云南东部沙区成壤阶段的选择

云南东部沙区成壤阶段的选择

沙漠是气候的产物，中国的沙漠在很大程度上是亚洲季风气候的产物。它的发展与风的循环变化密切相关。在冬季寒冷的冬季风速强烈，夏季风速减弱的时期，沙漠的出现、扩大、颠倒，形成一层土壤。如果将中国现代季风气候的北部边界定义为夏季的极端位置，则可以确定中国西北部毛乌素沙漠、腾格里沙漠和共和国盆地沙区的位置为季风气候边缘（图1）。特点是对季风环流变化的反映更加敏感,以在最近一万年交替发育分辨率很高的风成砂—黑色砂质古土壤序列为最突出特征.有关该区的沙漠研究成果已有很多,作者也曾对毛乌素沙漠的形成演变问题提出过见解.但对全新世部分的研究仍很不够,难度主要在于以往未能发现保存完整的理想剖面.本文将在对近年发现的几个剖面研究的基础上,再现一万年以来的沙漠演化过程;重建沙漠演化模式;简单追述亚洲季风环流的变化历史.1风成砂与砂体的交替演化沙漠地区地层中风成砂的存在是沙漠曾经活动、发展的标志;砂质古土壤是生草成壤过程直接作用于风成砂之上的产物,是沙漠曾经缩小、固定的直接标志.所以,风成砂与砂质古土壤交替出现,构成的沉积序列即是沙漠演化的真实记录.以下分区叙述:1.1ca元素含量变化的古土壤背景风成砂与黑色砂质古土壤交替沉积,其中东南部地区的古土壤有1—5层,内部及西北部地区有1—4层.典型剖面选自东南部边缘榆林城北约2km的三道沟.三道沟剖面底部为马兰黄土.以上是连续发育的由6层风成砂与5层黑色砂质古土壤交替分布的沉积序列,厚9.2m(图2).其中最下一层古土壤(y2)和最上一层古土壤(y10)发育较弱,呈淡黑色.中间三层(尤其是y4)发育比较成熟,粘粒成分显著增加,质地紧实,富含有机质,呈深黑色.风成砂为灰黄色,结构十分松散,几乎完全未受后期化学风化作用的影响.只是每层风成砂的近顶部因受上覆古土壤的污染,颜色略为发黑.y11为现代半固定沙丘.该套堆积在周围数公里内都可见到,特征十分相似.各层古土壤的有机14C年龄如图2所示.使用MS2型Bartingon磁化率仪在野外以每间隔5cm水平测一组数据,取平均值绘出磁化率曲线.从图2中可以看出,磁化率曲线的低谷段与风成砂层一一对应,反映堆积时期气候干冷,而且更盛者是最下2层;磁化率曲线的峰段与古土壤层一一对应;反映发育时期气候暖湿,最高峰处在中间3层——大约5300aB.P.,4800a.B.P.和4300a.B.P.前后.9560±160a.B.P.前后的磁化率曲线表现为低峰对应于y2弱成砂质古土壤,证明全球气候转入冰后期,直到此时的气温和降水条件达到发育弱成古土壤的程度,流沙活动初次减缓,或部分固定.约在7500—4000a.B.P.间为全新世最佳期,4000a.B.P.之后气候向干冷方向发展.同时我们对三道沟剖面进行系统采样作了粒度和化学分析(化学分析结果见表1).从图2可以看出,右方的5条曲线除个别点外,几乎与磁化率曲线完全同步.证明测定的磁化率值及所反映的古气候信息以及分析结果所包含的古气候信息是可靠的.粒度分析结果表明古土壤中小于0.05mm的粉砂和粘粒成分显著增加而致使标准差系数增大.SiO2:Al2O3和SiO2:Fe2O3曲线的变化规律则表明风成砂堆积时期是以干冷的物理风化作用占主导地位;古土壤发育时期为化学风化作用代替,使其Al和Fe以氧化物形式增加.CaCO3在古土壤中的含量高于风成砂中的变化规律与我们近年所作的大量分析结果十分一致,而与已知的黄土——古土壤中的变化规律相反。这显然与Ca元素本身的化学性质和区域性气候条件的差异有关.Ca是活动性中等或较强的元素,从气候条件分析,过渡型气候即半湿润特别是半干旱气候对Ca的富集是有利的.当我国黄土高原堆积黄土的时候是半干旱草原环境,所以Ca元素富集,致使CaCO3含量增高;但在发育古土壤的时候是湿润森林草原环境,Ca元素更多的被溶解迁移,致使CaCO3含量相对降低.西北部的沙漠地区则不然,当在风成砂堆积时期基本是干旱的荒漠环境,化学活动作用几乎停止或很弱,不利于Ca元素的富集.在发育古土壤的时候变为半干旱草原-半湿润疏林草原环境,Ca元素富集,使得CaCO3含量增高.从图2中的CaCO3曲线看,最高峰对应于y11现代半固定沙丘,而且现代毛乌素沙漠属半干旱干草原环境,这与Ca元素在半干旱气候条件下最容易富集的性质完全吻合.对应于y4,y6和y8的次高峰可能反映当时为半湿润气候条件。