黄土的成壤改造：恢复古气候的重要性.总结.doc

黄土的成壤改造
Rob A. Kemp
摘要
这篇文章阐述了成壤过程对风尘（黄土）的改造作用。主要分析了黄土的一些特征，这些特征可以指示过去气候条件和变化。重点研究黄土沉积物中发育的古土壤序列，黄土古土壤序列记录了过去全球变化过程，常被视作是陆地上能够很好的与深海沉积序列对比的沉积物。通常从广泛的成土过程和环境变化的角度来解释古土壤形成的原因。即使古土壤的存在具有古气候意义，然而，由于古土壤常被用来指示稳定和更加湿润的地表条件。事实上，应该更加关注黄土古土壤序列形成时黄土堆积和成壤之间的动态平衡。在许多区域，间冰期和间冰阶的成壤大于沉积，这是因为气候温暖湿润，沉积物供给和传输不足。当然，在成壤间断时期沉积速率仍然很大，当沉积速率大于或等于成壤速率时土壤古土壤可能会增厚。当上覆的沉积物不够厚，不足以隔离下伏古土壤，使它不再受到地表活跃的成土作用时就会形成过渡层。一般来说，地质和沉积过程应包含在古沉积作用的恢复中。最近的趋势是把一些黄土古土壤序列作为时间序列，特别是将气候替代指标（磁化率、粒度）随深度函数与深海、冰芯同位素曲线作对比。
关键词：黄土；古土壤；古气候；土壤沉积过程；土壤复合体
1 引言
黄土是一种陆地碎屑沉积物，由粉砂粒组成，是一种风尘堆积物。冰缘、山地边缘、沙漠边缘堆积物的区别在于物源。然而，Pecsis称，狭义上经历过黄土化过程的风尘叫黄土的断言颇具争议，Pye（1995）认为，大部分堆积物过多或少得经历过同步或沉积后改造过程。这些改造过程实际上是成壤改造过程，该过程主要受气候因素的影响。
本文的目的是阐明黄土改造中的成壤作用。主要分析了黄土的一些特征，这些特征可以指示过去气候条件和变化。并不是为黄土的分布提供大的地理范围（Pye,1995），也不去研究各分析分析技术的优点及特性的意义（如，磁化率，稳定同位素，微形态）。这些内容在其它文献里已有详细的描述（Evans,Heller,Zhou）。然而，本文旨在用一般方法揭示这些材料反映的气候信息。所选择的例子是用来说明常见的复杂的范围。
首先，本文遵循“静态”的观点，将被黄土覆盖的古土壤视为独立的单元；当涉及再沉积、连接、增生的古土壤、黄土单元同期沉积变化时，则运用“动态”观点来阐述。最后，简单的说明高分辨率的黄土古土壤序列是如何记录全球气候变化的。
2 黄土中古土壤的古气候意义
冰川、山地、沙漠边缘垂直暴露的黄土剖面均显示多个出交替的界线和水平分布的地层单元，各单元的颜色、质地及其它的特性不同，这些单元被称为黄土古土壤序列。它们具有一定的厚度和明显的年龄尺度，记录了过去全球变化过程，常被视作能够很好的与深海沉积序列对比的陆地沉积物（Kukla, 1987; Kemp .Derbyshire, 1998）。黄土古土壤序列与海洋冰芯同位素有良好的相关性，黄土和古土壤单元分别对应温暖和寒冷的气候阶段（如Morrison, 1978; Kukla, 1987; Bronger et al.1998a）。
传统的观点认为，古土壤形成时期沉积间断，这一时期地表稳定，并被植被覆盖，成壤作用强烈（Gerasimov,1973）。该时期通常为间冰期或间冰段，不存在黄土沉积（Gerasimov,1973；Morrison, 1978）。因此，根据以上观点，古土壤具有一定的古气候意义，揭示了其形成时期气候温暖湿润（Morrison, 1978）。
