2019, Vol.39
2 福建省湿润亚热带山地生态重点实验室——省部共建国家重点实验室培育基地, 福建 福州 350007;
3 Department of Earth Science, University of Oregon, Eugene, Oregon, USA 97403-1272;
4 Department of Environment and Geography, Macquarie University, Sydney NSW 2109, Australia;
5 福建师范大学地理科学学院, 福建 福州 350007)
古土壤是地质时期形成并埋藏保存下来的土壤，是气候、母质、地形、沉积环境和时间等要素综合作用的产物，同时古土壤也反映这些环境要素[1]。第四纪古土壤得到较好的保存，特别是风积黄土地层中红色古土壤的识别为黄土风成学说提供有利佐证[2]，推进了黄土-古土壤的古气候研究[3]，使黄土-古土壤成为与深海沉积可对比的陆地古气候记录载体[4]。地层中保存的植物根系、根迹、虫孔、粘粒胶膜等有利于古土壤的识别和发育强度的判断[5]。古土壤形成后的埋藏改造和次生作用给第四纪以前的古土壤判别增加了困难[6~7]。然而，综合利用野外观察、土壤微结构、地球化学、同位素分析等方法可以成功判别不同地质时期的古土壤[8]，甚至前寒武纪古土壤[9]。不同气候和地形条件下形成的古土壤常表现为不同的颜色和古土壤发生层，将古土壤特征与相应的现代土壤对照，可以推断或重建古土壤形成时的古气候[1]。
甘肃张掖丹霞地质公园以其壮观的彩色地层闻名，由红色、紫色、橘红色、黄色、青灰、灰黑等不同颜色交替变化组成。沉积物或土壤颜色反映了气候的干湿变化，记录了丰富的古气候和古环境信息[10]。根据不同颜色地层的层状特征和部分砂砾岩结构，一般认为张掖彩丘是河流-湖泊相沉积环境[11]或山间洪积或冲积碎屑沉积[12]，然而，野外仔细观察可知，此套地层并不是连续的沉积，其中呈现大量的古土壤特征。例如，有别于沉积层理截然分明的地层界限，古土壤发生层之间的界限是渐变的[13]；另外，成壤过程中的根迹现象和钙结核都显示了古土壤发育特征。古土壤的发育意味着沉积的不连续或沉积间断[14]，建立地层中古土壤序列有助于更为准确地理解其形成时的古气候和古环境。鉴于此，我们对张掖彩丘地层进行了系统考察，主要目的在于：1)识别张掖彩丘中的古土壤；2)根据古土壤特征划分古土壤类型，与现代土壤发生特征对比基础上初步判断古土壤形成时的古气候和古环境；3)根据张掖彩丘的古土壤发育程度序列分析其形成时古环境的阶段性变化。
1 研究区概况张掖丹霞地质公园(38.97436°N，100.02969°E)位于祁连山以北，张掖市西北40 km处(图 1a)，公园主体面积约322 km2，彩丘为向斜构造(图 1b)，向斜核部向侧翼厚约760 m，主要由不同颜色的薄层泥岩和粉砂岩组成，包含少量薄层砂岩和局部砂砾层。虽然为向斜构造，地层中受高温高压影响的变质作用并不显著。目前并没有此地层详细的测年资料，地层对比显示张掖彩丘包括下沟组和中沟组，形成于白垩纪早期[10]，Liu等[10]通过轨道调谐方法推断张掖彩丘下沟组年代范围为114.0~120.2 Ma，为白垩纪早期。具体关于彩色地层的划分和特点详见Liu等[10]。当地为典型的温带大陆性气候，年均温度4~6 ℃，年均降水量180~260 mm。
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图 1 张掖丹霞彩丘位置(a)和地层图(谷歌地球) (b) Fig. 1 Location of Zhangye colorful hills (a) and Google Earth image (b) |
土壤理化性质是判断古土壤的基础，土壤形成过程中存在动植物的参与(如根迹和虫孔)、粒度和结构变化(如粘粒增多、团块团粒结构)、不同化学成分的流失和富集(如形成钙结核)[1]。野外观察是识别古土壤最重要的手段[15]。野外主要观察层理界限、根化石、根迹、土壤结构、粒度变化、颜色、钙结核(或其他结核)大小和分布深度、确定土壤发生层等[1]。
