關(guān)中東部緩坡地面全新世土壤侵蝕與沉積發(fā)展演變規(guī)律研究

1、關(guān)中東部緩坡地面全新世土壤侵蝕與沉積發(fā)展演變規(guī)律研究查小春1，黃春長(zhǎng)1, 2，龐獎(jiǎng)勵(lì)11. 陜西師范大學(xué)旅游與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710062；2. 中國(guó)科學(xué)院黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100摘要：對(duì)華縣古洪積扇全新世黃土-土壤剖面的磁化率、粒度進(jìn)行分析研究，揭示了全新世以來(lái)緩坡地面面狀流水侵蝕和沉積的發(fā)生規(guī)律。研究結(jié)果表明，晚更新世末期，由于黃土土質(zhì)疏松，植被薄弱，在即將進(jìn)入全新世時(shí)有自然侵蝕沉積發(fā)生；在全新世4000 a B.P.之前，洪積扇特殊的環(huán)境生態(tài)條件造成土壤堆積時(shí)期土壤水分缺乏，成壤較弱，面狀流水侵蝕與沉積活動(dòng)不明顯。自夏商時(shí)代以來(lái)，農(nóng)業(yè)耕墾活

2、動(dòng)影響古洪積扇地表，促進(jìn)了坡面流水侵蝕堆積過程，發(fā)生了面狀流水侵蝕；從3100 a B.P.開始?xì)夂蚋珊担祟惢顒?dòng)強(qiáng)烈地影響著當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境，加速了面狀流水侵蝕沉積；隋唐以來(lái)人類活動(dòng)引起的加速侵蝕沉積則更進(jìn)一步增強(qiáng)，這個(gè)過程反映土壤侵蝕呈現(xiàn)階段性加速的趨勢(shì)。由此可見，土壤侵蝕的加速是與人類的活動(dòng)相伴隨，隨著人類活動(dòng)強(qiáng)度的增強(qiáng)，土壤侵蝕在自然侵蝕的基礎(chǔ)上，呈現(xiàn)加速趨勢(shì)。關(guān)鍵詞：關(guān)中盆地；全新世；環(huán)境演變；土壤侵蝕 中圖分類號(hào)：X14 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-2175（2005）01-0052-05土壤侵蝕是廣泛存在于地球表面。在地質(zhì)歷史時(shí)期所發(fā)生的侵蝕為自然侵蝕，它完全決定于當(dāng)時(shí)的地

3、質(zhì)、地貌、氣候、土壤、植被等自然因子的綜合影響。自人類社會(huì)出現(xiàn)后，人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)平衡的破壞而加速了土壤侵蝕過程，土壤侵蝕則在自然侵蝕的基礎(chǔ)上，疊加了人為活動(dòng)的影響，出現(xiàn)了加速侵蝕，并產(chǎn)生了嚴(yán)重后果。如今，黃土高原的土壤侵蝕中人為加速侵蝕占據(jù)主導(dǎo)地位1, 2。一般來(lái)說，在坡面土壤侵蝕過程中，侵蝕作用和堆積作用是同一過程產(chǎn)生的兩種結(jié)果，尤其是坡面流水的面狀侵蝕，會(huì)在坡底的緩坡地帶沉積形成坡積物。因此，在某些黃土-古土壤序列中，常會(huì)有面狀水流沉積成分，記錄著坡面侵蝕的變化過程。本文通過對(duì)關(guān)中東部古洪積扇地表全新世黃土-古土壤序列的粒度、磁化率氣候代用指標(biāo)的研究，分析關(guān)中東部洪積扇地表全新世的土壤侵蝕

