关中平原第5层古土壤风化特征研究

关中平原第5层古土壤风化特征研究

中国科学家对中国黄土和环境变化进行了大量研究，取得了显著成效。目前，中国黄土对250万人口的地文水分变化进行了详细记录，并可以作为全球陆地环境变化的重要标准[1.6]。在以往的研究中，黄土是冬季风天气的恶化和夏季土壤水分的相对温湿气候，而老土壤水土是夏季风天气的恶化。天气变化很大，罗川黄土剖面的研究表明，罗川5s是棕色的土壤。在过去的10多年研究中，中国西北部的空气堆积始于第三纪，当时气候开始干燥。然而，在研究红色古土壤风化剖面的变化深度时，仅调查了土壤侵蚀程度、土壤含水量和土壤侵蚀程度的变化。这些问题的研究不仅扩大了研究环境变化的内容，而且对加深对气候变化和古植被性质的理解起到了重要作用，对解决现有问题和意见之间的差异起到了重要的推动作用。本文在探讨该层古土壤侵蚀特征和环境变化的特点的基础上，研究了该层古土壤侵蚀特征和环境变化。1区域、剖面和方法的研究2结果2.1土壤红色黏土胶膜的分布特征关于第5层古土壤黏土胶膜分布,过去进行了一定的研究,但定量研究不够,对迁移、分布深度研究很少.黏土胶膜分布深度代表了不可溶胶体成分的迁移强度,对环境变化与淋溶强弱的指示作用比可溶化学成分迁移及其含量变化更为重要.通过野外观察和显微镜下的观察可知,该层古土壤的红色黏土胶膜分布特别,不仅在红色黏化层中大量存在,而在黏化层底界之下的黄土(L6)中也有较多分布(图2(a)~(i)),分布深度可达第6层黄土顶面之下1.8m深处.从上向下,红色黏土胶膜含量减少,分布面积变小.在L6上部0.5m范围内多为直径1~20cm或更大的不规则厚片状(图1(a),图2(a),(b)),聚集最厚者可达1~2mm,向下逐渐变为薄片状、斑点状与细条状(图2(c)~(i)).在L61.8m深度以下,一般不见红色胶膜出现.显微镜下对62张薄片的鉴定也表明第6层黄土1.8m深度之下几乎无光性黏土胶膜存在,1.8m以上光性黏土胶膜逐渐增多.第6层黄土2.2m深处S5CaCO3结核淀积层的存在和结核层之上淋滤裂隙的存在表明L6上部的胶膜来自S5黏化层(图1(a),(b)).2.2不同立地条件下黏土胶膜矿物成分对比根据宏观与微观识别相结合的方法,我们对西安东郊任家坡、蓝田田家坡、长安双竹村和宝鸡陵塬何家村该层古土壤进行了大量观察.观察结果表明,土体表面一般均为红色胶膜覆盖,只有无裂隙、孔洞发育处才无黏土胶膜覆盖.这表明该层古土壤黏土胶膜发育非常好.利用半自动显微镜图像处理系统,对所研究的4个剖面中103张薄片进行了镜下统计.统计结果表明,该层古土壤黏化层中部黏土胶膜发育很好,呈厚片状,光性较均一,含量最高可达30%(图1(c),(d)),一般占20%左右.过去对黄土中黏土胶膜的化学组成研究很少,这是由于胶膜样品难以采集的缘故.关中平原S5厚度较大的片状胶膜为我们研究其化学成分提供了良好材料.安芷生和魏兰英先生对洛川S5黏土胶膜的研究表明,黏土胶膜矿物成分主要为伊利石和蒙脱石,化学成分中SiO2占50.3%,Al2O3和Fe2O3分别占20.5%和9.7%,Na2O和K2O含量分别为0.39%和3.36%.我们所作的16块较纯的厚片状黏土胶膜样品的化学分析显示,胶膜中SiO2含量为38.64%~43.44%,Al2O3含量为22.23%~24.82%,Fe2O3含量为9.6%~12.7%,K2O含量为2.83%~3.09%,Na2O含量为0.25%~0.32%.