黃土古土壤記錄的極端氣候事件

黃土古土壤記錄的極端氣候事件

0土壤古土壤的演化過(guò)程中國(guó)的黃土古土壤序列是過(guò)去2.5年ma古廟氣候變化的一個(gè)連續(xù)記錄。目前關(guān)于黃土與深海氧同位素地層的對(duì)比關(guān)系除少數(shù)細(xì)節(jié)外,基本為學(xué)術(shù)界所廣泛接受。黃土古土壤序列與深海氧同位素記錄整體上有較好的對(duì)比關(guān)系,而全球冰量變化則被認(rèn)為是控制黃土堆積的一個(gè)主要因素。北半球夏季太陽(yáng)輻射量的變化也被認(rèn)為是東亞季風(fēng)氣候的一個(gè)主要驅(qū)動(dòng)因素,它對(duì)黃土中古土壤的發(fā)育有較強(qiáng)的控制作用。然而,黃土古土壤序列和深海氧同位素記錄之間也存在一些重要差異,其中發(fā)育程度較高的、反映極端暖濕環(huán)境的土壤S4、S5-1和S5-3及反映極端干冷氣候的砂黃土L9和L15在深海氧同位素記錄中沒(méi)有明顯反映。它們由于具有特殊的形態(tài)特征而被廣泛用作黃土區(qū)地層對(duì)比的標(biāo)志,但對(duì)于這些極端氣候事件所代表的區(qū)域和全球性意義一直有不同看法,其所代表的氣候變幅也有待進(jìn)一步研究。本文主要基于對(duì)渭南、長(zhǎng)武和西峰1.2Ma以來(lái)黃土古土壤的研究來(lái)探討:(1)上述土壤和黃土單元所反映的環(huán)境狀況及代表的氣候變幅;(2)它們的區(qū)域或全球性意義;(3)可能的驅(qū)動(dòng)因素。1粘土膠膜的成土作用西峰、長(zhǎng)武和渭南現(xiàn)代年均溫分別是8.3℃、9.1℃和13℃,年降水分別為560mm、590mm和650mm。圖1是3個(gè)剖面磁化率與深海氧同位素記錄及反映北半球太陽(yáng)輻射變化的ETP曲線(xiàn)的對(duì)比。西峰剖面的時(shí)間標(biāo)尺是在磁性地層控制點(diǎn)的基礎(chǔ)上用磁化率年齡模型內(nèi)插而獲得,長(zhǎng)武和渭南剖面的時(shí)間標(biāo)尺通過(guò)與西峰磁化率曲線(xiàn)對(duì)比獲得。西峰及渭南剖面古土壤的Munsell顏色代碼及微形態(tài)特征列于表1。在1.2Ma以來(lái)的整個(gè)序列中,S4,S5-1,S5-3和S13古土壤代表紅化程度最高的土壤(表1)。在西峰地區(qū),它們的色調(diào)可達(dá)5YR,而同一剖面的其它土壤只有10YR或7.5YR。渭南地區(qū)的S4,S5-1色調(diào)高達(dá)2.5YR。這些土壤的細(xì)粒物質(zhì)富含更多的紅色鐵氧化物微粒(2~5μm甚至更細(xì)),表明紅色與這些鐵的微粒密切相關(guān)。在3個(gè)剖面中,S4,S5-1和S5-3完全脫鈣,且含有大量粘土膠膜(表1)。在顯微鏡下,粘土膠膜呈紅棕色。與其它土壤相比,這些土壤含更多的細(xì)粒物質(zhì),指示了更強(qiáng)的成土作用。盡管S13紅化程度較高,但不含粘粒膠膜。古土壤的風(fēng)化強(qiáng)度可以通過(guò)游離氧化鐵(FeD)和全氧化鐵(FeT)的比值來(lái)更好地反映。圖2是根據(jù)長(zhǎng)武與西峰2000多個(gè)樣品分析獲得的一條復(fù)合w(FeD)/w(FeT)曲線(xiàn),可用來(lái)定量反映黃土區(qū)古土壤的風(fēng)化強(qiáng)度,其中游離鐵用CBD方法分析獲得。可以看出,S4,S5-1,S5-3屬于所研究序列中風(fēng)化強(qiáng)度最大的土壤。在現(xiàn)代間冰期條件下,黃土高原地區(qū)從秋末到春初的土壤平均溫度低于0℃,土壤的風(fēng)化強(qiáng)度主要取決于夏季的溫度和降雨量。