只有古土壤自身可以证明沉积间断的特殊的气候条件（Catt,1991）。通常从广泛的成土过程和环境变化的角度来解释古土壤形成的原因，假设古土壤是在现代表面上形成的。即使这种假设正确，仍然不能说明古土壤特性与成土过程宏观环境之间的独特性（Kemp,1999）。
在不同位置、地区的成壤过程与环境的共同影响下，有可能形成相同的土壤单元与特性（Brewer,1972;Pawluk,1978;Semmel,1989）。气候因素有别于其他的经典成土因素（生物，地形，母质，时间）。这个问题在文章中有涉及，形成了结论，假设约束条件都被考虑在内，条件合理可行，可以利用当代的关系，推断古土壤形成的气候信息。
Catt(1991)认为,在黄土中形成的土壤适用于这种模式，它们在水平的表面形成了相对均一的沉积物，因此，可以排除母质和地形这两个影响因素。他注明大多数欧洲中部间冰期形成的黄土黏棕壤，与上覆的全新世土壤相符，因此，可能指示与现在相似的的气候条件。发育较好变红的粘棕壤与弱成壤的黑钙土分别代表着暖湿和短时寒冷的气候条件，在东部，同一时期的古土壤和中部的古土壤的性质不同，反映了第四纪气候的地理差异。例如，在南西伯利亚，间冰期的黑钙土形成于陆地稀树大草原地区，它与间冰段时期发育于寒冷的冰缘苔原地带的潜育土、冻土相反。
我们尝试将冻土的特性与特定的最低温度条件联系起来，这种温度条件是建立在当代关联分析的基础上的（Huijzer,1993）。从而，可以估算过去低温成土过程的气候条件。然而，尽管古土壤具有低温成壤特性，这种特征被视为是一个可靠的气候替代指标。Huijzer（1993）、Vanden berghe 、Pissart（1993）强调，从个体中获得太具体的气候数据是不合理的，因为其中存在很多不确定的因素，尤其是地面和空气的温度，不同的雪和植被覆盖以及水分含量，还有发生特征。
实验数据可以弥补古土壤的实地评估的不足，它可以详细的揭示成壤作用的类型和强度，以及与气候的联系。例如，Bronger et al.运用塔吉克斯坦现代地表的古土壤和土壤粘土矿物组合（推测风化强度），来证明这个地区更新世间冰期与全新世的气候是具有广泛可比性的。找出与古土壤在发生学上类似的土壤类型，运用这些假定的直接关系，详细的估计成土间断时期的年均温和沉积速率，重点解释各间冰期气候的不同点。
定量气候重建取决于气候转换函数的建立以及气候变量和现代土壤特性的关系（Catt,1991）。最广为人知的气候转换函数是由Maher（1994）等人提出的。他将现在年均降水量和中国黄土高原现代土壤B/C界限的磁化率差异联系起来。通过将不同地点的不同的古土壤单元磁化率值带入到气候转换函数当中，恢复了不同时间间隔古降水量分布图（图1b）。这种关系以磁化率信号与特定的气候达到平衡为前提。
当古土壤研究者试图从不同的特征中揭示土壤发展程度的意义时，会遇到了许多问题，如，相比同一地区全新世形成的土壤，南斯拉夫中更新世F6古土壤经历的化学风化作用及粘化作用更强烈，反映其经历了较长时间的成壤过程，而不是之前认为的形成于亚热带气候。土壤呈红色通常归因于成壤过程中的地中海式气候或特定的低温和水分条件。然而，红色的差异程度可能反映成壤间隔的时间长度，或者是其它气候因素。
