淀积理论与黄土高原土壤及气候进展课件

1、 淀积理论与黄土高原气候变化研究进展目录一、 土壤化学成分淀积类型二、 淀积层形成的时间过程三、 淀积理论对气候与土壤的指示作用四、淀积理论对黄土本质的指示作用五、黄土高原的演变研究进展一. 土壤淀积理论(一)土壤CaCO3淀积层的分布类型 CaCO3是北方土壤和部分南方土壤的最常见的组成成分,关于土壤CaCO3淀积层迁移深度和垂向分布类型, 过去研究很少. 赵景波等根据黄土高原黄土中古土壤的研究, 可将淀积层的分布划分为以下几种类型.1.连续的CaCO3淀积层 是CaCO3淀积层紧接在粘化层底部或有机质层底部的淀积现象（图1）。这种CaCO3淀积层或淀积类型是在降水较少和淋溶作用较弱的条件下

2、形成的，是碱性土壤的特点，如褐色土、灰钙土、栗钙土具有这样的淀积层。这种CaCO3淀积层是土壤剖面构成部分。 图1 土壤CaCO3的连续淀积1.有机质层； 2. 粘化层；3. CaCO3结核淀积层； 4. CaSO4结核淀积层; 5.母质层2.不连续的CaCO3淀积层 淀积层没有紧接在粘化层底部，而是位于粘化层底部一定深处母质中的淀积层，在淀积层与粘化层之间有一定厚度的母质相隔（图2）。CaCO3的这种淀积类型是降水较多和淋溶作用较强的显示。这种淀积层已不属于土壤剖面组成部分，是中酸性土壤的特点，如棕色土，亚热带黄棕壤发育有这样的CaC03淀积层。3 双层CaCO3淀积层 在土壤粘化层之下有两

3、层CaCO3淀积层(图2)，是土壤经历了两个发育阶段的显示。下层常为不连续的CaCO3淀积层，代表中酸性土壤发育期，上层多为连续的CaCO3淀积层，它们代表了碱性土壤发育期. 图2 黄土地层古土壤剖面中不连续的CaCO3淀积层(赵景波,1991)1粘化层；2.含铁质胶膜的风化黄土层；3.不含胶膜的风化黄土层；4.CaCO3结核淀积层；5.黄土母质层；a.西安刘家坡S5中不连续的CaCO3淀积层；b.西安刘家坡S3剖面中不连续的CaCO3淀积层；c. 西安刘家坡S2剖面中不连续的CaCO3淀积层; d. 长武S4剖面中不连续的CaCO3淀积层3多层CaCO3淀积层 在粘化层之下由3层或3层以上C

4、aC03淀积层分布(图3)，代表3层土壤和3个土壤发育期。它们可以是连续的CaCO3淀积层，也可以是不连续的CaCO3淀积层，代表的土壤和降水量取决于淀积类型。 图3 古土壤下部的双层和多层CaCO3淀积层(赵景波,1994)1.古土壤粘化层；2.含红色铁质胶膜的风化黄土；3.不含有铁质胶膜的风化黄土；4.CaCO3结核淀积层；a.西安刘家坡S1古土壤剖面中的双层淀积层；b.西安刘家坡S8古土壤剖面中的厚层淀积层；c .西安刘家坡第5层古土壤剖面中的3层淀积层4厚层CaCO3淀积层 一般的CaCO3淀积层厚度小于0.5m，而厚层CaCO3淀积层厚度大于0.5m，甚至大于2m (前述图3)。这是

5、土壤发育时气候变化造成的，指示降水量变化大。上部的CaCO3淀积层为连续淀积类型,指示碱性土壤发育阶段，下部CaCO3淀积层为不连续的淀积类型,指示中酸性土壤发育期。二、CaCO3淀积层形成的时间过程 通过入渗实验得知，CaCO3是通过重力水的形式迁移的，CaCO3迁移到淀积的深度需要的时间很短，一般只需要几天几十天的时间（图4），与土壤发育需要千年以上的时 间相比是完全可以忽略不计的。调查资料表明，可溶成分迁移、淀积深度主要受降水量控制，只要降水量多，即使淋溶时间很短，它们迁移、淀积的深度仍很大；只要降水量少，即使淋溶时间很长，它们迁移、淀积的深度仍很小。也就是说，不同分布深度的CaCO3淀

