中更新世安徽、廣西百色市土壤化學特征及其環境意義

在中國長江以南的廣大地區，有一系列以紅色和白色網格鑲嵌為特征的古土，被稱為紅網格。這是中國古代地層的一個重要特征，記錄了南方古環境變化的信息。紅點。分布范圍從南向桐城-淮河一線出發，經長江上游，向南延伸至嶺南山脈。東西邊界主要為杭州（州）嘉興湖（州）義（興）湖（州）安慶-淮河中后期，東至東南沿海海岸，東北至淮河以北，西至成都平原。估計分布面積為2.2.06km/2。由于年代學方面的限制,學術界曾對網紋紅土的形成時代不能達成共識.然而,近年來的年代地層學研究[3～6]使認識逐步趨于統一,可以確定中國南方最新一期的網紋紅土形成于中更新世的中期,基于磁性地層和釋光年代學數據的土壤和氣候地層學研究,可以將其與北方黃土-古土壤序列中的S4和S5對應.然而,對網紋紅土的形成過程及環境意義依然有不同認識.一些學者[1,7～10]認為網紋紅土中紅白網紋的形成與地下水的作用有關.多水而具明顯干濕交替的氣候環境導致地下水位的季節性升降,使紅土的氧化-還原、膨脹-收縮交替進行,為鐵的遷移提供了條件,從而形成網紋特征.然而,這種環境-水文條件在假潛育化土壤發育的地區均具備,是一種非地帶性的環境條件,而這些地區并沒有形成具類似網紋特征的紅土.中國南方同時代的網紋紅土的大面積分布也表明它具備地帶性土壤的特征.同時,多數地區的網紋紅土中缺乏干濕交替環境下土壤特有的Fe-Mn氧化-還原特征,也不易用上述過程來解釋.另一些學者認為土壤中植物根系吸收紅土中的鐵元素,使紅土中的某些部位貧鐵而形成白斑,但這種解釋具有一定的推測性,也不易從植物生理和植物地理的角度得到解釋.植物根系穿插所引起的土體氧化還原條件發生差異也被認為可能是形成網紋特征的原因.我們在研究工作中,對網紋與植物根系痕跡的關系進行過專門的觀察,發現多數網紋和植物根系看起來并沒有必然的聯系.也有學者認為網紋特征是繼承土壤母質中的礫石和不均質巖石風化的結果,或把網紋特征與冰川泥的特征相聯系.這些爭議表明,有必要對中國南方網紋紅土的形成過程和機制進行深入研究.該問題對認識中更新世南方地區的環境條件、恢復特征時期環境空間變化特征和南北方土壤-氣候地層學對比均有重要意義此外,不少網紋紅土剖面是重要的舊石器考古遺址,對其環境意義的研究可為考古學研究提供重要的環境背景認識.本文選擇位于北亞熱帶的安徽宣城剖面和南亞熱帶的廣西百色剖面,對兩地中更新世的網紋紅土進行研究.上述兩個地點均有可靠的年代學測定,并在古環境和考古學上有重要價值.宣城剖面的網紋紅土中、上部的母質為風塵堆積,下部的母質為河流相堆積.百色剖面網紋紅土的母質為河流階地堆積,沖積物母質中含有約800kaBP澳-亞隕石事件的玻璃隕石.本文主要基于土壤微形態學方法,并結合黏土礦物學和土壤化學的方法,試圖探討以下問題:(ⅰ)網紋紅土中紅色和白色網紋的形態學、化學和礦物學特征及其指示的土壤-地質過程;(ⅱ)網紋紅土所代表的成壤期(即中更新世時期)的氣候-環境特征及其與區域和全球環境的可能聯系.1網紅色體系的提出與應用宣城剖面位于宣城市向陽村(118°51′E,30°54′N)附近,所處地貌部位屬于長江支流——水陽江的二級階地.