黄土高原—毛乌素沙漠过渡带靖边地区全新世土壤元素地球化学特征及其环境意义

王 攀，董秋瑶*，巩雪娇,3，陈洪云，宋 超，郭 娇

(1. 中国地质科学院水文地质环境地质研究所,河北 石家庄 050061; 2. 中国地质调查局第四纪年代学与水文环境演变重点实验室,河北 石家庄 050061; 3. 河北地质大学 资源学院，河北 石家庄 050031)

0 引 言

黄土高原的黄土沉积具有沉积厚度大、沉积层序明显、分布面积广等特点。黄土层和不同发育程度的古土壤层蕴含着丰富的古气候信息，完整地记录了黄土高原第四纪以来的环境变化，黄土磁化率变化曲线可与深海氧同位素曲线良好对应，是陆相沉积物记录大尺度环境变化的理想载体[1]。

黄土的地球化学研究一直是黄土研究的热点之一，不同学者围绕黄土的物质组成、物源、化学风化程度、气候和环境指标、表生地球化学行为、生物地球化学过程等方面开展研究，促进了黄土地球化学的发展[2-5]。近年来，黄土的地球化学研究从黄土高原逐渐延伸到新疆[5-6]、东北[7-9]、长江中下游[10-11]、青藏高原东北缘[12-14]等黄土高原以外具有黄土沉积的区域。黄土沉积的元素分布规律特征与区域环境演化有着密切的关系。化学风化是地表圈层相互作用的主要形式，其产物是记录古气候变化的良好信息载体。因此，黄土的地球化学研究是揭示古气候变化的一种重要手段[15]。

靖边地区位于黄土高原与毛乌素沙漠的过渡带、东亚季风的尾闾区和农牧交错带，对第四纪气候变化的响应更加敏感。本文基于靖边地区三道沟土壤剖面的年代学和元素地球化学特征，分析三道沟土壤剖面的化学风化程度,定量重建靖边地区的古气候信息，并探讨靖边地区全新世以来的环境变化及其驱动机制。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

靖边地区三道沟土壤剖面(37.46°N，108.78°E)地处黄土高原西北缘和毛乌素沙漠东南缘，属于黄土高原和毛乌素沙漠的过渡带，行政上隶属于陕西省榆林市靖边县镇靖乡三道沟村(图1)。靖边地区属半干旱大陆性季风气候，年际温差大且冬春季节多风沙。靖边县气象台站1981～2010年记录的年均温为8.8 ℃，年均降水量为385 mm。研究区属于东亚季风的尾闾区，气候变化受东亚季风和西风的共同控制。

图1 黄土高原—毛乌素沙漠过渡带靖边地区三道沟土壤剖面位置Fig.1 Location of Sandaogou Soil Profile in Jingbian Area of Loess Plateau-Mu Us Desert Transitional Zone

1.2 样品采集与分析方法

2013年6月对三道沟土壤剖面进行野外观察和样品采集，顶部至1.4 m为黑垆土层，以下为黄土层。其中，0～50 cm深度黑垆土层(SDG1层)颜色发黑，菌丝体发育，根孔和虫孔发育，可见大量植物根系;50～96 cm深度黑垆土层(SDG2层)颜色比上层更深，土壤更加致密;96～140 cm深度黑垆土层(SDG3层)颜色渐变到比上层浅，空隙较发育。以2 cm等间隔对黑垆土层取样，共采集70组样品。基于深度和岩性变化，共采集4件14C样品。14C样品测试在北京大学加速器质谱(AMS)实验室和BETA实验室完成，元素地球化学样品测试采用中国地质科学院水文地质环境地质研究所的X射线荧光光谱仪(PW4400型)完成，具体分析方法见文献[16]。

