甘肅天水全新世黃土—古土壤序列化學(xué)風(fēng)化特征及其古氣候意義

劉俊余，查小春，黃春長(zhǎng)，龐獎(jiǎng)勵(lì)，周亞利，李洋

陜西師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院 地理學(xué)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，西安 710062

0 引言

化學(xué)風(fēng)化是地球表生環(huán)境相互作用的重要形式，對(duì)于揭示風(fēng)成黃土成壤環(huán)境演變、古氣候和古環(huán)境重建以及源區(qū)自然環(huán)境特征具有重要的作用[1-3]。不同的化學(xué)元素因不同的化學(xué)活動(dòng)性而發(fā)生分異，其富集和遷移規(guī)律不僅是風(fēng)成黃土風(fēng)化成壤的記錄，而且又蘊(yùn)含著其發(fā)生過(guò)程中古環(huán)境古氣候的信息[3]。目前，專(zhuān)家學(xué)者已對(duì)黃土高原[4-7]、長(zhǎng)江中游[8]和淮河上游[9]等地區(qū)黃土的地球風(fēng)化特征做了深入研究，獲得了大量的研究成果。而位于黃土高原西部緣區(qū)的天水市，是中國(guó)季風(fēng)與西風(fēng)交界的敏感地帶，也是研究化學(xué)風(fēng)化和氣候演變的理想?yún)^(qū)域。諸多研究者對(duì)天水地區(qū)的氣候演變研究少且主要集中植物孢粉[10]、磁化率[4,10-12]、粒度和碳酸鈣[10-12]等理化性質(zhì)的研究，但對(duì)于天水地區(qū)全新世黃土—古土壤序列的元素地球化學(xué)研究較少。本文通過(guò)對(duì)天水地區(qū)典型的黃土—古土壤剖面地球化學(xué)特征的研究，試圖揭示天水地區(qū)全新世以來(lái)的化學(xué)風(fēng)化特征及蘊(yùn)含的古氣候意義。

1 研究區(qū)域概況

天水市位于六盤(pán)山地、隴中黃土高原和秦嶺山地交接處，處于中國(guó)季風(fēng)與西風(fēng)交界的敏感地帶，對(duì)我國(guó)季風(fēng)氣候和全球氣候變化的響應(yīng)十分敏感。年平均降水量492 mm，年平均氣溫11.5 ℃，該區(qū)干旱少雨，屬于季風(fēng)氣候西北部邊緣區(qū)。區(qū)內(nèi)植被稀疏，主要以耐旱的旱生植被為主，土壤以黑壚土為主。野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，橫穿天水的藉河基巖臺(tái)地上以及相對(duì)平緩的平地上和低洼區(qū)堆積著大量深厚的風(fēng)成黃土，沉積連續(xù)無(wú)間斷，發(fā)育良好。師趙村遺址位于藉河左岸的臺(tái)地上，屬仰韶文化遺址，野外調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn)臺(tái)地多處分布著大量的陶片，該遺址歷史文化遺存豐富，發(fā)展脈絡(luò)清晰，分布廣泛(圖1)。

圖1 研究區(qū)域示意圖和采樣點(diǎn)位置圖Fig.1 Schematic diagram and sampling site in the study area

