1、陕西横山地区L3黄土与S3古土壤元素地球化学特征与环境变化杨宇哲1，岳大鹏1*，赵景波1,2，王晓宁1，刘怡婷1，刘蓉1(1.陕西师范大学地理科学与旅游学院，西安 710119；2.中国科学院地球环境研究所，黄土与第四纪地质国家重点实验室，西安 710061)摘 要：陕西横山地区位于黄土高原和毛乌素沙地的过渡交界地带，对环境变化敏感，形成了独特的古风成沙黄土古土壤序列。论文选取陕西榆林市横山区柳树峁剖面的L3、S3黄土古土壤地层，对土壤样品中的元素含量与相关地球化学参数进行系统分析。结果显示：柳树峁剖面常量元素氧化物以SiO2、Al2O3和CaO为主，黄土层(L3-1、L3-2)、古土壤层(S
2、3-1、S3-2)和风沙层(L3F、S3F)中常量化学元素含量存在差异。Al2O3和Fe2O3在古土壤层中的含量最高，在黄土层中含量较低，在风沙层中最低；黄土层中CaO含量最高；风沙层中Na2O含量最高。剖面样品的化学蚀变指数CIA、Na/K值和淋溶系数反映黄土层和古土壤层处于初等化学风化阶段，风沙层则未受化学风化。柳树峁剖面CIA、Rb/Sr和磁化率的高值指示风化成壤作用加强，反映该时段气候相对温暖湿润，夏季风增强，毛乌素沙地固定收缩，而硅铝率Sa值和63 m颗粒含量的高值则指示冬季风增强，干冷的气候使得毛乌素沙地活化扩张。柳树峁剖面元素地球化学指标记录了在L3黄土堆积时期存在1个极冷期、2
3、个冷期和1个较暖期，S3古土壤发育时期存在2个暖期和1个冷期，这与中国华北地区其他气候变化记录有着良好的对应。该研究结果为探索黄土高原和毛乌素沙地过渡区的气候变化与环境变迁了提供更多证据。关 键 词：黄土古土壤；常量元素；风化程度；横山地区中国黄土高原黄土具有厚度大、风积连续的特点，它与冰芯和深海沉积并称为研究第四纪气候变化和环境变迁的三大支柱1-2。黄土的地球化学行为研究一直是黄土研究的热点问题之一。黄土古土壤在沉积发育过程中不断地接受着化学风化和成壤改造作用，由于表生环境的不断变化，其所含的各种元素也在不断地迁移与组合，而元素的迁移和聚集规律可以反映出风化成壤过程中的环境演变信息3-5。有
4、研究指出，黄土发育时期风化作用较弱，气候冷干，而古土壤发育时期风化作用则较强，气候暖湿3。前人对黄土高原6-8、青藏高原东北部9-10、中亚地区11、关中地区12和长江中下游4等地黄土的地球元素化学特征进行了大量的实验研究，取得了丰硕的成果。特别是近年来，化学蚀变指数(CIA)、元素迁移率和A-CN-K三角图等化学风化指标被广泛使用，其成果涵盖了黄土的物质来源、沉积过程中的环境变迁以及黄土化学风化的空间变异规律等。陕西横山地区位于黄土高原和毛乌素沙地的过渡交界地带，地处东亚夏季风区的西北缘，生态环境脆弱，对气候变化敏感。由于历史上毛乌素沙地的多次南侵，造就了当地黄土剖面特有的古风成收稿日期：2
5、022-07-04；修订日期：2022-10-04。基金项目：国家自然科学基金重点项目(42130507)。Foundation:Key Program of the National Natural Science Foundation ofChina,No.42130507.第一作者简介：杨宇哲(1998)，男，辽宁沈阳人，硕士生，主要研究方向为水土资源评价与规划。E-mail:*通信作者简介：岳大鹏(1964)，男，陕西兴平人，博士，教授，博士生导师，主要研究方向为综合自然地理、土地利用与水土保持。E-mail:引用格式：杨宇哲,岳大鹏,赵景波,等.陕西横山地区L3黄土与S3古土壤元素地
6、球化学特征与环境变化 J.地理科学进展,2023,42(2):364-379.Yang Yuzhe,Yue Dapeng,Zhao Jingbo,et al.Characteristics of geochemical weathering of L3and S3loess-paleosol section in theHengshan area,Shaanxi Province.Progress in Geography,2023,42(2):364-379.DOI:10.18306/dlkxjz.2023.02.013364-379页第42卷 第2期2023年2月地 理 科 学 进 展Pr