4、發(fā)生規(guī)律。1 研究地點(diǎn)環(huán)境概況和全新世剖面特征研究地點(diǎn)位于關(guān)中盆地東部華縣境內(nèi)，地處山麓古洪積扇與渭河南岸的第二級(jí)階地交接部位。海拔370 m；當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁?3.4 ，一月平均氣溫-1.2 ，七月平均氣溫27.3 ；年平均降水量600 mm左右。NSC剖面位于一個(gè)取土坑的陡坎處，剖面厚度大于4 m。從剖面沉積特征可以看出，NSC剖面黃土沉積連續(xù)，跨越了晚更新世和全新世，比較清晰完整地記錄了全新世環(huán)境變化的信息。同時(shí)剖面含有老官臺(tái)文化和夏商文化時(shí)代文化遺物，所以也是研究人地關(guān)系變化理想的信息載體。根據(jù)野外觀察分析，NSC剖面各個(gè)層次發(fā)育穩(wěn)定，分層界限都很清楚，結(jié)合室內(nèi)實(shí)驗(yàn)分析，對(duì)于NSC剖面從

5、地層學(xué)和土壤學(xué)角度作以下簡(jiǎn)單劃分，從上往下依次為：（1）表土層（TS），深度在030 cm之間；（2）全新世黃土層（L0），深度在3066 cm之間；（3）古土壤層（S0），深度在66200 cm之間，為褐色土類型；（4）過渡性黃土層（Lt），深度在200230 cm之間，含有鈣結(jié)核；（5）馬蘭黃土層（L1），深度在230 cm以下，未見底界，是典型的馬蘭黃土。對(duì)于NSC剖面的年代問題，首先根據(jù)黃土地層劃分通用準(zhǔn)則，即全新世是以馬蘭黃土頂界作為起點(diǎn)。根據(jù)格陵蘭冰芯氧同位素記錄，目前對(duì)全新世起點(diǎn)的通用日歷年代為11500 a B.P.3, 4，因此采用這個(gè)數(shù)據(jù)作為該剖面全新世起點(diǎn)年代，界限在NS

6、C剖面230 cm深度。對(duì)于該剖面其它層位的年代，根據(jù)關(guān)中盆地全新世考古地層學(xué)、文化層14C年代數(shù)據(jù)和黃土高原全新世已有的14C和TL年代數(shù)據(jù)57，以及參照關(guān)中盆地全新世JYC5剖面的年代序列進(jìn)行地層對(duì)比來(lái)解決。另外，根據(jù)文化遺物出現(xiàn)的層位也可以進(jìn)行斷代，在NSC剖面185195 cm層位發(fā)現(xiàn)老官臺(tái)文化時(shí)期（80007000 a B.P.）的典型陶片等文化遺物，以及在90145 cm層位處發(fā)現(xiàn)了夏商文化遺物（40003300 a B.P.），結(jié)合已有14C測(cè)年資料和夏商斷代工程研究結(jié)果8，這樣就為建立NSC剖面的年代序列奠定了良好的基礎(chǔ)。2 研究方法為了保證獲得較高的環(huán)境變化分辨率，在野外詳細(xì)

7、觀測(cè)分析的的基礎(chǔ)上，對(duì)NSC剖面進(jìn)行系統(tǒng)采樣。自地表開始向下以每2 cm加密連續(xù)采樣，到300 cm深度，共采集樣品150個(gè)。這些樣品在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)經(jīng)自然風(fēng)干后，從每個(gè)樣品中混合取出50 g，在陶瓷研缽內(nèi)輕微研磨至粒徑小于2 mm，裝在塑料帶中備用。磁化率測(cè)定：稱取磨碎樣10 g，裝入10 cm3無(wú)磁性塑料盒中，采用英國(guó)Bartington公司制造的MS-2型磁化率儀測(cè)定樣品的磁化率值，每個(gè)樣品測(cè)定3次，取平均值。 表土層 風(fēng)成黃土層 古土壤層 過渡層 文化遺物圖1 華縣NSC土壤剖面磁化率和粘粒/粉沙比曲線Fig. 1 The magnetic susceptibility and >0.