剖面總厚度為11m,從上到下依次可以分為四部分:厚約0.2m的現代土壤、約3.8m的下蜀黃土、約6.0m的網紋紅土層以及1.0m的砂礫石層.磁性地層研究揭示出網紋紅土形成于800kaBP以后,并可與中國北方黃土中從S4到S5的中更新世極端暖濕事件相對應.百色剖面位于百色市小梅村(106°42′E,23°46′N)附近,地貌部位屬于右江的第四級階地.剖面厚約8m,從上到下依次為:厚約0.2m的現代土壤、約0.7m的紅色黏土、約6.3m的網紋紅土,最下部為厚約0.8m分選較好的砂礫石層.在該階地上發現過大量石器和玻璃隕石.隕石事件發生于該河流階地仍然是河漫灘的時期,Ar/Ar年代學測定確定隕石的年代為800kaBP前后.而階地上的網紋紅土的發育必然發生于河漫灘抬升為階地之后,也證實網紋紅土必然形成于800kaBP以后.右江的其他三級階地上均有發育較強的土壤,但沒有網紋化的特征.根據上述年代學控制,結合土壤地層和氣候地層學原理,可以確定該四級階地上的網紋紅土與宣城剖面的網紋紅土應當是同時期的,發育于中更新世的中期.我們在野外對兩個剖面進行了系統的分層和描述,在不同的層位及其過渡部位采集了定向樣品,并磨制了6cm×8cm的微形態觀察片.為了研究紅色網紋和白色網紋的異同,我們分別采集了二者及其過渡處的微形態定向樣品和散樣.在古土壤的研究中,土壤微形態學是一項基本的、重要的研究方法.運用土壤微形態學方法能夠清晰地辨認出不同的成土過程所形成的成土特征,尤其在分辨成土事件的先后順序上具有其他方法不可替代的優勢.土壤中的黏粒膠膜是一種具有顯著環境意義的形態特征,尤其是在復合型古土壤的研究中,常常可以根據黏粒膠膜不同的組合形式來重建過去一系列的成壤事件以及相關的古環境事件[16～19].此外,土壤礦物的組合特征也是判斷土壤風化程度的良好指標.我們在顯微鏡下對宣城剖面的29塊、百色剖面的13塊微形態薄片進行了詳細的觀察,微形態術語采用Bullock等的系統,參考黃瑞采的中文譯法.對宣城和百色的兩組紅色網紋和白色網紋用自然沉降法提取黏粒組分(<2μm),在SHIMADZUXRF-1500順序式X射線熒光光譜儀上進行化學全分析,以比較紅色網紋和白色網紋在化學組成上的異同.我們將提取出的黏粒制作成定向片,在RigakuD/MAX2400型X射線衍射儀上進行了黏土礦物X射線衍射分析,以比較紅色網紋和白色網紋在黏土礦物組合以及風化程度上的異同.分析中,對氯化鎂飽和的黏土制備了無其他處理、經乙二醇處理和丙酮處理三種樣品進行X射線衍射分析;用氯化鉀飽和的黏土制備了4個薄片,分別經常溫、120℃,400℃和550℃處理后進行X射線衍射分析.2結果與討論2.1紅色電商紅色圖1.為能夠較好反映網紋紅土中紅、白網紋的特性我們重點對礦物組合特征、紅白網紋的過渡關系、空隙特征以及黏粒膠膜等進行研究.微形態觀測表明宣城和百色兩地的網紋紅土上部粗礦物組分中均以抗風化強度較大的石英或石英巖碎屑為主,未見到易風化的長石和云母類礦物,表明網紋紅土遭受了較強烈的化學風化作用.黏土礦物X射線衍射分析表明(圖1),紅色網紋和白色網紋的黏土礦物都以1:1型黏土高嶺石為主,含少量的蛭石和伊利石.