黃土高原聚湫沉積旋回特征及地球化學劃分①

王夏青，彭保發，李福春，闞 尚

?

黃土高原聚湫沉積旋回特征及地球化學劃分①

王夏青1,2，彭保發1,2，李福春3，闞 尚3

(1 湖南文理學院資源環境與旅游學院，湖南常德 415000；2 洞庭湖生態經濟區建設與發展湖南省協同發展中心，湖南常德 415000；3 南京農業大學資源與環境科學學院，南京 210095)

黃土高原聚湫/淤地壩內的沉積物是黃土再侵蝕搬運的直接結果，以高堆積速率和多沉積旋回為特征，是追蹤該地區小流域土壤侵蝕、認識黃土高原地球關鍵帶過程的理想載體。如何鑒定并有效劃分沉積旋回是利用沉積序列恢復小流域土壤侵蝕和生態環境變化過程的基礎。本文選取靖邊和合水聚湫為代表，通過典型可見沉積旋回的物理、地球化學和生物等指標綜合分析，較全面地認識沉積旋回特征，進而提出劃分旋回的有效地球化學指標。結果表明：沉積旋回的下部粗顆粒層主要由粗粉砂和細砂組成，以低含水量、高亮度為特征，富集石英和鋯石，Si和Zr含量高；上部細顆粒層主要由黏粒和細粉砂組成，具水平層理，含水量高，亮度較低，富集方解石、白云母、伊利石、綠泥石、高嶺石等輕礦物，高Al、K、Fe、Rb、Ca和Sr等造巖元素，富含孢粉、有機碳氮、磷脂脂肪酸及微生物。在此基礎上，提出Rb/Zr比值是有效劃分黃土高原聚湫/淤地壩沉積旋回的地球化學指標。這為深入認識黃土高原地球關鍵帶中侵蝕風化、水文和生態環境變化等過程提供了研究載體和基礎。

沉積旋回；Rb/Zr比；聚湫/淤地壩；地球關鍵帶；黃土高原

地處東亞季風邊緣地帶的中國黃土高原地表以強烈的土壤侵蝕和脆弱的生態環境為特征。該地區的土壤侵蝕涉及到地球關鍵帶(earth’s critical zone)研究的3大過程：侵蝕風化過程、水文過程和生物地球化學過程，是控制流域關鍵帶物質、能量和信息流動與轉化的重要節點[1-3]。因此，示蹤流域內土壤侵蝕與遷移過程和歷史對認識黃土高原地球關鍵帶功能具有重要的意義。

黃土高原分布有大量的聚湫、淤地壩和水庫，一些壩庫具有確切形成或修建時間，可以追溯到幾百年前。這些聚湫/淤地壩將自壩體形成以來的經歷再次侵蝕搬運的泥沙截留在壩庫中，并以沉積旋回為最小單元連續地保存下來，形成約10 ~ 60 m不等的沉積序列[4-12]。因此，黃土高原特有的壩庫沉積物為高分辨率研究地球關鍵帶中侵蝕和沉積、水文事件、土地利用等過程和歷史提供了難得的地質載體[13-20]。然而，有關黃土高原流域侵蝕過程和歷史的研究主要集中在最近60 a，對歷史時期黃土高原暴雨侵蝕過程的認識還十分有限。其中一個最大的障礙在于如何有效地劃分沉積旋回。

黃土高原聚湫/淤地壩沉積序列由物源一致且層理明顯的沉積旋回疊加而成，每個沉積旋回是單次暴雨侵蝕沉積作用的結果。每次暴雨后，流域內的地表泥沙侵蝕進入聚湫和淤地壩，通過分選作用，形成兩層結構的沉積旋回，即下部粗顆粒層和上部細顆粒層。沉積旋回數量和產沙模數主要受控于暴雨的頻率和強度[10]。一些學者對黃土高原壩庫沉積序列開展了相關研究，從沉積結構、孢粉[11, 21]、粒度分布[22-23]及元素組成[24]等方面描述了沉積旋回的特征。例如，龍翼等[11]分析了黃土洼聚湫出露剖面長約12.73 m沉積序列的粒度和孢粉含量，并根據兩個指標劃分了沉積旋回，在此基礎上計算了各旋回的產沙模數；Zhang 等[13]根據野外剖面觀察、粒度和孢粉含量分布及經驗性分析，進一步提出了聚湫沉積旋回中年際凍融層的概念，其是一年內末次旋回上部細顆粒層經歷凍融作用的結果，為沉積旋回的年際劃分提供了依據。然而，這些工作都是基于野外肉眼可見的、厚的沉積旋回的某一方面進行的，缺乏對旋回全面的認識，特別是難以識別一些肉眼不易分辨的旋回，更缺乏劃分沉積旋回的有效指標，從而阻礙了沉積序列信息的全面提取及對流域地表過程的深入認識。

