中國東部表土磁化率與現(xiàn)代氣候因子的關系及其環(huán)境意義*

谷永建，李玉梅?，韓 龍，蘇 鑫

(1 中國科學院大學地球與行星科學學院, 北京 100049； 2 中國科學院地質與地球物理研究所, 北京 100029； 3 中國科學院大學測試中心分子化石實驗室, 北京 100049)

沉積物記錄過去歷史時期環(huán)境變化的信息[1-3]，如何提取蘊藏在沉積物中的環(huán)境信息是古環(huán)境領域中的重要研究方向[4-5]。在沉積物中，一些磁性礦物的形成和轉化與環(huán)境密切相關[4]?；诖判晕镔|與環(huán)境和氣候關系的環(huán)境磁學的發(fā)展，使得利用磁學指標或磁性參數(shù)重建環(huán)境演化過程和氣候變化歷史成為可能[6]。磁學參數(shù)用于恢復過去時期環(huán)境和氣候變化的工作已經(jīng)在陸相沉積和海相沉積古環(huán)境研究中得到廣泛開展，尤其是在黃土—古土壤序列中[7-9]。在眾多的環(huán)境磁學參數(shù)中，磁化率在古環(huán)境和古氣候研究中應用較多且效果明顯，以黃土—古土壤為主的陸相沉積物研究很好地指示了磁化率與環(huán)境和氣候的關系[8]。多數(shù)研究認為成土作用是造成黃土—古土壤序列磁化率值變化的主要原因，磁化率能夠反映風化成土作用的強弱[4,8]。研究表明，東亞季風是控制東亞地區(qū)氣候變化的主要因素，土壤磁化率能夠指示季風強度和演化歷史，可以作為東亞夏季風變遷的指標[10-11]。對印度地區(qū)的沉積物研究也發(fā)現(xiàn)磁化率可以指示印度季風的長期變化[7]。目前，磁化率研究主要應用在第四紀以來的沉積物中，但一些研究則將時間尺度延伸到7 Ma，甚至22 Ma[12-13]。這些研究的開展使得在更長時間尺度上利用磁化率恢復古環(huán)境成為可能。

在風化成土的多種環(huán)境因子中，氣候扮演了重要角色，尤其是降水的作用[14]，根據(jù)沉積剖面中磁化率值可判斷古降水相對強度和不同時期的變化[7,11]。但隨著對黃土高原地區(qū)黃土—古土壤磁學性質更為深入的研究以及其他地區(qū)大量的相關研究，磁化率與降水等氣候和環(huán)境因子的關系并不總是一致的[15-16]。在一些黃土剖面中，古土壤的磁化率值反而比相鄰的黃土層低，磁化率并不總是第四紀古氣候的合適替代指標[17]。紅黏土中也出現(xiàn)了降水量大而磁化率降低的情況，在紅黏土中磁化率的適用性同樣存有問題[18-19]。因此，作為恢復古環(huán)境變化的重要方法和手段的磁化率的研究雖然已經(jīng)較為深入，但磁化率的古氣候意義仍然需要進一步明確。

② 數(shù)據(jù)縮編：采用WJ-Ⅲ地圖工作站實現(xiàn)自動化完成點、線、面等人工與自然地物綜合與制圖的全要素自動縮編，以及要素之間的空間關系協(xié)調。WJ-Ⅲ自動綜合功能包括綜合工具和輔助綜合工具兩大類，可自動完成點選取，線選取和化簡，多邊形選取、化簡和聚類、等高線選取和化簡等全要素的綜合處理。并擁有自動處理拓撲關系、幾何形態(tài)處理、屬性計算等輔助功能，保證綜合后數(shù)據(jù)在拓撲關系和屬性內容方面的正確性。

古環(huán)境信息的定量重建基于對現(xiàn)代載體與環(huán)境因子關系的研究，對表土與現(xiàn)代氣候的關系研究有助于理解磁化率產(chǎn)生差異的原因。同時，利用區(qū)域內表土磁化率與現(xiàn)代氣候因子建立轉換函數(shù)可作為定量或半定量重建過去時期環(huán)境變化和氣候演化的有效手段[7,20-23]。可見，了解現(xiàn)代氣候對土壤磁化率的影響能夠為古氣候重建提供依據(jù)，對古環(huán)境恢復具有重要意義，同時也能夠為其他參數(shù)提供對比參考。然而對不同地區(qū)表土中磁化率的分析顯示磁化率分布的區(qū)域復雜性[24]，土壤磁化率與氣候因子的關系差異較大，一些土壤磁化率與氣候因子并沒有相關性或者關系復雜[21-23,25-26]。厘清不同氣候條件下磁化率變化的差異，能夠更好地理解磁化率作為氣候代用指標的可靠性和適用性，從而更準確地進行古環(huán)境和古氣候重建，恢復更長時間尺度上的古降水量。

