古土壤用于古環(huán)境重建的理論與方法

文星躍

(西華師范大學 國土資源學院，四川 南充 637009)

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古土壤用于古環(huán)境重建的理論與方法

文星躍

(西華師范大學 國土資源學院，四川 南充 637009)

古土壤是過去環(huán)境變化的良好記錄者，受到廣泛的研究。古土壤形態(tài)特征有別于相鄰地層中的沉積物或巖石，通過發(fā)生層中顏色、粒度、新生體等形態(tài)特征可以很好地辨識。古土壤類型主要依據現代土壤系統(tǒng)分類并參照土壤發(fā)生學與診斷層特征標準進行分類。重建古環(huán)境是古土壤研究的主要內容，利用古土壤元素地球化學特征、碳氧同位素以及其他一些理化性質是定性與定量描述古環(huán)境的常用手段。當前需加強古環(huán)境重建模型以及現代土壤發(fā)生學機理的研究，慎重選擇環(huán)境替代性指標。

古土壤；土壤發(fā)生特征；環(huán)境指標；古環(huán)境重建

環(huán)境變化是人類關注的重要課題，恢復區(qū)域性古環(huán)境歷史對理解全球變化與預測未來演變趨勢以及認識古人類活動均具有重要意義[1-3]。古土壤(Paleosols)是過去表生環(huán)境下的產物，蘊藏著其形成時期的環(huán)境特征，是記錄過去環(huán)境與氣候變化的良好載體，受到廣泛的研究，尤其是中國黃土-古土壤序列研究對揭示亞洲季風區(qū)第四紀氣候冷暖波動發(fā)揮了重要作用[1,4]。隨著研究的深入，科學家們?yōu)楂@取更長時間段的過去環(huán)境演變數據以服務于未來氣候預測，年代久遠的晚第三紀以前(深時)古土壤逐漸受到重視[5-8]；而且，距今最近且能直接反映人類活動演變歷史的晚第四紀(晚更新世以來)古土壤也倍受關注[9-12]?；诂F代土壤學、元素地球化學、礦物學和沉積學等相關學科的理論與方法，定性和定量重建古環(huán)境是古土壤研究的主要內容。本文就古土壤辨識、分類以及利用古土壤重建古環(huán)境的主要方法進行簡要的介紹與評述，期望相關學科領域的學者關注并參與古土壤研究，推動我國在這一研究領域的快速發(fā)展。

1 古土壤的辨識

根據保存狀況，古土壤可劃分為埋藏型、埋藏裸露型和殘余型三種類型[13]。埋藏型古土壤形成后便被長期掩埋，受后期成土作用影響相對較少，更多地留存著土壤形成時期的古環(huán)境信息；而埋藏裸露型和殘余型古土壤因出露地表，疊加了后期不同時期成土作用影響，用于研究古環(huán)境的難度較大，因此目前用于古環(huán)境重建的古土壤多是埋藏型古土壤。盡管受埋藏擠壓影響，但在曾經成壤作用改造下，古土壤仍然保留著有別于相鄰地層中沉積物或母巖的形態(tài)特征。在第四紀黃土-古土壤序列中，因有機質或鐵氧化合物含量的增加，古土壤較黃土沉積物顏色偏暗(或紅)(圖1)；河流相沉積物(巖)上發(fā)育的古土壤已無明顯的二元沉積結構或層理或波紋構造等沉積特征，而和顆粒成巖母質也會失去原有的結晶結構和顆粒排列特征[14]；在年代久遠的一些深時(DeepTime)古土壤中，有機質層受還原環(huán)境的影響常呈灰褐色或綠灰色，而淀積層因赤鐵礦物相對較高而偏紅[15](圖2)。事實上，通過顏色、粒度、植物根系(或根系痕跡)、土壤團聚體以及鐵氧化合物、碳酸鹽、粘粒膠膜等成壤次生物等指標的綜合判斷可以很好地識別古土壤[14-17]。例如，通過顯微觀察可發(fā)現古土壤中存在而母巖或母質沒有的粘粒膠膜、次生碳酸鹽或鐵錳氧化物等，對比現代土壤與深時古土壤碳酸鹽結核均可見方解石微晶聚集和裂隙中充填的顯晶方解石(圖3)。

2 古土壤分類及環(huán)境意義

通過古土壤類型與現代土壤類型對比，結合現代土壤類型與氣候的對應關系，可以定性解譯古氣候特征，同時，古土壤分類也便于不同區(qū)域古土壤及其與現代土壤之間的對比。目前缺乏統(tǒng)一的古土壤分類體系，多是依據現代土壤系統(tǒng)分類，并參照現代土壤發(fā)生學與診斷層特征標準進行命名[18-19]。受長期的埋藏影響，古土壤的一些土壤特征或已缺失(如有機質虧損和陽離子交換量減少)，嚴格按現代土壤分類標準執(zhí)行存在困難，因此常利用古土壤某些化學性質和巖相學標準來進行劃分，例如，Al2O3/(CaO+MgO+K2O+Na2O)的分子量比值可以區(qū)分古土壤中的老成土(Ultisols)和淋溶土(Alfisols)[20]；可以利用古土壤剖面的鈣結層深度辨別旱成土(Aridisols)[21]；盡管過去形成的軟土(Mollisols)表層有機質大量虧損，但仍可通過團粒結構和細小根系辨別其松軟表層[14]。此外，有學者[22]基于對古土壤形態(tài)特征和礦物觀察，提出了單獨針對古土壤的分類標準，其優(yōu)點在于易于識別并描述古土壤，但從古環(huán)境解釋角度，因脫離了與現代土壤的關系，不利于古環(huán)境的重建[20]。