6、积层代表了不同的气候条件和不同的降水量。 图4 渗水水实验曲线马兰黄土上的渗水实验曲线； b. 中细砂层上的实验曲线三、 淀积理论对气候与土壤的指示作用 1. CaCO3淀积层分布深度与降水量的关系 可溶成分淀积深度、淀积类型主要受降水量控制，较少受淋溶时间影响，已形成的CaCO3等可溶成分的淀积层则完全消除了时间因素影响，能够作为可靠指示土壤类型与气候的指标；年降水量（y）与淀积深度（x）存在定量关系（图5）：y305.7x168.5. 因此,根据土壤CaCO3的分布深度测量,可以计算土壤发育的年均降水量. 图5 CaCO3迁移深度与年降水量的关系（ 编号代表不同的土壤）(赵景波,2000)

7、2. CaCO3淀积层指示的气候变化 同种成分的双层淀积层指示土壤发育时经历了两个阶段的成壤作用和气候变化；同种成分的多个淀积层指示土壤发育时经历了多个阶段的成壤 作用和气候变化；厚度异常大的CaCO3淀积层也指示土壤经历了多个阶段的成壤作用和气候变化.3. CaCO3淀积层指示的土壤与土壤水的性质 CaCO3的连续淀积一般是碱性土壤的特点，不连续淀积一般是中酸性土壤的特点；CaCO3淀积层分布深度代表重力水入渗到达的下界。 4. CaCO3淀积层对风化壳的指示作用 当CaCO3淀积层迁移深度明显超过土壤粘化层的厚度时，指 示土壤已转变成为风化壳（图6）. 图6 西安刘家坡第1、4层红色古土壤

8、风化剖面(赵景波,1991) Bts.古土壤粘化层；Cs.含红色含铁质粘土胶膜的风化黄土层；Cl. 不含红色 含铁质粘土胶膜的风化黄土层；Ck. CaCO3结核淀积层；CO 未风化的黄土层5. 淀积理论与传统含量理论的差别与互补 化学成分迁移深度、淀积类型等都是根据淀积成分分布深度和特点确定的，所以把这种理论称为淀积理论。传统的化学成分含量理论是根据化学成分含量多少研究土壤与环境变化的，而化学成分含量易受淋溶时间长短影响，也易受后期淋溶作用影响，如淋溶过程长，土层中可溶成分的含量低，淋溶过程短，土层中可溶成分的含量高。在这方面，淀积理论能够弥补含量理论的不足。如将两种理论相结合，将有力推动黄土

9、高原土壤与环境研究的进展。虽然淀积理论与含量理论一样都有优点和缺点，但淀积理论对对研究环境变化很有效。6. 淀积CaCO3含量的环境作用 淀积CaCO3含量代表的气候变化与以往认识也很不相同。一般认为CaCO3含量高代表冷干气候，含量低代表温湿气候。这一划分已不能满足深入研究CaCO3与古土壤及环境的要求。我们的研究得出，下移淀积CaCO3含量高代表温湿气候，含量低代表冷干气候：上移淀积CaCO3不论含量高低，均反映极端干旱的荒漠气候。淀积理论具有淀积成因的含义，它表明淀积成分来自采样点之上的土层，能够较准确确定具体层位的环境条件。这些研究结果超出了国内外以往CaCO3含量与气候关系的认识，为

10、全面、可靠地用CaCO3含量研究古土壤与环境提供了更为科学的标准。7CaCO3淀积理论对古土壤研究的新认识 过去的研究表明，中国黄土中的红褐色古土壤主要为温带碱性褐色土，少数为棕色土、黑垆土. 根据我们对西安地区黄土中第1,4,5层古土壤的CaCO3淀积层和Fe2O3的淀积确定, 第1,4,5层古土壤发育时为亚热带黄棕壤,与南京现代黄棕壤相近. 8. 古土壤发育时气候研究的新认识 过去研究得出, 黄土中古土壤发育时的年均温为 813度，年均降水量为500800mm。我们根据西安地区黄土中第1,4,5层古土壤的CaCO3淀积层和Fe2O3的迁 移与淀积确定, 西安地区第1,4,5层古土壤发育时为

