蘭州西津黃土色度指標記錄的第四紀氣候演化

沈曼麗，張 軍，惠爭闖

（1.蘭州大學 資源環(huán)境學院西部環(huán)境教育部重點實驗室，甘肅蘭州 730000；2.河南大學環(huán)境與規(guī)劃學院，河南開封 475004）

0 引言

黃土作為陸地上保存較好的第四紀沉積記錄載體，蘊含著豐富的古氣候信息，與深海沉積記錄、冰芯記錄并稱為古氣候研究的三大支柱［1-4］。中國厚層黃土沉積在第四紀古氣候研究領(lǐng)域有著先天的優(yōu)勢，從20世紀80年代至今，科學家們已在黃土堆積空間分布特征［2］、沉積地層年代［5］、黃土代用指標的氣候記錄及形成機制［6-9］、黃土成因［10-11］及其物源［12］等多方面取得一系列的重要成果。然而，從整個黃土高原地區(qū)來看，目前黃土高原東部地區(qū)在研究深度和廣度上，明顯要高于黃土高原西部地區(qū)（六盤山以西）。在黃土高原東部地區(qū)，前人已借助物理學、地球化學、生物學等多學科交叉研究手段［13-17］，較完善地構(gòu)建出了第四紀氣候變化的框架；而黃土高原西部地區(qū)，雖已開展了一些磁化率、粒度、碳酸鈣、地球化學等指標的環(huán)境變化研究［18-20］，但重建的氣候代用指標記錄間尚存互相不匹配的問題，如蘭州西津第四紀黃土的粒度與磁化率之間［18］，據(jù)此重建出的古氣候變化信息也就會存在一定的不確定性，因而仍需加強黃土記錄中其他代用指標的研究，以期建立起可靠且系統(tǒng)的氣候變化記錄。

色度即對土壤顏色的度量，其變化主要受控于氣候因素對土壤性質(zhì)的影響，反映了土壤形成時的氣候環(huán)境信息，因而可作為古氣候變化研究的良好替代指標［21-23］。色度包含亮度、紅度和黃度三個分量，三者具有不同的指示意義，亮度主要受土壤中有機質(zhì)和碳酸鈣相對含量的影響，其大小與有機質(zhì)含量呈負相關(guān)關(guān)系，與碳酸鈣含量正相關(guān)，與區(qū)域內(nèi)的有效降水量關(guān)系密切［24-25］；然而，也有研究認為在碳酸鈣含量低的情況下，亮度與碳酸鈣可能會負相關(guān)［26］，在極端干旱區(qū)，亮度甚至與有機質(zhì)和碳酸鈣的含量均不相關(guān)，而是受控于紅度和黃度分量［27］。紅度和黃度主要受控于土壤中赤鐵礦和針鐵礦的含量變化，反映了沉積物形成時期的水熱組合情況，赤鐵礦主要形成于年平均溫高、年平均降水量低，干濕季分明的氣候條件下，而針鐵礦則主要形成于年平均溫度低、年降雨量高的環(huán)境［21，25，28-31］。這三者既可單獨應(yīng)用也可與其他指標結(jié)合使用，用以恢復冰期-間冰期旋回高分辨率氣候變化［32］或夏季風演化［26，33］。如同環(huán)境磁學、粒度、碳酸鈣等其他氣候代用指標一樣，色度指標作為一種常用的氣候代用指標，在多種沉積物的古氣候研究中已得到廣泛應(yīng)用［24，30，34-36］，表現(xiàn)出較好的可靠性和有效性。

為此，本文選用蘭州西津黃土作為研究載體，首先通過分光測色計獲取整個剖面的色度數(shù)據(jù)信息，再結(jié)合該剖面已有其他氣候代用指標可靠性以及指標間的對比分析，系統(tǒng)地重建2.2 Ma以來黃土高原西部地區(qū)氣候演化過程。

1 研究區(qū)概況

蘭州地處青藏高寒區(qū)、西北內(nèi)陸干旱區(qū)和東部季風區(qū)的過渡地帶，市區(qū)位于狹長的黃河河谷中，黃河自西南向東北貫穿全境，地勢西南高東北低，境內(nèi)大部分海拔1 450～2 500 m［37］（圖1）。該地區(qū)第四系地層主要以黃土-古土壤序列沉積為主，其次發(fā)育有分布較廣的黃河階地河流礫石層和局地堆積的山麓相上五泉礫石沉積。蘭州屬典型的溫帶大陸性氣候，夏季溫暖濕潤，冬季寒冷干燥；據(jù)統(tǒng)計，蘭州地區(qū)多年平均氣溫為9.7℃，年溫差和日溫差均較大，多年平均降水量為319 mm，降雨主要集中在夏季［38］，季節(jié)變化明顯。在第四紀時期，該區(qū)的山地丘陵和河谷地帶草原植被占優(yōu)勢，一些較高的山地則是森林和森林草原植被，建群種以云杉、冷杉等為主［39-40］。

