內(nèi)蒙古沙區(qū)古土壤測年及古環(huán)境變化

內(nèi)蒙古沙區(qū)古土壤測年及古環(huán)境變化

1古土壤的分類自20世紀60年代以來，全球環(huán)境發(fā)展一直受到關(guān)注。在這一背景下，中國的環(huán)境發(fā)展研究取得了巨大成功。作為預(yù)測未來環(huán)境變化的基礎(chǔ),古環(huán)境重建的研究一直是學術(shù)界的熱點。對于古環(huán)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、深海沉積、湖泊沉積、黃土沉積、古生物、環(huán)境考古及歷史文獻記載等,其中歷史時期在地表的沉積物或巖石經(jīng)過物理、生物和化學風化形成并被較新的沉積物覆蓋埋藏的土壤———古土壤因其豐富的信息記錄受到了廣泛關(guān)注。古土壤是指形成于過去自然景觀下的土壤,主要形成于第四紀時期,偶見于第三紀地層中;且更早時期的古土壤一般均已石化,不再稱為古土壤。前人研究表明,地層中保存的古土壤大致可分為3種類型:埋藏型、埋藏剝露型和殘余型,其中埋藏完好的古土壤包含著土壤形成時的古氣候、古植被、古地貌、沉積環(huán)境狀況以及指示地層時代化石的環(huán)境信息。中國具有大片的黃土、沙漠和沙地,這些地區(qū)也是古土壤的重要分布區(qū),而內(nèi)蒙古沙地中多層埋藏古土壤發(fā)育吸引著眾多的研究者,本文試圖對該地區(qū)沙地古土壤的研究成果進行梳理,探討古土壤所記錄的環(huán)境變化,為沙區(qū)古環(huán)境演化和全球變化的區(qū)域響應(yīng)的深入研究奠定基礎(chǔ)。2沙漠化土地在陸性氣候區(qū)的分布內(nèi)蒙古自治區(qū)位于中國北部,橫跨東北、華北和西北。地理位置為37°24′—53°23′N,97°41′—126°04′E;跨經(jīng)度28°52′,長2400km,跨緯度15°59′,寬1700km,土地總面積為118.3×104km2;屬大陸性季風氣候區(qū),年平均氣溫分布的總趨勢是從東北向西南遞增,年降水量在50~450mm,年日照總時數(shù)在1400~3024h。內(nèi)蒙古自治區(qū)是中國荒漠化和沙化土地最為集中、危害最為嚴重的省(區(qū))之一。沙漠化土地分布于全區(qū)12個盟90個旗(縣、市、區(qū)),全區(qū)有荒漠化土地0.622×108hm2,沙化土地0.416×108hm2,有明顯沙化趨勢的土地0.181×108hm2,分別占全國的24%、24%和57%。境內(nèi)主要有巴丹吉林、騰格里、烏蘭布和、庫布齊四大沙漠和毛烏素、渾善達克、科爾沁、呼倫貝爾四大沙地,此外,在陰山北部地區(qū)分布有大面積的風蝕沙化土地,在沙漠和沙地外圍還分布有許多零星沙地。在沙漠和沙地沉積中,沙丘中風成砂層與砂質(zhì)古土壤層的變換是沙漠、沙地不同程度的逆向過程的直接或間接標志,指示區(qū)域的氣候變化。3內(nèi)蒙古沙區(qū)沙棘/沙地的形成演化第四紀是中國現(xiàn)代沙漠主要形成期,也是沙漠形成、演化進程中的一個全新的時期。地質(zhì)學家的研究證實,地質(zhì)歷史時期,地球上的確不止一次地出現(xiàn)過干旱氣候環(huán)境,尤其第四紀冰期時期,干旱寒冷的環(huán)境下,地球的中低緯度地區(qū)出現(xiàn)大片沙漠,中國大部分沙漠也出現(xiàn)在這一時期。國外對第四紀古風成砂已有較多研究,20世紀80年代董光榮等發(fā)現(xiàn)鄂爾多斯高原第四紀古風成砂,推動了中國沙區(qū)沙漠/沙地形成演化的研究。古風成砂或古沙丘是指早在現(xiàn)代風成砂出現(xiàn)以前,地質(zhì)時期風力作用所形成的砂質(zhì)沉積物。