黄土高原碳酸钙含量变化特征及气候表征研究
——以西安和宝鸡为例

宋佃星，马 莉

(宝鸡文理学院，陕西省灾害监测与机理模拟重点实验室，陕西 宝鸡 721013)



·环境科学·

黄土高原碳酸钙含量变化特征及气候表征研究
——以西安和宝鸡为例

宋佃星，马 莉

(宝鸡文理学院，陕西省灾害监测与机理模拟重点实验室，陕西 宝鸡 721013)

以碳酸钙含量为指标表征黄土高原区气候变迁,为重建气候变化时间序列及现阶段解析气候变化特征提供借鉴。对西安少陵塬剖面、宝鸡市北坡塬的马家塬剖面、西安蓝田剖面黄土地层中的碳酸钙含量运用气量法进行测定。少陵塬剖面CaCO3百分含量远低于马家塬剖面CaCO3百分含量。马家塬剖面出现了最大峰值,CaCO3百分含量平均值也达到了整个剖面的最大值9.17%。说明CaCO3在L2上部是宝鸡剖面的沉积多于少陵塬剖面,也可间接反映CaCO3在少陵塬淋溶沉积较宝鸡剖面深。少陵塬剖面CaCO3的迁移深度(5.6m)远大于蓝田剖面的CaCO3迁移深度(4.4m),反映了这一时期少陵塬较蓝田雨季降水量多且持续时间长。CaCO3层淀积厚度蓝田剖面比少陵塬剖面厚0.05m。少陵塬CaCO3层平均含量为12.4%,蓝田CaCO3层平均含量为38.7%。将少陵塬和蓝田剖面晚更新世时期末次间冰期碳酸钙的淀积深度与现代土壤碳酸钙淀积深度对比,可以得出,晚更新世间冰期年均温在15～18℃，降水量为750～1 000mm。总体上看在晚更新世时期,关中平原地区降雨量自西向东呈减少趋势。

黄土高原；碳酸钙含量；气候

碳酸盐是黄土和古土壤中普遍存在的矿物,是中国黄土的主要特征之一,也是第四纪沉积物中最常见的化学成分之一。黄土堆积物中有原生碎屑和次生碳酸盐两种成因的碳酸盐,并以后者为主。黄土次生碳酸化的程度主要取决于堆积区当时的生物气候环境。碳酸盐的淋失程度与降雨量的多少有关,所以黄土中碳酸盐的流失程度即黄土剖面上碳酸盐含量纵向波动是当地黄土堆积历史中大气降水多少的反映。因此,前人经过大量研究将碳酸盐作为土壤地层划分的重要标志和主要气候代用指标[1-7]。一般研究者在有关黄土中的碳酸盐含量来反映古气候环境的研究时,都认同黄土碳酸盐来源和堆积相对稳定的条件下,温暖气候阶段古土壤层中碳酸盐含量低;干冷气候阶段黄土中碳酸盐含量高[8-11]。但是陈忠、赵景波等研究证明了黄土-古土壤剖面碳酸盐含量不是简单的黄土层含量高,古土壤层含量低,古土壤中碳酸盐受到强烈的风化淋溶作用而淋失,但其在下伏的风化黄土层中淀积下来,形成CaCO3淀积层,实际上在古土壤形成期碳酸盐的含量高于黄土层[12-14]。因此,本文选取CaCO3作为研究指标之一,试图用来反映黄土高原南部晚更新世时期的降水量及气温的变化。

1 研究区自然地理概况

关中平原位于秦岭北麓,属于黄土高原的南部,气候属于暖温带半湿润大陆性季风气候,温暖湿润,水、热、光较丰富,四季干湿分明。平均气温12～14℃，年降水量在500～900mm之间。褐土作为地带性土壤广泛发育。蓝田属于渭河地堑盆地的中段。渭河谷地的全新世地层常分布于河流的一级阶地与河漫滩、 河床之中,有时则充填于冲沟之中。还有二级以至五级阶地和塬上的黄土地层表面常有全新世的黑垆土及其上的薄层黄土。

