汉江上游弥陀寺剖面风化成壤特征及其对气候变化的响应

张文桐，庞奖励，周亚利，黄春长，查小春，王学佳，王海燕

(陕西师范大学旅游与环境学院∥地理学国家级实验教学示范中心，陕西 西安 710062)

汉江上游弥陀寺剖面风化成壤特征及其对气候变化的响应

张文桐，庞奖励，周亚利，黄春长，查小春，王学佳，王海燕

(陕西师范大学旅游与环境学院∥地理学国家级实验教学示范中心，陕西 西安 710062)

对汉江上游弥陀寺发现的完整黄土-古土壤剖面进行了沉积学特征以及磁化率、粒度、烧失量和w(Rb)/w(Sr)等气候替代性指标的分析及研究，结果表明：弥陀寺剖面自下而上具有马兰黄土(L1)→过渡层黄土(Lt)→古土壤层(S0)→近代黄土(L0)→表土层(TS)地层序列，记录了自晚更新世以来的气候变化；不同地层单元之间风化成壤差异显著，古土壤层(S0)的风化成壤强度明显高于其它地层，马兰黄土(L1)的风化成壤强度最弱。剖面风化成壤强度的变化揭示了自马兰黄土堆积以来记录的气候变化，马兰黄土形成时期气候干燥寒冷，过渡层黄土的存在则说明气候由干冷向暖湿转变，古土壤层形成时期气候最为温暖湿润，近代黄土形成时期气候由暖湿向干冷转变。此外，弥陀寺剖面还记录了在全新世大暖期期间的一次气候变冷事件，结合光释光(OSL)测年数据，确定此事件发生于6.48 ka BP左右。

风化成壤；气候变化；黄土-古土壤；汉江上游

随着全球变暖问题的加剧，气候变化问题成为人类关注的焦点，因此对未来气候变化进行有效预测显得尤为重要。大量研究表明黄土-古土壤序列作为记录气候变化的良好载体，记录了自其堆积以来的气候变化，能反映其经历的化学风化及成壤演变过程[1-5]。地处秦岭以南的汉江上游地区，广泛分布着风成黄土，部分学者对其研究，取得了一系列研究进展[6-10]。例如，马兰黄土以上的黄土-古土壤序列记录了自末次冰期以来的气候变化规律(晚更新世末期气候干冷→全新世初期气候向暖湿转变→全新世中期气候最为暖湿→全新世晚期气候由暖湿向冷干转变)。本文通过对汉江上游弥陀寺剖面的研究，不仅揭示了自晚更新世以来的气候变化规律，并且发现在全新世大暖期期间存在气候变冷事件，此次发现进一步完善了区域气候变化资料。

1 研究材料与方法

汉江位于秦岭南侧，流经陕西、湖北两省，于武汉汇入长江，其河谷深切入基岩之中，河道蜿蜒曲折，滩多流急，交替出现基岩峡谷和河谷盆地[11-12]。郧县盆地位于湖北省十堰境内，地势西高东低，南部和北部隆起，中间为汉江谷地，盆地宽几公里到数十公里不等，长约20 km，汉江从中穿越而过，在汉江两侧发育四级河流阶地，阶地面(特别是低级阶地)比较平缓，有利于黄土的堆积以及厚层黄土的发育，在河流两岸呈现面积不等的平坦黄土台地。

弥陀寺剖面(MTS)位于湖北省郧县弥陀寺段汉江左岸一级河流阶地(图1)。由于采砂金而挖出的新鲜断面，该地点一级阶地河流相及其上覆沉积物出露，清晰可见黄土直接覆盖在一级阶地上。剖面地层完整，层次清晰。根据野外考察并结合实验数据分析，对此剖面进行了详细的地层划分(表1)。自剖面顶部向下，以2 cm为间距进行连续采样，360 cm以下以4 cm为间距进行连续采样到深度620 cm处，共245个样品，样品自然风干后进行磁化率、粒度、烧失量、化学元素等指标的测量。