中國東部地區(qū)跨越多個氣候帶，干濕變化明顯，環(huán)境類型多樣，南北年均溫差可達30 ℃，年均降水量差在2 000 mm以上，是分析大范圍內現(xiàn)代氣候對表土影響的極佳區(qū)域。以中國東部表土為研究對象，選取東西和南北兩條環(huán)境斷面，試通過分析土壤磁化率的空間分布特征及其與年均溫、年均降水量等氣候因子的關系，探討氣候因子對中國東部表土磁化率的影響和磁化率對氣候變化的響應機制。嘗試通過建立磁化率與氣候因子回歸方程，為研究古環(huán)境信息提供量化依據(jù)，確定磁化率作為氣候替代指標在不同氣候背景下的適用性和可靠性。同時，中國東部南北跨度大，但幾乎全部處于季風系統(tǒng)的控制下，對于了解季風區(qū)氣候對土壤磁化率的影響和季風變化具有重要意義。

從圖4可以看出，氧化單元對總氮幾乎沒有去除效果，脫氮主要發(fā)生在生化單元，出水前期較高，后期穩(wěn)定在10 mg/L左右。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況及樣品

研究區(qū)位于中國東部，分為東西(E-W)和南北(N-S)兩條環(huán)境斷面：

1)E-W斷面

E-W斷面表土χlf隨MAT的增加而上升，χlf和χfd均隨著MARH和MAP的增加而上升(圖3)。N-S斷面，χlf隨著MAT、MARH和MAP增加逐漸上升，當達到某一點后開始下降。其中，溫度的轉折點在10～12 ℃左右，MARH的轉折點在68 %～70%，降水的轉折點在1 000～1 200 mm。磁化率隨氣候因子的這種變化是造成其線性相關性較差的主要原因。χfd隨MAT、MARH和MAP的增加逐漸上升。

采樣點主要位于吉林、遼寧省和內蒙古東部地區(qū)(40°10′5″～44°56′4″N，112°3′～126°23′42″E)，東西跨越14個經(jīng)度。該區(qū)氣候帶上屬溫帶大陸性氣候和溫帶季風氣候區(qū)。典型土壤主要為棕壤、褐土、黑鈣土和灰鈣土，成土母質為非鈣質坡積物及土狀堆積物、黃土及黃土狀物質[27-28]。斷面西端位于渾善達克和科爾沁沙地，土壤樣品中含有一定量的沙。在52個采樣點分別選取2～4個不同位置采樣，去除表面雜物，采樣深度0～5 cm，共獲得土壤樣品157個。

2)N-S斷面

采樣點跨越中國東部(18°44′24″～53°19′12″N，110°25′12″～124°57′59″E)，南北跨越35個緯度。區(qū)內以季風氣候為主，斷面包括東部濕潤、半濕潤區(qū)幾乎全部土壤類型，從北到南主要為漂灰土、暗棕壤、棕壤、黃棕壤、黃壤、赤紅壤、磚紅壤等[27-28]。36個采樣點分別選擇2～4個不同位置采樣，采樣深度0～20 cm，以5 cm間隔由下至上取樣，共獲得土壤樣品373個。0～5 cm土壤樣品共105個用于與現(xiàn)代氣候因子的關系研究(圖1)。

繼電器是個新術語，但物理開關人人知道吧！任務二進階無極繼電器中，教師將繼電器與物理開關進行類比教學，分析其中異同，讓學生更加深刻理解繼電器的作用。繼電器的狀態(tài)有兩種：吸起和落下(釋放)，通過繼電器動作視頻，學生可以直觀看到繼電器動作過程，通過手按銜鐵的方式，學生可以清楚地觀察繼電器銜鐵、拉桿、節(jié)點組之間的聯(lián)動過程。繼電器的工作原理是本次課程的教學重難點。在前面的教學基礎上，教師引入繼電器動作原理小程序，學生可以通過操作控制按鈕觀察繼電器各個部件之間的聯(lián)動過程，理解繼電器吸起和釋放的全過程。

圖1 表土樣品采樣點分布Fig.1 Sites of surface soil samples in eastern China

所有土壤樣品均采集于受人類活動干擾較小的區(qū)域，避免人類來源磁性物質造成的污染。樣品用鋁箔包裹后裝入樣品袋帶回實驗室自然風干冷凍待用。

1.2 實驗方法

土壤磁化率測試使用Bartington MS2型雙頻磁化率儀完成。樣品在進行實驗前去除植物根等雜質，用瑪瑙研缽研磨后測定低頻磁化率(χlf，0.47 kHz)和高頻磁化率(χhf，4.7 kHz)。為更好地顯示每一采樣點不同位置的土壤磁化率值的差異，未對同一采樣點土壤磁化率值進行平均。

