文星跃

(西华师范大学 国土资源学院，四川 南充 637009)



古土壤用于古环境重建的理论与方法

文星跃

(西华师范大学 国土资源学院，四川 南充 637009)

古土壤是过去环境变化的良好记录者，受到广泛的研究。古土壤形态特征有别于相邻地层中的沉积物或岩石，通过发生层中颜色、粒度、新生体等形态特征可以很好地辨识。古土壤类型主要依据现代土壤系统分类并参照土壤发生学与诊断层特征标准进行分类。重建古环境是古土壤研究的主要内容，利用古土壤元素地球化学特征、碳氧同位素以及其他一些理化性质是定性与定量描述古环境的常用手段。当前需加强古环境重建模型以及现代土壤发生学机理的研究，慎重选择环境替代性指标。

古土壤；土壤发生特征；环境指标；古环境重建

环境变化是人类关注的重要课题，恢复区域性古环境历史对理解全球变化与预测未来演变趋势以及认识古人类活动均具有重要意义[1-3]。古土壤(Paleosols)是过去表生环境下的产物，蕴藏着其形成时期的环境特征，是记录过去环境与气候变化的良好载体，受到广泛的研究，尤其是中国黄土-古土壤序列研究对揭示亚洲季风区第四纪气候冷暖波动发挥了重要作用[1,4]。随着研究的深入，科学家们为获取更长时间段的过去环境演变数据以服务于未来气候预测，年代久远的晚第三纪以前(深时)古土壤逐渐受到重视[5-8]；而且，距今最近且能直接反映人类活动演变历史的晚第四纪(晚更新世以来)古土壤也倍受关注[9-12]。基于现代土壤学、元素地球化学、矿物学和沉积学等相关学科的理论与方法，定性和定量重建古环境是古土壤研究的主要内容。本文就古土壤辨识、分类以及利用古土壤重建古环境的主要方法进行简要的介绍与评述，期望相关学科领域的学者关注并参与古土壤研究，推动我国在这一研究领域的快速发展。

1 古土壤的辨识

根据保存状况，古土壤可划分为埋藏型、埋藏裸露型和残余型三种类型[13]。埋藏型古土壤形成后便被长期掩埋，受后期成土作用影响相对较少，更多地留存着土壤形成时期的古环境信息；而埋藏裸露型和残余型古土壤因出露地表，叠加了后期不同时期成土作用影响，用于研究古环境的难度较大，因此目前用于古环境重建的古土壤多是埋藏型古土壤。尽管受埋藏挤压影响，但在曾经成壤作用改造下，古土壤仍然保留着有别于相邻地层中沉积物或母岩的形态特征。在第四纪黄土-古土壤序列中，因有机质或铁氧化合物含量的增加，古土壤较黄土沉积物颜色偏暗(或红)(图1)；河流相沉积物(岩)上发育的古土壤已无明显的二元沉积结构或层理或波纹构造等沉积特征，而和颗粒成岩母质也会失去原有的结晶结构和颗粒排列特征[14]；在年代久远的一些深时(DeepTime)古土壤中，有机质层受还原环境的影响常呈灰褐色或绿灰色，而淀积层因赤铁矿物相对较高而偏红[15](图2)。事实上，通过颜色、粒度、植物根系(或根系痕迹)、土壤团聚体以及铁氧化合物、碳酸盐、粘粒胶膜等成壤次生物等指标的综合判断可以很好地识别古土壤[14-17]。例如，通过显微观察可发现古土壤中存在而母岩或母质没有的粘粒胶膜、次生碳酸盐或铁锰氧化物等，对比现代土壤与深时古土壤碳酸盐结核均可见方解石微晶聚集和裂隙中充填的显晶方解石(图3)。

