王海燕，龐獎(jiǎng)勵(lì)，黃春長，周亞利，高鵬坤，王蕾彬

(陜西師范大學(xué)旅游與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710062)

陜西商丹盆地茶房村黃土-古土壤剖面的粒度組成特征及意義*

王海燕，龐獎(jiǎng)勵(lì)，黃春長，周亞利，高鵬坤，王蕾彬

(陜西師范大學(xué)旅游與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710062)

對(duì)商丹盆地茶房村剖面210個(gè)樣品進(jìn)行了野外調(diào)查及粒度實(shí)驗(yàn)分析。結(jié)果表明：丹江一級(jí)階地上的沉積物是55 000 a BP以來堆積的風(fēng)成黃土；粒度特征主要以粉砂和粘粒為主，二者總和為86.65%，其中粗粉砂為優(yōu)勢組分，在剖面中含量達(dá)46.81%；粘粒含量為23.94%；古土壤層的粒度組成較黃土層偏細(xì)，顯示了二者風(fēng)化成壤作用的差異，即古土壤層風(fēng)化程度強(qiáng)于黃土層；茶房村剖面粒度特征的變化反映了商丹盆地自55 000 a BP以來區(qū)域氣候的變化特征：55 000～11 500 a BP時(shí)期氣候寒冷干燥。全新世早期(11 500～8 500 a BP)，氣溫有升高，降水增加。全新世中期(8 500～3 100 a BP)，為大暖期，氣候溫暖濕潤。全新世晚期(3 100 a BP至今)，氣溫降低，降水減少。

黃土剖面；粒度特征；茶房村；商丹盆地

黃土-古土壤序列作為記錄環(huán)境變化的良好信息載體，一直是研究全球古氣候演變的重要對(duì)象[1-5]?？茖W(xué)家對(duì)黃土高原地區(qū)黃土-古土壤序列的研究取得了舉世矚目的成果[1,3,6-8]。秦嶺南側(cè)地區(qū)地處北亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，是氣候變化的敏感區(qū)域，該區(qū)也有黃土堆積，不同學(xué)者進(jìn)行了一定的研究并取得了一定的成果。龐獎(jiǎng)勵(lì)等揭示了漢江上游風(fēng)成黃土與東亞季風(fēng)演化之間的耦合關(guān)系[9]；文獻(xiàn)[10-11]對(duì)巫山黃土進(jìn)行了初步研究，認(rèn)為巫山黃土為典型的風(fēng)成成因；邵家驥、李徐生等對(duì)長江中下游地區(qū)的下蜀黃土進(jìn)行了分析，認(rèn)為鎮(zhèn)江下蜀黃土與北方黃土一樣同是大氣風(fēng)塵堆積物[12-13]。野外考察發(fā)現(xiàn)，在商丹盆地分布有較厚的黃土，雷祥義[14]、王社江[15]等認(rèn)為此地黃土與黃土高原黃土一樣都是大氣粉塵堆積物。但是對(duì)這些風(fēng)成黃土的研究仍十分有限[14-18]，目前尚有諸多問題不清晰。例如，該區(qū)域自末次冰期以來黃土-古土壤沉積的地層及年代序列如何？與渭河谷地以及相鄰的漢江上游谷地地區(qū)是否一致？北亞熱帶環(huán)境下風(fēng)成黃土的成壤改造特征及氣候演變?nèi)绾?？本文選取陜西省丹鳳縣茶房村(CFC下同)為研究對(duì)象，試圖闡述丹江流域黃土-古土壤序列的地層及年代序列，并揭示末次冰期以來商丹盆地風(fēng)成黃土的成壤改造特征及氣候演變信息。

