黃土高原mys-a全新世土壤剖面氣候代用指標(biāo)的變化

黃土高原mys-a全新世土壤剖面氣候代用指標(biāo)的變化

新世是人類從蒙藏到文明進(jìn)步的時(shí)期。在不到幾千年的時(shí)間里，農(nóng)業(yè)迅速繁榮，為更高級(jí)文明的出現(xiàn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。人類的活動(dòng)范圍急劇擴(kuò)大,人類對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響逐漸凸現(xiàn)出來(lái)。黃土高原是人類古代文明的發(fā)祥地,長(zhǎng)期農(nóng)牧業(yè)的發(fā)展,使得天然植被在大多數(shù)地方已蕩然無(wú)存。由于人類活動(dòng)的影響,水土流失嚴(yán)重,生態(tài)環(huán)境十分惡劣,嚴(yán)重的影響了該地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。本文以黃土高原腹地甘肅合水黑壚土剖面為研究對(duì)象,通過(guò)對(duì)剖面的粒度、磁化率、全鐵、TOC、CaCO3等氣候代用指標(biāo)的分析,試圖恢復(fù)和重建涇河上游黃土高原地區(qū)全新世成壤環(huán)境演變過(guò)程,進(jìn)而探索人類活動(dòng)對(duì)土壤發(fā)育的影響。1my-a-a/ab-pb-土壤剖面的宏觀形態(tài)甘肅合水縣位于隴東黃土高原亞區(qū)的中部,子午嶺以西、馬蓮河中游地區(qū)的黃土丘陵殘塬,海拔高度1400m,河谷切割深度為200～300m,當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁貫?～10℃,1月平均氣溫-4～-8℃,7月平均氣溫19～22℃,年平均降水量約為450～550mm,比較穩(wěn)定的地面發(fā)育著黑壚土,目前為農(nóng)田景觀。MJY-A土壤剖面位于合水縣一殘塬邊緣平坦地面,鄰近著名寺洼文化遺址。整個(gè)剖面土壤學(xué)層次與地層學(xué)層次都很清晰,剖面下部露出晚更新世馬蘭黃土,上部為全新世黃土與古土壤序列。對(duì)于該剖面的宏觀形態(tài)特征描述見表1。在該剖面發(fā)現(xiàn)的文化遺物,對(duì)于該剖面的斷代具有重要價(jià)值。其中在160～170cm深度發(fā)現(xiàn)桔紅色、褐色陶片,屬于前仰韶文化時(shí)期的遺物。據(jù)此斷定160cm層位為7000aBP。在L0下部86～88cm發(fā)現(xiàn)的灰色陶片、木炭屑、燒炭屑,屬于寺洼文化時(shí)期,斷定該層位年代為3100aBP左右。這為MJY-A土壤剖面成壤環(huán)境和人類活動(dòng)影響問(wèn)題提供了良好的年代控制。另外,根據(jù)關(guān)中和陜北南部利用14C和TL測(cè)年確定的馬蘭黃土頂界和黃土L0底界年代,并參照眉縣清湫村剖面的年代序列,初步確定了MJY-A土壤剖面年代序列(表1,圖1、圖2)。2方法與分析結(jié)果2.1強(qiáng)化活性物質(zhì)的提取為了獲得較高的時(shí)間分辨率,在詳細(xì)的野外觀察分析的基礎(chǔ)上,對(duì)MJY-A土壤剖面進(jìn)行了系統(tǒng)采樣。自地表開始向下每2cm連續(xù)采樣,至馬蘭黃土頂部,共采集樣品140個(gè)。這些樣品經(jīng)過(guò)自然風(fēng)干,每個(gè)樣品取50g進(jìn)行研磨至粒徑小于2mm;再采用BartingtonMS2磁化率儀對(duì)樣品進(jìn)行磁化率的測(cè)定,每個(gè)樣品測(cè)定3次,取平均值。取約0.5g的樣品放入250ml的燒杯中,分別加入5ml10%的H2O2、HCL,加熱使其充分反應(yīng),除去有機(jī)質(zhì)和CaCO3;然后在往燒杯中注滿蒸餾水,靜置48小時(shí)后,抽取清水,重復(fù)幾次直至溶液呈中性,再加入5ml0.5N的(NaPO3)6進(jìn)行分散;最后采用英國(guó)生產(chǎn)的Mastersizer-S型激光粒度儀,在超聲波為12.50,測(cè)量范圍為0.03～900μm,相對(duì)誤差小于4%的條件下進(jìn)行粒度的測(cè)定。