2 剖面選擇與研究方法

通過(guò)對(duì)甘肅天水的多次實(shí)地考察，選取的SJY剖面距著名的師趙史前文化遺址1 km。剖面所在地是典型的黃土臺(tái)地，地層序列完整，層次清晰，馬蘭黃土以上部分完整出露。該處地勢(shì)起伏小，平坦寬廣，使得風(fēng)成沉積物更好的保存下來(lái)，較少的受到水土流失的影響，雖然剖面頂端是大片的果園，人類(lèi)耕作活動(dòng)顯著，但對(duì)整個(gè)剖面影響較小，保持了剖面的完整性。結(jié)合野外考察和室內(nèi)的實(shí)驗(yàn)分析，將SJY剖面劃分為7個(gè)層位：1) 表土層(TS):16 ～0 cm 淺灰色，塊狀結(jié)構(gòu)，多孔，多植物根系，多蚯蚓孔洞，較結(jié)實(shí)，以疏松不均勻?yàn)樘卣?，屬典型耕作土壤?) 全新世黃土層(L0): 50～16 cm 濁黃色，較疏松，團(tuán)塊結(jié)構(gòu)，質(zhì)地均勻，黏砂質(zhì)地。3) 古土壤層上部(S0上): 80～50 cm黑灰色，棱塊狀結(jié)構(gòu)，十分疏松，富含有機(jī)質(zhì)，出現(xiàn)典型文化層，紅陶出現(xiàn)。4) 弱土壤層(Lx): 110～80 cm淺灰黃色細(xì)粉砂，結(jié)構(gòu)較疏松多孔，含少量白色鈣核。5) 古土壤層下部(S0下): 120～110 cm黑灰色，黏土質(zhì)粉沙質(zhì)地，團(tuán)塊結(jié)構(gòu)，含有大量蚯蚓孔和糞便。6) 過(guò)渡土壤層(Lt): 140～120 cm濁黃橙色，粉沙質(zhì)地，向下逐漸變淺，有垂直蟲(chóng)孔裂縫。7) 馬蘭黃土層(L1): 140 cm以下，濁黃橙色，粉沙質(zhì)地塊狀結(jié)構(gòu)，典型的馬蘭黃土，未見(jiàn)底。

在野外詳細(xì)觀察剖面的宏觀特征之后，從地表以每2 cm厚度向下系統(tǒng)采樣，至190 cm共采集土樣95個(gè)。同時(shí)，采集OSL樣品3個(gè)，用于確定SJY 年代框架。樣品在室內(nèi)風(fēng)干后，于2017年3月將土樣放入磨土機(jī)內(nèi)研磨至200目以內(nèi)，稱(chēng)取5 g土樣放入YY60X型壓力機(jī)中，覆蓋適量硼酸(H3BO3)壓制圓片，用 Panalytiacl公司生產(chǎn)的X-Ray熒光光譜儀進(jìn)行測(cè)量(測(cè)定誤差小于5%)。光釋光測(cè)年技術(shù)采用單片再生劑量法(SAR)，用丹麥生產(chǎn)的RIS TL/OSL-DA-20儀器測(cè)量，釋光信號(hào)通過(guò)9235 QB15光電倍增管檢測(cè)，濾光片為U340，以上實(shí)驗(yàn)均在陜西師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院實(shí)驗(yàn)室完成。

3 地層年代分析

本文以光釋光(OSL)測(cè)年結(jié)果為依據(jù)，結(jié)合地層年齡框架對(duì)比以及考古文化層的斷代來(lái)確定剖面的年代框架(圖2)。首先，SJY剖面與寧夏彭陽(yáng)縣長(zhǎng)城源全新世典型剖面(CCY)[13]的選取地點(diǎn)皆在黃土高原腹地西緣，六盤(pán)山以西，所處的地理環(huán)境相同。二者的剖面結(jié)構(gòu)基本一致，盡管厚度有所差異，但各地層的顏色、質(zhì)地、結(jié)構(gòu)特征相似，說(shuō)明兩個(gè)剖面具有良好的可比性。另外，結(jié)合OSL測(cè)年結(jié)果，Lt底部年齡為(10 524±491)a，該年齡與CCY剖面[13]和黃土高原典型剖面[4-9]的Lt底部年齡(11 500 a B.P.)相一致，故將SJY剖面L1與Lt分界年齡定為11 500 a B.P.。根據(jù)SJY剖面的顏色，結(jié)構(gòu)和構(gòu)造等野外宏觀特征以及理化指標(biāo)和成壤強(qiáng)度分析，可判定S0下與Lt的界限在120 cm處，SJY剖面與CCY剖面可良好對(duì)比，故將SJY剖面S0下的下界年齡確定為8 500 a B.P.。在Lx頂部80 ～ 85 cm的OSL年齡為(6 111±290)a，并在S0上層的75～80 cm處發(fā)現(xiàn)師趙村四期文化層[14]紅色陶片(6 000～5 500 a B.P.)，據(jù)此將S0上下部Lx的年齡確定為6 000 ～ 7 000 a B.P.之間。SJY 剖面S0上頂部50～55 cm處的OSL年齡為3 250±220 a，該年齡與CCY剖面的S0上頂部年齡3 100 a B.P.接近，因此，可將SJY剖面全新世黃土與古土壤年齡界定為3 100 a B.P.。