1 研究區(qū)地理環(huán)境概況

商(州)-丹(鳳)盆地位于秦嶺南麓，呈北西-西向延伸的矩形狀，長約60 km，寬約5 km，丹江呈西北-東南向流經(jīng)盆地中部，河寬150～250 m，河道比降3‰，河道迂回曲折，形成一系列比較開闊的盆地。商丹盆地內(nèi)的丹江兩岸可見1-4級(jí)河流階地發(fā)育，其上沉積有厚度不同的風(fēng)成黃土，其中2-4級(jí)階地受到階地地形和沉積后環(huán)境的變遷以及地表流水侵蝕等作用的影響，階地面往往殘缺不全，黃土剖面殘缺不全，而1級(jí)階地地形寬緩，為黃土沉積物的堆積和保存提供了有利的地形條件。商丹盆地屬北亞熱帶與暖溫帶過渡性季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，年平均氣溫7.8～13.9 ℃,年均降水量710～930 mm，降水季節(jié)分配不均，主要集中在7-9月份。區(qū)內(nèi)植物茂盛，覆蓋率高達(dá)70%以上。

2 研究材料

本文選擇CFC剖面為研究對(duì)象。剖面位于陜西省丹鳳縣茶房村，丹江左岸的1級(jí)河流階地前沿(33°43′14.9″N，110°12′51.46″E，圖1)。丹江1級(jí)階地面地形比較平緩，地表水土流失微弱，有利于后期黃土沉積。CFC剖面為當(dāng)?shù)氐缆肥┕で写┮患?jí)階地后形成的天然斷面，黃土厚約為4～5 m，黃土底部直接覆蓋在河流相的礫石層上。詳細(xì)觀察，礫石層上覆的黃土沉積物中各層之間界限清晰。根據(jù)野外調(diào)查及結(jié)合室內(nèi)磁化率、粒度、元素等理化指標(biāo)對(duì)該剖面進(jìn)行了地層劃分，該黃土剖面地層由上到下依次劃分為MS-L0-S0-Lt-L1-AD(圖2)。

3 研究方法

自剖面頂部向下2 cm連續(xù)采樣，共采集210 個(gè)樣品，所有實(shí)驗(yàn)在陜西師范大學(xué)實(shí)驗(yàn)室完成。土壤顏色的描述采用《中國標(biāo)準(zhǔn)土壤色卡》[19]；粒度實(shí)驗(yàn)分為粒度前處理和粒度測定兩個(gè)步驟。室內(nèi)稱取適量自然風(fēng)干土樣放入500 mL燒杯中，先后加入10 mLφ=10%的H2O2和HCl并加熱用于去除有機(jī)質(zhì)和次生碳酸鹽類，注滿蒸餾水后靜置72h，最后加入5mL0.05mol/L的分散劑(NaPO3)6對(duì)余液進(jìn)行充分分散完成粒度的前處理過程。粒度測定采用美國Beckman公司生產(chǎn)的LS13320型激光粒度儀，每個(gè)樣品重復(fù)測量 3 次，遮光度控制在8%～12%之間，相對(duì)誤差小于4%。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

4.1CFC剖面的地層年齡

CFC剖面地層年代主要通過光釋光 (OSL)斷代方法來確定(OSL具體實(shí)驗(yàn)方法、過程及其結(jié)果[20]另有詳文討論)。課題組已對(duì)渭河谷地梁村剖面[21]以及漢江上游谷地前坊村剖面[22]進(jìn)行了地層年代研究，根據(jù)CFC剖面OSL實(shí)驗(yàn)結(jié)果并結(jié)合地層對(duì)比(圖3)，最終確定CFC剖面的地層年代為：馬蘭黃土(L1)的底界年齡不早于55 000aBP，頂界年齡為11 500aBP，古土壤(S0)的底界和頂界年齡分別為8 500aBP和3 100aBP。

圖1 商丹盆地茶房村黃土-古土壤剖面位置示意圖Fig.1 Location of Chafangcun loess-paleosol sequence in Shangdan basin

圖2 茶房村黃土-古土壤剖面地層序列圖Fig.2 Stratigraphic sequence of Chafangcun loess-paleosol strata in Shangdan basin

4.2CFC剖面的粒度特征

4.2.1 粒度組成特征 粒度分析結(jié)果顯示(圖4，表1)，CFC剖面粒度組成均以粉砂(5～50μm)為主，含量為56.03%～65.50%，平均含量為62.71%；其中粗粉砂(10～50μm)是眾數(shù)粒組，符合風(fēng)成黃土的特征。其含量為43.43%～49.87%，平均含量為46.81%，并且在整個(gè)剖面的含量變化為：L1>L0>Lt>S0>MS。