圖1 蘭州西津剖面位置圖Fig.1 Location map of Xijin section，Lanzhou：distribution range of loess on the Chinese Loess Plateau（a），and location of Xijin core in Lanzhou（b）

2 樣品采集與實驗分析

2.1 樣品采集

研究剖面位于蘭州市黃河南岸西津村（36°01′1.1″N、103°44′50.8″E）（圖1），獲得總長416.2 m的連續(xù)第四紀黃土地層巖芯樣品，并通過磁性地層年代學手段，建立了2.2 Ma以來西津黃土鉆孔的可靠年代序列［18］。為獲得軌道尺度上連續(xù)的色度指標記錄數(shù)據(jù)，本項研究以1 m等間距對整個剖面進行了取樣，總共獲得417個色度指標樣品。

2.2 實驗分析

色度實驗應(yīng)用柯尼卡美能達公司生產(chǎn)的CM-700D型分光測色計進行了測量，整個測試過程在背景光源穩(wěn)定的條件下完成。詳細實驗步驟如下：①將全部樣品自然烘干后，研磨至200目以下。②在穩(wěn)定光源條件下，使用零校正盒CM-A182對分光測色計進行儀器顏色系統(tǒng)的零位校準。③首先稱取約0.5 g樣品放在載玻片上壓實、壓平；然后將載玻片放在測色計自帶的白色校正板上，移動載玻片，選擇三個表面平整區(qū)域連續(xù)測試三次，分別得到三組L*、a*和b*的數(shù)據(jù)結(jié)果；最后求得其平均值。上述實驗在蘭州大學西部環(huán)境教育部重點實驗室完成。L*，a*，b*體系是1976年由國際照明委員會（Commission Internationale De L’Eclairage，CIE）提出的一種均勻顏色描述體系，一般用來定量化描述樣品顏色的空間變化。L*值代表亮度，變化介于0～100之間（0表示黑色，100表示白色）；a*值代表紅度，變化于-60～60之間（-60代表綠色，60代表紅色）；b*值代表黃度，變化于-60～60之間（-60代表藍色，60代表黃色）［33］。

3 結(jié)果與分析

3.1 西津黃土色度記錄的氣候演化總體趨勢

通常L*受控于土壤中的有機質(zhì)和碳酸鈣含量，與區(qū)域有效降水量密切相關(guān)［24-25］，a*和b*則與土壤中的赤鐵礦和針鐵礦含量緊密相關(guān)，反映了沉積物形成時期的水熱組合狀況［25］。如圖2（a）所示，西津黃土L*值的變化范圍為71.86～81.39，平均值為78.86，變化幅度11.69%，其中黃土層L*平均值為79.63，古土壤層L*平均值為78.11；從整個序列來看，L*值具有高頻變化特征，整體變化趨勢不顯著，但間冰期時段呈現(xiàn)自下而上變小趨勢，變幅表現(xiàn)為階段性增大。L*指標揭示的氣候變化整體趨勢不顯著，這可能與蘭州的獨特位置和半干旱區(qū)的濕度條件有關(guān)。由于蘭州地區(qū)距離黃土物源區(qū)較近，相對于黃土高原東部地區(qū)來說，黃土中來自物源區(qū)的原生碳酸鈣所占比重相對更大，而對L*值影響較大的次生碳酸鈣（氣候作用下形成的）則相對較少；在第四紀時期全球持續(xù)降溫的影響下［圖2（d）］，全球蒸發(fā)水汽減少，對于降水主要依靠季風水汽來源的蘭州地區(qū)，在冰期時濕度條件進一步變差，氣候變的更趨干旱，生成的次生碳酸鈣更少，占比更低的次生碳酸鈣組分對L*值影響微弱，同時冰期時植被發(fā)育較差，黃土層中含量極低的有機質(zhì)對L*值影響甚微，從而導致L*指標無法敏感記錄當時的氣候變化。在間冰期時，氣候條件相對暖濕，次生碳酸鈣含量增加，同時植物生物量的增加也會引起土壤有機質(zhì)含量升高，二者共同影響L*值大小。另外，L*序列記錄的整體間冰期階段呈現(xiàn)一種逐漸變小趨勢［圖2（a）］，這可能主要是由于土壤有機質(zhì)含量的階段性增加所致，研究已表明，蘭州地區(qū)第四紀以來間冰期夏季風有階段性增強的趨勢［18］，較強夏季風會產(chǎn)生更多降水，使該區(qū)植被得到更好發(fā)育，從而提高了土壤中的有機質(zhì)含量；同時，西津黃土χfd%記錄［圖3（d）］也證實了濕度條件確實存在這種階段性改善的趨勢。