頻率磁化率(χfd)根據(jù)公式χfd(%)=[(χlf-χhf)/χlf]×100獲得[29]。

工業(yè)有害氣體的不斷增加，對人體產(chǎn)生的危害越來越嚴重，建筑室內裝飾裝修設計人員要加強空間分布設計力度，保證室內環(huán)境污染現(xiàn)狀得到更好改進。結合2016年我國建筑材料與建筑室內裝飾裝修材料成分分析結果能夠得知，當下，建筑市場中80%的裝飾裝修材料存在污染，因此，設計人員要盡量減少裝飾裝修材料的使用量。

1.3 氣象數(shù)據(jù)的獲取

88個采樣點的年均溫(MAT/℃)、年均相對濕度(MARH)和年均降水量(MAP/mm)數(shù)據(jù)由研究區(qū)及周圍省市共933個地面氣象臺站1981—2010年資料根據(jù)回歸分析和反距離權重空間插值法獲得[30]，并隨機選取另外100個氣象站數(shù)據(jù)進行驗證。氣象數(shù)據(jù)來源于“中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng)”(http:∥data.cma.cn)。

根據(jù)插值結果，得到E-W和N-S斷面的MAT、MARH和MAP變化范圍分別為0.9～8.0 ℃、49.4%～71.6%、89～984 mm和-3.8～24.2 ℃、49%～84.8%、93～2 055 mm。

2 結果

2.1 土壤磁化率和頻率磁化率

E-W斷面土壤χlf變化范圍為(4.90～1 399.00)×10-8m3·kg-1(平均67.29×10-8m3·kg-1)，χfd變化范圍為0.06%～17.37%(平均4.70%)。土壤χlf大部分低于200×10-8m3·kg-1，占樣品數(shù)的94%。N-S斷面土壤χlf變化范圍為(2.55～1 748.11)×10-8m3·kg-1(平均155.37×10-8m3·kg-1)，χfd變化范圍0～16.62%(平均5.73%)。

土壤χlf和χfd空間分布差異明顯(圖2)。χlf在E-W斷面上表現(xiàn)為東高西低，在120°E以西一直處于低值，之后逐漸上升；在N-S斷面上變化較為復雜，由南向北表現(xiàn)為先增后減，在40°N和50°N附近出現(xiàn)峰值。χlf和χfd的關系也表現(xiàn)不同，E-W斷面上，χlf和χfd的分布相似，顯著正相關；N-S斷面上，χlf和χfd的變化沒有相關性(表1，表2)。E-W斷面土壤χlf具有東高西低、N-S斷面土壤χlf具有南北兩端低中間高的空間分布特征，χfd具有東高西低、南高北低的特點。

640 雷公藤紅素抑制鼻咽癌細胞的增殖、遷移及上皮間質轉化 張 雪，張登海，陳曉平，滕偉強，彭 彬，張 燚，王 瑩，曹帆帆，薛曉成

圖2 表土磁化率的空間變化Fig.2 Spatial variation in surface soil magnetic susceptibility

表1 E-W斷面磁化率與氣候因子相關分析(n=152)Table 1 Correlation analysis between magnetic susceptibility and climatic factors for E-W transection (n=152)

注：n表示樣品量，**在 0.01 水平(雙側)上顯著相關。

HJZ采樣點土壤χlf最高達到1 399.00×10-8m3·kg-1，其他兩個位置分別達到646.25×10-8和354.92×10-8m3·kg-1，其χfd僅為3.51%、1.04%和3.90%。TX3個樣品的χlf為1 748.11×10-8、861.31×10-8、711.34×10-8m3·kg-1，χfd均低于3%。污染土壤的磁化率通常表現(xiàn)出高質量磁化率、低頻率磁化率的特征，頻率磁化率大多小于3%[31]。HJZ和TX采樣點表土樣品可能受到不同程度的污染，將其剔除。當χfd大于14%時，土壤也可能受到污染[32]，將χfd大于14%的4個樣品剔除。

表2 N-S斷面磁化率與氣候因子相關分析(n=88)Table 2 Correlation analysis between magnetic susceptibility and climatic factors for N-S transection (n=88)

注：n表示樣品量，**在 0.01 水平(雙側)上顯著相關，*在 0.05 水平(雙側)上顯著相關。

由于成土母質對磁化率的影響較大，因此在分析土壤磁化率與氣候的關系時，盡量選擇母質來源相同或相近的土壤樣品[33-34]。大部分玄武巖等強磁性母質形成的土壤磁化率值大于400×10-8m3·kg-1[33]，而樣品磁化率值以小于400×10-8m3·kg-1為主，可認為樣品主要發(fā)育于弱磁性母質。在進一步分析中，剔除磁化率值大于400×10-8m3·kg-1的12個樣品。