圖2 天水SJY剖面與CCY剖面地層年代對(duì)比圖Fig.2 Pedostratigraphic correlations between the SJY profile and the CCY profile

4 結(jié)果與分析

4.1 常量元素分布特征

首先將SJY剖面的常量元素含量與洛川黃土[6]、關(guān)中黃土[15]和地球上部陸殼(UCC)常量元素平均組成進(jìn)行對(duì)比(圖3)，表明天水師家崖地區(qū)黃土在化學(xué)組分和構(gòu)成方面與黃土高原洛川黃土和關(guān)中黃土相似，反映不同地區(qū)的沉積物在成因上具有相似性。另外，天水師家崖、關(guān)中和洛川地區(qū)的常量元素的UCC標(biāo)準(zhǔn)化曲線十分相似，除元素Ca外，其他元素變化幾乎重合，均表現(xiàn)為SiO2、Fe2O3、K2O和Al2O3接近于1.00，沒(méi)有明顯虧損或者富集。而Na2O 明顯位于UCC 的下方，表現(xiàn)出明顯的虧損狀態(tài)，而CaO在這些區(qū)域表現(xiàn)明顯的富集狀態(tài)。這些共性暗示了不同地區(qū)(天水、關(guān)中和洛川)黃土可能具有相似的風(fēng)成沉積基礎(chǔ)。

常量元素指標(biāo)的垂直差異反映了風(fēng)成沉積物堆積后的環(huán)境變化[13]。SJY剖面常量元素氧化物SiO2、Al2O3和CaO三者相對(duì)含量較多，三者總和達(dá)70%，常量元素平均含量(g/kg)順序呈現(xiàn)SiO2(522.0 g/kg)>Al2O3(100.0 g/kg)>CaO(82.6 g/kg)>Fe2O3(42.0 g/kg)>K2O(23.0 g/kg)>Na2O(14.7 g/kg)的規(guī)律。6種常量元素的變異系數(shù)(CV)值均小于6，說(shuō)明黃土—古土壤序列的元素組成具有高度的一致性，主要的化學(xué)成分基本一致，即古土壤是黃土成壤改造的產(chǎn)物，來(lái)自相同的物源區(qū)[16-17]。

從圖4中可以看出，CaO、Na2O氧化物含量變化趨勢(shì)相似，二者在黃土層含量較高，最低值則出現(xiàn)在So上，明顯低于黃土層，說(shuō)明在古土壤形成時(shí)期氣候溫暖濕潤(rùn)，降水豐富，化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)烈，CaO和Na2O發(fā)生遷移淋失，表現(xiàn)出不同程度的虧損。就二者的變化曲線來(lái)看，CaO曲線的變化趨勢(shì)比Na2O明顯，波動(dòng)程度較大，在S0上出現(xiàn)凹谷(圖4)，在Lx出現(xiàn)凸峰，說(shuō)明全新世大暖期氣候波動(dòng)明顯，而CaO的變異系數(shù)也比Na2O略大，說(shuō)明Na2O對(duì)風(fēng)化成壤變化的敏感性較弱。