3 利用古土壤重建古環(huán)境

3.1 利用古土壤定性重建古環(huán)境

土壤或母質的風化成壤強度與外部環(huán)境的水熱狀況密切相關，利用古土壤成壤強度可以描述其形成時期外部環(huán)境的冷暖和干濕特征。土壤及母質中的元素地球化學特征是揭示成壤強度的重要指標。風化成壤作用會導致土壤或母質(巖)中的各類元素發(fā)生不同程度的遷移、轉換和流失，通過比較不同樣品元素地球化學特征可以反映古土壤發(fā)育程度，進而反映一定時間尺度內氣候冷暖、干濕變化。

利用大量元素構成的風化成土強度指標在古土壤剖面中的變化及其與現代土壤類比，是定性揭示古環(huán)境特征的常用手段，如硅鐵鋁率(SiO2/(Al2O3+Fe2O3))、硅鋁率(SiO2/Al2O3)、基本鹽基離子的淋失率((CaO+MgO+Na2O+ K2O )/TiO2)、CIA指數(Al2O3/(Al2O3+ CaO + Na2O +K2O))等。由于K易受埋藏過程交代作用和變質作用的影響，CIA-K指數(Al2O3/(Al2O3+CaO+Na2O))也常被用于指示古土壤發(fā)育程度及古環(huán)境意義[5,23]。此外，Al/Si比值被認為是判斷古土壤粘土層或Bt層的指標而被應用[24-25]；Fe2+/Fe3+比值有助于理解土壤的氧化還原條件，被用于比較不同時期古土壤發(fā)育的環(huán)境狀況[26-27]，但需考慮母質的差異，如，Fe2+/Fe3+比值>2或>4～5的玄武巖上發(fā)育的古土壤該值分別<0.5或<1[28-29]；通?；鸪蓭r和沉積巖母巖均以還原性的Fe2+為主；而且，古土壤具有較多的氧化態(tài)Fe3+也是其顏色偏紅的原因[16]。

一些微量元素地球化學特征也常被用來辨別古土壤成土強度及定性揭示古環(huán)境。如，Ba/Sr可以指示古土壤風化淋溶程度，已被運用于不同地質時期古土壤研究[30-31]；U/Th對于揭示風化成壤條件的強弱有重要作用[32]，但風塵沉積可能會導致U富集[33]，該指標不適用發(fā)育時間較長的古土壤。稀土元素不僅是很好的沉積物(巖)的物源“示蹤器”，也會因成壤作用而發(fā)生規(guī)律性變化，可用于判識古土壤成壤強度及環(huán)境特征[27,34]。

除上述元素地球化學特征以外，土壤顆粒組成、磁化率、有機質、孢粉、碳同位素等指標值也會隨氣候和植被等環(huán)境條件差異而不同，常被用于揭示古土壤剖面不同時期氣候或植被特征變化[1,35-36]。需特別指出的是，古土壤研究中通常是運用多指標相互印證來揭示古環(huán)境，單一指標往往并不能說明問題。例如，如果僅根據古土壤成土碳酸鹽及草食動物牙齒化石中同位素判斷肯利亞Fort Ternan地區(qū)在14.4Ma前為熱帶森林景觀，但結合古土壤元素地球化學反映的土壤發(fā)生學特征以及動植物化石種類等確定當時為稀樹草原景觀[14,37-38]，后來發(fā)現直到7Ma左右熱帶草本植物也按C3植物途徑進行光合作用[39]；如果古土壤發(fā)育于干旱區(qū)湖泊沿岸，古土壤碳同位素分析往往會認為古環(huán)境為森林景觀，但結合古土壤剖面發(fā)生層、粘粒與成土碳酸鹽層次等分析，便會得出干旱區(qū)湖岸灌叢景觀的合理解釋[16]。

3.2 利用古土壤定量重建古環(huán)境

現代土壤CIA-K指數與區(qū)域年降水量之間存在顯著相關性[40]，被廣泛應用于古生代到新生代各時期的古降水量定量重建[17,25,41]，但局限于具有雛形層或粘化層的古土壤[24,40]。因現代干旱、半干旱環(huán)境下土壤剖面中成壤碳酸鹽或石膏淀積層深度與年平均降水量之間存在定量關系，含有成壤碳酸鹽或石膏層的古土壤也被用于定量重建古降水[42-43]。借助半干旱環(huán)境下土壤鹽化率((K2O+Na2O)/Al2O3)跟年均氣溫關系式，利用相應環(huán)境條件形成的同類古土壤可定量估算古氣溫[44-45]。