這是熱帶-亞熱帶濕潤地區土壤典型的黏土礦物組合紅、白網紋的衍射曲線在4.16和2.69?處的衍射峰有較大差異,與紅色網紋相比,白色網紋的4.16?衍射峰非常微弱,而且不具有2.69?衍射峰,說明紅色網紋中針鐵礦的含量明顯高于白色網紋,并且紅色網紋中含赤鐵礦,而白色網紋中幾乎沒有.需要特別注意的是,在兩地所有的微形態薄片中,紅色網紋與白色網紋均呈漸變的過渡關系(圖2(a)),除了顏色的差異之外,二者的粗礦物組成和微結構完全相似.不少具完整形態的成土特征(如膠膜)一半處于白色網紋中,另一半處于紅色網紋中(圖2(b)).在高倍鏡下觀察,可見紅色網紋的紅色是鐵的氧化物顯示的顏色,是一種含鐵較高的基質,而白色網紋則由于缺少這種鐵的氧化物而呈白色或淡黃色色調呈漸變關系.土體中的空隙以面狀裂隙(planes)為主,此外還含有少量孔洞(vughs)和孔道(channels)白色網紋中粗大的面狀裂隙(直徑100～800μm)非常發育(圖2(c),(d)),在裂隙壁上覆蓋有一層棕紅色的鐵質黏粒膠膜.這種裂隙常常終止于紅、白網紋的交界處(圖2(d)),在紅色網紋中很少見.而且裂隙周圍的白色網紋常以裂隙為軸呈對稱狀分布,說明裂隙的形成先于白色網紋.網紋紅土中的黏粒膠膜比較發育,根據不同的顏色、結構和形態,可以將這些膠膜分為以下5種類型:(A)棕紅色,微層理極發育,強消光,厚約150～200μm,一般以新月狀或眉狀出現在紅色基質中(圖2(e),(f)),常被后生裂隙破壞;在白色網紋中這類膠膜由于鐵的淋失而退化,呈灰白色或灰黃色,且雙折射率降低,失去偏振光(圖2(b),(i)).(B)亮黃色,表面干凈光滑,強消光,不具微層理,厚約20～50μm,常分布在空隙周圍(圖2(e),(j));(C)暗紅棕色,不具微層理,消光較差,厚約20～50μm,分布于空隙壁上(圖2(e),(j));(D)黃褐色,中等消光,不具微層理,厚約20～50μm,沿空隙壁分布(圖2(g),(h));(E)紅棕色,不具微層理,中等消光,厚約10～20μm,沿空隙壁分布(圖2(g),(h)).在紅色網紋中可以明顯地看到C膠膜疊置于B膠膜上,B膠膜疊置于A膠膜上(圖2(e)),而D和E膠膜互層疊置于C膠膜上(圖2(g));同時在白色網紋中發現,B和C膠膜互層出現在作為白色網紋對稱軸的裂隙壁上(圖2(j)).百色與宣城的紅、白網紋黏粒化學全分析(圖3)表明,兩地的紅色網紋與白色網紋除Fe2O3和Al2O3外,其他成分幾乎沒有區別,而紅、白網紋在Fe2O3的含量上有顯著的差異,其在紅色網紋中的含量超過白色網紋的10倍以上.這與前述的黏土礦物分析和微形態觀測結果是一致的.2.2互聯網時代的土體錳沉積特征上述兩地的網紋紅土雖然發育于不同的母質但紅、白網紋基質的一致性和顏色的逐漸過渡關系說明二者在發生顏色分異之前具有同一種基質.這種特征既不能用礫石和不均質巖石風化成因來解釋也不能用冰川成因來解釋.植物根系通過生理或空隙作用引起的去鐵過程顯然也難以解釋上述兩地網紋的形成.一方面,微形態觀察沒有發現白色網紋和植物根系有任何關系.雖然過去有關于網紋與植物根系相聯系的報道[8,9,11～13],但我們的研究顯然表明這種聯系不是必需的.