粘粒(<5μm)變化曲線與粗粉砂(10～50μm)含量呈相反趨勢，最高含量出現(xiàn)在古土壤層(S0)，波動(dòng)范圍為24.80%～34.00%，平均為29.36%，這反映該時(shí)期水熱條件優(yōu)越，有利于以鋁硅酸鹽礦物為主要成分的粗顆粒礦物分解成次生鋁硅酸鹽礦物(主要為黏土礦物)，馬蘭黃土(L1)的粘粒(<5μm)波動(dòng)范圍為14.50%～23.80%，平均為21.20%，而過渡層黃土(Lt，平均值為27.18%)和近代黃土(L0，平均值為24.21%)介于馬蘭黃土(L1)和古土壤(S0)之間，這暗示黃土堆積時(shí)期風(fēng)化作用微弱，不利于礦物的分解，從L1→S0→L0風(fēng)化成壤作用經(jīng)歷了由弱到強(qiáng)再減弱的過程。表土層(MS)的粘粒(<5μm)含量最低，波動(dòng)范圍為14.60%～21.34%，平均為17.74%，說明在整個(gè)剖面中，表土層(MS)中粘粒(<5μm)含量最低，而粗顆粒含量高，這可能與后期坡積物的混入有關(guān)，表土層(MS)受后期人類活動(dòng)的影響較大，故不作成壤強(qiáng)度的對(duì)比研究。

圖3 茶房村黃土-古土壤剖面地層年代Fig.3 Comparison of loess-paleosol sequences and their strata ages at Chafangcun in Shangdan basin

圖4 茶房村黃土-古土壤剖面粒度分布趨勢圖Fig.4 Grain-size distribution of Chafangcun loess-paleosol sequence in Shangdan basin

CFC剖面中極細(xì)砂(50～100μm)含量變化為5.28%～10.89%，平均含量為6.98%，其中古土壤(S0)中含量最少，馬蘭黃土(L1)中含量最高，與粘粒(<5μm)變化呈相反的趨勢。砂粒(>100μm)含量為2.14%～15.34%，平均含量為6.38%，含量在黃土層相對(duì)較多，古土壤中最少，僅為2.14%。

粘粒/粉砂比值的變化趨勢與粘粒(<5μm)含量變化呈正相關(guān)關(guān)系，古土壤(S0) 粘粒/粉砂比值最大，波動(dòng)范圍為0.38～0.56，均值為0.46；而黃土L1、L0、Lt的粘粒/粉砂的平均值分別為0.33、0.38和0.42。粘粒/粉砂的比值進(jìn)一步證實(shí)了古土壤形成時(shí)期粘粒含量增多，顆粒趨向于變細(xì)，這也正是古土壤形成時(shí)期氣候暖濕，次生黏化作用強(qiáng)烈的結(jié)果。而黃土中粉砂含量增加，這正是黃土堆積時(shí)期氣候干冷，黃土受后期改造作用微弱的表現(xiàn)。

比較典型馬蘭黃土(L1)與古土壤(S0)的粒度組成，發(fā)現(xiàn)二者粒度組成十分相似，表現(xiàn)二者均以粉砂(5～50μm)含量為主，且粉砂中粗粉砂(10～50μm)為優(yōu)勢粒組，含量大于40%，粘粒(<5μm)含量次之，而砂粒(>100μm)含量最低。這一粒度組成的共性反映了古土壤(S0)的粒度整體上繼承了黃土(L1)的基本特征，應(yīng)該是黃土風(fēng)化的產(chǎn)物。

