沙漠-黃土邊界帶沉積層有機(jī)質(zhì)的環(huán)境指示意義

孫 茹

(遼寧師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，遼寧 大連 116029)

1 引言

沙漠-黃土邊界帶位于我國東亞季風(fēng)邊緣區(qū)，是北方沙漠/黃土過渡帶和農(nóng)牧交錯帶的組成部分，是一個具有強(qiáng)烈過渡性質(zhì)的地帶。該地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，對環(huán)境變化非常敏感，是研究全球氣候變化的理想場所。毛烏素沙地全新統(tǒng)地層組合類型主要有兩種：一是地勢較高處的風(fēng)成砂/砂質(zhì)古土壤序列，二是地勢低洼處的湖沼相/泥炭層/風(fēng)成砂/砂質(zhì)古土壤序列，均是反映全新世氣候變化的良好信息載體[1]。學(xué)者以粒度、磁化率、孢粉、化學(xué)地球元素、有機(jī)質(zhì)等氣候代用指標(biāo)[2～6]，開展了大量的研究。但研究區(qū)域多集中在地勢較高處的風(fēng)成砂/砂質(zhì)古土壤序列[6～9]，而地勢低洼處的湖沼相/泥炭層/風(fēng)成砂/砂質(zhì)古土壤序列研究甚少。

LSW剖面位于沙地東南緣，由季節(jié)性積水洼地或封閉湖盆形成，堆積了末次冰消期以來的湖相沉積，選取的研究剖面發(fā)育良好的厚層泥炭。泥炭是植物殘?bào)w在氧氣不足的情況下由厭氧微生物緩慢分解而成，包含了地史時期的有機(jī)物。其作為良好的地質(zhì)檔案，對過去氣候和環(huán)境變化有敏感的響應(yīng)，而且泥炭地層堆積連續(xù)性好，具有高分辨率，環(huán)境指示意義明確，因而可以重建區(qū)域過去氣候變化以及為預(yù)測未來環(huán)境變化提供科學(xué)支撐。國內(nèi)外學(xué)者通過研究泥炭同位素、粒度、磁化率、地球化學(xué)元素、孢粉、有機(jī)碳、有機(jī)質(zhì)、腐殖化度等氣候代用指標(biāo)來獲得區(qū)域氣候環(huán)境變化情況，并且都取得了豐碩的成果[10～14]。為此，本文選取沙漠-黃土邊界帶LSW地區(qū)的泥炭沉積作為研究對象，探討有機(jī)質(zhì)作為沙漠-黃土邊界帶東南緣沉積物環(huán)境替代性指標(biāo)的可能。

2 樣品采集及實(shí)驗(yàn)方法

2.1 樣品采集

LSW剖面(37°43′37.70″N，108°59′58.69″E)位于陜西省榆林市(圖1)。剖面厚541 cm,未見底，該剖面共采集了116個常規(guī)樣品。根據(jù)地層巖性特征，剖面可分為7個階段，自下而上描述如下：

(1)541～511 cm：細(xì)砂層，較松散。

(2)511～400 cm：粘土-粉砂層，棕色，較緊實(shí)。

(3)400～372 cm：沙炭層。

(4)372～322 cm：泥炭層。346～372 cm的泥炭有機(jī)質(zhì)含量很高，與0～115 cm類似。

(5)322～115 cm：沙炭層，顏色淺。

(6)115～0 cm：泥炭層，植物殘?bào)w很多，顏色最深。

圖1 LSW剖面照片和巖性柱狀圖

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

有機(jī)質(zhì)分析：①先將自然風(fēng)干后的樣品研磨后放入105 ℃真空干燥箱中烘干至恒重，稱量并記錄樣品質(zhì)量；②將樣品在550 ℃馬弗爐中灼燒5 h以去除樣品中的有機(jī)質(zhì)，冷卻至室溫后稱量殘?jiān)|(zhì)量。樣品損失重量占樣品總重量的百分比即有機(jī)質(zhì)。

3 數(shù)據(jù)結(jié)果

LSW剖面沉積層有機(jī)質(zhì)含量較高，為46.05%～1.34%，平均值8.89%，變異系數(shù)0.98。不同沉積相，有機(jī)質(zhì)含量存在明顯的差異：剖面有機(jī)質(zhì)含量總體上泥炭層最大，含量范圍46.05%～6.75%，平均值19.12%；沙炭層次之，含量范圍7.6%～3.59%，平均值5.34%；粉砂層含量范圍為4.61%～1.6%，平均值2.99%；黏土層含量范圍為4.77%～1.87%，平均值2.68%；細(xì)砂層最小，含量范圍1.85%～1.34%，平均值1.61%。結(jié)果顯示，有機(jī)質(zhì)高值出現(xiàn)在泥炭層，低值出現(xiàn)在細(xì)砂層。對同一沉積相來說，泥炭發(fā)育程度不同，有機(jī)質(zhì)也存在差異：346～372 cm有機(jī)質(zhì)最大，范圍在46.05%～8.2%間，平均值為23.92%，在該層段，出現(xiàn)整個剖面最大值；0～115 cm有機(jī)質(zhì)含量，范圍為44.93%～9.02%，平均值19.96%，為次高值。

