陳淑娥,樊雙虎,劉秀花,董漢文,陸 璐,王莉麗

(長安大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院,陜西西安710054)

0 引言

榆林地區(qū)礦產(chǎn)資源豐富,集煤、油、氣、鹽四大資源于一地,現(xiàn)已成為中國重要的能源化工基地。該區(qū)地處毛烏素沙漠南緣與陜北黃土高原丘陵溝壑區(qū)接壤地帶,降水稀少,大部分為沙地所覆蓋,自然生態(tài)環(huán)境比較脆弱,對氣候環(huán)境變化及人類活動的響應(yīng)敏感,任何不合理的人類活動,都將通過與自然過程的耦合作用而被逐級放大。因此,如何協(xié)調(diào)好資源與環(huán)境保護(hù)之間的關(guān)系,已成為一個(gè)不容忽視的問題。

地處該區(qū)的統(tǒng)萬城建成于公元419年,距今已有近1 600 a的歷史,曾是大夏國都城,后來被黃沙吞沒[1-2]。那么在榆林這樣一個(gè)生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)進(jìn)行資源開發(fā),會不會重蹈統(tǒng)萬城的覆轍?該區(qū)的自然環(huán)境如何變遷?弄清這些問題對于正確處理人與自然的關(guān)系,對于該區(qū)的環(huán)境保護(hù)與生態(tài)建設(shè)具有極其重要的意義。

全新世是人類文明迅速發(fā)展的時(shí)期,氣候波動變化[3-9],其氣候、環(huán)境的變遷與人類文明和進(jìn)步密切聯(lián)系,這些已引起愈來愈多學(xué)者的興趣和重視[10-16]。由于該區(qū)特殊的地理位置,其沉積物敏感地記錄了區(qū)域及全球的氣候、環(huán)境變化信息,所以,開展全新世的氣候和環(huán)境變化研究,對于闡明最近10 000 a來季風(fēng)氣候變化和人類活動影響問題具有重要意義。筆者試圖從陜西榆林風(fēng)沙灘地沉積物的磁化率和粒度分析結(jié)果來探討該區(qū)全新世氣候和環(huán)境的變遷及人地關(guān)系演變,為陜北能源化工基地規(guī)劃建設(shè)以及政府科學(xué)決策提供環(huán)境保護(hù)的依據(jù)。

1 剖面選擇及研究方法

研究剖面選擇在榆林大保當(dāng)鎮(zhèn)野雞河村,榆林至神木公路約50 km處的沙灘地(38°38′51.3″N, 110°1′34.5″E),海拔1 280 m(圖1)。剖面為一開挖的斷面,采樣厚度305 cm,共采綜合分析樣品48件,并在130、170、280 cm處采釋光測年樣品。剖面描述見表1。

本研究的磁化率在陜西師范大學(xué)旅游與環(huán)境學(xué)院實(shí)驗(yàn)室用MS-2B磁化率儀(Bartington公司生產(chǎn))測定。將自然風(fēng)干土樣在瑪瑙研缽磨碎(以不損傷自然顆粒為度),而后稱取10 g裝入特制的樣品盒進(jìn)行高頻和低頻磁性測量,重復(fù)測量3次,取其平均值為最后結(jié)果。

圖1 研究區(qū)域地理位置Fig.1 G eographic Setting of the Studied Area

表1 陜西榆林大保當(dāng)全新世剖面描述Tab.1 Description of the Holocene Profile in Dabaodang Site of Yulin,Shaanxi Province

粒度分析送中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所測試,用Mastersizer-S型激光粒度儀測量,儀器的測量范圍為0.02～2 000μm。粒度測量前,對樣品進(jìn)行了較為徹底的前處理,以除去樣品中有機(jī)質(zhì)、成壤作用過程中產(chǎn)生的碳酸鹽和次生黏土礦物等,然后用超聲波清洗儀振蕩加以分散。

釋光測年樣品送中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所測試,130、170、280 cm深度的釋光年代分別為(3 400±50)a BP、(4 500±120)a BP和(11 600± 260)a BP。

2 粒度參數(shù)及磁化率變化特征

沉積物粒度的變化受搬運(yùn)介質(zhì)、搬運(yùn)方式、沉積環(huán)境和氣候等因素控制[17],所以,沉積物的粒度參數(shù)是反映沉積物來源和沉積環(huán)境的重要指標(biāo)。野外對剖面沉積物的宏觀形態(tài)特征觀測描述在粒度曲線上得到了印證[18-20]。研究剖面以風(fēng)成沙沉積為主,風(fēng)成交錯(cuò)層理發(fā)育。近11 500 a以來,粒度小于5μm的黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%～8.2%,5～63μm的粉沙質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 6%～24.6%,63～125μm的極細(xì)沙質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.5%～21.1%;125～250μm的細(xì)沙質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25.1%～40.5%,250～500μm的中沙質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16.9%～41.9%,大于500μm的粗沙質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%～17.3%,沒有大于1 000μm的極粗沙。說明該區(qū)全新世以來,以極細(xì)沙—中沙、粗沙為主。

