关中东部缓坡地面全新世土壤侵蚀与沉积发展演变规律研究

1、关中东部缓坡地面全新世土壤侵蚀与沉积发展演变规律研究查小春1，黄春长1, 2，庞奖励11. 陕西师范大学旅游与环境学院，陕西 西安 710062；2. 中国科学院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：对华县古洪积扇全新世黄土-土壤剖面的磁化率、粒度进行分析研究，揭示了全新世以来缓坡地面面状流水侵蚀和沉积的发生规律。研究结果表明，晚更新世末期，由于黄土土质疏松，植被薄弱，在即将进入全新世时有自然侵蚀沉积发生；在全新世4000 a B.P.之前，洪积扇特殊的环境生态条件造成土壤堆积时期土壤水分缺乏，成壤较弱，面状流水侵蚀与沉积活动不明显。自夏商时代以来，农业耕垦活

2、动影响古洪积扇地表，促进了坡面流水侵蚀堆积过程，发生了面状流水侵蚀；从3100 a B.P.开始气候干旱，人类活动强烈地影响着当地的生态环境，加速了面状流水侵蚀沉积；隋唐以来人类活动引起的加速侵蚀沉积则更进一步增强，这个过程反映土壤侵蚀呈现阶段性加速的趋势。由此可见，土壤侵蚀的加速是与人类的活动相伴随，随着人类活动强度的增强，土壤侵蚀在自然侵蚀的基础上，呈现加速趋势。关键词：关中盆地；全新世；环境演变；土壤侵蚀 中图分类号：X14 文献标识码：A 文章编号：1672-2175（2005）01-0052-05土壤侵蚀是广泛存在于地球表面。在地质历史时期所发生的侵蚀为自然侵蚀，它完全决定于当时的地

3、质、地貌、气候、土壤、植被等自然因子的综合影响。自人类社会出现后，人类活动对生态平衡的破坏而加速了土壤侵蚀过程，土壤侵蚀则在自然侵蚀的基础上，叠加了人为活动的影响，出现了加速侵蚀，并产生了严重后果。如今，黄土高原的土壤侵蚀中人为加速侵蚀占据主导地位1, 2。一般来说，在坡面土壤侵蚀过程中，侵蚀作用和堆积作用是同一过程产生的两种结果，尤其是坡面流水的面状侵蚀，会在坡底的缓坡地带沉积形成坡积物。因此，在某些黄土-古土壤序列中，常会有面状水流沉积成分，记录着坡面侵蚀的变化过程。本文通过对关中东部古洪积扇地表全新世黄土-古土壤序列的粒度、磁化率气候代用指标的研究，分析关中东部洪积扇地表全新世的土壤侵蚀

4、发生规律。1 研究地点环境概况和全新世剖面特征研究地点位于关中盆地东部华县境内，地处山麓古洪积扇与渭河南岸的第二级阶地交接部位。海拔370 m；当地年平均气温13.4 ，一月平均气温-1.2 ，七月平均气温27.3 ；年平均降水量600 mm左右。NSC剖面位于一个取土坑的陡坎处，剖面厚度大于4 m。从剖面沉积特征可以看出，NSC剖面黄土沉积连续，跨越了晚更新世和全新世，比较清晰完整地记录了全新世环境变化的信息。同时剖面含有老官台文化和夏商文化时代文化遗物，所以也是研究人地关系变化理想的信息载体。根据野外观察分析，NSC剖面各个层次发育稳定，分层界限都很清楚，结合室内实验分析，对于NSC剖面从

5、地层学和土壤学角度作以下简单划分，从上往下依次为：（1）表土层（TS），深度在030 cm之间；（2）全新世黄土层（L0），深度在3066 cm之间；（3）古土壤层（S0），深度在66200 cm之间，为褐色土类型；（4）过渡性黄土层（Lt），深度在200230 cm之间，含有钙结核；（5）马兰黄土层（L1），深度在230 cm以下，未见底界，是典型的马兰黄土。对于NSC剖面的年代问题，首先根据黄土地层划分通用准则，即全新世是以马兰黄土顶界作为起点。根据格陵兰冰芯氧同位素记录，目前对全新世起点的通用日历年代为11500 a B.P.3, 4，因此采用这个数据作为该剖面全新世起点年代，界限在NS