粘土礦物的X射線(xiàn)衍射分析表明,西峰S4、S5-1和S5-3均由伊利石、高嶺石、綠泥石和蒙脫石組成,S5-1中的蒙脫石更多些。渭南的上述土壤中有更多的蒙脫石,伊利石的結(jié)晶度更低。這些結(jié)果表明粘土礦物主要是2∶1型礦物。據(jù)渭南古土壤Bt層的3個(gè)樣品的粘粒(<2μm)化學(xué)分析,S4、S5-1和S5-3中SiO2/Al2O3分子比值分別為3.42、3.04和3.41,表明這些土壤沒(méi)有經(jīng)歷顯著的脫硅富鋁化過(guò)程。土壤的紅化過(guò)程是相對(duì)暖濕環(huán)境的象征。季節(jié)反差明顯時(shí),紅化更為明顯。這與黃土高原季風(fēng)氣候的季節(jié)性是一致的。S4、S5-1、S5-3古土壤的強(qiáng)烈紅化作用表明當(dāng)時(shí)比現(xiàn)在的平均狀況更溫暖。這些土壤中的粘土膠膜特征通常被認(rèn)為是闊葉林土壤的證據(jù)。粘土膠膜的強(qiáng)烈紅化是亞熱帶、熱帶環(huán)境比較典型的特征[2。0,21〗綜合上述特征,我們認(rèn)為這些土壤是森林草原土壤,在發(fā)育時(shí)大部分時(shí)間以草原植被為主,在氣候適宜時(shí),會(huì)有較高的森林覆蓋率。在西峰和長(zhǎng)武,它們可大致被歸為聯(lián)合國(guó)土壤分類(lèi)系統(tǒng)中的LuvicKastanozems到ChromicLuvisols,近似于一些其它分類(lèi)系統(tǒng)的紅棕壤。在渭南可歸為ChromicLuvisols,大致與粘淀富鹽基棕紅壤相當(dāng)。我們估計(jì)S5-1的年均溫比現(xiàn)在高約4~6℃,年降雨量增加200~300mm。對(duì)于黃土高原南部(渭南),其溫濕狀況與目前的長(zhǎng)江流域類(lèi)似,降雨?duì)顩r與目前的淮河流域類(lèi)似。與S5-1相比,S4和S5-3代表的環(huán)境稍干一些。如果根據(jù)磁化率轉(zhuǎn)換函數(shù)粗略估算,西峰和長(zhǎng)武的S5-1代表的年均溫約14℃,平均年降雨量約800mm(圖3),而渭南土壤的高磁化率超過(guò)了該轉(zhuǎn)換函數(shù)的有效范圍。S4、S5-1和S5-3古土壤代表了1.2Ma以來(lái)3個(gè)最暖濕的時(shí)期。由于黃土高原氣候主要受季風(fēng)控制,所以這些極端暖濕事件可作為夏季風(fēng)增強(qiáng)的證據(jù)。渭南土壤的粘粒膠膜、Fe-Mn特征、細(xì)粒物質(zhì)比西峰和長(zhǎng)武豐富,表明當(dāng)時(shí)黃土高原最南部的降雨增多尤為突出。這可能意味著季風(fēng)雨帶(所謂的“梅雨帶”)每年影響的時(shí)期相對(duì)較長(zhǎng)。現(xiàn)今這條雨帶每年從六月初到七月初到達(dá)并停留在長(zhǎng)江淮河流域(在中國(guó)南部26°~34°N之間),導(dǎo)致該區(qū)綿長(zhǎng)而持續(xù)的雨季。2不同黃土單元的微結(jié)構(gòu)及年降雨在野外黃土地層劃分中,過(guò)去所稱(chēng)的“砂黃土”層L9和L15因具有質(zhì)地明顯偏粗、塊狀結(jié)構(gòu)、灰白色(10YR8/2-4)、易崩塌特點(diǎn)而常被作為巖性地層劃分的標(biāo)志。L9由3部分組成,較粗粒級(jí)的上部、下部(分別與深海氧同位素22和24期對(duì)應(yīng))和較細(xì)粒級(jí)的中部(與深海氧同位素23期對(duì)應(yīng))。