西北隔壁-黄土高原区表土磁化率特征及其意义

。Ｌ ｉ ｕ等
［ １ ６ ］
最早揭示了黄土高原不
同地区的黄土或者古土壤磁化率显示出与年均降水
第一作者简介： 李平原 男 ２ ７岁 硕士研究生 自然地理学专业 Ｅ ｍ ａ ｉ ｌ ： ｌ ｐ ｙ １ ９ ８ ６ ２ ０ ０ ６ ＠ １ ２ ６ ． ｃ ｏ ｍ 批准号：４ １ ０ ７ ２ １ ２ ４ ４ ０ ８ ３ ０ １ ０ ５ ４ ０ ７ ２ １ ０ ６ １和 ４ １ ２ ０ ２ １ ２ ９ ） 资助 国家自然科学基金项目（ ２ ０ １ ２ － ０ ９ － ２ １收稿， ２ ０ １ ３ － ０ １ － ０ ５收修改稿 通讯作者：刘秀铭 Ｅ ｍ ａ ｉ ｌ ： ｘ ｌ ｉ ｕ ＠ ｆ ｊ ｎ ｕ ． ｅ ｄ ｕ ． ｃ ｎ
２ ６～ ３ １ ］ 土磁化率增 强 机 制 ［ 。研究这一区域表土的磁
６ １个表土磁 学 数 据， 共得到 ２ ３ １个 表 土 样 品 数 据。 样品分布范围从 ３ ３ ° Ｎ 到 ４ ３ ° Ｎ ， ９ ６ ° Ｅ 到 １ １ ０ ° Ｅ ； 从河 西走廊到黄土高原 山 陕 大 峡 谷， 从秦岭到巴丹吉林 沙漠北缘， 涵盖黄 土 高 原、 巴 丹 吉 林 沙 漠、 腾格里沙 漠等大部分地区（ 图１ ） 。研究区年平均降水量 分布 范围从 ７ ０ ０ ｍ ｍ到 ５ ０ ｍ ｍ 以下。 采样点位于大 致 相 同 的 平 坦 微 地 形 之 间 的， 平 ０ ｋ ｍ （ 图１ ） 。为减少人为 因 素的 干扰， 均间距约为 ３ 采样点分布于远离 耕 地、 城 镇、 村 庄 等 区 域， 一般距 公路 １ ０ ０ ｍ ， 采样深度约为 ２～ ５ ｃ ｍ 。 采集时， 所 有样 品均剔除石块、 石 屑、 木 屑 和 碎 屑 树 枝 等 干 扰 物， 并 用１ ０ ０目的筛 子 筛 选。 这 样 做 是 为 了 排 除 干 扰， 更 好的研 究 成 土 作 用 对 磁 化 率 的 影 响。 现 场 用 Ｇ Ｐ Ｓ 记录样品的经纬度以及海拔高度。 ２ ２ 实验方法及数据处理 样品在实验室 自 然 晾 干， 称重后用塑料膜包紧
［ １ ８ ］ 复杂。几乎与此同 时， Ｍａ ｈ ｅ ｒ 和Ｔ ｈ ｏ ｍ ｐ ｓ ｏ ｎ 通过研
。早在 ２ ０世 纪 ６ ０年 代， 刘东生
已经指出在黄 土 高 原 地 区， 古土壤是温暖湿
［ ３ ］
润的气候时期形成 的， 黄土是相对寒冷干燥的气候 时期形成的。在 ２ ０世纪 ８ ０年 代， Ｈ ｅ ｌ ｌ ｅ ｒ 和Ｌ ｉ ｕ 运 用古地磁定年， 测得黄土高原是距今 ２ ４ ０万 年 前 才 开始形成的， Ｈ ｅ ｌ ｌ ｅ ｒ 和Ｌ ｉ ｕ 以及 Ｋ ｕ ｋ ｌ ａ 等
３ 压实， 放入体积为 ８ ｃ ｍ 的 立 方 体 无 磁 性 样 品 盒 中。
学性质是 理 解 磁 化 率 区 域 差 异 性 的 关 键。 吕 厚 远
１ ７ ］ 最早指出青海、 新疆等区域的 表土磁 化 率可 能 等［