4.2.2 粒度參數(shù)CFC剖面不同的地層的粒度參數(shù)有明顯的變化(表2)，由于表土層受后期人為活動(dòng)影響較大，在此我們不做深入分析。CFC剖面中值粒徑(Md)范圍在6.77～26.27 μm之間，均在粉砂范圍內(nèi)，屬于黃土的眾數(shù)粒組，其中古土壤S0中值粒徑最低，為11.68 μm，黃土Lt、L0、L1的均值分別為12.37,14.95和15.83 μm，均高于古土壤(S0)，說明從L1→Lt→S0→L0顆粒經(jīng)歷了由粗到細(xì)再到粗的變化。平均粒徑(Mz)在各層的排序?yàn)椋篖1(22.16 μm)>L0(20.15 μm) >Lt(16.99 μm)> S0(16.52 μm)。Md和Mz的變化特征顯示黃土層比古土壤層要粗。標(biāo)準(zhǔn)偏差(σ)在1.89～1.99之間變化，總體均值為1.98。分選系數(shù)(S)在1.23～1.32間變化，分選較好，說明丹江上游黃土的粒度集中趨勢較好。偏度(SK)在各層之間變化不大，總體平均為0.18，為正偏。峰態(tài)(Kg)在0.99～1.15變化，平均值為1.07，峰態(tài)中等，黃土層要大于古土壤層。CFC剖面Kd值的變化在1.57～2.37之間，古土壤層(S0)明顯小于黃土層，進(jìn)一步證實(shí)了該區(qū)古土壤層(S0)中粘粒含量的增加。

4.2.3 粒度分布曲線 粒度頻率分布曲線可直觀反映沉積物的眾數(shù)粒徑、粗細(xì)顆粒的比例及各粒級(jí)的含量特征，其粒徑范圍、峰的形態(tài)在一定程度上可以反映出沉積物的沉積動(dòng)力[23-24]。在CFC剖面的頻率曲線中(圖5a)中，古土壤層(S0)與黃土層(L0/Lt/L1)的曲線吻合性很高，粒徑集中分布在粉砂范圍內(nèi)，屬眾數(shù)粒組，峰值粒徑均出現(xiàn)在20～40 μm之間，分布曲線呈現(xiàn)單峰正偏態(tài)，尾部偏長有突出，指示出該地區(qū)有近源粗顆粒的混入。整體上與北方黃土粒度分布曲線相似，指示該地區(qū)與北方黃土沉積動(dòng)力同為風(fēng)成。但各個(gè)層又由于沉積環(huán)境等因素的不同各層分布曲線稍有差異。表土層(MS)分布曲線偏右，說明其粗顆粒含量較多，這可能有后期粗顆粒物質(zhì)的混入?？傮w來說，黃土層(L0/Lt/L1)的顆粒粒級(jí)較古土壤(S0)總體偏粗，指示在黃土層堆積時(shí)期風(fēng)力搬運(yùn)強(qiáng)度高于古土壤。古土壤層(S0)的曲線比黃土層(L0/Lt/L1)左移，粗顆粒含量明顯下降表明古土壤形成時(shí)期風(fēng)動(dòng)力減小，粘粒含量明顯增多指示古土壤形成時(shí)期,氣候溫暖濕潤，降水較多，該時(shí)期經(jīng)歷了強(qiáng)烈的風(fēng)化成壤作用。粒度自然分布曲線與粒度分布趨勢圖所反映的粒度特征相一致。

表2 茶房村黃土-古土壤剖面粒度參數(shù)表Table 2 Grain-size parameter of Chafangcun loess-paleosol sequence in Shangdan basin

圖5b顯示的是CFC剖面粒度累積分布曲線，CFC黃土層(L0/Lt/L1)和古土壤(S0)的粒度累積分布曲線均呈現(xiàn)“S”型，且古土壤比黃土層曲線偏左，說明在小顆粒部分，古土壤的累積含量明顯增加，進(jìn)一步反映了古土壤形成時(shí)期粘粒含量增加。古土壤層(S0)的斜率最大，反映出古土壤粒徑偏細(xì)且分選程度最好，馬蘭黃土層(L1)的粒度累積分布曲線的斜率較古土壤層小，說明該層的顆粒偏粗，分選性較古土壤層偏差。表土層 (MS)的粒度累積分布曲線的斜率最小，說明其分選性最差，與后期人類活動(dòng)密切相關(guān)。