4 討論

沉積物中的有機(jī)質(zhì)是指埋藏于沉積物內(nèi)的生物經(jīng)過成巖作用或生物分解作用后遺留下來的產(chǎn)物。湖泊沉積物有機(jī)質(zhì)的多寡，反映了湖泊有機(jī)質(zhì)的輸入情況、湖泊自身生產(chǎn)力以及沉積物有機(jī)質(zhì)的保存能力[15]。 湖泊沉積物的有機(jī)質(zhì)包括陸源輸入的有機(jī)質(zhì)和湖泊內(nèi)的植物生產(chǎn)的有機(jī)質(zhì)。陸源輸入的有機(jī)質(zhì)包括該流域范圍內(nèi)的植物(濱岸植物、湖濱沼澤等)以及風(fēng)化周圍基巖中存在的有機(jī)質(zhì)，湖泊自生生產(chǎn)力、陸源植被生產(chǎn)力和入湖徑流的挾帶能力[16]，受流域內(nèi)的溫度和降水等氣候條件的影響，氣候條件也影響著湖泊有機(jī)質(zhì)的保存能力。一般認(rèn)為，氣候暖濕有利于水生植物和陸生植物的生長，形成較高的生物量，較大的入湖徑流將豐富的陸源有機(jī)質(zhì)帶入湖泊，使湖泊總有機(jī)生產(chǎn)力提高，同時，湖泊水位上升，形成缺氧的還原環(huán)境，大部分有機(jī)質(zhì)易被保存下來； 反之，冷干氣候環(huán)境下，不利于水生植物和陸生植物的生長，生物發(fā)育疲乏，降水量減少使湖泊水位降低，不易于形成有利于有機(jī)質(zhì)保存的還原環(huán)境，導(dǎo)致沉積物有機(jī)質(zhì)含量降低。而湖沼相沉積物有機(jī)質(zhì)主要來源于陸生植物、湖岸地帶的水生植物以及湖濱沼澤帶，指示著水熱組合條件良好，氣候非常適宜。在這一沉積環(huán)境中，氣候暖濕，湖水中浮游植物和湖盆周邊、湖岸帶植被茂盛，同時還原環(huán)境有利于沉積物的沉積，使有機(jī)質(zhì)含量增加；反之，氣候干冷，沉積物有機(jī)質(zhì)來源減少，保存能力降低，沉積物有機(jī)質(zhì)含量減少。對于風(fēng)成沉積物，研究表明：在干旱、半干旱地區(qū)，有機(jī)質(zhì)主要來源于植物，可以作為區(qū)域氣候條件下植被覆蓋度及生物量的替代性指標(biāo)，進(jìn)而揭示沉積物堆積時的氣候環(huán)境。一般來說，氣候暖濕時植被發(fā)育較好，沉積物有機(jī)質(zhì)含量較高；反之氣候干冷時植被生長較差，沉積物有機(jī)質(zhì)含量較低。

在LSW剖面風(fēng)成沉積物中，有機(jī)質(zhì)高值出現(xiàn)在粉砂層，低值出現(xiàn)在砂層，有機(jī)質(zhì)高值指示氣候干旱，風(fēng)沙活動劇烈；有機(jī)質(zhì)低值指示氣候濕潤，成壤作用增強(qiáng)。在湖泊沉積物中，有機(jī)質(zhì)低值指示氣候冷干，湖盆植被覆蓋低，反之，氣候溫暖濕潤，湖盆植被覆蓋高。

5 結(jié)論

(1)沙漠-黃土邊界帶全新世沉積物中，有機(jī)質(zhì)有機(jī)質(zhì)含量：泥炭層>沙炭層>粉砂層>黏土層>細(xì)砂層。泥炭發(fā)育程度不同，有機(jī)質(zhì)含量不同，以346～372 cm層段的泥炭發(fā)育最好，有機(jī)質(zhì)最高。

(2)LSW剖面的有機(jī)質(zhì)可作為沙地沉積物研究的代用指標(biāo)，有助于重建沙地古氣候。有機(jī)質(zhì)高值指示夏季風(fēng)強(qiáng)盛，化學(xué)風(fēng)化作用強(qiáng)，氣候溫暖濕潤；有機(jī)質(zhì)低值指示冬季風(fēng)強(qiáng)盛，化學(xué)風(fēng)化作用弱，氣候干燥寒冷。