3国家自然科学基金(批准号:40101013)、中国博士后基金、中国科学院地球环境研究所黄土与第四纪地质国家重点实验室基金联合资助作者简介:胡雪峰(1968～),男,博士,副教授。主要从事土壤地理和土壤环境方向的研究收稿日期:2002-10-21;收到修改稿日期:2003-06-16
“黄土-古土壤”序列中氧化铁和有机质对磁化率的影响3
胡雪峰
(上海大学环境科学与工程系,上海 200072)
摘 要 对黄土高原的灵台剖面“黄土-古土壤”序列的研究表明,黄土与古土壤中游离态铁(Fe d )、活性态铁(Fe o )和有机质含量均与磁化率(
χ)呈极显著的正相关性(p <0.01)。Fe d 对磁化率的显著影响,说明了成土作用强度,会影响古土壤铁磁性矿物的形成。有机质对磁化率产生的显著影响可能与生物成磁作用有关。另外,成土过程中有机质的存在,有利于次生磁赤铁矿的形成;以及古土壤形成后,有机质的存在可妨碍磁赤铁矿的老化,使之不易转化为赤铁矿,可能也是重要原因。Fe o 与磁化率的极显著相关性,主要应与Fe o 和Fe d 、有机质的密切联系有关。
关键词 “黄土-古土壤”序列;磁化率(χ);黄土高原;磁赤铁矿中图分类号 S159 文献标识码 A
在我国,黄土分布面积达44×104km 2。其中在
黄河中游地区,厚层黄土连续覆盖面积约达27.3×104km 2,形成蔚然壮观的黄土高原[1]。我国的风成黄土沉积,至少在250万年以前就已开始。此后,几乎连续沉积至今[1]。黄土高原约100m 厚的黄土地层内,夹杂有许多红色条带状的古土壤。典型的黄土地层,其实是一套完整的“黄土-古土壤”序列。它记录了黄土高原,乃至整个欧亚大陆第四纪多旋回的生物气候环境变迁。
在黄土与古气候的研究中,发现古土壤的磁性明显增强,“黄土-古土壤”序列的磁化率曲线能准确地指示古气候的多旋回变化,且可与深海沉积物(公认的记录第四纪气候变化的最好材料)氧同位素曲线相对照[1]。磁化率因此被称作古气候的代用指标。但对古土壤磁性增强的机理,至今仍有很多说法:Heller 和Liu [2]认为古土壤磁性增强,是由于碳酸盐的大量淋失和土体的压固作用,使得磁铁矿相对富集的结果;K ukla 和An [3]认为超细磁铁矿来自于几乎稳定的大气沉降,在干冷时期,由于尘积通量增加,磁铁矿被稀释,使得黄土的磁化率相对降低;也有人[4]认为古土壤磁性增加,是由于频繁的天然火灾造成的。不过,多数学者把古土壤磁性增强归因与成土作用,认为古土壤大部分铁磁性矿物,是在成土过程中由次生氧化铁及水合物转化而成的[5]。最近,又有人[6]对单纯的成土作用成因说提出质疑,认为植物体的分解是黄土与古土壤超细磁铁矿增加的一条重要途径。
土壤中的氧化铁包括赤铁矿(Hematite )、针铁矿(G eothite )、磁赤铁矿(Maghemite )、纤铁矿(Lepi 2docrocite )、水铁矿(Ferrihydrite )、磁铁矿(Magnetite )。赤铁矿和针铁矿为反铁磁性矿物,磁化率分别为40×10-8m 3kg -1和70×10-8m 3kg -1;纤铁矿和水铁矿为顺磁性矿物,磁化率分别为70×10-8m 3kg -1和40×10-8m 3kg -1;磁赤铁矿和磁铁矿为铁磁性矿物,磁化率分别达26000×10-8m 3kg -1和56500×10-8m 3kg -1[7]。前四者又常称为弱磁性矿物,后两者称为强磁性矿物。土壤中的铁磁性矿物通常只占痕量的成分,却是土壤磁性的控制因子。由于磁化率测试迅捷、简便,且不破坏样品,土壤磁学已应用到土壤环境、土壤矿物、土壤发生、土壤侵蚀等研究领域;而土壤中铁磁性矿物的形成或消失与成土环境的关系,正成为土壤磁学和环境磁学研究的一个热点[7]。本文以黄土高原甘肃灵台剖面的第四纪“黄土-古土壤”序列为研究对象,对黄土与古土壤中的磁化率与有机质和各种形态氧化铁进行比较分析,探讨黄土中影响磁性强弱的主要因素,希望能对进一步
第41卷第1期
土 壤 学 报
V ol 141,N o 11
2004年1月
ACT A PE DO LOG IC A SI NIC A
Jan.,2004
认识和研究古土壤磁性增强的机理带来新的启示。
1 材料与方法
灵台剖面位于甘肃省灵台县任家坡,胡雪峰等[8]已对灵台剖面有详细介绍。灵台剖面由第四纪“黄土-古土壤”序列和第三纪红粘土构成。其中的第四纪“黄土-古土壤”序列自上而下依次由全新世黄土(L0),全新世古土壤(S0,又称黑垆土),马兰黄土(L1),离石黄土(S1、L2、S2……L14、S14、L15)和午城黄土(S15、L16……S41)构成。为了便于研究,本文只选取了灵台剖面第四纪“黄土-古土壤”序列中S0至L15各层所选的共94个典型样块。
样品在室内风干后,通过2mm孔径的筛子。取10g左右的过筛样,利用英国Bartington MS-2型双频磁化率仪,进行低频(0.47kH z)和高频(4.7 kH z)磁化率的测定,并计算出高频磁化率(χhf)和低频磁化率(χlf)。频率磁化率(χfd)=(χlf-χhf)/χlf ×100%[5]。上述过筛样,分别测定Dithionite2Citrate2 Bicarbonate(DC B)浸提态铁(Fe d),又称游离态铁,与酸性草酸铵(pH312)浸提态铁(Fe o),又称活性态铁。风干样过01149mm孔径的筛子,用“重铬酸钾-硫酸亚铁铵”法测定有机质含量;用HF2HClO4消化,原子吸收火焰法(AAS)测定全铁(Fe t)。
2 结果与讨论
2.1 游离态铁(Fe d)对磁化率的影响