6、C剖面230 cm深度。对于该剖面其它层位的年代，根据关中盆地全新世考古地层学、文化层14C年代数据和黄土高原全新世已有的14C和TL年代数据57，以及参照关中盆地全新世JYC5剖面的年代序列进行地层对比来解决。另外，根据文化遗物出现的层位也可以进行断代，在NSC剖面185195 cm层位发现老官台文化时期（80007000 a B.P.）的典型陶片等文化遗物，以及在90145 cm层位处发现了夏商文化遗物（40003300 a B.P.），结合已有14C测年资料和夏商断代工程研究结果8，这样就为建立NSC剖面的年代序列奠定了良好的基础。2 研究方法为了保证获得较高的环境变化分辨率，在野外详细

7、观测分析的的基础上，对NSC剖面进行系统采样。自地表开始向下以每2 cm加密连续采样，到300 cm深度，共采集样品150个。这些样品在实验室内经自然风干后，从每个样品中混合取出50 g，在陶瓷研钵内轻微研磨至粒径小于2 mm，装在塑料带中备用。磁化率测定：称取磨碎样10 g，装入10 cm3无磁性塑料盒中，采用英国Bartington公司制造的MS-2型磁化率仪测定样品的磁化率值，每个样品测定3次，取平均值。 表土层 风成黄土层 古土壤层 过渡层 文化遗物图1 华县NSC土壤剖面磁化率和粘粒/粉沙比曲线Fig. 1 The magnetic susceptibility and >0.

8、1 mm sand-size distribution curve in the NSC soil profile at Huaxian county, Shaanxi province粒度测定：称取约0.5 g的样品，分别用体积分数为10%的H2O2和10%的HCl除去有机质和碳酸钙，然后采用英国生产的Mastersizer-S型粒度仪测定样品粒度，测量范围为0.03900 µm，相对误差小于4%。另外用筛分法测定了粒径>0.1 mm颗粒的百分比含量，并用实体显微镜进行分析鉴定。3 分析结果及其解释磁化率是表征沉积物磁性特征的重要参数之一，反映了土壤剖面铁磁性矿物含量的变化，

9、而这些铁磁性矿物主要是在风化成壤过程中产生的，因而磁化率的变化反映了成壤强度的变化，间接地反映了气温和降水量的变化，即夏季风强度的变化。研究表明，磁化率对黄土地区环境变化反应很敏感9,10。因此，可以从沉积物剖面的磁化率曲线特征来分析不同时期当地的气候和环境特征。由图1可知，NSC土壤剖面的磁化率在90×10-8 m3/kg130×10-8 m3/kg之间变化。其分布特点是：马兰黄土和过渡层黄土磁化率较小，变化范围为90×10-8 m3/kg110×10-8 m3/kg；古土壤（S0）层磁化率值变化范围为95×10-8 m3/kg130

10、5;10-8 m3/kg，磁化率值从下部开始增大，在古土壤层上部的120 cm处达到最大，最大值为130×10-8 m3/kg；全新世黄土（L0）和表土层（TS）磁化率有一定程度的减少，但变化不大，与古土壤层上部接近，变化范围为115×10-8 m3/kg135×10-8 m3/kg。黄土高原风成黄土堆积物的粒度通常<0.1 mm11, 12，因此，黄土中>0.1 mm的颗粒含量可衡量地表过程次生改造的程度。一般来说，>0.1 mm的颗粒中除过碳酸钙结核之外，其他的颗粒成分往往能够指示人类活动的影响和地表径流的活动情况。从图1可以看出，NSC剖面

11、中>0.1 mm的沙级颗粒含量在0.35%4.20%之间变化。通过外实地调查和在实体显微镜下鉴别表明，剖面在160 cm以下>0.1 mm的沙级颗粒主要为细小的碳酸钙结核细末为主。其中，280 cm260 cm含有面流沉积的沙粒；在剖面160 cm以上，沙级颗粒含量成阶梯式增大，且面流沉积沙粒成分越来越大，人为活动侵入体成分也越来越明显。在160 cm120 cm处，>0.1 mm的沙级颗粒含有个别的细沙粒、灰陶屑、木炭屑，表明存在人为活动，并发生了面状流水侵蚀；120 cm66 cm处，>0.1 mm的沙级颗粒含有大量的细沙粒，并夹有人为侵入体，表明人为活动强度增加，

12、并发生了面状流水侵蚀，其含量变化范围为1.20%2.85%；从66 cm至表层，>0.1 mm的颗粒含量范围在2.45%4.15%之间变化，颗粒主要以中细沙粒为主，并含有大量的人为侵入体，表明其人为活动增强，发生了面状流水侵蚀。因此表明从剖面160 cm开始，即夏代开始，关中盆地东部古洪积扇坡面发生面状侵蚀-搬运-沉积作用，而且在人为活动的影响下，面状流水侵蚀作用呈现加速趋势。 表土层 风成黄土层 古土壤层 过渡层 文化遗物图2 华县NSC土壤剖面粒度成分曲线Fig. 2 The particle-size distribution curve in the NSC soil profi