白色網紋常以一種粗大的面狀裂隙為軸呈對稱狀分布,這種裂隙是土壤典型的裂隙,而不是根孔.另一方面,即便根系吸收了較多的鐵,其必然在根系所在部位留下痕跡,而我們的研究沒有發現這樣的痕跡.微形態特征、化學分析和黏土礦物組合均反映了紅、白網紋之間的差異在于紅色網紋基質中含有大量鐵化合物,而白色網紋中缺少這種鐵化合物.這些特征都說明白色網紋的出現是由于原始的紅色基質中的鐵以溶液的形式被淋失遷移,在鐵嚴重淋失的部位便形成了白色網紋.而比白色網紋形成晚的各種黏粒膠膜的疊置關系,指示了環境條件交替變化特征.網紋紅土中不同種類的黏粒膠膜出現在同一個薄片(同一層位)中,顯示了黏粒在不同的成土條件下多階段的淀積過程,也說明網紋紅土不是在單一氣候條件下形成的,而是經歷了多階段的氣候波動,因而是一種復合型的古土壤.根據紅、白網紋、各期膠膜和裂隙的相互位置關系,我們判斷它們形成的先后順序為:含有A類型黏粒膠膜和裂隙的紅色基質最先形成,隨后在裂隙周圍形成白色網紋最后又依次形成B,C,D,E四種類型的黏粒膠膜.由此可以將網紋紅土的發育過程劃分為以下三個時期.(ⅰ)紅色基質的形成期微形態學觀察揭示出,無論是白色還是紅色網紋,其發育過程中均經歷了較強的化學風化過程,表現為粗顆粒中以石英等抗風化強度較大的礦物顆粒為主,易風化的長石、云母類礦物基本全部被風化過色的黏粒膠膜(A類型,圖2(e),(f))均是濕熱環境下土壤程破壞.以1:1型的高嶺石為主的黏土礦物組合、紅的典型特征.該類型的膠膜在形態發生學上一般被認為是濕熱常綠闊葉森林植被特有的產物.黏土礦物組合中沒有發現三水鋁石,甚至有蛭石等少量2:1型黏土礦物,表明網紋紅土沒有經歷熱帶濕潤地區的磚紅壤化過程.土體中大量A類型黏粒膠膜的存在也排除了磚紅壤化過程的可能.這些特征說明,上述兩地網紋紅土的形成處于中等偏強的化學風化階段,而網紋特征的形成不必經歷極端強烈的化學風化過程.從這些特征可以確定,紅色基質的形成時期,土壤具有典型紅壤的特征,指示了當時長江以南廣大地區具高溫多雨的氣候條件和以常綠闊葉林為主的植被景觀.因為長江中下游地區目前的地帶性土壤為黃棕壤,當地網紋紅土紅色基質發育時期的氣候也應該比現今熱.(ⅱ)白色網紋的形成期從前述的特征可以確定,白色網紋是原始的紅色基質中的鐵以溶液的形式被淋失遷移而形成.那么,隨之而來的問題是:怎樣的氣候環境和土壤水文條件可以導致土體上述去鐵過程而形成網紋特征?在土壤形成的表生條件下,鐵在三種情況下可以溶液的形式遷移:(1)在干濕交替的環境和土壤水文條件下,濕季土體或局部的水飽和使鐵還原為二價離子,能夠以溶液的形式遷移.但在干季,隨著土壤含水量的減少,二價鐵很快被氧化為三價鐵而在土體內淀積,形成鐵錳質斑點、結核、包膜或假包膜等,這是假潛育化過程的典型特征.(2)在土壤持續水飽和的水文條件下,土體游離的鐵均被還原為二價態可以在土壤內部移動,這是潛育土的典型特征(3)在寒溫帶濕潤條件下的針葉林土壤,由于大量有機酸的存在,土壤有機質和鐵形成螯合物,能夠以溶液的形式遷移,這是典型的土壤灰化過程,為灰化土所特有.網紋紅土白色網紋的去鐵作用顯然和上述三種情況都有本質的區別.