本文擬在全面分析黃土高原北部靖邊聚湫、南部合水聚湫沉積旋回物理、地球化學、生物特征指標的基礎上，提出高分辨率劃分沉積旋回的地球化學指標，進而解析其物理、地球化學和生物特征耦合機制，從而為聚湫/淤地壩沉積序列旋回劃分、反演流域侵蝕歷史及生態環境演變過程，以及認識黃土高原地球關鍵帶過程提供基礎。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

1.1.1靖邊花豹灣流域 花豹灣流域(37°18′N, 108°36′E，圖1A)位于陜西省靖邊縣王渠則鎮花豹灣村，無定河源頭紅柳河上游溝谷。流域內聚湫(JB-1)形成于清朝咸豐年間(公元1851—1861年)，溝谷左岸黃土坡天然滑坡和坍塌阻截溝谷形成“聚湫”(圖1B)[25]。目前，該聚湫壩高67 m，淤積地面平均海拔約1 560 m，溝谷相對高差約200 m。經野外實地測量，聚湫流域面積為2.87 km2，縱長約1.15 km，淤積地面面積約為0.19 km2。野外勘察還發現，在聚湫的天然滑坡壩下游約500 m處，殘留一塊兩側被下切至原始溝谷的沉積臺地，并于臺地下游約1 000 m處發現一明顯的古滑坡痕跡(圖1B)。由此判斷，該臺地是一古聚湫(JB-2)的沉積產物，其形成年代不詳。古聚湫的淤積臺面平均海拔約1 550 m，溝谷相對高差約250 m，流域面積為7.87 km2，殘留的臺地面積約為1.32 × 105m2，厚約5 m，總體積約為6.68 × 105m3。

圖1 黃土高原靖邊(JB)聚湫、合水(HS)聚湫地理位置(A)及采樣點分布圖(B：靖邊聚湫；C：合水聚湫)

該流域以破碎梁狀丘陵帶峁頂地貌為特征，黃土層主要為上更新統上部風積黃綿土，其主要特點為土壤質地稍細，在雨水作用下極易受蝕。該地區屬半干旱大陸性季風氣候。據靖邊縣氣象局1957—1980年測量和統計資料，該地年平均氣溫為7.8℃，年平均降水量為395.4 mm，降水主要集中在6—9月，占全年降水量的63%，其中以7、8月的降水量較為集中，且多為雷陣雨、暴雨等。該地年均蒸發量為891.7 mm，約為降水量的2.5倍。該區水土流失嚴重，年產沙模數高達1.68×104t/(km2·a)[25]。

1.1.2 合水老城鎮流域 合水老城鎮流域位于甘肅省合水縣老城鎮，黃河的二級支流馬蓮河流域中游(圖1A)。合水聚湫(36°1′ N, 108°7′ E, HS, 圖1C)地處合水縣老城鎮段右岸。該聚湫因右岸黃土坡自然滑坡和坍塌，阻截溝谷并形成天然聚湫，距今已有100多年[26]。目前，該聚湫壩高43 m，淤積地面平均海拔約1 206 m，溝谷相對高差約200 m，聚湫流域面積為1.98 km2，縱長約1.25 km，淤積地面面積約為0.14 km2。流域內地形為典型的黃土高原溝壑，主要為第四紀黑壚土和黃綿土。該流域具有典型的溫帶大陸性季風氣候，據當地氣象局1968—2006年測量和統計資料，該地年平均氣溫為9.4℃，年平均降水量為557.7 mm，降水主要集中在6—9月，占全年降水量的70%，且多為暴雨；年均蒸發量為1 470.1 mm，約為降水量的2.5倍。合水縣內水蝕地區的年產沙模數約為3.1×103t/(km2·a)，水土流失較為嚴重[26]。

1.2 研究方法

1.2.1 巖心和散樣采集 于2013年4—5月利用螺旋鉆在JB-1聚湫和HS聚湫進行鉆探采樣。鉆探位置為各個聚湫近中心位置(圖1B，1C)，每一鉆長2.5 m，鉆頭長10 cm，鉆孔直徑為10 cm，樣品取心率近100%。JB-1和HS聚湫分別鉆取22.25 m和30.43 m的沉積巖心。其中，JB-1-10段和HS-34-2段中可見典型沉積旋回，用于分析其礦物特征，所處深度分別為3.74 ~ 3.85 m和26.16 ~ 26.25 m。散樣劃分以可見旋回分層為基礎，細顆粒層以1 cm間隔分樣，粗顆粒層以2 cm間隔分樣，JB-1-10段和HS-34-2段中典型旋回分別獲得9個和6個樣品[10]。

