黃土古土壤記錄的極端氣候事件

黃土古土壤記錄的極端氣候事件

0土壤古土壤的演化過程中國的黃土古土壤序列是過去2.5年ma古廟氣候變化的一個連續(xù)記錄。目前關(guān)于黃土與深海氧同位素地層的對比關(guān)系除少數(shù)細(xì)節(jié)外,基本為學(xué)術(shù)界所廣泛接受。黃土古土壤序列與深海氧同位素記錄整體上有較好的對比關(guān)系,而全球冰量變化則被認(rèn)為是控制黃土堆積的一個主要因素。北半球夏季太陽輻射量的變化也被認(rèn)為是東亞季風(fēng)氣候的一個主要驅(qū)動因素,它對黃土中古土壤的發(fā)育有較強(qiáng)的控制作用。然而,黃土古土壤序列和深海氧同位素記錄之間也存在一些重要差異,其中發(fā)育程度較高的、反映極端暖濕環(huán)境的土壤S4、S5-1和S5-3及反映極端干冷氣候的砂黃土L9和L15在深海氧同位素記錄中沒有明顯反映。它們由于具有特殊的形態(tài)特征而被廣泛用作黃土區(qū)地層對比的標(biāo)志,但對于這些極端氣候事件所代表的區(qū)域和全球性意義一直有不同看法,其所代表的氣候變幅也有待進(jìn)一步研究。本文主要基于對渭南、長武和西峰1.2Ma以來黃土古土壤的研究來探討:(1)上述土壤和黃土單元所反映的環(huán)境狀況及代表的氣候變幅;(2)它們的區(qū)域或全球性意義;(3)可能的驅(qū)動因素。1粘土膠膜的成土作用西峰、長武和渭南現(xiàn)代年均溫分別是8.3℃、9.1℃和13℃,年降水分別為560mm、590mm和650mm。圖1是3個剖面磁化率與深海氧同位素記錄及反映北半球太陽輻射變化的ETP曲線的對比。西峰剖面的時間標(biāo)尺是在磁性地層控制點(diǎn)的基礎(chǔ)上用磁化率年齡模型內(nèi)插而獲得,長武和渭南剖面的時間標(biāo)尺通過與西峰磁化率曲線對比獲得。西峰及渭南剖面古土壤的Munsell顏色代碼及微形態(tài)特征列于表1。在1.2Ma以來的整個序列中,S4,S5-1,S5-3和S13古土壤代表紅化程度最高的土壤(表1)。在西峰地區(qū),它們的色調(diào)可達(dá)5YR,而同一剖面的其它土壤只有10YR或7.5YR。渭南地區(qū)的S4,S5-1色調(diào)高達(dá)2.5YR。這些土壤的細(xì)粒物質(zhì)富含更多的紅色鐵氧化物微粒(2~5μm甚至更細(xì)),表明紅色與這些鐵的微粒密切相關(guān)。在3個剖面中,S4,S5-1和S5-3完全脫鈣,且含有大量粘土膠膜(表1)。在顯微鏡下,粘土膠膜呈紅棕色。與其它土壤相比,這些土壤含更多的細(xì)粒物質(zhì),指示了更強(qiáng)的成土作用。盡管S13紅化程度較高,但不含粘粒膠膜。古土壤的風(fēng)化強(qiáng)度可以通過游離氧化鐵(FeD)和全氧化鐵(FeT)的比值來更好地反映。圖2是根據(jù)長武與西峰2000多個樣品分析獲得的一條復(fù)合w(FeD)/w(FeT)曲線,可用來定量反映黃土區(qū)古土壤的風(fēng)化強(qiáng)度,其中游離鐵用CBD方法分析獲得?？梢钥闯?S4,S5-1,S5-3屬于所研究序列中風(fēng)化強(qiáng)度最大的土壤。在現(xiàn)代間冰期條件下,黃土高原地區(qū)從秋末到春初的土壤平均溫度低于0℃,土壤的風(fēng)化強(qiáng)度主要取決于夏季的溫度和降雨量。粘土礦物的X射線衍射分析表明,西峰S4、S5-1和S5-3均由伊利石、高嶺石、綠泥石和蒙脫石組成,S5-1中的蒙脫石更多些。渭南的上述土壤中有更多的蒙脫石,伊利石的結(jié)晶度更低。這些結(jié)果表明粘土礦物主要是2∶1型礦物。據(jù)渭南古土壤Bt層的3個樣品的粘粒(<2μm)化學(xué)分析,S4、S5-1和S5-3中SiO2/Al2O3分子比值分別為3.42、3.04和3.41,表明這些土壤沒有經(jīng)歷顯著的脫硅富鋁化過程。土壤的紅化過程是相對暖濕環(huán)境的象征。季節(jié)反差明顯時,紅化更為明顯。這與黃土高原季風(fēng)氣候的季節(jié)性是一致的。S4、S5-1、S5-3古土壤的強(qiáng)烈紅化作用表明當(dāng)時比現(xiàn)在的平均狀況更溫暖。這些土壤中的粘土膠膜特征通常被認(rèn)為是闊葉林土壤的證據(jù)。粘土膠膜的強(qiáng)烈紅化是亞熱帶、熱帶環(huán)境比較典型的特征[2。