2.2 磁化率隨氣候因子的變化

E-W斷面上，χlf與MAT、MARH和MAP均顯著正相關，與MAP的相關性最高；χfd與MARH和MAP顯著正相關(表1)。MAP與χlf的相關性大于MAT可能指示降水對磁化率的影響大于溫度對磁化率的影響。χlf與氣候因子的相關性均高于χfd，表明χlf作為該區(qū)溫度、濕度和降水的指標好于χfd。

圖3 表土磁化率隨氣候因子的變化Fig.3 Variation in surface soil susceptibility with climatic factors

N-S斷面上，χlf與MAT和MAP顯著負相關；χfd與MARH和MAP顯著正相關。與E-W斷面相比，χlf與氣候因子的關系并不一致，并且其相關系數(shù)均較低。

總而言之，因為網(wǎng)絡需要對大量的應用與數(shù)據(jù)進行承載，從而導致需要具備大量的安全審計數(shù)據(jù)信息。所以通過提取與處理這些數(shù)據(jù)信息，而且能夠確保通過對其所含有的網(wǎng)絡入侵行為的特征量進行萃取，已經(jīng)成為網(wǎng)絡安全防范工作中極其重要的問題。同時因為網(wǎng)絡入侵檢測屬于對安全審計信息進行處理與操作，不斷對數(shù)據(jù)挖掘技術進行引入，確保在大量的數(shù)據(jù)中網(wǎng)絡系統(tǒng)，不僅能夠對潛在的知識信息進行快速的判斷與提取，也能夠對其是否存在具體的網(wǎng)絡攻擊行為進行判別。所以需要不斷對基于數(shù)據(jù)挖掘的網(wǎng)絡入侵安全保護系統(tǒng)進行研究與探討，從而確保充分地發(fā)揮網(wǎng)絡入侵安全防護系統(tǒng)的效能。

這池塘不是她家的，里面有沒有麥麩，關她什么事！青蛙叫不叫，關她什么事！這深更半夜的，她一個人在池塘里撈麥麩，簡直是瘋子！

3 討論

3.1 氣候對土壤磁化率的影響

成土作用對土壤中磁性礦物的遷移和轉化是造成磁化率變化的重要原因[35-37]，尤其與土壤形成時的環(huán)境緊密相關[38]。氣候是成土過程中最為活躍的非生物因素[39]，一般認為氣候是土壤磁化率變化的主要成土控制因素，而溫度和降水在成土過程中對磁性礦物的影響最為直接[21, 36]。

經(jīng)濟全球化的背景下，發(fā)展綠色金融是順應國際金融市場發(fā)展趨勢、推動世界各國經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要要求。綠色金融最突出的特點就是，它更強調人類社會的生存環(huán)境利益，它將對環(huán)境保護和對資源的有效利用程度作為計量其活動成效的標準之一，通過自身活動引導各經(jīng)濟主體注重自然生態(tài)平衡。它講求金融活動與環(huán)境保護、生態(tài)平衡的協(xié)調發(fā)展，最終實現(xiàn)經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展。

在MAT>25 ℃或者MAP>2 000 mm的情況下，磁化率值較小，而頻率磁化率值相對較高，此時SP顆粒等成土亞鐵磁性礦物可能是土壤磁化率的主要貢獻者[32]，原生碎屑鐵磁性礦物幾乎被破壞殆盡[35]。

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圖4 中國東部表土磁化率隨氣候因子的變化Fig.4 Variation in surface soil magnetic susceptibility with the climatic factors in eastern China

黃土高原地區(qū)和北方干旱—半干旱區(qū)表土磁化率與現(xiàn)代年降水量的正相關關系表明可以利用磁化率作為降水指標用于古降水量的定量重建[36, 50, 55-56]。對E-W斷面表土磁化率與年均降水量進行回歸分析，得到相關系數(shù)最大的二次多項式回歸方程。多項研究的相互驗證指示在中國北方干旱—濕潤區(qū)可以利用土壤磁化率定量估算降水量，進而用于恢復古降水量。

