 2c m 似为团块状 略松 并有 小的微团聚体 显示古土壤的a 层特点 粉沙质地 块状结构 有来自上部的棕色 斑状块填充在空隙中 疏松易碎成粉末 顶部7c m 内含有不规则的钙结核 粉沙质地 均质 团块结构 多细小空隙 小 于o 5r f l i n 疏松且极易碎成粉末 9 4 r丫5 椽红浊2m 0悖 土壤醑 表2 2 华县l g t 剖面地层划分及形态特征描述 地层单元深度 m 颜色形态描述特征 表土 t s 0 4 0浊黄橙 1 0 y r 7 3 近代黄土 l o 4 0 9 6浊橙 7 5 y r 7 4 一 t l 一 一一一 一 一一一一一一一一一一一一 古 9 6 1 9 6上 部浊棕 土 7 5 y r 6 3 壤下部浊红棕 s 0 1 5 y r 5 4 1 9 6 2 1 0浊黄橙 1 0 y r 7 1 4 2 1 0 2 7 4浊橙 5 y r 6 3 2 7 4 2 9 8浊黄橙 1 0 y r 7 1 3 马兰黄土 l 1 2 9 8 3 8 0浊黄橙 1 0 y r 7 4 团块一团粒构造 粉沙质地 孔隙中等发育 疏松易碎 球形小团粒很发育 直径多在 0 5 1 0l l r f l 粉沙质地 均质块体 疏松 根孔较少 少 量蚯蚓粪粒 上部 9 6 1 5 8e r a 粉沙质地 团块结构 疏松易碎 球形小团粒很发育 直径0 5 1 0 m m 中等数量的根孔 较多钙质 粉霜和 假菌丝体 局部有少量蚯蚓粪粒 中部 1 5 8 1 8 0e m 较多粗中细粉砂 0 5 1c m 块状黄土 疏松易碎 但显得致密 根孔较 少 s o 下部 1 8 0 1 9 6e r a 粉沙质地 团块结构 疏松易碎 球形小团粒较发育 直 径0 5 1 0m m 中等数量根孔 较多钙质 粉霜和假菌丝体 个别蚯蚓粪粒 粉沙质地 均质团块结构 疏松易碎 形态 特征更接近马兰黄土 中等数量根孔 较多 钙质粉霜和假菌丝体 粉沙质地 团块结构 略硬 中等数量根孔 较多钙质粉霜和假菌丝体 局部小团粒发育 直径0 5 1 0r a i n 的团聚体 粉沙土层 致密坚硬 无孔隙 不具黄土结 构 貌似潮结成块的水泥体 较多粗中细粉 砂 顶部2e m 可见到浅色和深色土块形成 的斑杂构造 推断为洪水漫溢沉积 粉沙质地 均质团块结构 疏松且极易碎成 粉末 中等数量根 1 0 l 1 横 仕 山 憎 仕 慷 攫性u 古土壤啪 一 蠹趟 阶地的黄土覆盖厚度超过3 0m 其中全新世部分保存完整 黄土一土壤序列发育 良好 厚度约为2m 对l g t 剖面进行了系统采样 自地表开始向下以2c m 为 单位连续取样 至马兰黄土顶部 共采集了1 0 0 个样品 结合野外观察记录和室 内观察分析 可将该剖面作如下划分和宏观形态特征描述 见表2 3 表2 3新郑p l g 剖面地层划分及形态特征描述 第三章实验方法和实验结果 1 实验方法 基于实验室现有的条件 并考虑到土壤中全氮含量变化较小 选取了设备比 较简单易得 但结果可靠的开氏法对土壤全氮进行了测定 磁化率作为古气候的 替代指标 得到普遍的认可 因而将其作为全氮的一个较理想的对比指标进行测 定 因此 本研究主要对全新世黄土一古土壤剖面的全氮 磁化率等气候指标进 行了室内测定分析 1 1 全氮的测量方法 全氮含量用半微量开氏法测定 3 具体步骤如下 1 土样称取 取土样1 0g 在玛瑙研钵内研磨至粒径小于0 1r n n l 从中称 取1 0g 同时测量二匕样中的水分含量 2 土样消煮 将称取的土样轻轻送入开氏瓶瓶底 然后加入1m l k m n 0 4 o 5m o l l 边摇荡边缓缓加入2mlh 2 s 0 4 1 1 摇匀后静置5 分钟 再向 瓶中加入两滴正辛醇和o 5g 还原性f e 粉 待剧烈反应后 约1 0 分钟 在电炉上 加热4 5 分钟 瓶中一直处于微沸状态 以不引起大量的水分丢失为宜 停火 待开氏瓶冷却后 通过长颈漏斗加入2 0g 加速剂 k 2 s 0 4 c u s 0 4 5 h 2 0 s e 1 0 0 1 0 1 和5m l 浓h 2 s 0 4 摇匀 待剧烈反应过后 约1 0 分钟 a n 大火力 直至出现蓝绿色透明液体析出为止 3 氨的蒸馏 待消煮液冷却后 用少量去离子水将其全部转入蒸馏器 并 用去离子水洗涤开氏瓶4 5 次 总用水量不超过3 0 3 5r n l 取5 0 m l 的锥 形瓶一个 加入2 0g l d 硼酸一指示剂5ml 放在冷凝管的末端 管1 3 置于硼酸 溶液面以上3 4c m 处 然后向蒸馏器内缓缓加入1 0 m 0 1 l 1 n a o h 溶液2 0 m l 通过蒸汽蒸馏 待溜出液体积约5 0ml 为止 4 试液滴定 用o 0 0 8 5m 0 1 l 1 的h 2 s 0 4 标准液滴定溜出液 溶液由蓝绿 色刚刚变为紫红色时为滴定终点 并记录所用标准酸溶液的体积 m l 5 空白测定 取三个开氏瓶 不放入土样 按照该实验 2 4 的步骤进行 测定 测出三次空白样所需标准酸溶液的体积 然后求其平均值 作为空白所需 标准酸溶液