相比线性或曲线式发展，如果土壤发育有间断或呈阶梯式发展，为时间变量设限是很困难的（图2）。这种趋向可从成土阈值的角度解释，凭借特性的稳定性限制、超出属性的变化、或者外来控制。可被认为是成壤强度减弱造成的。成壤间隔期，土壤表面物质的堆积和侵蚀可能导致土壤退化。虽然外来风尘堆积可以通过更新剖面来提高发育速率。因此。使土壤与气候之间的关系变得很复杂。Van Vliet-Lanoe提供了一个更深入的例子，他认为，在西欧现代地表发育的许多粘化土壤中的粘粒淀积层呈现残积粘化的特征，主要形成于末次冰期间冰段的北方气候条件下，因此，与上述的结论相悖。Van Vliet-Lanoe假定成壤气候与现代黄土成土母质的物理化学条件最有利于细粘粒迁移。随着全新世气候和植被的演变及土壤的过滤作用是粘粒迁移过程得到控制。同时，文章也强调了将古气候与土壤属性分离，狭隘的推断古气候的意义是不合理的，土壤基本特性表明表面土壤不一定必须与现代环境保持一致，因此，所以应谨慎运用这一方法。
3 古土壤记录的气候变化过程
成壤间隔期明显的气候变化可能很好的被古土壤记录下来，古土壤可能成为反演过去气候变化的替代性指标。气候变化深刻的影响着成壤类型和速率，古土壤的形态或性质可能反映各个条件的综合体，亦或只是最近一阶段的影响，使较早形成的特征被掩盖或消失。当新的成土过程并不那么强烈时，早期的土壤特征才能保存下来。如，气候干旱，淋失深度减小时，碳酸盐才可能被保留下来。
中纬度的古土壤对与冰期-间冰期旋回极端气候波动很敏感，因此经常将研究重点放在识别微地层的宏观微观特征。认为这些特征有可能在温带或冰缘环境下形成。Goldberg（1982）曾做过此类研究，他重建了成壤发育序列，旨在说明巴黎盆地冰期-间冰期-冰期的气候变化。
4 黄土古土壤的侵蚀和再造
在冰期和间冰期的过渡阶段，土壤遭受极端的气候变化，容易受到泥流的侵蚀和改造。当然，许多古土壤淀积层之上的腐殖质层和淋溶层缺失是因为黄土的侵蚀和埋藏作用。有时，土壤表层会混合着其它沉积物转移迁移到其他地方，从而可能形成新土壤的成壤母质。
大量研究，尤其是对西欧地区的研究表明黄土单元是风尘再造的结果。冰扰作用是一种成壤过程而不是沉积过程，除了冰扰作用以外仍存在许多迁移动力机制，如泥流，雨滴溅散，雨水和冰雪融水以及坡面流水，每层黄土都可以从宏观和微观的特性来解释。有时再造过程只涉及到黄土在局部范围或广泛区域的迁移和重新分配：其它情况下，外来物质和其它粒径的颗粒被合并。认识黄土和古土壤改造的证据可以让我们了解在所谓的成土间断期地理景观的演化是如何响应环境的控制和变化的。
5 古土壤成岩改造
古土壤A层的缺失并不能直接归因于侵蚀作用。有机物质的氧化也可能改变颜色，因此，识别A层的界限是比较困难的。上覆黄土向下淋滤，以及压实等成岩作用也会影响古土壤中发生层的形成。最后，当上覆的沉积物不够厚不足以埋藏古土壤，使其不在受到成土作用影响时，淋溶作用引起的次生碳酸盐的淀积就是一个简单的连接过渡的例子。在土壤表面的生物活动十分活跃，淀积物质累积的情况下，A层的界线可能转变为B层。
欧洲和美国地区出露的主要的土壤地层单元已被证明是复合土壤，它包含了连接间冰段的过渡层和间冰期形成的古土壤。然而，其他的土壤复合层包含两层甚至更多的间冰期古土壤在较长的尺度里并不能认清楚地识他们的发育模式会导致古气候推断错误。
在土壤复合体形成阶段如果参杂了土壤侵蚀和再造过程，尤其如果它的跨度包含冰期-间冰期旋回的气候变化，那么符合土壤就更加复杂了。一般而言，若不同的成壤作用、地质作用和沉积作用都参与其中并且有序，才能解释土壤复合体的成因。Kemp运用深度分布和微地层的关系恢复巴伐利亚土壤复合体形成时经历的成土沉积作用和古气候演变过程。