0,21〗綜合上述特征,我們認(rèn)為這些土壤是森林草原土壤,在發(fā)育時大部分時間以草原植被為主,在氣候適宜時,會有較高的森林覆蓋率。在西峰和長武,它們可大致被歸為聯(lián)合國土壤分類系統(tǒng)中的LuvicKastanozems到ChromicLuvisols,近似于一些其它分類系統(tǒng)的紅棕壤。在渭南可歸為ChromicLuvisols,大致與粘淀富鹽基棕紅壤相當(dāng)。我們估計S5-1的年均溫比現(xiàn)在高約4~6℃,年降雨量增加200~300mm。對于黃土高原南部(渭南),其溫濕狀況與目前的長江流域類似,降雨狀況與目前的淮河流域類似。與S5-1相比,S4和S5-3代表的環(huán)境稍干一些。如果根據(jù)磁化率轉(zhuǎn)換函數(shù)粗略估算,西峰和長武的S5-1代表的年均溫約14℃,平均年降雨量約800mm(圖3),而渭南土壤的高磁化率超過了該轉(zhuǎn)換函數(shù)的有效范圍。S4、S5-1和S5-3古土壤代表了1.2Ma以來3個最暖濕的時期。由于黃土高原氣候主要受季風(fēng)控制,所以這些極端暖濕事件可作為夏季風(fēng)增強(qiáng)的證據(jù)。渭南土壤的粘粒膠膜、Fe-Mn特征、細(xì)粒物質(zhì)比西峰和長武豐富,表明當(dāng)時黃土高原最南部的降雨增多尤為突出。這可能意味著季風(fēng)雨帶(所謂的“梅雨帶”)每年影響的時期相對較長?，F(xiàn)今這條雨帶每年從六月初到七月初到達(dá)并停留在長江淮河流域(在中國南部26°~34°N之間),導(dǎo)致該區(qū)綿長而持續(xù)的雨季。2不同黃土單元的微結(jié)構(gòu)及年降雨在野外黃土地層劃分中,過去所稱的“砂黃土”層L9和L15因具有質(zhì)地明顯偏粗、塊狀結(jié)構(gòu)、灰白色(10YR8/2-4)、易崩塌特點(diǎn)而常被作為巖性地層劃分的標(biāo)志。L9由3部分組成,較粗粒級的上部、下部(分別與深海氧同位素22和24期對應(yīng))和較細(xì)粒級的中部(與深海氧同位素23期對應(yīng))。數(shù)個黃土剖面粒級變化的測量表明,L9和L15是2.5Ma以來最粗粒級的黃土,粗粉砂(25~50μm)的比例與其它黃土層相比顯著增大,顯微鏡下估計一般達(dá)45%~60%,在其它黃土單元則大約為30%~40%;砂粒物質(zhì)(12%~15%)比其它黃土單元(8%~10%)稍富。L9和L15只有很少孔隙和生物活動的遺跡。碎屑碳酸鹽的形態(tài)相對新鮮,基質(zhì)中含有大量圓或半圓狀集合體(60~300μm)。這些集合體由不同粒級的顆粒組成,故稱假砂粒。中國西北部及中亞的沙漠是黃土的源區(qū),且粉塵主要是經(jīng)西北冬季風(fēng)傳輸運(yùn)移的,所以,黃土粒度的變化主要取決于冬季風(fēng)的強(qiáng)度和距源區(qū)的距離。因此,L9和L15代表了冬季風(fēng)的加強(qiáng)及沙漠的向南擴(kuò)張。其中微弱的生物活動表明當(dāng)時植被稀疏,不能為土壤動物群提供足夠的有機(jī)質(zhì)。假砂粒微結(jié)構(gòu)指示了黃土在堆積后又遭受風(fēng)蝕搬運(yùn),也表明其形成時地表植被覆蓋度很低,風(fēng)力強(qiáng)盛。基質(zhì)中相對新鮮的碎屑碳酸鹽表明年降雨量很少。L9和L15代表了一種荒漠—半荒漠的景觀,說明當(dāng)時風(fēng)力作用較強(qiáng)。根據(jù)呂厚遠(yuǎn)等的磁化率轉(zhuǎn)換函數(shù),年均溫約為1.5~3℃,平均年降雨量為150~250mm(圖3)。這與目前東北內(nèi)蒙古地區(qū)的景觀可以對比。值得注意的是,盡管這3個地點(diǎn)現(xiàn)代氣候狀況很不同,但L9和L15的微形態(tài)特征與磁化率卻很相似,表明當(dāng)時黃土高原氣候梯度很小。可以認(rèn)為,在這些黃土單元堆積期間,夏季風(fēng)很少影響黃土高原地區(qū)。3北大西洋深層流的影響全球冰量和太陽輻射變化被用于解釋東亞季風(fēng)氣候在軌道時間尺度上的變化。然而,由S4、S5-1和S5-3所反映的極端暖濕期以及L9和L15所代表的極端干冷期既不能用全球冰量變化解釋,也不能用太陽輻射的變化直接解釋(圖2)。