陕西歧山黄土剖面大暖期气候变化

陕西歧山黄土剖面大暖期气候变化

过去，人们认为新世的气候和环境是稳定的。但是从1990年代后期以来,格陵兰冰芯尘埃浓度变化记录,非洲季风区内陆湖泊水位变化记录,以及美国SantaBabara深海岩芯沉积记录都显示全新世气候水文状况并不稳定,曾经有较大幅度的频繁变化。在世界范围有越来越多证据表明,全新世气候也是波动变化着的。过去,关于黄土高原地区全新世研究比较少。近年来在黄土高原北部、西部和南部都发现了比较复杂的全新世风成黄土和古土壤层系,从中获得的高分辨率的气候变化代用指标,对于阐明最近一万年来季风气候变化和人类活动影响问题具有重要意义。本文通过对陕西歧山全新世黄土剖面的研究,揭示关中西部半湿润——半干旱地区全新世出现的一些重要的气候水文事件。1丙二醛剖面的地层结构陕西歧山NGZ剖面34°27′N,107°45′E位于关中盆地西部、北山南麓的周原黄土台塬面,海拔高度大约700m。由于砖瓦厂取土在大范围揭露出的剖面厚度超过5m。剖面下部的马兰黄土十分典型,其上为厚度3.7m的全新世黄土古土壤序列。受砖瓦厂生产活动影响,该剖面地表大约15cm的疏松耕作层缺失。在NGZ剖面各个层次发育稳定,分层界限都很清楚。对于NGZ剖面的地层学、土壤学描述如表1所示。从地层描述分析可知,该剖面黄土为黄橙色调(10YR,或者7.5YR),粉沙质地,块状结构,比较疏松;古土壤为红棕色调(5YR),粘土质粉沙质地,棱块或者棱柱状结构。下层古土壤(S02)比之上层古土壤(S01)的成壤强度要大些。另外,剖面在下层古土壤(S02)底界面之下出现细小的洪积沙砾,是黄土台塬表面发生洪水的记录。在剖面280~265cm和215~200cm发现红陶、烧土和木炭碎屑,联系到周原地区的考古文化发现,这两个层位分别被确定为前仰韶文化(8000~7000aBP)和仰韶文化早期(6500~6000aBP)。这样就为我们建立NGZ剖面的年代序列奠定了良好的基础。根据地层学原理,参考前人在渭南和洛川剖面对全新世底界和黄土(L0)底界年代的研究,以及眉县清湫村剖面的年代序列的研究,初步确定NGZ剖面的年代序列(表1、图1)。2土壤粒度及生物风化成壤的特征为了获得较高的时间分辨率,在NGZ剖面上进行详细的地层学、土壤学研究和描述之后,从上向下每隔4cm进行连续采样。在室内对所有样品进行了系统的磁化率、全铁、有机质、粒度及碳酸盐含量测定。磁化率和粒度分析在陕西师大环境变迁实验室分析,其中磁化率使用WCL-1型磁化率仪测定,粒度分析采用比重计法。全铁、全有机碳(TOC)和CaCO3在中科院西安黄土与第四纪地质研究室分析,得到张光宇教授的指导。全铁分析采用重铬酸钾容量法,TOC采用重铬酸钾-硫酸氧化法,CaCO3使用碳酸盐分析仪采用库仑滴定法原理分析。剖面年代采用文化遗物断代法。粒度分析结果表明,NGZ剖面粗粉沙(0.05~0.01mm)含量变化在32%~52%之间,剖面中粘粒(<0.005mm)含量变化在32%~54%之间,中值粒径(Md)为6.5~8.0ϕ(图1)。剖面各种粒度指标变化与地层层序变化吻合。黄土剖面粘粒既包含风尘堆积的原生组分,也包含生物风化成壤产生的次生组分。古土壤S02和S01层位粘粒十分丰富,分别达到45%~50%和40%~45%,而各个黄土层位则以粗粉沙含量高达43%~50%为特征。粒度分析也证明黄土层为粉沙质地,古土壤层为粘土质粉沙质地,总体具有粘性黄土区的普遍性特征。剖面的全铁含量变化在4.0%~6.0%,在古土壤(S02)和(S01)层位出现两个显著峰值。而最低值出现在马兰黄土(L1)、黄土夹层(Lx)和顶层黄土(L0)层位(图1)。“全铁”指样品中能够形成各种铁氧化物、硫化物等的自由Fe2+和Fe3+。因此黄土中全铁含量变化与含铁硅酸盐矿物的风化分解程度密切相关,因此它可以有效地指示各个层位的成壤强度。在黄土高原成壤强度主要受东南季风带来的降水量变化控制,因而全铁含量变化可以作为东南季风强度的指标。作为反映样品铁磁性矿物含量的磁化率,在NGZ剖面的变化与全铁含量变化很吻合。磁化率曲线在古土壤(S02)和(S01)层位出现两个明显的峰值,分别达到150×10-6~200×10-6和130×10-6~150×10-6SI。各个黄土层位磁化率出现低值。黄土剖面磁化率变化被认为与当地受东南季风控制的降水量的变化密切相关。NGZ剖面CaCO3含量变化巨大。在马兰黄土中高达15%~20%,在黄土Lx和L0层位也高达4%~6%。在古土壤(S02)和(S01)层位含量分别低于0.5%和2%,可见古土壤的形成过程风化淋溶作用十分显著。在上层古土壤(S01)中部出现的CaCO3峰值,应当是其被黄土L0覆盖以后淋溶淀积的次生碳酸盐,宏观表现为白色假菌丝体。黄土和黄土类土壤的有机质含量通常都比较低。在NGZ剖面TOC含量变化明显(图1),尤其是古土壤(S02)含量高达1.0%~1.2%,反映当时生物成壤作用强烈。