數(shù)個(gè)黃土剖面粒級(jí)變化的測(cè)量表明,L9和L15是2.5Ma以來(lái)最粗粒級(jí)的黃土,粗粉砂(25~50μm)的比例與其它黃土層相比顯著增大,顯微鏡下估計(jì)一般達(dá)45%~60%,在其它黃土單元?jiǎng)t大約為30%~40%;砂粒物質(zhì)(12%~15%)比其它黃土單元(8%~10%)稍富。L9和L15只有很少孔隙和生物活動(dòng)的遺跡。碎屑碳酸鹽的形態(tài)相對(duì)新鮮,基質(zhì)中含有大量圓或半圓狀集合體(60~300μm)。這些集合體由不同粒級(jí)的顆粒組成,故稱(chēng)假砂粒。中國(guó)西北部及中亞的沙漠是黃土的源區(qū),且粉塵主要是經(jīng)西北冬季風(fēng)傳輸運(yùn)移的,所以,黃土粒度的變化主要取決于冬季風(fēng)的強(qiáng)度和距源區(qū)的距離。因此,L9和L15代表了冬季風(fēng)的加強(qiáng)及沙漠的向南擴(kuò)張。其中微弱的生物活動(dòng)表明當(dāng)時(shí)植被稀疏,不能為土壤動(dòng)物群提供足夠的有機(jī)質(zhì)。假砂粒微結(jié)構(gòu)指示了黃土在堆積后又遭受風(fēng)蝕搬運(yùn),也表明其形成時(shí)地表植被覆蓋度很低,風(fēng)力強(qiáng)盛?；|(zhì)中相對(duì)新鮮的碎屑碳酸鹽表明年降雨量很少。L9和L15代表了一種荒漠—半荒漠的景觀,說(shuō)明當(dāng)時(shí)風(fēng)力作用較強(qiáng)。根據(jù)呂厚遠(yuǎn)等的磁化率轉(zhuǎn)換函數(shù),年均溫約為1.5~3℃,平均年降雨量為150~250mm(圖3)。這與目前東北內(nèi)蒙古地區(qū)的景觀可以對(duì)比。值得注意的是,盡管這3個(gè)地點(diǎn)現(xiàn)代氣候狀況很不同,但L9和L15的微形態(tài)特征與磁化率卻很相似,表明當(dāng)時(shí)黃土高原氣候梯度很小?？梢哉J(rèn)為,在這些黃土單元堆積期間,夏季風(fēng)很少影響黃土高原地區(qū)。3北大西洋深層流的影響全球冰量和太陽(yáng)輻射變化被用于解釋東亞季風(fēng)氣候在軌道時(shí)間尺度上的變化。然而,由S4、S5-1和S5-3所反映的極端暖濕期以及L9和L15所代表的極端干冷期既不能用全球冰量變化解釋,也不能用太陽(yáng)輻射的變化直接解釋(圖2)。深海氧同位素記錄中,與S4、S5-1和S5-3對(duì)應(yīng)的氧同位素11、13和15期的δ18O值不比其它間冰期低,指示當(dāng)時(shí)的冰量并不少于其它間冰期,且北半球太陽(yáng)輻射也并不比其它間冰期高(圖2)。因此,在S4、S5-1和S5-3形成時(shí)的極端暖濕期,其它因素對(duì)氣候起了重要的驅(qū)動(dòng)作用。洋流是氣候的重要驅(qū)動(dòng)因素。北大西洋深層流(NADW)對(duì)世界洋流起了“馬達(dá)”的作用,在水汽和熱量輸送中起了重要作用,同時(shí)也可能是控制冰期間冰期大氣中CO2含量變化的一個(gè)重要因素。新仙女木事件(YoungerDryas)及末次冰期的高頻變化都可能與北大西洋深層流的變化有關(guān)。δ13C是古洋流變化很好的示蹤物。大西洋和太平洋的δ13C梯度是估計(jì)NADW強(qiáng)度的重要指標(biāo)。北大西洋深層水具有較高的δ13C初始值,但隨著向南流入太平洋并通過(guò)與南大洋水(SOW)的混合和時(shí)間的推移逐漸變小。影響海水δ13C值的另一重要因素是陸地有機(jī)碳庫(kù)。在末次冰期以來(lái),陸地生物量的增加導(dǎo)致海洋平均碳同位素組成增加約3.2‰。由此可見(jiàn),深海碳同位素受NADW產(chǎn)率和陸地生物量共同影響,而大西洋與太平洋的碳同位素梯度則可用來(lái)反映NADW的強(qiáng)度。