湖北郧县黄坪村剖面记录的全新世成壤特征及气候演变

李欣+庞奖励+黄春长+周亚利+郑树伟

摘要：本研究对湖北郧县盆地内黄坪村（HPC）剖面的剖面构型、年龄框架以及剖面各地层单元的磁化率、粒度、微形态、烧失量、Rb/Sr指标进行分析比对。结果表明，HPC剖面具有TS-L0-S0-Lt-L1的剖面构型。各地层经历的风化成壤强度不同，其成壤强度排序为：古土壤S0>过渡层Lt>全新世黄土L0>马兰黄土L1。剖面记录了郧县盆地全新世气候的演变过程：11500～8500aB.P.气候回暖；8500～3100aB.P.气候温暖湿润；3100aB.P.至今，气候恶化以干凉为主要特征。

关键词：黄土-古土壤序列；成壤；全新世；环境变化；汉江上游地区

中图分类号：S151+.3（263）文献标识号：A文章编号：1001-4942（2015）04-0088-07

全新世是人类进入文明社会的重要时期，这一时期的气候变迁与社会发展、科学进步有着密切的关系，因此深入理解全新世环境变化具有重要意义。汉江上游地区位于南北方过渡带，北亚热带北缘，属于全球气候变化的敏感带，该区域的气候演变研究对完善全球气候变化具有不可替代的作用。目前对该区域的古气候研究多集中于气象要素的短尺度记录以及历史文献灾害事件的整理[1～4]，或以石笋、树木年轮、湖盆泥炭及孢粉为研究介质记录气候变化[5～9]，少有以黄土为研究介质的报道。国内外学者在我国黄土高原、长江中下游等地区均发现黄土存在，并将黄土高原的南界定为秦岭的北麓，对黄土的研究也主要集中于黄土高原地区[10～12]。风成黄土在秦岭南侧亚热带环境下的堆积特征、成壤改造特征及其蕴含环境信息等方面的研究仍是个空白。经野外调查及进一步研究发现，秦岭以南的汉江上游阶地上分布着大量“黄土状物质”，这些“黄土状物质”具有典型的风尘堆积物的特征，且与黄土高原全新世黄土——古土壤地层结构相同[13～16]，但这些风成黄土在秦岭侧亚热带环境下的堆积特征、成壤改造特征及其蕴含环境信息仍需进一步探究。因此，本研究以汉江上游郧县盆地黄坪村（HPC）剖面为依托，利用地层对比建立年代序列框架，结合黄土古土壤的组成特征、风化特征综合分析其成壤特征，以部面的成壤特征为指导，解译秦岭以南的北亚热带地区环境演变信息。

收稿日期：2014-11-26

基金项目：国家自然科学基金项目（41271108；41030637；41371029）；中央高校基本科研费（CK201301003）

1材料与方法

1.1研究区域概况

郧县盆地位于湖北省四北部，北依秦岭，南屏大巴山，汉江自西向东横穿全境。属于北亚热带季风气候，气候温和湿润，年均气温15.8℃，年积温约4800～5000℃。气温年较差为25.2℃，无霜期244天，年均降水量约为830mm，年均日照总时数为2000h。自然植被以过渡类型的常绿阔叶与落叶阔叶混交林为主。区域内主要分布有黄褐土和黄棕壤。盆地内地势平缓，高差小于100m。汉江两岸可见1～4级河流阶地，其中2～4级阶地地势起伏大，风尘沉积物不易保存，而一级阶地发育完整且地势平坦宽阔，有利于风尘堆积物的保存。

1.2研究材料

在郧县—郧西段汉江两岸进行了详细的野外考察，最终选取郧县黄坪村（HPC）剖面（32°50'20"N，110°44'27"E）（见图1）进行深入细致的研究。该剖面天然出露于汉江上游一级阶地的前沿，为上覆于汉江上游谷地一级阶地之上的厚层风尘沉积物剖面，其下部河流相沉积物清晰可见。剖面所在的汉江上游第一级阶地面宽约1000m，起伏平缓，宽缓的阶地面能够使上覆风尘沉积物剖面很好地保存下来，较少受到坡积物及水土流失作用的影响。剖面顶部虽受人为耕作活动影响，但对整个剖面没有显著影响，保证了主体的完整性。

1.3研究方法

从剖面顶部向下每隔5cm连续采样，共获得136个样品。样品在实验室自然风干后，进行磁化率、粒度、微形态、烧失量、Rh/Sr分析。磁化率是将风干土样研磨至<2mm的均匀颗粒，准确称取10g装入无磁性塑料盒中，用英国Bartington公司生产的MS-2B型磁化率仪测量；粒度测量先称取0.8g样品，用H2O2和HCl去除有机质和碳酸盐，加水清洗后静置72h后加入适量分散剂（六偏磷酸钠），再由美国Beckman公司生产的LS13320型激光粒度仪测得；土壤微形态特征使用Leica-DMRX显微镜观察；烧失量测定采用燃烧失重法测量；元素测定，将自然风干样品研磨200目以下并压成圆片，采用荷兰Panalytical公司生产的X-Ray荧光光谱仪（PW2403）测定。