这一分析结果显示,关中平原S5黏土胶膜中SiO2含量比洛川S5黏土胶膜中的SiO2低7%左右,Al2O3和Fe2O3含量分别高2%左右,K2O和Na2O含量略有降低.根据这一分析结果判断,西安黏土胶膜比洛川发育更好,指示的成壤作用更强.与土体样品化学成分相比,黏土胶膜具有显著富含Fe2O3与Al2O3的特征.通过对比得知,S5中黏土胶膜Fe2O3含量与南京黄棕壤铁质结核化学成分几乎相同,而Al2O3含量比南京黄棕壤高5%~7%,指示其成壤强度比南京黄棕壤强.因黏土矿物本身一般不含Fe2O3,所以红色胶膜中11%左右的Fe2O3显然是存在胶体状赤铁矿的显示,它代表了Fe2O3的迁移.为获得胶膜矿物成分的理想结果,我们对田家坡、任家坡和何家村剖面分别进行了4个厚片状胶膜样品的X射线衍射.结果表明,胶膜矿物成分以蒙脱石为主,一般占68%~80%,伊利石和高岭石各占8%左右,石英少量.这表明关中平原S5黏土胶膜主要是由新生黏土矿物蒙脱石和一定量的高岭石、伊利石构成.2.3caco3迁移深度利用气量法对所研究的4个剖面106块样品的CaCO3含量进行了分析,结果表明(图3(a)~(c)),该层土壤黏化层中CaCO3含量很低,一般都在1%以下,多数样品为0.0,在深部的淀积层中含量高,在有的剖面中达60%以上.在西安任家坡和长安双竹村该层土壤之下的L6上部2m左右厚度范围内,CaCO3含量也小于1%(图3(a)),在降水量偏多的白鹿塬东端的田家坡和宝鸡何家村剖面,该层土壤CaCO3迁移更强烈,在L6上部2.5m厚度范围内CaCO3含量都很低,2.5m以下CaCO3的含量也只有3%左右(图3(c)).如按CaCO3结核淀积层下界计算,任家坡和双竹村S5CaCO3迁出黏化层底界的距离已达2.7m,其迁出黏化层顶界的距离已达4.2m,田家坡和宝鸡何家村S5的CaCO3迁移深度比任家破和双竹村剖面更大.CaCO3是可溶成分,它比可溶的胶体成分易迁移,所以它的迁移深度比由Fe2O3和黏土矿物构成的黏土胶膜迁移深度大(图1(a),(b)).2.4古土壤中sr的迁移特性对于易迁移的元素,它们在剖面中的变化也很明显,在受淋溶的层位含量低,在淀积的层位含量高,Sr就属于这样的元素.Sr在地表活动性与钙接近.通过对所研究的4个S5剖面中106块样品的原子吸收法分析可知,古土壤黏化层Sr含量一般在40×10-4~75×10-4之间(图3(d),(e)),而在黄土和富含Sr的CaCO3淀积层中Sr含量在90×10-4~150×10-4之间(图3(d),(e)),在风化淋滤的黄土层中Sr含量与黏化层中基本相同(图3(d),(e)).Sr含量变化表明,Sr的迁移深度、淀积层位与CaCO3相同,也表明该层土壤具淋溶特征.2.5土壤的结构及土壤理化性质的变化在第5层古土壤底部之下的黄土中(L6),上部2m厚的黄土受到了风化作用的显著影响,除表现为上述的CaCO3与Sr含量很低以外,土体的风化破碎、较密集的裂隙发育也是突出的特征(图1(a),(b)).深部黄土的破碎反映了较强的风化过程.还需特别指出的是,在所研究的4个剖面中,风化黄土层上部0.5m厚度的土层变成了棕红色,这种棕红色土层仍具有黄土的结构,但不是红色黏土胶膜存在的显示,而是土层本身受到了氧化作用和产生了Fe2O3的结果.根据中国现代土壤资料可知,秦岭以北现代土壤黏化层几乎都不呈现棕红色,其下的母质层上部更没有变为棕红色风化层的现象.而在南方亚热带黄棕壤之下的母质层上部常有氧化变红的母质层发育,这表明棕红色风化母质层的发育是亚热带土壤的突出特征.