黄土高原东、西部全新世火环境变化与黄土磁化率变化

黄土高原东、西部全新世火环境变化与黄土磁化率变化

碳灰是植物有机质的不完全燃烧的产物，通常通过风和水从产生区域中收集和保存。保存在土壤及其它沉积物中的炭屑具有独特的优越性,如在空间上分布广,在时间上可以提供几千年甚至几万年火的连续记录,因此炭屑被称为“火的化石”。而火的发生与当时当地的气候环境(如温度、湿度等)及人类活动密切相关,因此,本文通过对全新世3个黄土—土壤剖面中磁化率和炭屑含量的分析,试图再现黄土高原东、西部全新世时期火环境变化的信息。1剖面位置及沉积层次黄土高原大体以六盘山为界,其东是暖温带半湿润或半干旱气候区,其西为温带半干旱或干旱气候区。本文选取3个研究地点,即位于黄土高原东部的DXF-S、DXF-N剖面和位于黄土高原西部的XJN剖面(图1)。DXF-S和DXF-N剖面位于山西运城盆地东北部中条北侧夏县的洪积扇前沿地区,海拔约500m,年均温为12~14℃,年均降水量为600mm,年蒸发量达2000~2500mm。DXF-N处于东下冯古遗址所在地,DXF-S位于该遗址外围,两者相距约500m。XJN剖面位于甘肃中部黄土高原沟壑区庄浪县葫芦河流域三级阶地(寺洼文化遗址所在地),海拔1405~2857m,年均温为7.9℃,正常年份年均降雨量为450mm左右,年蒸发量为1300mm,属典型的干旱农业区。对3个剖面进行野外宏观形态特征观测,按土壤学、地层学原则对其进行详细描述并划分沉积层次和土壤发生层次(图2)。各剖面所在地土壤层次与地层学层次完整清晰,发育良好,易于识别和划分。自地表向下每2cm连续取样,DXF-S剖面、DXF-N剖面和XJN剖面分别取样205个、155个和170个。根据野外观测,结合室内分析,对各剖面进行了土壤—地层学划分。DXF-S剖面:表土层(TS),0~50cm;黄土层(L0),50~100cm;弱发育古土壤层,100~120cm;古土壤层(S0),120~334cm;过渡黄土层(Lt)和马兰黄土层(L1)在334cm以下。DXF-N剖面:表土层(TS),0~60cm;黄土层(L0),60~120cm;弱发育古土壤层,120~160cm;古土壤层(S0),160~280cm;过渡黄土层(Lt),280~350cm;马兰黄土层(L1)在350cm以下。XJN剖面:表土层(TS),0~40cm;黄土层(L0),40~100cm;古土壤层(S0),100~220cm;过渡黄土层(Lt),220~260cm;马兰黄土层(L1)在260cm以下。2炭屑数量和年龄将采集的样品在室内自然风干后,分别进行磁化率和炭屑浓度的测量。1)磁化率测量:取风干土样10.0g,研磨至土体粒径小于2mm,编号并装入塑料盒中;使用英国Bartington公司生产的MS2型磁化率仪对每个样品测3次,取其平均值。2)炭屑测量:取风干土样50.0g,采用重液浮选法分离出炭屑,然后在生物显微镜下观测和统计。其统计方法采用外加花粉法,将已分离出的炭屑样品中加入6000粒蒿子花粉,蒿子花粉和炭屑同时统计,蒿子花粉统计至250粒时所统计的炭屑数即为炭屑的测定数量;按炭屑颗粒长轴将其分为3个粒级:粗粒(>100μm)、中粒(100~50μm)和细粒(<50μm)。对炭屑的浓度加以换算,其方法为:W=A/B×C/G式中:W为炭屑浓度(粒·g-1),A为统计的炭屑数(粒),B为统计的外加花粉数(粒),C为样品中的外加花粉数(粒),G为所取土样的重量(g)。