8、1 mm sand-size distribution curve in the NSC soil profile at Huaxian county, Shaanxi province粒度測(cè)定：稱取約0.5 g的樣品，分別用體積分?jǐn)?shù)為10%的H2O2和10%的HCl除去有機(jī)質(zhì)和碳酸鈣，然后采用英國(guó)生產(chǎn)的Mastersizer-S型粒度儀測(cè)定樣品粒度，測(cè)量范圍為0.03900 µm，相對(duì)誤差小于4%。另外用篩分法測(cè)定了粒徑>0.1 mm顆粒的百分比含量，并用實(shí)體顯微鏡進(jìn)行分析鑒定。3 分析結(jié)果及其解釋磁化率是表征沉積物磁性特征的重要參數(shù)之一，反映了土壤剖面鐵磁性礦物含量的變化，

9、而這些鐵磁性礦物主要是在風(fēng)化成壤過程中產(chǎn)生的，因而磁化率的變化反映了成壤強(qiáng)度的變化，間接地反映了氣溫和降水量的變化，即夏季風(fēng)強(qiáng)度的變化。研究表明，磁化率對(duì)黃土地區(qū)環(huán)境變化反應(yīng)很敏感9,10。因此，可以從沉積物剖面的磁化率曲線特征來(lái)分析不同時(shí)期當(dāng)?shù)氐臍夂蚝铜h(huán)境特征。由圖1可知，NSC土壤剖面的磁化率在90×10-8 m3/kg130×10-8 m3/kg之間變化。其分布特點(diǎn)是：馬蘭黃土和過渡層黃土磁化率較小，變化范圍為90×10-8 m3/kg110×10-8 m3/kg；古土壤（S0）層磁化率值變化范圍為95×10-8 m3/kg130

10、5;10-8 m3/kg，磁化率值從下部開始增大，在古土壤層上部的120 cm處達(dá)到最大，最大值為130×10-8 m3/kg；全新世黃土（L0）和表土層（TS）磁化率有一定程度的減少，但變化不大，與古土壤層上部接近，變化范圍為115×10-8 m3/kg135×10-8 m3/kg。黃土高原風(fēng)成黃土堆積物的粒度通常<0.1 mm11, 12，因此，黃土中>0.1 mm的顆粒含量可衡量地表過程次生改造的程度。一般來(lái)說，>0.1 mm的顆粒中除過碳酸鈣結(jié)核之外，其他的顆粒成分往往能夠指示人類活動(dòng)的影響和地表徑流的活動(dòng)情況。從圖1可以看出，NSC剖面

11、中>0.1 mm的沙級(jí)顆粒含量在0.35%4.20%之間變化。通過外實(shí)地調(diào)查和在實(shí)體顯微鏡下鑒別表明，剖面在160 cm以下>0.1 mm的沙級(jí)顆粒主要為細(xì)小的碳酸鈣結(jié)核細(xì)末為主。其中，280 cm260 cm含有面流沉積的沙粒；在剖面160 cm以上，沙級(jí)顆粒含量成階梯式增大，且面流沉積沙粒成分越來(lái)越大，人為活動(dòng)侵入體成分也越來(lái)越明顯。在160 cm120 cm處，>0.1 mm的沙級(jí)顆粒含有個(gè)別的細(xì)沙粒、灰陶屑、木炭屑，表明存在人為活動(dòng)，并發(fā)生了面狀流水侵蝕；120 cm66 cm處，>0.1 mm的沙級(jí)顆粒含有大量的細(xì)沙粒，并夾有人為侵入體，表明人為活動(dòng)強(qiáng)度增加，