棕红色风化母质层的形成需要较高的温度条件,这也是其发育在亚热带地区的主要原因.3讨论3.1土层重力水淀积的机理包气带的水分由上而下可分为重力水带、薄膜水带和包气带之下的地下潜水带.下述表明,确定重力水带分布深度具有十分重要的科学意义.根据野外观察和试验分析,我们发现CaCO3和Sr的淀积层、风化淋滤黄土层、胶膜中的黏土矿物和Fe2O3的迁移深度都有指示重力水分布深度的作用.使土层化学成分发生溶解和迁移的水主要是重力水.前人一般认为,薄膜水也能够溶解可溶盐,但其溶解作用很弱.据我们的观察,薄膜水可以溶解易溶的盐类,但对难溶的碳酸盐几乎没有溶解作用,也不具备使CaCO3发生沉淀的作用.如S5等发育好的古土壤黏化层形成之后经历了长达几十万年的薄膜水的作用,但许多古土壤黏化层中的CaCO3含量仍然为0.0.这充分证明S5的CaCO3淀积层不是薄膜水作用的结果,而是重力水溶解、迁移和沉淀的结果,而且后期的薄膜水对其没有发生作用.土层中的薄膜水是吸附水,其特点是含量低,运移速度缓慢,这是其溶解力很弱的原因.土层重力水是土层含水量大于田间持水量的条件下形成的水,黄土高原南部的田间持水量为20%,所以关中平原土层重力水带水分含量大于20%.由于土层重力水含量高,运动速度快,有时具有酸性特点,所以具有较强的溶解、迁移能力和沉淀的能力.CaCO3淀积层和元素Sr发生淀积的可能原因有2个,一是随着水溶液的向下入渗,水溶液由酸性变为碱性,含CaCO3和Sr的水溶液达到过饱和而发生沉淀;二是随着水分的向下入渗,土层含水量不断减少,当含水量低于约20%时,重力水转变为薄膜水,使水的溶解力大大降低,造成CaCO3和Sr的过饱和而沉淀.在发生沉淀的第一种情况下,CaCO3和Sr淀积层分布下界小于重力水带分布下界,在发生沉淀的第二种情况下,CaCO3和Sr淀积层分布下界等于重力水带分布下界.为得出可靠的结论,我们认为CaCO3和Sr的沉淀发生在第二种情况下,即CaCO3和Sr的沉淀发生在重力水转变为薄膜水的情况下.这种认识是保守的,但得出的结论是可靠的.这一认识表明,S5发育时重力水带分布深度至少到达了CaCO3和Sr淀积层的下界,而且可能还要更深.根据西安地区和洛川2003丰水年重力水(含量大于20%)分布深度(见后述表1)推断,S5发育时的重力水带分布深度很可能略大于CaCO3淀积层分布的下界.黏土胶膜中非可溶的胶体状Fe2O3和黏土矿物的迁移更是重力水直接作用的结果,胶体成分需要重力水向下的推动力才能发生迁移,而且需要弱酸性的条件,显然胶膜中Fe2O3和黏土矿物的迁移深度要小于可溶成分CaCO3、Sr的迁移深度.风化淋滤黄土层的形成需要较强的淋溶作用,它能更可靠地指示重力水分布.因此,上述5种指标都具有指示土层重力水分布深度的作用.关中平原4个S5风化剖面CaCO3,Sr迁移下界深度为4.2m或大于4.2m,指示当时含水量高的重力水带的分布深度至少达到了4.2m(图4).所研究的4个剖面S5之下风化淋滤黄土层分布深度都达到了3.7m(图4)或更大深度,非可溶的富含Fe2O3和黏土矿物的黏土胶膜迁移深度为3.3m左右(图4)或略大,分别指示当时重力水带分布深度大于3.7m和大于3.3m.由于胶膜中Fe2O3和黏土矿物的迁移深度要小于CaCO3迁移深度,风化淋滤黄土层的分布深度也略小于CaCO3淀积层迁移深度,所以它们指示的重力水带分布深度都应当是4.2m.虽然重力水带之下薄膜水带含水量会有明显减少,但其减少也是逐步的,所以在重力水带之下1m左右深度范围内含水量仍较高,含水量一般大于15%.