2 古土壤分类及环境意义

通过古土壤类型与现代土壤类型对比，结合现代土壤类型与气候的对应关系，可以定性解译古气候特征，同时，古土壤分类也便于不同区域古土壤及其与现代土壤之间的对比。目前缺乏统一的古土壤分类体系，多是依据现代土壤系统分类，并参照现代土壤发生学与诊断层特征标准进行命名[18-19]。受长期的埋藏影响，古土壤的一些土壤特征或已缺失(如有机质亏损和阳离子交换量减少)，严格按现代土壤分类标准执行存在困难，因此常利用古土壤某些化学性质和岩相学标准来进行划分，例如，Al2O3/(CaO+MgO+K2O+Na2O)的分子量比值可以区分古土壤中的老成土(Ultisols)和淋溶土(Alfisols)[20]；可以利用古土壤剖面的钙结层深度辨别旱成土(Aridisols)[21]；尽管过去形成的软土(Mollisols)表层有机质大量亏损，但仍可通过团粒结构和细小根系辨别其松软表层[14]。此外，有学者[22]基于对古土壤形态特征和矿物观察，提出了单独针对古土壤的分类标准，其优点在于易于识别并描述古土壤，但从古环境解释角度，因脱离了与现代土壤的关系，不利于古环境的重建[20]。

3 利用古土壤重建古环境

3.1 利用古土壤定性重建古环境

土壤或母质的风化成壤强度与外部环境的水热状况密切相关，利用古土壤成壤强度可以描述其形成时期外部环境的冷暖和干湿特征。土壤及母质中的元素地球化学特征是揭示成壤强度的重要指标。风化成壤作用会导致土壤或母质(岩)中的各类元素发生不同程度的迁移、转换和流失，通过比较不同样品元素地球化学特征可以反映古土壤发育程度，进而反映一定时间尺度内气候冷暖、干湿变化。

利用大量元素构成的风化成土强度指标在古土壤剖面中的变化及其与现代土壤类比，是定性揭示古环境特征的常用手段，如硅铁铝率(SiO2/(Al2O3+Fe2O3))、硅铝率(SiO2/Al2O3)、基本盐基离子的淋失率((CaO+MgO+Na2O+ K2O )/TiO2)、CIA指数(Al2O3/(Al2O3+ CaO + Na2O +K2O))等。由于K易受埋藏过程交代作用和变质作用的影响，CIA-K指数(Al2O3/(Al2O3+CaO+Na2O))也常被用于指示古土壤发育程度及古环境意义[5,23]。此外，Al/Si比值被认为是判断古土壤粘土层或Bt层的指标而被应用[24-25]；Fe2+/Fe3+比值有助于理解土壤的氧化还原条件，被用于比较不同时期古土壤发育的环境状况[26-27]，但需考虑母质的差异，如，Fe2+/Fe3+比值>2或>4～5的玄武岩上发育的古土壤该值分别<0.5或<1[28-29]；通常火成岩和沉积岩母岩均以还原性的Fe2+为主；而且，古土壤具有较多的氧化态Fe3+也是其颜色偏红的原因[16]。

一些微量元素地球化学特征也常被用来辨别古土壤成土强度及定性揭示古环境。如，Ba/Sr可以指示古土壤风化淋溶程度，已被运用于不同地质时期古土壤研究[30-31]；U/Th对于揭示风化成壤条件的强弱有重要作用[32]，但风尘沉积可能会导致U富集[33]，该指标不适用发育时间较长的古土壤。稀土元素不仅是很好的沉积物(岩)的物源“示踪器”，也会因成壤作用而发生规律性变化，可用于判识古土壤成壤强度及环境特征[27,34]。

除上述元素地球化学特征以外，土壤颗粒组成、磁化率、有机质、孢粉、碳同位素等指标值也会随气候和植被等环境条件差异而不同，常被用于揭示古土壤剖面不同时期气候或植被特征变化[1,35-36]。需特别指出的是，古土壤研究中通常是运用多指标相互印证来揭示古环境，单一指标往往并不能说明问题。例如，如果仅根据古土壤成土碳酸盐及草食动物牙齿化石中同位素判断肯利亚Fort Ternan地区在14.4Ma前为热带森林景观，但结合古土壤元素地球化学反映的土壤发生学特征以及动植物化石种类等确定当时为稀树草原景观[14,37-38]，后来发现直到7Ma左右热带草本植物也按C3植物途径进行光合作用[39]；如果古土壤发育于干旱区湖泊沿岸，古土壤碳同位素分析往往会认为古环境为森林景观，但结合古土壤剖面发生层、粘粒与成土碳酸盐层次等分析，便会得出干旱区湖岸灌丛景观的合理解释[16]。

