陕西榆林风沙滩区全新世气候和环境变迁

陈淑娥,樊双虎,刘秀花,董汉文,陆 璐,王莉丽

(长安大学地球科学与资源学院,陕西西安710054)

0 引言

榆林地区矿产资源丰富,集煤、油、气、盐四大资源于一地,现已成为中国重要的能源化工基地。该区地处毛乌素沙漠南缘与陕北黄土高原丘陵沟壑区接壤地带,降水稀少,大部分为沙地所覆盖,自然生态环境比较脆弱,对气候环境变化及人类活动的响应敏感,任何不合理的人类活动,都将通过与自然过程的耦合作用而被逐级放大。因此,如何协调好资源与环境保护之间的关系,已成为一个不容忽视的问题。

地处该区的统万城建成于公元419年,距今已有近1 600 a的历史,曾是大夏国都城,后来被黄沙吞没[1-2]。那么在榆林这样一个生态环境脆弱区进行资源开发,会不会重蹈统万城的覆辙?该区的自然环境如何变迁?弄清这些问题对于正确处理人与自然的关系,对于该区的环境保护与生态建设具有极其重要的意义。

全新世是人类文明迅速发展的时期,气候波动变化[3-9],其气候、环境的变迁与人类文明和进步密切联系,这些已引起愈来愈多学者的兴趣和重视[10-16]。由于该区特殊的地理位置,其沉积物敏感地记录了区域及全球的气候、环境变化信息,所以,开展全新世的气候和环境变化研究,对于阐明最近10 000 a来季风气候变化和人类活动影响问题具有重要意义。笔者试图从陕西榆林风沙滩地沉积物的磁化率和粒度分析结果来探讨该区全新世气候和环境的变迁及人地关系演变,为陕北能源化工基地规划建设以及政府科学决策提供环境保护的依据。

1 剖面选择及研究方法

研究剖面选择在榆林大保当镇野鸡河村,榆林至神木公路约50 km处的沙滩地(38°38′51.3″N, 110°1′34.5″E),海拔1 280 m(图1)。剖面为一开挖的断面,采样厚度305 cm,共采综合分析样品48件,并在130、170、280 cm处采释光测年样品。剖面描述见表1。

本研究的磁化率在陕西师范大学旅游与环境学院实验室用MS-2B磁化率仪(Bartington公司生产)测定。将自然风干土样在玛瑙研钵磨碎(以不损伤自然颗粒为度),而后称取10 g装入特制的样品盒进行高频和低频磁性测量,重复测量3次,取其平均值为最后结果。

图1 研究区域地理位置Fig.1 G eographic Setting of the Studied Area

表1 陕西榆林大保当全新世剖面描述Tab.1 Description of the Holocene Profile in Dabaodang Site of Yulin,Shaanxi Province

粒度分析送中国科学院地球环境研究所测试,用Mastersizer-S型激光粒度仪测量,仪器的测量范围为0.02～2 000μm。粒度测量前,对样品进行了较为彻底的前处理,以除去样品中有机质、成壤作用过程中产生的碳酸盐和次生黏土矿物等,然后用超声波清洗仪振荡加以分散。

释光测年样品送中国科学院地球环境研究所测试,130、170、280 cm深度的释光年代分别为(3 400±50)a BP、(4 500±120)a BP和(11 600± 260)a BP。

2 粒度参数及磁化率变化特征

沉积物粒度的变化受搬运介质、搬运方式、沉积环境和气候等因素控制[17],所以,沉积物的粒度参数是反映沉积物来源和沉积环境的重要指标。野外对剖面沉积物的宏观形态特征观测描述在粒度曲线上得到了印证[18-20]。研究剖面以风成沙沉积为主,风成交错层理发育。近11 500 a以来,粒度小于5μm的黏土质量分数为3%～8.2%,5～63μm的粉沙质量分数为 6%～24.6%,63～125μm的极细沙质量分数为7.5%～21.1%;125～250μm的细沙质量分数为25.1%～40.5%,250～500μm的中沙质量分数为16.9%～41.9%,大于500μm的粗沙质量分数为1.5%～17.3%,没有大于1 000μm的极粗沙。说明该区全新世以来,以极细沙—中沙、粗沙为主。

各粒度参数的计算表明(图2～6),众数粒径(峰)分布范围为150～350μm,中值粒径分布范围为114～290μm,平均粒径分布范围为147～310μm;标准偏差为1.4～2.2Φ,大部分为1.4～1.6Φ,分选中等;偏度为0.3～0.5,显示为正偏;峰态为1.1～2.0,表明峰态为窄峰,说明风力作用过程较久,风成沙子成熟度较高。标准偏差与偏度呈正相关关系,而与峰态呈反相关(图2),相关系数分别为0.36和-0.91。