黄土中含有大量角闪石、辉石等含铁易风化原生矿物,在风化成土过程中,铁随着原生矿物的蚀变而释出;但在地表环境下,铁不能生成任何稳定的硅酸盐矿物,也不能进入2∶1粘土矿物的中间层,只能以氧化物或水合物的形式包裹在粘土矿物的表面。黄土与古土壤中的次生氧化铁绝大部分可用DC B浸提出来;DC B浸提态铁,又称游离态铁(Fe d),可指示黄土与古土壤的风化强度,是有效的古气候指标。由于Fe d的含量会受到CaC O3丰缺的影响,因而铁的游离度(Fe d/Fe t)能更好地反映土体的风化强度,而且已作为一项古气候指标应用于黄土研究中[9]。
与前人许多研究所发现的一样,灵台剖面“黄土-古土壤”序列的古土壤层磁化率强于黄土层磁化率;黄土层内风化程度相对较强的层次(常称为弱发育古土壤层)磁化率也明显偏高,如马兰黄土(L1)
内的弱发育古土壤层,磁化率明显高于L1内的其它层次(图1)。进一步的研究发现,黄土与古土壤的磁化率与Fe d和Fe d/Fe t的相关性均达极显著水平(p<0.01)(图2)。由于黄土磁化率的大小,主要由铁磁性矿物的含量决定[7]。磁化率与Fe d和Fe d/Fe t 的密切关系说明,黄土与古土壤中铁磁性矿物的含量会受到次生氧化铁总量的影响。由于次生氧化铁主要是风化成土作用的产物,因而古土壤的磁性物质大部分形成于成土过程的说法[5]是有根据的;用“黄土-古土壤”序列中的磁化率来指示古气候是有一定依据的。
然而,灵台剖面各层次磁化率与Fe d并非呈严格的线性关系。有不少相近的层次,Fe d值较接近,但磁化率却相差很大。如:S1的11.55m、12.10m 深度处,Fe d分别为13.4和13.2mg g-1,磁化率却为231×10-8和145×10-8m3kg-1;L2的14.05m、14.9m、15.75m、16.6m处,Fe d分别为10.2、10.6、8.5、9.0mg g-1,磁化率却为74×10-8、79×10-8、56×10-8、132×10-8m3kg-1;S14的84m、84.8m处, Fe d分别为11.3和11.4mg g-1,磁化率却为198×10-8和84×10-8m3kg-1。这说明Fe d并非磁化率的决定因素,影响古土壤铁磁性矿物的形成和持留还有更复杂的因素。正如Maher[7]指出的土壤磁化率的大小还会受到有机碳、CEC、粘粒含量、干湿和酸碱等因素的影响。笔者认为,在“黄土-古土壤”序列中,磁化率曲线的确能分辨黄土与古土壤,指示古气候;但由于磁化率和黄土与古土壤的风化强度远未达到一一对应的关系,要把它当作古气候的替代指标,是应该有所保留的。
频率磁化率(χfd)可指示黄土中粒径界于单畴(S D,粒径30～70nm)和超顺磁(SP,粒径<30nm)边界上的磁性颗粒(15～30nm)的含量[5]。灵台剖面“黄土-古土壤”序列Fe d与χfd的相关性也达极显著水平(p<0.01)(图2),说明超细磁性颗粒的形成与成土作用有关,与前人的研究相一致[5]。因而,χ
fd
也可作为古土壤风化成土作用强度的一项指标。212 有机质对磁化率的影响
灵台剖面的研究还表明,有机质含量与磁化率呈极显著的正相关性(图2)。有关有机质与磁化率的密切关系,前人也有论述。曹继秀等[10]在研究塬堡黄土剖面时,已指出有机质含量曲线与磁化率曲线有正相关性,认为这是土壤化作用的结果,但未进一步解释其中原因。孙继敏等[11]的研究也指出,蔡
8 土 壤 学 报41卷
低频磁化率:M agnetic susceptibility for low frequency(χlf)
图1 灵台剖面磁化率、有机质和铁的分布曲线
Fig.1 Curves of magnetic susceptibility,organic matter and iron of the Lingtai section
家沟、Shimao、蒲城3个剖面的S1以上层段有机质曲线与磁化率曲线有很好的可比性,有机质的最高值对应于磁化率曲线的“峰”;最低值对应磁化率曲线的“谷”。Maher[7]也提到,土壤中的有机碳是影响磁化率的一个因素。对上节所讨论到的“灵台剖面Fe d相近的层次,磁化率有时会有很大差异”进行进一步分析,发现磁化率增高处,有机质含量无一例外地偏高。如,S1的两个点有机质分别为:316、215mg g-1;L2四个点,有机质分别为:118、215、210、410mg g-1;S14的两个点分别为:215、115mg g-1。这说明有机质能显著地影响磁化率的高低。有机质为何能影响黄土与古土壤中的磁化率?由于有机质的累积与生物活动关系密切,因而有机质对磁化率的影响可能与生物成磁作用有关。据报道[12]在生物诱导(胞外)和生物控制(胞内)下,通过Fe3+的还原,可生物合成磁铁矿。这种磁铁矿绝大多数为超顺磁(SP)或单畴(S D)。尧德中等[13]指出,土体中的细菌、软体动物、节肢动物和脊索动物可在体内合成磁铁矿。Meng等[6]研究认为,植株的分解能产生磁性物质。笔者认为,有机质对磁化率的影响除了生物因素,应该还有化学原因:根据前人的研究[14],风化成土过程中形成的无定形铁老化为氧化铁时,在有机质存在条件下,利于形成磁赤铁矿;另外,有机质可阻碍磁性矿物的老化。因为无定形水合氧化铁能强烈地吸附有机质而阻碍氧化铁晶核的生长,使得无定形铁不易老化为针铁矿,针铁矿和磁赤铁矿不易老化为赤铁矿。
有关有机质对次生氧化铁矿物(包括次生铁磁性矿物)老化的影响,在本研究中还有新的证据:灵台剖面中有机质与活性态铁(Fe o)呈极显著的正相关(p>0.01)(图2),说明有机质的存在的确能影响氧化铁的老化。次生铁磁性矿物在黄土高原干燥和高氧化势的地表环境下,可向赤铁矿老化;而有机质的存在能阻碍或延缓这种老化。
1期胡雪峰:“黄土-古土壤”序列中氧化铁和有机质对磁化率的影响9
图2 灵台剖面磁化率、有机质和铁的相互关系
Fig.2 Relationship between magnetic susceptibility,organic matter and iron