古土壤可以发育在不同的沉积物上，古土壤的发育意味着对沉积层理的破坏和沉积物的改造，古土壤发育越强，对层理的破坏越大。古土壤形成后如果被后期沉积物掩埋，会在其顶部保留层理，古土壤剖面描述通常以顶部层理或微层理开始，在古土壤下部的C层常保留部分沉积层理，而在连续2个以上古土壤组成的复合型古土壤中，通常持续的土壤化过程破坏了顶部和下部的沉积层理[1]。植物根化石或根有机质残体是识别古土壤的直接依据[5]，根的深度和类型对应于一定的气候条件，一般干旱区植物根较深以利于水分吸收，而湿润或湿地植物根较浅以利于呼吸，干旱区植物根较细小而湿润区根较粗大；然而，在较老地层或氧化地层(如红层)中有机质易氧化分解而不易保存下来，在这种情况下可以依据根迹来判断古土壤。植物根孔常被粘粒或水分填充而留下根的痕迹(根迹)，水分聚集造成潜育化或有机质分解引起还原环境，根迹就呈现土褐色或青灰色。根迹区别于裂隙，根迹线条一般为弯曲的管状，向内纵深小，而裂隙线条平直，沿裂隙面纵深大。土壤发育过程中形成团粒结构、团块结构、棱柱结构等反映土壤的发育程度；随着成壤的增强，土壤剖面中特别是粘化层表现出粘粒的增多，同时粉砂和砂质相对含量减少，形成粘土胶膜，说明土壤发育较强[16]。颜色总体反映氧化还原状况[13]，红色为氧化环境，黑色为还原环境，青灰色及其他颜色介于两者之间，古土壤顶部或沿根孔由于潜育化常会形成青灰色晕斑根迹。钙结核是半干旱环境下碳酸钙淀积而成，指示土壤淀积层，钙结核的大小和深度与年均降水量有很好的相关性[17]。土壤发生层是土壤发育过程中不同深度因物质的富集和流失差异而形成的不同颜色、质地和组分的近水平层，是土壤结构的综合反映[1, 18]。与层理明显不同，土壤发生层之间的界限一般是渐变的而不是截然的。古土壤剖面中通常可以识别出A层(腐殖质层)、B层(淀积层)、C层(母质层)；A层常表现为根迹的分布，B层因淀积物质不同而异，如钙淀积(Bk)、粘粒(Bt)、潜育化(Bg)等[1, 18]。依据以上古土壤识别方法，野外对张掖彩丘中古土壤进行判别，并根据古土壤发育特征划分不同的古土壤类型。
古土壤的古环境解释主要基于与相应现代土壤的对比，目前世界上还没有统一的土壤分类系统，美国农业部(USDA)的土壤诊断分类[19]是许多国家和地区土壤类型编写的基础，联合国粮农组织-教科文组织与土壤学会(FAO-UNESCO)编制的1 ︰ 5000000《世界土壤图和图例系统》[20]具备诊断特性和检索系统，同时对应现代气候特征。将张掖彩丘中识别出的古土壤特征与USDA和FAO-UNESCO(亚洲南部[21]、亚洲北部和中部[22]、亚洲西南部[23])土壤分类对照，可初步判断古土壤形成时的古气候和古环境。
古土壤发育程度反映对沉积层理的破坏程度和对沉积物的改造程度，以此可以将古土壤发育程度粗略地划分为5个等级[5]，见表 1。
3 结果和讨论 3.1 张掖彩丘中古土壤特征张掖彩丘中保留了大量的古土壤特征，立足野外观察，主要依据钙结核、根迹、土壤结构以及土壤发生层识别古土壤，见图 2。钙结核是半干旱古土壤中常见的碳酸钙淀积，在第四纪黄土-古土壤地层很常见[24~25]。可溶的Ca(HCO3)2随水下渗，下部CO2浓度降低而使其饱和，形成难溶的CaCO3，长时间的淋溶淀积形成钙结核。钙结核不同于水平产状的海相和湖相沉积中的石灰岩(如图 2l)。图 2a~2c为彩丘古土壤中3种钙结核形式，图 2a为粉砂质古土壤在还原环境中淀积的扁平状钙结核，碳酸钙沿根孔淋溶淀积形成(对应图 3古土壤PS1)；图 2b为泥质古土壤中淀积的块状钙结核，形成钙结核层；图 2c为砂质古土壤中的生姜状钙结核；图 2d~2f为3种形式的根迹，图 2d~2e为红色氧化性土壤中常见的青灰色根迹，从根迹大小可以判断，图 2d植物要比图 2e高大，生长环境较图 2e湿润，图 2f为灰色古土壤中的红色根迹；图 2g~2i是古土壤不同的结构特征，图 2g是粘土滑擦面，是变性土(vertisol)的典型特征，富含粘土，湿季鼓胀而干季收缩形成较深的裂隙面，图 2h是富含粘土的古土壤形成的土壤胶膜和块状结构，常见于淋溶土，图 2i是灰色古土壤中存在黄色斑块，一般是黄铁矿，是湿润还原条件下的产物，此古土壤上部为薄层沉积层理；图 2j呈现古土壤发生层间颜色渐变特征，由多个古土壤组成，其中潜育化的青灰色根迹或浅颜色为A层，颜色较深的为而粘化层(Bt层)；图 2k有两种古土壤序列，分别对应于图 3中的PS1和PS2，上部古土壤颜色较浅，有青灰色根迹，下部古土壤颜色较深，青灰色根迹深度较大，由于成壤作用，2个古土壤间原有的层理界限已不明显。
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图 2 张掖彩丘古土壤特征(a~k)与部分沉积特征(l~n)的对比 Fig. 2 Paleosol features(a~k)and comparison to sedimentary features(l~n)in Zhangye colorful hills |
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图 3 张掖彩丘古土壤类型和实测剖面 Fig. 3 Pedotypes and measured paleosol sequences in Zhangye colorful hills |