SiO2、Al2O3、Fe2O3和K2O四者含量的變化趨勢(shì)基本一致。除TS外，最高值均出現(xiàn)在S0上，分別為531.1 g/kg、102.2 g/kg、53.5 g/kg、24.3 g/kg，其四者的含量在古土壤層高于黃土層，表現(xiàn)為相對(duì)富集，說(shuō)明風(fēng)化成壤過(guò)程中，易溶性元素Ca和Na大量遷移淋溶，導(dǎo)致Al、Si、Fe和K表現(xiàn)出相對(duì)富集的特征。Lt中SiO2、Al2O3、Fe2O3和K2O含量略高于L1，但是變化不明顯；在Lx中四者元素波動(dòng)幅度較大，均呈現(xiàn)出雙峰狀曲線，其中在90～80 cm、110～100 cm處存在低值區(qū)，SiO2、Al2O3、Fe2O3和K2O平均含量分別為518.7 g/kg、99 g/kg、41.6 g/kg和23 g/kg。L0的含量較低，分別為519.8 g/kg、99.9 g/kg、42.0 g/kg、23.1 g/kg。TS波動(dòng)較大，可能受現(xiàn)代人類(lèi)活動(dòng)影響。

從圖4分析可知，各常量元素含量的波動(dòng)變化與黃土—古土壤序列交替發(fā)育相對(duì)應(yīng)，說(shuō)明黃土堆積時(shí)期氣候寒冷干燥，降水稀少，不利于生物活動(dòng)，化學(xué)風(fēng)化作用微弱，易溶性元素Ca和Na淋溶較弱，屬于緩慢脫鹽基階段；而古土壤發(fā)育時(shí)期，氣候溫暖濕潤(rùn)，水熱狀況良好，適合植物生長(zhǎng)，生物活動(dòng)頻繁，易溶性元素Ca和Na淋溶強(qiáng)烈，SiO2、Al2O3、Fe2O3和K2O富鐵鋁化較強(qiáng)，化學(xué)風(fēng)化作用顯著，Lx形成時(shí)期，存在著氣候波動(dòng)，氣候冷暖變化頻繁。

圖3 天水師家崖及洛川、關(guān)中黃土常量元素的UCC標(biāo)準(zhǔn)化曲線圖Fig.3 UCC-normalized pattern of major elements of the loess in Shijiaya of Tianshui city and its comparison with that of the Luochuan and Guanzhong loess

圖4 SJY剖面常量元素分布曲線圖Fig.4 Diagrams showing of major chemical compositions at SJY profile

4.2 地球化學(xué)風(fēng)化參數(shù)

沉積物中常量元素的化學(xué)參數(shù)可以反映氣候的干濕冷暖狀況，指示元素的遷移程度，較單個(gè)常量元素，地球化學(xué)參數(shù)能更好的反映沉積物的風(fēng)化程度和氣候演變規(guī)律[18-22]。

鈣鎂比(Ca/Mg)揭示了堿土礦物Ca和Mg的分異程度，是在風(fēng)化過(guò)程中遷移能力和速度的表現(xiàn)[23]。在SJY剖面中(圖5)，110～50 cm處峰谷交錯(cuò)，波動(dòng)明顯，除TS外，最低值出現(xiàn)在S0上，最小值為3.12；最高值出現(xiàn)在L1，最大值為3.92；而Lx波動(dòng)明顯，凸凹交錯(cuò)。古土壤形成時(shí)期氣候溫暖濕潤(rùn)，水熱條件優(yōu)越，風(fēng)化淋溶作用強(qiáng)，Ca和Mg都發(fā)生淋失遷移，二者分異不明顯，弱土壤形成時(shí)期氣候不穩(wěn)定，冷暖波動(dòng)；而黃土堆積期氣候寒冷干燥，風(fēng)化作用微弱，活動(dòng)性較強(qiáng)的Ca淋失較多。

