内蒙古沙区古土壤测年及古环境变化

内蒙古沙区古土壤测年及古环境变化

1古土壤的分类自20世纪60年代以来，全球环境发展一直受到关注。在这一背景下，中国的环境发展研究取得了巨大成功。作为预测未来环境变化的基础,古环境重建的研究一直是学术界的热点。对于古环境的重建,信息源扮演十分重要的角色。目前,主要信息源包括冰芯、深海沉积、湖泊沉积、黄土沉积、古生物、环境考古及历史文献记载等,其中历史时期在地表的沉积物或岩石经过物理、生物和化学风化形成并被较新的沉积物覆盖埋藏的土壤———古土壤因其丰富的信息记录受到了广泛关注。古土壤是指形成于过去自然景观下的土壤,主要形成于第四纪时期,偶见于第三纪地层中;且更早时期的古土壤一般均已石化,不再称为古土壤。前人研究表明,地层中保存的古土壤大致可分为3种类型:埋藏型、埋藏剥露型和残余型,其中埋藏完好的古土壤包含着土壤形成时的古气候、古植被、古地貌、沉积环境状况以及指示地层时代化石的环境信息。中国具有大片的黄土、沙漠和沙地,这些地区也是古土壤的重要分布区,而内蒙古沙地中多层埋藏古土壤发育吸引着众多的研究者,本文试图对该地区沙地古土壤的研究成果进行梳理,探讨古土壤所记录的环境变化,为沙区古环境演化和全球变化的区域响应的深入研究奠定基础。2沙漠化土地在陆性气候区的分布内蒙古自治区位于中国北部,横跨东北、华北和西北。地理位置为37°24′—53°23′N,97°41′—126°04′E;跨经度28°52′,长2400km,跨纬度15°59′,宽1700km,土地总面积为118.3×104km2;属大陆性季风气候区,年平均气温分布的总趋势是从东北向西南递增,年降水量在50~450mm,年日照总时数在1400~3024h。内蒙古自治区是中国荒漠化和沙化土地最为集中、危害最为严重的省(区)之一。沙漠化土地分布于全区12个盟90个旗(县、市、区),全区有荒漠化土地0.622×108hm2,沙化土地0.416×108hm2,有明显沙化趋势的土地0.181×108hm2,分别占全国的24%、24%和57%。境内主要有巴丹吉林、腾格里、乌兰布和、库布齐四大沙漠和毛乌素、浑善达克、科尔沁、呼伦贝尔四大沙地,此外,在阴山北部地区分布有大面积的风蚀沙化土地,在沙漠和沙地外围还分布有许多零星沙地。在沙漠和沙地沉积中,沙丘中风成砂层与砂质古土壤层的变换是沙漠、沙地不同程度的逆向过程的直接或间接标志,指示区域的气候变化。3内蒙古沙区沙棘/沙地的形成演化第四纪是中国现代沙漠主要形成期,也是沙漠形成、演化进程中的一个全新的时期。地质学家的研究证实,地质历史时期,地球上的确不止一次地出现过干旱气候环境,尤其第四纪冰期时期,干旱寒冷的环境下,地球的中低纬度地区出现大片沙漠,中国大部分沙漠也出现在这一时期。国外对第四纪古风成砂已有较多研究,20世纪80年代董光荣等发现鄂尔多斯高原第四纪古风成砂,推动了中国沙区沙漠/沙地形成演化的研究。古风成砂或古沙丘是指早在现代风成砂出现以前,地质时期风力作用所形成的砂质沉积物。作为地质时期沙漠形成演化的直接或间接标志,第四纪早、中期古风成砂在中国一些主要沙漠都已见到。因此,古风成砂的研究是中国内蒙古沙区沙漠/沙地的形成演化的良好切入点。沙漠形成的直接证据是沉积记录中稳定出露的风成砂沉积层。研究表明,内蒙古沙区沙漠/沙地普遍形成于第四纪早期(表1)[16,18,19,20,21,22,23,24,25]。其中,乌兰布和沙漠较年轻,形成于早中全新世约7kaBP,它是在吉兰泰古湖逐渐衰退、干涸和沙漠化的基础上发展起来的,其形成受吉兰泰古湖演化和区域干旱气候的影响。浑善达克沙地形成于晚第三纪,较其他沙地早。4内蒙古沙区古土壤记录新世环境变化4.1砂区古土壤层的发育古环境信息载体年代的确定是恢复古环境的关键指标之一,可靠的测年方法一直是研究地质历史时期最关键的一步。