黄土高原mys-a全新世土壤剖面气候代用指标的变化

黄土高原mys-a全新世土壤剖面气候代用指标的变化

新世是人类从蒙藏到文明进步的时期。在不到几千年的时间里，农业迅速繁荣，为更高级文明的出现奠定了坚实的基础。人类的活动范围急剧扩大,人类对生态环境的影响逐渐凸现出来。黄土高原是人类古代文明的发祥地,长期农牧业的发展,使得天然植被在大多数地方已荡然无存。由于人类活动的影响,水土流失严重,生态环境十分恶劣,严重的影响了该地区的经济发展。本文以黄土高原腹地甘肃合水黑垆土剖面为研究对象,通过对剖面的粒度、磁化率、全铁、TOC、CaCO3等气候代用指标的分析,试图恢复和重建泾河上游黄土高原地区全新世成壤环境演变过程,进而探索人类活动对土壤发育的影响。1my-a-a/ab-pb-土壤剖面的宏观形态甘肃合水县位于陇东黄土高原亚区的中部,子午岭以西、马莲河中游地区的黄土丘陵残塬,海拔高度1400m,河谷切割深度为200～300m,当地年平均气温为7～10℃,1月平均气温-4～-8℃,7月平均气温19～22℃,年平均降水量约为450～550mm,比较稳定的地面发育着黑垆土,目前为农田景观。MJY-A土壤剖面位于合水县一残塬边缘平坦地面,邻近著名寺洼文化遗址。整个剖面土壤学层次与地层学层次都很清晰,剖面下部露出晚更新世马兰黄土,上部为全新世黄土与古土壤序列。对于该剖面的宏观形态特征描述见表1。在该剖面发现的文化遗物,对于该剖面的断代具有重要价值。其中在160～170cm深度发现桔红色、褐色陶片,属于前仰韶文化时期的遗物。据此断定160cm层位为7000aBP。在L0下部86～88cm发现的灰色陶片、木炭屑、烧炭屑,属于寺洼文化时期,断定该层位年代为3100aBP左右。这为MJY-A土壤剖面成壤环境和人类活动影响问题提供了良好的年代控制。另外,根据关中和陕北南部利用14C和TL测年确定的马兰黄土顶界和黄土L0底界年代,并参照眉县清湫村剖面的年代序列,初步确定了MJY-A土壤剖面年代序列(表1,图1、图2)。2方法与分析结果2.1强化活性物质的提取为了获得较高的时间分辨率,在详细的野外观察分析的基础上,对MJY-A土壤剖面进行了系统采样。自地表开始向下每2cm连续采样,至马兰黄土顶部,共采集样品140个。这些样品经过自然风干,每个样品取50g进行研磨至粒径小于2mm;再采用BartingtonMS2磁化率仪对样品进行磁化率的测定,每个样品测定3次,取平均值。取约0.5g的样品放入250ml的烧杯中,分别加入5ml10%的H2O2、HCL,加热使其充分反应,除去有机质和CaCO3;然后在往烧杯中注满蒸馏水,静置48小时后,抽取清水,重复几次直至溶液呈中性,再加入5ml0.5N的(NaPO3)6进行分散;最后采用英国生产的Mastersizer-S型激光粒度仪,在超声波为12.50,测量范围为0.03～900μm,相对误差小于4%的条件下进行粒度的测定。另取样品10g在玛瑙研钵中研至200目以下,并将其混合均匀,从中取出0.5g置于聚四氟乙烯坩埚中,分别加入浓硝酸、氢氟酸、高氯酸高温溶解,然后用去离子水定容于50ml容量瓶以备分析。对样品中全Fe含量的分析采用原子吸收光谱法,仪器为北京第二光学仪器厂生产的原子吸收光谱仪(WFX—IC型)。在分析过程中,加入标准样品进行质量控制。取烘干的细研磨土150mg放入专用样舟中,采用德国生产的ElementarHighTOCⅡ仪器进行总碳TC的测定;另取烘干样150mg放在舟中,加浓盐酸数滴充分反应,直至土样不在冒气泡(目的是分解CaCO3,去除无机碳),再烘干,测量总有机碳(TOC)。根据TC、TOC,求得总无机碳(TIC),再进一步求出碳酸盐类成分的含量,以CaCO3表示。各种分析结果见图1、2和表2、3。2.2土壤剖面的全铁含量和生物成壤作用磁化率反映土壤剖面铁磁性矿物含量的变化,而这些铁磁性矿物主要是在风化成壤过程中产生的。