另取樣品10g在瑪瑙研缽中研至200目以下,并將其混合均勻,從中取出0.5g置于聚四氟乙烯坩堝中,分別加入濃硝酸、氫氟酸、高氯酸高溫溶解,然后用去離子水定容于50ml容量瓶以備分析。對(duì)樣品中全Fe含量的分析采用原子吸收光譜法,儀器為北京第二光學(xué)儀器廠生產(chǎn)的原子吸收光譜儀(WFX—IC型)。在分析過(guò)程中,加入標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行質(zhì)量控制。取烘干的細(xì)研磨土150mg放入專用樣舟中,采用德國(guó)生產(chǎn)的ElementarHighTOCⅡ儀器進(jìn)行總碳TC的測(cè)定;另取烘干樣150mg放在舟中,加濃鹽酸數(shù)滴充分反應(yīng),直至土樣不在冒氣泡(目的是分解CaCO3,去除無(wú)機(jī)碳),再烘干,測(cè)量總有機(jī)碳(TOC)。根據(jù)TC、TOC,求得總無(wú)機(jī)碳(TIC),再進(jìn)一步求出碳酸鹽類成分的含量,以CaCO3表示。各種分析結(jié)果見圖1、2和表2、3。2.2土壤剖面的全鐵含量和生物成壤作用磁化率反映土壤剖面鐵磁性礦物含量的變化,而這些鐵磁性礦物主要是在風(fēng)化成壤過(guò)程中產(chǎn)生的。因而磁化率的變化反映了成土強(qiáng)度的變化,間接反映了氣溫降水強(qiáng)度的變化,即夏季風(fēng)強(qiáng)度的變化。MJY-A剖面磁化率變化在35×10-8SI～134×10-8SI之間(表2)。馬蘭黃土磁化率值最低,平均在40×10-8SI,表明馬蘭黃土形成在冰期的干旱環(huán)境當(dāng)中,沙塵暴大量堆積粉塵,幾乎沒(méi)有發(fā)生明顯地生物風(fēng)化成壤作用;在古土壤層(S0)磁化率值出現(xiàn)最大值,且平均值達(dá)到了115×10-8SI,表明在S0形成時(shí)期,氣候條件溫暖濕潤(rùn),生物風(fēng)化成壤很強(qiáng)烈。另外,從剖面磁化率曲線我們注意到,磁化率從馬蘭黃土向全新世增加的過(guò)程中有一很長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)渡段,到全新世古土壤的近頂部才達(dá)到磁化率的最高值。全鐵含量主要指次生風(fēng)化產(chǎn)生的游離態(tài)鐵(Fe2+和Fe3+),通常在土壤剖面次生粘化層的含量最高。因此,黃土中全鐵含量與含鐵硅酸鹽礦物的風(fēng)化分解程度密切相關(guān),因此它可以有效指示各個(gè)層位的成壤強(qiáng)度。在黃土高原成壤強(qiáng)度主要受東南季風(fēng)帶來(lái)的降水量變化控制,因而全鐵含量變化也可以作為東南季風(fēng)強(qiáng)度的指標(biāo)。甘肅合水MJY-A剖面全鐵含量,在古土壤層(S0)的中上部84～124cm出現(xiàn)全鐵含量的峰值(3.2%～3.62%),在Ts和L0中全鐵含量值也相對(duì)比較高,而在馬蘭黃土(L1)和過(guò)渡層(Lt)全鐵的含量最低,平均在2.60%～2.93%之間,這一點(diǎn)與磁化率的變化規(guī)律是一致的。黃土中的CaCO3作為易溶鹽類,在次生風(fēng)化改造過(guò)程中變化非常明顯,因而可以作為探索大氣降水或濕潤(rùn)程度的指標(biāo)。在MJY-A剖面中,馬蘭黃土(L1)中CaCO3的含量高達(dá)13.4%,表明它堆積形成于一種干旱少雨的荒漠、半荒漠環(huán)境;古土壤層(S0)中的CaCO3遭到一定的淋溶作用,平均含量為5.62%,表明它形成于相對(duì)濕潤(rùn)多雨的環(huán)境。有研究表明古土壤剖面CaCO3淀積深度的變化,也可以作為衡量氣候濕潤(rùn)程度的指標(biāo)。