12、并發(fā)生了面狀流水侵蝕，其含量變化范圍為1.20%2.85%；從66 cm至表層，>0.1 mm的顆粒含量范圍在2.45%4.15%之間變化，顆粒主要以中細(xì)沙粒為主，并含有大量的人為侵入體，表明其人為活動(dòng)增強(qiáng)，發(fā)生了面狀流水侵蝕。因此表明從剖面160 cm開始，即夏代開始，關(guān)中盆地東部古洪積扇坡面發(fā)生面狀侵蝕-搬運(yùn)-沉積作用，而且在人為活動(dòng)的影響下，面狀流水侵蝕作用呈現(xiàn)加速趨勢(shì)。 表土層 風(fēng)成黃土層 古土壤層 過渡層 文化遺物圖2 華縣NSC土壤剖面粒度成分曲線Fig. 2 The particle-size distribution curve in the NSC soil profi

13、le at Huaxian county, Shaanxi province黃土高原黃土-古土壤序列的粒度變化指示了搬運(yùn)粉塵大氣動(dòng)力的變化以及地表侵蝕沉積環(huán)境的變化13, 14，在研究全新世地表過程方面具有重要的意義。由圖2粒度變化顯示，在NSC研究剖面中，粗粉砂（0.050.01 mm）含量變化在50.90%56.85%之間變化，馬蘭黃土（L1）最大，為53.7056.85%。古土壤（S0）上部最小，為50.90%53.80%。全新世黃土（L0）含量接近馬蘭黃土。其總體變化趨勢(shì)是從自馬蘭黃土到古土壤頂界含量逐漸減小，在古土壤上部達(dá)到最小50.90%，在全新世黃土（L0）層中快速增加，在表土（

14、TS）中略有減少，其含量變化與地層對(duì)應(yīng)很好。粘粒(<0.005 mm)含量變化于17.34%20.81%之間，變化趨勢(shì)與粗粉砂相反，馬蘭黃土和全新世黃土中最小，為17.35%21.15%，古土壤上部最大，為24.15%。從圖2中可以看出，<0.005 mm粘粒含量的增加對(duì)應(yīng)于粗粉沙0.050.01 mm粒級(jí)含量的減少，它們之間有明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。膠粒（<0.001 mm）的變化趨勢(shì)與粘粒大致相同，但在古土壤底部粘粒含量遞增，而膠粒則快速增加。粘粒/粉沙質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值在全新世土壤剖面中的變化反映了堆積區(qū)次生成壤強(qiáng)度的變化，它受到風(fēng)塵堆積區(qū)生物氣候環(huán)境的制約，從圖1表明，各剖面不同

15、層位的粘粒/粉沙質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值變化十分明顯：馬蘭黃土（L1）和全新世黃土（L0）中粘粒/粉沙質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值明顯低于古土壤（S0），并且，在古土壤層的上部，粘粒/粉沙質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值從成壤作用很弱的過渡層（Lt）到成壤作用較強(qiáng)的古土壤層（S0），粘粒/粉沙質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值的平均值從0.40增加到0.46，并在古土壤上部達(dá)到最大值，充分說明了粘粒/粉沙質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值對(duì)次生粘化作用的強(qiáng)弱具有明顯的指示作用。4 討論和結(jié)論作為塑造陸地地貌形態(tài)的最主要過程面狀流水侵蝕，它可以出現(xiàn)在任何坡面，只要那里有降雨并有地表徑流就會(huì)產(chǎn)生15。在黃土地區(qū)，不僅是洪積扇坡面，即使在較小平坦的高原面、臺(tái)塬面和河流階地面，微地貌的變化會(huì)

16、導(dǎo)致面狀徑流的侵蝕與沉積過程發(fā)生3。華縣NSC剖面位于古洪積扇前沿，在全新世氣候變化中，自然條件下的降水在該處多轉(zhuǎn)為地表徑流流失，使得該剖面土壤水分較少，土層較薄。從NSC土壤剖面分析可以看出，馬蘭黃土堆積時(shí)期，粗粉沙值含量大，而粘粒和磁化率值小，說明此期氣候干旱，沙塵暴活動(dòng)頻繁，降水缺乏，成壤作用很弱。盡管此期黃土土質(zhì)疏松，植被薄弱，>0.1 mm的沙級(jí)顆粒含量很低，主要以碳酸鈣結(jié)核細(xì)末為主，但在NSC剖面280260 cm記錄到一次面狀流水侵蝕沉積作用，>0.1 mm的沙級(jí)顆粒含有細(xì)沙粒成分，此侵蝕沉積事件發(fā)生在馬蘭黃土堆積的后期。在230200 cm為全新世早期沉積的過渡層黃