A:磁化率与铁游离度的相关性C orrelation between magnetic susceptibility and Fe d/Fe t;B:磁化率与活性态铁的相关性C orrelation between magnetic susceptibility and Fe o;C:磁化率与游离态铁的相关性C orrelation between magnetic susceptibility and Fe d;D:磁化率与有机质的相关性C orrelation between magnetic susceptibility and organic matter contents;E:频率磁化率与游离态铁的相关性C orrelation betweenχfd and Fe d;F:游离态铁与活性态铁的相关性C orrelation between Fe d and Fe o;G:有机质与活性态铁的相关性C orrelation between organic matter contents and Fe o
213 活性态铁(Fe o)对磁化率的影响
灵台剖面中,酸性草酸铵浸提态铁(Fe o)与磁化率的相关性也达极显著水平(p<0.01)(图2)。Fe o 一般指无定形铁。无定形铁是弱磁性矿物,本身对黄土磁性的贡献不大。Fe o与磁化率的密切关系,可能是受Fe o与有机质、Fe d的密切关系的影响:上节已提到黄土与古土壤中有机质含量与Fe o呈极显著的相关性,而有机质对磁化率有显著影响;同样, Fe o和Fe d呈极显著的相关性(p>0.01)(图2),而Fe d对磁化率又有显著影响。此外,另有研究[15]认为酸性草酸铵溶液,除了能浸提结晶较差的无定形铁,还能溶提出磁铁矿。酸性草酸铵溶液能否浸提出黄土与古土壤中的磁铁矿。这一因素是否也影响了Fe o与磁化率的关系,还有待作深入研究。
10 土 壤 学 报41卷
3 结 论
黄土高原灵台剖面的“黄土-古土壤”序列中,游离态铁(Fe d)与磁化率呈极显著的正相关性。说明次生氧化铁的总量,即成土作用的强度,能显著地影响黄土与古土壤中铁磁性矿物的形成。
黄土与古土壤中,有机质的含量与磁化率也呈极显著的正相关性。这可能与生物成磁作用有关。另外,成土过程中有机质的存在,有利于次生磁赤铁矿的形成;而在古土壤形成后,有机质的存在则可妨碍磁赤铁矿的老化,使之不易转化为赤铁矿,可能也是重要原因。
活性态铁(Fe o)与磁化率的相关性也达极显著水平。这主要应与Fe o和Fe d、有机质的密切联系有关。另外,酸性草酸铵溶液能否浸提出磁铁矿,以及这一因素是否也影响了Fe o与磁化率的关系,还可作深入研究。
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1期胡雪峰:“黄土-古土壤”序列中氧化铁和有机质对磁化率的影响11
12 土 壤 学 报41卷
INF L UENCE OF IR ON OXI DES AN D ORG ANIC MATTER ON MAGNETIC
SUSCEPTIBI LIT Y IN THE LOESS2PA LEOSOL SEQUENCE
Hu Xuefeng
(Department o f Environmental Science and Engineering,Shanghai Univer sity,Shanghai 200072,China)
Abstract The study of the loess2paleosol sequence of the Lingtai Section in the Loess Plateau,N orthwest China,indicates that free iron(Fe d),active iron(Fe o)and organic matter contents in the sequence are highly significantly correlated w ith mag2 netic susceptibility(χ)(p<0.01).The in fluence of Fe d on magnetic susceptibility indicates that the degree of pedogenesis w ill affect the formation of ferromagnetic m inerals in the paleosols.The significant correlation between organic matter and magnetic susceptibility may be attributed to the processes of biogenetic magnet.In addition,the contribution of organic matter to the for2 mation of maghem ite in the pedogenetic processes and it interfering w ith the ageing of maghem ite to hematite afterwards are also im portant reasons.The highly significant correlation between Fe o and magnetic susceptibility is mainly related to the close rela2 tionships between Fe o and Fe d,and Fe o and organic matter.