各粒度參數(shù)的計(jì)算表明(圖2～6),眾數(shù)粒徑(峰)分布范圍為150～350μm,中值粒徑分布范圍為114～290μm,平均粒徑分布范圍為147～310μm;標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.4～2.2Φ,大部分為1.4～1.6Φ,分選中等;偏度為0.3～0.5,顯示為正偏;峰態(tài)為1.1～2.0,表明峰態(tài)為窄峰,說明風(fēng)力作用過程較久,風(fēng)成沙子成熟度較高。標(biāo)準(zhǔn)偏差與偏度呈正相關(guān)關(guān)系,而與峰態(tài)呈反相關(guān)(圖2),相關(guān)系數(shù)分別為0.36和-0.91。

從圖3中可以看出,粒度分布范圍一般為0.5～ 893.4μm,粒度總體分布為正偏態(tài)非對稱分布。粒度頻率曲線表現(xiàn)為雙峰態(tài),主次組分含量相差懸殊,主組分特別粗,而次組分含量非常少,也較細(xì)。主組分的眾數(shù)粒徑(峰)一般為150～350μm的細(xì)沙—中沙粒級,分布曲線以眾數(shù)粒度為軸對稱或略有粗偏態(tài),分選較好,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%～7.5%,已有研究表明此組分是近地表的躍移組分[21];次組分的頻率曲線為一個(gè)平緩低矮的尾端,眾數(shù)粒徑一般為5～15μm,分選差,質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于1%,為大氣中的懸移組分。粒度頻率曲線與毛烏素沙地的現(xiàn)代風(fēng)成沙[21]、古風(fēng)沙[22]和榆林沙質(zhì)黃土[23]的曲線特征一致。

圖2 陜西榆林大保當(dāng)剖面沉積物粒度參數(shù)相關(guān)關(guān)系Fig.2 Correlativity of Particle-size Parameters in Dabaodang Profile of Yulin,Shaanxi Province

圖3 陜西榆林大保當(dāng)剖面沉積物粒度頻率曲線Fig.3 Particle-size Frequency Curves in Dabaodang Profile of Yulin,Shaanxi Province

圖4 陜西榆林大保當(dāng)剖面沉積物粒度累積曲線Fig.4 Particle-size Cumulative Curves in Dabaodang Profile of Yulin,Shaanxi Province

圖5 陜西榆林大保當(dāng)?shù)貙悠拭婧土６葏?shù)曲線Fig.5 Pedostratigraphic Subdivisions and Changes of Particle-size Parameters in Dabaodang Profile of Yulin,Shaanxi Province

圖6 陜西榆林大保當(dāng)剖面磁化率和粒度變化曲線Fig.6 Magnetic Susceptibility and Particle-size Distributions in Dabaodang Profile of Yulin,Shaanxi Province

樣品的粒度累積曲線的主體由2個(gè)線段組成(圖4),他們分別對應(yīng)于頻率曲線上的2個(gè)組分,每個(gè)線段的長度與組分的粒度范圍有關(guān),它的斜率則取決于組分的峰度,即分選程度(圖5)。其中,80%～90%以躍移組分為主,斜率大,分選相對較好;細(xì)粒段反映懸移組分,分選相對較差,質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般不超過20%。

磁化率是一種能較好地反映氣候變化的代用指標(biāo),既能反映土壤成壤強(qiáng)度,又能反映夏季風(fēng)強(qiáng)度,在黃土區(qū)得到了廣泛應(yīng)用[11,24-27],但在沙漠區(qū)的應(yīng)用尚不多。研究剖面全新世的磁化率為(14.0～52.6)×10-8cm3/kg(圖6),明顯比全新世黃土中的磁化率低,而且0～170 cm的磁化率明顯比下部170～305 cm的磁化率低。這可能與風(fēng)成沙是由石英顆粒組成有關(guān),它是低磁性甚至是無磁性礦物,磁化率值自然很低;而下部的沙質(zhì)古土壤層的磁化率值比上部風(fēng)成沙層要高,主要因?yàn)樵诔扇肋^程中,由于淋溶與成壤作用,促成了鐵磁性顆粒的富集,因而具有相對很高的磁化率。從圖6可以看出,磁化率與黏粒、粉沙曲線具有很好的一致性。

