渾善達克沙地錫林浩特剖面磁化率和有機質(zhì)值變化

渾善達克沙地錫林浩特剖面磁化率和有機質(zhì)值變化

新世氣候變化研究是全球變化研究的熱點。渾善達克沙地是我國北方沙漠/黃土邊界帶和農(nóng)牧交錯帶的重要組成部分,對氣候變化的反應(yīng)非常靈敏。因此,采用該區(qū)域地質(zhì)記錄研究氣候變化具有分辨率高的優(yōu)點。本文基于錫林浩特剖面的磁化率和有機質(zhì)及14C年代測定結(jié)果,討論渾善達克沙地全新世氣候變化。1在研究區(qū)域特征和地層結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上1.1氣候類型及土壤類型渾善達克沙地位于內(nèi)蒙古高原東部,主要以固定、半固定沙丘為主,并有流動沙丘及湖泊、河流分布。該沙地位于溫帶干草原和荒漠草原地帶,橫跨半濕潤、半干旱和干旱氣候區(qū)。年平均氣溫0.9~5.5℃。年均降水量240.3~422.6mm,且從東南向西北遞減;年蒸發(fā)量1455.4~2116.4mm,從東南向西北遞增;干燥度1.41~1.8。圖1顯示渾善達克沙地月平均溫度和月平均降水量的變化,揭示了該地氣候類型。渾善達克沙地地帶性土壤類型以栗鈣土為主,其次是棕鈣土;非地帶性土壤主要為風(fēng)沙土。沙地地帶性植被以草原植被為主,針闊葉喬木、榆樹疏林等超地帶性植被明顯。1.2地表土壤條件錫林浩特剖面位于內(nèi)蒙古錫林浩特市南7km(43°52′36.6″N,116°5′34.1″E),地表為緩起伏的伏沙丘陵,在走向自西向東深約3~4m沖溝中出露。剖面(圖2)厚2.80m,由6層灰黃色風(fēng)成細砂和6層灰、褐色古土壤疊覆而成,但頂部風(fēng)成砂已被風(fēng)蝕。關(guān)于本剖面具體的巖性特點描述見文獻,本文不再詳細說明。1.3方法及測定年齡樣品采集沿剖面自上而下以5cm間隔進行,共采樣56塊。磁化率分析由中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所沙漠與沙漠化重點實驗室完成。磁化率測定首先將采集的樣品用DenverInstrumentXS-120型(1/1000)電子天平稱重,然后用英國Bartington公司生產(chǎn)的MS2磁化率儀對每組樣品進行6次測量,最后計算平均值。采集年代樣品9塊,其中7塊取自古土壤,進行有機碳14C年代測定,2塊取自風(fēng)成砂進行TL年代測定。14C年代測定由蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院14C年代實驗室完成,TL年代測定由中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所完成,共取得9個年代結(jié)果并將其換算為日歷年(表1)。考慮到風(fēng)成砂和古土壤沉積速率存在明顯差異,導(dǎo)致推算年代誤差較大,采用了Kukla的磁化率推年方法,計算地層不同層位的沉積時代。2氣候世代使用指數(shù)的變化特征2.1峰谷波動旋回總的看來,錫林浩特剖面的磁化率曲線(圖2)具有以下特征:①剖面磁化率值變化幅度不大,最低值為1.03SI/g,最高值為9.58SI/g,平均值為3.98SI/g,標準差為1.74SI/g。其中古土壤磁化率值較高,范圍在(2.16~9.58)SI/g之間,平均值為4.64SI/g,標準差1.76SI/g;風(fēng)成砂磁化率值相對較低,范圍在(1.03~4.06)SI/g之間,平均值2.8SI/g,標準差0.86SI/g。②峰谷波動旋回規(guī)律非常明顯,整個剖面磁化率曲線變化表現(xiàn)為3谷夾2峰,且峰值段和谷值段又有波動變化。其中峰值段對應(yīng)古土壤層,而谷值段對應(yīng)風(fēng)成砂層。③大致以6kaBP(剖面深度190cm處)為界,磁化率曲線可分為上下兩段,上段波動變化明顯,磁化率值在(1.03~5.97)SI/g之間變化,平均值為3.55SI/g,標準差為1.14SI/g;下段從剖面低端向上有逐漸波動增大的趨勢,磁化率值在(2.15~9.58)SI/g之間變化,平均值為4.89SI/g,標準差為2.38SI/g。