7、ogress in GeographyVol.42,No.2Feb.2023第2期杨宇哲 等：陕西横山地区L3黄土与S3古土壤元素地球化学特征与环境变化沙黄土古土壤序列。深入研究黄土高原与毛乌素沙地过渡区黄土的元素含量及其地球化学特征，对揭示该地区的气候变化和沙地环境变迁具有重要意义。前人对黄土高原北部黄土元素地球化学特征及其代表的古气候意义进行了一定的研究13-16，但对毛乌素沙地与黄土高原过渡区黄土沉积过程及环境演变的研究较少，且大都集中在对全新世和晚更新世黄土古土壤(L0L2层位)的研究，缺少对L3及以下层位中更新世黄土古土壤发育过程及气候环境变化的研究探讨，而L3、S3黄土古土壤沉积发
8、育时期正好对应深海氧同位素MIS8/9阶段，较好地记载了一次冰期间冰期旋回期间黄土高原北部地区的气候变化及环境演变。由于沉积物的地球化学组分具有不均一性，使用化学蚀变指数CIA或Na/K值等单一化学风化指标往往很难准确反映出黄土古土壤沉积发育期间的环境演变过程15，因此，多种元素地球化学指标互相对比分析才能准确解译出黄土古土壤所记载的风化成壤强度变化及古气候信息。本文以陕西省榆林市横山区柳树峁剖面的L3、S3黄土古土壤地层为研究载体，系统分析该剖面中常量元素和微量元素的组成、含量和分布规律；利用元素迁移率、化学蚀变指数 CIA、Na/K值和A-CN-K三角图分析柳树峁剖面L3、S3黄土古土壤地
9、层记录的化学风化强度信息，通过使用 CIA、Na/K 值、淋溶系数 BA、硅铝率 Sa 值、Rb/Sr比值等指标进行古气候重建，从而系统地阐述横山地区L3黄土堆积和S3古土壤发育期间元素地球化学各指标参数所记录的气候变化和环境演化信息，为进一步探索黄土高原和毛乌素沙地过渡区的气候变化与环境变迁提供更多证据。1 材料和方法1.1 研究区概况陕西省榆林市横山区位于黄土高原北部(图1)，毛乌素沙地南缘，处于黄土高原向鄂尔多斯高原过渡地带，属温带半干旱型大陆性季风气候，多年平均降水量355.9 mm，年平均蒸发量1800 mm，年均温9.2。该区全年平均风速为2.33 m/s，风向以西北风、偏北风居多
10、(数据来自国家气象信息中心提供的中国地面气候资料 19812010 年年值数据集)。研究区内海拔在8821535 m之间，主要地貌类型为黄土丘陵沟壑地貌。1.2 剖面选择与样品采集本文选择的柳树峁剖面位于横山区党岔镇无定河南岸柳树峁村(375605N、1095807E)，海拔1050 m，坡向为10。剖面位于挖建的盘山公路旁，出露良好。通过野外调查发现，该剖面山坡顶部为厚度10 m左右的马兰黄土(第一层黄土L1)，呈灰黄色，颜色较下部离石黄土浅，质地疏松，有大孔隙和植物根系存在。马兰黄土之下为第一层古土壤(S1)，颜色呈明显的棕褐色，厚度在2.5 m左右，质地较紧实坚硬，有黑色铁锰斑点。S1古
11、土壤之下依次为第二层黄土(L2)、第二层古土壤(S2)、第三层黄土(L3)、第三层古土壤(S3)、第四层黄土(L4)、第四层古土壤(S4)、第五层黄土(L5)和第五层古土壤(S5)。S5古土壤呈明显的红棕色，厚度5 m左右，是厚度最大的一层古土壤，虽不见明显的红三条，但仔细观察仍可看到3个颜色偏深的层次，在其底部发现有清楚的厚度约1 m左右的钙质结核淀积层。依据黄土古土壤分布厚度和地层划分，采样起始位置位于第三层黄土(L3)顶部，结束于古土壤S3底部。样品采集于2021年9月，按照10 cm间距进行等间距采样，共采集229个样品，采样土层厚度为22.8 m。结合实验测得的元素和粒度数据进行层位