作為地質(zhì)時期沙漠形成演化的直接或間接標志,第四紀早、中期古風成砂在中國一些主要沙漠都已見到。因此,古風成砂的研究是中國內(nèi)蒙古沙區(qū)沙漠/沙地的形成演化的良好切入點。沙漠形成的直接證據(jù)是沉積記錄中穩(wěn)定出露的風成砂沉積層。研究表明,內(nèi)蒙古沙區(qū)沙漠/沙地普遍形成于第四紀早期(表1)[16,18,19,20,21,22,23,24,25]。其中,烏蘭布和沙漠較年輕,形成于早中全新世約7kaBP,它是在吉蘭泰古湖逐漸衰退、干涸和沙漠化的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,其形成受吉蘭泰古湖演化和區(qū)域干旱氣候的影響。渾善達克沙地形成于晚第三紀,較其他沙地早。4內(nèi)蒙古沙區(qū)古土壤記錄新世環(huán)境變化4.1砂區(qū)古土壤層的發(fā)育古環(huán)境信息載體年代的確定是恢復(fù)古環(huán)境的關(guān)鍵指標之一,可靠的測年方法一直是研究地質(zhì)歷史時期最關(guān)鍵的一步。目前用于沙丘砂和古土壤測年的方法主要為14C和釋光。陳振英對中國沙區(qū)的相關(guān)樣點砂質(zhì)古土壤進行14C年齡測定,統(tǒng)一了相關(guān)地區(qū)的年代,為諸多研究者提供對照標準。古土壤發(fā)育是沙區(qū)氣候暖濕條件下,作用于風成砂之上的固定生草成壤的結(jié)果。內(nèi)蒙古沙漠/沙地經(jīng)歷不同時空尺度的氣候旋回變化,砂質(zhì)古土壤層從晚更新世到最近百年都有發(fā)育,但主要集中在全新世。統(tǒng)計內(nèi)蒙古沙區(qū)不同沙地古土壤年代(表2),顯示剖面底層古土壤年齡普遍在10kaBP左右,頂層古土壤年齡則普遍在1kaBP左右,全新世中期是古土壤集中發(fā)育時期。4.2沙區(qū)環(huán)境演變在自然背景下,氣候變干將導致沙漠的擴展,反之氣候變濕則使得沙漠縮小,沙丘固定,古土壤發(fā)育。在空間上,沙漠/沙地的演化是風成砂質(zhì)沉積在一定時間內(nèi)的生長、消亡和空間上的擴張、縮小過程。因此,古風成砂-古土壤沉積序列是區(qū)域氣候、地質(zhì)、生物等綜合作用的產(chǎn)物。古風成砂的存在,是沙漠曾經(jīng)活動、發(fā)展的證據(jù)。相反,砂質(zhì)或弱砂質(zhì)古土壤的發(fā)育,是生草成壤過程直接作用于風成砂上的產(chǎn)物,是氣候相對濕潤、沙漠曾經(jīng)縮小、風成砂堆積過程減弱甚至停止、固定的直接標志。在時間上,沙漠環(huán)境的變化表現(xiàn)為流沙出現(xiàn)、擴大與固定、縮小乃至生草成壤相交替的波動式發(fā)展過程,這使得古沙區(qū)第四紀地層在縱向上具有古風成沙-古土壤互層的特征。根據(jù)沙區(qū)主要沙漠/沙地的古土壤發(fā)育年代記錄,可以在一定程度上認識內(nèi)蒙古沙區(qū)環(huán)境演化歷史。本區(qū)主要沙漠在全新世古土壤發(fā)育不明顯,只是在全新世氣候適宜期才見少量弱發(fā)育古土壤。巴丹吉林沙漠全新世沉積以砂質(zhì)黃土為主,除全新世大暖期在砂黃土上發(fā)育弱古土壤外,并無明顯成壤過程。騰格里沙漠在全新世最佳期固定成壤,約在8.09±0.13kaBP開始發(fā)育古土壤,6~5kaBP大部分固定成壤。烏蘭布和沙漠形成于早中全新世的7kaBP前后,而且其沙漠環(huán)境一直持續(xù)至今。根據(jù)已有文獻[24,26,31,32,33,37,38,39,40,41,42,43,44,45,46,47,48,49,50,51,52,53,54],借鑒裘善文等、Yang等的統(tǒng)計方法,統(tǒng)計區(qū)內(nèi)主要沙地古土壤測年數(shù)據(jù)(含14C和釋光測年數(shù)據(jù),且14C數(shù)據(jù)均已校正,方法見:http://intcal.qub.ac.uk/calib/),再將校正后測年數(shù)據(jù)以1000年為單位統(tǒng)計其次數(shù)并計算其頻率得出直方圖。