鉀鈉比值(K/Na)是揭示黃土—古土壤序列中斜長(zhǎng)石風(fēng)化程度的常用指標(biāo)[24]。K在元素周期表中的位置決定了它屬于易溶性元素，易隨礦物的風(fēng)化成壤作用而發(fā)生淋溶遷移。但由于鉀離子半徑較大，容易被土壤吸附，所以鉀在土壤中的富集程度大于Na。S0上中出現(xiàn)一個(gè)明顯峰值(圖5)，這是由于斜長(zhǎng)石的風(fēng)化速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鉀長(zhǎng)石且在溫暖濕潤(rùn)環(huán)境下，Na的淋溶速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)K，此外，Lx處110～100 cm處出現(xiàn)凹谷，且隨剖面自下而上呈波動(dòng)性減小后增大的趨勢(shì)，這是由于S0上中Na遭受較強(qiáng)淋溶作用向下遷移堆積形成的。K/Na說(shuō)明古土壤形成時(shí)斜長(zhǎng)石被強(qiáng)烈分解，Na強(qiáng)烈淋溶，指示較強(qiáng)的化學(xué)風(fēng)化作用；而在黃土層出現(xiàn)低值指示較低的風(fēng)化作用。

淋溶系數(shù)(CaO + K2O + Na2O)/Al2O3和退堿系數(shù)(Na2O+CaO)/Al2O3常常用來(lái)反映黃土化學(xué)風(fēng)化過(guò)程中Ca和Na等易溶性元素的淋溶遷移狀況，殘積系數(shù)常常反映的是穩(wěn)定性元素Si、Al相對(duì)富集或沉積的程度，三者均反映的是元素活性組分與惰性組分的關(guān)系，與氣候密切相關(guān)[4]。一般來(lái)說(shuō)，隨著氣候濕潤(rùn)程度的加深和風(fēng)化成壤作用的增強(qiáng)，CaO、K2O 和 Na2O淋溶作用強(qiáng)烈，而Al2O3和Fe2O3等元素相對(duì)沉積，因而殘積系數(shù)與風(fēng)化成壤強(qiáng)度呈正比關(guān)系，而淋溶系數(shù)和退堿系數(shù)則呈反比。SJY剖面中的淋溶系數(shù)介于1.03～1.28之間，其中最低值(1.03)出現(xiàn)在TS，這與人類(lèi)活動(dòng)密切相關(guān)。次低值(1.10)出現(xiàn)在S0上，而最高值出現(xiàn)在Lx。退堿系數(shù)在垂直方向上表現(xiàn)出相似的變化趨勢(shì)，黃土層較高，低值出現(xiàn)在古土壤層；而殘積系數(shù)變化規(guī)律與淋溶系數(shù)、退堿系數(shù)相反，在S0上80～60 cm處出現(xiàn)波峰，在Lx中100～110 cm處出現(xiàn)凹谷，SJY剖面中的黃土層的殘積系數(shù)較高于S0上和S0下，這些特征均說(shuō)明了古土壤形成時(shí)期夏季風(fēng)盛行，氣候溫暖濕潤(rùn)，化學(xué)風(fēng)化成壤作用強(qiáng)烈，斜長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石等礦物強(qiáng)烈風(fēng)化，易溶元素Ca，Na等大量淋溶散失、遷移堆積，F(xiàn)e、Al等穩(wěn)定性元素富集程度高，而黃土堆積時(shí)期，易溶元素的遷移淋溶能力微弱。

圖5 天水SJY剖面地球化學(xué)風(fēng)化參數(shù)曲線圖Fig.5 Diagrams showing the curves of geochemical weathering pararneters of SJY profile in Tianshui city

