南方紅土風(fēng)化強(qiáng)度的系統(tǒng)變化

南方紅土風(fēng)化強(qiáng)度的系統(tǒng)變化

古土壤是第四紀(jì)候候的重要記錄。過去的十幾年中,對于中國北方第四紀(jì)古土壤的研究已為構(gòu)筑全球陸地第四紀(jì)氣候變化框架提供了關(guān)鍵證據(jù)。相對而言,對于中國南方的古土壤記錄的研究則顯得非常欠缺,這對于全面了解第四紀(jì)古氣候變化的空間格局和古季風(fēng)氣候變化機(jī)制都是不利的。中國南方雖然缺乏象北方黃土那樣巨厚的粉塵堆積和古土壤序列,但卻廣泛分布了十幾米厚的紅土堆積。這些堆積型的紅土具有埋藏古土壤的特征,記錄了古氣候變化序列,對其剖面的研究有望獲取南方古氣候變化的有價(jià)值的信息。南方紅土主要分布于江西、湖南、湖北南部、安徽南部以及浙江、福建、廣東和廣西等地的丘陵盆地,被認(rèn)為是紅色風(fēng)化殼之一,歷來受到地質(zhì)學(xué)家和土壤學(xué)家的重視[3～9]。雖然眾多的研究已就其成分、風(fēng)化特征、時(shí)代等問題做過討論,最近幾年以來,不少研究者也開始關(guān)注南方紅土古氣候記錄的研究,但對于紅土剖面風(fēng)化特征和古氣候記錄的意義認(rèn)識(shí)有限,對南方紅土古氣候記錄的獨(dú)特性還未予注意。在此,我們選擇了位于江西九江的紅土剖面,針對紅土記錄的獨(dú)特性進(jìn)行了紅土的風(fēng)化特征的研究,以期初步探討紅土區(qū)第四紀(jì)古氣候變化的一些輪廓性特征。1土土相結(jié)構(gòu)的發(fā)育層九江剖面位于廬山以北,九江市南約3km的丘陵地區(qū),九廬公路開挖現(xiàn)場。剖面厚15.5cm,下伏大型漂礫(最大直徑可達(dá)1m以上),漂礫成分主要為石英砂巖,磨圓較好。紅土剖面由兩部分組成,上部為褐黃色土狀堆積,下部為紅色至磚紅色的網(wǎng)紋紅土層,二者界線較清晰。上部褐黃色土層呈披覆狀覆蓋于下部網(wǎng)紋紅土層之上,類似北方馬蘭黃土的產(chǎn)狀。根據(jù)沉積物的顏色、結(jié)構(gòu)和網(wǎng)紋特征,初步將剖面分為8個(gè)發(fā)育層。描述見表-12本段風(fēng)化特征2.1分析方法及結(jié)果在野外觀察的基礎(chǔ)上,對九江剖面進(jìn)行了間隔為3.33cm的樣品采集。分析樣品的間隔分別是:TOC,Fet,Fed分析樣的取樣間隔為6.66cm,常量元素和微量元素分析的取樣間隔為50cm。樣品分別經(jīng)CBD和酸性熔劑處理后,通過原子吸光譜分析,獲得Fed和Fet的分析結(jié)果。TOC分析采用改進(jìn)的Walkeley-Black方法。元素的全量分析樣經(jīng)酸溶后與標(biāo)樣一起在ICP-9000型等離子光量計(jì)上測量。微量元素分析采用銦(In)為內(nèi)標(biāo),樣品溶于(HF+HClO4+HNO3)混合液后,通過ICP-MS進(jìn)行了測量,參考樣分析顯示,樣品分析誤差為10%。2.2土壤條件的變化TOC整個(gè)剖面全有機(jī)碳(TOC)的值都不高,很少樣品超過0.25%,4m以上的樣品TOC約高于4m以下的樣品。1m以上,TOC含量增至0.25%左右(圖1)。紅土TOC值與黃土比較接近,例如,黃河中游馬蘭黃土TOC平均含量約為0.25%,并且,黃土中的TOC含量也隨剖面深度增加而降低。