全新世本區(qū)主要沙地則發(fā)育1~5層厚度和成熟度不等的粉砂質(zhì)和砂質(zhì)古土壤(圖1),構(gòu)成與黃土、風成砂互層沉積的地層構(gòu)造。全新世又稱為冰后期,以最后一次冰期結(jié)束、氣候轉(zhuǎn)暖為標志。其年代下限在各個國家的標準不一致,中國普遍接受將10kaBP作為全新世的開端。中國全新世氣候變化經(jīng)歷了早全新世升溫(10~7kaBP)、中全新世的大暖期(7~2.5kaBP)和晚全新世降溫(2.5kaBP以來)3個階段。根據(jù)古土壤發(fā)育年代,結(jié)合全新世分期,可將研究區(qū)全新世古土壤發(fā)育分成3個時段(圖2):全新世早期(10.0~8.5kaBP)古土壤弱發(fā)育期。該時段古土壤發(fā)育頻率低于5%,且古土壤類型多為弱砂質(zhì)古土壤。據(jù)李智佩等研究,全新世早期中國北方沙區(qū)普遍處于由干冷逐步轉(zhuǎn)暖階段,主要表現(xiàn)為干冷氣候。從年代統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看,該時段毛烏素沙地、渾善達克沙地、科爾沁沙地基本無明顯古土壤發(fā)育。但是,呼倫貝爾沙地在該時段卻發(fā)育了較成熟的古土壤,成為該沙地全新世以來最早的古土壤。可見,在全新世早期,沙地環(huán)境并不完全相同。自20世紀90年代以來,呼倫貝爾高原中沙地湖泊及濕地的環(huán)境效應(yīng)研究逐步深入,初步確定沙區(qū)湖泊對局部小氣候具有一定的影響。地處呼倫貝爾沙地西部的呼倫湖是東亞非季風氣候向季風氣候過渡的邊緣地區(qū),區(qū)域環(huán)境演變對季風氣候變化的響應(yīng)敏感。因此,末次冰期以來的全球增溫效應(yīng)在呼倫貝爾沙地響應(yīng)明顯,表現(xiàn)為全新世早期風沙活動減弱、古土壤發(fā)育較區(qū)內(nèi)其他沙地明顯。全新世中期古土壤發(fā)育鼎盛階段(8.5~2.5kaBP)。該時段古土壤發(fā)育頻率介于5%~15%,明顯高于早期。其中,呼倫貝爾沙地在2.5~3.5kaBP古土壤發(fā)育頻率達到12%,較其他時間段顯著偏高。全新世氣候最適宜期,本區(qū)有多層古土壤發(fā)育且發(fā)育較成熟,同時各沙地都能見到該期古土壤。施雅風等根據(jù)敦德冰芯δ18O值確定全新世大暖期年代范圍為8.5~3.0kaBP,大暖期時期,氣候總體溫暖濕潤,但并不是一直維持暖濕時期,同時存在短暫波動,是暖濕與冷干時期交替出現(xiàn)。比較本區(qū)主要沙地全新世中期階段古土壤發(fā)育情況,發(fā)現(xiàn)古土壤發(fā)育與風成砂互層沉積體系表現(xiàn)為:存在多層古土壤與風成砂發(fā)育,古土壤發(fā)育層厚度較風成砂大,發(fā)育的時間間隔小。這不僅說明全新世中期本區(qū)氣候總體暖濕,古土壤發(fā)育明顯,也進一步佐證了在全新世大暖期氣候存在明顯波動。晚全新世古土壤發(fā)育階段(2.5kaBP以來)。該時段古土壤發(fā)育頻率變化較大,可能和全新世晚期降溫期氣候的明顯波動有關(guān)。姚檀棟等對敦德冰芯記錄的研究表明,3kaBP左右是過去5kaBP年中氣候變化的一個界限,在此之前,氣候較溫暖,此后開始變冷,加上人類強烈干擾,沙地環(huán)境趨于惡化。根據(jù)測年統(tǒng)計,約在0.5~1.5kaBP本區(qū)沙地地層普遍發(fā)育砂質(zhì)古土壤,反映當時氣候較為暖濕。此時岱海出現(xiàn)溫暖事件的記錄,即中世紀暖期。