图 2l~2n是张掖彩丘中3类沉积特征，与古土壤发育特征明显不同。图 2l为灰色石灰岩，其中发现水生轮藻和介形虫，可能是湖泊沉积；图 2m是水下沉积形成的水平层理，可见其截然的层理界限，层理之间还发育有极薄极弱的古土壤；图 2n是砂砾岩堆积，分选差，砾石棱角状，为洪积相沉积。虽然张掖彩丘中保留这些河湖相和洪积相沉积，但是比例较小(图 4中的砂层和砂砾层)，总体上以古土壤特征为主，可以说张掖彩丘是彩色的古土壤序列。
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图 4 张掖彩丘地层(a)，古土壤发育程度序列(b)，古环境特征(c)和不同深度所在的典型景观(d) Fig. 4 Stratigraphy (a), sequence of paleosol development (b), paleoenvironment characterization (c) and representative landscapes of several depths (d) in Zhangye colorful hills |
土壤的诊断特征是划分古土壤类型的基本依据[1]，根据张掖彩丘中古土壤的基本特征，如粒度、是否有碳酸钙淋溶淀积、土壤结构、发生层颜色、根迹及深度、结核类型和淀积深度等差异，识别出14种不同的古土壤类型，分别编号PS1~PS14，各古土壤类型实测剖面见图 3。这里选取4个古土壤说明，它们分别为PS1、PS2、PS4和PS11。PS1和PS2主要是粉砂质古土壤(图 3a，剖面照片为图 2k)，它们最显著的特征是钙质淀积深度大(图 2a和2e)，分别为33 cm和39 cm，并有钙结核淀积。PS1的根迹为青灰色且穿透深度较大(90 cm)；PS2表层为潜育化的青灰色层，其下为显著的红色和青灰色的粘土滑擦面(图 2g)；PS4是灰色古土壤，A层有浅红色根迹，Bg层有潜育化形成的黄铁矿斑块，其主要出现在彩丘下部，近似等间距或周期性出现(图 4中50~268 m景观图中的灰色古土壤)；PS11由灰(A层)、红(Bw层)、黄(Bg层)3种颜色组成，是彩丘上部主要的古土壤类型，对应图 4中600 m处景观中的彩色古土壤。这些不同颜色和结构的古土壤交替分布和组合构成张掖彩丘独特的自然景观(图 4d)。
结合张掖彩丘古土壤的发育特征，将14种古土壤与现代土壤类型对比，找到对应现代土壤的分布地区和气候特征，从而推断古土壤形成时的古气候，对照结果见表 2。从古土壤的诊断特征、对应的现代土壤类型以及实测剖面(图 3)可以看出，大部分古土壤发育较薄(< 1 m)，具备基本的A-B-C层(PS6和PS12缺少B层)，土壤发育程度为弱或中等(表 1)。14种古土壤类型对应的土壤分类主要有旱成土、淋溶土、新成土和始成土，一般淋溶土(如PS2和PS3)和钙质旱成土(如PS1、PS8和PS9)发育程度要高于始成土(PS4、PS5、PS7、PS10、PS13和PS14)和新成土(PS6和PS12)。从古土壤与现代土壤类型对比结果上看(表 2)，张掖彩丘中大部分古土壤与现代南亚热带-亚热带的土壤相似，说明白垩纪早期此地气候比现在要明显温暖，与现在的南亚气候相似。
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表 2 张掖彩丘古土壤类型与现代土壤类型的对比 Table 2 Pedotype diagnostic features and their analogues to modern soils in Zhangye colorful hills |
依次将识别出的14种古土壤类型及其发育程度(表 1)绘制在地层序列中。在张掖彩丘760 m地层中共识别出156个古土壤剖面(图 4)。Liu等[10]将下沟组的顶部确定在470 m附近，考虑到下沟组和中沟组的区域对比和物质结构[26~27]，下沟组以泥岩和粉砂岩为主，非钙质，而中沟组以砂岩和粉砂岩为主，夹杂薄层砾石，含钙质，以此我们将下沟组与中沟组的界线确定在250 m。钙质古土壤主要形成于干旱或半干旱环境，非钙质古土壤主要形成于湿润环境，根据古土壤发育程度和是否为钙质可将张掖彩丘地层分为4个阶段(图 4)。第1阶段(0~268 m)，为无钙质古土壤，土壤发育弱。其中0~50 m为砂质沉积，主要古土壤类型为PS3和PS7，代表相对湿润期。50~268 m，主要表现为12个锯齿状发育程度旋回，对应于50~268 m处景观(图 4d)出现的PS4，每一个旋回从下到上古土壤发育程度由弱到中等，紧接着又从弱发育古土壤开始进入下一个旋回，地层完整性相对好。