磁化率测量方法：取适量风干样品(>10 g)在研钵中研磨至土壤颗粒的自然形态，称取10 g研磨好的样品放入塑料瓶并编号，用MS-2型磁化率仪(英国Bartington公司生产)进行测量，每个样品重复测3次，取平均值。粒度测量方法：取0.8 g风干土样置于500 mL的烧杯中，先后加入φ=10%的双氧水和w=10%的盐酸除去有机质和钙质胶结物，经过加水清洗，静置72 h后加入适量的0.5 mol/L的(NaPO3)6使颗粒充分分散，采用美国Beckman公司生产的LS13320型激光粒度仪进行测量，重复测量3次，取平均值，误差小于2%。元素测量方法：用荷兰Panalytical公司生产的X-Ray荧光光谱仪(PW2403)测量，将自然风干的土样放入磨土机内研磨至200目以内，称取4.0 g土样放入YY60型压力机中，覆盖适量硼酸压成可用圆片进行测量，实验误差<5%。烧失量的测量：先将研磨至200目以下粒径的样品在电热恒温干燥箱内105 ℃温度条件下烘干称量，然后在马弗炉中400 ℃灼烧2 h后，再次称量。烧失量为灼烧前后样品质量的差值占灼烧前样品质量的百分比。OSL年龄是在装有90Sr/90Y 型β辐射源的释光仪(RISφ-TL/OSL-20型)上进行测定，采用粗颗粒(90～125 μm)石英单片再生剂量法(SAR)获得[13-14]，已另行撰文进行论述[6]，本文未进行深入讨论。

表1 郧县弥陀寺剖面地层特征描述Table 1 Stratigraphic description of the MTS profile in Yunxian county

图1 汉江上游弥陀寺剖面采样点位置图Fig.1 The location of MTS profile in the upper reaches of the Hanjiang River

2 实验结果分析

2.1 磁化率

MTS剖面的磁化率值在(45.3～350.8)×10-8m3/kg之间(表2，图2)。不同地层单元之间磁化率值差异显著，古土壤(S0)的磁化率值变化范围为(75.0～337.1)×10-8m3/kg，平均值为259.9×10-8m3/kg，仅低于表土层(309.0×10-8m3/kg)；马兰黄土(L1)的磁化率是整个剖面的最低值，为65.1×10-8m3/kg；近代黄土(L0)与过渡层黄土(Lt)的磁化率值介于古土壤(S0)和马兰黄土(L1)两者之间，分别为196.1×10-8m3/kg和65.1×10-8m3/kg(表2)。

表2 MTS剖面磁化率、粒度参数、烧失量及w(Rb)/w(Sr)1)表中各列括号内是相应量值范围的均值Table 2 Magnetic susceptibility, grain-size,loess on ignition and w(Rb)/w(Sr) of the MTS profile

2.2 粒度

实验数据显示，MTS剖面的粒度参数具有以下几个特点：

1)w(黏粒)(<5 μm)的变化范围为6.1%～38.2%，不同地层单元之间区别显著。古土壤(S0)中w(黏粒)为整个剖面的最高值，为32.4%；马兰黄土(L1)为最低值，为13.0%；表土层、近代黄土及过渡层黄土的w(黏粒)介于二者之间(表2)。w(黏粒)由高到低剖面层为S0>TS>Lt>L0>L1。

2)w(砂粒)(>50 μm)的变化趋势与w(黏粒)及磁化率变化趋势相反(图2)。MTS剖面w(砂粒)变化范围为6.6%～67.1%，马兰黄土w(砂粒)为40.3%，是整个剖面的最高值；古土壤层w(砂粒)为14.2%，是整个剖面的最低值；表土层、近代黄土及过渡层黄土的w(砂粒)分别为20.5%、33.5%和21.8%(表2)。

图2 MTS剖面磁化率、粒度、烧失量和w(Rb)/w(Sr)分布曲线Fig.2 The distribution curves of magnetic susceptibility， grain-size, loess on ignition and w(Rb)/w(Sr) at MTS profile

3)w(砂粒)/w(粉砂)的变化与w(黏粒)的变化一致(表2，图2)。MTS剖面w(砂粒)/w(粉砂)变化范围为0.20～0.69，古土壤层w(黏粒)/w(粉砂)的变化范围为0.44～0.69，平均值为0.61，在粒度分布曲线图上显示为高值区，且明显高于其它地层(图2)。表土层、近代黄土、过渡层黄土及马兰黄土的w(黏粒)/w(粉砂)值分别为0.34、0.32、0.33和0.27，具有S0>TS>Lt>L0>L1的特征。

4) 在古土壤(S0，140～280 cm)中170～190 cm深度处的w(黏粒)(32.3%)低于古土壤层(32.4%)，而w(砂粒)(16.9%)明显高于古土壤层(14.2%)。