化學(xué)蝕變指數(shù)(CIA)可以指示長(zhǎng)石風(fēng)化成黏土礦物的程度，是研究大陸黃土化學(xué)風(fēng)化程度的定性指標(biāo)[16]。計(jì)算公式為：CIA= [Al2O3/ (Al2O3+CaO*+K2O+Na2O)]×100。公式之中，氧化物均為分子摩爾數(shù)，CaO*為硅酸鹽相，CaO*的計(jì)算采用McLennan(1993)的方法。前人研究認(rèn)為[4,16]，CIA值處于50～65之間反映寒冷、干燥的氣候條件下低等的化學(xué)風(fēng)化程度；處于65～85之間反映溫暖濕潤(rùn)的氣候條件下中等的化學(xué)風(fēng)化水平；處于85～100之間反映炎熱條件下的高等的化學(xué)風(fēng)化程度。從圖5來(lái)看，SJY剖面CIA值介于53.94～58.66之間，表明天水師家崖地區(qū)受到的風(fēng)化程度較低。剖面中不同層位CIA值變化的實(shí)質(zhì)上反映了黃土在堆積過(guò)程中的風(fēng)化成壤強(qiáng)度的差異，雖同屬于低等的化學(xué)風(fēng)化水平，但風(fēng)化程度各層位也有所差異，大致呈現(xiàn)L1最低、Lt略有上升、Lx波動(dòng)下降，S0上達(dá)到高值，L0又降低的規(guī)律，而TS達(dá)到最高值應(yīng)該與人類(lèi)活動(dòng)有直接關(guān)系。另外，古土壤含量值明顯高于黃土層，說(shuō)明古土壤形成過(guò)程中，風(fēng)化成壤作用強(qiáng)烈，長(zhǎng)石礦物遭受強(qiáng)烈的蝕變，Na和Ca等堿土礦物遷移淋失強(qiáng)，長(zhǎng)石轉(zhuǎn)化為黏土礦物多，指示溫暖濕潤(rùn)的氣候，利于風(fēng)化成壤。而Lx波動(dòng)下降，出現(xiàn)凹谷，指示當(dāng)時(shí)氣候干冷，有可能出現(xiàn)氣候波動(dòng)，風(fēng)化程度低。SJY剖面整體的CIA平均值為57.67，明顯高于UCC的平均值(47.80)，低于洛川黃土(63.73)[7]、關(guān)中黃土(65.44)[15]和陸源頁(yè)巖(70.36)[15]，由此可以得出典型沉積物的風(fēng)化強(qiáng)度序列，由強(qiáng)到弱依次為：陸源頁(yè)巖>關(guān)中黃土>洛川黃土>天水師家崖黃土> UCC。關(guān)中黃土的風(fēng)化程度基本上處于溫暖濕潤(rùn)的氣候條件下中等的化學(xué)風(fēng)化水平。與關(guān)中黃土相比，SJY 剖面的黃土—古土壤序列整體上經(jīng)歷了較弱的化學(xué)風(fēng)化過(guò)程，處于低等風(fēng)化的階段，總體較關(guān)中黃土的風(fēng)化程度弱，反映了天水地區(qū)的氣候形成于寒冷干燥的背景。

4.3 常量元素遷移序列

元素絕對(duì)含量的增加和減少并不能真實(shí)的反映風(fēng)化成壤過(guò)程中元素的遷移和富集情況，這是因?yàn)楦髟卦陲L(fēng)化成壤過(guò)程中，Ca、Na等活動(dòng)性元素的淋溶會(huì)造成Fe、Al等穩(wěn)定性元素濃度的增加，為了消除此影響，常常采用某一穩(wěn)定性元素(Ti、Al)作為參照，計(jì)算樣品中其他元素的變化率來(lái)獲知元素的遷移狀況[18-22]。本文選擇Ti作參比元素，選取剖面中風(fēng)化作用最弱的馬蘭黃土為參比標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算S0上和Lx中其他元素的遷移率，計(jì)算公式為：Δ=[(Xs/Is)/(Xp/Ip) -1]×100。其中Xs、Is分別代表樣品中元素X和Ti的含量；Xp、Ip分別代表L1層的元素X和參比元素Ti的含量。當(dāng)Δ<0時(shí)，反映元素X在該層中相對(duì)于Ti遷出；反之，代表元素X相對(duì)富集[20]。