关于3个剖面的年代问题,遵照黄土地层划分的通用准则,即全新世是以马兰黄土的顶界为起点。通过野外观测和室内分析得出,DXF-N剖面位于350cm,XJN剖面位于260cm。据格陵兰冰芯氧同位素记录,目前全新世起点通用日历年代为11500aB.P.,故本文以此数据作为研究剖面全新世的起点年代。根据关中和陕北南部利用14C年代数据和TL测年确定的马兰黄土顶界年代和黄土层L0底界年代,并参照前人的研究成果,黄土高原的古土壤层S0的年龄取8500~3100aB.P.。分析结果显示DXF-S剖面220~160cm和DXF-N剖面250~210cm出现炭屑浓度峰值,由于两剖面处于东下冯古遗址所在地及外围,这些炭屑正是夏商时代人类活动所产生;参照考古学断代和14C年代数据以及有关的研究结果,可以断定其年代为3800~3500aB.P.。庄浪XJN剖面180~170cm层位和120~90cm层位也分别发现古文化遗物,经鉴定前者为仰韶文化庙底沟时期(6000~5500aB.P.),后者为寺洼文化时期(3350~2650aB.P.)。3基本粒子及炭屑浓度分布黄土剖面磁化率变化与当地受东南季风控制的降水量变化密切相关。通常黄土的磁化率值较低,而古土壤的磁化率值较高,这是因为黄土堆积时期西北季风占优势,温度和降水量较低,气候寒冷干旱,风成堆积物受次生风化改造很微弱;古土壤发育时期东南季风占优势,温度和降水量较高,气候温暖湿润,成壤强烈,铁磁性或亚铁磁性极其微小的颗粒增多。3个剖面的磁化率变化曲线上,马兰黄土L1磁化率值最低,为40×10-8~70×10-8m3·kg-1;过渡层Lt磁化率值上升幅度较大,为30×10-8~140×10-8m3·kg-1;古土壤层S0层位出现磁化率峰值,达130×10-8~230×10-8m3·kg-1;弱发育古土壤层、黄土层L0以及表土层TS磁化率值介于马兰黄土L1和古土壤层S0之间(其中DXF-S剖面表土层TS磁化率出现峰值与其所含灌溉淤积砂成分有关)。磁化率值揭示马兰黄土堆积时期气候最为干旱;全新世早期气候向暖湿过渡,但仍然相当干旱;中期气候温暖湿润;晚期气候有所恶化。炭屑浓度作为火活动的直接记录,揭示了地质时期火活动的频率、强度及其变化。分析结果表明(图2),总炭屑浓度为230~1100粒·g-1;大于100μm的炭屑浓度为5~100粒·g-1;100~50μm的炭屑浓度为10~120粒·g-1;小于50μm的炭屑浓度为210~880粒·g-1。分析3个剖面炭屑浓度曲线的变化趋势,其特点集中表现在3方面:1)在马兰黄土堆积时期和全新世早期,炭屑浓度较高;在全新世中期,除在文化时期炭屑浓度出现峰值外,该时期炭屑浓度在整个全新世居最低;而在全新世晚期,炭屑浓度大幅度增加;2)总体看,在全新世不同时期,黄土高原西部XJN剖面的炭屑含量高于东部的DXF-S和DXF-N剖面的炭屑含量;3)相比之下,粗中粒级炭屑浓度变化更为显著。4结论4.1气候、炭屑和炭屑分布沉积物中的炭屑是火的替代指标,通过炭屑的定量统计和形态分析等,可以恢复地质历史时期火发生的频率、强度及其变化。炭屑浓度高指示火活动强烈,反之火活动微弱。而气候是火发生的重要因子,气候越干旱,火发生的可能性越大,频率越高;另外,火的发生往往与人类活动密切相关,故炭屑含量的变化不仅可以指示气候变化,而且可以反映研究区人口数量和人类活动强度的变化。