3.2 利用古土壤定量重建古环境

现代土壤CIA-K指数与区域年降水量之间存在显著相关性[40]，被广泛应用于古生代到新生代各时期的古降水量定量重建[17,25,41]，但局限于具有雏形层或粘化层的古土壤[24,40]。因现代干旱、半干旱环境下土壤剖面中成壤碳酸盐或石膏淀积层深度与年平均降水量之间存在定量关系，含有成壤碳酸盐或石膏层的古土壤也被用于定量重建古降水[42-43]。借助半干旱环境下土壤盐化率((K2O+Na2O)/Al2O3)跟年均气温关系式，利用相应环境条件形成的同类古土壤可定量估算古气温[44-45]。

成壤碳酸盐中的C、O同位素组成受控于植物根系呼吸或氧化分解产生的CO2以及土壤空气CO2、气温与降水等因子，利用古土壤中的成壤碳酸盐不仅可以反映古植被类型与定量恢复古气候特征(降水与气温)，还可以用于恢复古大气CO2浓度的变化历史[46-48]，但在野外采样时需注意辨识碳酸盐是否为后期埋藏条件下水成作用产生。而且，结合现代土壤中的成壤碳酸盐氧同位素与大气降水、气温的定量关系以及降水中的氧同位素值随海拔高度变化规律，古土壤成壤碳酸盐中的氧同位素还被运用于恢复青藏高原、安第斯山脉等古高程[7,49-51]，相比于前期利用不同海拔梯度古土壤发生学特征[52-54]以及古土壤有机质碳同位素[55]估算高原隆升幅度，这是一大亮点。此外，成壤作用形成的赤铁矿、针铁矿和三水铝石等矿物中的C、O同位素与大气环境密切相关，提取古土壤中这些矿物也可重建古气温和古大气CO2浓度[56-57]。

4 古土壤用于重建古环境的局限性

利用古土壤定量重建古环境是未来的一大趋势，当前主要基于现代土壤发生特征与成土因素关系进行推断。土壤发育受气候、母质、地形、植被、时间等多种因素影响，故利用现代土壤建立的古环境重建模型须根据同一环境条件且同一类型土壤的发生学特征参数。而目前古土壤研究参照的现代土壤与环境(主要是气候因子)关系的数据通常来自不同区域、不同地质及气候条件，影响了结果的可靠性[5,58]。而且，已有的利用古土壤重建古环境模型往往具有条件限制，而且不同的模型间计算结果也会产生较大差异[5]。因此，研究者在选择前人建立的模型时需慎重考虑，或者应建立适合区域气候和母质背景、样品类型的古环境重建模型，同时，应加强现代土壤发生学与环境关系机理研究[8]。此外，古土壤因受埋藏挤压、地下水、成岩作用以及后期环境变化等影响，一些理化性质可能发生了较大变化，剔除这些影响及建立或选择合适的环境替代性指标是提高研究可靠性的关键。

5 结 语

(1)古土壤是恢复过去环境与气候特征的重要地质材料，可根据发生层颜色、颗粒组成、生物遗迹以及成壤次生物等形态特征辨识。

(2)目前缺乏统一的古土壤分类标准，古土壤分类主要参照现代土壤系统分类标准并辅以某些发生学或诊断层特征进行。

(3)借助现代土壤发生学特征与气候环境关系，利用古土壤可以定性与定量描述古环境。元素地球化学特征、成壤作用形成的C、O同位素以及粒度、有机质、磁化率、矿物组成等方面是利用古土壤重建古环境研究的主要内容。

(4)利用现代土壤与气候关系建立的古环境重建模型具有条件限制，缺乏普适性。古土壤研究需加强现代土壤发生学与环境关系研究，同时应谨慎选择或建立环境替代指标。

[1] LIU T S.Loess and the environment[M].Beijing:China Ocean Press,1985.

[2] ALVERSON K,BRADLEY R,PEDERSEN T.Environmental variability and climate change[M].IGBP Science No.3,2001.