在北京齋堂剖面,S1以上TOC一般不超過0.5%,TOC變化與土壤發(fā)育程度有一定的相關(guān)性,但土壤發(fā)育最強(qiáng)的S1底部TOC含量卻很低,說明土壤發(fā)育程度與TOC含量的關(guān)系是非線性的。土壤風(fēng)化程度可能在強(qiáng)發(fā)育土壤TOC值降低上起了主要作用。全氧化鐵(Fet)Fet的變化大約以7m為界,剖面上部Fet在6.5%附近波動(dòng),波動(dòng)幅度很小,頻率也不大。剖面下部Fet則在6.5%～12.5%間劇烈變化,波動(dòng)幅度明顯大于上部,波動(dòng)的頻率也非常高這一變化的界線與粒度的變化見圖大體相同上部波動(dòng)小的層位對應(yīng)粒度較粗的部位下部波動(dòng)大的層位對應(yīng)粒度較細(xì)的沉積。從地層看,這一界線與網(wǎng)紋紅土上界也大體一致。與黃土相比,紅土下部Fet含量明顯較高,而剖面上部的Fet值兩者的差別則不大。黃土中,Fet含量平均約為5.4%,且隨深度增加沒有趨勢性變化,但有一定的區(qū)域變化,如蘭州五泉山黃土Fet平均只有4%左右,似乎表明黃土Fet含量與物源有關(guān)。齋堂黃土剖面化學(xué)分析結(jié)果則表明,古土壤層的Fet含量明顯高于黃土層。這可能意味著紅土中的Fet含量變化與物源變化有一定的關(guān)系。氧化鐵游離度(Fet/Fet)Fet/Fet在剖面上變化于45%～90%間,從下往上,Fed/Fet由大變小,大體在7m以下,Fed/Fet基本上都超過70%,而在此之上則變化于45%～70%間(圖1)。除了趨勢性變化之外,Fed/Fet的波動(dòng)特征在剖面上下沒有明顯的不同。與黃土相比,紅土的Fed/Fet顯得非常高。與北京齋堂黃土剖面,Fed/Fet在古土壤層最高不超過30%,而在黃土層這一比值則降為15%。與其它地點(diǎn)的土壤分析結(jié)果相比,九江剖面上部的Fed/Fet值相當(dāng)于現(xiàn)代紅壤(35%～48%),而剖面下部則相當(dāng)于現(xiàn)代磚紅壤(Fed/Fet值約為65%～85%)。單純從Fed/Fet值來看,紅土剖面上部和下部的成壤環(huán)境變化非常顯著。CIACIA是常用的風(fēng)化指標(biāo)(CIA=Al2O3/(Al2O3+Ca+Na2O+K2O)),主要反映鹽基的淋溶狀況。南方紅土的CIA變化于75%～85%(圖1),而黃土則為50%～75%。紅土剖面上CIA的變化表明,剖面下部鹽基淋溶非常強(qiáng)烈,而剖面上部淋溶強(qiáng)度也已超過黃土。(CaO+K2O+N2O)/Al2O3也是風(fēng)化指標(biāo)的一種。在九江剖面,該值從剖面下部向上部逐漸增加,剖面下部約為20%以下,剖面上部增至30%以上。黃土中這一比值在267%～110%間。微量元素Sr的濃度從剖面下部向上加大,下部<40ppm1),剖面上部>75ppm,增加了一倍。Ba從剖面下部的240ppm增至剖面上部的480ppm。Sr、Ba均為較易遷移的元素,在黃土沉積中,Sr平均為195ppm,Ba平均為579ppm,相對于紅土上部含量仍明顯偏高。通過各微量元素與Zr的比值變化(大陸上地殼元素豐度標(biāo)準(zhǔn)化值),可見Rb,Ba,Sr,La,Ce,Pr等元素存在明顯的剖面遷移過程,剖面上部的比值明顯低于剖面上部,差值可達(dá)一倍。