K ey w ords M agnetic susceptibility(χ);The Loess Plateau;The loess2paleosol sequence;M aghem ite
中国黄土高原分布的半干润均腐土是现代土壤还是古土壤 摘要：半干润均腐土在中国黄土高原广泛分布，农业土壤学家将半干润均腐土分类为现代 土壤，地质学家则将其分为古土壤。我们对黄土高原的半干润均腐土进行高分辨率野外调查，包括野外观察、元素分析、释光断代、磁化率和粒径分布的测定。结果表明在全新世期间理化性能的形成和土壤剖面的发展与尘土不断地堆积的地表发育是同步的。距今11500年堆积尘土的连续强烈风化导致整个全新世早期强烈的化学分异。在高原距今8500年-3100年，半干润均腐土发育，在全新世中期气候适宜期由于降雨增加和土壤水分充足导致化学分异达到最大值。土壤形成持续了5400年，在距今3100年停止。主要的土壤回归从距今3100年开始，这是由于在整个黄土高原气候干旱和尘土堆积加强导致。一般新生黄土和表土层在半干润均腐土50-80cm上堆积.强烈的径流侵蚀和沉积的再次改造的结合加剧了土壤回归。大规模的土地开垦在高原上持续了大约2170年。旱作农业的农业景观形成大约1500年。因此，现在表土层已经堆积和历史上人类耕作和厩肥的施用也影响了现代表土层。由于干旱的气候 和土壤水分缺乏，可溶性物质停留在表土层。 1.引言 全新世土壤剖面受到连续气候变化和人为活动的影响；人类对自然景观的改造，以及人类扰动的影响。然而，黄土高原高地上全新世黄土的堆积和土壤的形成的高时空分辨率的研究却少之又少。由于缺少高时空分比率的数据导致对土壤属性和土壤剖面理解的偏差。因此在研究土壤形成刚才的时环境变化，粉尘堆积，景观变化，地表变化，土壤年龄，人类扰动这些因素常常会被忽略掉。所以在对广泛分布于中国黄土高原上的半干润均腐土的起源和分类问题上，土壤学家和地理学家很难达成共识。有关这个问题已经引起了广泛的讨论。 本文通过对黄土高原腹地，元素变化，粒度分析，磁化率分析，光释光断代，考古学测年等进行详细研究。研究发现黄土高原土壤属性变化和土壤剖面的变化与半干旱区的气候变化，尘土堆积，地表过程，人类对自然景观的改变有关。这对于追求自然系统土壤分类的真 是状况是极有利的。 2.研究地点 本文的研究点位于陕西省长武县泾河中游，平均海拔大约在1000-1200 m左右。高原被第四纪黄土和古土壤覆盖，厚度达150 m。泾河及其支流在高原上深切形成200-300 m的深沟，该地年平均气温9℃，最低温在一月约-5℃，最高温集中在七月月22.5℃。年降水量500 mm，主要集中在7-9月。该地是半干旱区季风气候，每年3-5月长发生沙尘暴天气。半干润均腐土主要形成后被埋藏在表土层下50-80 cm。土壤PH为8.0-8.5。在7800 a B.P.在河谷地带开始了耕作业。在沿河谷地带分布着大量新石器时代和青铜器时代的考古遗址。7800 a B.P.以来开始在河谷低级阶地上种植谷物。然而，大规模的开荒垦田开始的事件要在此之后很长一段时间。而在相对较高的地带一直到秦汉时期都没有开始发展种植业。在现代突然剖面和表土层中都发现了耕作层，而下伏的半干润均腐土在历史时期均受到耕作的影响。历史
龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/eb644284.html, 中国黄土及其古气候意义 作者：焦译漫 来源：《科技风》2019年第11期 摘要：黄土高原是古气候环境的历史藏在自然界用密码写就的一本本“秘岌”之一。黄土高原的黄土——古土壤序列对研究古气候变化具有重要意义。通过黄土——古土壤的交替出现，来研究古气候的变化旋回。研究发现黄土的颜色、粒度等与古气候变化存在一定的关系。 关键词：黄土——古土壤;颜色;粒度;古气候 1 黄土高原简介 1.1 成因 第四纪时期，青藏高原的存在和上升，阻挡了从印度洋吹来的西南季风的侵入，因此，大陆内部的气候变得越来越干，从而有利于风尘的生成和搬运。[1] 远古地质时期的西北季风将中亚和蒙古高原地区的黄色粉尘源源不断地吹向东部，颗粒较大的粗砂留在了新疆和内蒙古，并在那里形成大片沙漠和戈壁。其余的粉尘物质随风继续南下被青藏高原和秦岭挡住了去路，向东受制于太行山，最终在甘肃、陕西、山西一带沉降下来。同时随着风力的减弱粗的粉尘颗粒被抛撒下来，然后是中等颗粒，最后是细小颗粒。黄土高原降雨少，属于半干旱地区，有利于以粉砂为主体的沉积物的保留，逐渐叠覆形成黄土高原。 1.2 地形 黄在地貌学上，黄土高原可称为一个巨地貌单元。长期的侵蚀和切割形成了土高原特有的地形，最常见的为峁、墚和塬。 峁：多分布于黄土高原北部，为圆锥形丘陵，是一种发育在各种黄土堆积上的参丘。 墚：多分布于黄土高原中部，为长条形的脊状地形，是一种叠加古侵蚀地形;塬：多分布于黄土高原南部，为平台状地形，由多层叠覆的黄土/古土壤层构成。[1] 1.3 黄土地层结构 中国黄土在地层上可分为早更新世午城黄土、中更新世离石黄土、晚更新世马兰黄土和全新世黄土。黄土高原有两种类型的地层结构，分别为连续的黄土——古土壤相和不整合的黄土——河湖相结构。
中国黄土一古土壤序列与古全球变化研究 院系城市与环境学院 专业地理科学 班级 姓名 学号