13、le at Huaxian county, Shaanxi province黄土高原黄土-古土壤序列的粒度变化指示了搬运粉尘大气动力的变化以及地表侵蚀沉积环境的变化13, 14，在研究全新世地表过程方面具有重要的意义。由图2粒度变化显示，在NSC研究剖面中，粗粉砂（0.050.01 mm）含量变化在50.90%56.85%之间变化，马兰黄土（L1）最大，为53.7056.85%。古土壤（S0）上部最小，为50.90%53.80%。全新世黄土（L0）含量接近马兰黄土。其总体变化趋势是从自马兰黄土到古土壤顶界含量逐渐减小，在古土壤上部达到最小50.90%，在全新世黄土（L0）层中快速增加，在表土（

14、TS）中略有减少，其含量变化与地层对应很好。粘粒(<0.005 mm)含量变化于17.34%20.81%之间，变化趋势与粗粉砂相反，马兰黄土和全新世黄土中最小，为17.35%21.15%，古土壤上部最大，为24.15%。从图2中可以看出，<0.005 mm粘粒含量的增加对应于粗粉沙0.050.01 mm粒级含量的减少，它们之间有明显的负相关关系。胶粒（<0.001 mm）的变化趋势与粘粒大致相同，但在古土壤底部粘粒含量递增，而胶粒则快速增加。粘粒/粉沙质量分数比值在全新世土壤剖面中的变化反映了堆积区次生成壤强度的变化，它受到风尘堆积区生物气候环境的制约，从图1表明，各剖面不同

15、层位的粘粒/粉沙质量分数比值变化十分明显：马兰黄土（L1）和全新世黄土（L0）中粘粒/粉沙质量分数比值明显低于古土壤（S0），并且，在古土壤层的上部，粘粒/粉沙质量分数比值从成壤作用很弱的过渡层（Lt）到成壤作用较强的古土壤层（S0），粘粒/粉沙质量分数比值的平均值从0.40增加到0.46，并在古土壤上部达到最大值，充分说明了粘粒/粉沙质量分数比值对次生粘化作用的强弱具有明显的指示作用。4 讨论和结论作为塑造陆地地貌形态的最主要过程面状流水侵蚀，它可以出现在任何坡面，只要那里有降雨并有地表径流就会产生15。在黄土地区，不仅是洪积扇坡面，即使在较小平坦的高原面、台塬面和河流阶地面，微地貌的变化会

16、导致面状径流的侵蚀与沉积过程发生3。华县NSC剖面位于古洪积扇前沿，在全新世气候变化中，自然条件下的降水在该处多转为地表径流流失，使得该剖面土壤水分较少，土层较薄。从NSC土壤剖面分析可以看出，马兰黄土堆积时期，粗粉沙值含量大，而粘粒和磁化率值小，说明此期气候干旱，沙尘暴活动频繁，降水缺乏，成壤作用很弱。尽管此期黄土土质疏松，植被薄弱，>0.1 mm的沙级颗粒含量很低，主要以碳酸钙结核细末为主，但在NSC剖面280260 cm记录到一次面状流水侵蚀沉积作用，>0.1 mm的沙级颗粒含有细沙粒成分，此侵蚀沉积事件发生在马兰黄土堆积的后期。在230200 cm为全新世早期沉积的过渡层黄

17、土（Lt），土壤的各项指标与马兰黄土基本相同，表明当时沙尘暴频繁，降尘多而降水稀少，土壤干燥，几乎没有淋溶作用和生物成壤作用，也没有记录到面状水流侵蚀沉积作用。从图1和图2可以看出，古土壤S0层上段和下段古土壤性质差异较大，以160 cm为界分为两段。在古土壤S0层下段>0.1 mm的沙级颗粒主要以碳酸钙结核细末为主，平均含量仅为0.91%，说明该段土壤堆积时期土壤水分缺乏，而且成壤过程中几乎没有发生粘化作用，这可能是由于洪积扇特殊的环境生态条件造成的。NSC剖面古土壤S0层上段（16066 cm），各项分析结果表明其成壤强度显著，尤其是124 cm以上，粘粒成分和磁化率出现了显著的峰值