这表明在S5发育时,土层4.2m范围内水分充足,含水量达到了20%以上,5m以上范围内土层水分含量都较高,也表明当时没有土壤干层发育,那时重力水分布深度比现今显著大(图4).3.2洛川表面重力水带的降水量200010如上述,关中平原土层重力水带含水量大于20%.土层含水量高的重力水在土层中持续时间长短对植被生长有决定作用.如果含量高的重力水在土层中保持时间短,也不利于森林植被的发育.为证实含量高的重力水在土层中保持的时间过程,我们从2002年开始对西安地区土壤含水量进行了监测[29~32],特别是对降水量达880mm左右的西安、临潼和洛川2003年人工林地进行了30多个6m深钻孔的采样研究.结果表明,西安和临潼2003年12月6m深度范围内土层平均含水量为20%左右,洛川6m深度范围内土层平均含水为22.3%左右.需要指出的是,2003年之前的2002年为西安地区的干旱年,年平均降水量只有406mm(比正常年的600mm少了近200mm),6m深度范围内平均含水量只有11%左右(表1),而在2003丰水年增加到了20%左右.如果连续多年降水量为800余mm,西安地区土壤剖面重力水带含水量会显著大于20%,一般应有25%以上的含水量.由于洛川地区年均温度较西安低3.5℃,蒸发较弱,而年降水量相同,所以洛川人工林土层含水量较西安地区高.一般认为,细粒土层包气带内重力水带含水量相当于饱和含水量的60%.马兰黄土孔隙度与饱和含水量为约50%,所以包气带内马兰黄土雨季重力水带含水量一般为30%左右.我们的观测资料证明了前人的认识是正确的.我们在2004年12月对相同地点进行了含水量测定,结果(表1)表明,在2004年西安地区年降水量为512mm左右条件下,经过1年的树木吸收和水分再分配,整个剖面0~6m土壤含水量平均减少了2%~3%(表1),由于丰水年积累的含水量高的2~4m水分的向下入渗,4~6m含水量有所增加.如果象第5层古土壤发育时那样每年有900mm多的降水量,那么显然土壤重力水带在每年各月一般都会有显著大于20%的高含水量.也就是说,在年降水量900余mm的条件下,在每年的绝大部分时间里,土层重力水带含水量都会明显大于20%.3.3年降水量与年蒸发量林地土壤水分平衡为:W=P-I-R-E,式中W为土壤储水量,P为年降水量,I为树冠截流量,R为地表径流量,E为土壤总蒸发量(土壤水蒸发量和植物蒸腾量之和).前人的多年观测表明,在年平均降水量600mm左右条件下的黄土高原,裸地、草地、农田和林地土壤总蒸发量与年降水量基本保持平衡,即土壤年总蒸发量与年均降水量基本相等.在年均降水量多于600mm的年份土壤水量平衡值为正值,在年均降水量少于500mm的年份土壤水量平衡值为负值.如前所述,S5发育时年均降水量达到了900余毫米,由此可以推断当时年降水量显著大于年土壤总蒸发量.一般认为,淋溶土壤发育区的年降水量大于土壤蒸发量.前述的资料表明关中平原S5为淋溶明显的土壤,也表明该层土壤发育时的年均降水量大于年土壤总蒸发量.土壤化学成分迁移深度和风化剖面特征是指示年降水量和土壤总蒸发量相对多少的可靠证据,而且还能用于判定大气降水对地下水的补给情况.土壤化学成分迁移深度越大,代表的降水量越多,化学成分迁移达到了一定深度就能够指示年降水量大于土壤总蒸发量.土壤的CaCO3淀积层迁移深度超过2m就指示土壤为明显的淋溶类型,就表明年降水量等于或略大于土壤年总蒸发量.