2 结果分析

2.1 年代学特征

黄土高原—毛乌素沙漠过渡带靖边地区三道沟土壤剖面4件AMS14C样品的年龄随深度增加而变大，未出现上下倒转，最老年龄为(8 189±141)cal.a BP，说明三道沟土壤剖面形成于全新世。根据4件AMS14C样品的年龄，利用分段线性内插与外推方法计算出不同深度对应的年龄及沉积速率(图2)。结果表明：0～60 cm深度沉积速率为22.2 cm·ka-1;60～100 cm深度沉积速率为16.9 cm·ka-1;100～140 cm深度沉积速率为29.4 cm·ka-1。不同深度的沉积速率差别较大，反映出全新世气候的不稳定性。年龄与深度成显著线性相关关系，相关系数大于0.99，拟合直线的斜率即三道沟土壤剖面的平均沉积速率(19.9 cm·ka-1)与相邻吴起地区(18.8 cm·ka-1)[17]和横山地区(21.3 cm·ka-1)[18]记录的全新世土壤剖面沉积速率一致。根据建立的年龄框架，三道沟土壤剖面记录了靖边地区8.4～1.8 ka BP期间的气候变化。

年龄数据引自文献[16]图2 不同深度对应的年龄及沉积速率Fig.2 Diagram of Age and Deposition Rate Corresponding to Different Depths

2.2 元素地球化学特征

靖边地区三道沟土壤剖面的常量元素含量(质量分数，下同)以氧化物形式统计，微量元素以单独元素形式统计(表1)。常量元素在剖面中的平均含量从大到小为SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3、K2O、MgO、Na2O，其中前4种氧化物平均含量之和超过75%，氧化物含量排序与相邻的吴起地区全新世土壤剖面[17]完全相同，反映了三道沟土壤剖面同样为风成沉积物。微量元素Rb、Sr、Zr在黄土研究中具有明显的古气候指示意义[19-20]，Rb、Sr、Zr在剖面中的平均含量分别是81.24×10-6、169.35×10-6、197.39×10-6，变异系数均较低。

表 1 靖边地区三道沟土壤剖面地球化学元素分析结果

元素由于自身性质的差异在化学风化过程中的表现不同。化学性质活泼的元素容易淋溶，稳定元素则会相对富集。为了更清楚地反映元素在化学风化过程中的富集或亏损程度，一般计算样品与地球上部陆壳(Upper Continetal Curst,UCC)元素含量之比来评价某种元素相对的亏损与富集。该比值小于1为相对亏损，反之则为相对富集。靖边地区三道沟土壤剖面具有富Ca,贫Na、Sr、Al、K的特征，Fe、Rb、Mg、Si呈现一定程度的亏损，但与上部陆壳元素含量接近，Zr化学性质稳定，与上部陆壳元素含量基本相同(图3)。

ws为样品含量；wu为上部陆壳含量图3 上部陆壳标准化地球化学元素蛛网图Fig.3 UCC-normalized Geochemical Elements Spider Diagram

3 讨 论

3.1 化学风化程度

化学蚀变指数(Chemical Index of Alteration，CIA,ICIA)首次被提出是用来判断物源区的风化程度[22]，之后发展到可作为黄土—古土壤序列化学风化程度的环境代用指标[23]。化学蚀变指数越高，表明沉积物化学风化越强烈，所代表的气候暖湿程度也越高。化学蚀变指数低于50表示无化学风化作用；化学蚀变指数为50～60表示初等化学风化作用；化学蚀变指数为60～80表示中等化学风化作用；化学蚀变指数高于80表示强烈化学风化作用[24]。靖边地区三道沟土壤剖面化学蚀变指数为55.53～60.47，平均值为58.65，处于初等化学风化作用阶段(图4)，其值小于黄土高原腹地的洛川黄土[25]和西峰红黏土[26]，与同样位于毛乌素沙漠东南缘的全新世吴起土壤[17]和位于腾格里沙漠南缘的武威黄土[27]类似。该结果与其所处的黄土高原—毛乌素沙漠过渡带的地理位置密切相关。