18、，说明此段土层成壤时土壤水分充足，一些不稳定矿物成分分解而出现了一定程度的残积粘化作用，成壤作用强烈。并且，在该段>0.1 mm的颗粒除了含有碳酸钙结核细末外，还含有细沙粒和夏商时代人为侵入体，表明该段土壤层含有面状流水沉积物，这说明自夏商文化出现以来，人类活动已经影响并改变了洪积扇表面的地形，发生了流水侵蚀。先民的农业耕垦活动影响了古洪积扇的地表植被和洪积扇前沿的地表形态，引发了古洪积扇的土壤侵蚀和古洪积扇前沿的面流沉积，所以，这次侵蚀沉积作用是自然和人类活动共同作用的结果。NSC剖面在66 cm深度以上为全新世黄土（L0）和表土层（TS），各项指标都发生了较大变化。从图1、图2表明，

19、在全新世黄土（L0）层（6630 cm）中，<0.005 mm粘粒、粘粒/粉沙质量分数比值和磁化率明显降低，而粗粉沙含量的增加，反映了自3100 a B.P.以来，东亚季风格局发生了转变，暖湿的东南季风减弱，干冷的西北季风加强，降水量显著减少，沙尘暴强度增强，成壤强度降低，可见成壤强度的降低是因为降水量减少、蒸发量增大和气候干旱化所造成，并引起了水、土、生物资源（或者说土地资源）的急剧退化1618。但是>0.1 mm的沙级颗粒明显增加，平均含量为3.19%，主要以面流沉积的中细沙粒为主，并含有人为侵入体，说明这一时期面状水流侵蚀沉积作用有所增强。本时期气候干旱、降水量减少，是农业耕

20、作影响加强，使人类活动明显增强，引起人为加速侵蚀过程明显加强。表土（TS）层（300 cm）是人类活动影响最强的时期，但<0.005 mm粘粒黄土层（L0）增大6.24%，而0.50.1 mm的粗粉沙减少0.80%，表明本期人类活动比以前又更进一步加强，>0.1 mm的颗粒明显增加并出现峰值，其平均含量为3.59%，比黄土层（L0）增大12.5%，而且含有大量的中细沙粒和人为侵入体，表明在历史时期尤其是隋唐以来在人类强烈活动的影响下，生态环境恶化，侵蚀更加强烈，加剧了侵蚀堆积作用。人为加速侵蚀速率远远超过自然侵蚀速率，面状流水侵蚀呈现加速趋势。由此可见，在全新世不同时期，关中盆地东

21、部在风成黄土堆积和风化成壤的同时，地表面状流水侵蚀沉积作用也有显著的变化。晚更新世马兰黄土堆积的后期，即将进入全新世时，有自然面流侵蚀沉积发生，早全新世当地没有发生面状流水侵蚀。在4000 a B.P.之前，面状流水侵蚀沉积并不明显。自夏商文化出现以来，人类农业耕垦对洪积扇地表地形的改变促进了坡面水流堆积过程，改善了洪积扇水文条件和土壤水分状况，提高了成壤强度，同时也引发了面状流水侵蚀沉积。从3100 a B.P.开始沙尘暴强度加大，气候干旱，同时人类活动强烈地影响着生态环境的演变，使土壤侵蚀在自然侵蚀叠加了人为侵蚀，加速了面状流水侵蚀沉积发生，从隋唐以来，农业耕垦的影响更进一步加大，洪积扇坡

22、面流水侵蚀沉积作用达到更大。可见土壤侵蚀的加速是与人类的活动相伴随着，而且，随着人类活动强度的增强，土壤侵蚀在自然侵蚀的基础上，呈现加速趋势。参考文献：1中国科学院黄土高原综合科学考察队. 黄土高原地区土壤侵蚀区域及其治理途径M. 北京：中国科学技术出版社, 1990: 158.THE INTEGRATED SCIENTIFIC SURVEYING TEAM ON LOESS PLATEAU OF CHINESE ACADEMY OF SCIENCES. The Regional Features and Control Approach of Soil Erosion in Loess Pl

23、ateau AreaM. Beijing: China Science and Technology Press, 1990: 158.2 刘东生. 黄土与环境M. 北京: 科学出版社, 1985: 400.LIU T S. Loess and EnvironmentM. Beijing: Science Press, 1985: 400.3 黄春长, 庞奖励, 陈宝群, 等. 渭河流域先周西周时代环境和水土资源退化及其社会影响J. 第四纪研究, 2003, 23(4): 404-414.HUANG C C, PANG J L, CHEN B Q, et al. Land degradatio

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