17、土（Lt），土壤的各項(xiàng)指標(biāo)與馬蘭黃土基本相同，表明當(dāng)時(shí)沙塵暴頻繁，降塵多而降水稀少，土壤干燥，幾乎沒有淋溶作用和生物成壤作用，也沒有記錄到面狀水流侵蝕沉積作用。從圖1和圖2可以看出，古土壤S0層上段和下段古土壤性質(zhì)差異較大，以160 cm為界分為兩段。在古土壤S0層下段>0.1 mm的沙級(jí)顆粒主要以碳酸鈣結(jié)核細(xì)末為主，平均含量?jī)H為0.91%，說明該段土壤堆積時(shí)期土壤水分缺乏，而且成壤過程中幾乎沒有發(fā)生粘化作用，這可能是由于洪積扇特殊的環(huán)境生態(tài)條件造成的。NSC剖面古土壤S0層上段（16066 cm），各項(xiàng)分析結(jié)果表明其成壤強(qiáng)度顯著，尤其是124 cm以上，粘粒成分和磁化率出現(xiàn)了顯著的峰值

18、，說明此段土層成壤時(shí)土壤水分充足，一些不穩(wěn)定礦物成分分解而出現(xiàn)了一定程度的殘積粘化作用，成壤作用強(qiáng)烈。并且，在該段>0.1 mm的顆粒除了含有碳酸鈣結(jié)核細(xì)末外，還含有細(xì)沙粒和夏商時(shí)代人為侵入體，表明該段土壤層含有面狀流水沉積物，這說明自夏商文化出現(xiàn)以來(lái)，人類活動(dòng)已經(jīng)影響并改變了洪積扇表面的地形，發(fā)生了流水侵蝕。先民的農(nóng)業(yè)耕墾活動(dòng)影響了古洪積扇的地表植被和洪積扇前沿的地表形態(tài)，引發(fā)了古洪積扇的土壤侵蝕和古洪積扇前沿的面流沉積，所以，這次侵蝕沉積作用是自然和人類活動(dòng)共同作用的結(jié)果。NSC剖面在66 cm深度以上為全新世黃土（L0）和表土層（TS），各項(xiàng)指標(biāo)都發(fā)生了較大變化。從圖1、圖2表明，

19、在全新世黃土（L0）層（6630 cm）中，<0.005 mm粘粒、粘粒/粉沙質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值和磁化率明顯降低，而粗粉沙含量的增加，反映了自3100 a B.P.以來(lái)，東亞季風(fēng)格局發(fā)生了轉(zhuǎn)變，暖濕的東南季風(fēng)減弱，干冷的西北季風(fēng)加強(qiáng)，降水量顯著減少，沙塵暴強(qiáng)度增強(qiáng)，成壤強(qiáng)度降低，可見成壤強(qiáng)度的降低是因?yàn)榻邓繙p少、蒸發(fā)量增大和氣候干旱化所造成，并引起了水、土、生物資源（或者說土地資源）的急劇退化1618。但是>0.1 mm的沙級(jí)顆粒明顯增加，平均含量為3.19%，主要以面流沉積的中細(xì)沙粒為主，并含有人為侵入體，說明這一時(shí)期面狀水流侵蝕沉積作用有所增強(qiáng)。本時(shí)期氣候干旱、降水量減少，是農(nóng)業(yè)耕

