黄土与地球系统——李希霍芬对黄土研究的贡献及对地球系统科学研究的现实意义

李希霍芬是19世纪德国著名的地质学家,对欧洲和中国黄土的研究工作,以及后来的黄土研究有着深刻影响,其学术思想在地球系统科学研究的时代依然有重要的现实意义。文章简要回顾了李希霍芬对黄土研究的贡献,并探讨这些贡献与黄土研究在地球系统科学研究中的现实意义。从李希霍芬时代到今天,黄土作为全球宝贵的地球系统演化的历史记录,在揭示地球岩石圈、水圈、大气圈、冰冻圈、生物圈及宇宙事件对地球系统的影响发挥了重要作用,并在未来地球系统科学研究时代有旺盛的生命力。

多元地球化学指标指示的32-9kaB．P.罗布泊地区环境及其对全球变化的响应

对位于新疆罗布泊地区罗北洼地的CK-2钻孔柱样,自距顶0.94m到10.35m部分,以5cm间距采样,6个样的质谱-铀系法年龄为32～9kaB.P.,用仪器-化学分析法得到了样品中Na、K、Ca、Mg、Fe、Cu、Hg、Zn、Mn、Sr、As、Pb、P、Cl和TOC共15种元素的含量。通过对元素含量变化和主成分序列分析,探讨了罗布泊地区在32～9kaB.P.期间,经历的从末次盛冰期(阶段Ⅰ)、暖干期(阶段Ⅱ)、末次冰期晚期(阶段Ⅲ),到全新世早期(阶段Ⅳ)的不同程度冷湿与暖干的变化阶段。与格陵兰冰芯(GISP2)和深海沉积物氧同位素序列对比结果表明,罗布泊地区经历了MIS3晚期、MIS2和早MIS1早期。在罗布泊环境演化序列中也出现了发生在北大西洋冰漂碎屑的Heinrich事件(H3、H2和H1)和新仙女木(YD)事件,以及快速回暖的D/O事件(IS4、IS3、IS2和IS1)。这表明高纬度的大气环流影响到中纬度西风带的强度、相位和位移,制约了我国西北干旱化地区气候环境变化的格局。为此,罗布泊地区的湖相沉积环境不仅记录了受到西风带、青藏高原隆升以及远离东亚和南亚季风影响所具有区域性的冷湿与暖干的水热配置特点,并且还具有全球变化的印迹。

全新世环境考古研究进展

环境考古研究是国际上的热点问题之一,尤其是针对全新世以来的研究.以往的研究主要集中在气候突变事件对新石器文化的影响、人类对环境变迁的调整与适应、人类对于环境的影响与干预以及史前农业与气候环境的相关等方面.研究结果表明:极端气候事件的确对人类文化与农业文明产生了深远影响,但是人类也一定程度上对气候变迁做出了调整与响应.尽管在很长时间内,人类处于被动角色,但是随着时间延续,人与自然间关系也发生重大变动,逐步演变为人类对于自然的强烈影响与干预.目前各国科学家对此两个问题的讨论已经逐步摆脱定性阶段,开始向定量化方向发展.孢粉、磁化率、有机质等代用指标的运用,使得这一领域具有了更为广阔的前景和生命力.史前农业的研究牵涉的内容较为复杂,包括农业起源、农业传播以及农业发展过程中的诸多问题,它们与气候以及人类活动的关系一直是环境考古学家努力探索的方向,至今该领域的研究仍然存在很大争论和分歧.

神农架大九湖15.753kaB.P.以来的孢粉记录和环境演变

根据对大九湖297cm厚的泥炭地层10个AMS^(14)C年龄的测定以及148块孢粉样品的分析,发现每块样品的孢粉(浓度)含量都很高,植物种类繁多,分属于137(科)属,可划分为6个孢粉组合带,植被类型演替大体为含少量常绿树种的针阔叶混交林—含常绿阔叶树种的落叶阔叶林—常绿落叶阔叶林—含常绿阔叶树种的落叶阔叶林—含少量常绿树种的针阔叶混交林。孢粉带Ⅰ(15.753~11.280kaB.P.)记录了该区域晚冰期及其向全新世过渡时期冷暖波动频繁的气候条件,其中亚带Ⅰ-1(15.753~15.549kaB.P.),Ⅰ-3(14.936~14.505kaB.P.)和Ⅰ-5(12.655~11.280kaB.P.)可能分别对应最老仙女木期、老仙女木和新仙女木冷期,而亚带Ⅰ-2(15.549~14.936kaB.P.)和Ⅰ-4(14.505~12.655kaB.P.)分别对应博令和阿勒罗德暖期。孢粉带Ⅱ(11.280~9.218kaB.P.)代表了由晚冰期冷湿气候向全新世温暖气候转换的早全新世缓慢升温的过渡时期。孢粉带Ⅲ(9.218~7.530kaB.P.)代表中全新世前期的气温波动上升期,7.7kaB.P.前后达到最高温。孢粉带Ⅳ(7.530~4.051kaB.P.)代表中全新世适宜期,水热配置条件最佳。孢粉带Ⅴ(4.051~0.911kaB.P.)体现晚全新世温干的气候。孢粉带Ⅵ(0.911~0kaB.P)反映了大九湖温凉稍湿的气候。