2结果与分析

2.1地层结构与年代框架

综合分析剖面的质地、颜色变化及磁化率等特征，可将HPC剖面划分出5层（表1），再与已研究的LWD（辽瓦店）剖面和TSG剖面进行对比（表1，图2）发现，汉江上游郧县段河流一级阶地上的黄土剖面具有统一的构型，并与渭河谷地地层序列相同，剖面从上到下依次可划分为：表土层（TS）—全新世黄土层（L0）—古土壤层（S0）—过渡性黄土层（Lt）—马兰黄土层（L1）。

HPC剖面与LWD剖面（32°47'11"E，110°42'14"）[5]直线距离小于10km，选取地点皆为平坦宽阔的汉江上游郧县段河流一级阶地面上，所处的地理环境相同。两剖面皆为厚层的风成黄土，均可划分出5个地层，且各地层的颜色、质地、结构等特征相似（表1），说明两剖面具有良好可比性。冈此本研究将以LWD已知的释光（OSL）测年数据作为绝对测年参照标尺（如图2），结合地层对比的方式确定HPC剖面地层的年代序列框架。河流阶地上覆盖的连续沉积物可记录阶地形成后稳定时期的气候变化信息，沉积物的底界年龄就是阶地形成的最小年龄，汉江一级阶地形成时问为晚更新世[17]，所研究的厚层黄土直接覆盖在阶地之上，由此可判断剖面底界的年龄不早于晚更新世。LWD测年数据显示，古土壤S0顶部的年龄在3050aB.P.，在古土壤S0顶部见有灰色陶屑片（周代），这指示古土壤S0顶界年龄在3100aB.P.附近，而在HPC黄家坪等剖面的L0底部也发现有类似的周代灰色陶屑片[18]，这些文化遗迹指示的地层年龄（3100aB.P.）和OSL年龄的分布范围十分吻合，这个年龄数据也与渭河谷地古土壤S0的年龄顶界（3100aB.P.）[19，20]一致。基于上述理由，将古土壤S0的上界年龄定为3100aB.P.，LWD剖面的古土壤S0底部年龄为8770aB.P.，这个年龄与渭河谷地古土壤S0底界年龄（8500aB.P.）[19，20]也一致，HPC与LWD可良好比对，故将HPC古土壤S0的下界年龄定为8500aB.P.。LWD的释光L1年龄12980aB.P.，该年龄渭河谷地的L1顶界年龄11500aB.P.接近[10，12]。因此，可将HPC剖面的L1顶界年龄界定为11500aB.P.。endprint

2.2HPC剖面理化性质

2.2.1磁化率磁化率是反映沉积物中铁磁性矿物含量的指标，可用于评估沉积物的风化成壤强度[21]，它的变化与受夏季季风控制的降水量变化密切相关[22]。HPC剖面低频磁化率值在（45.80～270.20）×10-8m3/kg之间。磁化率变化曲线与地层层序变化吻合（见图5）。古土壤层S0磁化率最高，均值为224.93×10-8m3/kg，马兰黄土L1最低，均值为58.27×10-8m3/kg。近代黄土层L0以及过渡层Lt的磁化率值介于古土壤和马兰黄土之间。

2.2.2粒度HPC剖面是以粗粉砂为众数粒级（含量为44.57%），其后依次为粘粒（含量为22.29%）、细粉砂（含量为15.26%）、砂粒（含量为17.88%）。粒度数据显示（图3，图5），剖面各粒级随深度的变化与其磁化率曲线有良好的对应，其分异特征与野外观测的地层质地吻合。粘粒含量常作为反映风尘沉积物沉积后受到成壤改造强度的指标[23]。HPC粘粒（<5μm）在古土壤S0层最为丰富，平均含量达32.39%，显著高于黄土层（L0、Lt、L1）粘粒含量的均值21.67%、26.90%、14.94%、细粉砂（5～10μm）具有与粘粒相似的变化趋势。粗粉砂（10～50μm）是风力搬运的基本组分，易被风力作用吹扬在大气中或者被长距离搬运，因此常被用作西北季风强弱的替代指标[24]。剖面中粗粉砂变化趋势与粘粒变化趋势相反，在黄土层呈现高值，古土壤层呈现低值。

kd值（粘粒/粉砂）反映了土壤粘化程度，古土壤层S0的Kd值最高，为0.54，大于上部全新世黄土L0（0.36）和下部马兰黄土L1（0.25）。在粒度频率曲线上（图4）马兰黄士层L1分布频率曲线峰态尖窄，峰值落在粗粉砂区间内，整体粒度偏粗，以粗粉砂为主；古土壤S0的分布频率曲线峰态宽平，整体比黄土分布曲线明显偏细，且粘粒区间的数值明显高于黄土层；全新世黄土L0与马兰黄土层L1曲线形态相似，但整体略微左偏，在粘粒、粗粉砂区段数值均高于马兰黄土L1。