而马兰黄土中则低达0.3%~0.5%,反映受到当时冰期干旱气候限制,生物成壤作用很微弱。3全新世大暖期前后的气候代用变化在黄土高原南部常见的全新世黄土剖面厚度大约1.5m左右,含有一层古土壤(S0)。在波状起伏的原面和丘陵,由于各个不同时期的土壤侵蚀,全新世黄土剖面会更薄。有时在S0的中部常会发现一些新石器时代仰韶文化遗物或者其碎屑,在S0的顶界也会见到先周、西周文化层或者文化遗物。但是在一些原面和阶地面地形平坦或者略微下凹的区域,全新世时期几乎没有受到明显的侵蚀,黄土剖面厚达2.5~3.5m,古土壤S0表现为两层。岐山NGZ全新世剖面正是具有这样的特征。它包含着丰富的环境演变和人类活动信息。根据经典的全新世变化三段划分方案,全新世早期(11500~8500aBP)为升温期,中期(8500~3100aBP)为大暖期,晚期(3100~0aBP)属于降温期。NGZ剖面底部CaCO3含量的突变,精确界定了全新世的底界应当在355cm位置,年代相当于11500aBP。从古土壤(S02)下部到古土壤(S01)顶部(325~40cm)代表全新世中期的大暖期;35cm以上的黄土(L0]和表土(TS)属于全新世晚期的降温期。综合各种气候变化代用指标,NGZ剖面从马兰黄土顶部(355cm)到全新世古土壤(S02)下部(325cm)属于全新世早期的升温期。古土壤(S02)当中全铁高峰与磁化率和粒度高峰值的错位,表现游离态铁在成壤过程发生向下的淋移。所以在古土壤(S02)底部突然出现全铁峰值,也许并不能表明全新世初期季风气候是突然变得温暖湿润了。从这种意义上来说,粒度、磁化率和TOC曲线下部的变化,也许更为真实的表现出从晚更新世结束到全新世开始,西北季风变弱,东南季风增强的实际状况。从剖面底部的古土壤(S02)底界出现洪水沉积组分来看,在全新世初期在大暖期即将到来之际,北山山麓古洪积扇区域(即沙砾石来源区)的雨水洪流曾经到达黄土台塬表面。无独有偶,在关中盆地东部秦岭北麓黄土台塬阶地区的渭南北庄村晚更新世全新世剖面,在这个层位也有洪水记录。由此看来,在全新世大暖期到来之前的洪水现象在关中盆地具有普遍性。虽然从前仰韶文化时期(8000~7000aBP)人类就在当地焚毁森林,进行旱作农业生产活动。仰韶文化早期和先周西周时期,周原曾经是重要的文化中心。但是,人类活动并没有从根本上改变受季风气候演变控制的黄土沉积和风化成壤的过程。因而剖面黄土和古土壤层次仍然十分清晰完整,各种实验分析得到的气候代用指标曲线上的变化也与之很吻合。从各项气候代用指标曲线分析,NGZ剖面325~40cm包含古土壤(S02),黄土Lx和古土壤(S01)三个层段,都是在全新世大暖期所形成的。这里,一个最显著的特点是作为全新世大暖期标志的古土壤S0发生分裂,中间出现黄土夹层(Lx)。这不仅在野外剖面宏观上表现出来,而且为粒度,全铁,磁化率、CaCO3和TOC含量等气候代用指标所进一步证实。根据综合分析对比,该黄土夹层的校正年代确定为6000~5000aBP。这表明在该区域全新世大暖期并不是一个稳定不变的、连续的温暖湿润期,其间存在着一个风力堆积旺盛的气候恶化阶段。由于这个阶段形成的黄土Lx当中CaCO3含量高,磁化率、全铁和TOC含量低,反映风化淋溶作用和生物活动都很微弱。因而穿插在全新世大暖期当中的这个气候恶化阶段,以显著的气候干旱化为特征。关于这个阶段的气候恶化,在北半球有着多方面的证据。施雅风教授曾经总结中国全新世大暖期的气候变化,认为在6000~5000aBP气候波动剧烈,环境条件较差,况且天山乌鲁木齐河源冰川发生了推进(未校正14C年代5380±150aBP)。崔海亭教授发现内蒙古大青山在校正年代6000~5000aBP时期气候干旱寒冷,并且有冰缘活动。Denton等曾经确定在校正年代5800~4900aBP时期全新世出现第二个新冰期。O′Brien等对于格陵兰Summit冰芯的研究表明,在冰芯年代6100~5000aBP时期,陆源风尘浓度大大增加。我们也许可以推论,在校正年代6000~5000aBP时期,东亚西北季风的气候效应加强了;亚洲内陆荒漠地区显著的干旱化,黄土高原风力堆积加速;全球风系可能发生某些变化,格陵兰冰芯中的陆源风尘也许就含有来自亚洲内陆荒漠的成分。由于这个干旱阶段的存在,全新世大暖期就可能包含了两个主要的暖湿期,即8500~6000aBP和5000~3100aBP,其中前者是大暖期当中最为温暖湿润的时期。NGZ剖面古土壤S01与黄土L0的界限年代大约3100aBP。这里风成黄土覆盖土壤的现象表明周原土壤发生退化,全新世成壤期结束。黄土堆积本身就指示着风尘堆积加速和尘暴频度和强度增大,气候表现为干旱化。这毫无疑问是由于西北季风势力增强所造成的。全新世时期作为冰后期,在关中盆地驱动成壤作用的主要因素首先是降水量变化,其次才是气温变化。以岐山NGZ剖面的粘粒/粉沙比作为代用指标,可以显示出周原全新世降水量变化过程和主要的气候水文