黄土高原现代降水量偏少,土壤不属淋溶类型,所以该区年降水量一般等于或略小于土壤总蒸发量.如前面所述,S5的CaCO3淀积层迁移到了4.2mFe2O3也发生了显著迁移,显然指示当时年降水量显著大于土壤总蒸发量.由于水分平衡计算公式包括了树冠截留的雨量和地表径流量,所以在年降水量显著大于土壤总蒸发量的条件下,必然会有一部分剩余的大气降水通过入渗补给地下水.由此可以确定,在S5发育时期,关中平原年降水量显著大于年土壤总蒸发量,每年有剩余的大气降水补给地下水.3.4土壤水caco3淀积层的分布特征古土壤发育时土壤水的性质可根据土壤剖面中化学成分的迁移特点来确定.如前所述,S5黏化层中CaCO3含量很低,一些样品为0.0,S5剖面中CaCO3淀积层迁移到了4.2m的深度(图1),指示当时土壤水的溶解力较强.虽然CaCO3的迁移可以发生在碱性条件下,也可以发生在中酸性条件下,但是迁移深度达到了黏化层底界之下2m多深度的CaCO3淀积层在碱性土壤水环境中是不会发生的.在中国北方的碱性土壤中,CaCO3淀积层紧接在黏化层的底部,构成土壤剖面的一部分.在北方的弱酸性棕色森林土和南方的酸性黄棕壤剖面中,CaCO3淀积层位于黏化层底界之下1m左右深度或更大深度的母质中,也就是说CaCO3淀积层迁移深度在黏化层底界之下1m左右就能够指示土壤水是弱酸性的.因为大气降水是酸性的,所以只要确定了土壤是酸性的,那么土壤水就是酸性的.S5的CaCO3淀积层分布在黏化层底界之下2m多的深度,表明当时土壤水应当是酸性的.Fe2O3迁移深度能够提供更为可靠的土壤水性质的依据.Fe2O3的淋溶和迁移发生在弱酸性条件下,在碱性条件下不发生迁移.如碱性褐土中Fe2O3一般没发生移动,在弱酸性的棕色土中Fe2O3有弱的迁移,在酸性较明显的亚热带黄棕壤中Fe2O3迁移较明显.S5剖面中代表Fe2O3迁移的红色黏土胶膜迁移深度达到了黏化层底界之下1.7m的深度,充分证明该层土壤发育时的土壤水是弱酸性的.S5发育时每年有持续时间较长的大气降水的补给,土壤含水量较高,这是其具有酸性的主要原因.3.5关中平原5的存在,在自然、年变化、古土塬区的生长情况下,还可以确定森林植被类型的考虑,根据降水量和土壤水分状况,可以判断植被的类型.在现代年均降雨量800余mm的温暖气侯条件下发育的地带性植被均为阔叶森林.从S5发育时年平均降水量为900余mm的亚热带气候推断,当时具备阔叶林植被发育的条件.从高含水量的重力水分布深度和持续时间确定当时也具备阔叶林发育的较充足的土壤水分条件.黄土高原现在森林植被生长不良的最主要的原因是重力水入渗深度小于2m,2~4m深度范围或更大深度土层中水分不足.土壤重力水带含水量较高,在每年雨季能够得到大气降水的补充,含量可达20%以上,所以重力水带是不可能出现长期性缺水的一个带或不会出现长期性土壤干层的一个带.在地下水位埋深大的地区,树木生长主要吸收土壤中的水分,大气降水也主要通过入渗变为土壤水之后才为植物吸收利用,所以土壤水对植物生长最为关键.中国南方亚热带森林发育好的原因是重力水分布深度达到了4m或超过了4m.因为树木根系主要集中在4m以上,所以4m以上最容易出现缺水问题.如4m以上不存在缺水问题,树木对深层水分的需要就很少了,显然就已完全能够满足森林发育所需水分了.如上所述,关中平原S5发育时土壤重力水带分布深度至少达到了4.2m,当时4.2m深度范围内土层每年各月含水量一般都在20%以上,4.2~5m深度范围内水分也较充足,已完全能够满足树木生长的需要,所以当时发育森林植被是完全可能的.