黄土高原中部末次间冰期以来黄土-古土壤序列rbsr分析

黄土高原中部末次间冰期以来黄土-古土壤序列rbsr分析

根据现代气候学研究，中国洛杉矶高原的气候控制着东部季风气候的活动。冬季，冬季寒冷的来自北方和南部的干燥寒冷气候，夏季，冬季寒冷的来自南方和南部的温暖湿润空气。洛杉矶高原黄土古土层广泛分布于东亚冬季和夏季季风气候的交替产物。黄土层代表了冬季风的强干，夏季风相对减少。气候干燥寒冷，颗粒沉积率快，风化成土效果低。古土层代表了夏季风的加强和冬季风的减弱。气候温暖潮湿，风化成土具有强烈的连续性。黄土-古土壤条件记录了晚第三纪以来东亚季风气候的形成和发展历史，对阐明青藏高原的高度和亚洲的内陆干旱具有重要研究意义。迄今为止,关于东亚夏季风的时空演化主要通过磁化率指标来获得.一些学者将黄土-古土壤序列中磁化率的变化与古温度、古降水量相联系,估算东亚夏季风不同时段的演化型式及空间分布格局[13,14,15,16,17,18].然而,磁化率的变化机制十分复杂,目前至少有“脱钙作用”、“沉积稀释”、“成壤增强”等多种假说,一些土壤学特征揭示的气候变化信息也很难在磁化率曲线上得到反映,因此对磁化率的古气候意义解释较为困难,从而可能影响其对古气候参数估计的准确性.要正确理解东亚夏季风演化的历史和机制,必须建立和健全东亚夏季风多指标体系以相互印证.一些学者利用黄土中10Be浓度、植物硅酸体、氧化铁含量等手段,对黄土高原夏季风定量化研究进行了有益的尝试.最近,对黄土-古土壤序列元素地球化学研究表明,Rb/Sr值的变化与黄土物质风化成壤强度密切相关,可视为夏季风环流强度的替代性指标.该指标的建立为探究夏季风演化规律提供了新的途径.为此,本文选取黄土高原中部由西到东、由北到南2条纵线共6条剖面,旨在探讨:(i)Rb/Sr值与气候参数之间的关系;(ii)黄土高原Rb/Sr值的空间分布规律;(ⅲ)定量恢复黄土高原13万年来夏季风气候的时空演化型式.1中环县剖面和灵台剖面结构在黄土高原中部选取了2条断面上6个末次间冰期以来的黄土沉积剖面,它们分别是:由西到东为平凉、西峰和洛川,由北到南为环县、镇原和灵台(图1).这6个剖面均位于黄土塬边缘切开的沟谷处,L2以上地层连续而稳定野外很容易辨认.其中环县剖面位于黄土堆积区和荒漠区的过渡地带,粉尘堆积速率快古土壤发育较弱;灵台剖面位于黄土高原南部,属黏黄土带,粉尘堆积速率较慢,古土壤发育程度较高;其余4个剖面处于黄土带,古土壤发育程度介于环县与灵台之间.研究剖面地层由倒数第二冰期黄土L2的顶部、末次间冰期古土壤S1、末次冰期黄土L1以及全新世古土壤S0的底部组成.对6个剖面进行了系统采样,其中环县剖面按25cm间距,其余剖面按20cm间距,共获得样品525块.同时在黄土高原由北至南采集了18个不同地区表层土壤样品.全部样品在南京大学现代分析中心进行了Rb和Sr含量的测定,所用仪器为日本岛津公司生产的VP-320型X射线荧光光谱仪.测试结果经标样控制和对照试验,得出其相对误差和相对偏差均小于2%.2土壤rb/sr与气候条件的回归分析研究表明,黄土剖面中Rb为稳定元素,而Sr为活动性元素,因此黄土中Rb/Sr变化主要取决于Sr的丢失程度.尽管不同时期粉尘的物质组成和粒度分布对Rb和Sr的含量有一定影响,但是粉尘堆积以后所发生的风化成壤作用对于Rb/Sr值的变化更有决定意义.由于黄土区土壤形成时的地形、植被、母质相对十分均一,因此土壤发育程度直接与当地气候条件(主要是降水量和温度)密切相关.而通过分析与现代气候条件相平衡的表土样品,寻找气候指标与气候参数之间的关系,是定量恢复古气候的有效途径.本次研究所采集的18个地区的表层土壤样品,未经人为扰动,基本与当地气候条件达到平衡.表1列出了表土样品Rb/Sr分析结果及采样地点现代气候条件.从表中可以看出,Rb/Sr高值出现在年均温和年均降水量较高的地区,即随着年均温、年均降水量的增高,表土Rb/Sr值逐渐增高,表明土壤中Rb/Sr变化明显受到当地气候条件的影响.运用回归统计分析方法,对表土样品Rb/Sr值与气候参数进行回归检验,从中选取回归离差最小、相关系数最大的曲线回归方法,回归方程如下:式中x——Rb/Sr值,MAP——年均降水量,MAT——年均温度.方程(1)和(2)式的相关系数R2分别为0.915和0.601.图2显示黄土高原表土样品Rb/Sr与气候参数之间的对应分布图及回归拟和曲线.可以看出,Rb/Sr值与年均温的拟和度较差,而与年均降水量的拟和度十分显著.由于黄土高原地处半干旱-半湿润气候带,降水量的变化是影响该区域土壤发育及风化程度的重要因素.研究表明,土壤中Rb主要赋存在钾长石、白云母、黏土矿物等较难风化的矿物中,而Sr则主要赋存在碳酸盐、斜长石等易风化的矿物中,风化成壤过程中含锶矿物容易分解而使Sr发生淋失,Rb则残留原地,从而使土壤中Rb/Sr值增高.