受到地形影响， 磁化 率 与 气 候 因 素 的 关 系 显 得 十 分
２ ６～２ ８ ］ 复杂。前人研 究 ［ 指出表土的磁ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ性质不仅受
。将干 旱 区 与 黄 土 高 原 结 合 研 究， 有利
于对比两个区 域 表 土 磁 学 性 质 与 气 候 关 系。 为 此， 本文选择黄土 高 原 及 邻 近 的 干 旱 － 半 干 旱 沙 漠、 戈 壁地区为研究区域， 分析气候因素对磁化率产生影 响， 在前人的研究基 础 上 探 讨 产 生 次 生 磁 化 率 的 降 水量阀值， 探索由干 旱 区 到 半 湿 润 区 表 土 磁 学 性 质 的变化规律。
３ ６ ２
第 四 纪 研 究
２ ０ １ ３年
（ ４ ７ ０ ０ Ｈ ｚ ） 磁化率 （ ） ， 并计算出频率磁化率 ｈ ｆ ｆ ｄ＝ － ， 百分比频率磁化率 ％＝ １ ０ ０ × （ － ） ／ ｌ ｆ ｈ ｆ ｆ ｄ ｌ ｆ ｈ ｆ 。以上样 品 的 后 期 处 理 和 测 试 均 在 兰 州 大 学 西 ｌ ｆ 部环境教育部重点实验室环境磁学实验室完成。 同时， 本文 采 用 中 国 气 象 局 等 出 版 的 《 １ ９ ７ １～ ２ ０ ０ ０年 中国 地 面 气候 标 准值 》 的气象 资料
［ ２ ］ ［ １ ］
样品磁化率分析土 壤 磁 化 率 与 气 候 的 关 系， 发现在 全国范围内土壤磁化率与气候之间并没有统一的模 式， 在一定的温度和降水范围内， 土壤磁化率随年平 均温度和年平均降 水 量 的 增 加 而 增 加， 在温暖的半 湿润 地 区 （ 年平均温度大于 １ ５ ℃， 年降水量大于 １ １ ０ ０ ｍ ｍ ） ， 土壤磁化 率 随 年 平 均 降 水 量 的 增 加 而 减 小， 在比较干旱的地 区 磁 化 率 与 降 水 量 的 关 系 比 较
到气候因素的影响， 还受到母质基岩种类和性质的
３ ０ ］ 影响。宋友桂 等 ［ 对新疆黄土研究后指出表土磁
化率增强不仅与原 生 磁 性 矿 物 有 关， 还与地形环境 和地质背景有关。 已有的研究认 为， 黄土高原的风成粉尘颗粒正 是在季风的作用下从干旱半干旱的戈壁沙漠地区搬 运而来
［ １ ， ３ ２ ］
２期
李平原等： 西北戈壁沙漠 － 黄土高原区表土磁化率特征及其意义
３ ６ １
黄土 － 古土壤磁化 率 变 化 机 制 一 直 是 学 者 不 断
２ ２～２ ４ ］ 关注的 重 点 ［ ， 也是磁气候学研究中的基本问
２ 样品采集及实验方法
２ １ 样品采集 通过多 次 的 野 外 考 察， 在西北地区采集了 １ ７ ０