12、划分，可将剖面自上而下划分为7层(表1)。1.3 实验方法元素含量测定实验方法为：将自然风干土样磨至200目以下，称取5.0 g土样使用YY-40型液压制注：图中红色方块为柳树峁剖面；灰色方块均为已发表的黄土剖面(榆林剖面17、石峁剖面18)；流动沙地、半固定沙地以及固定沙地数据来自于中国冰川冻土沙漠科学数据中心沙漠数据集(http:/ 研究区位置及研究剖面位置Fig.1 Location of the study area and the studied loess section365地理科学进展第42卷样机压制成圆形薄片，使用德国BRUKER公司的S8 TIGER型X-RAY荧光光谱仪对
13、土壤样品中的常量元素和微量元素进行测定，同时测定GSS-3和GSS-18 土壤成分标准参考样(GB/T 14506.282010)，测试误差控制在10%以内。磁化率实验采用英国Bartington公司的MS2型磁化率仪，取自然风干样品适当研磨后装满体积为10 cm3的样品盒中，密封后称量样品质量，计算样品密度，然后将样品盒放入磁化率仪探头中。在SI模式下分别测量低频(0.47 kHz)和高频(4.7 kHz)体积磁化率，每个样品重复测量3次，结果取平均值。CaCO3含量分析采用宋佃星等19改进的气量法进行测试。首先，将样品烘干后过孔径为2 mm的筛，称取2.5 g土样(精确到0.001 g)倒
14、入锥形瓶中，加入20 mL蒸馏水和7 mL浓度为10%的稀盐酸；摇晃锥形瓶使之充分反应后，测得CO2体积V1，然后称取0.2 g CaCO3分析纯试剂(精确到0.001 g)，重复上一步骤，测得CO2体积V2；最后进行空白对照试验，记录CO2体积V3。每个样品重复做3次试验，结果取其平均值。计算公式如下：W=M2()V1-V3M1()V2-V3100%(1)式中：W为CaCO3含量(%)，M1为土样的质量(g)，M2为 CaCO3分析纯试剂的质量(g)，V1是样品释放的CO2体积(mL)，V2是CaCO3分析纯试剂释放的CO2体积(mL)，V3是空白样品的体积变化平均值(mL)。粒度实验采用英
15、国Mastersizer 2000型激光粒度仪，测量范围为0.022000 m，每个样品重复测量三次，结果取平均值。粒度数据采用国内粒径分级标准，即500 m为粗砂20。以上实验均在陕西师范大学地理科学与旅游学院实验中心完成。1.4 地层年代本文采样的柳树峁剖面邻近Li等17研究的榆林(YL)剖面和Sun等18研究的石峁(SM)剖面，柳树峁剖面与石峁剖面都位于无定河南岸，属于在同一地貌类型上形成的古风成沙黄土古土壤沉积序列。柳树峁剖面黄土地层是构成无定河阶地的主要地层，剖面顶部地形与周围基本相同，剖面顶部10 m左右厚的马兰黄土(L1)保存较好。马兰黄土之下为第一层古土壤(S1)，与石峁剖面S
16、1层相当，该层是重要的标志层，是黄土高原末次间冰期的代表性地层，指示该层底界以上的土层是约12.8万年以来发育的。根据黄土地层划分顺序，第一层古土壤之下依次为L2黄土、S2古土壤、L3黄土、S3古土壤、L4黄土、S4古土壤、L5黄土和S5古土壤。S5古土壤同样也是黄土地层中的重要标志层，是黄土地层中发育最强和厚度最大的古土壤层。在柳树峁剖面中，S5呈明显的红棕色，是剖面中成壤作用最强的一层，其厚度达5 m左右，仔细观察可看到S5古土壤由3个颜色偏深的层次构成，在其底部钙质结核淀积层发育较好。采样层位为S5古土壤之上的第二层古土壤和第三层黄土，再通过与榆林剖面、石峁剖面进行对比(图2)，可以确定采样层位的黄土与古土壤为L3和S3。通过野外调查与测量，发现柳树峁剖面L3黄土的厚度较石峁剖面厚且存在风沙层，这可能是受沉积环境和下伏地形的影响所致：L3时期该地区气候寒冷干旱，毛乌素沙地沙尘搬运和堆积加快，一般认为，在风力作用下，砂粒级组分的运动形式主表1 柳树峁剖面地层特征描述Tab.1 Stratigraphic characteristics of the Liushumao sectio