新疆罗北洼地湖相沉积物有机碳同位素的变化序列及其古环境意义

测定了新疆罗布泊地区湖相沉积物CK-2钻孔样品的总有机碳含量(TOC)及其同位素组成、碳酸盐含量和C/N比值等环境代用指标,以及石膏矿物的质谱-铀系年龄。测试结果表明,20~9kaB.P.期间沉积物δ13Corg.在-23.4‰^-16.1‰之间波动且阶段性明显,与TOC呈现良好的相关关系,整体变化趋势同南极Dome C冰芯中记录的全球大气CO2浓度一致;C/N比值表明有机碳来源主要是陆生高等植物。因此大气CO2浓度变化是影响20~9kaB.P.期间罗布泊湖相沉积物δ13Corg.值变化的主导因素,周围山体上C3/C4植物相对生物量的变化则是另一重要因素。依据δ13Corg.的变化序列将此时间段湖区古环境的演化分成6个阶段:20.0~14.1kaB.P.期间受到末次盛冰期的影响,气温偏低,湖水丰沛;14.1~13.3kaB.P.是一个气候不稳定期,冷暖波动较频繁,但以暖为趋势;13.3~12.8kaB.P.期间经历了一段冷期,于12.8kaB.P.结束了末次冰期,随后气候开始转暖至11.8kaB.P.;其后气温再次变冷并维持到10kaB.P.;最后从10kaB.P.进入全新世暖期。δ13Corg.序列明显向偏负方向变化,表明该地区变暖的趋势相当明显。罗布泊地区日益干旱化是全球气候变化的结果,尤其是受到全球CO2浓度的不断升高所制约。

甘肃秦安糜子湾剖面中新世风尘堆积的磁性地层学研究

文章对西部黄土高原糜子湾黄土-古土壤剖面进行了磁性地层学研究。该剖面厚度为164.4m,记录了15个正磁极性段和15个负磁极性段,可与标准极性表中从C5r.3r到C5En之间的极性带对比。根据极性界限用平均沉积速率外推,得到该剖面顶界年龄为约11.6MaB.P.,底界年龄为约18.5MaB.P.。糜子湾剖面位于已发表的QAⅠ中新世黄土剖面以东约30km,两剖面相同时代的地层在岩性地层结构和磁化率曲线波动上具有高度的一致性,表明中新世黄土-古土壤序列与第四纪黄土-古土壤序列一样,地层在空间上有很好的可对比性。文章的结果为从空间角度研究中新世环境变化行为提供了新剖面的年代地层框架。

洛南黄土有机碳同位素组成及其与洛川、西峰黄土对比

以往黄上-古土壤碳同位素的研究主要集中在东弧季风控制的干旱-半干旱黄土高原中北部地区，而对于秦岭南部暖温带季风性半湿润气候区黄土-古土壤序列有机碳同位素的研究鲜有报道。对比两种气候条件下的黄土有机质碳同位素组成可更广泛和深入地认识黄土碳同位素所指示的生态环境变化。为此，本研究选取了位于秦岭南麓的洛南上白川、刘湾两剖面，剖面厚度分别为7．4m和10m，以20cm间距采集上白川剖面38个样品，刘湾剖面51个样品。采用高温灼烧氧化法对全部样品有机质碳同位素组成进行测定，并将结果与黄土高原中部洛川和西峰剖面有机质碳同位素进行了对比。结果表明：上白川剖面有机碳同位素（δ13Corg）的变化范围为-24．43‰～-21．30‰，刘湾剖面的变化范围为-24．70‰～-20．52‰，洛川剖面的变化范围为-23．37‰～-18．72‰，西峰剖面的变化范围为-23．68‰～-19．47‰。末次问冰期位于半湿润地区的上白川和刘湾剖面有机碳同位素峰值较半干旱地区洛川、西峰剖面偏负1‰～2‰，即上白川和刘湾剖面有机碳同位素峰值分别较洛川剖面的峰值偏负1．8‰和1．9‰，较西峰剖面的峰值偏负1．3‰和1．4‰。因此，该区的植被覆盖应是以C，植物为主的C3和C4混合草原植被类型；从整体上来看，洛南削面古土壤层碳同位素较相邻黄土层的碳同位素偏正，因此，古土壤形成时期C4植被相对比例增加。末次间冰期洛南上白川和刘湾剖面有机碳同位素峰值较洛川、西峰剖面的峰值偏负1‰多，表明受东亚季风控制的半干旱-半湿润的黄土区，暖季节降水对C4／C1植被相对比例增加的趋势和幅度均具有明显的影响，主要表现在暖季节降水的增加有利于C4植被相对比例的增高，同时降水的季节性分布和／或降水最的增多影响土壤有机碳同位索所记录的C。植被相对比例及其增加幅度。