2 材料与方法

2.1 采样点的布设与试验方法

选取黄土高原古土壤发育较好地区,西安少陵塬剖面、宝鸡市北坡塬的马家塬剖面、西安蓝田剖面3个地点为采样点。研究剖面地层稳定,发育连续完整,保存良好,具有典型性。少陵塬剖面从上往下,全新世代表的L0和S0层黄土,每间隔10cm采取样品,分别采样13和8个。晚更新世代表的L1和S1层黄土和L2中碳酸钙结核层上部,每间隔5cm间距采取样品,分别采样135个、54个和47个, CaCO3层采样4个,CaCO3层向下采样5个。共采样266个。马家塬剖面从上往下,晚更新世代表的L1，S1层黄土和L2中碳酸钙结核层下部,每间隔20cm间距采取样品,采样45个。蓝田剖面采样从S1层至风化淋滤黄土层次下部的CaCO3结核淀积层,剖面共深4.45cm,每隔10cm间距采取样品,共采样44个。每个样品采集250g左右。

采用气量法测定土壤中CaCO3含量[15]，其中CaCO3含量的计算公式为:

W=100×[m2×(v1-v3)]/[m1×(v2-v3)]。

(1)

W:土壤中CaCO3含量(%);m1:待测土样的质量;m2:CaCO3的质量;v1:土样产生CO2气体的体积;v2:CaCO3反应产生CO2气体的体积;v3:CaCO3滴定管中初始刻度(空白产生的体积也可能是负值)。

2.2 剖面地层划分

根据地层学和土壤学特征将各剖面土层划分为:第一层黄土(L0);第二层古土壤(S0);第三层黄土(L1-L01);第四层弱古土壤(L1-S01);第五层黄土(L1-L02);第六层古土壤(S1);第七层黄土(L2)

3 讨 论

3.1 西安少陵塬剖面CaCO3含量变化

少陵塬整个剖面CaCO3含量变化范围是0.002%～17.98%,平均值为5.23%,自上而下含量变化明显。其各层特征分别为L0平均值为2.55%,分布范围0.13%～5.73%;S0平均值为0.69%,分布范围0.072%～4.38%;L1平均值为9.12%,分布范围0.4%～17.98%;其中,L1-L01平均值为11.33%,分布范围4.89%～17.98%;L1-S01平均值为6.20%,分布范围1.49%～10.56%;L1-L02平均值为9.13%,分布范围0.82%～15.95%;S1平均值为0.7%,分布范围0.02%～3.35%;L2平均值为1.15%,分布范围0.002%～13.92%。

从平均值来看,CaCO3在整个剖面的分布总体上是黄土层大于古土壤层,依次是L1>L0>L2>S1;L1中CaCO3百分含量分布也是L1-L01>L1-L02>L1-S01。

3.2 宝鸡马家塬剖面CaCO3含量变化

宝鸡马家塬整个剖面CaCO3含量变化范围是0.05%～19.56%,平均值为7.69%,自上而下含量变化明显。其各层特征分别为L1平均值为8.58%,分布范围1.81%～13.12%;其中,L1-L01平均值为8.33%,分布范围7.04%～9.41%;L1-S01平均值为6.80%,分布范围1.81%～11.74%;L1-L02平均值为9.90%,分布范围4.59%～13.12%;S1平均值为0.91%,分布范围0.48%～1.34%;L2平均值为9.17%,分布范围0.05%～19.56%。

从平均值来看,CaCO3在整个剖面的分布总体上是黄土层大于古土壤层,依次是L2>L1>S1;L1中CaCO3含量分布也是L1-L02>L1-L01>L1-S01。

3.3 西安蓝田剖面CaCO3含量变化

西安蓝田剖面整个剖面CaCO3含量变化范围是0 %～68.3%,平均值为5.33%,自上而下含量变化明显。其各层特征分别为S1古土壤层平均值为0.06%,分布范围0%～0.32%;L2平均值为9.33%,分布范围0%～68.3%,S1古土壤层比L2黄土层CaCO3含量少9.27%。