另外,我们近年还获得毛乌素沙漠低洼区在全新世早期普遍发育的河湖相堆积的年龄在10500—9500a.B.P.间的资料,和黑色砂质古土壤的年龄分布在6200—5100a.B.P.间、4300-3500a.B.P.间、2700—2300a.B.P间及1600—1100a.B.P.间的资料.尽管在这些年龄段的古土壤中仍存在或多或少的风成砂夹层,但基本代表了几个主要的成壤期.其中前3个年龄段的古土壤可分别视为与三道沟剖面中y4,y8和y10同期的产物.而且证明三道沟剖面缺失1600—1100a.B.P.间发育的古土壤。孢粉分析结果证明全新世早期的河湖相物质和古土壤发育时期由草原向疏林草原景观发展;最佳期为疏林草原景观;晚期又向草原方向发展1.至此,可以归纳出:毛乌素沙漠自末次冰期开始大规模发展.以10500a.B.P.在低洼区普遍出现河湖相堆积标志着转入冰后期阶段.但气候条件尚未达到发育古土壤的程度,沙漠仅在水域面积范围内固定缩小,广大地区流沙仍在活动.自9560±160a.B.P.开始连续交替发育了程度不同的6层砂质古土壤,证明毛乌素沙漠在最近一万年的发展过程中曾经历了6个被缩小、固定的阶段.其中出现在最佳期的3个阶段,使其大部甚至全部固定成壤.现今沙漠的发展开始于1100a.B.P.之后,与本区自公元九世纪之后干旱年份出现的次数不断增加的研究结论完全吻合.1.2古土壤成壤期的特征共和盆地现代流沙区同样是古沙丘密集分布区,而且古沙丘的范围面积远大于现代流沙面积.据我们近年的研究,它们主要开始形成于晚更新世后期.全新世阶段发育的黑色砂质古土壤一般保存有1至2层,多则可达4层与风成砂相间分布.通过14C测年选出4个剖面(图3).图3中的剖面1和剖面2的最上层古土壤靠近现代生草层而受到新生碳污染,所以测年偏小.其余年代数据均在毛乌素沙漠的主要成壤期范围内,可以大体对比.孢粉分析结果反映古土壤发育时期为温凉灌丛草原和草甸草原环境.另外,对南部山前贵南凤凰山马兰黄土之上的粉砂质黑色古土壤经14C测年为9470±100a.B.P..同时参考青海湖哈拉力剖面相同层位近底部的年龄是10290±120a.B.P.,取10300a.B.P.为该层古土壤开始发育的年龄,亦视为该区全新世开始的年龄.上述资料表明:10300a.B.P.开始进入冰后期,至9470±100a.B.P.前后在海拔3200m以上的边缘山前地带的黄土之上发育古土壤.但此时盆地内的风沙活动尚未停止,似乎显示气候的暖湿状况还未达到足使流沙固定的程度.同时可能反映该区垂直自然带气候变化的特点.7080±90a.B.P.前后以来相继发育了6层砂质古土壤,显示流沙曾被6次固定.而且在3500±160a.B.P.前仅约3500年的时间内发育了4层,证明此阶段沙漠处于以固定成壤为主的过程中.约在3500a.B.P.之后气候开始向干冷方向发展,古土壤出现的频率大为降低.1.3拉水剖面的对比从调查结果和测年看,只有两层黑色砂质古土壤.由于后期的强风力作用,或者风蚀已尽,或者被流沙埋压,目前已很少保存或暴露.但从考察看,在现今腾格里沙漠平坦地或丘间低地普遍残存的灰白色钙质根套(无机14C年龄为5610±80a.B.P.)正是产自砂质古土壤中的蚀余堆积.证明古土壤曾在腾格里沙漠很多地方发育.两个代表剖面见图4和图5.在团不拉水剖面的砂质古土壤表部发现厚15cm的人类灰烬层,14C年龄为7420±140a.B.P.,在附近丘间地发现石制刮削器、石斧等文化遗物.孢粉分析结果显示古土壤发育时期是以蒿属和藜科为主的草原景观.从中发现少量桦属花粉,似乎证明有木本植物点缀.这两个剖面表明,腾格里沙漠在8090±130a.B.P.开始发育古土壤.因为钙质根套的年龄为5610±80a.B.P.,与图5中古土壤的年龄吻合,证明此时的腾格里沙漠至少被大部固定.根据采样位置估算,应处于6000—5000a.B.P.间.约5000a.B.P.以后沙漠再次开始充分发展.以上分别重建了各个沙漠的演化过过程.统观全区,特别需要指出的是三道沟剖面中的y4是在毛乌素沙漠分布最普遍、厚度最大、发育最为成熟(特别是中上部)的古土壤,时间约为7500—5000a.B.P.;与此相应,腾格里沙漠在约6000—5000a.B.P.被大部固定成壤.由此可以认为,6000—5000a.B.P.