于2014年11月利用荷蘭生產的沖擊鉆配以重型電沖擊錘(HM 1800)鉆探JB-2古聚湫沉積序列。取心器套入的塑料管長1 m，外徑為5 cm，切割頭長為3 cm，取心率為100%。JB-2臺地共獲取巖心5.29 m，JB-2-2段中5個典型可見旋回位于巖心的1.28 ~ 1.44 m處，同樣以1 cm和2 cm間隔獲得13個散樣，用于分析含水量、色度、粒度、元素等。與此同時，在JB-2臺地右側出露剖面深度為62.0 ~ 66.5 cm(旋回1)和71.5 ~ 79.5 cm(旋回2)的兩個可見旋回以相同間隔分別采集3個和5個樣品，用于分析生物組成。

1.2.2 試驗方法 JB-2-2巖心段在蘭州大學西部環境教育部重點實驗室利用Avaatech XRF core scanner進行掃描。首先，利用該實驗室的高質量Geotek core splitter巖心切割機對所有鉆探巖心沿長軸進行切割和分離，并利用塑料三角鏟壓平分離的巖心表面；其次，為了避免污染掃描儀測量探頭和防止樣品在掃描過程中變干，在巖心表面覆蓋4 μm Ultralene薄膜，且確保薄膜沒有褶皺和在薄膜下不存在氣泡。高分辨率Avaatech XRF core scanner的儀器設置分別為：利用锘(No)管在10 kV電壓下獲取較輕元素(如Al、Si、K、Ca和Fe)的信號值，掃描步驟為2 mm，曝光時間為20 s；利用鉛(Pb)管在30 kV電壓下獲取較重元素(如Zr、Rb和Sr)的信號值，掃描步驟為2 mm，曝光時間為40 s。掃描的元素信號強度表示為峰域面積或計量數(peak area/ counts)，信號值提供了沉積序列元素組成的半定量信息[27-28]。JB-2-2巖心段色度分布利用Avaatech XRF core scanner配備的像素高達3×2048 pixels 色度照相機獲得，其掃描分辨率為0.07 mm，數據格式為RGB和CIE-l*-a*-b*兩種。

利用烘干法測定JB-2-2巖心段散樣的含水量；粒度(各粒徑的體積分數)利用英國Malvern公司生產的Mastersizer-2000型激光粒度儀測量，其誤差小于2%。以上試驗均在中國科學院地球環境研究所完成。

剖面樣品(旋回1和旋回2)的土壤有機碳(SOC)和全氮(TN)含量分布利用重鉻酸鉀外加熱法和凱氏定氮法測定；微生物生物量碳(MBC)和微生物生物量氮(MBN)利用氯仿熏蒸–K2SO4提取法測定；磷脂脂肪酸(PLFA)利用修正的Bligh-Dyer 方法測定，細菌、真菌和放線菌數量利用PLFA法測定。以上試驗均在南京農業大學資源與環境科學學院完成[29]。

JB-1-10段和HS-34-2段散樣的礦物含量在中國科學院地球環境研究所利用荷蘭帕納科公司生產的X’pert PRO MPD多晶X射線衍射儀進行測量，其儀器設置為：使用銅靶和超能陣列探測器，Ni片濾波，工作管壓和管流分別為40 kV和40 mA，掃描范圍( 2) 為5° ~ 70°，掃描步長為0. 012°/步，掃描速度29.845 s/步。測量結果利用X’pertHighscore Plus軟件和ICDD PDF22003卡片集進行礦物成分鑒定，并用Rietveld精修選項進行半定量分析[30]。

2 結果分析

2.1 典型旋回的亮度、含水量、粒度和礦物含量分布

黃土高原聚湫/淤地壩沉積的典型旋回由兩層結構組成，即下部粗顆粒層和上部細顆粒層[10-13]，該層理結構分選成層充分且足夠厚時肉眼可見并易于識別。靖邊聚湫JB-2-2巖心段的照片、亮度、含水量和粒度分布顯示于圖2中，5個旋回的粗、細顆粒層分布清晰可見。該段亮度值分布范圍為56.1 ~ 79.5 cd/m2，旋回下部粗顆粒層表現為高值，而上部細顆粒層顯示為低值，說明旋回下部較亮而上部較暗，與肉眼觀察一致。該段含水量分布范圍為56.1 ~ 193.5 g/kg，含水量的最低值和最高值分別出現在129.8 cm和142.8 cm處，總體均表現為下部粗顆粒層呈低值，上部細顆粒層呈高值，說明粗顆粒層含水量低，細顆粒層含水量高。該段粒度分布總體表現為每個旋回下部粗顆粒層主要由粗粉砂和細砂組成，上部細顆粒層主要由黏粒和細粉砂組成。