2.2風(fēng)成砂和古土壤有機質(zhì)含量該剖面的有機質(zhì)曲線變化趨勢和磁化率曲線具有一致性。其曲線(圖2)變化特征為:①剖面中有機質(zhì)含量相對磁化率來說,變化幅度相對較大,最高含量為10.7μg/g,最低含量為0.5μg/g,平均值為4.64μg/g,標準差為2.47μg/g。其中古土壤中有機質(zhì)含量高,范圍在1.8~10.7μg/g之間,平均值為5.33μg/g,標準差2.73μg/g;風(fēng)成砂中有機質(zhì)含量相對較低,范圍0.5~4.6μg/g,平均值2.76μg/g,標準差1.15μg/g。②峰谷波動旋回規(guī)律和磁化率曲線具有相同的態(tài)勢,也表現(xiàn)為3谷夾2峰,峰值段和谷值段也具有波動變化。且峰值段與古土壤層相對應(yīng),谷值段與風(fēng)成砂層相對應(yīng)。③有機質(zhì)曲線也是大致以6kaBP(剖面深度190cm處)為界,分為上下兩段,上段波動變化明顯,有機質(zhì)含量在1.6~8.9μg/g之間變化,平均值為4.49μg/g,標準差為1.99μg/g;下段有剖面底部向上逐漸增大,范圍在0.5~10.7μg/g之間,平均值為4.94μg/g,標準差為3.31μg/g。3丹沙新世氣候變化過程3.1沉積環(huán)境磁化率的變化磁化率是一種能較好地反映氣候變化的代用指標。研究表明,磁化率既能反映土壤成壤強度,又能反映夏季風(fēng)強度。磁化率的大小與所含磁性礦物的多少及磁性礦物的磁疇有關(guān),粒級在125~16μm和0.03~0.01μm范圍內(nèi)磁化率值最高。但對天然沉積物來說,磁化率值的大小主要取決于鐵磁性礦物的濃度、顆粒的大小和磁性礦物的成分,而此反映了沉積物物源、沉積動力大小及次生條件等沉積環(huán)境的變化。黃土研究證明黃土和古土壤磁化率的差異并不是由于磁性礦物組成和顆粒大小的不同,而主要受其中磁性組分濃度高低的影響。從以上對磁化率特征分析以及影響磁化率的因素來看,在錫林浩特剖面中,風(fēng)成砂主要是由石英顆粒組成,它是低磁性甚至是無磁性礦物,磁化率值自然很低;古土壤層的磁化率值比風(fēng)成砂層要高,主要因為在成壤過程中,由于淋溶與土壤化作用,促成了鐵磁性顆粒的富集,形成大量的極細微顆粒(<1μm),這些極細微顆粒由于成為超順磁體而具有很高的磁化率值。該地層剖面磁化率分析結(jié)果表明,磁化率變化存在著波動式增大到波動式減小的過程,其轉(zhuǎn)折點是6kaBP左右,說明渾善達克沙地在6kaBP之前,夏季風(fēng)波動式增強,之后則波動式減小的過程。從磁化率曲線的變化趨勢來看,渾善達克沙地夏季風(fēng)的波動式變化過程又可分為若干個強弱階段:10.7~9.6,9~8.5,5.8~5.6,5.5~4.3,4~3.5,2~1.3和0.7kaBP以來,磁化率值相對較低,夏季風(fēng)強度相對較弱,反映氣候相對冷干;相反,在9.6~9,8.5~5.8,5.6~5.5,4.3~4,3.5~2和1.3~0.7kaBP期間磁化率值相對偏高,夏季風(fēng)強度增強,反映氣候相對暖濕。3.2氣候變化的表現(xiàn)有機質(zhì)含量是反映一定氣候條件下植被蓋度和生物量的指標,揭示地表植被生長的狀況,從而反映了當時的氣候條件。渾善達克沙地地層剖面中有機質(zhì)含量表現(xiàn)為古土壤層中高、風(fēng)成砂層中低,是因為在古土壤形成時期,氣候相對較為溫濕,此時古土壤層既繼承了其母質(zhì)的有機質(zhì),在成壤過程中又有新的有機組分疊加。從整個曲線變化趨勢來看,和磁化率基本一致,在此過程中氣候變化同樣存在著若干強弱階段:在10.7~9,5.8~5.6,5.5~4.3,4~3.5,1.9~1.3和0.7~0.3kaBP期間,有機質(zhì)含量較低,說明植被蓋度相對較低,反映了氣候相對冷干,不適于植被的生長;相反,在9.6~5.8,5.6~5.5,4.3~4,3.5~1.9,1.3~0.7和0.3kaBP以來,有機質(zhì)含量相對較高,說明當時氣候條件下植被蓋度相對較高,反映了當時氣候是相對溫濕,比較適于植被的生長。3.3氣候總體變化根據(jù)對錫林浩特剖面磁化率和有機質(zhì)變化趨勢的分析,可以得出在6kaBP左右是一個轉(zhuǎn)折點,在此以前,夏季風(fēng)不斷增強,冬季風(fēng)不斷減弱;之后,夏季風(fēng)又波動式減弱,冬季風(fēng)波動式增強。