TOC含量的高低在一定程度上反應(yīng)了成壤過(guò)程中生物活動(dòng)的程度以及其保存狀況,剖面中有機(jī)碳的含量平均為0.4%左右,由于表土層作為現(xiàn)代的耕作層,深受人類活動(dòng)的影響,且含有半分解和未分解植物殘?bào)w和根系,故有機(jī)碳的含量最高,平均值為0.63%,古土壤層含量也較高,在0.25%～0.39%之間,反映當(dāng)時(shí)生物成壤強(qiáng)烈。在馬蘭黃土層(L1)含量極低,平均值僅有0.12%,反映受到當(dāng)時(shí)冰期干旱氣候的限制,生物成壤作用非常微弱。在現(xiàn)代黃土層(L0)中較高含量的有機(jī)碳是可能是由于殘留的植物根系及枯枝落葉被分解以后的結(jié)果。粒度分析結(jié)果表明,MJY-A剖面粗粉沙(0.05～0.01mm)含量變化在49%～56%之間,剖面中粘粒(<0.005mm)的含量變化在17%～26%之間。剖面各粒度指標(biāo)與地層層序相吻合。黃土剖面粘粒既包含風(fēng)塵堆積的原生組分,也包含生物風(fēng)化成壤產(chǎn)生的次生組分,古土壤S0層位粘粒比較豐富,在21.41%～27.74%之間,而各個(gè)黃土層位則以粗粉沙粒含量高達(dá)53%為特征。粒度分析也證明黃土層為粉沙質(zhì)地,古土壤層為粘土質(zhì)粉沙質(zhì)地。3土地的風(fēng)化成壤過(guò)程黃土高原地處中國(guó)內(nèi)陸,是東南季風(fēng)和西北季風(fēng)的交匯地帶。甘肅合水MJY-A剖面地處黃土高原中心位置,海拔高度大,從分析結(jié)果可以看出,其與全新世時(shí)期黃土高原南部關(guān)中盆地褐土的成壤環(huán)境相比,各種反映暖濕狀況的指標(biāo)值均較低,而反映干旱狀況的指標(biāo)值則較高,體現(xiàn)了其區(qū)域特點(diǎn)。由圖1、2可以看出,在全新世早期(11500～8500aBP),由于受東南季風(fēng)所控制的降水仍較少和受西北季風(fēng)所控制的降塵仍較大的影響,雖然氣溫屬于回升期,但仍較為寒冷干燥;地表的植被雖有所恢復(fù),但仍以草本植物占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。風(fēng)塵堆積速率較晚更新世有所降低,并有一定的生物風(fēng)化成壤作用,表現(xiàn)在這一時(shí)期的土壤剖面(Lt)中有機(jī)碳的含量略高于晚更新世形成的馬蘭黃土(L1)中的有機(jī)碳的含量,但碳酸鈣的含量仍較高。另外,在這一時(shí)期,黃土高原地區(qū)尚少有人類活動(dòng),土壤的發(fā)育表現(xiàn)為自然成壤過(guò)程。在全新世中期(8500～3100aBP),全球氣候進(jìn)入大暖期,東南季風(fēng)長(zhǎng)期控制黃土高原腹地,氣候普遍溫暖濕潤(rùn)。在大暖期的早期,植被的面貌仍以草本植物占優(yōu)勢(shì),可能代表涼爽半濕潤(rùn)氣候,較低的氣溫有利于有機(jī)質(zhì)的積累。隨后,氣溫逐漸升高,喬木花粉明顯增多,粘粒含量逐漸升高,而粗粉沙明顯減少,這說(shuō)明該區(qū)受東南季風(fēng)影響顯著,沙塵暴較少發(fā)生,風(fēng)塵堆積速率減弱,土壤的生物風(fēng)化成壤作用強(qiáng)烈。由于受淋溶作用和淋移作用的影響,土壤剖面有正常的向下的風(fēng)化成壤過(guò)程;同時(shí),受風(fēng)塵堆積作用的影響,土壤剖面又有向上的增長(zhǎng)加厚過(guò)程,使得在黃土高原腹地發(fā)育著深厚的黑壚土。這一時(shí)期,雖然隨著降水的增加,流水作用增強(qiáng),但由于地表面有植被的覆蓋,表土中又有植物根系的固結(jié)作用,土壤的抗蝕能力較強(qiáng),土壤并沒(méi)有受到明顯侵蝕而發(fā)育完整。正是由于這一時(shí)期水土資源條件的優(yōu)越,在黃土高原地區(qū),我們祖先利用這個(gè)環(huán)境資源優(yōu)化的時(shí)機(jī),發(fā)展了原始定居農(nóng)業(yè),進(jìn)入新石器時(shí)期。在對(duì)MJY-A剖面的研究過(guò)程發(fā)現(xiàn),在160～170cm含桔紅色、褐色陶片(1mm)。