首先,上述兩地網紋紅土的一個突出特點是缺乏假潛育化特征,表明被還原為二價的鐵離子全部進入地下水而未在土體內部保留此外,假潛育化過程是一種非地帶性的土壤過程,與局部的地形和水文條件有關,而中國南方大面積中更新世網紋紅土的分布表現為一種強烈的地帶性特征,與一般的假潛育化有很大的不同.土壤的假潛育化過程顯然不能解釋網紋的形成特征.潛育化土壤因常年近于水飽和狀態,其水文條件一般與低洼的地形和土壤排水不良相聯系,更無法形成網紋特征土體中鐵錳特征的缺乏正說明網紋紅土的形成過程中,土壤具有良好的排水條件.網紋紅土分布于中國南方濕熱地區,也沒有灰化土的任何特征,顯然和土壤的灰化過程沒有聯系.從上述討論可以看出,白色網紋的去鐵作用與一般土壤氧化-還原過程的本質區別在于兩點:一是被還原的鐵幾乎全部遷移出土體而進入地下水,二是這種過程發生于大面積的南方地區,具有鮮明的地帶性特征,說明網紋紅土是特定氣候條件的產物白色網紋中鐵的大量淋失,表明降水充沛,土壤的淋濾作用格外強烈,這說明即便在降水較少的季節,土壤的氣候排水量也大于零,足以把風化過程游離的鐵排入地下水,否則就會形成干濕交替的土壤水文條件下所特有的鐵錳特征.這說明,當時中國南方廣大地區在冬季也有充沛的降水,諸如百色和宣城地區的階地地形和下部以沖積沙礫為主的母質,為土壤排水提供了良好的條件.微形態研究發現,白色網紋常以一種粗大的面狀裂隙為軸呈對稱狀分布,而這種裂隙在紅色網紋中極少見,說明裂隙為鐵的遷移提供了便利的條件,土壤中的水主要從裂隙中排走,同時帶走了裂隙周圍的鐵元素,從而形成以裂隙為軸呈對稱狀分布的白色網紋.(ⅲ)后期的土壤發育期在白色網紋形成以后,網紋紅土又經歷了一系列成壤過程,表現為偏黃色的黏粒膠膜(膠膜B,D)和偏紅色的黏粒膠膜(膠膜C,E)交替出現,疊置于白色網紋之上.土壤中紅色的膠膜出現在較濕熱的熱帶-亞熱帶氣候條件下,而黃色的膠膜出現在溫帶濕潤氣候條件下;二者的交替表明白色網紋形成之后,中國南方的氣候發生了一系列的冷暖變化.但是,后期的土壤過程沒有從根本上改變網紋紅土的網紋特征,偏紅色膠膜的形成環境只是一種相對的濕潤,沒有達到白色網紋形成時的濕潤程度.網紋特征是在紅色土壤基質的基礎上形成的,與充沛的降水密切相關.野外觀察發現百色剖面中的網紋層比宣城剖面中的網紋層厚,且在前者中白色網紋所占的比例略高于后者,說明百色剖面中原始的紅色土壤基質較宣城的深厚,網紋化程度更強,反映了當時百色具有比宣城更適合土壤發育的、更為濕潤的氣候條件.同時,微形態研究發現,百色網紋紅土中的黏粒膠膜的含量和發育程度都比宣城的高.與宣城相比,百色網紋紅土中的A類型的黏粒膠膜更厚,微層理更為發育,消光更強,形態上更趨向于完美的新月形,表明百色具有更為茂盛的植被和更為濕潤的氣候條件.另外,鏡下觀察發現,與宣城相比,百色剖面中的紅色網紋的鐵質化程度更高,顏色更紅,富含鐵質的細粒物質的含量較高,對粗顆粒覆蓋較為嚴重,說明在紅色土壤基質的發育時期,百色剖面遭受了更強的化學風化作用.由此可見,百色和宣城的網紋紅土雖然都處于中等偏強的化學風化階段,但前者遭受了更強的化學風化作用,成土作用更強.