图4 化学风化程度示意图Fig.4 Diagram of Chemical Weathering Intensity

Na2O/K2O值利用Na和K迁移富集的差异来表示化学风化强度。Na主要赋存于斜长石(钠长石)中，易受风化；K主要赋存于正长石(钾长石)中，抗风化能力较强，不易风化迁移。因此，Na2O/K2O值可以指代化学风化强度[25,28-29]。Na2O/K2O值越高，风化程度越弱，与化学蚀变指数成反比。靖边地区三道沟土壤剖面Na2O/K2O值为0.83～1.02，与化学蚀变指数成负相关关系(图4)。这与化学蚀变指数表达了相同的环境意义，即三道沟土壤剖面处于初等化学风化作用阶段。

3.2 全新世古气候定量重建

很多代用指标可以用来定量重建古土壤形成时期的古环境和古气候信息[30]。欧阳椿陶等在研究毛乌素沙漠南缘萨拉乌苏河流域米浪沟剖面末次间冰期古土壤成壤环境时，利用化学蚀变指数与降水量、温度的线性关系对古土壤层的古气候进行了定量重建，其中降水量P=-1 162.9+30.248ICIA，温度T=-120.82+32.45lnICIA[31]。米浪沟剖面位于三道沟土壤剖面西北方向，与三道沟土壤剖面处于同一个气候带，其古土壤风化程度与三道沟土壤层相当，故本文选择此模型来定量重建靖边地区全新世的古温度和古降水量。靖边地区全新世的降水量为516～666 mm，平均值为611 mm，温度为9.9 ℃～12.7 ℃，年均温度为11.7℃，高于靖边地区现今的降水量和温度。选择同样位于东亚夏季风边缘区的巴彦查干[32]、岱海[33]和公海[34]3个湖泊重建的降水量进行比较(图5)，靖边地区的降水量大于巴彦查干、岱海和公海，但全新世的变化趋势大体一致，降水量的差异可能是不同重建指标本身的性质差异造成的，也可能与其所处的位置有关。靖边地区全新世温度与北半球(30°N～90°N)温度异常综合值[35]相比，变化趋势总体一致。降水量和温度变化趋势的一致性反映出总体都受到东亚夏季风的驱动控制。

靖边降水量和温度是根据化学蚀变指数定量重建的；巴彦查干[32]、岱海[33]、公海[34]降水量是根据孢粉定量重建的图5 不同区域全新世降水量、温度对比Fig.5 Comparison of Holocene Precipitation and Temperature in Different Areas

3.3 全新世气候变化及其驱动机制

化学蚀变指数指示沉积物化学风化强度，是良好的夏季风代用指标[36]。SiO2/Al2O3值同小于50 μm颗粒粒级存在显著正相关关系，可基本反映原始风尘颗粒的大小，是良好的冬季风代用指标[37]。Rb/Sr值是利用Rb不易迁移和Sr易受淋溶迁移来指代环境变化，是常见的夏季风代用指标，在黄土高原地区广泛应用[19,38-44]。Zr常赋存在耐风化的锆石或钾长石中，而Rb赋存在钾长石中，且最外层电子数为1，很容易被黏土吸附，Zr/Rb值被认为是一种可靠的冬季风代用指标[20,45-46]。本文利用化学蚀变指数、SiO2/Al2O3、Rb/Sr、Zr/Rb、古温度、古降水量等指标综合研究靖边地区全新世的古气候演化过程。根据各指标随年龄的垂向变化，靖边地区全新世的气候变化可分为3个阶段(图6)。

图6 化学蚀变指数、SiO2/Al2O3、Rb/Sr、Zr/Pb、降水量和温度随年代变化Fig.6 Changes of Chemical Index of Alteration, SiO2/Al2O3, Rb/Sr, Zr/Pb, Precipitation and Temperature with Age

阶段Ⅰ(8.4～6.8 ka)为全新世升温期。此阶段化学蚀变指数和Rb/Sr值处于波动上升状态，而SiO2/Al2O3值和Zr/Rb值变化正好相反。这表明此阶段夏季风占主导地位，沉积物化学风化程度提升，气候转为暖湿。古温度和古降水量的变化可以直观反映该阶段的暖湿程度，年均温度为9.9 ℃～ 11.4 ℃，年均降水量为517～594 mm，处于早全新世的转暖期。