而U,Nb,Th,Pb等元素與Zr比值的剖面變化則不甚明顯(圖2)。從難遷移元素的比值(Ti/Zr,Ti/Al2O3)看(圖1),剖面上下變化不大,這表明剖面上下物源變化不大,不影響根據(jù)元素比值判斷剖面風(fēng)化強(qiáng)度。3討論3.1南方黃土的系統(tǒng)特征從剖面的觀察和不同的風(fēng)化指標(biāo)變化看,九江剖面的風(fēng)化強(qiáng)度存在系統(tǒng)的變化,表現(xiàn)在剖面下部風(fēng)化強(qiáng)度大大高于上部,且自下而上,風(fēng)化強(qiáng)度逐步降低。從Fed/Fet、Sr、Ba和CIA值變化看,7m以下紅土風(fēng)化強(qiáng)度沒有趨勢性的變化,但存在一些小的波動(dòng)。7m以上,風(fēng)化強(qiáng)度則是逐漸降低。有關(guān)南方紅土風(fēng)化強(qiáng)度的剖面變化,以往的研究也有所涉及。本研究以高密度采樣分析結(jié)果,證明紅土風(fēng)化強(qiáng)度存在系統(tǒng)變化特征。單純從鐵的游離度來看,從網(wǎng)紋紅土(相當(dāng)于磚紅壤)到上部黃褐色層(相當(dāng)于紅壤和黃壤),古氣候帶的移動(dòng)幅度就達(dá)8個(gè)緯度。這一特征在紅土沉積區(qū)可能是普遍存在的,因?yàn)椴煌攸c(diǎn)紅土沉積都有自下而上顏色由紅變褐變黃、風(fēng)化程度降低的現(xiàn)象。但是,在黃土沉積區(qū),從中更新世到晚更新世,黃土古土壤序列無論從宏觀上還是化學(xué)風(fēng)化指標(biāo)上看,都沒有發(fā)現(xiàn)風(fēng)化強(qiáng)度系統(tǒng)變化的現(xiàn)象。不過,黃土古土壤序列從中更新世到晚更新世,普遍存在粉塵堆積速率加大的現(xiàn)象,這一現(xiàn)象被認(rèn)為與冬季風(fēng)逐步增強(qiáng)、北方干旱化加劇有關(guān)。南方紅土風(fēng)化強(qiáng)度的系統(tǒng)變化是否與此相關(guān)聯(lián)?目前尚難下結(jié)論。3.2南方黃土剖面的物源變化我們注意到,紅土風(fēng)化強(qiáng)度的變化與粒度變化存在一定的可對比性。從剖面下部至上部,粒度較粗的層位對應(yīng)風(fēng)化強(qiáng)度較弱的層位,而粒度較細(xì)的層位恰與風(fēng)化強(qiáng)度高的沉積對應(yīng)。南方紅土剖面的粒度變化可能主要反映了物源和古風(fēng)場強(qiáng)度的變化,這一變化與Fet反映的物源變化也可對比,表明紅土從下到上,物源的確有一定程度的變化。但是,根據(jù)Zr/Ti,Ti/Al2O3等比值判斷,這一物源變化對母質(zhì)的化學(xué)組成影響并不明顯。九江剖面的Zr/Ti,Ti/Al2O3比值變化于10%左右,說明剖面上的易遷移元素的豐度變化主要是風(fēng)化作用的結(jié)果受物源變化影響不大因此紅土剖面所見的風(fēng)化強(qiáng)度系統(tǒng)變化可能主要反映了古氣候的長期變化趨勢。3.3冬季風(fēng)加強(qiáng)作用紅土剖面的顏色、結(jié)構(gòu)和不同風(fēng)化指標(biāo)變化說明,南方紅土從下到上風(fēng)化強(qiáng)度由強(qiáng)變?nèi)?表明紅土剖