2.2.3烧失量烧失量主要反映土壤有机质含量，它与土壤的植被覆盖度及成壤过程当中生物活动强度的变化有关，对环境变化也具有指示意义[25～26]。由表2看出，剖面烧失量平均值范围为25.17～35.49g/kg，古土壤层S0的烧失量在变化曲线上（图5）呈现出峰值，该层烧失量平均值为32.92g/kg，高于黄土层Lt（26.66g/kg）。马兰黄土L1烧失量含量最少，为25.17g/kg。

2.2.4Rb/Sr，硅铝系数，淋溶系数，残积指数在风化成壤过程中，Rb+和Sr2+具有不同的地球化学特征，Rb+易被粘土矿物吸附而保留在原地，而Sr2+较容易以游离态的形式（主要以碳酸盐形式）随土壤溶液或地表水迁移出地层，因此，Rb/Sr值大小与风化程度呈明显的正相关关系，可以作为衡量成壤强度的指标[27～29]。HPC剖面的Rb/Sr值在古土壤层S0平均为1.15，全新世黄土层L0为1.04，而在马兰黄土层L1为0.86，过渡层LtRb/Sr值则介于S0和L1之间，均值为1.07。

为了进一步比较各地层单元的成壤程度，计算了反映土壤中Ca2+、Na+、K+盐基受淋洗的程度风化淋溶系数和残积指数以及常用于反映热带、亚热带土壤脱硅富铝化程度的硅铝系数。结果表明（见表2），S0层硅铝系数均值为4.22，小于黄土层L0、Lt、L1（4.27，4.25，4.39）。淋溶系数与硅铝系数相同，具体表现为S0

3讨论

3.1成壤强度变化规律

按照传统土壤发生学的观点，土壤的形成是以各类成土母质为基础，受表生环境的影响不断向下发展并产生一定发生层，由于成壤过程中很少有外来物质加入，成壤强度是呈“V”型连续向下楔入的。然而，HPC剖面与一般土壤剖面不同，呈现出向上下两方向发展的趋势，其形成伴随着沉积作用，之所以会形成性质不同的黄土层（L0，Lt，L1）与古土壤层S0，是因为风尘沉积作用与成壤改造交替演化的结果。

一般而言，土壤形态特征反映了成土作用下成士母质发生的累积变化。根据土壤形态特征，如土层厚度、土壤颜色、质地、粘粒胶膜、结构性等，能够迅速地推断土壤发育的强弱[30]。为了得到更有利的成壤证据，这里结合实验数据对各层土壤发育强度进行评价。马兰黄土L1（310～？cm）在剖面中色泽最浅，呈典型的浊橙黄色，以均质粉砂质疏松多孔为特征，该层土壤结构发育较弱，以不规则的块状结构为主，结构面上发现稀少的粘土胶膜，受力后极易破碎，结构体内呈现明显的黄色，磁化率、粘粒含量、烧失量、Rb/Sr、残积指数等指标在剖面中均呈最低值，而且各指标变化平稳，无明显的波动，该层缺少淀积粘土，粘粒未发生淋移，说明马兰黄土L1仍保持了物质均一的特性，没有经历明显的物质分异过程，总体受到的风化改造较弱，且在HPC剖面中的风化程度最低。因此，可将马兰黄土L1的成壤特征作为评估全新世剖面的风化成壤强度的背景。

与马兰黄土L1相比，过渡层Lt（270～310cm）颜色明显偏暗偏红，并形成较致密似棱柱状结构，土壤裂隙面附着少量暗棕色粘土胶膜，磁化率、烧失量、粘粒含量、Rb/Sr变化曲线呈同步增加趋势，相比L1来讲，残积指数增加淋溶系数减小，说明该层土壤受到了一定的风化改造作用，其成壤强度明显强于马兰黄土L1，但从粗颗粒（<10μm）较多且少有土壤形成物（粘土矿物、铁锰质）的微形态特征中可以看出Lt仍保持了风积物的主要特征。