目前用于沙丘砂和古土壤测年的方法主要为14C和释光。陈振英对中国沙区的相关样点砂质古土壤进行14C年龄测定,统一了相关地区的年代,为诸多研究者提供对照标准。古土壤发育是沙区气候暖湿条件下,作用于风成砂之上的固定生草成壤的结果。内蒙古沙漠/沙地经历不同时空尺度的气候旋回变化,砂质古土壤层从晚更新世到最近百年都有发育,但主要集中在全新世。统计内蒙古沙区不同沙地古土壤年代(表2),显示剖面底层古土壤年龄普遍在10kaBP左右,顶层古土壤年龄则普遍在1kaBP左右,全新世中期是古土壤集中发育时期。4.2沙区环境演变在自然背景下,气候变干将导致沙漠的扩展,反之气候变湿则使得沙漠缩小,沙丘固定,古土壤发育。在空间上,沙漠/沙地的演化是风成砂质沉积在一定时间内的生长、消亡和空间上的扩张、缩小过程。因此,古风成砂-古土壤沉积序列是区域气候、地质、生物等综合作用的产物。古风成砂的存在,是沙漠曾经活动、发展的证据。相反,砂质或弱砂质古土壤的发育,是生草成壤过程直接作用于风成砂上的产物,是气候相对湿润、沙漠曾经缩小、风成砂堆积过程减弱甚至停止、固定的直接标志。在时间上,沙漠环境的变化表现为流沙出现、扩大与固定、缩小乃至生草成壤相交替的波动式发展过程,这使得古沙区第四纪地层在纵向上具有古风成沙-古土壤互层的特征。根据沙区主要沙漠/沙地的古土壤发育年代记录,可以在一定程度上认识内蒙古沙区环境演化历史。本区主要沙漠在全新世古土壤发育不明显,只是在全新世气候适宜期才见少量弱发育古土壤。巴丹吉林沙漠全新世沉积以砂质黄土为主,除全新世大暖期在砂黄土上发育弱古土壤外,并无明显成壤过程。腾格里沙漠在全新世最佳期固定成壤,约在8.09±0.13kaBP开始发育古土壤,6~5kaBP大部分固定成壤。乌兰布和沙漠形成于早中全新世的7kaBP前后,而且其沙漠环境一直持续至今。根据已有文献[24,26,31,32,33,37,38,39,40,41,42,43,44,45,46,47,48,49,50,51,52,53,54],借鉴裘善文等、Yang等的统计方法,统计区内主要沙地古土壤测年数据(含14C和释光测年数据,且14C数据均已校正,方法见:http://intcal.qub.ac.uk/calib/),再将校正后测年数据以1000年为单位统计其次数并计算其频率得出直方图。全新世本区主要沙地则发育1~5层厚度和成熟度不等的粉砂质和砂质古土壤(图1),构成与黄土、风成砂互层沉积的地层构造。全新世又称为冰后期,以最后一次冰期结束、气候转暖为标志。其年代下限在各个国家的标准不一致,中国普遍接受将10kaBP作为全新世的开端。中国全新世气候变化经历了早全新世升温(10~7kaBP)、中全新世的大暖期(7~2.5kaBP)和晚全新世降温(2.5kaBP以来)3个阶段。根据古土壤发育年代,结合全新世分期,可将研究区全新世古土壤发育分成3个时段(图2):全新世早期(10.0~8.5kaBP)古土壤弱发育期。该时段古土壤发育频率低于5%,且古土壤类型多为弱砂质古土壤。据李智佩等研究,全新世早期中国北方沙区普遍处于由干冷逐步转暖阶段,主要表现为干冷气候。从年代统计数据来看,该时段毛乌素沙地、浑善达克沙地、科尔沁沙地基本无明显古土壤发育。但是,呼伦贝尔沙地在该时段却发育了较成熟的古土壤,成为该沙地全新世以来最早的古土壤。可见,在全新世早期,沙地环境并不完全相同。自20世纪90年代以来,呼伦贝尔高原中沙地湖泊及湿地的环境效应研究逐步深入,初步确定沙区湖泊对局部小气候具有一定的影响。地处呼伦贝尔沙地西部的呼伦湖是东亚非季风气候向季风气候过渡的边缘地区,区域环境演变对季风气候变化的响应敏感。因此,末次冰期以来的全球增温效应在呼伦贝尔沙地响应明显,表现为全新世早期风沙活动减弱、古土壤发育较区内其他沙地明显。