第四纪黄土剖面多元古土壤形成发育信息的揭示_精品文档资料下载.pdf
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对原以代表暖湿环境的红褐色古土壤层,揭示了内伏干旱、半干旱环境的演化及干旱与湿润型孢粉共存的矛盾实质。
研究证示:
深厚的黄土剖面是在第四纪生物气候环境演变过程中,通过黄土沉积、成壤强弱交替演化,形成发育的由不同土壤类型组成的特殊的多元古土壤剖面体系。
关键词黄土剖面,密集采样,多元古土壤,第四纪环境新信息中图分类号S151、+3黄土高原深厚的黄土剖面储存了240万年以来丰厚的地学生物学信息,我国黄土研究的成就为世界所瞩目13。
笔者在前人研究基础上,融合地质学、土壤学和生态学成就进一步揭示这些信息,对黄土剖面的土壤发育过程及第四纪环境演变,取得了一些新的认识。
80年代初,我们根据古土壤分布特征,将古土壤划分为埋藏型、残积型及残余型三种类型。
研究证示黄土剖面中古土壤条带均属埋藏型古土壤4。
武功土剖面中的红褐色粘化层属浅层埋藏型古土壤,其上部覆盖层除人为耕作施加的土粪外,主要是近三千年来新的黄土沉积物。
通过鉴别土壤中原生和次生碳酸盐及光性粘粒的微形态特征,恢复了古土壤成壤期的环境背景,首次提出黄土剖面中曾发育有森林型土壤的证示5;
同时发现代表干冷气候的黄土层(L),也经历了一定的成壤过程,基本上属草原型土壤5,6。
根据现代土壤侵蚀区域特点,探讨了第四纪地质时期黄土沉积、成壤和侵蚀的交替演变过程,揭示了黄土沉积(L)与古土壤(S)之间存在半干旱过渡型生物气候环境,地质时期侵蚀相对强烈期即发生在该过渡时期,由此分析推论深厚的黄土剖面储存有干旱半干旱半湿润湿润的生物气候演替和渐变的信息,以及相应的土壤发育过程,但当时尚未提出足够的论证依据7。
赵景波依据已划定的黄土(L)古土壤(S)序列,分别确定了各个L层第39卷第5期土壤学报Vol139,No152002年9月ACTAPEDOLOGICASINICASep.,20021994-2009ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http:
/与S层的土壤类型,对于L层的判断限于冷干气候下发育的古土壤,且未涉及黄土剖面整体系统的发生学8。
基于以上研究的启示,为了与前人的工作进行比较,我们以众所周知的洛川黄土剖面为对象,进一步探讨黄土剖面整体系统的形成发育过程。
以跨越全新世和中更新世共约20万年为时间尺度,在土层划分、土样采集、分析测定项目及研究内容方面,均有所改进和补充。
1研究方法和研究内容111土层划分与土样的采集依据黄土沉积、成壤的过程及黄土剖面的形成发育规律,黄土古土壤序列的编号理应自早期到晚期,即自黄土剖面的下部到上部顺序编号,鉴于晚期发育的红褐色古土壤条带远较早期鲜明,故地质学家依黄土剖面自上而下顺序编号,例如S0、L1S1、L2S2LnSn,已得到公认并被普遍采用1。
在我们的研究中发现,该序号的时间概念为成壤在前,沉积在后,忽略了黄土沉积、成壤依存的发生学规律,不利于探求黄土剖面形成发育的实质,故作了修改。
如图1所示,黄土古土壤序列的编号自上而下依次改为Lx、S0L0、S1L1、S2L2SnLn。
该序列特点反映了黄土沉积(L)与成壤(S)发生学的联系,同时从S0层中,揭示了近三千年来气候转向干旱进入新的黄土沉积过渡时期,新的黄土沉积层正在形成,厚约3050cm,其厚度正继续发展,为未知数,故定为Lx。
为探求黄土剖面中黄土古土壤序列反映的气候演变,研究者多按划分的各个L层与S层采集典型样品进行分析研究,其结果必然反映了两者截然分界突变性的特点。