3 全新世氣候和環(huán)境的變遷

沙漠—黃土過渡帶風(fēng)成沉積中沙粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化可作為指示沙漠進(jìn)退的一個(gè)代用指標(biāo)[28]。研究剖面的沙粒,特別是中、粗沙含量增加,說明氣候干旱,風(fēng)沙作用強(qiáng)烈,沙漠?dāng)U張。在非極端干旱的沙地堆積區(qū),風(fēng)成沙丘或風(fēng)成沙—黃土堆積序列的沉積相變化往往是氣候變化的指示[29]。從圖5、6可以看出,剖面260～280 cm深度磁化率、黏粒和粉沙含量逐漸增高,中值粒徑和平均粒徑值減小,代表新仙女木事件(Younger Dryas)之后,全新世早期(11 500～10 000 a BP)的全球氣候逐漸轉(zhuǎn)暖;在10 000～4 500 a BP黏土—粉沙的含量明顯比上部多,磁化率也較高,地層中有較多的白色鈣質(zhì)菌絲,蟲孔、根孔發(fā)育,與黃土中的古土壤特點(diǎn)類似[8,11,27]。表明全新世中期氣候濕潤,植被覆蓋度增大,風(fēng)沙活動減弱,在沙丘沉積中發(fā)育沙質(zhì)弱古土壤。

2005年陜北吳堡縣一帶發(fā)現(xiàn)了6處4 500年前的大型史前人類聚落遺址,出現(xiàn)中國最大的龍山文化陶窯。2009年3月,榆林市第三次中國文物普查第二隊(duì)在綏德縣趙家砭鄉(xiāng)發(fā)現(xiàn)一處新石器時(shí)代(龍山文化)石城遺址。石城地表散落大量陶片,以灰陶為主,也系龍山文化類型的遺物。所以,筆者研究剖面190～200 cm深度采到的灰色陶片,應(yīng)屬龍山文化早期的產(chǎn)物。

全新世中期的4 500～3 000 a BP期間,磁化率、黏土、粉沙和極細(xì)沙明顯比上部高,說明氣候以溫和濕潤為主。但在4 200～4 000 a BP,中、粗沙表現(xiàn)為明顯的峰值,磁化率也降低,表明氣候干旱,風(fēng)沙活動強(qiáng)烈,粗顆粒成分突然增大,說明沙地?cái)U(kuò)張。全新世中期的這次氣候干旱期間,中國不同地區(qū)的降雨有明顯異常表現(xiàn),南北方降水普遍減少[30-36],在渭河流域S0古土壤中出現(xiàn)黃土夾層[8,37-38],同時(shí)期熱帶非洲、南歐、中東、印度、韓國、北美洲中部大陸的高分辨率古氣候記錄一致表明,此次氣候事件造成了整個(gè)北半球中低緯度地區(qū)的干旱[12,39-42]。

近3 000 a以來,磁化率、黏粒、粉沙和極細(xì)沙明顯比下部低,中值粒徑和平均粒徑高,粒度的標(biāo)準(zhǔn)偏差降低,分選性變好,說明近3 000 a來,氣候變干旱,風(fēng)沙作用強(qiáng)烈,地表沉積物顯著變粗。在剖面中出現(xiàn)5個(gè)中、粗沙含量增加的峰值,分別在0、20、50、70、100 cm處,粒度大于250μm的中、粗沙質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別達(dá)到 46.4%、53.6%、47.7%、54.7%、58.2%。表明近3 000 a來,氣候波動頻繁,有5次沙漠的擴(kuò)張,時(shí)間分別為2 600 a BP、1 800 a BP、1 300 a BP、500 a BP和現(xiàn)代。渭河流域黃土剖面中也表現(xiàn)為從大約3 100 a BP開始季風(fēng)格局發(fā)生變化,氣候向著干旱化發(fā)展,全新世的成壤期被黃土堆積期所取代;氣候干旱化和水土生物資源退化,造成河水?dāng)嗔?、沙塵暴頻繁發(fā)生、草原游牧民族南侵、嚴(yán)重饑荒、社會動蕩和商周之際朝代更替[43]。但近3 000 a的氣候頻繁波動在黃土記錄中表現(xiàn)不明顯,可能與黃土堆積速率相對慢、黃土高原的全新世地層受人類活動影響較大有關(guān)。

1 800 a BP和1 300 a BP的干旱化氣候在古里雅冰芯[44-45]、五大湖附近的沼澤沉積[46]中也有記錄。其中,剖面30～40 cm深度附近細(xì)沙質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加,高達(dá)56.2%,粉沙、黏土也明顯增加,磁化率增加,為24.1×10-8cm3/kg。說明在700～1 000 a BP左右,東南季風(fēng)強(qiáng)盛,氣候較為溫暖潮濕。這是距今較近的一個(gè)幾百年尺度的顯著暖期,歐洲稱中世紀(jì)暖期[47],在中國則表現(xiàn)為隋唐暖期[48-50]。榆林北部的金雞灘、刀兔海子在隋唐時(shí)期均為大湖,其后日漸萎縮,金雞灘在宋以后涸竭[51]。關(guān)中渭河流域與涇河流域,唐代中期氣候濕潤,降水豐富,大洪水災(zāi)害與特大洪水災(zāi)害發(fā)生很頻繁[52]。