从图3中可以看出,粒度分布范围一般为0.5～ 893.4μm,粒度总体分布为正偏态非对称分布。粒度频率曲线表现为双峰态,主次组分含量相差悬殊,主组分特别粗,而次组分含量非常少,也较细。主组分的众数粒径(峰)一般为150～350μm的细沙—中沙粒级,分布曲线以众数粒度为轴对称或略有粗偏态,分选较好,质量分数为4%～7.5%,已有研究表明此组分是近地表的跃移组分[21];次组分的频率曲线为一个平缓低矮的尾端,众数粒径一般为5～15μm,分选差,质量分数小于1%,为大气中的悬移组分。粒度频率曲线与毛乌素沙地的现代风成沙[21]、古风沙[22]和榆林沙质黄土[23]的曲线特征一致。

图2 陕西榆林大保当剖面沉积物粒度参数相关关系Fig.2 Correlativity of Particle-size Parameters in Dabaodang Profile of Yulin,Shaanxi Province

图3 陕西榆林大保当剖面沉积物粒度频率曲线Fig.3 Particle-size Frequency Curves in Dabaodang Profile of Yulin,Shaanxi Province

图4 陕西榆林大保当剖面沉积物粒度累积曲线Fig.4 Particle-size Cumulative Curves in Dabaodang Profile of Yulin,Shaanxi Province

图5 陕西榆林大保当地层剖面和粒度参数曲线Fig.5 Pedostratigraphic Subdivisions and Changes of Particle-size Parameters in Dabaodang Profile of Yulin,Shaanxi Province

图6 陕西榆林大保当剖面磁化率和粒度变化曲线Fig.6 Magnetic Susceptibility and Particle-size Distributions in Dabaodang Profile of Yulin,Shaanxi Province

样品的粒度累积曲线的主体由2个线段组成(图4),他们分别对应于频率曲线上的2个组分,每个线段的长度与组分的粒度范围有关,它的斜率则取决于组分的峰度,即分选程度(图5)。其中,80%～90%以跃移组分为主,斜率大,分选相对较好;细粒段反映悬移组分,分选相对较差,质量分数一般不超过20%。

磁化率是一种能较好地反映气候变化的代用指标,既能反映土壤成壤强度,又能反映夏季风强度,在黄土区得到了广泛应用[11,24-27],但在沙漠区的应用尚不多。研究剖面全新世的磁化率为(14.0～52.6)×10-8cm3/kg(图6),明显比全新世黄土中的磁化率低,而且0～170 cm的磁化率明显比下部170～305 cm的磁化率低。这可能与风成沙是由石英颗粒组成有关,它是低磁性甚至是无磁性矿物,磁化率值自然很低;而下部的沙质古土壤层的磁化率值比上部风成沙层要高,主要因为在成壤过程中,由于淋溶与成壤作用,促成了铁磁性颗粒的富集,因而具有相对很高的磁化率。从图6可以看出,磁化率与黏粒、粉沙曲线具有很好的一致性。

3 全新世气候和环境的变迁

沙漠—黄土过渡带风成沉积中沙粒质量分数变化可作为指示沙漠进退的一个代用指标[28]。研究剖面的沙粒,特别是中、粗沙含量增加,说明气候干旱,风沙作用强烈,沙漠扩张。在非极端干旱的沙地堆积区,风成沙丘或风成沙—黄土堆积序列的沉积相变化往往是气候变化的指示[29]。从图5、6可以看出,剖面260～280 cm深度磁化率、黏粒和粉沙含量逐渐增高,中值粒径和平均粒径值减小,代表新仙女木事件(Younger Dryas)之后,全新世早期(11 500～10 000 a BP)的全球气候逐渐转暖;在10 000～4 500 a BP黏土—粉沙的含量明显比上部多,磁化率也较高,地层中有较多的白色钙质菌丝,虫孔、根孔发育,与黄土中的古土壤特点类似[8,11,27]。表明全新世中期气候湿润,植被覆盖度增大,风沙活动减弱,在沙丘沉积中发育沙质弱古土壤。

2005年陕北吴堡县一带发现了6处4 500年前的大型史前人类聚落遗址,出现中国最大的龙山文化陶窑。2009年3月,榆林市第三次中国文物普查第二队在绥德县赵家砭乡发现一处新石器时代(龙山文化)石城遗址。石城地表散落大量陶片,以灰陶为主,也系龙山文化类型的遗物。所以,笔者研究剖面190～200 cm深度采到的灰色陶片,应属龙山文化早期的产物。

全新世中期的4 500～3 000 a BP期间,磁化率、黏土、粉沙和极细沙明显比上部高,说明气候以温和湿润为主。但在4 200～4 000 a BP,中、粗沙表现为明显的峰值,磁化率也降低,表明气候干旱,风沙活动强烈,粗颗粒成分突然增大,说明沙地扩张。全新世中期的这次气候干旱期间,中国不同地区的降雨有明显异常表现,南北方降水普遍减少[30-36],在渭河流域S0古土壤中出现黄土夹层[8,37-38],同时期热带非洲、南欧、中东、印度、韩国、北美洲中部大陆的高分辨率古气候记录一致表明,此次气候事件造成了整个北半球中低纬度地区的干旱[12,39-42]。