从炭屑传播和沉积规律看,粗粒炭屑传播距离较短,火源区距沉积区较近,而细粒炭屑传播距离较长,火源区相对较远,因此炭屑粒级大小可以反映火源区的远近。从3个剖面中各粒级炭屑浓度变化的趋势看,粗中粒级炭屑浓度变化较为明显,它对当地火活动特征的指示作用更强。4.2火活动在气候动对3个剖面中炭屑浓度和磁化率值的统计结果表明(图2):马兰黄土堆积时期(~11500aB.P.),气候干旱而不稳定,空气湿度很低,尽管该时期植被主要是荒漠草原和半荒漠草原,植被稀疏,但其燃点较低,因此该时期火活动相当频繁,地方性和区域性火频繁发生。加之此时黄土的沉积速率较快,炭屑被广泛保存。全新世早期(11500~8500aB.P.),气候由冷干向温湿过渡,气温回升,但仍相当干旱,可燃物因温度提高而变干燥,易于点燃,且生物物质积累增加,为火活动发生提供了很大可能。各粒级炭屑浓度出现峰值,表明火活动比较频繁,地方性和区域性火时有发生。正是由于该时期气候比较干旱,火活动频繁,烧失量较大,加之黄土的沉积速率较快,保存的炭屑量也较多。全新世中期(8500~3100aB.P.)是全新世最为温暖湿润的时期。虽然该时期气温增高,植被覆盖率高,但长期丰富的降水量一方面使空气相对湿度提高,导致可燃物的可燃性减小,另一方面使可燃物自身充分吸水而降低了可燃性,因此火发生的可能性很小。从各粒级炭屑分析结果看,炭屑含量是最低的,火活动总体上是最微弱的。当然,气候湿润,火发生的频率较低,烧失量小,古土壤沉积速率较慢,保存在土壤中的炭屑量较少。但在古土壤S0层位的夏商文化时期和仰韶文化庙底沟时期,古人为了生存,人为焚林、围猎、取暖、刀耕火种等,使火活动的频率提高,这标志着人类活动也是重要的火成因子。全新世晚期(3100~0aB.P.),气候向干旱化发展,植被和土壤发生退化。在此期间,气温下降,降水量减少,空气的相对湿度减小,可燃物的可燃性提高,因此在这种气候不稳定且比较干旱的时期,火发生的频率提高;另外,各粒级炭屑浓度大幅度增加表明,该时期火活动相当频繁,这不仅与干旱的气候有关,而且与人类活动的干扰有密切联系。3100aB.P.以来,由于气候条件的恶化和生产水平的提高,人类不断焚林开荒,这种大规模的生产活动导致人为火相当突出。故在气候和人类活动的双重影响下,火发生的频率高,烧失量大,而黄土的沉积速率又较快,使得保存在土壤中的炭屑量在整个全新世居最高。4.3炭屑浓度分布情况在全新世的不同时期,由于冬、夏季风界限曾发生大规模迁移,不同区域环境条件(如气候、植被等)呈现不一致性,从而导致不同的沉积环境,故炭屑含量呈现一定的区域差异性。马兰黄土堆积时期DXF-N/S剖面中总炭屑浓度为300~430粒·g-1,均值为380粒·g-1;XJN剖面中总炭屑浓度为380~690粒·g-1,均值为480粒·g-1。全新世早期DXF-N/S剖面总炭屑浓度为280~420粒·g-1,均值为330粒·g-1;XJN剖面总炭屑浓度为310~570粒·g-1,均值为430粒·g-1。全新世中期DXF-N/S剖面总炭屑浓度为230~430粒·g-1,均值为300粒·g-1;XJN剖面总炭屑浓度为300~550粒·g-1,均值为370粒·g-1。全新世晚期DXF-N/S剖面总炭屑浓度为250~640粒·g-1,均值为410粒·g-1;X