在剖面20 cm深度附近,粗沙呈明顯增加趨勢,磁化率呈減少趨勢,這說明近500年來降水量減少,氣候變干旱,與明清小冰期[48,53]的時(shí)間相一致。那時(shí)北半球中緯度地區(qū)年平均氣溫的30 a平均值,約比20世紀(jì)中、后期的暖期低1.0℃左右,北半球高緯度及南極地區(qū)可能低1.5～2.0℃。在中國明清時(shí)代的小冰期曾引起大范圍的饑饉和嚴(yán)重的社會動亂,引發(fā)朝代的更替[54]。歷史上榆林一直處于農(nóng)耕民族與游牧民族勢力進(jìn)退消長的過程[55]。魏晉南北朝、元朝和明清時(shí)期,游牧民族的南下與當(dāng)時(shí)氣候的冷干有關(guān)。而在唐宋時(shí)期,氣候溫暖濕潤,陜北農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)規(guī)模擴(kuò)大,北方游牧民族的南進(jìn)處于間歇期。

在剖面10 cm深度細(xì)沙、黏土含量增加呈峰值;近地表則剛好相反,這說明近200 a來氣候濕潤,近代氣候又處于干旱期。陜北地區(qū)近530 a來歷史旱澇及氣溫變化顯示,15世紀(jì)末至17世紀(jì)初陜北地區(qū)處于一個(gè)干旱階段;17世紀(jì)中期至18世紀(jì)中期處于雨澇階段;19世紀(jì)初至今又處于干旱階段[56];與研究剖面的粒度和磁化率反應(yīng)的氣候變化基本一致。

由此可見,該區(qū)氣候的變化,不僅具有鮮明的區(qū)域性特征,同時(shí)也具有全球的一致性。從本研究亦可看出,榆林北部在2 000 a前就是沙漠環(huán)境,與統(tǒng)萬城遺址考古發(fā)現(xiàn)[2,57]一致。其環(huán)境的惡化是自然和人為因素共同作用的結(jié)果。明清時(shí)期,特別是晚清時(shí)期,在干冷的氣候背景和人類活動加劇的共同影響下,人類的破壞成為陜北生態(tài)植被惡化的主導(dǎo)因素。

4 結(jié)語

榆林大堡當(dāng)全新世地層剖面的粒度、磁化率呈現(xiàn)波動變化,反映了全新世氣候的冷暖干濕波動變化。全新世早期(11 500～10 000 a BP)隨著全球氣候逐漸轉(zhuǎn)暖,剖面中磁化率、黏粒和粉沙含量逐漸增高;全新世中期(10 000～4 500 a BP),氣候濕潤,植被覆蓋度增大,風(fēng)沙活動減弱,在沙丘沉積中發(fā)育沙質(zhì)弱古土壤。全新世中期后段(4 500～3 000 a BP)期間,氣候以溫和濕潤為主,但在(4 200～4 000 a BP)出現(xiàn)一個(gè)氣候干旱事件,風(fēng)沙活動強(qiáng)烈。近3 000 a以來,榆林地區(qū)氣候波動頻繁,出現(xiàn)5次沙漠?dāng)U張。

榆林風(fēng)沙灘地磁化率和粒度參數(shù)的變化特征,充分說明榆林地區(qū)全新世氣候和環(huán)境以自然環(huán)境的演變?yōu)橹?人類活動的不合理干預(yù)自然環(huán)境,導(dǎo)致該地生態(tài)生態(tài)環(huán)境的迅速惡化,尤其是近代人為因素對環(huán)境的影響起著重要作用,證明人與環(huán)境和諧是一個(gè)不容違背的自然法則。對當(dāng)今榆林能源重化工基地建設(shè)過程中可能出現(xiàn)的亂采亂伐、過度開采、破壞植被、空氣污染、污染地下水資源,以及浪費(fèi)造成的地下水短缺等問題,要有足夠的認(rèn)識和防范,必要時(shí)還應(yīng)以地方立法加以規(guī)范,正確處理經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)的辨證關(guān)系,實(shí)現(xiàn)自然資源開發(fā)與自然環(huán)境保護(hù)相協(xié)調(diào)。

成文中得到陜西師范大學(xué)黃春長教授的細(xì)心審閱,并提出了寶貴的修改意見;陜西師范大學(xué)旅游與環(huán)境學(xué)院在磁化率測量中給予很大支持,中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所在粒度分析和釋光測年方面給予很大幫助,在此一并致謝。

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