黄土的连续提取实验也证实,碳酸盐淋溶及含Ca硅酸盐矿物的分解是导致古土壤Rb/Sr值增高的主要因素,而粒度分选作用的影响可以忽略不计.因此Rb/Sr值的变化实际反映了土壤风化过程中遭受的淋溶程度.在影响土壤风化和淋溶程度的气候要素中,降水量占了主导地位.表土中Rb/Sr值与降水量之间显著的拟和关系证实Rb/Sr值变化主要受到降水量的控制,利用Rb/Sr比值可以指示古夏季风环流演化.3rb/sr的时空变化图3为2条断面上各剖面Rb/Sr值曲线.从图中可以看出,Rb/Sr曲线的变化趋势与地层的发育十分吻合,所有剖面中黄土层(L1LL1和L1LL2)的Rb/Sr值均低于古土壤层(S1)及弱成壤亚层(L1SS1).Rb/Sr曲线的变化形式与空间上地层的配置相一致.末次冰期的Rb/Sr曲线在6个剖面中均出现2个明显的低谷,分别对应于氧同位素阶段2和4(MIS2和MIS4);曲线中间则出现1个显著峰,其中在灵台剖面有3个峰,对应于氧同位素阶段3(MIS3).空间上,Rb/Sr值由西向东变化幅度不大,在平凉剖面L1中,Rb/Sr平均值为0.45,而在西峰剖面中Rb/Sr平均值也为0.45,只有在东部的洛川剖面中Rb/Sr值才略有增长,平均为0.53,增大幅度约18%.在由北向南的横断面上,末次冰期时的Rb/Sr值变化却十分显著,在北部的环县剖面中其平均值为0.36;而在中部的镇原剖面中其平均值为0.50,增大了28%;到了南部的灵台剖面中其平均值为0.68,相对于环县增大了89%.末次间冰期的Rb/Sr曲线表现为明显的峰值,对应于氧同位素阶段5(MIS5).其变化趋势为:在环县和平凉均为3个峰和夹于其间的2个谷,在镇原和西峰剖面中只有2个峰和1个谷,在洛川和灵台剖面则整体上表现为峰值段落,次一级变化不显著.空间上Rb/Sr值由北向南逐渐增大,平均值从环县剖面S1中的0.46变化到镇原剖面中的0.70,再到灵台剖面中的0.95,其变幅达1倍以上;由西向东Rb/Sr值缓慢增大,在平凉、西峰和洛川剖面S1中的平均值分别为0.53、0.53和0.81.上述分析表明,无论冰期还是间冰期时期Rb/Sr随纬向梯度变化均十分显著,而在经向上的梯度变化不明显,只有在夏季风强盛的间冰期时期才随经度缓慢增大,反映出夏季风场强以纬向进退为主的变化特征.4不同氧同位素段时期夏季风降水量的变化研究气候替代性指标的变化最终是为恢复古环境而服务.Rb/Sr曲线与指示全球冰量变化的深海氧同位素曲线以及北半球夏季日照曲线具有较好的对比关系(图2),可以标定最近13万年来黄土高原夏季风气候的变化序列.利用回归方程(1)式,对6个剖面中的Rb/Sr值进行计算,恢复不同氧同位素阶段时期夏季风降水量的变化(图4).4.1年际变化特征该阶段是末次冰期旋回气候最为干冷的时期,估算的降水量值最低,比现代年均降水量减少70～200mm,其中灵台和洛川剖面减少的幅度最大,这与Maher等根据磁化率得出黄土高原东南部降水量降低幅度最大的结果相一致.这一时期夏季风锋面南移,只到达黄土高原东南部地区,降水量随纬度变化的梯度较为平缓.4.2降水量随坡度变化该阶段为末次冰期中显著的气候适宜期.夏季风锋面向北移动,研究区降水量均有所增高,接近现代降水量水平.降水量随纬度变化的梯度较大,如环县与灵台之间年均降水量相差达250mm,表明夏季风加强时黄土高原北部和南部地区气候差异相对增大.4.3冰期降水特征该阶段气候虽然不及MIS2阶段干冷,但也属显著的冰期气候,降水量较低,比现代年均降水量低50～160mm,同样以洛川和灵台剖面降低幅度较大为特征.夏季风锋面向南退移,降水量随纬度变化的梯度相对平缓.4.4风环流影响下风锋面向北推进该阶段是13万年来气候最温暖湿润的时期,以夏季风特别强盛为基本特点.夏季风锋面向北大幅推进,降水量明显增加,超出现代年均降水量20〜100mm.有意义的是,降水量随纬度的变化梯度较高,且与MIS3阶段十分相近,反映了夏季风环流强盛时期黄土高原南部具有比北部更加突出的环境效应.5黄土亚层(1)黄土高原表层土壤样品的Rb/Sr值随年均温、年均降水量的增高而增高,但与年均降水量具有显著正相关关系,表明Rb/Sr主要受到降水量的控制,证实Rb/Sr值可作为夏季风环流要素中降水量的替代性指标.(2)黄土高原13万年来Rb/Sr曲线变化形式与地层发育相一致,在古土壤与弱成壤亚层中为峰值,而在黄土亚层表现为谷值;空间上Rb/Sr值随纬度变化梯度十分显著,而随经度变化不明显,反映出夏季风场强纬向进退的变化特征.(3)根据黄土高原表层土壤Rb/Sr值与相应的年均降水量拟和的回归方程,对6个研究剖面13万年来古降水量进行了估算,结果表明氧同位素阶段3和5为夏季风强盛时期,降水量显著增加,且随纬度变化梯度明显大于氧同位素阶段2和4时期,反映出夏季风占优势期黄土高原南部比北部地区具有更加突出的环境效