新生成的細粒磁性礦物的含量增加是導致磁化率增強的控制因素[41]，次生磁赤鐵礦是成土磁性礦物中主要的亞鐵磁性礦物[14, 42-43]，主要存在于超順磁顆粒和單疇臨界值(SP/SD，20～25 nm)附近[20]。在不同氣候環(huán)境中，磁赤鐵礦的生成和轉化主要有兩種途徑：1)磁赤鐵礦可在粉塵攜帶的粗粒磁鐵礦沉積后經(jīng)低溫氧化形成[44]。含鐵硅酸鹽黏土礦物在干濕交替中風化為二價鐵，二價鐵氧化為三價，如水鐵礦水解為磁鐵礦，進而氧化為磁赤鐵礦，還原氧化環(huán)境的快速變換促進磁赤鐵礦的生成，使土壤磁性增強[44-45]。當土壤處于短期水飽和的還原環(huán)境也有利于赤鐵礦向磁赤鐵礦的轉化[43,]。長期的還原環(huán)境導致磁鐵礦的大量溶解和破壞，使土壤磁化率下降；2)磁赤鐵礦作為成土過程中主要的亞鐵磁性礦物是由水鐵礦向赤鐵礦轉化的中間產(chǎn)物[42]，水鐵礦向赤鐵礦的直接轉化發(fā)生在強風化的土壤中[40,42, 46]，高溫條件支持磁赤鐵礦向赤鐵礦的轉化，或者直接由水鐵礦轉化為赤鐵礦[36]。本文認為土壤磁化率的變化是以上兩種途徑的綜合。

E-W斷面土壤磁化率值變化與黃土高原和北方干旱—半干旱區(qū)表土磁化率隨降水的變化相似[21, 50, 55](圖5)。

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N-S斷面南端高成土程度對應較低的磁化率，表明N-S斷面南端在成土過程中，當MAT大于12 ℃或者MAP大于1 000 mm時，隨著MAT和MAP的增加，細粒亞鐵磁性礦物盡管在不斷生成，但亞鐵磁性礦物的破壞作用占主導，強烈的風化使土壤中原生的碎屑磁性礦物破壞嚴重，從而造成磁化率和成土程度呈負相關[22]。華南沿海地區(qū)降雨量大、溫度較高，雖然亞鐵磁性礦物依然是土壤磁性的主要貢獻者，但成土作用過程中伴隨著磁性礦物的破壞，土壤中的原生磁性礦物受風化成土作用改造嚴重，磁赤鐵礦(磁鐵礦)在濕熱的氣候條件下向赤鐵礦、針鐵礦轉化[6, 21]。

MAT小于0 ℃地區(qū)的樣品，偏離整體趨勢，從接近0到近400×10-8m3·kg-1。MAP小于200 mm的樣品盡管沒有如此大的變化幅度，但整體偏離。前人多認為磁化率或者成土作用有降水啟動值[49]。盡管溫度的影響要小于降水，但可能存在0 ℃的啟動值，在溫度較低的地區(qū)，溫度的作用可能超過降水的作用[26]。熱帶和溫帶地區(qū)降水對土壤磁化率的作用強于溫度，而在寒帶溫度對土壤磁化率的作用有所增強，影響程度可能高于降水[26]。

MAT>12 ℃且MAP>1 000 mm區(qū)間，χlf與氣候因子關系以指數(shù)擬合結果較好，并且χlf與MAP的相關性大于與MAT的相關性，在該區(qū)間內，降水對土壤磁化率的影響同樣要大于溫度。由此可以得出，降水是中國東部表土磁化率主要的氣候影響因素。回歸結果表明，在MAT>12 ℃且MAP>1 000 mm區(qū)間內，利用磁化率重建古降水在一定程度上是可行的。

3.2 氣候對土壤頻率磁化率的影響

χfd與氣候因子的關系與χlf明顯不同，偏向于線性變化(圖4)，隨MAT和MAP的增加，χfd逐漸升高，并未出現(xiàn)臨界值現(xiàn)象，SP顆粒等細粒磁性礦物的含量增加[44]，說明環(huán)境變暖變濕對χfd具有積極影響。χfd與MAP相關性高于MAT，表明MAP同樣對χfd具有主要影響，MAT影響次之，尤其是E-W斷面，χfd與MAT幾乎不相關。暖濕程度越高、持續(xù)時間越長，細粒鐵磁性礦物形成的越多，沒有出現(xiàn)宋揚等[50]預測的χfd隨MAP的變化存在MAP臨界條件的情況，SP顆粒隨降水的增加沒有發(fā)生強烈的溶解破壞。在熱帶地區(qū)頻率磁化率同樣有隨成土強度增加而升高的趨勢[25, 51-53]。南方紅土發(fā)育區(qū)，盡管降水和溫度很高，頻率磁化率指示了紅土成土化作用的強弱[34]。在本研究中，最南端海南島地區(qū)降水在2 000 mm以上，而內蒙古東部部分地區(qū)降水低于100 mm，部分采樣點年降水量只有幾十毫升，由于頻率磁化率在成土過程中未發(fā)生轉折，因此頻率磁化率可在大范圍指示成土環(huán)境由干到濕的變化。

