汉江上游晏家棚段二级阶地风成黄土成壤特征及气候变化

羊俊敏　周亚利　庞奖励　黄春长　崔颖颖　闫雪娇

摘要：为完善汉江上游更新世风成黄土成壤特征和气候变化资料，本研究以汉江上游晏家棚段二级阶地黄土-古土壤剖面为材料，进行粒度、磁化率和Rb/Sr的测定及对比分析。结果表明：晏家棚剖面自下而上呈现出更新世黄土（L2）-过渡性黄土（Lt）-古土壤（S1）的地層序列，剖面中古土壤（S1）的黏粒、磁化率（χlf）和Rb/Sr值均高于黄土层（Lt、L2），平均粒径（Mz）则低于黄土层，反映了古土壤（S1）风化成壤强度明显高于黄土层的特征。风化成壤特征的变化则进一步指示了古土壤形成时期受东亚夏季风影响，较温暖湿润;黄土形成时期，东亚冬季风增强，转为寒冷干旱的气候特点。

关键词：汉江上游;黄土;古土壤;成壤作用;气候变化

中图分类号：S151+.23文献标识号：A文章编号：1001-4942（2020）05-0064-07

Abstract In order to reveal the pedogenic characteristics of aeolian loess and climate change in the Pleistocene in upper reaches of the Hanjiang River， the loess-paleosol profile of Yanjiapeng in the upper reaches of Hanjiang River was used as the research object， and the measurement and analysis of particle size， magnetic susceptibility and Rb/Sr were developed. The Yanjiapeng section shows a stratigraphic sequence of Pleistocene loess （L2） -transition loess （Lt）-paleosol （S1） from bottom to top. The clay particle， magnetic susceptibility and Rb/Sr value of the paleosol in the profile are higher than those in the loess layer， but the average particle size （Mz） is the opposite. It is suggested that the weathering pedogenic intensity of S1 is significantly higher than that of Lt and L2. The weathering pedogenic intensity of YJP profile indicated the influence of climate change in the Pleistocene. The paleosol layer in the upper Hanjiang River was mainly affected by summer monsoon with a warm and humid climate， and during the period of loess accumulation， the East Asian winter monsoon was strengthened， so the climate turned cold and arid.

Keywords Upper reaches of Hanjiang River; Loess; Palaeosol; Pedogenesis; Climate change

第四纪黄土-古土壤序列是古环境信息的良好记录者，能反映自堆积以来的风化成壤特征及环境演变过程[1]。近年，基于快速发展的高分辨率测年手段[2-4]和磁化率、地球化学元素、粒度等多种气候替代性指标[5-8]的研究，黄土高原不同时间尺度的成壤强度变化特征、气候演变、元素迁移富集等问题得以解决。但除黄土高原以外，位于南北过渡带的秦岭地区，受构造运动和气候变化影响而发育的多级河流阶地上也广泛覆堆积风成黄土[9]。尽管秦岭与黄土高原风成沉积基础相似，但成壤强弱及气候变化具有强烈的区域性特征[10]。

汉江上游穿行于秦岭之中，其河流阶地上堆积的风成黄土为区域成壤作用和气候演化研究提供了良好材料。通过对汉江上游一级阶地和三级阶地风成黄土的粒度、磁化率、风化残蚀指数（CIA）等气候指标研究，已分别揭示了末次冰期（25 ka）以来和中更新世早期（810～760 ka）汉江上游的风成黄土成壤强度及气候演变规律[10-13];但对于中更新世-晚更新世期间形成的黄土-古土壤成壤特征及其揭示的气候演变规律尚缺乏研究，基于此，本研究拟通过对汉江上游二级阶地晏家棚剖面的分析，揭示中更新世-晚更新世的风成黄土成壤特征及气候变化，进一步完善汉江上游的环境变化资料，为区域生态建设等方面提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究材料

汉江起源于陕西省宁强潘冢山，是长江第一大支流，由西向东流经陕西、湖北两省，在武汉汇入长江，干流长1 577 km，流域面积15.9×104 km2。丹江口以上为汉江上游，平均海拔2 000 m左右，曲流发育，河谷较深，水能资源丰富;属北亚热带湿润季风气候，温暖湿润，四季分明，无霜期较长，雨量丰沛，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥。受秦岭造山运动影响，峡谷和盆地相间分布，在盆地或宽阔河谷地区的河流阶地上广泛堆积厚层风成黄土。