3.4 少陵塬和马家塬剖面CaCO3含量对比

西安少陵塬和宝鸡马家塬剖面的CaCO3百分含量呈波动变化,但总体上看变化范围不超过20%。根据CaCO3百分含量曲线的变化可分为4个阶段的波动变化,CaCO3百分含量变化分界线与黄土与古土壤层的分界线基本一致,且都是黄土层L1和L2的碳酸钙含量远高于古土壤层的S1含量。

黄土层L1-L01层CaCO3百分含量呈下降趋势, 就总体平均含量来看, 少陵塬剖面大于宝鸡剖面。 但是， 宝鸡剖面的曲线变化比较平缓, 少陵塬剖面曲线的斜率较大, 说明宝鸡马家塬剖面CaCO3百分含量较西安少陵塬CaCO3百分含量均匀。L1-S01弱古土壤层CaCO3百分含量总体上小于黄土层L1-L01层,少陵塬剖面CaCO3百分含量与宝鸡剖面CaCO3百分含量的平均值相当。不同的是少陵塬剖面CaCO3百分含量先下降后上升,而宝鸡剖面CaCO3百分含量先上升后下降。并且L1-L02黄土层宝鸡剖面CaCO3百分含量远高于L1-S01弱古土壤层,变化曲线且呈倒“U”型,总体上处于一个高平稳状态。少陵塬剖面CaCO3平均含量为9.13%,小于宝鸡剖面CaCO3平均含量9.90%,但是相差不大。S1古土壤层CaCO3百分含量总体上小于1%,且曲线波动不大,几乎与x轴平行,处于一个低平稳状态。L2黄土层CaCO3百分含量总体上是随着剖面深度的加深呈上升趋势。CaCO3百分含量是L2黄土层远大于S1古土壤层。少陵塬剖面CaCO3百分含量曲线呈持续上升,而宝鸡剖面是先上升后下降。就平均值来看,少陵塬剖面CaCO3百分含量远低于宝鸡剖面CaCO3百分含量。宝鸡剖面出现了最大峰值,CaCO3百分含量平均值也达到了整个剖面的最大值9.17%。说明CaCO3在L2上部是宝鸡剖面的沉积多于少陵塬剖面,也可间接反映CaCO3在少陵塬淋溶沉积较宝鸡剖面深。

3.5 少陵塬和蓝田剖面CaCO3含量对比

选取西安少陵塬剖面和蓝田两个剖面相对应的黄土地层进行比较分析。图1所示,少陵塬末次间冰期发育的土壤S1层CaCO3含量很低,平均值为0.7%,分布范围为0.02%～3.35%,风化淋滤的黄土层L2层的上部CaCO3平均含量为0.03%,分布范围为0.002%～0.1%,碳酸钙结核层含量达5.3%,最大值为9.8%;碳酸钙结核层以下CaCO3平均含量为12.4%。蓝田末次间冰期发育的土壤S1层CaCO3含量平均值为0.06%,分布范围为0%～0.32%,风化淋滤的黄土层L2层的上部CaCO3平均含量为5.3%,分布范围为0%～59.6%,碳酸钙结核层含量达36.7%,最大值为68.3%。少陵塬剖面和蓝田剖面的S1古土壤层和L2黄土层剖面厚度相差较大,CaCO3淀积深度相差较大。少陵塬剖面比蓝田剖面厚1.2m。

图1 少陵塬剖面和蓝田剖面CaCO3含量对比分析图Fig.1 Calcium carbonate content of Comparative analysis about ShaoLing plateau and Majia plateau

土壤中CaCO3淀积深度变化可以作为衡量气候湿润程度的指标[13]。CaCO3淀积深度为从古土壤顶部到CaCO3结核层底部之间的垂直距离,这一深度是CaCO3迁移的最大距离[14]。少陵塬剖面CaCO3淀积深度为5.6m,蓝田剖面CaCO3淀积深度为4.4m。少陵塬剖面CaCO3的迁移深度远大于蓝田剖面的CaCO3迁移深度,反映了这一时期少陵塬较蓝田雨季降水量多且持续时间长。CaCO3层淀积厚度蓝田剖面比少陵塬剖面厚0.05m。少陵塬剖面和蓝田剖面CaCO3百分含量曲线变化浮动不大。CaCO3层含量变化波动大,少陵塬CaCO3层平均含量为12.4%,蓝田CaCO3层平均含量为38.7%。可见,现代土壤的CaCO3淀积深度随着年均温和年均降水量的变化呈增加趋势。将少陵塬和蓝田剖面晚更新世时期末次间冰期碳酸钙的淀积深度与现代土壤碳酸钙淀积深度对比,可以得出,晚更新世间冰期的年均温为15～18℃,降水量为750～1 000mm。