摘要 黄土高原表土磁化率与降水量呈良好的正相关性， 为定量反演这一区域第四 纪 时 期 降 水 量 变 化 提 供 了 理 论基础。通过对西北戈壁沙漠 － 黄土高原表土磁化率研究， 表明表土磁化率与降水量的相关性出现在一定的降水 范围内。其界限是年平均降水量 ２ ０ ０～ ３ ０ ０ ｍ ｍ ：高于这一界限， 表土的磁化率、 频率磁化率、 百分比频率磁化率与降水 量、 相对湿度均呈现良好的正相关关系；低 于 这 一 界 限， 磁 学 参 数 与 气 候 之 间 的 相 关 性 明 显 减 弱， 或 者 变 得 不 明 显。 这是因为在该气候条件下， １ ） 风化弱， 成土组分贡献小， 同时 ２ ） 风积磁颗粒粒径粗， 对磁化率影响较大的缘故。 主题词 干旱半干旱地区 表土 磁化率 降水量 中图分类号 Ｐ ９ ４ １ ７ ３ ， Ｐ ９ ４ １ ７ ４ ， Ｐ ３ １ ８ ４ １ 文献标识码 Ａ
ａ ｒ ｔ ｉ ｎ ｇ ｔ ｏ ｎＭＳ ２型磁化率仪 测量方法如下：首先， 用Ｂ 测试 样 品 的 低 频 （ ４ ７ ０ Ｈ ｚ ）磁 化 率 （ ）和 高 频 ｌ ｆ
图１ 研究区采样点分布图 Ｆ ｉ ｇ １ Ｓ ｋ ｅ ｔ ｃ ｈｍ ａ ｐｏ ｆ ｔ ｈ ｅｓ ａ ｍ ｐ ｌ ｉ ｎ ｇｓ ｉ ｔ ｅ ｓ
发现黄
土和古土壤的磁化率曲线可与深海氧同位素进行对 比。而后， 通过对黄 土 高 原 不 同 地 区 剖 面 的 深 入 研 究， 发现黄土 － 古土壤磁化率曲线具有全球性的环 境意义。 磁化率作为环境代用指标可以应用于重演古环 境变化， 将磁化率引 入 古 环 境 可 以 使 得 过 去 的 定 性 描述发展为定量 半 定 量 的 研 究。 为 此， 学者需要通 过研究现代过程来建立磁化率与气候要素之间的定 量关系。许多学者就这一问题在世界范围内开展了 研究工 作
３ ３ ］ 个表土样品， 在此基础上引用魏海涛 等 ［ 已发 表的
题。沉积物的磁化率是原生和次生两个部分磁性矿 物的总体反映。干旱地区风积黄土磁化率与气候关
２ ５ ］ 系在黄土高 原 不 同 地 区 差 异 很 大。 叶 玮 ［ 发现新
疆地区黄土沉积磁化率的区域 差异性：位 于荒漠 草 原地带的 则 克 台 的 马 兰 黄 土 层 磁 化 率 高 于 古 土 壤 半干旱地区黄 层。这一现象使学者 开 始 关 注 干 旱 －
文章编号 １ ０ ０ １ － ７ ４ １ ０ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ２ － ３ ６ ０ － ０ ８
西北戈壁沙漠 － 黄土高原区表土磁化率特征及其意义
李平原 刘秀铭
① ①②③
郭雪莲 吕 镔 赵国永 马明明
④
②
①
⑤
（ 西部环境与气候变化研究院， 兰州 ７ ３ ０ ０ ０ ０ ；② 福建师范大学地理科学学院， 福州 ３ ５ ０ ０ ０ ７ ； ① 兰州大学西部环境教育部重点实验室， ｅ ｐ ａ ｒ ｔ ｍ ｅ ｎ ｔ ｏ ｆ Ｅ ｎ ｖ ｉ ｒ ｏ ｎ ｍ ｅ ｎ ｔ ａ ｎ ｄＧ ｅ ｏ ｇ ｒ ａ ｐ ｈ ｙ ， Ｍａ ｃ ｑ ｕ ａ ｒ ｉ ｅＵ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ， Ｓ ｙ ｄ ｎ ｅ ｙＮ Ｓ Ｗ２ １ ０ ９ ， Ａ ｕ ｓ ｔ ｒ ａ ｌ ｉ ａ ； ③Ｄ 兰州 ７ ３ ０ ０ ０ ０ ；⑤ 中国科学院南京地理与湖泊研究所， 南京 ２ １ ０ ０ ０ ８ ） ④ 兰州大学地质科学与矿产资源学院，