圖2 西津黃土-古土壤序列色度記錄隨深度變化（紅色虛線表示長期變化趨勢）Fig.2 The chromatic records of Xijin loess-paleosol sequence with the depth：L*for Xijin（a），a*for Xijin（b），b*for Xijin（c），and stacked deep-sea benthic foraminiferalδ18O［41］（d）（The red dotted line indicates the long-term change trend）

a*值變化范圍介于2.54～5.10之間，平均值為3.36，整體變幅超過50%，其中黃土層a*平均值為3.36，古土壤層a*平均值為3.90；a*變化表現(xiàn)為自下而上變幅先變大后變小的特征，在S4中達到了最大值，呈現(xiàn)為自下而上分階段趨于變小［圖2（b）］。從b*記錄的變化序列來看，b*值變化介于9.22～14.26之間，平均值為12.41，整體變幅為35.4%，其中黃土層b*平均值為12.30，古土壤層b*平均值為12.51，相對于a*值變化而言，而b*的變幅則更小，但變化趨勢卻更為顯著；然而，b*值自下而上與a*具有相似的變化趨勢［圖2（c）］，在整個剖面中不論是整體趨勢還是階段性變化特征，二者都具有較好的一致性，即隨深度由底向頂均表現(xiàn)為顯著階段性變小的整體趨勢，暗示二者的影響因子可能相似，且已有研究證實［27］，a*和b*具有強相關(guān)性，共同受控于相似的環(huán)境因素。

已有研究認為，a*和b*指標變化與土壤中的赤鐵礦和針鐵礦含量變化相關(guān)，反映了沉積物形成時期的水熱組合條件［30］，西津黃土2.2 Ma以來的a*和b*整體長期減小的趨勢，可能指示蘭州黃土中受氣候變化控制的赤鐵礦和針鐵礦含量日趨減小，揭示出這一地區(qū)水熱條件階段化趨于逐漸惡化的演化過程。基于蘭州地區(qū)植被演替的研究成果［39］，第四紀以來蘭州地區(qū)的植被類型經(jīng)歷了森林草原—草原—疏林草原—草原—森林草原—草原和荒漠草原的演替過程，呈現(xiàn)出一種在波動中階段性趨于總體變干的趨勢，西津黃土a*和b*指標記錄的減小趨勢同植被變化一樣，可能共同受到整個區(qū)域第四紀以來日趨冷干化的氣候演變過程的調(diào)控。此外，通過色度指標與反映全球溫度變化的深海氧同位素記錄曲線［圖2（d）］對比發(fā)現(xiàn)，二者具有較好的相似性趨勢，說明蘭州地區(qū)2.2 Ma以來的氣候冷干化過程，正是全球第四紀變冷過程在這一地區(qū)構(gòu)造尺度上的一致性響應(yīng)的記錄，來自陸地的孢粉［42-43］、磁化率和粒度［18］等記錄證據(jù)同樣揭示了這種相同的變化趨勢。

3.2 西津黃土揭示的氣候變化

不同地區(qū)的氣候環(huán)境受到全球性和區(qū)域性因素的共同作用，存在對不同調(diào)控因素反映靈敏度之間的差異，但總體來看，不同指標對重大的氣候事件反映一般具有較好的區(qū)域一致性和同步性。通過對西津黃土色度指標研究，并結(jié)合已有的磁化率和粒度資料［18］，本文研究表明，蘭州地區(qū)2.2 Ma以來至少敏感地響應(yīng)了1.24 Ma和0.43 Ma兩次重要氣候變化事件。

