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1.引言
中国黄土(注:
本文中,中国黄土包括黄土层和古土壤层)是最丰富的第四纪时期地质环境演化的信息库。
它记录了240万年以来中国大陆的古气候、新构造运动、古地理等多方面的变化过程和重大地质事件;
同时,它也记录了与全球古气候、古环境演化进程同步开展的全过程。
因此,中国黄土成为记录全球变化的最正确地质信息标志,在时间和空间上都为全球变化研究者提供了非常难得而又十分有益的条件。
所以,国内外的研究者,对中国黄土做了大量的工作,使中国黄土研究的深度不断提高,不断获得新的认识。
中国北方黄土高原风成沉积物序列具有粒度细、沉积速率高、连续性好等特征,是蕴含古地磁场和古气候信息最为丰富的晚新生代陆相沉积物。
作为惟一时间跨度大、连续性好的陆相沉积记录,中国黄土也因此与深海沉积物和极地冰芯一起构成国际古全球变化研究的三大支柱。
中国黄土系统地记录了第四纪乃至中新世以来亚洲内陆连续的气候变化历史、地磁极性转换以及地磁漂移,利用黄土与古土壤序列重建过去的全球变化是我国在世界上独具特色的研究领域之一。
[1]
2.中国黄土一古土壤序列与古全球变化研究
2.1全球变化的研究意义
全球变化科学对提醒人类赖以生存的地球系统运转的机制、变化规律及人类活动对地球表层环境系统的影响具有重要的意义。
全球变化的研究是以地球系统为研宄对象,研宄人类赖以生存的地球系统的过去,现在和将来。
在经济飞速增长与人口、资源、环境压力并存,
各种自然灾害、人为灾害事件频发的当今世界,全球变化己经成为各国学者科学研究的最热门的课题之一。
由于全球变化对人类社会具有的潜在影响,甚至威胁,世界各国都积极开展过去全球变化研究,根本目标是要预测未来的全球环境变化、评价这种变化对人类社会的影响、以及人类应该釆取如何的应对措施。
人类为了预测未来的全球变化,必须对过去的全球变化有一个深入的了解。
只有了解了过去的全球变化规律,才可能预测未来的环境变化。
第四纪以来的过去全球变化最受人瞩目,因为这段地质历史时期距离现代最近,各种气候记录保存良好;
提醒第四纪以来的全球变化,最有可能对人类所关心的未来全球变化提供有价值的参考。
人类对过去全球变化的研宄己经有很长的历史,深海沉积、极地冰芯和中祎度黄土被认为是第四纪古环境三大支柱记录者,世界各地的专家、学者己经对之提取到了不同时间尺度、不同分辨率的环境信息载体并展开了大量的全球变化研究。
深海沉积具有分辨率较高,时间跨度长,且通过沉积物中的粉尘粒度变化和有孔虫的记录,可以指示特定的气候事件。
对研宄全球气候变化的规律有着十分重要的意义。
早在上世纪七、八十年代,国外学者就对深海积物进展了研宄,对布容世以来气候旋回划分了详细的旋回阶段,并且建立了氧同位素变化曲线将深海氧同位素记录与中国第四纪黄土序列进展比照,研究说明,氧同位素的冰期旋回及风尘堆积速率与XX黄土剖面间有很好的线性相关性,即间冰期深海风尘堆积速率下降时对应于高磁化率的古土壤层;
反之,冰期时对应于磁化率低的黄土层。
极地冰芯以其分辨率高、记录时间长、信息量大和保真度髙等特点也成为过去全球变化研究的重要载体之一。
2.2土壤在全球变化中的意义
从土壤圈与整个系统关系看,其功能有以下几个方面:
(1)对生物圈:
支持和调节生物过程;
提供植物生长的养分、水分与适宜的物理条件;
决定自然植被的分布与演替。
但土壤圈的各种限制因素对生物也起不良影响。
(2)对气圈:
影响大气圈化学组成,水分与热量平衡;
吸收氧气,释放CO2、CH4、H2S、N2O等,对全球大气变化有明显影响。
(3)对水圈:
影响降水在陆地和水体的重新分配;
影响元素的表生地球化学行为,水分平衡、分异、转化及水圈的化学组成。
(4)对岩石圈:
作为地球的“皮肤〞,对岩石圈具有一定的保护作用,以减少其遭受各种外营力破坏;
与岩石圈进展互为交换与地质循环(图1)。
图1 土壤圈的地位、内涵、功能及研究趋向
〔引自赵其国,1991〕
土壤圈作为地球系统圈层的组成局部,它在上述全球性环境变化中,主要反映在土壤全球变化对世界全球变化的影响。
具体表现为:
(1)通过土壤圈与其他圈层间的物质交换,影响土壤全球变化。
例如,土壤圈与生物圈通过养分元素的吸收、迁移与交换,对植物凋落物组成与演替发生影响。