经过细致的野外观察，本研究选取位于汉江上游郧县盆地的晏家棚（YJP）为研究剖面（32°49′33.59″N，110°26′12.53″E）。YJP是天然出露的汉江T2阶地前缘，剖面厚8.35 m，地层保存完整且界限清晰，共可分为7个沉积层，具体地层特征如表1。在清理出YJP的新鲜垂直剖面上，从上至下以10 cm为间隔连续采集沉积样品139个，并在顶部古土壤层采集光释光年龄样品2个。

1.2 试验方法

光释光样品参照Aitken等[14]的方法完成。自然风干后的沉积样品在陕西师范大学地理科学与旅游学院实验室完成粒度、化学元素和磁化率的测试。磁化率的测试是在无磁性物品干扰的情

况下，将装有10 g样品的干净塑料瓶，置于英国Bartington公司的MS-2B磁化率仪进行测定。粒度的测试，首先以浓度为10%的HCl和H2O2消解有机质和碳酸盐并清洗至中性，再加入浓度为0.5 mol/L的六偏磷酸钠（（NaPO3）6）溶液5 mL，在颗粒充分分散的状态下，利用Mastersize-2000型激光粒度仪完成测试。元素Rb、Sr采用德国布鲁克公司制造的X射线荧光光谱仪S8 TIGER上机测试，测试过程中加入标准样品（GSS-1和GSS-14）控制误差范围在5%以内。

2 结果与分析

2.1 地层年代

YJP剖面的地层年代通过光释光测年（OSL）和地层对比确定。利用OSL测年方法，得到的古土壤顶部和底部樣品等效剂量值（De）均未达到饱和，且分布较为集中（图2），可采用均值作为样品最终的等效剂量，结合年剂量率，利用AGE软件最终获得古土壤顶部和底部的OSL年代分别为（48.80±2.23） ka、（94.04±3.45） ka（表2）。众多研究学者已对中国黄土建立了可靠的年代框架[2，4，15，16]，秦岭地区各古文化遗址地层年代也相继得到证实[17-20]，YJP剖面与汉中盆地何家梁、窑厂湾地层年代[17]对比良好，考虑到误差的影响，可以确定YJP剖面古土壤层为S1，对应于晚更新世;黄土层为L2，对应于中更新世晚期。

2.2 粒度、磁化率和Rb/Sr值

由表3、图3看出，YJP剖面的平均粒径（Mz）介于1.65～7.99 μm之间，古土壤为3.02 μm，低于过渡黄土Lt（5.95 μm）和黄土L2（6.12 μm），呈现出古土壤<过渡黄土<黄土的变化特点。黏粒（<2 μm）含量变化范围则在4.70%～19.84%之间，黄土L2黏粒均值为6.87%，在黄土-古土壤序列中呈最低值，过渡黄土Lt黏粒（6.98%）介于黄土L2和古土壤S1之间，古土壤S1黏粒含量为11.04%，达到最高值，在剖面垂直方向上黏粒含量呈现出古土壤>过渡黄土>黄土的变化特征。

此外，古土壤S1的Rb含量介于118.50～136.30 mg/kg之间，均值为130.35 mg/kg;Sr含量介于81.50～120.40 mg/kg之间，均值为100.80 mg/kg;Rb/Sr值介于1.12～1.50之间，均值为1.32。过渡黄土Lt的Rb和Sr分别介于126.20～134.30、118.70～134.30 mg/kg之间，均值分别为130.05、124.73 mg/kg;Rb/Sr值介于0.97～1.19之间，均值为1.05，略低于古土壤S1;黄土L2的Rb含量（123.07 mg/kg）最低，Sr（137.68 mg/kg）含量最高，Rb/Sr值介于0.81～0.96之间，均值为0.90。

通过相关性分析发现，YJP剖面的黏粒含量与χlf、Rb/Sr值呈显著正相关，相关系数高达0.958和0.944;而均值粒径与χlf、Rb/Sr值则呈显著负相关，相关系数分别为-0.985、-0.992。并且古土壤S1的黏粒含量、χlf和Rb/Sr值均高于黄土层（Lt、L2），平均粒径则是黄土层（Lt、L2）高于古土壤S1，说明χlf、Rb/Sr与沉积物粒度组分有关，平均粒径越小，黏粒含量越多，χlf和Rb/Sr值也就越高。