中国黄土一古土壤序列与古全球变化研究 摘要：大学生旅游市场是整个旅游市场不可缺少的一部分，由于大学生旅游行同样具有一定的特点与规律，本文通过调查问卷的形式特对黄石市大学生旅 游行为进行了研究，对黄石市大学生旅游行为特征进行了定量分析，在此 基础上总结了大学生旅游行为的一般规律。通过此次的研究分析，希望能 有效地引导黄石市大学生旅游需求，帮助黄石旅行社能够根据当代大学生 旅游行为特点,有针对性地开发适合大学生的旅游产品，进一步开拓黄石 市大学生旅游市场。 关键词：黄土,古土壤,季风环境,干旱化,古大气环流 1.引言 中国黄土(注:本文中，中国黄土包括黄土层和古土壤层)是最丰富的第四纪时期地质环境演化的信息库。它记录了240 万年以来中国大陆的古气候、新构造运动、古地理等多方面的变化过程和重大地质事件；同时，它也记录了与全球古气候、古环境演化进程同步发展的全过程。因此，中国黄土成为记录全球变化的最佳地质信息标志，在时间和空间上都为全球变化研究者提供了非常难得而又十分有益的条件。所以，国内外的研究者，对中国黄土做了大量的工作，使中国黄土研究的深度不断提高，不断获得新的认识。 中国北方黄土高原风成沉积物序列具有粒度细、沉积速率高、连续性好等特征,是蕴含古地磁场和古气候信息最为丰富的晚新生代陆相沉积物。作为惟一时间跨度大、连续性好的陆相沉积记录,中国黄土也因此与深海沉积物和极地冰芯一起构成国际古全球变化研究的三大支柱。中国黄土系统地记录了第四纪乃至中新世以来亚洲内陆连续的气候变化历史、地磁极性转换以及地磁漂移，利用黄土与古土壤序列重建过去的全球变化是我国在世界上独具特色的研究领域之一。[1] 2.中国黄土一古土壤序列与古全球变化研究 2.1全球变化的研究意义 全球变化科学对揭示人类赖以生存的地球系统运转的机制、变化规律及人类活动
黄土划分和命名 科学家们根据黄土形成的年代和特点对黄土进行了划分和命名，如马兰黄土、离石黄土、午城黄土等 黄土－释环境演变的“天书” 起来，为开展黄土研究奠定了基础。进而分析了黄土和古土壤的物质成分和结构特征，确立了黄土风成理论，探讨了黄土的成因机制，发现黄土区明显地受东亚季风影响，在受从海上来的东亚季风影响强时，以古土壤沉积为主；而受西风带影响强时，以黄土沉积为主。黄土和古土壤代表着不同的气候环境，前者指示干冷，后者指示暖湿，于是根据黄土与古土壤的分布状况可以追溯季风的轨迹，从而发展了东亚季风学说。到了20世纪80年代，随着科学技术的进步和国际交流的增多，黄土研究已经远远超出黄土本身的意义，它与环境和全球变化紧密地结合在一起，调查发现，黄土高原有数十层黄土和古土壤，它们交互出现，表明从260万年以来，黄土地区至少经历了近40个干冷和暖湿气候旋回，这些旋回具有周期性。刘东生先生在他的“黄土与环境”等一系列著作中，详细论证了黄土--古土壤多旋回性是气候干冷--暖湿周期变化的表征，这种周期变化印证了米兰科维奇提出的气候变化的地球轨道周期学说，也使从研究深海沉积物和极地冰芯得到的科学认识在陆地沉积物中找到了依据，从而，黄土，特别是中国广泛分布的厚层黄土成为与深海沉积物和极地冰芯并驾齐驱的研究全球变化的三部自然档案。这部自然档案连续记录了自然环境演变历史和人类活动的印记。但如何解译黄土中所包藏的环境信息却是一个比较复杂的科学问题。刘东生先生和他的同事一道，通过研究黄土古土壤的沉积特征、磁性特征、地球化学特征、生物化石特征和测量其中的同位素和宇宙成因核素等途径，建立了气候环境演化的时间序列和转换函数，利用转换函数，恢复某一时段、某一地区的气候环境，例如通过碳氧同位素的分析，可以反演当时的温度、降水量和C3、C4植物类型，通过沉积物中植物孢粉和硅酸体等分析，恢复当时的植被类型，于是可以重建气候环境演变历史和演变规律，为认识现代气候环境，预测未来演变趋势找到科学依据。这种认识上的飞跃，对全球变化研究产生了深远影响，由此黄土成为解释环境演变的一本天书，构成内容丰富的黄土学，从荒山僻壤进入科学的殿堂，被国际同行誉为黄土学研究者的“麦加”，吸引着国际同行对中国黄土朝圣般的向往。 黄土高原的形成可分三个阶段：第一阶段出现在250万—140万年之前，为高原物质内部侵蚀循环期；第二阶段出现在140万—4000年之前，为高原物质自然侵蚀外流期；第三阶段出现在4000年以前，为高原物质加速侵蚀外流期。 初期黄土高原据研究，黄土高原约250万年来上升了400—500米的高度。现代黄土高原海拔高度自东南向西北一般由1200米增加到2000米左右，减去黄土堆积以来增加的（上升的）400—500米的高度，可知黄土最初沉积时，黄土高原绝大多数地区已达到了高原的高度（海拔大于700米）。地层年代的研究表明，黄土开始堆积的年代距今为250万年左右。因此，黄土高原的初期应从距今250万年算起。在这一时期，广大地区为午城黄土覆盖，形成午城黄土覆盖的黄土高原。 中期黄土高原中期黄土高原开始于距今140万年前，结束于大约距今0.4万年前后。这一时期黄土地层不断堆积加厚，在午城黄土的基础上，六盘山以东又沉积了离石黄土和马兰黄土及部分全新世黄土，形成了时代齐全的黄土地层和结构完整的黄土塬。在古地形起伏的丘陵区，新黄土堆积后仍呈现丘陵形态。在六盘山以西地区，在第三纪或更老的地层之上，开始了黄土的发育。这一阶段的侵蚀仍属自然侵蚀，其侵蚀量仍大大小于堆积量。这一阶段是黄土高原发育的最盛时期。 近代黄土高原这一阶段黄土高原地貌类型与前一阶段基本相同，只是面积和数量有一定变化。黄土塬的面积有所减少，丘陵面积增加，冲沟密度和规模加大，三门湖消失。这一阶段
第39卷第5期土 壤 学 报V ol139,N o15 2002年9月ACT A PE DO LOG IC A SI NIC A Sep.,2002 第四纪黄土剖面多元古土壤 形成发育信息的揭示3 唐克丽 贺秀斌 (中国科学院、水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室, 陕西杨凌 712100) 摘 要 以时间尺度20万年以来的洛川黄土剖面为研究对象。采用间隔30～50cm 的密集采样,通过土样的物理、化学、矿物组成和孢粉分析及土壤微形态镜鉴的综合研究,对 第四纪生物气候环境演变提出了新的见解。对原以代表干冷环境沉积为主的黄土地层(L), 揭示了内伏半干旱环境的演化及相应的土壤发育过程;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[1～3]。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 3国家自然科学基金项目资助(编号49474039和19832060) 收稿日期:2000-08-01;收到修改稿日期:2001-10-15