粒度三角圖可以對(duì)比沉積物的粒度分布特征[23]，如圖6顯示，CFC剖面粒度變化在很小的范圍內(nèi)，粉砂含量相當(dāng)，同分布在粉質(zhì)粘土亞粘土區(qū)域，基本屬于同一質(zhì)地。但是黃土層(L0/Lt/L1)和古土壤(S0)又不完全在相同的位置，CFC剖面古土壤(S0)比黃土層(L0/Lt/L1)粘粒含量明顯增多，砂粒含量減少，進(jìn)一步證實(shí)古土壤層比馬蘭黃土顆粒明顯偏細(xì)，正是古土壤層形成時(shí)期風(fēng)化成壤作用較強(qiáng)的結(jié)果。表土層(MS)較其他各層粗顆粒含量多。

圖5 商丹盆地茶房村黃土-古土壤剖面各地層自然頻率分布曲線(a)和累積分布曲線(b)Fig.5 Grain-size distribution and accumulative frequency curves of Chafangcun loess-paleosol sequence in Shangdan basin

圖6 商丹盆地茶房村黃土-古土壤剖面粒度三角圖Fig.6 Triangle diagram for grain-size composition of Chafangcun loess-paleosol sequence in Shangdan basin

4.3 粒度變化與氣候演變

沉積物粒度變化特征常被作為東亞冬季風(fēng)演變的重要替代指標(biāo)，還可以反映沉積后期成壤環(huán)境特征[25-28]。CFC剖面粒度的上述變化分析無疑可靠的記錄了丹江流域晚更新世以來的氣候變化。

晚更新世時(shí)期(55 000～11 500 a BP)，該時(shí)期形成了馬蘭黃土(L1)。馬蘭黃土(L1)以濁黃橙色和疏松為特征，其以粉砂為主，顆粒較粗，粘粒含量低，平均值為21.20%；磁化率值(145.2×10-8m3/kg)[29]、Rb/Sr值(0.89)在該層也表現(xiàn)出低值，進(jìn)一步佐證了馬蘭黃土(L1)堆積時(shí)期，風(fēng)化成壤作用較弱，冬季風(fēng)搬運(yùn)能力極強(qiáng)，風(fēng)塵物質(zhì)主要以堆積作用為主，指示了該時(shí)期氣候寒冷干燥。全新世早期(11 500～8 500 a BP)，這一時(shí)期形成了過渡黃土(Lt),與馬蘭黃土(L1)相比，此粘粒和細(xì)粉砂含量明顯上升，砂粒組分降低，平均粒徑降低，土壤顆粒整體上趨于細(xì)小，磁化率值(220.2×10-8m3/kg)[29]與Rb/Sr值(1.03)較馬蘭黃土層有所增加，說明在過渡黃土(Lt)形成時(shí)期，風(fēng)塵堆積速率減弱，有一定程度的風(fēng)化成壤作用，該時(shí)期冬季風(fēng)逐漸減弱，氣溫較馬蘭黃土(L1)形成時(shí)期趨暖，降水有所增加。全新世中期(8 500～3 100 a BP)，此時(shí)期發(fā)育成強(qiáng)烈的古土壤(S0)，此時(shí)黃土顏色呈濁紅棕色，與過渡黃土(Lt)相比裂隙面有較多的粘土膠膜，粘粒含量迅速上升且處于整個(gè)剖面的最高值，粘粉比值達(dá)到0.46，顆粒平均粒徑僅為16.52 μm，而砂粒含量在剖面中含量最少，這些特征反映出S0顆粒明顯偏細(xì)，磁化率值(280.0×10-8m3/kg)[29]、Rb/Sr值(1.16)在該層達(dá)到整個(gè)剖面的最高值，反映其發(fā)育時(shí)期風(fēng)化成壤作用強(qiáng)烈，指示該時(shí)期夏季風(fēng)強(qiáng)盛，冬季風(fēng)強(qiáng)度減弱，為全新世大暖期，氣溫升高，降水明顯增多，氣候適宜，生物繁茂。全新世晚期(3 100 a BP至今)，與下層的古土壤(S0)相比，顏色變淺，粘粒含量減少，平均值為17.74%，粗粒含量增加，平均粒徑增加，顯示此時(shí)的黃土顆粒整體變粗，磁化率值(181.1×10-8m3/kg)[29]與Rb/Sr值(0.87)較古土壤層有所增加，表明在經(jīng)歷了全新世大暖期后，風(fēng)化成壤作用減弱，沙塵繼續(xù)開始堆積，主導(dǎo)風(fēng)向由暖濕的夏季風(fēng)逐漸轉(zhuǎn)向寒冷的西北冬季風(fēng)，氣溫降低，降水減少，氣候轉(zhuǎn)涼。