黄土高原中部7-2Ma期间古植被变化的分子化石证据--以赵家川剖面为例

植物叶蜡正构烷烃组分能够在地质体中长久保存,并记录历史时期植被变化的信息。本研究通过对黄土高原中部董志塬西峰地区赵家川剖面古土壤中正构烷烃组分的分析,讨论7～2Ma期间黄土高原植被变化的植物叶蜡组分变化特征及其对气候变化的响应。结果表明:从7.0Ma至3.4Ma,正构烷烃C31/C27和C31/C29比值处于相对低值的波动范围,范围分别为0.5～1.9和0.6～1.3,表明该时期以木本植物占优势的生态格局;在3.4Ma前后,古土壤中保存的古植被叶蜡正构烷烃组分的C31/C27和C31/C29比值有一个明显的增加,分别从0.8变化到2.9,从0.7变化至1.6,即古生态系统中草本植物的相对比例突然增加;从3.4Ma至2.0Ma,正构烷烃C31/C27和C31/C29比值处于相对高值的波动范围,范围分别为1.7～3.3和1.1～1.6,指示该时期木本植物减少,草本植物增加的生态格局。我们推测这个生态系统的变化可能响应晚新生代3.5Ma左右的中国内陆干旱化,并形成了自此以后黄土高原塬面以草原或森林草原为主的自然生态格局。

MIS 3阶段以来沙漠／黄土过渡区植被演替及其对气候变化的响应

选择沙漠/黄土过渡带姬塬、和林格尔两个地点的黄土-古土壤剖面开展较高分辨率花粉记录研究,重建MIS 3以来植被演替及其对气候变化的响应。黄土高原北部MIS 3阶段以来植被经历了4个主要阶段:MIS 3阶段早-中期气候较温湿,植被为疏林草原类型;MIS 3晚期-末次盛冰期为荒漠草原植被类型;末次冰消期为干草原植被类型;全新世高温期为草甸草原植被类型。沙漠/黄土过渡区MIS 3阶段以来植被演替显示,增温阶段和高温期有助于草原植被发育和植被盖度的增加,同时,全新世高温期有利于植物多样性增加。

人工神经网络在相对湿度预测中的应用研究

相对湿度环境是农业生产监测与预测的重要内容,关系到植物的生长状况、多种病害的生态防治和灌溉措施的调节。针对相对湿度变化规律相当复杂,影响因素间非线性程度相当高,为了提高相对湿度预测精度,提出一种基于BP人工神经网络的相对湿度预测模型。该模型采用气象要素(日照时数、降水量、最小温度、平均温度和最大温度)实测数据作为神经网络的输入样本,并根据试验观测资料对模型进行了检验。结果表明:利用此模型分别对1987-1998年和1999-2000年陵水地区月平均相对湿度进行模拟和预测,相对湿度拟合值与实测值的相对误差为0.21%,相对湿度预测值与实测值的相对误差为0.28%。改进的BP人工神经网络能准确地捕捉相对湿度的变化趋势。运用BP人工神经网络方法进行相对湿度的研究,方法简洁,结果直观易懂,同时也为其他区域相对湿度研究提供借鉴。

2.5Ma以来黄土稳定同位素记录的植被及夏季风变化

洛川剖面2.5Ma以来有机碳同位素组成显示δ13 C值的变化范围为-18.7%～-23.5‰;剖面有机碳同位素变化可分为3个阶段,均与磁化率曲线对应且呈现一致的冰期-间冰期波动。表明研究区第四纪以来主要为C3植物为主的C3、C4混合草原植被类型;黄土序列有机碳同位素δ13 C值对应磁化率曲线在冰期—间冰期尺度上较好地记录了夏季风强度变化;与段家坡和渭南剖面有机碳结果对比显示,2.5Ma以来3个剖面在构造尺度上均出现了两次明显的转变。