在網紋紅土的形成時期,百色比宣城具有更為茂盛的植被景觀和更為濕熱的氣候條件.2.3區域土壤的生長和區域氣候從上述分析可以看出,白色網紋的形成時期,是網紋紅土整個發育過程中最為濕潤的時期.其形成的環境條件有兩個最突出的特點,一是氣候沒有特別明顯的干季,即便在相對的“干季”,土壤的氣候排水量也大于零;二是,土壤有良好的排水條件.前者是導致網紋紅土在中國南方具有鮮明的地帶性特點的主要原因,因而它代表了一個特殊的氣候期;而良好的排水條件則是因為網紋紅土的下部多數為礫石層,透水性良好.我們在南方的野外考察發現,即便一些地區的網紋紅土以中更新世以來的風塵堆積或其他物質為部分母質,下部也為礫石層.根據現有對含網紋紅土的典型剖面(包括上伏沉積物)的年代地層學和土壤地層學研究,網紋紅土顯然形成于中更新世時期,與中國北方的S4-S5一段地層相對應,包含了S4,S5-1,S5-2和S5-3四個主要土壤單元及L5和S5內部三層土壤之間的黃土層在時代上相當于深海氧同位素(MIS)11-15期的范圍.其中,L5內部也含有發育較弱的土壤層.在該段地層的主要土壤單元中,以S5-1古土壤(MIS13期)最為發育,S4和S5-3次之,S5-2最弱.我們認為白色網紋形成時期應當主要與S5-1發育的時期對應但也不排除S4和S5-3發育期白色網紋也能形成.由于研究區地處典型的東亞季風控制區,白色網紋所反映的干季不突出的特征,說明冬季降水也比較充沛,代表了東亞夏季風環流一個極端的強盛期.從北方黃土-古土壤序列中土壤發育的相對強度來看,在整個第四紀2.6Ma以來,可能只有該時期東亞夏季風環流達到如此的強度.白色網紋形成以后的氣候波動期,與北方同時代黃土反映的氣候波動是一致的,只是由于不同的成壤期的產物疊置在同一土壤剖面中,無法詳細區分各自的效應.網紋紅土反映的東亞季風的極端強盛期在北半球具有普遍意義.貝加爾湖沉積物的研究發現在MIS15a-11期間湖中的生物為連續的間冰期的生物組合,西伯利亞地區缺少大面積的山地冰川,亞洲內陸的生物量在MIS15a-13期間一直較高,MIS12和MIS11之間的氣候對比明顯比晚更新世的冰期-間冰期的氣候對比弱.地中海腐質泥層和赤道印度洋有孔蟲氧同位素分別顯示了中更新世時期異常強盛的非洲季風和印度洋季風.這些均說明,網紋紅土代表的夏季風異常強盛事件具有全球性意義.但是,最近EPICA的研究成果顯示,MIS13期間南半球的溫度可能比其他間冰期冷,與中國和北半球其他地區的情況相反.如此強盛的季風是如何形成的呢?Prell等表明在過去150000年中印度和非洲附近的古氣候記錄顯示了四次季風強盛期,它們出現在間冰期,與最大歲差和北半球夏季最大太陽輻射相一致.通過模擬試驗,他們認為北半球太陽輻射的增加可以增強海陸熱力差異對比,產生較強的東亞夏季風.但是這個結論是否能夠被外推運用于從MIS11到15的間冰期呢?顯然是不行的.深海記錄顯示MIS13和15要比后來的從MIS11到1的間冰期具有更多的冰量而且EPICA的冰芯記錄顯示在這兩個間冰期南半球的溫度要比其他間冰期低.MIS13和15期間的CO2濃度也比其他間冰期要低.因此白色網紋和S4、S5-1、S5-3所