本研究为探求黄土沉积与成壤的演变过程,试图揭示黄土层(L)沉积过程中与成壤的关联,以及古土壤层(S)与黄土沉积的关联,特加密了土样的采集点。
在常规采集6个土样(S0至L2)基础上,增至间隔3050cm的密集采样,共采集了39个土样。
112研究内容和研究方法
(1)年龄测定。
选取4个代表性土层:
Lx、S0、L0、S2、应用14C和热释光法测定了年龄(西安黄土与第四纪地质国家重点实验室完成)
(2)土壤物理、化学组成分析。
对39个土样进行了土壤颗粒组成(吸管法),有机质(重铬酸钾法),CaCO3(CO2气体测定法),Ca、Mg、Fe、Al、Cu、Zn、Mn(原子吸收分光光度计法)含量的测定。
(3)土壤矿物组成分析。
对39个样品分别进行了角闪石类不稳定矿物(A),帘石类次稳定矿物(B)及不透明稳定矿物(C)共16种矿物含量的分析,进行了K1值(A/B)、K2值(A/C)及F值(K1+K2)的统计分析。
(4)土壤微形态鉴定。
将39个土样制备了原状土薄片,应用附有半自动图像分析仪的偏光显微镜,进行了土壤微结构、原生和次生碳酸盐、光性粘粒积聚和胶膜形态,以及生物活动轨迹的显微镜鉴定和部分定量统计分析。
(5)孢粉分析。
由长安大学(原西安工程大学)孙建中教授负责完成。
他以洛川黑木沟古土壤层S1底面以上厚11.95m深度范围内,以间距520cm共采集了62个样品进行了孢粉分析,共检出约56个科属孢粉。
2研究结果讨论剖面中各土层的物理、化学及矿物组成分析结果共获得l209个数据,经综合分析,归610土壤学报39卷1994-2009ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http:
/图1黄土剖面土壤物理、化学、矿物组成的演变Fig.1Changesinphysical.chemicalandmineralcompositionacrossloessprofile纳列于图1和图2。
剖面中代表土层的年龄测定基本上与前人的研究结果相符。
应用14C测得Lx(030cm)为2760180a.B.P,S0(5090cm)为6120180a.B.P,应用热释光测得L0(310400cm)为490006000a.B.P,S2(13701390cm)为21100019000a.B.P。
在原定的黄土层(L)古土壤层(S)序列基础上,通过密集采样的分析测定,研究揭示了黄土剖面形成过程中,黄土的沉积和成壤并非绝对的突变性分界,而是两者呈强弱交替延续性的演化特征;
同时分辨了同一地层内不同地学生物学信息共存的矛盾实质,从而对第四纪环境演变得到了新的启迪和见解。
5期唐克丽等:
第四纪黄土剖面多元古土壤形成发育信息的揭示6111994-2009ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http:
/图2黄土剖面化学组成及微量元素含量的演变Fig.2Changesinchemicalcompositionandtraceelementcontentsacrossloessprofile211黄土地层(L)是干旱、半干旱环境下黄土沉积、成壤演化过程的综合体图1与图2综合显示了黄土剖面中物理、化学及矿物组成的变化。
图中不仅显示了黄土层(L)与古土壤层(S)之间明显的差异,而且在各个黄土层(L0、L1、L2)中出现了不均匀的波状起伏。
后者的特征不仅在于风力搬运的影响,而且反映了黄土沉积过程中经历了不同程度的土壤发育过程。
黄土层中CaCO3,的含量变化较大,为7%18%,说明黄土层不仅是干旱环境下的沉积物,而且经历了干旱、半干旱环境下的成壤过程,CaCO3呈现强弱不等的淋溶和迁移,但尚未淋失殆尽。