圖3 顯示HS聚湫HS-34-2巖心段和JB-1聚湫JB-1-10巖心段典型可見旋回礦物組成。兩段巖心段的典型可見旋回劃分和理化特征詳見Wang等[10]的研究報告。通過對兩個典型可見旋回不同礦物組成的半定量分析，石英在兩個旋回中所占比例最大，高達35% ~ 65%(圖3)。該兩個典型可見旋回的礦物組成總體表現為：石英主要富集在下部粗顆粒層；方解石、白云母、黏土礦物(伊利石、綠泥石、高嶺石)集中在上部細顆粒層。該礦物分布特征與JB-2古聚湫中典型可見旋回的色度、含水量和粒度分布相匹配。

圖2 JB-2-2巖心段5個典型可見旋回亮度、含水量和粒度分布

圖3 HS-34-2和JB-1-10巖心段典型可見旋回礦物組成

2.2 典型旋回的元素分布

JB-2古聚湫JB-2-2巖心段5個可見旋回的元素分布通過高分辨率XRF巖心原狀掃描獲得。單個元素的信號強度和分布受多種因素的影響，如X射線源(能力強度、光管類型)、曝光時間、沉積物物理特征等[31-37]。在最佳儀器設置下，掃描的元素信號強度主要受巖心表面平整度、巖心裂隙、粒度與礦物一致性、巖心基質、有機質含量、含水量、薄膜下水汽等表面物理屬性的影響。研究表明，含水量對原子量≤26(Fe)的元素(特別是Al、Si)影響較大，而原子量較大的元素(如Rb、Sr、Zr)幾乎不受其影響[31-33]，其他所有因素對元素信號強度的影響基本一致。

JB-2-2巖心段Zr和Si元素信號強度分布基本一致，其分布范圍分別為(3.7 ~ 8.3)×103counts和(3.1 ~ 9.9)×104counts，兩個元素的峰值均出現在各旋回的粗顆粒層中，說明Zr和Si元素富集在該層中(圖4)。為了識別其他元素(Al、K、Fe、Rb、Ca和Sr)在旋回中的分布特征，利用Zr元素信號分布作為元素比值的分母消除掃描過程中巖心表面物理屬性對所有元素信號強度的一致影響(圖4)。JB-2-2巖心段Al/Zr、K/Zr、Fe/Zr、Rb/Zr、Ca/Zr和Sr/Zr在5個可見旋回的分布基本一致，其分布范圍依次為：0.5 ~ 1.4、3.3 ~ 9.1、14.6 ~ 35.1、0.4 ~ 0.6、16.1 ~ 48.2和1.1 ~ 1.6。相比于Zr和Si，這些元素的峰值均出現在每個旋回的細顆粒層中，表明Al、K、Fe、Rb、Ca和Sr元素主要富集于該層中。

圖4 JB-2-2巖心段5個典型可見旋回元素分布

2.3 典型旋回的微生物及孢粉分布

對JB-2古聚湫兩個典型沉積旋回各層的SOC、TN、MBC、MBN、PLFA、細菌、真菌和放線菌含量分析表明，8種生物指標均在各旋回的細顆粒層中表現為高值，而低值出現在旋回的粗顆粒層中(表1)，說明土壤有機質和微生物主要富集于旋回的細顆粒層中[29]。前人有關淤地壩和聚湫典型旋回粗、細顆粒層的孢粉含量分析表明，各旋回的孢粉含量高值均出現在細顆粒層中，最高值達2 775粒/g，表明孢粉主要富集于每個旋回的細顆粒層中[21]。

