13万年以来洛川黄土剖面中营养元素的分布及演化规律.pdf

中国科学院研究生院 博士学位论文 13万年以来洛川黄土剖面中营养元素的分布及演化规律 姓名：饶文波 申请学位级别：博士 专业：环境地球化学 指导教师：涂光炽;高振敏 20030101 摘要 洛] i l N 面以其厚度大，沉积连续，并完整地记录了第四纪以来陆相环境、气候 变化的信息而举世闻名，是陆相沉积序列中研究最为成熟的黄土剖面，被定为国际 标准的黄土剖面 学者们对黄土剖面经过多年的研究，获得了许多宝贵的成果，例如，磁化率、 粒度、地球化学等指标的建立，黄土物质来源问题的探讨，东亚季风变迁的研究， 及大气环流模型的建立等等这些成果在解释全球性尺度上的古气候变化以及在预 测未来气候变化趋势上具有重要的理论指导意义上述成果着重从物理和化学的角 度来展开研究的，而如何从生物地球化学的角度来研究局部的气候环境变化及其对 全球变化的响应问题，以便更好地弄清楚气候变化的机制、周期性及影响因素，预 测未来气候的变化．科学防治环境污染，台理利用自然环境，促进人类社会进步 呢这是目前黄土研究中较薄弱的地方因此，本文在前人工作的基础上，首次将 营养元素的概念较系统地引入副黄土古气候的研究中来初步讨论了营养元素 ( C ，N ，P ，K ) 在洛J I l 黄土剖面中的分布和演化规律，获得了如下几点新的、认识： 1 ．1 3 万年来洛川黄土剖面中有机碳的含量在O ．1 4 ％一O ．5 4 ％之间变化，平均含量 为O ．2 6 ％。

在时间上，有机碳高．低值的变化特征对应不同的气候时期干冷气 候条件下形成的黄土L 有较低的有机碳含量，湿热气候条件下发育的古土壤S 有较高的有机碳含量在马兰黄土中，问冰阶形成的L I s s l 中有机碳含量高于 始冰阶和盛冰阶形成的L l L L l 、L l L L 2 中的有机碳含量，表现出低的有机碳含量 对应于冷期，高的有机碳含量对应于暧期有机碳的这种变化特征，与磁化率 的变化趋势一致，在一定程度上反映了不同时期植被的发育程度通过洛川剖 面( 1 0 9 0 2 5 ’E ，3 5 0 4 5 N ) 与段家坡剖面( 1 0 9 0 1 2 ’E ，3 4 0 2 5 ’N ) 有机碳的对比 可知，在空间上，从黄土高原的西北到东南，同一时期黄土剖面中有机碳的含 量呈逐渐增加的变化趋势，这与地理上的气候变化是一致的因此，时空上有 机碳的变化特征反映黄土高原地区东亚夏季风强弱周期性变化的特点 2 ．洛川黄土剖面中的氮由有机氮、固定铵态氮和速效态氮组成，其中前两者为主 要部分，占总氮的9 5 ％以上有机氮占总氮的S 5 ％一7 6 ％，在1 8 1 峙·g ’一 5 6 8 1 ．t g ．g o 之间变化，平均值为2 9 9 1 ．t g ．g ～，其在剖面中的分布与有机碳极为相 似，在黄土L ，中有较低的有机氮，在古土壤S 1 中有较高的有机氮，并且在马 兰黄土中，间冰阶形成的L 】S s 。

中有机氮含量高于始冰阶和盛冰阶形成的 L 1 L L l 、L 1 L L 2 中的有机氮，其高一低值的分布与黄土一古土壤中冷一暖变化相 互对应有机氮的含量变化在一定程度上也反映了植被的生长发育程度，同样 揭示了东皿夏季风对黄土高原的影响速效性氮( 交换性铵态氮和水溶性铵态 氮) 在洛川黄土剖面中的含量低，主要在o ¨g - g - l1 1 ．5 9 9 ·g “之间变化，在古± 壤S ．和间冰阶时期形成的弱土壤化黄土L l S S l 中有较高的值，反映了速勰性氮 与土壤湿度和粘粒的含量有关由于速效性氮和固定铵态氮在黄土剖面中的振 荡幅度不大，总氮的分布基本与有机氮一致，其在黄土剖面中的变化主要受有 机氮变化的制约 3 ．黄土．古土壤层位中固定铵态氮占1 总氮的2 4 ％～4 3 ％，其含量在1 4 0 p ，g ·g 一． 2 1 0 p ．g ．g o 之间变化黄土层中的固定铵态氮含量低于相邻的古土壤发育于最 暖湿气候条件下的古土壤S 5 中固定铵态氮含量最高，平均为2 0 1 ．8 7 L t g ．g ～，形 - - 成于最干冷气候条件下的黄土L 2 中有最低的固定铵态氮含量，为1 4 5 p ．g ．g 。