[3] 施雅风,孔昭宸,王苏民,等.中国全新世大暖期的气候波动与重要事件[J].中国科学(B辑),1992(12):1300-1308.

[4] KUKLA G.Loess stratigraphy in central China[J].Quaternary Science Reviews,1987,6(314):191-219.

[5] SHELDON N D,TABOR N J.Quantitative paleoenvironmental and paleoclimatic reconstruction using paleosols[J].Earth-Science Reviews,2009,95(1):1-52.

[6] HUANG C M,RETALLACK G J,WANG C S,et al.Paleoatmospheric pCO2fluctuations across the Cretaceous-Tertiary boundary recorded from paleosol carbonates in NE China[J].Palaeogeography,Palaeoclimatology,Palaeoecology,2013,385:95-105.

[7] LEIER A,MCQUARRIE N,GARZIONE C,et al.Stable isotope evidence for multiple pulses of rapid surface uplift in the Central Andes,Bolivia[J].Earth and Planetary Science Letters,2013,371:49-58.

[8] 文星跃,黄成敏,王成善.重要环境与气候变化事件:深时古土壤的记录与响应[J].土壤通报,2015,46(5):1272-1280.

[9] AN Z S,KUTZBACH J E,WU X H,et al.Asynchronous Holocene optimum of the East Asian monsoon[J].Quaternary Science Reviews,2000,19:743-762.

[10] MAHER B A,HU M Y.A high-resolution record of Holocene rainfall variations from the western Chinese Loess Plateau:antiphase behaviour of the African/Indian and East Asian summer monsoons[J].The Holocene,2006,16(3):309-319.

[11] AMOROSI A,BRUNO L,ROSSI V,et al.Paleosol architecture of a late Quaternary basin-margin sequence and its implications for high-resolution,non-marine sequence stratigraphy[J].Global & Planetary Change,2014,112:12-25.

[12] DAR R A,CHANDRA R,ROMSHOO S A,et al.Micromorphological investigations of the Late Quaternary loess-paleosol sequences of the Kashmir Valley,India[J].Journal of Asian Earth Sciences,2015,111:328-338.

[13] NETTLETON W D,OLSON C G,WYSOCKI D A.Paleosol classification: problems and solutions[J].Catena,2000,41(1):61-92.

[14] RETALLACK G J.Miocene paleosols and ape habitats of Pakistan and Kenya[M].New York:Oxford University Press,1991.

[15] RETALLACK G J.Untangling the effects of burial alteration and ancient soil formation[J].Annual Review of Earth and Planetary Sciences,1991,19:183-206.

[16] RETALLACK G J.Paleosols[M]//Henke W,Tattersall I.Handbook of paleoanthropology,Volume 1:Principles,methods and approaches.Berlin:Springer,2007.

[17] RETALLACK G J.Ediacaran Gaskiers Glaciation of Newfoundland reconsidered[J].Journal of the Geological Society,2013,170(1):19-36.

[18] 黄成敏,RETALLACK G J,王成善.白垩纪钙质古土壤的发生学特征及古环境意义[J].土壤学报,2010,47(6):1029-1038.

[19] NARKIEWICZ M,RETALLACK G J.Dolomitic paleosols in the lagoonal tetrapod track-bearing succession of the Holy Cross Mountains (Middle Devonian,Poland)[J].Sedimentary Geology,2014,299:74-87.

[20] RETALLACK G J.Adapting soil taxonomy for use with paleosols[J].Quaternary International,1998,51/52:55-79.

[21] RETALLACK G J.The environmental factor approach to the interpretation of paleosols[J].Soil Science Society of America Special Publication,1994,33:31-64.

[22] MACK G H,JAMES W C,MONGER H C.Classification of paleosols[J].Geological Society of America Bulletin,1993,105(2):129-136.

[23] MAYNARD J.Chemistry of modern soils as a guide to interpreting Precambrian paleosols[J].The Journal of Geology,1992,100(3):279-289.