晚上新世以来菲律宾海盆XT4孔黏土矿物特征及其古环境意义

菲律宾海是典型风尘汇聚区,菲律宾海远离吕宋岛的深海沉积物是重建构造尺度亚洲风尘演化历史的良好载体。选取菲律宾海盆XT4孔沉积物开展了黏土矿物研究,并结合前人研究成果,在明确该孔黏土矿物来源的基础上,探讨了晚上新世以来亚洲风尘的演化历史及其可能的影响机制。菲律宾海盆XT4孔黏土矿物以伊利石为主,平均含量为39%,蒙脱石含量次之,平均为28%,绿泥石平均含量为18%,高岭石平均含量为15%。XT4孔黏土矿物组成符合亚洲大陆风尘与周边火山岛弧的二端元混合模型特征,其中蒙脱石主要为周边火山岛弧物质贡献,而伊利石、绿泥石和高岭石主要是亚洲风尘贡献。晚上新世以来XT4孔的伊利石/蒙脱石比值表现为阶段性变化,主要反映了北半球高纬冰川的扩张导致亚洲中纬度地区干旱化加剧。此外,东亚夏季风降雨强弱和空间分布的变化也是源区风尘释放的重要环境因子之一。本文结果初步揭示了晚上新世以来中国干旱-半干旱地区的环境演化历程,有助于深入理解多圈层相互作用下的风尘循环及其生物地球化学效应。

黄土高原中部黄土沉积有机质记录特征及C／N指示意义

C/N比值在湖泊沉积物研究中广泛用于反映有机质的来源;在冰缘冻土区、热带和地中海地区主要用于指示有机质的分解程度。然而,有关C/N比值在中国黄土沉积中指示意义的研究目前讨论的较少。选取位于干旱—半干旱区的黄土高原中部西峰和洛川竖井剖面为研究对象,对该区末次间冰期以来土壤有机碳及全氮的时间分布规律进行了初步研究,结果表明研究剖面磁化率、TOC和TN含量及C/N比值的垂直分布趋势一致,古土壤层的TOC和TN含量及C/N比值相对黄土层偏高,而TN含量值在整个序列均在0.03%～0.05%的低值范围,波动很小。因此,初步认为C/N比值在中国黄土高原地区主要响应上覆植被TOC输入的多少,即C/N比值在干旱—半干旱的黄土沉积序列更多地指示上覆植物生物量的大小。

根据地质记录恢复渐新世和中新世不同时期环境空间特征及其意义

已有工作对地质环境指标空间分布特征的研究揭示出,我国的环境在新生代期间经历了从近于东西向的带状格局向与现今相似的非带状格局的转变,代表了东亚地区重大的环境变化,但对这一转变的时间、空间变化的详细过程还缺少深入的认识。越来越多的证据显示,渐新世/中新世之交和中新世可能是这一环境变化最为关键的时期,因而有必要对渐新世和中新世内部不同时期的环境格局进行更详细的研究。近十年来,大量新的研究工作积累了更多的资料和证据,为进一步研究上述问题提供了新的可能。文章根据已有文献资料,对有明确环境意义和较可靠年代控制的地质记录进行了重新整理和分类,对渐新世和中新世不同时期的环境格局进行了详细的考察。研究显示,以内陆干旱为基本特征的非带状环境格局至少出现于中新世早期,与我国北方风尘堆积出现的时代具有一致性。

未来全球气候变暖情景下华东地区极端降水变化的数值模拟研究

将公用气候系统模式与区域气候模式单向嵌套(CCSM3-RegCM3),分别对1950—1999年和2000—2099年进行大气温室气体中等排放情景(A1B)下中国区域高分辨率连续数值模拟试验,以分析其对我国华东降水量时空变化的模拟能力,探讨未来华东地区极端降水的可能变化。与CRU、CMAP实际降水观测及NCEP再分析资料驱动的RegCM3模拟结果的对比显示,模式系统较好地重现了我国华东降水水平分布、日变化以及极端降水指数变化特征。在此基础上,分析了A1B情景下21世纪中期和后期降水以及东亚夏季风的可能变化。(1)未来中国长江中下游及其以北地区降水普遍增加,以南沿海地区降水相对变化不明显甚至减少,21世纪末期相对21世纪中期更为明显;(2)极端降水指数显示未来长江中下游及其以北地区极端降水增加10%～15%,干旱程度减弱,而南部沿海地区小范围极端降水减少,最大持续无雨期天数增加最大可达30%;(3)未来东亚夏季风偏强,尤其是西南气流加强,致使夏季风明显北推,这是导致长江中下游及其以北地区降水显著增加的主要原因。