2.3 烧失量

图2所示，MTS剖面的烧失量介于1.1%～4.9%之间，从烧失量变化曲线可以看出：古土壤(S0)的烧失量要远高于马兰黄土(L1)，其值分别为3.5%和2.0%，变化范围为2.3%～4.4%和1.1%～2.6%。表土层的烧失量最大，为4.1%，变化范围为2.6%～4.9%。近代黄土与过渡层黄土的烧失量介于古土壤与马兰黄土之间，分别为2.6%和2.7%。在170～190 cm深度处烧失量的平均值为3.3%，明显低于古土壤(S0)的烧失量(3.5%)。

2.4 Rb-Sr比值

w(Rb)/w(Sr)在各地层中具有明显的差异性，变化范围为0.49～1.10(表2，图2)，与磁化率值以及烧失量的变化趋势呈现出高度一致性。古土壤(S0)的w(Rb)/w(Sr)值最高，平均值为0.92；表土层次之，为0.91；马兰黄土的w(Rb)/w(Sr)值在整个剖面中为最低值，变化范围为0.45～0.81，平均值为0.68。在170～190 cm深度处w(Rb)/w(Sr)与磁化率及烧失量表现一致，皆低于古土壤(S0)(图2)，此深度处w(Rb)/w(Sr)为0.83。

3 讨 论

3.1 弥陀寺剖面风化强度变化规律

磁化率、粒度、烧失量及w(Rb)/w(Sr)值等气候替代性指标在黄土-古土壤剖面中的变化与风化成壤强度密切相关[7-8,15-16]。磁化率的高低取决于黄土中铁磁性矿物(主要是磁铁矿、磁赤铁矿等)的含量、种类及其粒径大小，反映了气候的干湿状况[17-20]；黄土的粒度能够很好地指示东亚冬季风的强弱变化[15,21-22]，其组成与风力强弱以及后期成壤改造作用密切相关[23-25]；烧失量的高低与沉积物中有机质含量密切相关，而有机质的损失量可以反映过去的气候和环境条件[26]；w(Rb)/w(Sr)值则反映了风成沉积物形成过程中经历的风化成壤强度[27-28]。马兰黄土(L1，360～600 cm)的磁化率值(65.1×10-8m3/kg)、w(黏粒)(13.0%)、w(黏粒)/w(粉砂)值(0.27)、烧失量(2.0%)及w(Rb)/w(Sr)值(0.68)在整个剖面中均为最低值(表2)，而w(砂粒)(40.3%)为剖面中的最高值，说明其成壤改造作用微弱，风化强度低，保持了风成黄土的基本特征。过渡层黄土(Lt，280～360 cm)的磁化率值、w(黏粒)、w(黏粒)/w(粉砂)值、烧失量及w(Rb)/w(Sr)值略高于马兰黄土层，表明过渡层黄土仍保持了黄土的基本特性，但是风化成壤强度要略高于马兰黄土。与过渡层黄土相比古土壤(S0，140～280 cm)的w(黏粒)明显升高，磁化率值变大，烧失量、w(Rb)/w(Sr)值增大，w(砂粒)降低(表2)，说明古土壤形成阶段风尘堆积物中的原生含铁矿物分解为游离铁，形成细小的铁磁性矿物，使磁化率值明显升高；粗颗粒分解形成黏粒及细粒物质，导致黏粒及细粉砂含量升高而w(砂粒)降低；Sr发生淋溶迁移，w(Rb)/w(Sr)明显增大，这些表明古土壤(S0)经历的风化及淋溶作用显著高于马兰黄土(L1)与过渡层黄土(Lt)，受到强烈的成壤改造。近代黄土(L0，70～140 cm)的地层结构特征(颜色、质地、结构)与马兰黄土极为相似，其磁化率值(196.1×10-8m3/kg)、w(黏粒)(16.2%)、w(黏粒)/w(粉砂)(0.32)及w(Rb)/w(Sr)值(0.71)明显低于古土壤层而高于马兰黄土层，但w(砂粒)高于古土壤层，说明其风化成壤强度低于古土壤层而高于马兰黄土层。在170～190 cm处的w(黏粒)(32.3%)、烧失量(3.3)和w(Rb)/w(Sr)值(0.83)均低于古土壤(S0)，而w(砂粒)(16.9)则明显高于古土壤(S0)(表2)，说明在170～190 cm深度处的风化成壤作用要明显低于古土壤(S0)形成阶段的风化成壤作用。

