关键词:
土壤发生
黄土-古土壤序列
土壤发育函数
土壤发育指标
摘要:
深厚黄土-古土壤序列记录了土壤连续变化过程和成土环境演变历史,是古气候学和古地理学的重要研究材料。然而,黄土-古土壤序列形成过程中粉尘沉积和成土作用同步进行,单一土壤发育指标并不能准确表征其发育程度。同时,由于不同时期内生物气候等成土环境条件并非一成不变,黄土-古土壤序列的发育程度和时间存在着复杂的非线性关系。在这种背景下,如何扣除粉尘中原有发育信息,来模拟构建适用于不同时期的黄土-古土壤序列发育函数仍需进一步探究。为此,本研究以前期研究数据基础扎实的东北地区典型黄土-古土壤序列朝阳剖面(Chaoyang section)为研究对象,通过土壤年龄-深度函数模型明确了朝阳剖面形成过程中不同时期的沉积速率,进而结合古气候反演数据重建了朝阳剖面的沉积环境。在此基础上,通过定量化朝阳剖面形态特征计算并校正了发生层发育指数(△HI),解析了朝阳剖面不同时期内年龄与△HI间函数关系,利用土壤发育指标对年龄-△HI函数的参数进行了多元线性回归,进而集成了基于发生层发育指数的黄土-古土壤序列的发育函数。同时,通过Meta分析比较并筛选了已发表文献中能够表征黄土-古土壤序列发育演化的指标,使用土壤重建模型定量计算了朝阳剖面形成过程中上述指标的变化量,选取了游离铁的变化量(△Fed)并解析了朝阳剖面不同时期内年龄与△Fed间的函数关系,利用土壤发育指标对年龄-△Fed函数的参数进行了多元线性回归,进而集成了基于游离铁变化量的黄土-古土壤序列发育函数来模拟长时期土壤演化序列中铁迁移的动态过程。最终,应用上述构建的发育函数,解译了东北地区内最长的黄土-古土壤演化序列赤峰剖面(Chifeng section)的发育演化规律,以期为准确解译东北地区长时间序列土壤演化的动态过程及利用其反演古气候提供科学依据。研究结果如下:
(1)朝阳剖面演化中不同时期的年龄-深度函数拟合优度较高(R2>0.75),表明该方法能有效反映沉积速率的变化趋势,其斜率变化直接响应了气候驱动下的沉积动力学机制。结合古气候反演数据发现朝阳剖面的沉积速率显著受控于冷干-暖湿气候交替。其中,冷干期(L2~L5)冬季风增强下植被稀疏、地表裸露及冬季风增强,促进粉尘高效搬运与沉积,沉积速率较高(7.3~11.7 cm/ka);暖湿期(S1-2~S4)植被覆盖度增加、地表粗糙度提高,导致粉尘捕获效率上升,沉积速率较低(2.4~6.3 cm/ka)。
(2)朝阳剖面黄土层中年龄(t)和△HI多为对数函数关系,表现为在L2形成时期(157.12~168.72ka BP)呈现出△HI=-0.431*lnt+2.673、在L3形成时期(205.22~221.96ka BP)呈现出△HI=0.504*lnt-2.3788和在L4形成时期(233.32~304.31ka BP)呈现出△HI=-0.0018*t+0.70。多元线性回归分析发现上述函数参数与容重、全钾和全钙含量显著相关。相比之下,古土壤层中年龄和△HI多为线性函数关系,表现为在S1-2形成时期(79.18~157.12ka BP)呈现出△HI=0.0012*t+0.406、在S2形成时期(168.72~205.22ka BP)呈现出△HI=0.024*lnt+0.378、在S3形成时期(221.96~233.32ka BP)呈现出△HI=0.006*t+0.178和在S4形成时期(304.31~400.28ka BP)呈现出△HI=0.0017*t-0.176。多元线性回归分析发现上述函数参数与容重、全镁和全铁含量显著相关。通过对比函数预测值和实测值进行验证,表明基于△HI构建的发育函数整体拟合效果较好(R2=0.53,n=37),能够准确表征东北典型黄土-古土壤形成时期发育演化过程。
(3)朝阳剖面黄土层中年龄(t)和△Fed多为线性函数关系,表现为在L2形成时期(157.12~168.72ka BP)呈现出△Fed=0.003*t-4.72、在L3形成时期(205.22~221.96ka BP)呈现出△Fed=0.69*t-151.62和在L4形成时期(233.32~304.31ka BP)呈现出△Fed=-30.11*lnt+161.43。多元线性回归分析发现上述函数参数与容重、p H、有机质、全镁和全钙含量显著相关。相比之下,古土壤层中年龄和△Fed多为对数函数关系,表现为在S1-2形成时期(79.18~157.12ka BP)呈现出△Fed=0.06*t+12.64、在S2形成时期(168.72~205.22ka BP)呈现出△Fed=-1.99*lnt+2.205、在S3形成时期(221.96~233.32ka BP)呈现出△Fed=205.64*lnt-1112.38和在S4形成时期(304.31~400.28ka BP)