成壤碳酸鹽中的C、O同位素組成受控于植物根系呼吸或氧化分解產生的CO2以及土壤空氣CO2、氣溫與降水等因子，利用古土壤中的成壤碳酸鹽不僅可以反映古植被類型與定量恢復古氣候特征(降水與氣溫)，還可以用于恢復古大氣CO2濃度的變化歷史[46-48]，但在野外采樣時需注意辨識碳酸鹽是否為后期埋藏條件下水成作用產生。而且，結合現代土壤中的成壤碳酸鹽氧同位素與大氣降水、氣溫的定量關系以及降水中的氧同位素值隨海拔高度變化規(guī)律，古土壤成壤碳酸鹽中的氧同位素還被運用于恢復青藏高原、安第斯山脈等古高程[7,49-51]，相比于前期利用不同海拔梯度古土壤發(fā)生學特征[52-54]以及古土壤有機質碳同位素[55]估算高原隆升幅度，這是一大亮點。此外，成壤作用形成的赤鐵礦、針鐵礦和三水鋁石等礦物中的C、O同位素與大氣環(huán)境密切相關，提取古土壤中這些礦物也可重建古氣溫和古大氣CO2濃度[56-57]。

4 古土壤用于重建古環(huán)境的局限性

利用古土壤定量重建古環(huán)境是未來的一大趨勢，當前主要基于現代土壤發(fā)生特征與成土因素關系進行推斷。土壤發(fā)育受氣候、母質、地形、植被、時間等多種因素影響，故利用現代土壤建立的古環(huán)境重建模型須根據同一環(huán)境條件且同一類型土壤的發(fā)生學特征參數。而目前古土壤研究參照的現代土壤與環(huán)境(主要是氣候因子)關系的數據通常來自不同區(qū)域、不同地質及氣候條件，影響了結果的可靠性[5,58]。而且，已有的利用古土壤重建古環(huán)境模型往往具有條件限制，而且不同的模型間計算結果也會產生較大差異[5]。因此，研究者在選擇前人建立的模型時需慎重考慮，或者應建立適合區(qū)域氣候和母質背景、樣品類型的古環(huán)境重建模型，同時，應加強現代土壤發(fā)生學與環(huán)境關系機理研究[8]。此外，古土壤因受埋藏擠壓、地下水、成巖作用以及后期環(huán)境變化等影響，一些理化性質可能發(fā)生了較大變化，剔除這些影響及建立或選擇合適的環(huán)境替代性指標是提高研究可靠性的關鍵。

5 結 語

(1)古土壤是恢復過去環(huán)境與氣候特征的重要地質材料，可根據發(fā)生層顏色、顆粒組成、生物遺跡以及成壤次生物等形態(tài)特征辨識。

(2)目前缺乏統(tǒng)一的古土壤分類標準，古土壤分類主要參照現代土壤系統(tǒng)分類標準并輔以某些發(fā)生學或診斷層特征進行。

(3)借助現代土壤發(fā)生學特征與氣候環(huán)境關系，利用古土壤可以定性與定量描述古環(huán)境。元素地球化學特征、成壤作用形成的C、O同位素以及粒度、有機質、磁化率、礦物組成等方面是利用古土壤重建古環(huán)境研究的主要內容。

(4)利用現代土壤與氣候關系建立的古環(huán)境重建模型具有條件限制，缺乏普適性。古土壤研究需加強現代土壤發(fā)生學與環(huán)境關系研究，同時應謹慎選擇或建立環(huán)境替代指標。

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Paleoenvironmental Reconstruction Using Palosol：Theories and Methods

WEN Xingyue

(College of Land and Resources,China West Normal University,Nanchong Sichuan 637002,China)

As good geologic archives for paleoenvironmental reconstruction,paleosols are widely concerned.The morphology features of paloesols can be recognized through the observations on colour,particle size and new growth that differ from those of nieghboring sediments or rocks strata.Paleosols are classified mainly on the basis of taxonomic classification of modern soils and features of pedogenesis and diagnostic horixons.Paleoenvironmental reconstruction is an important part for paleosol research,in which elemental geochemistry features,isotopes of carbon and oxygen and other physical and chemical properties in paleosols are used to depict paleoenvironment in qualitative and quantitative ways.The further studies on the reconstruction model for paleoenvironment,genesis mechanism of modern soils and environmental proxies should be strengthened.

paleosol;feature of soil development;environmental proxy;paleoenvironmental reconstruction

1673-5072(2016)04-0370-06

2016-10-27

國家自然科學基金項目(41671220)

文星躍(1970—)，男，重慶市巴南區(qū)人，博士，副教授，主要從事土壤發(fā)生與環(huán)境變化、環(huán)境地學研究。

文星躍，E-mail:wenxy@cwnu.edu.cn

P597; S151

A

10.16246/j.issn.1673-5072.2016.04.002