[24] PROCHNOW S J,NORDT L C,ATCHLEY S C,et al.Multi-proxy paleosol evidence for middle and late Triassic climate trends in eastern Utah[J].Palaeogeography,Palaeoclimatology,Palaeoecology,2006,232(1):53-72.

[25] HAMER J,SHELDON N,NICHOLS G,et al.Late Oligocene-Cearly Miocene paleosols of distal fluvial systems,Ebro Basin,Spain[J].Palaeogeography,Palaeoclimatology,Palaeoecology,2007,247(3):220-235.

[26] RELLACK G J.Postapocalyptic greenhouse paleoclimate revealed by earliest Triassic paleosols in the Sydney Basin,Australia[J].Geological Society of America Bulletin,1999,111:52-70.

[27] SHELDON N D.Abrupt chemical weathering increase across the Permian-Triassic boundary[J].Palaeogeography,Palaeoclimatology,Palaeoecology,2006,231(3):315-321.

[28] SHELDON N D.Pedogenesis and geochemical alteration of the Picture Gorge subgroup,Columbia River basalt,Oregon[J].Geological Society of America Bulletin,2003,115(11):1377-1387.

[29] SAYYED M,HUNDEKARI S.Preliminary comparison of ancient bole beds and modern soils developed upon the Deccan volcanic basalts around Pune (India):Potential for palaeoenvironmental reconstruction[J].Quaternary International,2006,156:189-199.

[30] KRULL E S,RETALLACK G J.δ13C depth profiles from paleosols across the Permian-Triassic boundary:Evidence for methane release[J].Geological Society of America Bulletin,2000,112(9):1459-1472.

[31] SHELDON N D.Precambrian paleosols and atmospheric CO2levels[J].Precambrian Research,2006,147(1/2):148-155.

[32] LI Y H. A compendium of geochemistry: from solar nebula to the human brain [M].Princeton:Princeton University Press,2000.

[33] PETT-RIDGE J C,MONASTRA V M,DERRY L A,et al.Importance of atmospheric inputs and Fe-oxides in controlling soil uranium budgets and behavior along a Hawaiian chronosequence[J].Chemical Geology,2007,244(3):691-707.

[34] CONDIE K C,DENGATE J,CULLERS R L.Behavior of rare earth elements in a paleoweathering profile on granodiorite in the Front Range,Colorado,USA[J].Geochimica et Cosmochimica Acta,1995,59(2):279-294.

[35] 安芷生,PORTER S,KUKLA G,等.最近13万年黄土高原季风变迁的磁化率证据[J].科学通报,1990,35(7):529-532.

[36] GUO Z T,BISCAYE P,WEI L Y,et al.Summer monsoon variations over the last 1.2 Ma from the weathering of loess-soil sequences in China[J].Geophysical Research Letters,2000,27(12):1751-1754.

[37] CERLING T E,HARRIS J M,AMBROSE S H,et al.Dietary and environmental reconstruction with stable isotope analyses of herbivore tooth enamel from the Miocene locality of Fort Ternan,Kenya[J].Journal of Human Evolution,1997,33(6):635-650.

[38] RETALLACK G J.Middle Miocene fossil plants from Fort Ternan (Kenya) and evolution of African grasslands[J].Paleobiology,1992,18:383-400.

[39] FOX D L,KOCH P L.Tertiary history of C4biomass in the Great Plains,USA[J].Geology,2003,31(9):809-812.

[40] SHELDON N D,RETALLACK G J,TANAKA S.Geochemical climofunctions from North American soils and application to paleosols across the Eocene-Oligocene boundary in Oregon[J].Journal of Geology,2002,110:687-696.

[41] SHELDON N D,COSTA E,CABRERA L S,et al.Continental climatic and weathering response to the Eocene-Oligocene transition[J].The Journal of Geology,2012,120(2):227-236.

[42] RETALLACK G J.Pedogenic carbonate proxies for amount and seasonality of precipitation in paleosols[J].Geology,2005,33(4):333-336.

[43] RETALLACK G J,HUANG C M.Depth to gypsic horizon as a proxy for paleoprecipitation in paleosols of sedimentary environments[J].Geology,2010,38(5):403-406.