5 結(jié) 論

1) 丹江一級(jí)階地上的沉積物是55 000 a BP以來堆積的風(fēng)成黃土，其具有MS-L0-S0-Lt-L1-AD的地層序列，其中剖面底界年齡為55 000 a BP，古土壤(S0)的底界和頂界年齡分別為8 500 a BP和3 100 a BP。

2) CFC剖面的粒度組成以粉砂和粘粒為主，屬于風(fēng)成成因，二者總和為86.65%，其中粗粉砂為優(yōu)勢粒組，平均含量達(dá)到46.81%，粘粒含量為23.94%；黃土與古土壤具有相似的粒度特征，粒度自然分布曲線呈現(xiàn)單峰正偏態(tài)，在粒度三角圖中均落在相同的區(qū)域。但是古土壤粘粒含量高于黃土層，顆粒平均粒徑較小，粘粉比值最大。

3) 商丹盆地氣候的變化特征為：55 000～11 500 a BP時(shí)期，冬季風(fēng)強(qiáng)盛，氣候寒冷干燥；全新世早期(115 000～8 500 a BP)，氣溫趨于變暖，降水有所增加；全新世中期(8 500～3 100 a BP)，夏季風(fēng)強(qiáng)盛，氣候溫暖濕潤；全新世晚期(3 100 a BP至今)，氣溫下降，降水減少。

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Grain-size composition of Chafangcun loess-paleosol sequence in Shangdan Basin,Shanxi and their significance

WANGHaiyan,PANGJiangli,HUANGChunchang,ZHOUYali,GAOPengkun,WANGLeibin

(College of Tourism and Environment, Shaanxi Normal University, Xi’an 710062, China)

Loess-paleosol sequences have been applied to retrieve palaeoenvironment change in the study of the paleoclimatic evolution. Chafangcun (CFC) at Shangdan basin, Shaanxi provides such a loess-paleosol profile. At this profile, loess sequence’s color and structure were investigated, and 210 samples were systematically collected for grain-size analysis. The results showed that: ① Chafangcun loess-paleosol sequence in the first river terrace with typical atmospheric dust sediment along the Danjiang River, has formed since 55 000 a BP. ② This loess sequence is mainly composed of silt (5～50 μm) and clay (<5 μm), with an average proportion of 86.65%. The coarse silt of 10～50 μm in size is dominant composition in CFC profile, accounting for 46.81% on average, and clay (<5 μm in size) accounts for 23.94% in total composition. The sequence’s grain-size composition varies from bottom to top stratigraphic unit, and the paleosol is smaller in grain size than that of their loess stratum. These properties reflect that the weathering intensity in paleosol is stronger than in loess. ③ The grain-size characteristics in the Shangdan Basin reveal that the palaeo-climate changed successively in the following four stages: a cold and dry climate during the last glacial (55 000～11 500 a BP), a climate from dry & cold to warm & humid during the early Holocene (11 500～8 500 a BP), a warm and humid climate during the middle Holocene (8 500～3 100 a BP), and the lower temperature and reduced precipitation climate during the late Holocene (3 100～0 a BP).

loess-paleosol; grain-size characteristics; Chafangcun; Shangdan basin

2016-03-01 基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金(41271108；41471071；41371029)

王海燕(1989年生)，女；研究方向：資源開發(fā)與環(huán)境演變；E-mail: 835437425@qq.com

龐獎(jiǎng)勵(lì)(1963年生)，男；研究方向:資源開發(fā)與環(huán)境演變；E-mail：jlpang@snnu.edu.cn

10.13471/j.cnki.acta.snus.2017.02.020

P532

A

0529-6579(2017)02-0131-09