鹤庆钻孔沉积物总有机碳、氮含量测定的前处理方法及其环境意义

湖泊沉积物中的总有机碳含量(TOC)、总有机氮含量(TN)和碳氮比值(C/N)已被广泛应用于第四纪湖泊古环境研究中。对湖泊沉积物样品进行TOC和TN测定前,首先要有效去除沉积物中的无机碳酸盐,同时较好地保留有机质组分,才能使实验结果较准确地反映古气候环境的变化。选取鹤庆钻孔不同深度的不同岩性样品,分别进行粒度、盐酸浓度、洗除残留酸方法等对去除碳酸盐和总有机碳测定结果影响的前处理条件实验,根据测得的TOC、TN和C/N,结合总无机碳酸盐含量(TIC),确定了鹤庆钻孔沉积物有机碳含量测定的前处理方法:室温条件下,将磨得足够细(无需过筛处理)的样品与足量浓度为2mol/L盐酸充分反应24小时,期间超声震荡3次,采用离心加速沉淀的方法清洗酸处理样品至中性,烘干,研磨均匀上机测定。结果显示,该流程可有效去除沉积物中的无机碳酸盐,测得的TOC、TN数值具有很好的稳定性和可重复性。在此基础上测定了鹤庆钻孔沉积物样品的TOC、C/N和TIC,它们间存在很好的正相关关系,指示了西南季风强度的变化。

长江中游荆江流域环境演变及两湖平原盆地形成过程

通过区域地质调查资料和地球卫星遥感解译技术对长江中游荆江流域及两湖平原盆地进行环境演变及形成过程的综合研究,揭示了华中地块在全球新构造运动中发生的拉分运动对地表过程的影响,阐明了流域水系和区域环境及平原盆地的同步演化关系,探讨了山-盆-原-江-湖-河耦合系统及环境演化的地球动力学机制。

有机氧同位素分馏作用研究进展

植物有机质的氧同位素分馏机制较为复杂,受着多种因素的影响,限制了其在农业、生态学和古环境方面的广泛应用。本文探讨了植物有机质中氧元素的来源、氧同位素分馏机制及影响因素,以期有助于有机氧同位素的应用研究。

不同抽提方法比较黄土-古土壤类脂物中正构烷烃的分布特征

通过对陕西洛南刘湾剖面黄土-古土壤类脂物正构烷烃组分进行超声波和加速溶剂萃取方法比较发现：在增加振荡频率（100 Hz）的条件下,对3个相同质量的同一表土样品分别超声提取1、2、3遍和采用有机溶剂浸泡过夜在较低振荡频率（60 Hz）条件下超声抽提3遍获取的正构烷烃组分分布相同,相对丰度差异较小;刘湾剖面7个古土壤样品超声波溶剂萃取获得的正构烷烃组分相对丰度较低,且随深度增加,呈现逐渐降低的趋势;超声波溶剂萃取的两个样品碳优势指数（CPI）分别为5.4和4.6,碳同位素值分别为-31.80‰和-30.52‰;加速溶剂萃取的相同样品CPI值分别为5.3和4.3,碳同位素值分别为-31.46‰和-30.56‰。两种方法萃取的土壤正构烷烃组分分布相同;但加速溶剂萃取的正构烷烃相对丰度是超声波溶剂萃取的0.9~1.5倍。结果表明超声波溶剂萃取的次数和强度不会对其抽提效率产生明显影响;对于年代较老、有机质含量较低的刘湾剖面古土壤样品,超声波溶剂萃取的效率较低;两种处理方法获得的类脂物正构烷烃组分分布和碳同位素值没有差别,但是超声波溶剂萃取的效率明显低于加速溶剂萃取的效率。因此,对于年代较老、含量较低的地质样品,采用加速溶剂萃取方法更有助于获得充分的样品量并进行可靠的气相色谱-燃烧-同位素比值分析;对于现代样品和含量较高的地质样品,采用设备相对便宜、操作简单、易于实现的超声波溶剂萃取方法即可。

中国黄土:最近250万年地球气候与环境变化的记录者

经过几代中国第四纪环境研究者的努力,已经认识到,中国黄土堆积是过去250万年以来连续的风成沉积物,黄土堆积序列中的粒度、磁化率、碳同位素、生物化石等可以作为古气候与古环境变化的良好替代性指标,中国黄土堆积中包含着最近250万年以来东亚季风气候与黄土高原植被变化过程等信息。中国黄土已经成为认识第四纪地球气候与环境变化的三个重要信息载体之一。对黄土记录的深入研究,将对理解地球系统变化的规律与机制、为黄土高原以及中国西北地区的生态环境建设提供科学依据。