[44] SHELDON N D,RETALLACK G J.Low oxygen levels in earliest Triassic soils[J].Geology,2002,30(10):919-922.

[45] RETALLACK G J.Permian and Triassic greenhouse crises[J].Gondwana Research,2013,24(1):90-103.

[46] CERLING T E.Stable carbon isotopes in paleosol carbonates[M].International Association of Sedimentologist Special Publication,1999.

[47] ARENS N C,JAHREN A H,AMUNDSON R.Can C3plants faithfully record the carbon isotopic composition of atmospheric carbon dioxide? [J]. Paleobiology, 2000, 26(1):137-164.

[48] LI J, WEN X Y,HUANG C M.Lower Cretaceous paleosols and paleoclimate in Sichuan Basin,China[J].Cretaceous Research,2016,62:154-171.

[49] QUADE J,BREECKER D O,DA RON M,et al.The paleoaltimetry of Tibet:An isotopic perspective[J].American Journal of Science,2011,311(2):77-115.

[50] GARZIONE C N,HOKE G D,LIBARKIN J C,et al.Rise of the Andes[J].Science,2008,320:1304-1307.

[51] CARRAPA B,HUNTINGTON K W,CLEMENTZ M,et al.Uplift of the Central Andes of NW Argentina associated with upper crustal shortening,revealed by multiproxy isotopic analyses[J].Tectonics,2014,33(6):1039-1054.

[52] 高以信,陈鸿昭,吴志东.西藏高原古土壤与高原隆起的关系[M]//中国科学院青藏高原综合考察队.青藏高原隆起的时代、幅度和形式问题.北京:科学出版社,1981.

[53] 龚子同,陈鸿昭,刘良梧.中国古土壤与第四纪环境[J].土壤学报,1989,26(4):379-387.

[54] 姚小峰,郭正堂,赵希涛,等.玉龙山东麓古红壤的发现及其对青藏高原隆升的指示[J].科学通报,2000,45:1671-1675.

[55] 郭正堂,吴海斌,魏建晶,等.用古土壤有机质碳同位素探讨青藏高原东南缘的隆升幅度[J].第四纪研究,2001,21(5):392-398.

[56] TABOR N J,YAPP C J,MONTA EZ I P.Goethite,calcite,and organic matter from Permian and Triassic soils:carbon isotopes and CO2concentrations[J].Geochimica et Cosmochimica Acta,2004,68(7):1503-1517.

[57] YAPP C J.18O/16O and D/H in goethite from a North American Oxisol of the Early Eocene climatic optimum[J].Geochimica et Cosmochimica Acta,2008,72(23):5838-5851.

[58] NORDT L,OROSZ M,DRIESE S,et al.Vertisol carbonate properties in relation to mean annual precipitation:Implications for paleoprecipitation estimates[J].The Journal of Geology,2006,114:501-510.

Paleoenvironmental Reconstruction Using Palosol：Theories and Methods

WEN Xingyue

(College of Land and Resources,China West Normal University,Nanchong Sichuan 637002,China)

As good geologic archives for paleoenvironmental reconstruction,paleosols are widely concerned.The morphology features of paloesols can be recognized through the observations on colour,particle size and new growth that differ from those of nieghboring sediments or rocks strata.Paleosols are classified mainly on the basis of taxonomic classification of modern soils and features of pedogenesis and diagnostic horixons.Paleoenvironmental reconstruction is an important part for paleosol research,in which elemental geochemistry features,isotopes of carbon and oxygen and other physical and chemical properties in paleosols are used to depict paleoenvironment in qualitative and quantitative ways.The further studies on the reconstruction model for paleoenvironment,genesis mechanism of modern soils and environmental proxies should be strengthened.

paleosol;feature of soil development;environmental proxy;paleoenvironmental reconstruction

1673-5072(2016)04-0370-06

2016-10-27

国家自然科学基金项目(41671220)

文星跃(1970—)，男，重庆市巴南区人，博士，副教授，主要从事土壤发生与环境变化、环境地学研究。

文星跃，E-mail:wenxy@cwnu.edu.cn

P597; S151

A

10.16246/j.issn.1673-5072.2016.04.002