這說(shuō)明在新石器時(shí)代早期(約7000aBP),即前仰韶文化時(shí)期,人類已在合水開始活動(dòng),由于氣候和環(huán)境條件良好,該地區(qū)形成和發(fā)展了定居農(nóng)業(yè)文化,但通過(guò)對(duì)該層位土壤的各種理化分析結(jié)果(見圖1、2),發(fā)現(xiàn)人類活動(dòng)對(duì)于該區(qū)的成壤過(guò)程并沒(méi)有明顯的影響。到全新世晚期,在距今3100多年前時(shí),受全球氣候變化的影響,東亞季風(fēng)格局發(fā)生突變,西北季風(fēng)勢(shì)力大大增強(qiáng),黃土高原進(jìn)入了一個(gè)干旱缺水時(shí)期,地表植被開始退化,塵暴頻繁發(fā)生,風(fēng)塵堆積速率增高,土壤剖面加速增長(zhǎng),堆積形成的現(xiàn)代風(fēng)成黃土(L0)覆蓋了前期的土壤剖面使之成為埋藏的古土壤,而目前地表土層或者耕作層都是L0黃土的頂部。有學(xué)者認(rèn)為全新世古土壤S0與黃土L0界面本身反映了季風(fēng)格局的快速轉(zhuǎn)變和黃土高原環(huán)境的惡化。根據(jù)合水MJY-A剖面中磁化率、全鐵、CaCO3、粒度等指標(biāo)的分布特征,也充分地說(shuō)明了這一點(diǎn)。另外,由剖面中各項(xiàng)指標(biāo)的分布特征,表明地表黃土層(L0)仍然處于繼續(xù)堆積過(guò)程,但從大約1500aBP開始,這種干旱氣候和不良的風(fēng)化成壤狀況有所改善。在古土壤層(S0)和現(xiàn)代黃土層(L0)的界面上88～86cm處發(fā)現(xiàn)了寺洼文化層,其校正的14C年代為3250～2520aBP。寺洼文化屬于游牧類型文化,從原始的農(nóng)耕文化轉(zhuǎn)向游牧類型文化,這種土地資源利用方式和文化形態(tài)的轉(zhuǎn)變,實(shí)際上指示著水、土、生物資源(或者說(shuō)土地資源)急劇地自然退化。由于季風(fēng)的突變?cè)斐牲S土高原地區(qū)嚴(yán)重干旱,導(dǎo)致環(huán)境惡化,生物風(fēng)化作用嚴(yán)重受阻,致使以種植粟類的原始定居農(nóng)業(yè)所依存的水分、熱量、土壤條件已不復(fù)存在,原始農(nóng)業(yè)解體,農(nóng)耕文化受到徹底的破壞,而以長(zhǎng)期維持低水平的簡(jiǎn)單畜牧經(jīng)濟(jì)為唯一發(fā)展途徑。可能由于聚落的建設(shè),使MJY-A土壤剖面在86～88cmS0的頂部發(fā)生較大變化。古土壤S0層面所代表的古地面為當(dāng)時(shí)人類生活的地面。該層位土層質(zhì)地疏松,時(shí)見灰燼、黑斑膜和木炭屑(1.2～1.5cm)及褐黑色燒土塊,且土壤的各項(xiàng)理化指標(biāo)均有較明顯的突變(圖1、2),這屬非正常自然變化,而是人類活動(dòng)對(duì)土壤發(fā)育影響的結(jié)果。實(shí)際上,由于氣候的惡化,人類對(duì)自然環(huán)境的破壞早在3100年前就開始了。人類不合理的開墾土地,亂墾濫伐,破壞了黃土高原的自然植被,由于地表缺乏植被的保護(hù),造成現(xiàn)代嚴(yán)重的土壤侵蝕。在全新世早期或更早時(shí)期,黃土高原地區(qū)人口稀少,人類主要以狩獵等非農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式生活,天然植被發(fā)育,保護(hù)了表土層,阻止了侵蝕作用的進(jìn)行,使黃土得以保存,黃土高原得以發(fā)育。到了全新世中期,由于氣候條件適宜,植被茂密,雖降水增加,侵蝕會(huì)加強(qiáng),但是,這一時(shí)期人類的生產(chǎn)力水平落后,人類活動(dòng)對(duì)自然的影響還非常有限,而且,由于氣候的適宜,環(huán)境的自我調(diào)節(jié)和抗干擾能力比較強(qiáng),黃土高原仍然是林茂草肥、河水充沛、土地肥沃的美麗高原。而到了全新世晚期,尤其是秦漢以后,一方面由于氣候條件的惡化,另一方面黃土高原地區(qū)人口的急劇增加,生產(chǎn)力水平的提高,人類為了自己