1 左 右在s o ．L r s l 序列中固定铵态氮含量在1 3 4 p ．g - g - 11 8 7 p ．g ·g ’1 之间，平均为 】6 0 p t g ．g ～在古土壤中，固定铵态氮明显表现出高值，相反，在黄土中表现低 值S o - L 1 - S l 序列中固定铵态氮的分布曲线表现出三次大的低．高值的波动特 征，即在【．1 中固定铵态氮含量低，在S o 中固定铵态氮含量较低，在S 中固定 铵态氯含量高在玛兰黄土中，固定铵态氮含量分布又体现出三次小的波动特 征，即在L I L L l 层中，固定铵态氮含量最低，在L l L L 2 层中，固定铵态氮含量 较低，两在L T s S I 层中，固定铵态氮含量高并且，周定铵态氮与磁化率、 3 0 9 m 粒级颗粒的含量可以作为东亚冬季风强度变化的一个较好的替代指标， 发现黄土粒度分布中可以分离出具有全球的和区域的古气候意义的颗粒组分鹿 化煜等( 1 9 9 9 ) 通过研究红粘土与黄土古土壤粒度特征对比，找到了红粘土风成 成因的新证据丁仲礼等( t 9 9 9 ) 通过研究不同地点不同时间黄土沉积的粒度， 发现沙漠的进退变化是控制黄土沉积颗粒变化的一个重要因素，并提出了砂粒百 分含量变化作为指示沙漠进退的一个代用指标。

熊尚发等( t 9 9 9 ) 通过对粒度与 磁化率的对比研究，发现两者在幅度和相位上存在明显的差异，说明了古风场和 粉尘源区变化与粉尘沉积区气候变化之间不统一，意味着控制夏季风强度变化和 控制冬季风强度变化的机制存在差异刘乐军等( 2 0 0 0 ) 对鲁中黄土粒度特征进 行了研究，发现粗颗粒含量分布较好地反映了本区气候冷暖周期性变化谢远云 等( 2 0 0 2 ) 研究了民和黄土，结果表明民和黄土( 3 0 9 m ， 5 0 9 m ) 分别冬季风强 度变化和青藏商原阶段性隆升所激发产生的黄土物源区作用 因此，黄土粒度的分析是解释东亚冬季风演化的一种重要的手段粒度特征 常被视为反映冬季风强弱的最佳替代性指标 7 矿物学 7 ．1 重矿铷组合 黄土．古土壤中重矿物种类多，但组成基本相同不透明矿物、绿帘石、普通 角闪石占了8 0 ％，随着地层变新，不稳定矿物增多，稳定矿物减少( 刘东生 等，1 9 8 5 ) H eX i u b i n ，e ta 1 ．( 1 9 9 7 ) 分析了洛川、武公等全新世黄土剖面，认为 细沙到粉沙部分颗粒中的重矿物记录了环境和成土作用的变化 7 ．2 粘土矿物 刘东生等( 1 9 8 5 ) 对洛川黄土中的粘土矿物进行研究，发现黄土中粘土矿物 以伊利石为主，还有高岭石、蒙脱石、绿泥石、蛭石及少量无序／有序混合层结构 矿物，古土壤与黄土在粘土矿物方面的差异主要表现在伊利石的结构变化及绿泥 石和蛭石相对量的差异两方面，并首次将结晶度应用到黄土环境的研究中来。

V ．E ．K a l me ta 1 ．( 1 9 9 6 ) 对宝鸡黄土剖面进行了研究，发现主要粘土矿物为伊利石 ( 5 5 ％．7 5 ％) 、高岭石( 1 0 ％一2 5 ％) 、混层绿泥石- 蛭石( 1 0 ％一2 0 ％) 、绿泥石 ( 5 测定含量范围／％ 酸解氨态氮 氨基糖态氮 非酸解性氮这些形态的氮主要来源 于三个组分：植物残体氮，腐殖质氮，微生物氮( P o r p o r a t oe ta 1 ．，2 0 0 3 ) 在土壤 中这三种组分存在着紧密的联系( 图8 ) l 土壤腐殖质氮 图8 ：有机质的主要组分 腐殖质是土壤中非活性的有机部分B a ：r t h o l o m e w ( 1 9 8 9 ) 报道全世界约有9 X l O “吨的氮被固定在土壤腐殖质中，氮索固定于腐殖质中是伴随着氧化作用进行的 ‘其影响因素有土壤有机质的含量、氨的浓度、土壤含水量、土壤温度和土壤p H 等( 陈 刚才，2 0 0 0 ) 有机氮化台物的分解和固定是与有机物质在土壤中的降解同步进行的作物秸 秆、作物残体等有机物在土壤微生物的作用下，分解并产生两大类腐殖质物质：一 类直接参与腐殖质的结构．如富里酸和胡敏酸；另一类并不是腐殖质结构的直接组 成成分，如氨基酸，核酸及其衍生物等。