圖3表明兩條斷面土壤磁化率隨氣候因子的不同變化趨勢。為更好地顯示磁化率與氣候的關系，將兩條斷面所有土壤樣品的χlf與MAT、MARH和MAP進行分析。所有樣品χlf與MAT、MARH和MAP的變化與N-S斷面的變化相似，χlf與MAT、MARH和MAP的關系偏向于二次多項式(圖4)。MAT在小于0 ℃時，χlf變化幅度較大，分布明顯離散，偏離整體變化趨勢；0～12 ℃，隨MAT增加χlf上升，當MAT大于12 ℃時，χlf隨MAT增加而降低，在MAT達到25 ℃后，χlf已經(jīng)很??；MARH小于68%，χlf隨MARH增加有上升趨勢，之后隨MARH的增加而降低；MAP在小于200 mm時，χlf偏離整體，MAP在200～1 000 mm時，與χlf正相關，當MAP大于1 000 mm時，與χlf負相關。相關分析得知，MARH受MAP影響較大(表1，表2)，因此在后續(xù)討論中以MAT和MAP為主。

中國東部地區(qū)降水和溫度的變化主要由季風系統(tǒng)控制，降水主要由夏季風帶來。夏季風強度由沿海向內陸逐漸減弱，從海洋攜帶的熱量和水汽下降[54]。E-W斷面磁化率由東向西逐漸降低與夏季風強度向內陸逐漸減弱同步，當?shù)竭_200 mm等降水線附近時，季風的作用已經(jīng)很微弱。因此磁化率能夠在空間上指示夏季風強度、植被覆蓋和氣候的變化，為季風演化和變遷提供材料，在時間上記錄亞洲內陸干旱化進程和東亞古季風演化[11]。N-S斷面南段由于發(fā)生土壤磁性礦物的溶解，磁化率與季風強度負相關，但受成土作用產(chǎn)生的SP顆粒影響的頻率磁化率由南向北逐漸降低，指示了季風作用強度的同向減弱。

3.3 氣候與土壤磁化率的定量關系

E-W斷面東部地區(qū)，夏季濕熱多雨，土壤處于濕潤狀態(tài)，其他季節(jié)降水較少，土壤處于干燥狀態(tài)，干濕交替有利于產(chǎn)生細粒磁赤鐵礦[47]，并且在干燥期，磁赤鐵礦作為水鐵礦向赤鐵礦轉化的中間產(chǎn)物也大量生成[48]。在干濕交替、排水條件良好的成土條件下，磁性礦物的風化以化學風化為主，持續(xù)的氧化還原循環(huán)促進了土壤中細顆粒磁性礦物的形成[36, 44-45]。亞鐵磁性礦物濃度增加與年降水量增加有關，降水對磁性礦物的轉化主要在于引起的土壤氧化還原環(huán)境的差異[42]， E-W斷面和N-S斷面北段較高的成土作用對應于高磁化率，降水和溫度與磁化率的正相關表明暖濕氣候有利于亞鐵磁性礦物的生成和積累。E-W斷面土壤χlf與MAP的高度相關性表明相對于年均溫，降水是控制中國北方濕潤—干旱區(qū)表土磁化率的主要氣候因素。

圖5 E-W斷面與中國北方其他地區(qū)土壤磁化率與年均降水量的關系對比Fig.5 Relationships between soil susceptibility and MAP in E-W transection and other regions in northern China

呂厚遠和韓家懋[21]對全國不同地區(qū)的土壤研究發(fā)現(xiàn)磁化率隨MAT和MAP的增加大致在15 ℃和1 100 mm發(fā)生轉折。Balsam等[26]結合前人研究資料，對全球熱帶和溫帶地區(qū)表土磁化率與現(xiàn)代降水量關系的研究發(fā)現(xiàn)磁化率隨降水呈現(xiàn)先增后減的臨界值在1 000 mm左右。夏威夷土壤磁化率最高值也發(fā)生在降水為1 000 mm左右[40]。盡管在數(shù)值上存在差異，但都指示了MAT和MAP閾值的存在。閾值的不同可能是由于采樣點或者氣候數(shù)據(jù)的差異、土壤排水性造成[21, 40]。在降水量較高的地區(qū)，玄武巖、花崗巖和沉積巖上發(fā)育的土壤的磁化率都有隨降水增加而下降的現(xiàn)象[6,26]。對夏威夷、海南表土樣品磁化率的檢測顯示出與降水量的負相關關系[6,40]。降水大于1 000 mm的地區(qū)，磁化率低值指示濕潤環(huán)境，高值指示相對干燥的環(huán)境。磁化率與氣候因子的關系顯示降水和溫度對土壤磁性既有增強作用也有減弱作用。當溫度和降水大于一定值(MAT>25 ℃，MAP>2 000 mm)，磁化率值已經(jīng)很小，氣候可能不再是影響磁化率變化的控制因素。