１ ７ ］ 根据全国 １ ６ ６个 表 土 量极好正相 关。 吕 厚 远 等 ［
１ 引言
位于中国西北地 区 的 黄 土 高 原 的 风 成 黄 土 － 古 土壤序列是研究全 球 变 化 不 可 多 得 的 理 想 材 料， 黄 土古土壤与深海沉 积 物、 冰芯为研究过去全球变化 的三大地质记 录 先生
［ ４ ］ ［ ５ ］
究全球表土的磁化率特征来重建黄土高原第四纪降 水， 提出磁化率与气候要素之间的关系比较复杂， 影 响表土磁化率的最 主 要 因 素 是 年 平 均 降 水 量， 年平 均降水量在 １ ５ ０ ０ ｍ ｍ 时 表 土 磁 化 率 出 现 极 大 值 点。
１ ９ ］ 孙东怀等 ［ 也发 现 在 黄 土 高 原 磁 化 率 与 降 水 量 有 ２ ０ ］ 良好的相关关系。 Ｌ ｏ ｎ ｇ等 ［ 最近通过对海南岛表
［ ３ ４ ］
植被极其不发育， 土地第一生产力极为低下， 同时成 土作用极其微弱， 表土发育微弱且以物理风化为主。 而大于这一年平均 降 水 量 的 区 域， 土壤的第一生产 力大幅度提高， 成土作用增强。因此， 本文根据磁化 ０ ０ ｍ ｍ降 率随降水量分布特点， 以稍大于这一 界线 ３ 水量为界， 分成两部分， 分别计算磁性参数与气象参 数 的 相 关 性 分 析 数 据。 如 图 ２所 示， 年均降水 量＜ ３ ０ ０ ｍ ｍ 的用黑点表示， ＞ ３ ０ ０ ｍ ｍ 的部分 用红 色点 ０ ０ ｍ ｍ 的部分， 表土 磁化率 的分 表示。其中在小于 ３ 布较为散乱， 而大于 ３ ０ ０ ｍ ｍ 的部分磁化 率与降 水量 呈明显的正相关关系。 百分比频 率 磁 化 率 （ ％） 是反映样品中超顺 ｆ ｄ 磁（ Ｓ Ｐ ） 颗粒 － 稳定单畴（ Ｓ Ｓ Ｄ ） 颗粒界线附近（ ２ ０～
第３ ３卷 第 ２期 ２ ０ １ ３年 ３月
第 四 纪 研 究 Ｑ Ｕ Ａ Ｔ Ｅ Ｒ Ｎ Ａ Ｒ Ｙ Ｓ Ｃ Ｉ Ｅ Ｎ Ｃ Ｅ Ｓ
Ｖ ｏ ｌ ． ３ ３ ， Ｎ ｏ ． ２ Ｍａ ｒ ｃ ｈ ，２ ０ １ ３
ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ １ ７ ４ １ ０ ． ２ ０ １ ３ ． ０ ２ ． １ ８
［ ６～１ ５ ］
土研究 指 出， 磁化率降低的拐点位于年均降水量
２ １ ］ １ ４ ４ ０ ｍ ｍ 左右。宋扬 等 ［ 运 用 多 种 方 法 发 现， 黄土
高原地区表土的磁 化 率 与 降 水 量、 湿度的关系最明 显， 而温度对表土 磁 化 率 的 影 响 不 大。 上 述 的 研 究 表明：在一定降 水 量 范 围 内， 磁化率与降水量呈正 相关关系；当降 水 量 过 低 或 过 高， 磁化率与降水量 的关系较为复杂。