20、作影響加強(qiáng)，使人類活動(dòng)明顯增強(qiáng)，引起人為加速侵蝕過程明顯加強(qiáng)。表土（TS）層（300 cm）是人類活動(dòng)影響最強(qiáng)的時(shí)期，但<0.005 mm粘粒黃土層（L0）增大6.24%，而0.50.1 mm的粗粉沙減少0.80%，表明本期人類活動(dòng)比以前又更進(jìn)一步加強(qiáng)，>0.1 mm的顆粒明顯增加并出現(xiàn)峰值，其平均含量為3.59%，比黃土層（L0）增大12.5%，而且含有大量的中細(xì)沙粒和人為侵入體，表明在歷史時(shí)期尤其是隋唐以來(lái)在人類強(qiáng)烈活動(dòng)的影響下，生態(tài)環(huán)境惡化，侵蝕更加強(qiáng)烈，加劇了侵蝕堆積作用。人為加速侵蝕速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過自然侵蝕速率，面狀流水侵蝕呈現(xiàn)加速趨勢(shì)。由此可見，在全新世不同時(shí)期，關(guān)中盆地東

21、部在風(fēng)成黃土堆積和風(fēng)化成壤的同時(shí)，地表面狀流水侵蝕沉積作用也有顯著的變化。晚更新世馬蘭黃土堆積的后期，即將進(jìn)入全新世時(shí)，有自然面流侵蝕沉積發(fā)生，早全新世當(dāng)?shù)貨]有發(fā)生面狀流水侵蝕。在4000 a B.P.之前，面狀流水侵蝕沉積并不明顯。自夏商文化出現(xiàn)以來(lái)，人類農(nóng)業(yè)耕墾對(duì)洪積扇地表地形的改變促進(jìn)了坡面水流堆積過程，改善了洪積扇水文條件和土壤水分狀況，提高了成壤強(qiáng)度，同時(shí)也引發(fā)了面狀流水侵蝕沉積。從3100 a B.P.開始沙塵暴強(qiáng)度加大，氣候干旱，同時(shí)人類活動(dòng)強(qiáng)烈地影響著生態(tài)環(huán)境的演變，使土壤侵蝕在自然侵蝕疊加了人為侵蝕，加速了面狀流水侵蝕沉積發(fā)生，從隋唐以來(lái)，農(nóng)業(yè)耕墾的影響更進(jìn)一步加大，洪積扇坡

22、面流水侵蝕沉積作用達(dá)到更大?？梢娡寥狼治g的加速是與人類的活動(dòng)相伴隨著，而且，隨著人類活動(dòng)強(qiáng)度的增強(qiáng)，土壤侵蝕在自然侵蝕的基礎(chǔ)上，呈現(xiàn)加速趨勢(shì)。參考文獻(xiàn)：1中國(guó)科學(xué)院黃土高原綜合科學(xué)考察隊(duì). 黃土高原地區(qū)土壤侵蝕區(qū)域及其治理途徑M. 北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社, 1990: 158.THE INTEGRATED SCIENTIFIC SURVEYING TEAM ON LOESS PLATEAU OF CHINESE ACADEMY OF SCIENCES. The Regional Features and Control Approach of Soil Erosion in Loess Pl

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34、asin at 3100 a B.P. J. Scientia Geographica Sinica, 2001, 21(1): 29-35.The variation of Holocene soil erosion and re-depositionon gentle slope ground in the eastern Guanzhong basinZHA Xiao-chun1, HUANG Chun-chang1, 2, PANG Jiang-li11. College of Tourism and Environment Science, Shaanxi Normal Univer

35、sity, Xian 7110062, China; 2. Stata Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on Loess Plateau, Chinese Academy of Sciences, Yangling 712100, ChinaAbstract: A Holocene loess-paleosoil profile was studied on pluvial-alluvial fan in the eastern Guanzhong basin at Huaxian county, Shaanxi province. Analyzed from the soil magnetic susceptibility and grain size, the var