黄土与环境 ２０世纪５０年代以来，环境问题日益受到国际上的重视，很多科学工作正向全球环境变化的方向发展。地球科学界与生命科学界共同组织了庞大的国际合作研究。中国科学家积极参与国际科学联合会组织的国际地圈与生物圈计划，即ＩＧＢＰ，又称全球变化研究，这项工作取得了显著成绩。 黄土高原的黄土研究 全球变化研究中的一个重要方面是研究过去、现在和未来的气候环境变化。有人曾形象地指出，新近时期古气候环境的历史是藏在大自然用密码写就的一本本秘笈当中的，世界各地的科学家们正在解释和读懂三本这样的秘笈：一本是深海沉积，一本是南极和格陵兰的冰盖，还有一本则是中国的黄土高原。黄土高原是具有全球意义的研究对象。 为什么人们如此重视黄土高原﹖ 首先，与极地和深海不同，黄土高原位于人类过去和正在居住的地球的陆地表面；另外，最近的研究还证实，它是迄今为止被发现的历时最长约２２００万年、最完整的古气候记录的保存者。 中国的土地上拥有这样的一本秘笈，而且已经被读懂了一部分，这令我们深感幸运。当然，还有很多更加引人入胜的故事等待我们去解释。这是一项严肃而又艰巨的任务，也是一次振奋人心的挑战。黄土高原秘密的不断发现，提示着地球科学一个新时期的到来，至少在亚洲大陆上是如此。 作为大自然打造的三个近代气候环境档案库之一，黄土高原的独特之处
在于，这里生活着上亿的人口，他们拥有百万年的历史；他们的生活和未来的发展需要科学；他们需要认识自己在自然界所处的位置，需要了解祖先和自身所经历的复杂的环境演化历史。 黄土高原是由黄土构成的。什么是黄土﹖形象地说，黄土就像人们常见的、发生在我们身边的沙尘暴的产物。２００２年３月１８日北京就出现过一次特大沙尘暴。近年来，人们对北方频繁发生的沙尘暴非常注意。国家业已投入大量资金治理由于不合理利用土地而产生的沙尘暴源地和影响地，以保障我国社会经济的可持续发展。 从沙尘暴的物质成分来看，它与黄土十分接近。黄土是一种风成沉积，主要由粒径为０．０１０．０５毫米的粉砂级颗粒组成，成分包括石英约占６０％、长石、云母等和少量重矿物，富含碳酸钙７％３０％。黄土多大孔隙、松软且具有湿陷性。 以近代沙尘暴作为黄土形成过程的参照来研究，黄土高原是一个巨大的天然实验室。黄土的发生和沉降记录表明，黄土高原是一个积累了至少２２００万年、基本连续的实验数据的实验室，一个可供重建２２００万年以来黄土高原及其周边地区环境演变历史的实验室，可提供这个地区未来发展的情景。 黄土高原这个天然实验室的内容是什么呢﹖是研究今天干旱化的环境及过去和未来的景象。黄土高原的风尘沉积黄土和古土壤可以直接指示其物质来源区的干旱化过程，风力搬运的动力学机制；沉积速率、粒度变化等气候指标还可以和其他两本秘笈中的章节相对应。它可以告诉我们黄土沉积的时空特征和规律，也就是它自己的历史，同时帮助我
对黄土-黄土古土壤的几点认识古土壤是指地质历史时期形成的土壤。其主要形成于第四纪时期，在第三纪地层中也有少量分布[1]。我国黄土主要形成于240万年以来，分布面积极广，西起甘肃祁连东端，东达太行山脉，南抵陕西秦岭，北到长城以北，总面积达63万平方公里，在黄河中上游形成了蔚为壮观的黄土高原地貌，该处黄土厚度较大，发育良好，地层完整，黄土中分布了结构连续、清晰可见古土壤。 黄土古土壤是黄土在气候温暖潮湿，地质构造相对稳定时期形成的风成堆积物，古土壤在堆积过程和堆积之后，始终受到内外地质及其生物作用，与外部环境产生了物质和能量的交换，其物理化学成分、结构力学特征均不同于黄土。例如，黄土古土壤中，其有机质和钙质含量有所提高[2]，而其渗透性有所降低，与黄土有明显不同。由于古土壤是在古气候环境下生成的，因此，早期对于古土壤的研究主要集中在重建古地理环境问题、第四纪地层划分问题上，例如杨明生、张虎才[3]等研究了洛川黄土剖面末次冰期间冰段弱古土壤分子化石及其古植被与古环境的问题，王永焱等根据地层解除关系、岩性以及考古资料，对第四纪地层进行了更加详细的划分。在国内外，对于黄土力学特征的研究较早，直到上世纪90年代以来，人们逐渐对黄土古土壤工程力学性质进行研究，但这些大都是基于不同年代沉积的黄土，刘祖典指出，黄土沉积历史越久，黄土抗剪强度越高。李保雄、苗天德指出，随着含水率增加，黄土c值ψ值呈现不同的变化规律。刘海松[4]、彦斌等[5]根据洛川黄土-古土壤剖面，研究黄土力学性质随底层深度变化规律时，黄土地层随深度有不同幅度的波动规律，这些现象都间接反映出黄土古土壤对黄土力学特征变异性影响。近年来，在地学方面，对黄土古土壤色度特征分析[6]、粒度特征分析[7]、矿物分析、磁化率分析以及化学元素研究较多，这些研究仍然以重塑古环境、古气候为主，但与工程相关的地质问题研究较少。下面，本人对古土壤相关地质问题的研究提几点自己的观点。 1.黄土古土壤是黄土中的不整合界面 朱显谟等[8]认为，黄土实际上是成壤作用不发育的黄色土壤，而黄土古土壤相对于黄土而言，其成壤作用更明显，这实际反映的是黄土堆积速率的快慢以