因而磁化率的变化反映了成土强度的变化,间接反映了气温降水强度的变化,即夏季风强度的变化。MJY-A剖面磁化率变化在35×10-8SI～134×10-8SI之间(表2)。马兰黄土磁化率值最低,平均在40×10-8SI,表明马兰黄土形成在冰期的干旱环境当中,沙尘暴大量堆积粉尘,几乎没有发生明显地生物风化成壤作用;在古土壤层(S0)磁化率值出现最大值,且平均值达到了115×10-8SI,表明在S0形成时期,气候条件温暖湿润,生物风化成壤很强烈。另外,从剖面磁化率曲线我们注意到,磁化率从马兰黄土向全新世增加的过程中有一很长时间的过渡段,到全新世古土壤的近顶部才达到磁化率的最高值。全铁含量主要指次生风化产生的游离态铁(Fe2+和Fe3+),通常在土壤剖面次生粘化层的含量最高。因此,黄土中全铁含量与含铁硅酸盐矿物的风化分解程度密切相关,因此它可以有效指示各个层位的成壤强度。在黄土高原成壤强度主要受东南季风带来的降水量变化控制,因而全铁含量变化也可以作为东南季风强度的指标。甘肃合水MJY-A剖面全铁含量,在古土壤层(S0)的中上部84～124cm出现全铁含量的峰值(3.2%～3.62%),在Ts和L0中全铁含量值也相对比较高,而在马兰黄土(L1)和过渡层(Lt)全铁的含量最低,平均在2.60%～2.93%之间,这一点与磁化率的变化规律是一致的。黄土中的CaCO3作为易溶盐类,在次生风化改造过程中变化非常明显,因而可以作为探索大气降水或湿润程度的指标。在MJY-A剖面中,马兰黄土(L1)中CaCO3的含量高达13.4%,表明它堆积形成于一种干旱少雨的荒漠、半荒漠环境;古土壤层(S0)中的CaCO3遭到一定的淋溶作用,平均含量为5.62%,表明它形成于相对湿润多雨的环境。有研究表明古土壤剖面CaCO3淀积深度的变化,也可以作为衡量气候湿润程度的指标。TOC含量的高低在一定程度上反应了成壤过程中生物活动的程度以及其保存状况,剖面中有机碳的含量平均为0.4%左右,由于表土层作为现代的耕作层,深受人类活动的影响,且含有半分解和未分解植物残体和根系,故有机碳的含量最高,平均值为0.63%,古土壤层含量也较高,在0.25%～0.39%之间,反映当时生物成壤强烈。在马兰黄土层(L1)含量极低,平均值仅有0.12%,反映受到当时冰期干旱气候的限制,生物成壤作用非常微弱。在现代黄土层(L0)中较高含量的有机碳是可能是由于残留的植物根系及枯枝落叶被分解以后的结果。粒度分析结果表明,MJY-A剖面粗粉沙(0.05～0.01mm)含量变化在49%～56%之间,剖面中粘粒(<0.005mm)的含量变化在17%～26%之间。剖面各粒度指标与地层层序相吻合。黄土剖面粘粒既包含风尘堆积的原生组分,也包含生物风化成壤产生的次生组分,古土壤S0层位粘粒比较丰富,在21.41%～27.74%之间,而各个黄土层位则以粗粉沙粒含量高达53%为特征。粒度分析也证明黄土层为粉沙质地,古土壤层为粘土质粉沙质地。3土地的风化成壤过程黄土高原地处中国内陆,是东南季风和西北季风的交汇地带。甘肃合水MJY-A剖面地处黄土高原中心位置,海拔高度大,从分析结果可以看出,其与全新世时期黄土高原南部关中盆地褐土的成壤环境相比,各种反映暖湿状况的指标值均较低,而反映干旱状况的指标值则较高,体现了其区域特点。由图1、2可以看出,在全新世早期(11500～8500aBP),由于受东南季风所控制的降水仍较少和受西北季风所控制的降尘仍较大的影响,虽然气温属于回升期,但仍较为寒冷干燥;地表的植被虽有所恢复,但仍以草本植物占绝对优势。风尘堆积速率较晚更新世有所降低,并有一定的生物风化成壤作用,表现在这一时期的土壤剖面(Lt)中有机碳的含量略高于晚更新世形成的马兰黄土(L1)中的有机碳的含量,但碳酸钙的含量仍较高。另外,在这一时期,黄土高原地区尚少有人类活动,土壤的发育表现为自然成壤过程。