從圖6可知，相對(duì)于穩(wěn)定元素Ti，S0上和Lx中的Fe、A1、K、Si的Δ值 > 0，表現(xiàn)出輕微的富集程度，活動(dòng)性較弱；Ca、Na元素發(fā)生不同程度的淋溶遷移。在S0上常量元素在化學(xué)風(fēng)化過(guò)程中活動(dòng)性順序與遷移能力大小為K > Si > Fe > Al > Ca > Na，Lx的遷移能力大小為Si > Fe > Al > K > Na > Ca。除Ca和Na外，常量元素均以富集為主，但富集程度較低且變化幅度小，表明全新世以來(lái)天水黃土—古土壤序列的沉積環(huán)境較為干旱。

5 風(fēng)化成壤強(qiáng)度與氣候演變

前人研究表明，黃土—古土壤序列中元素組分的含量變化和分布特征記錄著黃土沉積和成壤過(guò)程中的氣候信息[23-25]。根據(jù)天水SJY剖面地球化學(xué)元素和地球化學(xué)參數(shù)變化特征，將SJY剖面全新世以來(lái)的沉積環(huán)境分為三個(gè)階段：

全新世早期(11 500～ 8 500 a B.P.)，140～120 cm的SiO2、Fe2O3、Al2O3和K2O等穩(wěn)定性元素相比 L1含量略有增加，但是變化并不明顯。淋溶性元素Ca變化趨勢(shì)微弱，而Na元素呈現(xiàn)顯著增加趨勢(shì)?；瘜W(xué)蝕變指數(shù)、殘積系數(shù)和鉀鈉比值有所升高，而淋溶系數(shù)、退堿系數(shù)和鈉鎂比值均降低，這些變化均表明Lt形成時(shí)期化學(xué)風(fēng)化程度略有增強(qiáng)，風(fēng)化成壤作用仍然很低，黃土的堆積速度大于成壤速度，指示在末次冰期結(jié)束之后，天水地區(qū)雖由寒冷干燥向溫暖濕潤(rùn)轉(zhuǎn)變，但水熱組合狀況限制了風(fēng)化成壤作用。由成壤特征反映全新世早期該區(qū)氣候仍然濕冷，難以發(fā)生顯著的風(fēng)化成壤改造作用，處于化學(xué)風(fēng)化的較弱期。該時(shí)期的環(huán)境特征與甘肅北道[11]、天水謝家灣[12]和甘肅通渭[16]氣候具有一致性，氣候開(kāi)始向溫暖轉(zhuǎn)變。

全新世中期(8 500～3 100 a B.P.)，對(duì)應(yīng)于S0上、S0下和Lx，110～50 cm 的SiO2、Fe2O3、Al2O3和K2O等氧化物出現(xiàn)最高值，而淋溶性元素Ca和Na呈相反趨勢(shì)?；瘜W(xué)蝕變系數(shù)、殘積系數(shù)和鉀鈉比為全剖面最高值，呈現(xiàn)先增大后減小最后增大的趨勢(shì)，而淋溶系數(shù)、退堿系數(shù)和鈉鎂比呈低值，呈現(xiàn)先減小后增大最后減少的趨勢(shì)。這些數(shù)值綜合反映全新世中期氣候波動(dòng)明顯，谷峰交替出現(xiàn)，但是該時(shí)期總體上是溫暖濕潤(rùn)的，風(fēng)化成壤作用占優(yōu)勢(shì)。然而，從各元素和元素參數(shù)波動(dòng)變化來(lái)看，在110～80 cm，Si、Fe等穩(wěn)定性元素明顯降低，Ca和Na等元素出現(xiàn)凸峰，除淋溶系數(shù)、退堿系數(shù)外，CIA、鉀鈉比等化學(xué)參數(shù)呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)，這可能存在氣候波動(dòng)。付淑清對(duì)甘肅北道全新世剖面[10]進(jìn)行研究中認(rèn)為全新世中期處于總體溫濕的大背景下，存在著頻繁的的氣候波動(dòng)(6 900～7 300 a B.P.)[12]，另外他又提出在全新世大暖期經(jīng)歷過(guò)一次歷時(shí)千年之久的氣候波動(dòng)事件[16]。另外，舒培仙等[26]根據(jù)腹足類(lèi)動(dòng)物化石和湖沼相地層中石英砂粒表面電鏡掃描得出6 590～6 000 a B.P.存在氣候變冷事件。吳永紅[27]揭露了在千年尺度的氣候旋回上，長(zhǎng)江三角洲存在有多次突變寒冷氣候事件，其主要發(fā)生時(shí)間為7 600～5 800 a B.P.。很多研究[3,28]都已經(jīng)證實(shí)了全新世中期氣候并非連續(xù)穩(wěn)定溫暖濕潤(rùn)的，而是存在氣候波動(dòng)，氣候寒冷干燥。天水地區(qū)全新世中期的氣候變化與中國(guó)其他地區(qū)氣候環(huán)境演變具有較好的吻合性，在氣候波動(dòng)事件上不僅具有區(qū)域性而且也具有全球性。