黄土-古土壤中有机组分的测定 Measurement of organic constituents in the loess-paleosol 化学与分子工程学院00级张智锋 摘要：利用气相色谱—质谱联用仪（GC/MS）分析灵台和渭南地区的黄土古土壤系列8个样品，测定可溶性有机成分中饱和烃和芳烃的组成，得出在两 地黄土古土壤中，正构烷烃碳数分布范围是：C 15～C 33 ，并且以C 18 和C 31 为主峰。 萜烷系列中，三环二萜烷碳数分布为 C 19～C 29 ，以C 21 或C 23 为主峰，而五环三萜 烷的碳数分布是C 27～C 33 ，以 C 30 为主峰.渭南地区的芳烃主要含萘系列，而灵台 地区的芳烃中主要含菲、蒽系列。 Abstract: The loess-paleosol in Lingtai and Weinan was analyzed by means of GC-MS to measure the constituent of saturated hydrocarbon and aromatic hydrocarbon in soluble organic constituents. The results show that the carbon atoms of normal alkane are C15～C33，in which C18 and C31 are dominant peaks in the loess-paleosol in the above districts.And about terpane,three-cyclo two-terpane ranger from C 19～C 29 ，maximizing at C 21 or C 23 .And five-cyclo three-terpane ranger from C 27～C 33 ，maximizing at C 30 .In Weinan aromatic hydrocarbon mainly contains naphthalene,and in Lingtai aromatic hydrocarbon mainly contains phenanthrene and anthracene. 关键词：黄土-古土壤，正构烷烃、三环二萜烷、五环三萜烷、芳烃、有机成分 一：导言： 中国黄土古土壤沉积记录了最近2.5Ma的东亚季风演化历史，其良好的时间序列可与深海沉积物、极地冰芯以及青藏高原所记录的气候变化进行对比。黄土在沉积过程中不仅仅是简单的物理埋藏过程，其成土作用过程中包含了丰富的埋藏时期古气候信息【1】。我这次选用渭南和灵台两个地区的黄土－古土壤进行研究。 植物样品中检出的可溶有机质，化学成分相当复杂，分子结构更是千差万别，现主要讨论常用的烷烃系列及部分芳香族化合物。 （一）：正构烷烃：烷烃以直链为主，异构烷烃含量较低。分布特征：植物 抽提物中正构烷烃的碳数范围主要为：C 15～C 33 。从分布特征来看，检测出的正构
文章编号:1009-6248(2011)02-0177-09 黄土高原黄土-古土壤序列古气候代用指标综述 杜青松 (中国地质大学地球科学与资源学院,北京100083) 摘要:黄土高原黄土-古土壤序列是古气候演化在陆相地层中的反映,已经成为认识第四纪地球气 候与环境变化的3个重要信息载体之一,可用来探讨东亚季风气候的形成演化和受控机制、气候突变 事件的记录乃至反演我国内陆干旱化历史。稳定同位素、磁化率和孢粉等气候代用指标的地球化学、物理学以及生物学分析为提取黄土-古土壤序列中蕴藏的古气候环境信息提供了新的途径。随着定量 重建古气候方法的不断引进,运用替代指标研究的结果的准确度和精度也在不断提高。 关键词:黄土-古土壤序列;古气候代用指标;对比分析;成壤强度;东亚季风演变 中图分类号:P532文献标识码:A 1引言 青藏高原的隆升、亚洲内陆荒漠的起源和季风气候的形成奠定了我国现代环境的基本格局。这三者的关系一直为全球气候演化研究人员所重视。全球气候变化及其对生态系统的影响,尤其是近年来气候异常在许多地区造成了一系列的自然灾害,给人类生存环境带来严重的不利影响。为了应对气候剧变,探索古气候变化的动力成因机制,并由此预测未来气候变化趋势变得极为迫切(丁旋,1998)。中国的黄土高原大约有7Ma的历史(H eller F et al1,1982),甚至更长(22M a)(Guo Z T et al1, 2002)。黄土-古土壤是季风气候下的产物,其中黄土层形成于冬季风相对强盛时期,期间气候干冷,粉尘堆积速率高,风化成壤较弱。古土壤则代表了夏季风相对强盛期,气候温暖湿润,风化成壤作用强,就形成褐红色的古土壤。因此黄土-古土壤序列记录了最近7Ma东亚冬季风占优势和夏季风占优势气候期相互交替的变迁历史。该风尘堆积序列随着青藏高原高度的不断增长,越来越多地显示黄土高原气候向干旱化方向发展(把多辉等,2005)。赵济(1995)针对全新世时期亚洲大陆的造山运动已基本停止这一情况,提出引起黄土高原环境演变具有全局性意义的自然因素首先是气候的波动。由于长尺度环境记录的相对缺乏,导致气候和构造事件发生时代的不确定性成为研究工作面临的突出问题(黄成敏等,2001)。但利用不同古气候代用指标的地球化学、物理学以及生物学等方面的对比分析无疑会有助于从黄土-古土壤序列中分离出全球性和区域性的气候变化信息。 2黄土高原黄土-古土壤中的古气候研究指标 211物理学指标 21111磁化率变化曲线 中国黄土剖面的磁化率变化曲线可以与深海洋同位素曲线进行较好的对比,进而揭示全球气候的中长期变化,还可以揭示百年至千年尺度的气候变化。因此,磁化率作为一种古气候替代性指标在黄 收稿日期:2010-10-21;修回日期:2011-03-11 作者简介:杜青松(1985-),男,硕士研究生,主要从事第四纪地质与环境演变研究。E-mail:1005368061@qq1co m