6 黄土的沉积改造
美国西南部的干旱-半干旱地区次生碳酸盐和粘粒的产生，是由于添加到土壤表面的含碳酸盐矿物的粉尘的改造和再分配造成的。此外，其它地区的全新世土壤表面记录了较大的土壤沉积速率，如，阿拉斯加，华盛顿州。这些例子似乎与地理景观稳定的间冰期的经典的成壤过程不符。事实上，我们应该从沉积-成壤动态平衡的角度重新认识黄土-古土壤序列。McDonald和Busacca认为，沉积物的补给在很大程度控制了华盛顿帕卢斯地区的土壤发育程度，这可能与气候的变化不同步，因此，认为沉积物机械的附加在发育良好的古土壤上的观点是有问题的。在大部分区域，间冰期和间冰段时期，气候温暖湿润，沉积物补给和传输受限，成壤大于沉积作用，因此，使得主要的古土壤单元能够良好的发育。成壤间隔期仍存在沉积作用，但是，沉积与成壤相当时，土壤和古土壤可能增厚，即使在欧洲中西部或美国中部，这里假设没有冰缘物质来源，那么，间冰期的风尘的有效输入量为零，普遍的观点是间冰期古土壤的自然生长过程反映了沉积和成壤同时进行的过程。即使当他们并没有与其它复合土壤中的古土壤合并或连接，从生长的零散的古土壤特征中解释古气候是不容易的，因为补给物质会重塑或起稀释作用。
当沉积作用大于成壤作用，黄土单元可能会受到相对弱的成壤改造作用。这个概念部分反应中国的“风化黄土”和欧洲东部与美国的“初育土”的成壤过程。事实上，成壤和沉积之间的联系通常被主观分离了。我们应该将黄土古土壤序列视为是一种成壤沉积的复合体，它反映了随时间变化的成壤和沉积过程。中国西部高分辨率的微形态研究展示了，即使是表面的大规模的具有土壤特性的黄土也可以提供沉积速率较大时期的气候变化的信息。尽管成壤沉积模式重建包含风尘堆积物的在改造过程，Huijzer研究了尼德兰的黄土序列，并从中提取到气候变化的信息。
7 黄土-古土壤序列、深海沉积物和冰芯氧同位素记的对比
我们应该使用对比的方法来识别分散的黄土和古土壤单元。从成壤沉积和古气候的观点来看，然而，虚假的界线的应用是不科学的。早期黄土-古土壤序列与深海氧同位素阶段和亚阶段的关系就很好的体现了对比关系的运用。许多高分辨率的气候替代指标与深海冰芯同位素的深度函数减弱了不连续的地层单元所体现的意义，这些序列更多的是被当作一种近似连续的时间序列。在中国，末次冰期粒度的波动反映了风力搬运能力的大小，这种规律与被深海沉积物和冰芯记录的米兰科维奇气候波动有一定的联系（Porter and An,1995）。磁化率、碳酸钙含量、土壤有机质的碳/氧同位素比例变化曲线也被记录下来，用以识别全球千年尺度的气候变化（Chen 1997）。欧洲和阿拉斯加也存在类似的例子。这是令人兴奋的发展趋势，但是，这样的处理方法需要精确的年代序列控制，而且要求中间不存在间断。因此，我们不能在波动匹配的过程中只是堆叠统计数据。然而，之前的研究重点似乎放在识别和揭示全球或半球的气候变化，机械的将气候变化与各种高分辨率的气候记录相指标相联系，我们仍旧需要重视局部地区气候信息的本质，从同步沉积和后沉积成壤改造中分离出原始的沉积信息是非常重要的。

黄土的成壤改造
读书报告

姓名：王学佳
学号：121846
专业：自然地理

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