剔除溫度小于0 ℃(9個)和降水小于200 mm(16個)的樣品后，建立基于溫度、相對濕度和降水量的磁化率函數(shù)，磁化率隨溫度、相對濕度和降水量的二次多項式回歸R2僅為0.16、0.19和0.31，頻率磁化率與3個因子的線性回歸R2為0.04、0.16、0.10(圖4)。

所有采樣點的MAT和MAP被12 ℃和1 000 mm分開。將樣品按照年均溫和年均降水量的不同分為4個端元，分別是：0 ℃≤MAT≤12 ℃且MAP≤1 000 mm、0 ℃≤MAT≤12 ℃且MAP>1 000 mm、MAT>12 ℃且MAP≤1 000 mm和MAT>12 ℃且MAP>1 000 mm。表土樣品全部分布于0 ℃≤MAT≤12 ℃且MAP≤1 000 mm和MAT>12 ℃且MAP>1 000 mm區(qū)間內。

通過對χlf與MAT和MAP進行多種函數(shù)回歸分析發(fā)現(xiàn)(圖6)，在0 ℃≤MAT≤12 ℃且MAP≤1 000 mm區(qū)間，χlf與氣候因子的回歸方程以線性擬合結果較好，且χlf與MAP的復相關系數(shù)遠大于MAT。在該區(qū)間，降水對土壤磁化率的影響大于溫度，是影響磁化率變化的主要氣候因素[26, 57-58]?；貧w分析表明，在降水量低于1 000 mm的地區(qū)，根據(jù)磁化率定量重建古降水量是可行的[55]。

圖6 土壤磁化率與年均溫和年均降水量的關系Fig.6 Relationships of magnetic susceptibility with MAT and MAP

干旱情況下，一般年降水量低于100～200 mm，磁化率受氣候的影響較小，成土作用較弱，磁化率的控制因素主要與原生磁性礦物有關[23, 26]。在現(xiàn)代砂丘砂樣品中主要的磁性礦物為磁鐵礦和赤鐵礦，磁赤鐵礦含量很少或者根本不存在，現(xiàn)代風成砂中的磁鐵礦都以物理風化為主，氣候已經(jīng)不是影響磁化率的主要因素[21, 23-24]。對中國黃土典型剖面研究發(fā)現(xiàn)，當降水量低于350 mm/a時，不足以生成主要的亞鐵磁性礦物[49]。E-W斷面MAP低于200 mm的地區(qū)的樣品磁化率值較低，而200 mm降水線是中國干旱區(qū)和半干旱區(qū)的分界線，因此，可推斷中國東部表土在分界線以東以南的土壤磁化率受降水等成土因素的控制，而分界線以西以北的干旱區(qū)的土壤磁化率主要受物源的影響。200 mm可作為降水對土壤磁化率起主要影響的啟動條件。MAP低于200 mm的干旱地區(qū)，由于蒸發(fā)量大，有效降水少，長期處于氧化環(huán)境下，成土磁性礦物即使由磁鐵礦氧化而來，也會進一步被快速氧化為針鐵礦和少量赤鐵礦，不能夠很好地保存下來。

有研究發(fā)現(xiàn)在干旱區(qū)χfd與MAP有很好的相關性，可以建立磁化率-降水轉換函數(shù)用于定量重建[59]。然而西部干旱區(qū)表土本身磁化率值小，渾善達克和科爾沁沙地土壤磁化率大多低于20×10-8m3·kg-1，可能導致頻率磁化率異常，高于實際頻率磁化率。本研究中χfd與MAT和MAP的相關系數(shù)均較低，無法利用表土頻率磁化率與氣候因子建立回歸方程用于古環(huán)境的定量重建，只能定性指示MAP的變化。

3.4 磁化率重建古降水的適用性

有許多研究者分別提出定量重建黃土高原古降水的方法，利用不同磁性指標嘗試進行古降水量的重建[12, 21, 36]。土壤磁學—降水轉換函數(shù)為第四紀古降水提供定量依據(jù)，使得定量重建古環(huán)境成為可能[22]。

目前，古降水重建更多的是集中在半干旱半濕潤區(qū)及年均降水量不高的地區(qū)[20, 36]，對于熱帶降水豐富地區(qū)的古降水重建的研究較少[7]。黃土高原黃土-古土壤成土母質單一、植被類型相似，黃土區(qū)MAT和MAP低，一般位于0 ℃≤MAT≤12 ℃且MAP≤1 000 mm區(qū)間內，降水和溫度與磁化率表現(xiàn)為高度正相關關系，成土的亞鐵磁性礦物對年均降水量敏感。在半干旱—濕潤的俄羅斯干草原，土壤形成因素基本一致，土壤磁性變化主要是由氣候引起[60]，磁化率與降水的相關系數(shù)可達0.93，表現(xiàn)出磁化率隨降水增強的趨勢。但該地區(qū)現(xiàn)代降水梯度僅僅在300～500 mm[45]，尚未達到降水閾值。