3.2.1 1.24 Ma的氣候變化事件

從L*、a*和b*三個指標隨時間變化［圖3（a）～（c）］來看，西津黃土氣候變化記錄在1.24 Ma左右由相對低頻低幅進入了高頻高幅變化階段，其中以a*曲線表現(xiàn)最為明顯，在1.24～0.43 Ma階段波動幅度達到48.46%。色度指標記錄從1.24 Ma開始出現(xiàn)較大幅度波動，指示蘭州地區(qū)氣候演變的冰期-間冰期旋回強度顯著增大，冰期氣候變的更冷干，間冰期則更暖濕。這與χfd%在1.24 Ma之后出現(xiàn)顯著的高幅波動一致，表明夏季風此時已強烈影響蘭州地區(qū)。同時，粒度指標冰期-間冰期尺度變幅在1.2 Ma也有所增大，但粒度的這種高幅波動卻從2.2 Ma以來一直存在［18］。通常χfd%和色度指標主要反映夏季風變化［2，24，44］，從整個西津黃土記錄序列演變分析（圖3），色度相對于粒度，與χfd%記錄的階段耦合性更優(yōu)。而黃土粒度指標則主要用于反映冬季風的變化［2］，粒度信號自2.2 Ma以來變幅一直較顯著［18］，指示此前強盛的冬季風已影響蘭州地區(qū)，這與黃土高原東部地區(qū)研究結(jié)果一致［2，46］。更值得注意的是，上述這三個指標在1.24 Ma均出現(xiàn)變幅的明顯增大，揭示出黃土高原西部地區(qū)冬、夏季風在此時發(fā)生同步增強。同樣，來自黃土高原東部地區(qū)洛川剖面的低頻磁化率變化曲線［45］［圖3（e）］，也在約1.24 Ma同時出現(xiàn)了從低振幅到高振幅的階段性演變特征，清楚地記錄了這次重要轉(zhuǎn)型事件。但是，這次氣候轉(zhuǎn)型事件在全球深海氧同位素變化記錄中卻并不顯著，因此，該事件可能指示的是相對區(qū)域性的氣候演變特征。

圖3 西津黃土-古土壤序列色度及χfd%與洛川黃土低頻磁化率和深海氧同位素記錄的比較Fig.3 Comparison of chroma and percentage frequency-dependent magnetic susceptibility record of Xijin loess-paleosoil sequence with low-frequency magnetic susceptibility of Luochuan loess and stacked deep-seaδ18O records：L*for Xijin（a），a*for Xijin（b），b*for Xijin（c），χfd%for Xijin［18］（d），χlf for Luochuan［45］（e），and stacked deep-sea benthic foraminiferalδ18O［41］（f）

黃土高原西部地區(qū)作為獨特的區(qū)域性地理單元，其氣候變化主要受到東亞季風的調(diào)控［18，44，47-48］，而研究表明東亞季風的演變又受到青藏高原階段性隆升的影響［49-52］，因而，黃土高原東部和西部地區(qū)季風在1.24 Ma左右同時增強，可能受到毗鄰的青藏高原強烈隆升的影響，而且這次隆升事件得到了大量證據(jù)支持。研究［53-54］證實，在1.2 Ma左右，昆侖山抬升，黃河切穿積石峽，青藏高原進一步隆起，昆黃運動開始，使青藏高原海拔高度達到3 000 m以上。昆侖山埡口地區(qū)地貌、構(gòu)造、沉積相、地層及古生物組合等多種資料的研究發(fā)現(xiàn)，同樣在1.1～1.2 Ma青藏高原開始發(fā)生強烈的構(gòu)造隆升，這次構(gòu)造活動結(jié)束后當?shù)睾０紊仙思s1 500 m［55-56］。而來自青藏高原東北緣東昆侖地區(qū)研究［57-58］證實，正是始于1.2 Ma的昆黃運動使得該區(qū)地形差異升降加劇，且形成了粗粒徑的沖洪積相礫石層沉積，并最終導致了兩山相隔水系和盆嶺相間的地貌格局形成。另外，柴達木盆地第四紀環(huán)境演變、構(gòu)造變形與青藏高原隆升關(guān)系的研究同樣揭示出，在1.38～1.1 Ma之間盆地經(jīng)歷了一次強烈的構(gòu)造隆升［59］。此外，因河流階地被認為是構(gòu)造抬升的直接證據(jù)，根據(jù)化隆盆地［60］、蘭州盆地［61］、渭河上游三陽川盆地［62］、湟水河谷［63］等高原東北部地區(qū)河流階地研究也發(fā)現(xiàn)，普遍在1.2 Ma發(fā)育了一級典型的河流階地，共同記錄了青藏高原這次強烈隆升事件。而當青藏高原隆升到一定高度后，會導致海陸熱力性質(zhì)差異增大，引起東亞地區(qū)的氣壓場和季風系統(tǒng)加強，使東亞冬、夏季風同時增強；同時，高原隆升所產(chǎn)生的地形效應(yīng)也會加強內(nèi)陸的干旱化，使西北干旱-半干旱區(qū)的干旱化加劇。