深海氧同位素記錄中,與S4、S5-1和S5-3對應(yīng)的氧同位素11、13和15期的δ18O值不比其它間冰期低,指示當(dāng)時的冰量并不少于其它間冰期,且北半球太陽輻射也并不比其它間冰期高(圖2)。因此,在S4、S5-1和S5-3形成時的極端暖濕期,其它因素對氣候起了重要的驅(qū)動作用。洋流是氣候的重要驅(qū)動因素。北大西洋深層流(NADW)對世界洋流起了“馬達(dá)”的作用,在水汽和熱量輸送中起了重要作用,同時也可能是控制冰期間冰期大氣中CO2含量變化的一個重要因素。新仙女木事件(YoungerDryas)及末次冰期的高頻變化都可能與北大西洋深層流的變化有關(guān)。δ13C是古洋流變化很好的示蹤物。大西洋和太平洋的δ13C梯度是估計NADW強(qiáng)度的重要指標(biāo)。北大西洋深層水具有較高的δ13C初始值,但隨著向南流入太平洋并通過與南大洋水(SOW)的混合和時間的推移逐漸變小。影響海水δ13C值的另一重要因素是陸地有機(jī)碳庫。在末次冰期以來,陸地生物量的增加導(dǎo)致海洋平均碳同位素組成增加約3.2‰。由此可見,深海碳同位素受NADW產(chǎn)率和陸地生物量共同影響,而大西洋與太平洋的碳同位素梯度則可用來反映NADW的強(qiáng)度。圖2列出了黃土復(fù)合風(fēng)化強(qiáng)度曲線與北大西洋DSDP552、DSDP607及赤道太平洋ODP6773個地點(diǎn)深海碳同位素記錄的對比。這3個地點(diǎn)被認(rèn)為是示蹤NADW產(chǎn)率強(qiáng)度的較好選址。S4、S5-1和S5-3土壤較高的發(fā)育程度與大西洋和太平洋較高的δ13C值吻合(圖2)。太平洋RC13-110孔也清楚地記錄了這些δ13C高值。上述深海鉆孔的高δ13C值表明,中國黃土記錄的極端暖濕期不是局部現(xiàn)象,而有明確的全球性反映,且可能影響了當(dāng)時海陸碳庫的格局。這種對比同時表明,上述土壤較高的發(fā)育程度不是時間因素所致,而是氣候影響的結(jié)果。大西洋和太平洋之間的碳同位素梯度可用作NADW強(qiáng)度的標(biāo)志。當(dāng)DSDP552和607孔的δ13C值接近、大西洋和太平洋之間的δ13C值差異較大時,表明NADW強(qiáng)度較大。圖2表明,在S4和S5-3形成時期,大西洋—太平洋之間的δ13C梯度比過去1.2Ma任何其它間冰期都大,說明NADW的強(qiáng)度較大。Oppo等認(rèn)為,NADW的強(qiáng)度在氧同位素11期特別大。在S5-1形成期間,大西洋和太平洋的δ13C比任何其它間冰期都高,而δ13C值的梯度不是特別大,可能是用上述3個鉆孔低估了該時期NADW的強(qiáng)度,因為RC13-229(南大洋)和太平洋V19-30、ODP677之間的對比表明:在氧同位素11和13期,太平洋和南大洋δ13C值的差異明顯比其它間冰期大,說明NADW的強(qiáng)度很大。L9和L15分別與深海氧同位素22~24和38對應(yīng)(圖2),這些時期正好是大西洋與太平洋δ13C值梯度最小的時期,表明NADW產(chǎn)率很低。因此,我們的研究結(jié)果表明,中國黃土古土壤序列記錄的兩類極端氣候事件與NADW強(qiáng)度的變化相吻合,S4、S5-1和S5-3所代表的極端暖濕期對應(yīng)于NADW的增強(qiáng)期,而L9和L15所代表的極端干冷期與NADW最弱的時期相吻合。這表明,北大西洋深層流強(qiáng)度變化是影響東亞季風(fēng)氣候的重要因素,且這種作用同時體現(xiàn)于古冬、夏季風(fēng)的變化之中。4夏季風(fēng)影響顯著中國黃土古土壤序列記錄了兩類極端氣候事件,即以S4、S5-1和S5-3土壤單元為代表的極端暖濕事件和以L9、L15黃土單元為代表的極端干冷事件。這兩類事件的原因一直是黃土古氣候研究中沒有理解的問題。本文的研究表明S4、S5-1和S5-3是在亞熱帶半濕潤環(huán)境下形成的。初步估計,S5-1形成時期的年均溫(MAT)和年降雨量(MAP)比目前分別高4~6℃和200~300mm。當(dāng)時黃土高原南部的年降雨量的增加最為突出,表明受夏季風(fēng)的影響十分強(qiáng)烈。每年季風(fēng)前鋒可能相對長時間地穩(wěn)定在高原最南部,類似于目前的長江-淮河流域。黃土L9和L15是在半荒漠環(huán)境下形成的,當(dāng)時MAT約為1.5~3℃,MAP約為150~200mm。黃土高原氣候梯度很小,表明