关于黄土中红色古土壤发育时的黄土塬区植被类型,目前存在意见分歧.根据稳定碳同位素的研究,有的研究者认为西安东郊黄土塬区80万年来的植被主要为草原和森林草原,几乎没有森林发育.有人根据黄土地层中的孢粉以草本为主、乔木花粉较少认为温湿期黄土塬上的植被以草原、森林草原为主,仅出现过短期的阔叶林.本文作者和唐克丽等则根据古土壤孢粉组合中有典型森林乔木花粉的存在认为关中黄土塬区当时植被主要是森林.吕厚远等根据植物酸体的研究认为,宝鸡S1发育时的植被以森林草原与草原为主,但在其发育的早期有森林发育,并认为在黄土塬区具有800mm以上的年降水量就会有森林发育.郭正堂等据土壤微形态研究认为渭南黄土塬区S1发育早期出现过较长时间的阔叶林,其他阶段为森林草原.唐克丽等据土壤微形态研究认为关中黄土塬区S0和S1发育时的植被为阔叶林.我们对西安黄土塬区的孢粉分析显示,黄土地层孢粉组合为不正常类型,据此恢复植被要慎重考虑,造成这种不正常的原因是朱志诚研究得出的花粉受到了菌类和CaCO3严重破坏的结果.有的研究者认为,黄土层厚度大,地下水埋深大,树木不能利用深部的地下水,不利于森林发育.然而需要指出的是,树木生长可以利用地下水,也可以利用土壤水,只要具备任一较为充足的水分来源,树木就能正常生长.所以只要降水量达到要求,不论黄土层厚度有多大,发育森林都是可能的.综上所述,虽然关于关中黄土塬区温湿期植被还存在不同的认识,但即使认为以草原和森林草原植被为主的研究者一般也承认末次间冰期和全新世温湿期曾有短期的落叶阔叶林发育.而根据土壤微形态的研究则确认以森林为主.这证明只要降水量达到森林发育的要求,黄土塬区就能发育森林植被.本文研究的是在250万年来最湿润的气候条件下发育第5层古土壤,当时年降水量达900mm以上,超过了被认为黄土塬区年降水量达到800mm就能发育森林的降水条件,当时土壤水分充足,所以那时发育森林植被是完全可能的.还需指出的是,关中平原S5红色铁质胶膜的大量形成和显著迁移需要较长的时间过程,所以当时适于森林发育的湿润气候持续过程是相当长的.古土壤发育过程较长,出现气候和植被的多阶段变化是正常的,所以关中地区S5形成时也可能出现过除森林之外的其他类型的植被.3.6不同浓度的土壤,对于目前关中平原地区的土壤,对于现代带S5古土壤的黏土胶膜呈明显的棕红色(图1(a)~(d),图2(a)~(i)),呈棕红色的黏土胶膜是亚热带土壤的特征,表明该层古土壤发育在亚热带气候条件下.风化黄土层上部为0.5m厚的棕红色风化黄土层,氧化变红的母质层在中国北方温暖地区发育最好的棕壤与淋溶褐土下部是不存在的,是亚热带土壤的可靠证据.通过S5风化剖面中CaCO3,Sr,Fe2O3,黏土胶膜迁移深度、风化淋滤黄土层分布深度与现代亚热带黄棕壤的对比可知,S5风化剖面中的这些指标比现代亚热带北缘的江苏泗洪黄棕壤分布深度要大,而且还略大于更靠南部的江苏六合黄棕壤风化剖面中同类指标分布深度(图5).由于可溶成分与非可溶的胶体成分以及母质层的风化深度各项指标均有同样的显示,所以我们得出关中平原S5发育时的气候与江苏六合基本相同.江苏六合现今年平均温度为16℃,年平均降水量为1000mm左右.由此我们确定S5发育时的年平均温度为16℃左右,年平均降水量900mm以上.这也揭示当时亚热带气候迁移到了关中平原.由于当时关中平原的亚热带气候是从南方迁移来的,显然当时秦岭以南是比关中平原更为湿热的亚热带气候,那么由此完全可以确定当时秦岭失去了亚热带与温带气候