浅谈黄土剖面中缓效钾的生物-地球化学特征及其古气候环境意义

后勤部长

摘要：分析了黄土剖面中缓效钾的生物-地球化学特征，认为黄土-古土壤序列中缓效钾的形成既受到地质大循环的控制，又受到了地区生物小循环的影响作用；通过对磁化率与缓效钾的含量进行相关分析，结果表明缓效钾的形成与东亚古夏季风变化有密切关系，比传统的替代性指标磁化率更能反映古气候环境变化过程中次一级的气候波动事件，是一种新的反映东亚夏季风变化的替代性指标。?
　　关键词：缓效钾；磁化率；夏季风变化；古气候环境? 　　1672-1683（2010）06-0018-03?
　　Characteristics of Slowly Available K Biogeochemistry in the Loess Section ?and its Paleoclimatic Environment Significance?
　　WU Li-jie,SHI Jian-sheng,YE Hao,BI Zhi-wEi,SUN Yan-min,GUO Jiao,DONG Qiu-yao?
　　(The Institute of Hydrogeology and Environmental Geology,CAGS,Shijiazhuang 050061,China)?
　　Abstract:This paper by analyzing characteristics of slowly available K biogeochemistry in the loess section,considers that the formation of slowly available K in the loess-paleosol sequence is not only controlled by geological cycle,but affected by biological cycle.The correlation of both susceptibility and the content of slowly available K indicate that the formation of slowly available K in the loess is affinitive to the change of the East Asian summer monsoon.Contrasting with traditional substitute index(as soil susceptibility),slowly available K,which could be able to reflect the more minute fluctuation affair of the paleoclimate,is a new substitute index reflecting the change of the East Asian summer monsoon.?
　　Key words: slowly available K;susceptibility;summer monsoon;the paleoclimate environment?
　　 我国西北的黄土是重建第四纪古气候古环境演化历史的理想的信息载体之一，它完整地记录了约260万年的古气候信息［1］。迄今为止，研究者建立了许多的古气候环境变化的替代性指标，如磁化率［2］、粒度［3］、碳酸钙［4］和高温烧失量［5］等，并通过这些环境替代性指标对黄土与古气候环境变化进行了深入的研究与报道、取得了非凡的成就。
　　以往的研究成果主要集中在黄土-古土壤序列的物理或化学方面，较少涉及到生物地球化学领域。钾素属于大量营养元素，作物需要的量大，是黄土中具有鲜明的生物活动特征的元素，不仅在黄土搬运堆积初期受到地质大循环的影响，而且积极参与了后期的生物地球化学成壤过程。如，饶文波研究认为速效钾可以表征YYT事件在黄土中的记录［6］。除此之外，关于黄土剖面中钾素形态以及对古气候变化指示意义的研究很少。因此，尝试着开展黄土中缓效钾的生物地球化学特征研究是一项对研究古气候环境变化很有意义的工作。?
　　1 研究材料与方法
　　采样剖面位于陇东黄土高原地区长武塬将军村附近（N35°17′,E107°38′），采样剖面厚度约为5?44 m（表1）。本次采样工作主要以2 cm的间距在剖面上进行高密度采样，共采集210个样本，待样品在自然条件下风干后进行实验。
　　黄土剖面中缓效钾测定法参照执行NY/T 889-2004；磁化率参数采用Barington MS2磁化仪进行低频质量磁化率的测定，每一个样品测量6次，取其平均值。?
　　2.1 土壤中缓效钾的生物-地球化学特征
　　土壤中钾素根据化学形态可分为水溶性钾、交换性钾、非交换性钾和结构钾；根据对植物的有效性分为速效钾（水溶性钾和交换性钾）、缓效钾（非交换性钾）和无效钾（结构钾）［7］。土壤中缓效钾（非交换性钾）指镶嵌在某些2∶1型黏土矿物（如伊利石、蒙脱石、蛭石和流泥石等）结晶层之间所固定的钾，缓慢地被释放到土壤溶液中［8］。无效钾可以经过缓慢风化转化为缓效钾，缓效钾经过风化可以转变为速效钾，速效钾可以直接被植物吸收利用。从各钾素在土壤中含量来看，无效钾?缓效钾＞速效钾［7］；从其对作物有效性来看，?速效钾＞缓效钾?无效钾［7］。?
　　2.2 黄土剖面中缓效钾的古气候指示意义
