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中国东北典型风成黄土—古土壤序列发生学特征研究

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作者:
孙仲秀
导师:
王秋兵
学科专业:
土壤学 
文献出处:
沈阳农业大学 2016年
关键词:
黄土古土壤序列论文  母质均性论文  发生过程论文  定量模型论文  古环境论文  

摘要:黄土-古土壤序列形成于过去景观条件下,是记录古环境变化的良好载体,对其发生特征演化的研究有助于揭示其成土过程及其形成期间的环境变化,定量研究黄土-古土壤沉积和发生过程有助于更好地理解黄土-古土壤的形成过程及其与气候变化对应的关系,为建立土壤发生演化模型提供科学基础,进一步丰富土壤发生学理论。本文以东北典型风成黄土-古土壤序列(朝阳剖面)为研究对象,综合利用剖面形态、2cm间隔高密度土壤样品粒度(扣除黏粒的粒度分布)、地球化学元素、微形态和黏土矿物特征分析等方法,结合土壤发生定量分析结果,从多角度对典型风成黄土-古土壤序列的母质均一性(物源相同、成因一致和沉积连续)进行判定,并对典型黄土-古土壤序列土壤发生演化的动态过程进行综合分析。在判定母质均一性的基础上,利用Ti校正的土壤剂面发育指数模型,定量分析了土壤发生过程中的土壤剖面形态变化特征;运用改进的Gallet(1996)模型定量研究了土壤发生过程中的地球化学元素变化特征;并用粒度分维模型(fractal dimension model)定量描述了土壤发生过程中的粒度变化特征;在此基础上利用土壤重建模型(soil reconstruction model)和质量平衡模型(mass balance model)定量分析了土壤发生过程中的粒度和地球化学元素的迁移与富集特征。综合以上模型定量分析,揭示并重建了中国东北典型风成黄土-古土壤序列发生演化的动态过程。研究结果表明:(一)朝阳剖面是自423ka BP以来经风成连续沉积形成的典型风成黄土。0-195cm部分(the upper part of Chaoyang section,简称为UPP)沉积后,受地表流水等作用改造组成物质混杂,在相关发生特征演变及定量研究中应从序列中剔除;195-228cm(themiddle part of Chaoyang section,简称为MIP)为UPP与228-1985cm(the lower part of Chaoyang section,简称为LOP)的过渡层次;LOP内各黄土与古土壤成土母质均一是黄土-古土壤序列风化成土过程研究的良好材料。(二)LOP在0-54.4μm粒度范围内具有自然分形特性,一元粒度分维值的变化规律与土壤风化指标、磁化率和小于1 μm黏粒含量变化趋势一致,可以用来评价不同气候条件下形成黄土和古土壤的土壤颗粒破碎程度及成土作用强度。黄土-古土壤形成时期,若东亚夏季风盛行,则强风化成土作用将黄土颗粒破碎成较小颗粒,中值粒径变小分选性变差,粒度分维值较大,形成古土壤;相反,若东亚冬季风盛行,气候干冷,以黄土沉积为主,粒度分布受弱风化成土作用改变较小,黄土颗粒的中值粒径仍较大,分选性较好,粒度分维值较小,形成黄土,因此黄土粒度分维特征可以用来指示黄土颗粒变小过程。0-54.4μm无标度区可续分成两个子区(F1和F2),分界节点高度一致(7.64±1.21μm,CV=15.87%),且分维值DF1(接近3)>DF2(接近2)。粗粉粒破碎成细粉粒过程的能量耗散以沿着三维空间角度为主,而细粉粒破碎成黏粒过程能量耗散以沿着二维平面角度为主。分维模型可用于描述黄土-古土壤序列粒度分布特征,其粒度分维值可以定量指示黄土-古土壤序列风化成土作用强度。(三)朝阳剖面LOP与灵台剖面的AUCC (the average upper continental crust,简称为AUCC)标准化元素分布模式相似,表明它们的物源组成相似。根据化学风化指标、磁化率和剖面形态等一致的风化趋势,可将黄土-古土壤序列形成时期(423-77ka BP)划分成8个亚期,包括4个具有较高化学风化强度的古土壤形成时期和4个具有较低化学风化强度的黄土形成时期。运用改进的Gallet et al.(1996)模型定量研究了土壤发生过程中的地球化学元素变化特征,结果显示LOP具有较高的Si02(平均值为3.54%)减少量,较大的Fe203(0.77%)、A1203(0.33%)和K20(0.41%)的增加量,说明其形成过程中发生了较强的脱硅和富铁铝化过程。相比之下,灵台剖面具有较大的CaO(28.03%)和Na2O(14.03%)的减少量,说明其仍处于Ca和Na的淋失阶段。朝阳剖面较好地记录了从423kaBP至77ka BP的化学风化史,并与灵台剖面的记录具有较好的一致性。(四)朝阳剖面LOP黏土矿物组成研究结果表明,自423ka BP以来,出现4个夏季风增强阶段和4个冬季风增强阶段。最强的夏季风出现于225-243ka BP期间,形成的古土壤中伊利石含量、I/C比值(伊利石/绿泥石)和磁化率值最高,平均粒径最小。最强的冬季风发生在243-31 lka BP期间,形成的黄土中伊利石含量最低及I/C比值也较低,黏粒含量呈总体降低趋势。在此期间,干燥寒冷和温暖湿润交替的气候变化特征与深海氧同位素曲线中指示的冰期与间冰期更替特征一致,表明黏土矿物变化特征可以作为气候替代指标指示晚中更新世以来古气候的变化特征,同时能够补充黄土高原晚中更新世以来的全球气候变化结果。(五)朝阳剖面LOP的成土母质均一,均为风成粉质黄土沉积,4层黄色土层与4层红色土层交替叠加排列。粉质黄土沉积后主要发生了淋溶-淀积过程、脱硅过程和铁铝富集过程。在225-243ka BP期间,形成S3古土壤的成土作用最为强烈,表现为发生过程中土壤组分淋失量最大,包括7.6%非黏粒部分、42%Na2O、21%CaO、28%MgO和10%SiO2;同时土壤组分富集量最大,包括42%黏粒、8%Fe2O3和4%Al2O3;累积质量减少量达620g/100cm2。在243-311ka BP期间,L4黄土层发生过程中,土壤组分的累积质量增加量最大达234g/100cmm2,质量增加的组分包括18%Na2O和4.5%P2O5,指示该期黄土沉积速率最大。自423ka BP以来,风成黄土沉积与成土作用同步进行,气候寒冷干燥时期主要以粉尘沉积为主,形成黄土;而气候温暖湿润时期主要以成土作用为主,形成古土壤。因此,成土作用与黄土沉积作用的相对速率大小是决定形成黄土或古土壤的关键。在东亚夏季风控制下,以成土作用为主,形成古土壤;在东亚冬季风控制下,以粉尘沉积为主,形成黄土。通过对典型风成黄土-古土壤序列土壤发生定量分析,研究认为黄土沉积与成土作用同步进行,从而深化了对黄土-古土壤序列形成过程机制的认识,丰富了土壤发生学理论,并为运用黄土-古土壤序列重建历史时期成土环境奠定了科学基础。

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