后一类含氮化合物可以继续被微生物分解 为二氧化碳和氨，也可以进～步参与腐殖质的更新F o l i n ( 1 9 9 3 ) 曾用“C 和“N 双标 记的氨基酸和核酸降解产物尿嘧啶进行研究，结果表明甘氨酸、丙氨酸和尿嘧啶的 碳和氮均进入了所有被分离的腐殖质组分中，施入土壤1 - 3 周后达最大值，卜2 月 后进入量迅速减少一年后测定，被标记的氨基酸第二个碳原子依然留在腐殖质组 分中，这充分说明加入的外源氨基酸不仅更新了腐殖质中的碳，而且更新了腐殖质 中的氮与氨基酸相比，尿嘧啶上的第二个碳原子却从腐殖质的组分中脱掉了，这 说明尿嘧啶尽管参与了腐殖质的更新，但容易被微生物分解，动力学研究表明，氨 基酸和尿嘧啶的碳和氮更新土壤腐殖质分为两个过程：开始对标记的有机化合物很 快与腐殖质表面分子官能团结合，形成腐殖质物质的分子片段，这仅仅是松散的键 合，进而才转化成稳定的分子结构第二个过程是连续的微生物分解过程，由于微 生物的活动，使已形成键合的腐殖质物质分子片段从腐殖质表面解离出来，而首先 被分离出来的是键合不牢的分子片段对于被分离的各腐殖质组分的组成测定结果 表明，氮的总更新速度比碳快1 —2 倍。

腐殖质更新机理的研究对于阐明：￡壤氮素生 物地球化学循环机理以及提高土壤肥力和肥效均有很重要的意÷义 2 土壤微生物氮 氮的生物固定作用对减少土壤中氮素的流失具有重要的意义，没有微生物的活 动，就不可能有肥沃的土壤土壤化学家丘林( 1 9 7 6 ) 认为土壤微生物体的含量可达 0 ．5 - 0 ．7 t ／h 2 m 世界上土壤微生物体总量约为6 ×1 0 在土壤中，微生物体不但数 量大，而且是最容易变化的有机体部分，他的生命周期短，很快死亡和矿化据 M a r u m o t o ( 1 9 9 3 ) 的研究，将标记的真菌和细菌在土壤中培养l O 天后平均分解量为 4 3 ％和3 4 ％，2 8 天后达到5 0 9 6 左右，微生物分解产物最容易进入土壤腐殖质部分就 氮素而言，微生物体是植物营养重要的氮库和转运站至于微生物固定态氮如何转 入土壤腐殖质中的机理，目前有两种观点：一种认为微生物死后，其体内的蛋白质 分解为氨基酸，在酶的作用下，通过转氨基作用与腐殖质功能团上的醌基形成复杂 的含氮化合物，这一反应是～般化学反应还是酶促反应，目前尚不清楚，但测定出 这一含氮化合物为杂环化合物氮。

关于有机固定氮的生物降解作用，法国学者 G u c k e r r 等( 1 9 9 2 ) 把它分为两个阶段：第一阶段为初级氧化阶段，表现为新鲜有机 物质的转化和微生物旺盛的发育；第二阶段是再矿化阶段，表现为微生物细胞及其 合成产物的分懈，微生物细胞质的氮矿化之后，可能再一次合成为异氧型微生物的 蛋白质成分 ／a n s o n 等( 1 9 8 7 ) 认为土壤中生物固定态氮的年矿化量为3 ％一4 ，7 ％，K u n d l e r 等( 1 9 8 5 ) 指出，在分解的第一年内，植物可吸收生物结合态氮量的4 ％一1 2 ％，之后降 到0 ％一2 ％根据朱兆良( 1 9 8 6 ) 的资料，用风干土淹水密闭培养法测定出太湖地区水 稻土的氢素矿化率为0 ．0 8 ％一7 ．7 5 ％ 3 有机氮的矿化作用和固持作用( 1 i T ) 这两个过程实质上都属于生物化学过程，而且都依赖于构成异氧生物体的微生 物活性N 由有机态转化为无机态的。