3.2.2 中布容氣候事件

通過蘭州西津黃土色度與χfd%曲線對比（圖3），發(fā)現(xiàn)黃土高原西部地區(qū)除了1.24 Ma記錄的氣候事件外，在0.43 Ma左右L*、a*和b*均同時開始出現(xiàn)2.2 Ma以來最顯著的減小趨勢，這一趨勢在a*和b*指標中表現(xiàn)尤為顯著，且在χfd%記錄［圖3（d）］中也有突出反映。在0.43 Ma之后，通過西津黃土的a*、b*及χfd%與深海氧同位素記錄的對比分析發(fā)現(xiàn)，在第四紀全球持續(xù)降溫的背景下，西津黃土這三個記錄指標共同揭示了一個顯著的冷干化演化過程。因此，在0.43 Ma的這次事件是黃土高原西部蘭州地區(qū)經(jīng)歷的一次重要的氣候轉(zhuǎn)型事件。

同樣，在六盤山以西黃土高原西部地區(qū)的靖遠黃土剖面，也同樣記錄這次發(fā)生在0.43 Ma左右的重要氣候事件，此后同樣揭示了黃土高原西部地區(qū)進一步干旱化的趨勢［64］。另外，來自六盤山以東洛川剖面和靈臺剖面的研究表明［45，65］，黃土高原東部地區(qū)第四紀氣候演變序列中也記錄了0.43 Ma的這次氣候事件，但其后的冷干化趨勢卻沒有黃土高原西部地區(qū)顯著。最近，通過黃土高原地區(qū)多個剖面的最新研究進一步表明，在0.43 Ma左右發(fā)生的這次事件，在整個黃土高原地區(qū)甚至全球均具有同步性［66］。從全球范圍來看，底棲有孔蟲氧同位素［67-68］、海表溫度和粉塵［69］等研究記錄中，都發(fā)現(xiàn)了這次0.43 Ma的中布容事件（The Mid-Brunhes Event，MBE），因而，黃土高原西部蘭州地區(qū)西津黃土剖面、黃土高原東部洛川和靈臺黃土剖面的記錄，正是中國黃土高原的不同區(qū)域，對這次全球范圍內(nèi)廣泛發(fā)生的中布容事件的同步響應(yīng)。

通過上述1.24 Ma和0.43 Ma的兩次氣候事件分析表明，黃土高原西部地區(qū)第四紀氣候演變，不僅受到了青藏高原第四紀構(gòu)造隆升過程的影響，而且也會受到全球尺度氣候變化的調(diào)控。

4 結(jié)論

本文通過對已建立可靠年代序列的蘭州西津黃土鉆孔剖面，進行取樣實驗分析，獲得了蘭州地區(qū)自2.2 Ma以來的黃土-古土壤沉積序列的色度指標記錄，結(jié)合該剖面的χfd%記錄和其他相關(guān)氣候記錄，初步得出以下幾點結(jié)論：

（1）自2.2 Ma以來，蘭州地區(qū)氣候演化整體呈現(xiàn)出一種階段性逐漸冷干化的趨勢，與第四紀全球持續(xù)降溫有關(guān)。

（2）相較粒度，色度與χfd%在整個剖面的階段性耦合性更好。黃土高原西部地區(qū)第四紀時期在1.24 Ma和0.43 Ma發(fā)生過兩次重要氣候事件。

（3）1.24 Ma事件后東亞冬季風和夏季風同時增強，可能由青藏高原隆升驅(qū)動；而0.43 Ma事件則是對全球中布容氣候轉(zhuǎn)型事件（MBE）的響應(yīng)，還揭示出其后發(fā)生了一個顯著且持續(xù)冷干化的氣候演化階段。因而，黃土高原西部地區(qū)第四紀氣候演變可能受青藏高原隆升和全球變冷的雙重調(diào)控，二者對不同氣候事件的影響不同。

謹以此文，紀念李吉均院士！

致謝：感謝蘭州大學資源環(huán)境學院張延廣和李想在實驗方面的幫助。