沙漠-黄土边界带沉积层有机质的环境指示意义

孙 茹

(辽宁师范大学 地理科学学院，辽宁 大连 116029)

1 引言

沙漠-黄土边界带位于我国东亚季风边缘区，是北方沙漠/黄土过渡带和农牧交错带的组成部分，是一个具有强烈过渡性质的地带。该地区生态环境脆弱，对环境变化非常敏感，是研究全球气候变化的理想场所。毛乌素沙地全新统地层组合类型主要有两种：一是地势较高处的风成砂/砂质古土壤序列，二是地势低洼处的湖沼相/泥炭层/风成砂/砂质古土壤序列，均是反映全新世气候变化的良好信息载体[1]。学者以粒度、磁化率、孢粉、化学地球元素、有机质等气候代用指标[2～6]，开展了大量的研究。但研究区域多集中在地势较高处的风成砂/砂质古土壤序列[6～9]，而地势低洼处的湖沼相/泥炭层/风成砂/砂质古土壤序列研究甚少。

LSW剖面位于沙地东南缘，由季节性积水洼地或封闭湖盆形成，堆积了末次冰消期以来的湖相沉积，选取的研究剖面发育良好的厚层泥炭。泥炭是植物残体在氧气不足的情况下由厌氧微生物缓慢分解而成，包含了地史时期的有机物。其作为良好的地质档案，对过去气候和环境变化有敏感的响应，而且泥炭地层堆积连续性好，具有高分辨率，环境指示意义明确，因而可以重建区域过去气候变化以及为预测未来环境变化提供科学支撑。国内外学者通过研究泥炭同位素、粒度、磁化率、地球化学元素、孢粉、有机碳、有机质、腐殖化度等气候代用指标来获得区域气候环境变化情况，并且都取得了丰硕的成果[10～14]。为此，本文选取沙漠-黄土边界带LSW地区的泥炭沉积作为研究对象，探讨有机质作为沙漠-黄土边界带东南缘沉积物环境替代性指标的可能。

2 样品采集及实验方法

2.1 样品采集

LSW剖面(37°43′37.70″N，108°59′58.69″E)位于陕西省榆林市(图1)。剖面厚541 cm,未见底，该剖面共采集了116个常规样品。根据地层岩性特征，剖面可分为7个阶段，自下而上描述如下：

(1)541～511 cm：细砂层，较松散。

(2)511～400 cm：粘土-粉砂层，棕色，较紧实。

(3)400～372 cm：沙炭层。

(4)372～322 cm：泥炭层。346～372 cm的泥炭有机质含量很高，与0～115 cm类似。

(5)322～115 cm：沙炭层，颜色浅。

(6)115～0 cm：泥炭层，植物残体很多，颜色最深。

图1 LSW剖面照片和岩性柱状图

2.2 实验方法

有机质分析：①先将自然风干后的样品研磨后放入105 ℃真空干燥箱中烘干至恒重，称量并记录样品质量；②将样品在550 ℃马弗炉中灼烧5 h以去除样品中的有机质，冷却至室温后称量残渣质量。样品损失重量占样品总重量的百分比即有机质。

3 数据结果

LSW剖面沉积层有机质含量较高，为46.05%～1.34%，平均值8.89%，变异系数0.98。不同沉积相，有机质含量存在明显的差异：剖面有机质含量总体上泥炭层最大，含量范围46.05%～6.75%，平均值19.12%；沙炭层次之，含量范围7.6%～3.59%，平均值5.34%；粉砂层含量范围为4.61%～1.6%，平均值2.99%；黏土层含量范围为4.77%～1.87%，平均值2.68%；细砂层最小，含量范围1.85%～1.34%，平均值1.61%。结果显示，有机质高值出现在泥炭层，低值出现在细砂层。对同一沉积相来说，泥炭发育程度不同，有机质也存在差异：346～372 cm有机质最大，范围在46.05%～8.2%间，平均值为23.92%，在该层段，出现整个剖面最大值；0～115 cm有机质含量，范围为44.93%～9.02%，平均值19.96%，为次高值。

4 讨论

沉积物中的有机质是指埋藏于沉积物内的生物经过成岩作用或生物分解作用后遗留下来的产物。湖泊沉积物有机质的多寡，反映了湖泊有机质的输入情况、湖泊自身生产力以及沉积物有机质的保存能力[15]。 湖泊沉积物的有机质包括陆源输入的有机质和湖泊内的植物生产的有机质。陆源输入的有机质包括该流域范围内的植物(滨岸植物、湖滨沼泽等)以及风化周围基岩中存在的有机质，湖泊自生生产力、陆源植被生产力和入湖径流的挟带能力[16]，受流域内的温度和降水等气候条件的影响，气候条件也影响着湖泊有机质的保存能力。一般认为，气候暖湿有利于水生植物和陆生植物的生长，形成较高的生物量，较大的入湖径流将丰富的陆源有机质带入湖泊，使湖泊总有机生产力提高，同时，湖泊水位上升，形成缺氧的还原环境，大部分有机质易被保存下来； 反之，冷干气候环境下，不利于水生植物和陆生植物的生长，生物发育疲乏，降水量减少使湖泊水位降低，不易于形成有利于有机质保存的还原环境，导致沉积物有机质含量降低。而湖沼相沉积物有机质主要来源于陆生植物、湖岸地带的水生植物以及湖滨沼泽带，指示着水热组合条件良好，气候非常适宜。在这一沉积环境中，气候暖湿，湖水中浮游植物和湖盆周边、湖岸带植被茂盛，同时还原环境有利于沉积物的沉积，使有机质含量增加；反之，气候干冷，沉积物有机质来源减少，保存能力降低，沉积物有机质含量减少。对于风成沉积物，研究表明：在干旱、半干旱地区，有机质主要来源于植物，可以作为区域气候条件下植被覆盖度及生物量的替代性指标，进而揭示沉积物堆积时的气候环境。一般来说，气候暖湿时植被发育较好，沉积物有机质含量较高；反之气候干冷时植被生长较差，沉积物有机质含量较低。

在LSW剖面风成沉积物中，有机质高值出现在粉砂层，低值出现在砂层，有机质高值指示气候干旱，风沙活动剧烈；有机质低值指示气候湿润，成壤作用增强。在湖泊沉积物中，有机质低值指示气候冷干，湖盆植被覆盖低，反之，气候温暖湿润，湖盆植被覆盖高。

5 结论

(1)沙漠-黄土边界带全新世沉积物中，有机质有机质含量：泥炭层>沙炭层>粉砂层>黏土层>细砂层。泥炭发育程度不同，有机质含量不同，以346～372 cm层段的泥炭发育最好，有机质最高。

(2)LSW剖面的有机质可作为沙地沉积物研究的代用指标，有助于重建沙地古气候。有机质高值指示夏季风强盛，化学风化作用强，气候温暖湿润；有机质低值指示冬季风强盛，化学风化作用弱，气候干燥寒冷。