这些发育程度旋回基本上与米兰科维奇100 ka周期一致[10]，说明古土壤的发育受气候变化周期的影响。因为碳酸钙含量较少或没有，此阶段总体环境表现为湿润期。第2阶段(268~550 m)，大部分为钙质古土壤，中等发育程度，各古土壤发育程度差别较小，地层完整性相对差，总体为半干旱或干旱期。第3阶段(550~740 m)，无钙质古土壤，大部分为弱发育古土壤，总体为湿润期。第4阶段(740~760 m)为中等发育钙质古土壤PS9，部分含石膏，代表干旱气候。古土壤发育程度越强，沉积间断时间也就越长，地层的完整性就越差，因此，与古土壤发育程度序列相对应，地层的完整性依次经历相对好-相对差-相对好-相对差4个阶段(图 4)。可见，通过古土壤序列可以较好地反映气候变化的阶段性特征，为进一步古气候变化重建奠定了基础，如利用钙结核的淀积深度、厚度等特征定量化重建古年均降水[17]，利用古土壤的地球化学特征定量化重建古气候(古年均降水、古年均温度和二氧化碳含量)[8, 28]。
4 结论古土壤是地质时期多种环境要素综合作用的产物，是认识其形成时期古气候和古环境的重要载体。张掖早白垩世彩丘表现为多种颜色交替变化，反映了复杂多样的古气候或古环境变化。通过较为详细的野外考察，对张掖彩丘中的古土壤进行识别和分类，并对古土壤发育程度序列所反映的古环境的变化阶段进行分析，为进一步古气候研究奠定基础，得到以下初步结论：
(1) 建立了较为详细的岩性地层剖面，整个向斜地层共计760m，主要以均质粉砂为主，砂和砾石所占比例较小。
(2) 野外观察是识别古土壤最基础的方法，张掖彩丘中普遍存在根迹、土壤发生层次、钙结核、土壤结构、颜色过渡变化等古土壤特征，其中土壤发生层次(或颜色)之间是渐变的，不同于水下沉积层理的截然变化。河湖相和洪积相沉积所占比例较小，总体表现为多种古土壤类型的交替变化。
(3) 依据土壤诊断特征和土壤发育特征，在张掖彩丘760 m地层中共识别出14种不同类型的古土壤，共计156个古土壤剖面，大部分古土壤为中等和弱发育程度，可以说张掖彩丘是独特的古土壤序列。
(4) 将识别出的14种古土壤类型与与现代土壤类型(USDA，FAO-UNESCO)对照，一方面由此确定土壤分类，14种古土壤类型对应的土壤分类主要有旱成土、淋溶土、新成土和始成土。另一方面根据对应现代土壤类型的分布推断古土壤的古环境或古气候，大部分古土壤类型对应于现代南亚热带或亚热带土壤，说明白垩纪早期比现在更为温暖。
(5) 建立了张掖彩丘较为详细的古土壤发育程度序列，根据古土壤发育强度和是否为钙质对张掖彩丘古环境划分4个阶段：0~268 m古土壤发育弱，沉积地层完整性好，气候相对湿润；268~550 m古土壤发育中等，沉积地层完整性较差，半干旱气候；550~740 m古土壤发育弱，沉积地层完整性相对好，气候湿润；740~760 m古土壤发育中等，沉积地层完整性较差，气候干旱。
致谢: 感谢张掖丹霞地质公园对野外考察的大力支持；感谢编辑和两位审稿人的建设性意见。
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2 State Key Laboratory of Subtropical Mountain Ecology(Funded by Ministry of Science and Technology and Fujian Province), Fujian Normal University, Fuzhou 350007, Fujian;
3 Department of Earth Science, University of Oregon, Eugene, Oregon 97403-1272, USA;
4 Department of Environment and Geography, Macquarie University, Sydney NSW 2109, Australia;
5 College of Geographical Sciences, Fujian Normal University, Fuzhou 350007, Fujian)
Abstract