11、亚热带气候, 当时年平均气温为15-16度,年均降水量为900-1000mm.当时秦岭已经失去了温带与亚热带气候分界线的作用.9. 古土壤剖面构成的新认识 过去一般认为, 黄土中的红褐色古土壤剖面构成为Bt(黏化层)-C(母质层). 根据我们对西安地区第1,4,5层红褐色古土壤的研究得知,这3层古土壤的剖面中存在风化淋滤黄土层, 其CaCO3结核淀积层已脱离了古土壤的黏化层, 它们的剖面构成为Bts(含铁质胶膜的黏化层)-Cs(含铁质胶膜的淋滤黄土层)-Cl(不含铁质胶膜的淋滤黄土层)-Ck (CaCO3) 结核淀积层-C(母质层).10.对当时风化淋滤作用影响深度的新认识 上述第1,4,5层

12、古土壤的剖面构成指示, 这3层古土壤发育时的风化淋滤作用已经超出了土壤形成深度范围(一般为2m), 当时风化淋滤作用影响的深度已经达到了4m左右, 比现代该区风化淋滤深度 2m左右显著大(土7),与现代亚热带北部黄棕壤剖面的风化淋滤相近(图7). 图7 黄土中的风化壳和南方亚热带黄棕壤风化壳对比a-c.江苏亚热带现代黄棕壤风化壳（熊毅等，1987）; d-g. 关中第4层红色古土与风化黄土构成的风化壳；h. 陕北长武第4层红色古土壤与风化黄土构成的风化壳；i. 长安现代褐土四、 淀积理论对黄土本质与黄土形成的指示作用 1. 黄土的本质 国内外对黄土形成过程和发育时的环境进行了大量研究，但过去未

13、认识到黄土是相对冷干气候条件下发育的狭义土壤。过去一般认为，黄土中温湿条件下发育的红色土壤是古土壤，冷干条件下发育的黄土为风成沉积物。在世界范围内，中国黄土厚度最大，分布最广，具有开展研究的有利条件。黄土与气候变迁是我国第四纪研究中最具特色的内容，目前已走在了世界前列。 根据淀积理论得知，黄土中普遍存在含量较高的10%15%的次生CaCO3薄膜与斑点是土壤的淀积成分，结核黄土的结构等，我们提出了黄土是第四纪冰期气候条件下发育的古土壤，是冷干气候与草原植被条件下发育的古土壤。图8 西安地区第1层红褐色古土壤上部的黄土的CaCO3淀积层(赵景波,20002) 图9不同沉积条件下发育的土壤剖面分层(

14、赵景波,2009)A风尘连续沉积条件下形成的土壤叠加型CaCO3淀积层，成层性不明显；B.风尘沉积间断条件下形成的土壤CaCO3淀积层，成层性清楚；1.有机质层；2.粘化层；3. CaCO3结核淀积层；4.含CaCO3淀积成分的粘化层；5.淋滤方向黄土形成作用与土壤类型 图9 黄土形成于土壤类型2、黄土作为土壤的科学价值和实际意义 长期以来，人们一直是把黄土作为沉积地层看待的，应把黄土作为沉积地层看待还是应作为土壤看待主要取决于怎样有利于认识黄土与黄土形成的本质，其次看是否有利解决相关的理论问题和有关的应用问题。3.有助于完善土壤学的理论 黄土作为土壤，它的土壤剖面分层不明显，厚度比正常的土壤

15、大，这是风尘连续堆积条件下发育的土壤的突出特征。一般认为，土壤具有较清楚的剖面分层，厚度通常小于2m。实际上这只是考虑了处在沉积间断条件下和较短时间过程中发育的土壤的特征，如果考虑到在风尘连续堆积条件下和漫长成壤过程中发育的土壤，就会得出土壤剖面可以不具 明显分层，土壤厚度也可以明显大于2m。4.有助于查明黄土的湿陷性产生原因 人们对黄土湿陷性进行了大量研究，但并未认识到黄土湿陷性产生的真正原因。据作者研究，并不是所有黄土都具有湿陷性，而是成壤弱的黄土才具有湿陷性，黄土的湿陷性是在弱的成壤过程中产生的，是几种草原和荒漠草原土壤所具有的性质。从黄土高原的西北向东南，黄土湿陷性由强到弱，秦岭山区和