近3 000 a以来,磁化率、黏粒、粉沙和极细沙明显比下部低,中值粒径和平均粒径高,粒度的标准偏差降低,分选性变好,说明近3 000 a来,气候变干旱,风沙作用强烈,地表沉积物显著变粗。在剖面中出现5个中、粗沙含量增加的峰值,分别在0、20、50、70、100 cm处,粒度大于250μm的中、粗沙质量分数分别达到 46.4%、53.6%、47.7%、54.7%、58.2%。表明近3 000 a来,气候波动频繁,有5次沙漠的扩张,时间分别为2 600 a BP、1 800 a BP、1 300 a BP、500 a BP和现代。渭河流域黄土剖面中也表现为从大约3 100 a BP开始季风格局发生变化,气候向着干旱化发展,全新世的成壤期被黄土堆积期所取代;气候干旱化和水土生物资源退化,造成河水断流、沙尘暴频繁发生、草原游牧民族南侵、严重饥荒、社会动荡和商周之际朝代更替[43]。但近3 000 a的气候频繁波动在黄土记录中表现不明显,可能与黄土堆积速率相对慢、黄土高原的全新世地层受人类活动影响较大有关。

1 800 a BP和1 300 a BP的干旱化气候在古里雅冰芯[44-45]、五大湖附近的沼泽沉积[46]中也有记录。其中,剖面30～40 cm深度附近细沙质量分数增加,高达56.2%,粉沙、黏土也明显增加,磁化率增加,为24.1×10-8cm3/kg。说明在700～1 000 a BP左右,东南季风强盛,气候较为温暖潮湿。这是距今较近的一个几百年尺度的显著暖期,欧洲称中世纪暖期[47],在中国则表现为隋唐暖期[48-50]。榆林北部的金鸡滩、刀兔海子在隋唐时期均为大湖,其后日渐萎缩,金鸡滩在宋以后涸竭[51]。关中渭河流域与泾河流域,唐代中期气候湿润,降水丰富,大洪水灾害与特大洪水灾害发生很频繁[52]。

在剖面20 cm深度附近,粗沙呈明显增加趋势,磁化率呈减少趋势,这说明近500年来降水量减少,气候变干旱,与明清小冰期[48,53]的时间相一致。那时北半球中纬度地区年平均气温的30 a平均值,约比20世纪中、后期的暖期低1.0℃左右,北半球高纬度及南极地区可能低1.5～2.0℃。在中国明清时代的小冰期曾引起大范围的饥馑和严重的社会动乱,引发朝代的更替[54]。历史上榆林一直处于农耕民族与游牧民族势力进退消长的过程[55]。魏晋南北朝、元朝和明清时期,游牧民族的南下与当时气候的冷干有关。而在唐宋时期,气候温暖湿润,陕北农业经济规模扩大,北方游牧民族的南进处于间歇期。

在剖面10 cm深度细沙、黏土含量增加呈峰值;近地表则刚好相反,这说明近200 a来气候湿润,近代气候又处于干旱期。陕北地区近530 a来历史旱涝及气温变化显示,15世纪末至17世纪初陕北地区处于一个干旱阶段;17世纪中期至18世纪中期处于雨涝阶段;19世纪初至今又处于干旱阶段[56];与研究剖面的粒度和磁化率反应的气候变化基本一致。

由此可见,该区气候的变化,不仅具有鲜明的区域性特征,同时也具有全球的一致性。从本研究亦可看出,榆林北部在2 000 a前就是沙漠环境,与统万城遗址考古发现[2,57]一致。其环境的恶化是自然和人为因素共同作用的结果。明清时期,特别是晚清时期,在干冷的气候背景和人类活动加剧的共同影响下,人类的破坏成为陕北生态植被恶化的主导因素。

4 结语

榆林大堡当全新世地层剖面的粒度、磁化率呈现波动变化,反映了全新世气候的冷暖干湿波动变化。全新世早期(11 500～10 000 a BP)随着全球气候逐渐转暖,剖面中磁化率、黏粒和粉沙含量逐渐增高;全新世中期(10 000～4 500 a BP),气候湿润,植被覆盖度增大,风沙活动减弱,在沙丘沉积中发育沙质弱古土壤。全新世中期后段(4 500～3 000 a BP)期间,气候以温和湿润为主,但在(4 200～4 000 a BP)出现一个气候干旱事件,风沙活动强烈。近3 000 a以来,榆林地区气候波动频繁,出现5次沙漠扩张。

榆林风沙滩地磁化率和粒度参数的变化特征,充分说明榆林地区全新世气候和环境以自然环境的演变为主,人类活动的不合理干预自然环境,导致该地生态生态环境的迅速恶化,尤其是近代人为因素对环境的影响起着重要作用,证明人与环境和谐是一个不容违背的自然法则。对当今榆林能源重化工基地建设过程中可能出现的乱采乱伐、过度开采、破坏植被、空气污染、污染地下水资源,以及浪费造成的地下水短缺等问题,要有足够的认识和防范,必要时还应以地方立法加以规范,正确处理经济发展与生态环境保护的辨证关系,实现自然资源开发与自然环境保护相协调。

成文中得到陕西师范大学黄春长教授的细心审阅,并提出了宝贵的修改意见;陕西师范大学旅游与环境学院在磁化率测量中给予很大支持,中国科学院地球环境研究所在粒度分析和释光测年方面给予很大帮助,在此一并致谢。

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