黄土层的粒度组成呈明显的差异。
就土壤中0.01mm和0.001mm两种粘粒含量612土壤学报39卷1994-2009ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http:
/变化一致的现象来看,显然这不仅是风力搬运的影响,而是黄土沉积后经历了土壤发育过程的粘化现象。
与粘粒变化相对应的重矿物K1值和F值也呈相应的波状起伏,更可以确定黄土地层经历了一定的物理、化学的风化作用及成壤过程。
土壤有机质为不稳定极易氧化分解的物质,图1中显示的土壤有机质含量主要随年龄增长而下降。
距今约10万年以前的黄土层(L)或古土壤层(S)的有机质含量基本等同,变辐212gkg-1317gkg-1,显然不符合客观规律。
因此以当今测定的各个土层的有机质含量不宜用于追踪古生态环境的直接指标。
但古环境时土壤有机质的形成积累和分解过程可直接影响当时土壤的环境(酸碱度),土壤结构性状及土壤有效态养分等,这些性状可通过现在的土壤物理、化学组成分析、孢粉分析及微形态镜鉴得到证示,据此可分析当时的古生物气候环境。
土壤微形态镜鉴证示,上述成壤特征明显的黄土层,其微结构体内生物活动明显,见有不同形态的根孔、蚯蚓活动的孔道及其团粒状排泄物;
沿生物孔洞或结构裂隙,见有大量原生微晶粒方解石呈眼球状积聚或泉华状析出,表征土体内碳酸盐的迁移和淋溶;
同时微结构体内见有表征土体粘化现象的红棕色光性粘粒呈基底式胶结。
该土层的孢粉虽然以干旱草原的蒿属和菊科为主,但见有表征半干旱环境的松属、栎属和云杉的木本孢粉及毛茛科和十字花科中生型的草本植物。
以上分析资料说明,以沉积为主的黄土地层并不完全是冷干环境下的产物,而是经历了干旱、半干旱生物气候环境的演变,同时形成发育了类同现代干旱、半干旱地区的土壤类型,植被以草原、灌丛草原型(或有乔木类介入)为主。
这类土壤的特点是碳酸盐有一定淋溶但不强烈,土壤呈微碱性,矿物已经历一定风化过程,但铁、铝无明显的移动和积聚,当土壤中有机质遭长期埋藏氧化分解后,土壤色泽等外表性状基本类同原生黄土沉积物,该土层与其相衔接的呈红褐色的古土壤层呈明显的分界,故长期来把前者称之黄土地层,后者称之古土壤。
实质上两者均是在黄土沉积基础上经历了不同生物气候环境下不同土壤类型的发育过程,且两者还具有相互依存和延续性发生学的联系。
明确这一点,对第四纪生物气候环境演变,将取得新的理解和认识。
212古土壤层(S)形成发育与黄土层(L)发生学的机制及其环境背景的分辨黄土剖面中出现的红色条带,地质学家曾称之红层。
土壤学家朱显谟先生首先研究确认“红层”即古土壤层(S)9,该论点己得到公认,并延用至今。
但是对该古土壤层形成发育的环境背景,尢其是植被类型问题,至今尚存在争议。
有关古土壤层的孢粉分析曾进行了大量工作1,多证明该土层以干旱、半干旱型草本类植物占优势,仅见少量乔木孢粉。
据此,不少研究者对古土壤层的环境背景多倾向于草原型、或鉴于乔木孢粉的检出,确定为疏林草原型。
近年来,有的研究者通过提取古土壤中有机碳同位素13C比值的分析,提出黄土高原南部塬面60万年以来都以草本植物占优势10。
有的研究者基于古季风气候的研究,证示古土壤层(S)反映了古夏季风占优势,属褐土型古土壤。
现代褐土型土壤的植被类型应以森林灌丛为主,但作者对其植被类型则确定为暖温带草原和森林草原,显然受孢粉分析及有机碳同位素测定的影响11。
我们基于黄土沉积层(L)也经历了成壤过程的启示,进一步认识到古土壤层(S)显然不是与黄土层(L)截然分界的间
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