并且在此期間氣候變化又有小的波動。根據(jù)前人研究結(jié)果及其本剖面磁化率和有機質(zhì)變化特征,可將渾善達克沙地全新世以來氣候變化分為5個階段(圖2):Ⅰ(10.7~8.5)kaBP,氣候相對冷干。冬季風(fēng)較強,夏季風(fēng)相對較弱,但是夏季風(fēng)有增強趨勢。在此階段,地層中堆積風(fēng)成砂,后期有較弱的古土壤發(fā)育,地層剖面中磁化率值和有機質(zhì)含量都相對較低,反映了當時氣候相對冷干。雖然此時磁化率值和有機質(zhì)含量相對較低,但二者的變化趨勢都是波動增高的,反映冬季風(fēng)不斷減弱,而夏季風(fēng)不斷增強的趨勢。這與YD事件之后,全新世氣候不斷變暖是一致的。孫建中等對黃土高原全新世研究后認為10~8.5kaBP之間,氣候干冷,但后期逐漸升溫,呈現(xiàn)出升溫期的特點。此時印度洋季風(fēng)也逐漸增強;北大西洋在10.3kaBP和9.5kaBP出現(xiàn)2次浮冰事件。Ⅱ(8.5~5.8)kaBP,氣候溫暖濕潤。夏季風(fēng)較強,冬季風(fēng)相對較弱。地層中對應(yīng)高發(fā)育古土壤,磁化率和有機質(zhì)值都遠高于平均值,說明此時氣候溫暖濕潤,地表植被覆蓋度相對較大,到6kaBP左右夏季風(fēng)達到鼎盛時期,其溫暖濕潤程度達到全新世之最,時間上與全新世最適宜期是對應(yīng)的。此時黃土高原氣候溫暖,我國北方地區(qū)氣候溫暖濕潤,中國東部在6.5~5.5kaBP達到大暖期的最盛階段;印度洋夏季風(fēng)總的來看此階段也是全新世最強盛時期,Fennoscandia地區(qū)在8~6.5kaBP時為全新世最適宜期。Ⅲ(5.8~3.5)kaBP,氣候波動變化頻繁。冬季風(fēng)和夏季風(fēng)都相對較弱,且二者強度波動變化頻繁。地層中表現(xiàn)為兩個弱發(fā)育的古土壤—風(fēng)成砂旋回,磁化率和有機質(zhì)值都相對較低,說明氣候干旱,植被稀疏,是比較干冷的時期。此時內(nèi)蒙古地區(qū)出現(xiàn)干旱事件;印度洋季風(fēng)在4.3kaBP前后突然萎縮],印度塔爾沙漠湖泊4200BC(6kaBP)開始迅速縮小,至3500BC(5.5kaBP)完全干涸。Ⅳ(3.5~1.9)kaBP,氣候溫暖濕潤,夏季風(fēng)較強,冬季風(fēng)相對較弱,僅次于全新世最適宜期。此時地層中發(fā)育古土壤,磁化率和有機質(zhì)值都較高,說明氣候溫暖濕潤,植被覆蓋度較好,在2.5kaBP左右時溫濕程度達到極值。此時,騰格里沙漠在3.4~3.1kaBP濕度增加。印度洋夏季風(fēng)比較強盛;在2.5kaBP左右時,Fennoscandia地區(qū)非常溫暖。Ⅴ1.9kaBP以來,氣候有多次冷暖波動,但是氣候漸變冷干。夏季風(fēng)波動變?nèi)?冬季風(fēng)相對波動增強。地層中有多個古土壤—風(fēng)成砂旋回,但是磁化率和有機質(zhì)值都比較低,說明氣候波動變化頻繁,但是總的來說是比較干冷,并趨向于冷干。磁化率和有機質(zhì)曲線在1.5kaBP左右出現(xiàn)一個谷值,地層中發(fā)育風(fēng)成砂,說明氣候寒冷。姚檀棟等認為公元初比較寒冷;北大西洋在1.4kaBP出現(xiàn)最后一次浮冰事件。在1.0kaBP左右出現(xiàn)峰值,此時發(fā)育古土壤,表明氣候相對溫暖,這與中世紀暖期是一致的,在全球大多數(shù)地區(qū)都有記錄。之后,大約在0.5kaBP又出現(xiàn)谷值,地層中發(fā)育風(fēng)成砂,此對應(yīng)小冰期事件,在全球也有很多記錄。小冰期之后,磁化率和有機質(zhì)值都逐漸增大,地層中發(fā)育弱古土壤,表明氣候變暖,這又對應(yīng)20世紀氣候變暖。4氣候變化階段綜上所述,得出一下幾點結(jié)論:⑴錫林浩特剖面磁化率和有機質(zhì)出現(xiàn)多個峰谷變化,峰值段對應(yīng)古土壤層,谷值段對應(yīng)風(fēng)成砂層,較好地反映了渾善達克沙地的全新世氣候變化。⑵通過對磁化率和有機質(zhì)變化特征分析,把本區(qū)氣候變化分為5個階段:10.7~8.5kaBP,氣候相對冷干