如热带雨林、热带季雨林及热带稀树草地之间的有其特定的元素迁移顺序,并随迁移顺序的改变而相互交替;
土壤圈与岩石圈主要通过不同母质发育土壤的元素迁移与物质循环影响成土过程与根本特征,南方地区土壤中B、Mn、Co、Pb、Ti、Zn、Zr等元素淋失大于积累,而Ba、Cr、Cu、Ni那么相反;
土壤圈与水圈物质循环是通过水分对土壤圈元素的迁移表现的,大陆年径流量为370×
1014L,每年从陆地流失的化合物为4000×
108t,说明对环境变化影响显著;
土壤圈与大气圈是大量气体及痕量气体的交换。
(2)通过全球土被在时空上的演变,如土壤形成过程及土壤性质等的变化,引起土壤全球变化。
例如在土壤资源形成中,在稳定的自然环境下,水、气、热状况的改变较平稳,其利用状况良好,在侵蚀条件下,土壤表层丧失,肥力减退,而在积累状况下,由于不断受火山及冲、堆积物的覆盖,土被资源永远处于幼年阶段。
(3)通过人为活动对土壤圈的强烈作用,对土壤全球变化及至生存环境发生影响。
这种表现为:
一是人为砍伐森林,加剧水土流失,过牧过垦及城市建立等条件下,土地构造随之发生变化。
如人类干扰前,世界林地60×
108hm2,1954年减至40×
108hm2,近30年每年减少800×
104hm2。
二是土壤资源利用不当、管理不善及陡坡过垦,使土壤出现侵蚀化、沙化、沼泽化、盐渍化及土壤肥力不断贫瘠化等土地退化现象,进而影响整个生存环境。
三是硬水稻田、沼泽及湖泊的利用,产生了CO2、N2O、CH4、H2S等痕量气体对全球增温有显著影响。
由此可见,土壤圈在全球变化中的作用,主要是通过物质与能量循环影响植被的形成,土壤的发育,水质的变化与气体的交换;
通过土被时空变化,影响土地资源的利用与稳定性;
通过人为活动影响土地构造、土地退化及温室效应气体的释放。
所有这些变化,都是全球土壤变化与生存环境变化的重要方面。
2.3黄土--古土壤在全球变化中的作用
黄土古土壤系列所指示的气候变化与深海沉积氧同位素曲线所显示的气候变化非常类似,而且随着科技进步,各种环境替代性指标不断出现,研宄的精度不断提高,对第四纪气候变化的阶段划分不断更细,因此,对环境变化的研究提取可靠的环境替代性指标至关重要,通过这些指标提取环境信息是环境演化研宄的根本支柱。
所以详细研宄中国黄土地层所包括的环境信息,能够恢复第四纪古气候古环境演化历史。
近年来,磁化率、粒度、地球化学、磁组构等作为环境替代性指标,对黄土古土壤系列进展了研宄,建立了我国一系列的黄土研宄剖面,以及第四纪以来的古环境变换模式对重现第四纪气候环境研宄起着重要的推动作用。
[2]
2.3.1粒度
沉积物粒度的形态、大小、组构、来源等是大地构造环境、气候及动力因素相互作用的结果,因此,黄土粒度指示环境意义明确,对气候变化反映敏感,由于沉积物的粒度特征与沉积环境有着密切的关系,通常,粒度是第四纪黄土古土壤研究中被用于不同沉积物成因类型的判别和搬运动力条件的研宄[3]也是常用于提取古气候信息的指标粒度的测量方法简单,因此对于黄土粒度的研究是地质工作者研究气候变化、反演古环境的重要方法之一,有着广泛、深入的研究和应用。
我国西北的黄土处于戈壁、沙漠的外围,和戈壁、沙漠有着不可分割的关系。
孙继敏等研究了50万年来毛乌素沙漠的变迁历史,风成砂是沙漠环境的标志沉积物,是干旱多风的气候产物,黄土是第四纪沙漠或沙地外围的风成粉尘沉积,与风成砂同期异相,它一般出现在沙漠下风向的生草环境。
综上,沉积物的粒度主要受搬运介质、搬运方式及沉积环境等因素的控制,从黄土粒度分布中可以别离出具有全球及区域气候意义的颗粒组分,其中较粗颗粒含量的变化与东亚冬季风强度的变化呈正相关,它具有全球气候意义;
较细颗粒含量的变化与恰恰之反相关,较细和细颗粒组分含量的变化可能与较粗颗粒的风化成壤作用强度的变化及沉降量的变化相关。
黄土的粒度差异主要受黄土物源区范围的变化及搬运黄土颗粒的冬季风强度的影响,因此,通过分析沉积物的粒度参数和曲线分布形式,可判断沉积物当时的沉积环境和气候特征及物质来源。
2.3.2磁化率
风成物质的黄土其本身携带的磁性颗粒可以忽略不计,且在间冰期的成土作用也不能生成新的磁性物质,黄土古土壤中的磁性颗粒主要由火山喷发后的尘埃及宇宙物质所奉献,而且它们的堆积通量在千年尺度上是不变的,即黄土的沉积速率不变。
但是从土壤发生学分析来看,这与实际情况是明显不符的,因为黄土沉积速率要比古土壤大几倍,而且伴有较强成壤时期的沉积连续,甚或侵烛。