全新世中期古土壤发育鼎盛阶段(8.5~2.5kaBP)。该时段古土壤发育频率介于5%~15%,明显高于早期。其中,呼伦贝尔沙地在2.5~3.5kaBP古土壤发育频率达到12%,较其他时间段显著偏高。全新世气候最适宜期,本区有多层古土壤发育且发育较成熟,同时各沙地都能见到该期古土壤。施雅风等根据敦德冰芯δ18O值确定全新世大暖期年代范围为8.5~3.0kaBP,大暖期时期,气候总体温暖湿润,但并不是一直维持暖湿时期,同时存在短暂波动,是暖湿与冷干时期交替出现。比较本区主要沙地全新世中期阶段古土壤发育情况,发现古土壤发育与风成砂互层沉积体系表现为:存在多层古土壤与风成砂发育,古土壤发育层厚度较风成砂大,发育的时间间隔小。这不仅说明全新世中期本区气候总体暖湿,古土壤发育明显,也进一步佐证了在全新世大暖期气候存在明显波动。晚全新世古土壤发育阶段(2.5kaBP以来)。该时段古土壤发育频率变化较大,可能和全新世晚期降温期气候的明显波动有关。姚檀栋等对敦德冰芯记录的研究表明,3kaBP左右是过去5kaBP年中气候变化的一个界限,在此之前,气候较温暖,此后开始变冷,加上人类强烈干扰,沙地环境趋于恶化。根据测年统计,约在0.5~1.5kaBP本区沙地地层普遍发育砂质古土壤,反映当时气候较为暖湿。此时岱海出现温暖事件的记录,即中世纪暖期。尽管在姚檀栋等的古里雅冰芯研究结果中没有明显的中世纪温暖期记录,但有研究指出,存在由于地理因素差异造成的中世纪暖期在东部表现明显而西部表现不足现象。与泥炭δ18O序列、湖泊沉积物记录等研究结果类似,内蒙古沙区沙地古土壤发育存在中世纪暖期记录。5古气候变迁及文化序列内蒙古地区除了广泛分布的沙漠/沙地的风成砂-古土壤沉积序列,还有泥炭沉积,湖泊沉积等环境演变信息载体。研究表明,这些信息载体所记录的内蒙古沙区全新世环境状况与区内古土壤所记录的具有较好的趋同性。察素齐泥炭沉积剖面的定量花粉分析揭示本区中部地区全新世以来气候变迁主要经历了凉-温-暖-温-凉的序列。具体为:9.1~7.4kaBP干冷;7.4~5.0kaBP激烈波动,前期温干,后期温湿;5.0~4.1kaBP气候温暖湿润;4.1~1.35kaBP趋于干旱;1.35kaBP至现在,气候温和半干旱,处在人类强烈干扰之下,其中,7.4~4.1kaBP为温暖期,5.0~4.1kaBP为最适期。苏志珠等以毛乌素沙漠南缘湖沼相沉积剖面的地层沉积相划分和测年为基础,通过地球化学元素和孢粉等气候指标分析,得出该区古气候变迁序列为:12~10kaBP气候转为暖湿;10~8.5kaBP以温湿为主;8.5~3.0kaBP温暖湿润;3.0kaBP后气候趋于半干旱。内陆湖泊过去湖面变化能够反映气候的干湿变化,诸多研究显示内蒙古沙区湖泊湖面变化所记录的全新世气候变化与沙地古土壤所记录的气候变化具有较好的吻合度。黄旗海的湖面变化表现为:早全新世为湖泊开始扩张时期,高于现代湖面,中期扩张更明显,以后湖面下降有回升,此后在波动中持续下降。张振克等指出呼伦湖湖泊沉积反映的湖面波动与风沙-古土壤堆积的时间序列及其反映的气候变化存在明显相关关系(表3)。从表3可以看出:湖面上升、湖泊扩张与古土壤发育阶段大体一致,代表气候相对湿润的时期;湖面下降、湖泊萎缩阶段大致与风沙堆积期相当,代表气候相对干燥的时期。其中,13~3kaBP期间湖面波动与风成砂-古土壤序列有较好可比性。自然环境的演化记录和影响着人类活动、人类文明的发展进程,同时人类文明的兴衰变化都有深刻的环境背景。内蒙古沙区古气候、古环境变化等方面的考古资料研究是砂质古土壤反映沙区古环境演变研究的重要佐证。杨志荣等对内蒙古自治区内数千个考古遗址古文化特征及人类活动进行研究,确定该区全新世以来较高分辨率的年气温变化序列。