盡管在姚檀棟等的古里雅冰芯研究結(jié)果中沒有明顯的中世紀溫暖期記錄,但有研究指出,存在由于地理因素差異造成的中世紀暖期在東部表現(xiàn)明顯而西部表現(xiàn)不足現(xiàn)象。與泥炭δ18O序列、湖泊沉積物記錄等研究結(jié)果類似,內(nèi)蒙古沙區(qū)沙地古土壤發(fā)育存在中世紀暖期記錄。5古氣候變遷及文化序列內(nèi)蒙古地區(qū)除了廣泛分布的沙漠/沙地的風成砂-古土壤沉積序列,還有泥炭沉積,湖泊沉積等環(huán)境演變信息載體。研究表明,這些信息載體所記錄的內(nèi)蒙古沙區(qū)全新世環(huán)境狀況與區(qū)內(nèi)古土壤所記錄的具有較好的趨同性。察素齊泥炭沉積剖面的定量花粉分析揭示本區(qū)中部地區(qū)全新世以來氣候變遷主要經(jīng)歷了涼-溫-暖-溫-涼的序列。具體為:9.1~7.4kaBP干冷;7.4~5.0kaBP激烈波動,前期溫干,后期溫濕;5.0~4.1kaBP氣候溫暖濕潤;4.1~1.35kaBP趨于干旱;1.35kaBP至現(xiàn)在,氣候溫和半干旱,處在人類強烈干擾之下,其中,7.4~4.1kaBP為溫暖期,5.0~4.1kaBP為最適期。蘇志珠等以毛烏素沙漠南緣湖沼相沉積剖面的地層沉積相劃分和測年為基礎(chǔ),通過地球化學元素和孢粉等氣候指標分析,得出該區(qū)古氣候變遷序列為:12~10kaBP氣候轉(zhuǎn)為暖濕;10~8.5kaBP以溫濕為主;8.5~3.0kaBP溫暖濕潤;3.0kaBP后氣候趨于半干旱。內(nèi)陸湖泊過去湖面變化能夠反映氣候的干濕變化,諸多研究顯示內(nèi)蒙古沙區(qū)湖泊湖面變化所記錄的全新世氣候變化與沙地古土壤所記錄的氣候變化具有較好的吻合度。黃旗海的湖面變化表現(xiàn)為:早全新世為湖泊開始擴張時期,高于現(xiàn)代湖面,中期擴張更明顯,以后湖面下降有回升,此后在波動中持續(xù)下降。張振克等指出呼倫湖湖泊沉積反映的湖面波動與風沙-古土壤堆積的時間序列及其反映的氣候變化存在明顯相關(guān)關(guān)系(表3)。從表3可以看出:湖面上升、湖泊擴張與古土壤發(fā)育階段大體一致,代表氣候相對濕潤的時期;湖面下降、湖泊萎縮階段大致與風沙堆積期相當,代表氣候相對干燥的時期。其中,13~3kaBP期間湖面波動與風成砂-古土壤序列有較好可比性。自然環(huán)境的演化記錄和影響著人類活動、人類文明的發(fā)展進程,同時人類文明的興衰變化都有深刻的環(huán)境背景。內(nèi)蒙古沙區(qū)古氣候、古環(huán)境變化等方面的考古資料研究是砂質(zhì)古土壤反映沙區(qū)古環(huán)境演變研究的重要佐證。楊志榮等對內(nèi)蒙古自治區(qū)內(nèi)數(shù)千個考古遺址古文化特征及人類活動進行研究,確定該區(qū)全新世以來較高分辨率的年氣溫變化序列。人類活動與環(huán)境演化之間存在著顯著的相關(guān)關(guān)系,在溫暖濕潤期,人類文明發(fā)展,如仰韶文化(8.0~5.0kaBP)和青銅器文化(4.0~3.5kaBP)的繁盛,這為在古土壤剖面中存在陶片、化石等古人類活動提供佐證;同時,由于氣候環(huán)境突變、劇變甚至是災(zāi)變,人類文明進程受挫甚至出現(xiàn)文化斷層,如5.0~4.0aBP和3.5~3.0aBP西遼河流域2次出現(xiàn)文化斷層。本文試通過研究闡明土壤是人類生存的根基,古文化發(fā)展與區(qū)內(nèi)古土壤環(huán)境變化具有顯著的相關(guān)關(guān)系,因此,沙區(qū)古土壤是反映古氣候、古環(huán)境變化的重要環(huán)境信息載體。6結(jié)論和期待6.1內(nèi)蒙古沙區(qū)更新期氣候特征內(nèi)蒙古沙區(qū)作為中國北方沙區(qū)的重要組成部分,其全新世環(huán)境演變研究為中國沙區(qū)古環(huán)境演化和全球變化的區(qū)域響應(yīng)的深入研究奠定基礎(chǔ)。