Fossil soils (paleosols)document significant records of paleoenvironments and paleoclimates they formed. However, pre-Quaternary paleosols are sometimes not correctly recognized due to post digenesis and lack of diagnostic features. Early Cretaceous colorful hills in Zhangye Danxia National Geopark (38.97436°N, 100.02969°E) in Gansu Province is well-known for its brilliantly colored landscapes with alternative colors of red, green, yellow, purple, brown, and gray. Zhangye colorful hills include Xiagou Formation and Zhonggou Formation of Early Cretaceous, where Xiagou Formation was constrained in 114.0~120.2 Ma. Although it was previously studied with respect of landforms and ages, the entire stratigraphy (760 m)and age of these special strata is not reported yet. Based on sedimentary beddings and sediment structures, the colorful hills were previously regarded as lacustrine or alluvial-fluvial sediments. But, massive pedogenic features, such as root traces, pedogenic calcite nodules, are observed in field, indicating lots of paleosol sequences. The occurrence of paleosols indicates sediment incompleteness or unconformity. In this study, based on field observations and mapping, we report: (1)760-m-thick stratigraphy of Zhangye strata which is dominated by silt with small amount of sand and gravel; (2)Paleosols were recognized in field by root traces, soil horizons, calcareous nodules, soil structures, indicating paleosol sequences rather than alluvial-fluvial sediments; (3)156 paleosol sequences of 14 different pedotypes were identified in field; (4)Paleoclimate stages indicated by paleosol analogues to modern soils (USDA, FAO-Unesco). Most pedotypes found in Zhangye colorful hills are analogous to modern soils in South Asia, indicating warmer paleoclimate in Early Cretaceous than present. Paleosol development patterns display four stages of paleoclimate and sediment sequence completeness:0~268 m (humid, weak development paleosols, good sequence completeness), 268~550 m (arid, moderate development paleosols, bad sequence completeness), 550~740 m (humid, weak development paleosols, good sequence completeness). Paleosol recognition and paleosol development sequence are significant for further paleoclimate reconstruction.