圖2列出了黃土復(fù)合風(fēng)化強(qiáng)度曲線(xiàn)與北大西洋DSDP552、DSDP607及赤道太平洋ODP6773個(gè)地點(diǎn)深海碳同位素記錄的對(duì)比。這3個(gè)地點(diǎn)被認(rèn)為是示蹤NADW產(chǎn)率強(qiáng)度的較好選址。S4、S5-1和S5-3土壤較高的發(fā)育程度與大西洋和太平洋較高的δ13C值吻合(圖2)。太平洋RC13-110孔也清楚地記錄了這些δ13C高值。上述深海鉆孔的高δ13C值表明,中國(guó)黃土記錄的極端暖濕期不是局部現(xiàn)象,而有明確的全球性反映,且可能影響了當(dāng)時(shí)海陸碳庫(kù)的格局。這種對(duì)比同時(shí)表明,上述土壤較高的發(fā)育程度不是時(shí)間因素所致,而是氣候影響的結(jié)果。大西洋和太平洋之間的碳同位素梯度可用作NADW強(qiáng)度的標(biāo)志。當(dāng)DSDP552和607孔的δ13C值接近、大西洋和太平洋之間的δ13C值差異較大時(shí),表明NADW強(qiáng)度較大。圖2表明,在S4和S5-3形成時(shí)期,大西洋—太平洋之間的δ13C梯度比過(guò)去1.2Ma任何其它間冰期都大,說(shuō)明NADW的強(qiáng)度較大。Oppo等認(rèn)為,NADW的強(qiáng)度在氧同位素11期特別大。在S5-1形成期間,大西洋和太平洋的δ13C比任何其它間冰期都高,而δ13C值的梯度不是特別大,可能是用上述3個(gè)鉆孔低估了該時(shí)期NADW的強(qiáng)度,因?yàn)镽C13-229(南大洋)和太平洋V19-30、ODP677之間的對(duì)比表明:在氧同位素11和13期,太平洋和南大洋δ13C值的差異明顯比其它間冰期大,說(shuō)明NADW的強(qiáng)度很大。L9和L15分別與深海氧同位素22~24和38對(duì)應(yīng)(圖2),這些時(shí)期正好是大西洋與太平洋δ13C值梯度最小的時(shí)期,表明NADW產(chǎn)率很低。因此,我們的研究結(jié)果表明,中國(guó)黃土古土壤序列記錄的兩類(lèi)極端氣候事件與NADW強(qiáng)度的變化相吻合,S4、S5-1和S5-3所代表的極端暖濕期對(duì)應(yīng)于NADW的增強(qiáng)期,而L9和L15所代表的極端干冷期與NADW最弱的時(shí)期相吻合。這表明,北大西洋深層流強(qiáng)度變化是影響東亞季風(fēng)氣候的重要因素,且這種作用同時(shí)體現(xiàn)于古冬、夏季風(fēng)的變化之中。4夏季風(fēng)影響顯著中國(guó)黃土古土壤序列記錄了兩類(lèi)極端氣候事件,即以S4、S5-1和S5-3土壤單元為代表的極端暖濕事件和以L9、L15黃土單元為代表的極端干冷事件。這兩類(lèi)事件的原因一直是黃土古氣候研究中沒(méi)有理解的問(wèn)題。本文的研究表明S4、S5-1和S5-3是在亞熱帶半濕潤(rùn)環(huán)境下形成的。初步估計(jì),S5-1形成時(shí)期的年均溫(MAT)和年降雨量(MAP)比目前分別高4~6℃和200~300mm。當(dāng)時(shí)黃土高原南部的年降雨量的增加最為突出,表明受夏季風(fēng)的影響十分強(qiáng)烈。每年季風(fēng)前鋒可能相對(duì)長(zhǎng)時(shí)間地穩(wěn)定在高原最南部,類(lèi)似于目前的長(zhǎng)江-淮河流域。黃土L9和L15是在半荒漠環(huán)境下形成的,當(dāng)時(shí)MAT約為1.5~3℃,MAP約為150~200mm。黃土高原氣候梯度很小,表明