1)由古風成砂研究所指示的內(nèi)蒙古沙區(qū)主要沙漠/沙地形成時間普遍在第四紀早期的早中更新世,同時,存在一些差異———烏蘭布和沙漠形成于早中全新世。2)根據(jù)古土壤測年數(shù)據(jù)的內(nèi)蒙古沙區(qū)全新世環(huán)境變化分為3個階段:全新世早期(10~8.5kaBP)升溫階段,氣候以干冷為主;全新世中期(8.5~2.5kaBP)氣候適宜期,古土壤普遍發(fā)育,同時存在短期干冷波動;全新世晚期(2.5kaBP以來)降溫期,氣候逐步干冷,部分沙地氣候波動頻繁,形成古土壤。3)內(nèi)蒙古沙區(qū)古土壤發(fā)育與區(qū)內(nèi)泥炭沉積、湖泊沉積、湖面變化等揭示的暖濕環(huán)境階段相對應(yīng),共同揭示本區(qū)全新世環(huán)境演化。6.2古土壤資源及化學特征的研究1)系統(tǒng)測年的需求迫切。中國內(nèi)蒙古沙區(qū)沙地古土壤地層是風成砂與砂質(zhì)古土壤互層的沉積序列,決定了其測年方式的復(fù)雜性。由于缺少系統(tǒng)可靠的年代數(shù)據(jù)和適宜于沙漠/沙地古土壤沉積序列的研究方法,前人對內(nèi)蒙古沙區(qū)晚第四紀沙地古氣候及環(huán)境變遷的認識存在較大爭議。雖然陳振英在20世紀90年代對中國沙區(qū)相關(guān)樣點進行14C年代測定,并做了統(tǒng)一標準,但只是部分樣點,仍不夠完善。靳鶴齡等在研究渾善達克沙地全新世氣候變化時,對采取的年代樣品古土壤進行有機碳14C年齡測定,風成砂則進行熱釋光年代測定。趙華等研究科爾沁沙地全新世風沙沉積物及風沙活動年代學時,對沙丘砂、古土壤和相關(guān)沼澤沉積物樣品采用粗顆粒石英單測片藍光釋光測年技術(shù)和程序進行沉積年齡測定,同時對5個沼澤沉積物和富含有機質(zhì)的古土壤樣品進行14C年齡測定。因此,對于不同地區(qū)的樣品需要選取正確的測年方法才能獲取正確的年代數(shù)據(jù)。可見,雖然不少研究者研究了內(nèi)蒙古沙區(qū)沙漠/沙地的形成時代,但不同研究者對沙漠/沙地的演化活動及其年代框架的認識存在差異。這一方面是研究區(qū)本身的差異,如不同研究者所選擇觀測的地點或剖面不同;另一方面即使是同剖面不同研究者使用的研究方法不同,如沉積物測年方法,有14C與釋光的差別,同時還有早期和晚期測年數(shù)據(jù)的精度差異。此外,由于沙區(qū)沙地古土壤測年數(shù)據(jù)不夠系統(tǒng),常常以點帶面,導致不同研究者的認識差異,如對沙丘活動與氣候變化的關(guān)系的不同認識。因此,有必要對該區(qū)域的古土壤開展系統(tǒng)的年代學研究。2)沙區(qū)古土壤地球化學分析的系統(tǒng)研究。古土壤是發(fā)育于地質(zhì)歷史時期,之后被較新的沉積物覆蓋埋藏的土壤。古土壤具有空間和時間等多重信息,能反映流域或區(qū)域的古景觀、古地貌、古水文特征,可以揭示地質(zhì)時期的古環(huán)境,繼而可作為重建全球范圍的古氣候變化歷史的重要信息載體。目前,中國尚缺乏一個廣為接受的古土壤分類系統(tǒng),成巖作用對古土壤特征的影響以及古土壤記錄的古環(huán)境信息機制與解譯等方面也還需要深入探討。內(nèi)蒙古沙區(qū)天然出露的古土壤較少,一般出露于公路修建、磚廠等人工開挖的斷面。特別是沙地古土壤,大部分被風成砂所掩埋。因此如何正確辨別沙地古土壤是沙區(qū)沙地古土壤研究的重要問題。沙地古土壤鑒別問題首先表現(xiàn)為如何辨別古土壤、如何選擇研究剖面。鑒別古土壤的主要標志包括野外形態(tài)特征、微形態(tài)特征、地球化學特征等。孫福慶等最早進行古土壤地