古土壤S0（100～270cm）在剖面中颜色最暗且偏红，为暗棕色，以粘土-粉砂质地坚硬致密为特征，发育成典型的棱柱状结构（1～2cm），结构面被亮红棕色的铁锰质粘粒胶膜包裹，受力后形成坚硬致密的碎块，结构体内部亦被铁质浸染成红棕色。微结构显示古土壤中淀积粘土占优势，并发育大量粘粒胶膜和铁锰凝团，二者的出现是粘粒发生强烈机械移动和淀积的标志，也是铁锰质开始淋移的标志，指示了较强烈的成壤作用。古土壤层S0的磁化率、烧失量、Rb/Sr、淋溶系数在该层均达到最高值，各指标波动较大，并呈现不对称的峰状，表明古土壤S0经历明显的物质分异过程，受到强烈的风化成壤改造，且在整个剖面中成壤强度最强。一般而言，黄褐土以质地粘匝（粘壤土至粘土）和土层紧实、粘化作用明显、光性定向粘土较多、碳酸钙强烈淋失和较弱的铁锰淋淀作用为主要特征[31]。而S0的频率曲线在粘粒区段明显抬升（图4），粘粒含量超过30%，分别是L0、L1的1.49倍和2.16倍，Kd值高达0.54，说明该层的粘粒明显聚集具有较高的粘化程度。碳酸钙含量<1g/kg、微形态显示该土层中未形成明显的铁质独立矿物，指示S0具有碳酸钙强烈淋失和Fe质弱淋移的特点。古土壤S0与黄褐土的特征相符，说明S0受到的成壤改造程度与黄褐土相同。

现代黄土L0（50～100cm）的宏观特征与马兰黄土相似，颜色与L1相近，呈浊黄橙色，明显区别于古土壤S0。以粉砂质均质块状结构为特征，土壤结构比古土壤S0松散但比马兰黄土紧实，具有较多细小的孔隙和植物细根，较少发育粘土胶膜，以残积粘土为主。磁化率、烧失量、粘粒、Rb/sr、硅铝率、淋溶系数及残积指数的平均值处于S0与L1之间，说明现代黄土L0受到的成壤改造强度明显弱于古土壤S0但略强于马兰黄土L1。

综上所述，HPC各层次成壤强度排序为（S0>Lt>L0

3.2气候变化过程重建

土壤是在一定的自然条件下形成的，通过土壤特征可以反演一定时间和空间范围内环境的演变过程。综合分析黄土—古土壤序列和气候替代指标不难发现HPC剖面共记录了4个气候变化阶段：

（1）晚更新世末期（11500aB.P.）形成较厚且成壤微弱的L1，说明晚更新世末期气候干旱寒冷，风沙活动盛行，沙尘暴强烈，粉尘堆积作用加大，减缓了成壤过程，L1微弱成壤，表明该时期干旱寒冷的气候条件，使堆积的粉尘几乎没有经历淋溶和粘化作用，难以发生显著的成壤作用。（2）全新世早期（11500～8500aB.P.）形成具有一定成壤特征的过渡黄土Lt，说明末次冰期结束后气候开始向暖湿方向转变，风尘沉积物减少，从Lt的成壤特征可以看出，此时地表风化作用仍较弱，成壤作用不显著。（3）全新世中期（8500～3100aB.P.）成壤强度相当于黄褐土的S0，说明沙暴活动减弱，风尘沉积作用减弱，强烈的成壤改造已经成为主导作用，典型的棱柱状结构、强烈发育的铁质粘土胶膜、较高的和Rh/Sr值以及较低的淋溶系数指示土壤经历了强烈的淋溶和淀积作用，说明这一时期的郧县盆地降水充沛。而该层多植物根系和虫孔，磁化率、烧失量显著升高，反映气温增高，植被繁茂，生物作用加剧，地表风化作用增强的环境特征。结合上述风化成壤程度，说明全新世中期气候非常温暖湿润。（4）全新世晚期（3100aB.P.至今），古土壤S0停止发育，并出现显著的风尘堆积，形成黄土层L0。从S0与L0之间明显的界限和二者成壤差异可以看出，全新世大暖期以后气候格局突变。土壤粗颗粒增多，粘粒胶膜显著减少，磁化率和Rb/Sr恢复低值，进一步说明这一时期环境恶化，气温和降水量下降，成为相对干旱的时期。

4结论

HPC剖面具有TS-L0-S0-Lt-L1的剖面构型。各层位的成壤强度不一，其成壤强度排序为：古土壤S0>过渡层Lt>全新世黄土L0>马兰黄土L1。HPC剖面各地层的成壤差异反映了郧县地区在全新世时期主要经历了以下几个气候阶段：11500～8500aB.P.气候回暖，是气候从干冷到暖湿的过渡阶段；8500～3100aB.P.是全新世最适宜期，郧县境内气候温暖湿润；3100aB.P.至今，气候系统变得极不稳定且加速恶化，暖湿程度下降。