圖6 SJY剖面常量元素相對(duì)于Ti的遷移率Fig.6 Migration ratio of major elements of the SJY profile Loess calculated relative to the stable element Ti

全新世晚期(3 100 a B.P.以來(lái))對(duì)應(yīng)于L0，在50～16 cm 的SiO2、Fe2O3、Al2O3和K2O等穩(wěn)定性元素相比S0上有所下降，而淋溶性元素Ca，Na呈增加趨勢(shì)。CIA、殘積系數(shù)和鉀鈉比數(shù)值波動(dòng)減小，這些數(shù)值綜合揭示了氣候由暖濕向涼干轉(zhuǎn)變的過(guò)程，降水顯著減少，溫度降低，水熱組合狀況限制了化學(xué)風(fēng)化的進(jìn)行，化學(xué)成壤作用減弱。這與前人的結(jié)論基本一致：胡夢(mèng)珺等[17]提出瑪曲高原自3 500～1 600 a B.P.期間氣候由涼潤(rùn)向涼干過(guò)渡，降水稀少，風(fēng)化成壤作用微弱；毛沛妮等[4]認(rèn)為全新世晚期東亞季風(fēng)格局發(fā)生轉(zhuǎn)變，冬季風(fēng)強(qiáng)盛，氣候轉(zhuǎn)為涼干，發(fā)生了微弱的成壤改造作用。

6 結(jié)論

(1) 天水SJY剖面與關(guān)中和洛川地區(qū)的常量元素的UCC標(biāo)準(zhǔn)化曲線相似，表明天水、關(guān)中和洛川黃土具有相似的風(fēng)成沉積基礎(chǔ)。剖面中SiO2、Fe2O3、K2O和Al2O3含量變化趨勢(shì)基本一致，均在古土壤層中較高，黃土層中較低；而CaO和Na2O含量變化呈相反趨勢(shì)。

(2) 鈣鎂比、淋溶系數(shù)、退堿系數(shù)變化趨勢(shì)基本一致，在古土壤中較高，黃土層較低；鉀鈉比、殘積系數(shù)和化學(xué)蝕變系數(shù)等化學(xué)參數(shù)呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)，表明古土壤層形成時(shí)期的風(fēng)化成壤作用強(qiáng)烈，黃土層堆積時(shí)期風(fēng)化成壤作用微弱。

(3) 常量元素在化學(xué)風(fēng)化過(guò)程中活動(dòng)性順序與遷移能力大小為K > Si > Fe > Al > Ca > Na。不同地層的風(fēng)化成壤規(guī)律為L(zhǎng)1較低→Lt升高→Lx較弱→S0上增強(qiáng)→L0減弱的規(guī)律，記錄了該區(qū)域氣候經(jīng)歷了早全新世溫涼、中全新世溫暖濕潤(rùn)與氣候波動(dòng)并存和晚全新世涼干的氣候演變過(guò)程。