是我国季风区西北边缘的沙漠在最近一万年间出现的统一成壤期.此时应是该区全新世最佳期中气候条件达到的最湿润阶段.自毛乌素沙漠到腾格里沙漠普遍出现疏林草原-草原景观.2生物带的沉积演化综合上述,在最近一万年我国季风区西北边缘的沙漠主要都经历了流沙活动、扩大与缩小、固定成壤的两相组合式有序波动演变过程.这既改变了一万年前尤期是早—中更新世毛乌素沙漠和共和盆地沙区以风成砂—黄土一古土壤(褐色砂质古土壤和粉砂质古土壤)以及河湖相沉积等相互交替、上下叠覆的更为复杂的演变过程,2.也不象位于西部极端干旱区的沙漠未发生过固定成壤,只存在单一的流沙活动过程.根本原因是:(1)一万年前以毛乌素沙漠和共和盆地沙区存在的风成砂与褐色古土壤说明该区的生物气候带大幅度摆动于干冷荒漠与暖湿森林草原之间,使风成砂、黄土及砂质古土壤和粉砂质古土壤在不同时间的同一地点或同一时间的不同空间都有堆积和发育的机会.而一万年以来虽经冰后期转暖阶段,但以发育疏林草原、灌丛草原或草原型的黑色古土壤说明,其暖湿程度远不及以前,生物气候带只作小幅度摆动,使其沉积类型及发展过程相对单调;(2)早期毛乌素沙漠所在的东南洼地和共和盆地在构造上曾经一度较周围山地稳定甚至下沉(如晚更新世的萨拉乌苏组堆积时期和早—中更新世的共和组堆积时期),从而形成了厚逾几十米和几百米的河湖相堆积.后来由于随着周围山地的整体抬升,使其河流水系不断下切,至全新世期间沙漠所在的区域依不同阶地面算已高出河流水面几十米至几百米不等.其结果:一方面使河流的堆积作用已不存在;一方面以河水为潜水面的地下水位相应降低,而与地下水互补的湖泊、沼泽也陆续缩小、解体甚至完全疏干.最终使全新世期间的河湖相沉积分布范围十分有限;(3)由于沙漠在首先经历了末次冰期的大规模发展后,根本改变了以前的地面物质组构格局,即前述各类沉积物镶嵌分布的格局.广为覆盖的的松散风成砂既大大降低了地表的结持力,也为后来的屡次活动准备了更充分的物质条件.使其在每遇干冷期的风沙流运动中就地取材,捷足先登,迅速破坏植被形成新的风成砂堆积,从而排斥了黄土的堆积机会;(4)本区不及西部沙漠地区干旱.就腾格里沙漠而言虽在传统上已被划到贺兰山以西的干旱荒漠带,但它处在该带的东部边缘位置,具有一定的荒漠草原性质,现代年降雨量最高可达200mm以上,仍较极端干旱区湿润.更重要的是本区受季风控制,服从于季风规律,西部极端干旱区则受西风影响,两者有着根本不同的性质.从古土壤的发育有强弱之别,测年资料不能完全对应,风成砂出现的地层位置不尽一致;结合风沙流在运动过程中的极不稳定性等特点;以及考虑区域性小环境条件的影响,所谓固定与活动亦非绝对.而应是当沙漠固定期尤其是弱成壤阶段继续存在流沙活动,如在高大沙丘的顶部;同样道理在沙漠活动期有固定或半固定沙地存在,如在一些丘间地.目前处于活动阶段的该区沙漠具有的流沙与固定、半固定沙地同时并存的格局,正是长期演化特征的真实写照.只是腾格里沙漠的固定程度较差.这种固有的随机演替规律虽不起主导作用,但往往赋予一些地区的风砂堆积或成壤作用连续性.在空间上古土壤的发育有着明显的自东向西的方向性,共和盆地还表现有自上而下的方向性.如毛乌素沙漠最早出现的弱成古土壤(9560±160a.B.P.)仅限于东南部边缘地区;腾格里沙漠到最佳期才固定成壤;共和盆地首先出现在山前地带等.无疑,流沙是依古土壤的退出或停止发育而自西向东出现和扩大.这与现今沙漠的季节性变化规律完全一致.由此可见,时间上风成砂与砂质古土壤波动交替、承袭穿时,空间上东侵西撤是最近一万年我国季风区西北边缘沙漠演化的特有模式.3夏季风环流形势演变冰期气候波动导致的亚洲季风环流的变化控制着沙漠的出现、扩大与缩小、固定.风成砂砂质古土壤沉积序列的时空分布状况是季风气候变化历史的真实记录,在一定程度上反映了夏季风的盛衰史.以三道沟剖面为标尺,结合其余毛乌素沙漠的古土壤年龄范围资料和腾格里沙漠古土壤的年龄资料考虑,约在9600a.B.P.,8000—5000a.B.P.,4800a.B.P.,4400—3500a.B.P.,2800—2300a.B.P.和1600—1100a.B.P.前后发育的砂质古土壤和相应的磁化率高峰段落,指示了程度不同的6次夏季风环流强盛即温度特别是雨量较高的时期.更盛者是6000—5000a.B.P.,4800a.B.P.和4300a.B.P.前后.鼎盛期是600