沉积物是在特定的沉积环境中形成的,记载了环境条件的变化,其所携带的磁性矿物的磁性与其物源及形成与保存的环境密切相关,因此,可以根据其对环境的灵敏反映和记录的稳定性等特定的磁学性质来推断相应的地质与环境过程,故磁化率作为表征物质磁学特征的物理量,能够判断样品记载的环境变化信息、分析古气候变化规律及其细节、推断样品形成过程的环境条件、为古环境研宄提供可靠的磁学证据。
磁化率的高值对应着暖湿的气候类型,而磁化率低值对应着干冷的气候类型,也说明黄土是在气候相对冷干的时期,经历了较弱的风化作用和成土作用而形成的,磁化率值相对较低。
古土壤形成于气候相对暖湿时期,经历了较强的风化和成土作用,磁化率值相对较高。
2.3.4地球化学
在黄土化学风化方面,国内外学者对其在表生风化过程中及黄土风化成壤过程中的迁移演化规律进展了研宄,在区域古气候环境恢复和重建研宄方面取得较大成果,成为区域环境演变研究中较理想的替代指标[4]另外,元素在表生环境中具有不同的地球化学行为,气候越潮湿,风化作用与机械搬运作用愈强,化学风化时一些碱及碱土金属元素容易迁移淋失,较不活动元素的迁移能力越大。
近代第四纪环境和古气候学的开展并取得了重大的成就,几乎都与地球化学有关,如深海氧同位素记录与冰期多旋回理论,极地冰芯气候信息的提取,以及大洋洋流和高原隆升与新生代气候演化动力学机制理论的提出,几乎都依赖于地球各个圈层的地球化学过程。
因此,重视和加强地球化学的研宄将对地质环境学的开展和古环境的研宄起到关键作用。
3黄土研宄中存在的问题
随着科技进步和多方位的研究进展,第四纪黄土古环境的研宄正向着多学科多元古环境替代指标、高分辨率古气候研究、气候变化的多种驱动因素等方面开展。
从一般意义上来讲,环境变化指标是衡量环境变化及环境变化幅度的标尺和根基,其作为用以反映区域差异、时序变化的标准不应该过多地受地域或时间的限制,且环境变化指标的形成机制也必须经得起
更多学科的验证。
但是,就目前黄土一古土壤反映环境变化的情况看,许多指标尚难具备这些条件。
如前述古土壤磁化率增强的机制比拟复杂,多种假说并存,使磁化率在古气候意义的解释上分歧较大。
粒度参数和曲线变化虽然提醒了不少环境变化的信息,但由于受实验室条件的影响,粒度的前处理方法和测试方法的不统一,也在一定程度上限制了不同地点全球、地域变化规律的比拟和鉴别。
针对上述问题,一些学者用地球化学指标如Rb/Sr等建立了东亚夏季风的变迁历史,但Rb/Sr指标指示的某些古土壤层的成壤强度与洛川剖面的土壤学研究结果也有差异。
另外,沉积物序列时间标尺的建立是第四纪环境研究中极其重要的一项内容,因为对古环境变化的研宄,必须建立在一定的时间根底之上。
只有建立在一样的时间标尺的情况下,才能对不同地区的同一环境事件进展分析比拟,从而分辨出全球性或区域性事件。
另外也只有对同一位置、不同时连续面的事件进展分析比照,也才有可能去探讨其环境变化规律。
因此,无论对任何一个地区古环境的研宄,都必须预先对时间标尺进展建立。
但到目前为止,由于绝对测年方法如热释光、ESR等尚不成熟,相对断代如古地磁、粒度年代、海陆比照、古土壤断代、轨道调谐等仍占主导地位,尤其是古地磁定年目前被公认为是较成熟的方法之一。
总之,随着研宄的逐步深入,逐步完善,人们发现中国黄土分布旳范围不断扩大,黄土沉积的时间不断被证明进一步延伸,黄土中所记录的气候事件不断被发现,黄土的物质组成及来源逐步被明了,黄土与东亚季风的关系不断为众多研宄者所承受,黄土的成因理论不断开展完善,黄土中含有的其它环境信息正在被探索,在黄土研究中多指标多学科的相互印证是非常有效的方法,但各指标的通用性及黄土年龄的准确确定是黄土研宄XX需解决的问题,有待更多的科研工作者进展更深入的研宄。
【参考文献】
[1]X兰生方修琦.全球变化.高等教育
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Luetal.,2001;
鹿化煌等,1999
[4](Dasch1969;
GalletetaL,1996,1998;
陈骇等,1998,2001;
X连文等,2002;
李福春等,2003;
庞奖励等,2001,2003)
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