3 讨论

3.1 风化成壤强度

YJP剖面中存在紧密相关关系的粒度、χlf、Rb/Sr值可以表征风化成壤强度。这是由于风化成壤作用会不同程度地改造沉积物各粒度组分含量，并产生次生化学物质和粘土矿物，尤其会造成平均粒径的变细和超细颗粒含量的增加[8，21，22]。同时，在表生环境中，元素迁移率受成壤作用的影响，Rb易被黏土矿物吸附，滞留于原地层，产生富集;Sr易随土壤中的水分等发生迁移而被淋失;因此，风化成壤作用越强，黏粒含量越多，Rb/Sr值也越高[23，24]。黄土磁化率的高低主要取决于成壤作用的强度和细小磁性矿物的含量，成壤作用越强，细颗粒含量越多，形成的磁赤铁矿越多，磁化率值就越高[25，26]。因此粒度、磁化率和Rb/Sr均可以作为揭示汉江上游更新世黄土风化成壤强度的良好替代性指标。

YJP更新世黄土L2 的χlf （34.60×10-8 m3/kg）、黏粒含量（6.87%）、Rb/Sr值（0.90），均为剖面中的最低值，Mz（6.

12 μm）为剖面中的最高值，说明在黄土堆积时期，夏季风势力较弱，风化成壤作用较弱。过渡黄土（Lt）除均值粒径Mz（5.95 μm）略低于黄土L2以外，χlf（36.50×10-8 m3/kg）、黏粒含量（6.98%）、Rb/Sr值（1.05）略高于黄土L2，表明尽管过渡黄土夏季风势力仍较弱，但稍有变化，导致风化成壤作用略有加强。古土壤S1的χlf（40.60×10-8 m3/kg）、黏粒含量（11.04%）、Rb/Sr值（1.32）表现为剖面中的最高值，Mz（3.02 μm）为剖面最低值，说明在古土壤形成时期，东亚夏季风势力增强，成壤作用强度加大，粗颗粒组分被分解形成细颗粒，导致古土壤的平均粒径变细、黏粒含量增加;同时，降水增多，大量Rb被黏土矿物吸附，Sr离子则被淋溶迁移，导致Rb/Sr值明显增加;沉积物中的次生磁赤铁矿含量也明显增加，导致磁化率值升高。

3.2 中更新世以来的气候变化规律

晏家棚风成黄土成壤强度在不同地层上的差异进一步反映了不同时期的气候变化特征。中更新世黄土（L2）形成期，微弱的风化成壤作用表明，这一时期汉江上游东亚冬季风较为强盛，气候寒冷干旱，利于黄土的形成;与洛南盆地黄土层中的孢粉记录[27]、陕西渭南、洛川剖面磁化率记录[28]、南京洞穴石笋δ18O记录[29]对比良好。过渡性黄土（Lt）比黄土L2稍高的黏粒、磁化率值和Rb/Sr值，反映了略有加强的风化成壤作用，指示在过渡黄土堆积时期，东亚冬季风势力开始有所下降，进入由寒冷转为温暖湿润的气候转变阶段。晚更新世古土壤（S1）形成期，进一步增加的黏粒含量、高磁化率值和高Rb/Sr值，揭示显著加强的风化成壤作用，反映了东亚冬季风势力进一步减弱，夏季风势力显著加强，气候变得温暖湿润，降水充沛，植被茂盛，生物活动频繁。汉中盆地的何家梁、窑厂湾，陕西渭南等地均有古土壤S1发育[17，30];泥河湾盆地孢粉[31]、云南宣威石笋[32]、贵州荔波石笋[33]、青藏高原古里雅冰芯[34]等也记录了这一时期的暖湿气候。

4 结论

通过对汉江上游二级阶地晏家棚（YJP）剖面黄土地层的粒度、磁化率和Rb/Sr综合分析看出，它表现出了除平均粒径外，古土壤S1的黏粒、磁化率及Rb/Sr值均高于过渡性黄土Lt和黄土L2的特点，指示在古土壤形成期，东亚夏季风强盛，气候温暖湿润，降水较多，成壤作用较强;黄土形成时期，东亚夏季风势力减弱，冬季风势力增强，气候转为寒冷干旱，降水减少，成壤作用弱。

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