黄土与环境 一、为何研究黄土高原的黄土 全球变化研究中的一个重要方面是研究过去、现在和未来的气候环境变化。有人曾形象地指出，新近时期古气候环境的历史是藏在大自然用密码写就的一本本“秘笈”当中的，世界各地的科学家们正在解释和读懂三本这样的“秘笈”：一本是深海沉积，一本是南极和格陵兰的冰盖，还有一本则是中国的黄土高原。黄土高原是具有全球意义的研究对象。 为什么人们如此重视黄土高原？ 首先，与极地和深海不同，黄土高原位于人类过去和正在居住的地球的陆地表面；另外，最近的研究还证实，它是迄今为止被发现的历时最长（约2200万年）、最完整的古气候记录的保存者。 中国的土地上拥有这样一本“秘笈”，而且已经读懂了一部分，这令我们深感幸运。当然，还有很多更加引人入胜的故事等待我们去解译。这是一项严肃而又艰巨的任务，也是一次振奋人心的挑战。黄土高原秘密的不断发现，提示着地球科学一个新时期的到来，至少在亚洲大陆上是如此。 作为大自然打造的三个近代气候环境档案库之一，黄土高原的独特之处在于，这里生活着上亿的人口。他们拥有百万年的历史；他们的生活和未来的发展需要科学；他们需要认识自己在自然界所处的位
置，需要了解祖先和自身所经历的复杂的环境演化历史。 黄土高原是由黄土构成的。什么是黄土？形象地说，黄土就象人们常见的、发生在我们身边的“沙尘暴”。2002年3月18日北京就出现过一次特大沙尘暴。近年来，人们对北方发生的沙尘暴非常注意。国家也已投入大量资金治理由于不合理利用土地而产生的沙尘暴源 地和影响地，以保障我国社会经济的可持续发展。 从沙尘暴的物质成分来看，它与黄土十分接近。黄土是一种风成沉积，主要由粒径为0.01～0.05mm的粉砂级颗粒组成，成分包括石英（约占60%）、长石、云母等和少量重矿物，富含碳酸钙(7%～30%)。黄土多大孔隙、松软且具有湿陷性。 我国古代称沙尘暴类型的降尘为“雨土”，根据孙继敏和张明银的研究，自1966年到1999年，174个气象台站共记录了60次能见度在1公里以内、中等严重程度、持续2天以上的沙尘暴。最近40年来的降尘记录说明，中国黄土高原是亚洲风尘的一个沉降区，以兰州为中心，共发生过24次降尘。这与地质上黄土高原的黄土堆积以兰州为最厚是一致的。中国大陆降尘的次数和厚度都是以兰州为中心的。 以近代沙尘暴作为黄土形成过程的参照来研究，黄土高原是一个巨大的天然实验室。黄土的发生和沉降记录表明，黄土高原是一个积累了至少2200万年、基本连续的实验数据的实验室，一个可供重建2200万年以来黄土高原及其周边地区环境演变历史的实验室，可提供这个地区未来发展的情景(scenario)。
黄土与环境(一) ２０世纪５０年代以来，环境问题日益受到国际上的重视，很多科学工作正向全球环境变化的方向发展。地球科学界与生命科学界共同组织了庞大的国际合作研究。中国科学家积极参与国际科学联合会组织的“国际地圈与生物圈计划”，即ＩＧＢＰ，又称“全球变化研究”，这项工作取得了显著成绩。黄土高原的黄土研究全球变化研究中的一个重要方面是研究过去、现在和未来的气候环境变化。有人曾形象地指出，新近时期古气候环境的历史是藏在大自然用密码写就的一本本“秘笈”当中的，世界各地的科学家们正在解释和读懂三本这样的“秘笈”：一本是深海沉积，一本是南极和格陵兰的冰盖，还有一本则是中国的黄土高原。黄土高原是具有全球意义的研究对象。 为什么人们如此重视黄土高原？ 首先，与极地和深海不同，黄土高原位于人类过去和正在居住的地球的陆地表面；另外，最近的研究还证实，它是迄今为止被发现的历时最长约２２００万年、最完整的古气候记录的保存者。 中国的土地上拥有这样的一本“秘笈”，而且已经被读懂了一部分，这令我们深感幸运。当然，还有很多更加引人入胜的故事等待我们去解释。这是一项严肃而又艰巨的任务，也是一次振奋人心的挑战。黄土高原秘密的不断发现，提示着地球科学一个新时期的到来，至少在亚洲大陆上是如此。 作为大自然打造的三个近代气候环境档案库之一，黄土高原的独特之处在于，这里生活着上亿的人口，他们拥有百万年的历史；他们的生活和未来的发展需要科学；他们需要认识自己在自然界所处的位置，需要了解祖先和自身所经历的复杂的环境演化历史。 黄土高原是由黄土构成的。什么是黄土？形象地说，黄土就像人们常见的、发生在我们身边的“沙尘暴”的产物。２００２年３月１８日北京就出现过一次特大沙尘暴。近年来，人们对北方频繁发生的沙尘暴非常注意。国家业已投入大量资金治理由于不合理利用土地而产生的沙尘暴源地和影响地，以保障我国社会经济的可持续发展。 从沙尘暴的物质成分来看，它与黄土十分接近。黄土是一种风成沉积，主要由粒径为０．０１—０．０５毫米的粉砂级颗粒组成，成分包括石英约占６０％、长石、云母等和少量重矿物，富含碳酸钙７％—３０％。黄土多大孔隙、松软且具有湿陷性。 以近代沙尘暴作为黄土形成过程的参照来研究，黄土高原是一个巨大的天然实验室。黄土的发生和沉降记录表明，黄土高原是一个积累了至少２２００万年、基本连续的实验数据的实验室，一个可供重建２２００万年以来黄土高原及其周边地区环境演变历史的实验室，可提供这个地区未来发展的情景。 黄土高原这个天然实验室的内容是什么呢？是研究今天干旱化的环境及过去和未来的景象。黄土高原的风尘沉积黄土和古土壤可以直接指示其物质来源区的干旱化过程，风力搬运的动力学机制；沉积速率、粒度变化等气候指标还可以和其他两本“秘笈”中的章节相对应。它可以告诉我们黄土沉积的时空特征和规律，也就是它自己的“历史”，同时帮助我们解读其他两本“秘笈”。 黄土高原简介 黄土高原分布于北纬３４—４５度之间，总面积约３８０８４２平方公里，黄河贯穿其中。在同一纬度，欧洲和北美的黄土地带构成全球的小麦和玉米带，西方人称之为“面包篮子”。黄土高原占据了全国耕地面积的１／５，养活了全国１／５以上的人口。这里水土流失严重，每年通过黄河输出的泥沙为１６亿吨，是尼罗河的３０倍、密西西比河的９０倍。 在地貌学上，黄土高原可称为一个巨地貌单元。长期的侵蚀和切割形成了黄土高原特有的地形，最常见的为峁、墚和塬。 峁：多分布于黄土高原北部，为圆锥形丘陵，是一种发育在各种黄土堆积上的参丘；