在全新世中期(8500～3100aBP),全球气候进入大暖期,东南季风长期控制黄土高原腹地,气候普遍温暖湿润。在大暖期的早期,植被的面貌仍以草本植物占优势,可能代表凉爽半湿润气候,较低的气温有利于有机质的积累。随后,气温逐渐升高,乔木花粉明显增多,粘粒含量逐渐升高,而粗粉沙明显减少,这说明该区受东南季风影响显著,沙尘暴较少发生,风尘堆积速率减弱,土壤的生物风化成壤作用强烈。由于受淋溶作用和淋移作用的影响,土壤剖面有正常的向下的风化成壤过程;同时,受风尘堆积作用的影响,土壤剖面又有向上的增长加厚过程,使得在黄土高原腹地发育着深厚的黑垆土。这一时期,虽然随着降水的增加,流水作用增强,但由于地表面有植被的覆盖,表土中又有植物根系的固结作用,土壤的抗蚀能力较强,土壤并没有受到明显侵蚀而发育完整。正是由于这一时期水土资源条件的优越,在黄土高原地区,我们祖先利用这个环境资源优化的时机,发展了原始定居农业,进入新石器时期。在对MJY-A剖面的研究过程发现,在160～170cm含桔红色、褐色陶片(1mm)。这说明在新石器时代早期(约7000aBP),即前仰韶文化时期,人类已在合水开始活动,由于气候和环境条件良好,该地区形成和发展了定居农业文化,但通过对该层位土壤的各种理化分析结果(见图1、2),发现人类活动对于该区的成壤过程并没有明显的影响。到全新世晚期,在距今3100多年前时,受全球气候变化的影响,东亚季风格局发生突变,西北季风势力大大增强,黄土高原进入了一个干旱缺水时期,地表植被开始退化,尘暴频繁发生,风尘堆积速率增高,土壤剖面加速增长,堆积形成的现代风成黄土(L0)覆盖了前期的土壤剖面使之成为埋藏的古土壤,而目前地表土层或者耕作层都是L0黄土的顶部。有学者认为全新世古土壤S0与黄土L0界面本身反映了季风格局的快速转变和黄土高原环境的恶化。根据合水MJY-A剖面中磁化率、全铁、CaCO3、粒度等指标的分布特征,也充分地说明了这一点。另外,由剖面中各项指标的分布特征,表明地表黄土层(L0)仍然处于继续堆积过程,但从大约1500aBP开始,这种干旱气候和不良的风化成壤状况有所改善。在古土壤层(S0)和现代黄土层(L0)的界面上88～86cm处发现了寺洼文化层,其校正的14C年代为3250～2520aBP。寺洼文化属于游牧类型文化,从原始的农耕文化转向游牧类型文化,这种土地资源利用方式和文化形态的转变,实际上指示着水、土、生物资源(或者说土地资源)急剧地自然退化。由于季风的突变造成黄土高原地区严重干旱,导致环境恶化,生物风化作用严重受阻,致使以种植粟类的原始定居农业所依存的水分、热量、土壤条件已不复存在,原始农业解体,农耕文化受到彻底的破坏,而以长期维持低水平的简单畜牧经济为唯一发展途径。可能由于聚落的建设,使MJY-A土壤剖面在86～88cmS0的顶部发生较大变化。古土壤S0层面所代表的古地面为当时人类生活的地面。该层位土层质地疏松,时见灰烬、黑斑膜和木炭屑(1.2～1.5cm)及褐黑色烧土块,且土壤的各项理化指标均有较明显的突变(图1、2),这属非正常自然变化,而是人类活动对土壤发育影响的结果。实际上,由于气候的恶化,人类对自然环境的破坏早在3100年前就开始了。人类不合理的开垦土地,乱垦滥伐,破坏了黄土高原的自然植被,由于地表缺乏植被的保护,造成现代严重的土壤侵蚀。在全新世早期或更早时期,黄土高原地区人口稀少,人类主要以狩猎等非农业生产方式生活,天然植被发育,保护了表土层,阻止了侵蚀作用的进行,使黄土得以保存,黄土高原得以发育。到了全新世中期,由于气候条件适宜,植被茂密,虽降水增加,侵蚀会加强,但是,这一时期人类的生产力水平落后,人类活动对自然的影响还非常有限,而且,由于气候的适宜,环境的自我调节和抗干扰能力比较强,黄土高原仍然是林茂草肥、河水充沛、土地肥沃的美丽高原。而到了全新世晚期,尤其是秦汉以后,一方面由于气候条件的恶化,另一方面黄土高原地区人口的急剧增加,生产力水平的提高,人类为了自己