16、秦岭以南的黄土不具湿陷性，就是从西北向东南成壤作用由弱到强决定的。5.有助于查明黄土的水文性质产生原因和黄土地下水富集规律 黄土中的地下水赋存类型实际上是土壤结构、土壤孔隙、裂隙决定的，黄土地下水运移、富集具有土壤水的特征。从土壤发生学的观点研究黄土地下水将能从根本上揭示其运移、富集规律和赋存类型。能够使人们认识到黄土地层的含水层与隔水层是受成壤作用强弱和土壤性质控制的.6.有助于土壤资源的保护和开发利用 能够是人们认识到黄土高原是世界上最富集土壤资源的地区。 A. 中国黄土构成的土壤资源厚度最大：发育较好的黄土剖面厚度在100-130m之间, 最大厚度在甘肃靖远县,为505m.可持续耕作利用

17、：即使受到侵蚀，还可继续适于农作物生长. B. 黄土剖面土壤层分层最多：可划分出100余层，比欧洲黄土多50余层. C. 黄土剖面土壤类型繁多：包括棕钙土、棕漠土、栗钙土、灰钙土、黑钙土、黑垆土、碳酸盐褐土、典型褐土、棕色土、黄棕壤.D. 黄土是结构优良和化学成分丰富的土壤资源 结构优良：粒状、团粒状，疏松多孔. 粒度均一：以粉砂为主，比粗粒和黏性土更利于农作物生长，是最优良的土壤物质组成之一. 元素丰富：包括大量化学元素，分布非常均一，是化学成分丰富的优良土壤 五. 黄土高原的演变研究进展 根据目前研究结果, 黄土高原的演变可以分为以下5个阶段.1. 红土高原发展阶段 在第三纪晚期, 黄土高

18、原地区不是黄土高原, 是红土复盖的高原, 所以成为红土高原.当时海拔已达到高原的海拔高度(大于700m). 当时气候温暖半湿润为主. 这时的红土也主要是风成的(赵景波,1989),处在间冰期条件下. 延续时间在距今600-250万年之间.2. 黄土高原发展初期阶段 从距今约250万年开始. 在这一阶段, 气候变冷,进入冰期, 黄土开始发育,形成了厚约50m左右的午城黄土, 包括20层左右的黄土和20层左右的浅红褐色古土壤. 红褐色古土壤的发育指示冰期内存在规律行的气候变暖. 这一阶段的特点是黄土高原尚无大型河流出现,黄河尚未形成,但有一定的湖泊存在. 因此该区的河流与沟谷侵蚀较弱,也没有黄土物

19、质从该区流失.这一阶段延续时间在250-160万年之间.河流没有出现表明该区构造上升较弱, 地表水以湖泊为主.3. 黄土高原河流开始发育阶段 在约160万年前,该区最大河流黄河出现,河流出现表明该区构造运动上升加强, 同时降水减少,湖泊消失. 河流的出现和河流下切侵蚀导致黄土高原沟谷发育,阶地形成, 地表起伏加大. 在黄河出现之后,相继出现渭河,泾河,灞河,洛河等河流. 这一阶段仍处在冰期,气候寒冷,发育了离石黄土,包括了14层黄土与14层红褐色古土壤.这一阶段延续在160万年-15万年之间. 虽然这一阶段的黄土侵蚀加强了,但由于黄河尚未切开三门峡, 尚未流入华北平原,所以黄土的侵蚀限制在黄土高原内部. 4. 黄土高原侵蚀物质外流阶段 在约距今15万年前后(有待进一步确定), 黄河切开三门峡, 并流入华北平原和东海,造成侵蚀的黄土物质从黄土高原进入华北地区和东海. 由于此阶段黄河侵蚀基准面 变成了海面, 侵蚀基准面的大大降低造成了黄土高原侵蚀的加剧. 这一阶段沉积的黄土为马兰黄土和第1层红褐色古土壤. 虽然这一阶段黄土高原侵蚀加剧了,但从普遍发育了广泛分布的黄土可以确定, 当时的黄土物质堆