人类活动与环境演化之间存在着显著的相关关系,在温暖湿润期,人类文明发展,如仰韶文化(8.0~5.0kaBP)和青铜器文化(4.0~3.5kaBP)的繁盛,这为在古土壤剖面中存在陶片、化石等古人类活动提供佐证;同时,由于气候环境突变、剧变甚至是灾变,人类文明进程受挫甚至出现文化断层,如5.0~4.0aBP和3.5~3.0aBP西辽河流域2次出现文化断层。本文试通过研究阐明土壤是人类生存的根基,古文化发展与区内古土壤环境变化具有显著的相关关系,因此,沙区古土壤是反映古气候、古环境变化的重要环境信息载体。6结论和期待6.1内蒙古沙区更新期气候特征内蒙古沙区作为中国北方沙区的重要组成部分,其全新世环境演变研究为中国沙区古环境演化和全球变化的区域响应的深入研究奠定基础。1)由古风成砂研究所指示的内蒙古沙区主要沙漠/沙地形成时间普遍在第四纪早期的早中更新世,同时,存在一些差异———乌兰布和沙漠形成于早中全新世。2)根据古土壤测年数据的内蒙古沙区全新世环境变化分为3个阶段:全新世早期(10~8.5kaBP)升温阶段,气候以干冷为主;全新世中期(8.5~2.5kaBP)气候适宜期,古土壤普遍发育,同时存在短期干冷波动;全新世晚期(2.5kaBP以来)降温期,气候逐步干冷,部分沙地气候波动频繁,形成古土壤。3)内蒙古沙区古土壤发育与区内泥炭沉积、湖泊沉积、湖面变化等揭示的暖湿环境阶段相对应,共同揭示本区全新世环境演化。6.2古土壤资源及化学特征的研究1)系统测年的需求迫切。中国内蒙古沙区沙地古土壤地层是风成砂与砂质古土壤互层的沉积序列,决定了其测年方式的复杂性。由于缺少系统可靠的年代数据和适宜于沙漠/沙地古土壤沉积序列的研究方法,前人对内蒙古沙区晚第四纪沙地古气候及环境变迁的认识存在较大争议。虽然陈振英在20世纪90年代对中国沙区相关样点进行14C年代测定,并做了统一标准,但只是部分样点,仍不够完善。靳鹤龄等在研究浑善达克沙地全新世气候变化时,对采取的年代样品古土壤进行有机碳14C年龄测定,风成砂则进行热释光年代测定。赵华等研究科尔沁沙地全新世风沙沉积物及风沙活动年代学时,对沙丘砂、古土壤和相关沼泽沉积物样品采用粗颗粒石英单测片蓝光释光测年技术和程序进行沉积年龄测定,同时对5个沼泽沉积物和富含有机质的古土壤样品进行14C年龄测定。因此,对于不同地区的样品需要选取正确的测年方法才能获取正确的年代数据。可见,虽然不少研究者研究了内蒙古沙区沙漠/沙地的形成时代,但不同研究者对沙漠/沙地的演化活动及其年代框架的认识存在差异。这一方面是研究区本身的差异,如不同研究者所选择观测的地点或剖面不同;另一方面即使是同剖面不同研究者使用的研究方法不同,如沉积物测年方法,有14C与释光的差别,同时还有早期和晚期测年数据的精度差异。此外,由于沙区沙地古土壤测年数据不够系统,常常以点带面,导致不同研究者的认识差异,如对沙丘活动与气候变化的关系的不同认识。因此,有必要对该区域的古土壤开展系统的年代学研究。2)沙区古土壤地球化学分析的系统研究。古土壤是发育于地质历史时期,之后被较新的沉积物覆盖埋藏的土壤。古土壤具有空间和时间等多重信息,能反映流域或区域的古景观、古地貌、古水文特征,可以揭示地质时期的古环境,继而可作为重建全球范围的古气候变化历史的重要信息载体。目前,中国尚缺乏一个广为接受的古土壤分类系统,成岩作用对古土壤特征的影响以及古土壤记录的古环境信息机制与解译等方面也还需要深入探讨。内蒙古沙区天然出露的古土壤较少,一般出露于公路修建、砖厂等人工开挖的断面。特别是沙地古土壤,大部分被风成砂所掩埋。因此如何正确辨别沙地古土壤是沙区沙地古土壤研究的重要问题。沙地古土壤鉴别问题首先表现为如何辨别古土壤、如何选择研究剖面。鉴别古土壤的主要标志包括野外形态特征、微形态特征、地球化学特征等。孙福庆等最早进行古土壤地