中國東部土壤磁化率與氣候在不同階段的關系指示降水對土壤磁性礦物的影響具有多解性。當年均降水集中于某一區(qū)間(200～1 000 mm，1 000～2 000 mm)，可以通過建立轉換函數(shù)用于定量重建古降水量。如果某一垂直剖面在地質時期實際降水量處于臨界值附近，那么利用轉換函數(shù)重建古降水則可能重建效果較差，甚至發(fā)生錯誤，尤其是長時間尺度的沉積剖面其氣候演化多樣，在進行古環(huán)境重建時更要注意這種現(xiàn)象。磁化率相同的土壤可能代表不同的水熱條件，在利用磁化率恢復古環(huán)境時要考慮到這種變化。在不同沉積剖面中都出現(xiàn)了磁化率隨降水量增加而降低的現(xiàn)象[17]，而頻率磁化率則與降水變化一致[19]，利用頻率磁化率反映古濕度更為合理[61]。頻率磁化率與磁化率的相關關系可作為判斷降水區(qū)間的依據(jù)。

沙漠地區(qū)常年干旱，磁化率的變化受降水的影響較小，更多的是反映母質的磁性礦物特征[58]，不適合使用磁化率和頻率磁化率來估計降水量變化。因而，在對距源區(qū)較近、成土作用相對較弱的沙漠-黃土邊界帶現(xiàn)代土壤的研究中，用磁化率作為氣候的代用指標時要慎重。

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4 結論

通過測定中國東部地區(qū)E-W和N-S兩條環(huán)境斷面的88個采樣點表土χlf和χfd，分析表土磁化率的空間分布特征及其與現(xiàn)代氣候因子的關系，主要有以下認識：

我們用H表示有限維實希爾伯特空間，它的內積和范數(shù)分別記為〈·,·〉和‖·‖。用R表示全體實數(shù)，用Rn表示n維向量空間，其內積定義為：

1)E-W斷面土壤χlf表現(xiàn)出東高西低的特征，其中χlf與MAT、MARH和MAP顯著正相關，χlf與氣候因子的相關性高于χfd。N-S斷面土壤χlf空間分布特征復雜。χfd具有東高西低、南高北低的特點，與MARH和MAP均顯著正相關。

在自動協(xié)同辦公系統(tǒng)中設計管理體系文件審批流程和內部管理體系文件分發(fā)流程，將《文件控制程序》《內部管理體系文件分發(fā)工作指南》的有關規(guī)定，分別設計到上述流程中，在文件審批流程中文件分為下列5類：第一類管理手冊（含附錄）和程序文件；第二類支持服務類工作指南和記錄表格；第三類技術運作類工作指南和記錄表格、檢驗標準操作規(guī)范、儀器設備類操作規(guī)程、測量不確定度評定實例、原始記錄表格；第四類科技開發(fā)類工作指南和記錄表格；第五類質量管理類工作指南和記錄表格，分別由最高管理者、支持服務技術負責人、技術運作技術負責人、科技開發(fā)技術負責人和質量負責人審批。確保了文件的審批、發(fā)放規(guī)范、統(tǒng)一和高效。

2)χlf表現(xiàn)出隨MAT和MAP增加先增后減的變化。χfd隨MAT和MAP的增加逐漸增加，未出現(xiàn)類似于χlf存在轉折點的情況。氣候因子對磁化率的影響可能存在一個啟動閾值，溫度大于0 ℃，降水大于200 mm時，有利于亞磁性礦物的生成，在0 ℃以下或者降水低于200 mm的環(huán)境中，亞鐵磁性礦物的生成受到限制。χlf和χfd與氣候因子的關系均表明年均降水影響更大。

3)建立χlf與MAT(0 ℃≤MAT≤12 ℃和MAT >12 ℃)和MAP(200 mm≤MAP≤1 000 mm和1 000 mm≤MAP≤2 000 mm)的回歸方程?；貧w方程同樣顯示MAP要大于MAT對χlf的影響。回歸方程表明可利用磁化率-氣候轉換函數(shù)用于古氣候重建，其中利用磁化率重建古降水準確性更高。

4)χfd可以定性判斷MAP的變化，是較可靠地反映成土作用的替代性指標。盡管磁化率能夠指示溫度和降水的變化，可用于古降水重建，但在嘗試利用現(xiàn)在表土χlf與MAP建立轉換函數(shù)定量重建古降水時具有限制。由于磁化率在不同降水范圍內表現(xiàn)出相反的變化，因此利用磁化率-降水轉化函數(shù)定量重建古降水時要注意該區(qū)的降水背景，200～1 000 mm可能是重建古環(huán)境和古氣候的較可靠區(qū)間。