4 结 论

1)西安少陵塬、蓝田及宝鸡马家塬整个剖面CaCO3含量变化特征呈现自上而下的变化趋势。少陵塬CaCO3在整个剖面的分布依次是L1>L0>L2>S1,而马家塬CaCO3呈现分布依次是L2>L1>S1。二者在L1中CaCO3含量分布均为L1-L02>L1-L01>L1-S01。

2)西安少陵塬和宝鸡马家塬剖面的CaCO3百分含量呈波动变化,其变化分界线和黄土与古土壤层的分界线基本一致。但是，二者在不同的土层CaCO3百分含量曲线存在一定差异。其中,L2上部是宝鸡剖面的沉积多于少陵塬剖面,可间接反映CaCO3在少陵塬淋溶沉积较宝鸡剖面深。

3)少陵塬末次间冰期发育的土壤S1层CaCO3含量与风化淋滤的黄土层L2层的上部碳酸钙结核层含量较蓝田剖面都较少。 少陵塬剖面CaCO3(5.6m)的迁移深度远大于蓝田剖面的CaCO3(4.4m)迁移深度,反映了这一时期少陵塬较蓝田雨季降水量多且持续时间长。

4)晚更新世间冰期的年均温为15～18℃,降水量为750～1 000mm。总体上看在晚更新世时期,关中平原地区降雨量自西向东呈减少趋势。

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(编 辑 徐象平)

The variety characteristic of calcium carbonate content and represented climate of the Loess Plateau

SONG Dianxing, MA Li

(Key Laboratory of Disaster Monitoring and Mechanism Simulating of Shaanxi Province,Baoji University of Arts and Sciences, Baoji 721013, China)

Calcium carbonate content is the important measure for climate of the loess and paleosol. This paper is expected to offer some adviles for reconstruction the climatic time series and analysis climate change features. Calcium carbonate content form the ShaoLing Plateau of Xi′an, MaJia Plateau of Baoji and Lantian of Xian was sampled and determined in this paper. Calcium carbonate content of ShaoLing Plateau is far lower than MaJia plateau. The peak occurs on MaJia Plateau and the average content reached maximum, it was 9.17%. Calcium carbonate deposits on L2in MaJia Plateau was more than ShaoLing Plateau. And it reflects indirectly that the leaching sediments of Calcium carbonate on ShaoLing Plateau was deeper than those of MaJia Plateau. The transport depth of Calcium carbonate on ShaoLing Plateau(5.6m) was far deeper than Lantian. And it reflects that rain season precipitation on ShaoLing Plateau more and longer than Lantian. The depositions of Calcium carbonate on Lantian was thicker than those of ShaoLing Plateau, it was 0.05m. The average content of Calcium carbonate content on ShaoLing Plateau and Lantian were 12.4% and 38.7%. Soil types was yellow brown in the Late Pleistocene-glacial, and annual temperature was 15～18℃, and precipitation was 750～1 000mm by the deposited depth of Calcium carbonate on ShaoLing Plateau and Lantian in Late Pleistocene-last interglacial and modern soil were contrasted. In total, precipitation showed a declining trend from the west to the east on the Guanzhong Plain.

Loess Plateau; Calcium carbonate content; climate

2015-09-05

国家自然科学基金资助项目(41071359);陕西省重点实验室基金资助项目(16JS004);宝鸡文理学院重点基金资助项目(ZK12052)

宋佃星,男,山东淄博人,博士,从事气候变化与适应研究。

P461+.4

A

10.16152/j.cnki.xdxbzr.2016-06-022