　　黄土-古土壤中钾素来源单一，钾源应来源于黄土母质——风尘的堆积，钾汇在于钾素的经风化侵蚀、径流流失或者生物系统内流转与迁出。因此，黄土体系与其他体系之间钾素的循环交换机理相对较为简单，而钾素在黄土体系内部的生物地球化学转化、分异、迁出和循环显得复杂得多。
　　缓效钾的生物-地球化学特征决定了其在黄土剖面中含量的分布变化主要受到风化成壤以及生物作用有关。在冬季风较强的堆积期，黄土受到外界环境干扰以及生物作用较弱，无效钾难以经过有效的风化作用大量地转化为缓效钾（黄土剖面上无效钾约占全钾的94％，是缓效钾的最主要来源），不利于缓效钾的形成，其含量会较低。然而，在夏季风较强的成壤期，黄土受到外界环境的强烈风化作用有利于无效钾向着缓效钾的转变；当然，也有利于缓效钾向速效钾转化、从而引起速效钾被植物吸收利用或流失，土壤中速效钾的减少促进了化学平衡向着更多的缓效钾和速效钾的形成，由于速效钾含量不足缓效钾含量的1/10（约占7?84％），并且极易流失，对于环境变化的信息应更多地保存在较为稳定的缓效钾中。因此，可以认为黄土剖面中缓效钾的含量与分布主要是受到东亚季风气候的影响，能够反映古气候环境变迁。?
　　2.3 黄土剖面中缓效钾的古气候信息记录?
　　2.3.1 黄土剖面中缓效钾的含量与分布特征
　　整个黄土剖面上缓效钾的平均含量约为1 166 ppm，变化范围为743～1 800 ppm。缓效钾的最低含量发现存在于黄土层L.1，其值约为743 ppm，该黄土层中缓效钾平均含量约为946 ppm；最高含量的缓效钾出现在古土壤层S.0(黑垆土层)，为1 800 ppm，该古土壤层中缓效钾的平均含量约为?1 483 ppm（表2）。其他过渡性土壤层中缓效钾含量变化都在其间；总体特征是古土壤中缓效钾含量要比黄土层中缓效钾含量要高。这也说明，缓效钾的含量与分布特点应该与黄土剖面上古土壤的发育形成过程有密切关系。
?表2 黄土剖面中缓效钾的含量与分布Table 2 The content and distribution of slowly available K in the loess section
地 层
　　缓效钾含量/ppm最大值最小值平均值
　　表土耕作层(TS)1 5521 3861 503
　　现代黄土(L.0)1 5851 3611 465
　　古土壤(S.0)1 8001 2001 483
　　过渡性古土壤（S.?0-1）1 2508311 003
　　过渡性黄土（L.?1-0）1 019843932
　　黄土（L.1）1 139743946
　　过渡性古土壤（S.?1-0）1 4591 0421 2652.3.2 黄土剖面中缓效钾与磁化率的关系
　　黄土－古土壤序列的磁化率是公认地［2］反映东亚古夏季风变化的良好替代性指标（主要反映黄土-古土壤序列的成壤强弱程度）。通过对黄土剖面中磁化率与缓效钾的含量进行相关性分析（图1）表明，缓效钾的含量与磁化率有非常显着性的高度相关性（?r??2=0?629 4，?P?＜0?01），说明了缓效钾的形成与黄土风化成壤作用密切相关，其形成过程应受到了黄土-古土壤的成壤作用，是能够反映东亚古夏季风变化的。?图1 黄土剖面中磁化率与缓效钾含量的相关性分析
　　Fig.1 The correlation discussion of the susceptibility and content of slowly available K in the loess section
　　2.3.3 黄土剖面中缓效钾的古气候信息记录
　　由于缓效钾所具有的生物－地球化学特征，不仅受到风化成壤作用，而且积极参与到生物活动中。其堆积与形成既受到地质大循环的控制（风尘堆积），更受到了区域生物小循环的影响作用（钾素是重要的生源元素）。缓效钾应比磁化率（仅反映成壤的强弱程度）更能体现古气候环境的变迁。
　　磁化率与缓效钾的含量所绘制的环境图谱（图2）表明，两个替代性指标的峰谷波动变化具有高度地一致性，高值代表着古土壤发育，低值为黄土堆积；然而，在次一级的气候波动事件上，磁化率对古气候信息的反映表现得远不如缓效钾真实和细致，缓效钾的含量表现出频繁地波动变化。这也说明，缓效钾作为新的东亚夏季风的环境替代性指标确实要比传统的磁化率具有明显的优越性，分辨率更高。
　　通过缓效钾环境图谱（图2）所反映的气候波动变化，可以认为：晚更新世末期以来（剖面底部光释光测年约为3?5万年），陇东长武塬地区的古气候环境变化大致地经历了较温湿→干冷→暖湿→较暖湿。无论在干冷期间还是暖湿期间，缓效钾充分地指示了夏季风与冬季风之间仍然产生过频繁地交替与转变。
　　图2 黄土剖面上磁化率与缓效钾变化
　　Fig.2 The change of the susceptibility and content of slowly available K in the loess section
　　?3 结论
　　缓效钾所具有的生物-地球化学特征决定了其在参与地质大循环和生物小循环过程中，记录了我国西北黄土地区的东亚古夏季风变化的丰富信息。与磁化率相比，缓效钾对古气候环境变化更为敏感与真实，是一种分辨率更高的夏季风变化的环境替代性指标。?
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　　第8卷 第6期?2010年12月南水北调与水利科技?South-to-NorthWater Transfersand Water Science & TechnologyVol.8No.6?Dec.2010

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