3.2 风化成壤对气候变化的响应

MTS剖面风化成壤强度的变化反映了汉江上游地区不同时期的气候特征，并可以与汉江上游地区归仙河口及辽瓦店等剖面形成良好对比[8-9]，与之前王学佳等人基于化学元素对此剖面进行讨论得出的结果基本一致[29]。马兰黄土(L1)形成阶段：厚层黄土的堆积以及微弱的风化成壤作用，表明该时期冬季风强盛，有利于黄土的形成。过渡层黄土(Lt)形成阶段：风化成壤作用略高于马兰黄土(L1)形成阶段，说明末次冰期结束后，进入全新世早期，气候开始由干燥寒冷向温暖湿润转变，冬季风减弱。古土壤(S0)形成阶段：此阶段经历了最为强烈的成壤改造作用，说明该时期气候最为温暖湿润，降水充沛，生物活动频繁。同时在古土壤(S0)中170～190 cm明显变弱的风化成壤作用，表明此阶段气候与整个古土壤(S0)形成阶段相比表现为相对干燥寒冷，结合OSL测年数据，确定了此次气候事件的发生时间约为6.48 Ka BP，此次气候事件可以与鹿化煜等人对东亚季风的研究形成良好对比[30]。近代黄土(L0)形成阶段：该阶段的成壤改造作用明显低于古土壤(S0)阶段，说明全新世大暖期结束后，气候开始由温暖湿润向干燥寒冷转变，冬季风变强，风尘堆积速率加快，进入一个相对干旱少雨时期。

4 结 论

通过对汉江上游MTS剖面的磁化率、粒度、烧失量及w(Rb)/w(Sr)值的综合分析，揭示了该地区自晚更新世末期以来的风成沉积物的风化成壤过程及其反映的气候变化规律：晚更新世末期，汉江上游一级阶地上厚层马兰黄土的堆积，表明该时期成壤作用微弱，气候干燥寒冷，沙尘暴活动频繁，冬季风强盛。

进入全新世早期，成壤作用增强，气候向暖湿转变，冬季风减弱，沉积物堆积变慢。全新世大暖期，成壤作用最为强烈，气候最为温暖湿润，降水丰富，生物活动频繁。进入全新世晚期，成壤作用减弱，黄土继续堆积，气候向干燥寒冷转变。

在6.48 ka BP 前后，虽处于全新世大暖期期间，但是气候发生过一次剧烈波动，气候表现为相对干燥，且降水较少，通过磁化率、粒度组分、烧失量及w(Rb)/w(Sr)值的变化曲线很好的表现出来。

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PedogeniccharacteristicsofMituosiprofileintheupperHanjiangrivervalleyanditsresponsetoclimatechange

ZHANGWentong,PANGJiangli,ZHOUYali,HUANGChunchang,ZHAXiaochun,WANGXuejia,WANGHaiyan

(College of Tourism and Environment∥National Demonstration Center for Experimental Education， Shaanxi Normal University, Xi’an 710062, China)

The Mituosi(MTS) profile in Yunxian, Hubei of China was served to investigate pedo-stratigraphy and sedimentary characteristics of the first river terrace of the upper Hanjiang river. Magnetic susceptibility, grain-size distribution, loss on ignition and Rb/Sr were analyzed. The MTS profile recorded the environmental evolution with the stratigraphic series from bottom to top: Malan Loess(L1)→Transitional Loess(Lt)→Paleosol(S0)→Holocene Loess(L0)→Top soil(TS). Different stratigraphic units show different degree of weathering intensity, with S0>Lt>L0>L1. The weathering intensity change of MTS profile indicates the climate change since Malan loess accumulation. It was cold and arid with gradually intensified southeast monsoon during the early Holocene. The strongest monsoon occurred in the mid-Holocene. During the late Holocene, the climate became drying with the monsoon recession. A cold climate event was recorded in MTS profile, dating to around 6.48 Ka BP (OSL dating).

pedogenesis; climate change; loess-paleosol; upper Hanjiang river

10.13471/j.cnki.acta.snus.2017.06.004

2016-09-01

国家自然科学基金(41271108,41371029)；国家社会科学基金(14BZS070)；中央高校基本科研费(201601006)

张文桐(1991年生)，男；研究方向土地利用和气候变化;E-mail:978696657@qq.com

庞奖励(1963年生)，男；研究方向资源开发与环境演变;E-mail:jlpang@snnu.edu.cn

P532

A

0529-6579(2017)06-0031-07