阶段Ⅱ(6.8～4.2 ka)为全新世适宜期，又称全新世大暖期。此阶段化学蚀变指数和Rb/Sr值达到整个全新世的峰值，SiO2/Al2O3值和Zr/Rb值为最小值，表明该阶段的气候较上一阶段更暖湿，沉积物化学风化程度进一步加强。年均温度为11.7 ℃～12.7 ℃，较阶段Ⅰ大幅提升，升温幅度约1.7 ℃，达到整个全新世的最大值，年均降水量为612～666 mm，较阶段Ⅰ增加了约94 mm，已达到暖温带湿润—半湿润气候的温湿水平。

阶段Ⅲ(4.2～1.8 ka)为全新世降温期。此阶段化学蚀变指数和Rb/Sr值开始波动下降，SiO2/Al2O3值和Zr/Rb值较阶段Ⅱ有所上升。温度和降水量曲线清晰地记录了此次降温，降温对应了全新世4.2 ka冷事件。在整个全新世降温期，年均温度为11.3 ℃～12.6 ℃，较阶段Ⅱ下降约0.3 ℃，年均降水量为593～664 mm，较阶段Ⅱ减少约19 mm。

三道沟土壤剖面在全新世经历的气候变化，与毛乌素沙漠东南缘(锦界剖面[47]、滴哨沟湾剖面[48]、大保当剖面[49]、大柳塔和牛滩剖面[50])和萨拉乌苏河流域[51-52]记录的全新世以来的气候波动相类似，表明地球化学特征良好地记录了靖边地区全新世以来的气候变化。

根据贵州董哥洞石笋δ18O值[53]、格陵兰GISP2冰芯δ18O值[54]、30°N夏季太阳辐射量[55]以及靖边地区三道沟土壤剖面古温度和古降水量曲线对比(图7)发现，三道沟土壤剖面古温度、古降水量曲线变化与董哥洞石笋、格陵兰GISP2冰芯δ18O值曲线变化存在一致性，特别是在早中全新世，随着δ18O值增加，温度和降水量同步增加，其变化的一致性表明三道沟土壤剖面记录的全新世气候变化主要受东亚夏季风的影响。早全新世太阳辐射量减少，三道沟剖面的温度和降水量相应增加；到中全新世，太阳辐射量减少到最小值，温度和降水量增加到最大值，对应全新世大暖期；到晚全新世，太阳辐射量增加到最大值，温度和降水量相应减少。30°N夏季太阳辐射量与三道沟土壤剖面温度、降水量同步变化，表明靖边地区记录的全新世气候变化主要受太阳辐射量变化的控制。

4 结 语

(1)黄土高原—毛乌素沙漠过渡带靖边地区三道沟土壤剖面形成于8.4 ka BP左右，其平均沉积速率为19.9 cm·ka-1，与相邻吴起地区和横山地区记录的全新世土壤剖面沉积速率一致。

(2)三道沟土壤剖面化学蚀变指数为55.53～60.47，Na2O/K2O值为0.83～1.02，处于初等化学风化作用阶段，与其所处的黄土高原—毛乌素沙漠过渡带有关。

(3)用化学蚀变指数重建得到靖边地区全新世的平均降水量和平均温度为611 mm和11.7 ℃，比靖边地区现今的降水量和温度高。

(4)靖边地区三道沟土壤剖面全新世以来的气候变化可分为3个阶段：8.4～6.8 ka的全新世升温期、6.8～4.2 ka的全新世适宜期和4.2～1.8 ka的全新世降温期。全新世气候波动具有全球性，且主要受控于太阳辐射量变化。

自然资源部国土卫星遥感应用中心石迎春副研究员参与了野外样品的采集工作，在此表示感谢！

图7 靖边降水量和温度与董哥洞石笋氧同位素、GISP2冰芯氧同位素、30°N夏季太阳辐射量记录对比Fig.7 Comparison of Precipitation and Temperature in Jingbian with Oxygen Isotope Records from Dongge Cave Stalagmite and GISP2 Ice Core, Summer Insolation Record for 30°N