表1 JB-2古聚湫沉積典型旋回的微生物特征分布

3 討論

3.1 典型沉積旋回特征

黃土高原聚湫/淤地壩沉積旋回的物質主要來源于流域再侵蝕搬運的黃土，被壩體截留后，侵蝕泥沙發生分選和成層作用，粗顆粒物質率先沉積，細顆粒物質隨后沉積，進而形成兩層結構的旋回，即下部粗顆粒層和上部細顆粒層。該旋回層理結構在其分選充足且足夠厚時肉眼可見，一些細顆粒層在出露剖面可呈現“凍豆腐”結構[10, 13]。通過綜合分析來自黃土高原南部合水聚湫和北部靖邊聚湫HS-34-2、JB-1-10和JB-2-2巖心段、JB-2古聚湫出露剖面典型可見旋回，其物理特征為：下部粗顆粒層亮度較高，主要由粗粉砂和細砂組成，含水量低，石英富集在該層。較石英密度更大、質量更重的鋯石在分選過程中更易快速沉積[38]，因此也主要集中在粗顆粒層中。上部細顆粒層亮度較低，主要由黏粒和細粉砂組成，含水量高，較輕的礦物如方解石、白云母、黏土礦物(伊利石、綠泥石、高嶺石)富集在該層。沉積旋回的地球化學特征表現為：Si和Zr主要富集在下部粗顆粒層中，而Al、K、Fe、Rb、Ca和Sr元素在上部細顆粒層的含量較高。這一結果與岳大鵬等[24]分析黃土洼聚湫沉積旋回的化學特征基本一致。旋回的生物特征表現為：上部細顆粒層的SOC、TN、MBC、MBN、PLFA、細菌、真菌、放線菌和孢粉[21]等均顯著高于下部粗顆粒層。這些特征有助于在利用聚湫/淤地壩沉積序列反演小流域不同時期生態環境和地球關鍵帶生態過程時，僅需分析各旋回上部細顆粒層的生物特征，有效減少了試驗工作量和費用。

黃土高原典型聚湫沉積旋回的物理、地球化學和生物特征分布表明，它們之間存在相互耦合的機制。當暴雨侵蝕流域溝谷地表物質匯入聚湫后，侵蝕泥沙在水體中發生分選和成層作用，含有鋯石和石英的細砂、粗粉砂率先沉積在下部，導致Zr和Si元素集中在下部粗顆粒層中；細砂及粗粉砂顆粒間的間隙較大[39-40]，土壤孔隙水易向下流失，且單位體積顆粒數較少，故而粗顆粒層的含水量較低、亮度較高。隨后，相對較輕的細粉砂和黏粒覆蓋于粗顆粒層上部，其中黏土礦物、方解石、云母等礦物富集在該層，進而導致Al、K、Fe、Rb、Ca和Sr元素的含量較高；此外，在黏粒中有更多的交換性Ca2+，使得Ca和Sr進一步富集在該層。黏粒和細粉砂顆粒間較為致密，孔隙水不易流失，故而細顆粒層的含水量較高、亮度較低。由于質量較輕、黏粒吸附及豐富的有機質，孢粉、生物有機質、微生物等也主要富集在該層[41]。這些物理、化學和生物過程的相互耦合形成了沉積旋回相對一致的變化特征。

3.2 劃分旋回的地球化學指標

前人對黃土高原聚湫/淤地壩沉積旋回的研究主要通過對沉積序列出露剖面的野外觀測和經驗性分析，基于亮度、結構、層理和粒度組成劃分沉積旋回并以≥1 cm的分辨率采集樣品和室內實驗分析[11-13, 19-23]。這些傳統方法僅可用于識別足夠厚的沉積旋回，然而聚湫/淤地壩沉積序列中存在一些無法用肉眼識別的旋回[10]。本課題前期的研究表明，基于高分辨率XRF巖心連續掃描技術(XRF Core Scanning，XRF-CS)獲得的元素分布可清晰指示旋回各層次的界限及侵蝕泥砂不同顆粒由快到慢的沉積過程[10]。在此，本研究根據上述沉積旋回的變化特征，通過XRF-CS獲得的元素分布提出有效的地球化學指標，以高分辨率地識別沉積序列中的所有可見和不可見(無法用肉眼識別)的沉積旋回。

通過對沉積巖心表面原位測量，XRF-CS可獲取分辨率高達0.1 mm的、連續的元素信號強度。該技術特別適用于類似黃土的顆粒較細(黏粒和細粉砂)、組成均勻的沉積序列元素分析[28-29]，因此XRF-CS為黃土沉積序列中元素分布提供了最佳的分析工具[10, 42-43]，進而為識別沉積旋回的地球化學特征和指標提取提供了條件。

研究表明，利用富集在粗顆粒中的元素與集中在細顆粒中的元素比值(如Zr/Rb、Si/Al和Zr/Al)可以分辨黃土和古土壤層[38, 44-45]。考慮到由于較輕的原子量，Al和Si在XRF-CS掃描時易受光管質地和沉積物表面屬性的影響而導致測量精度較差[46]，本研究著重考慮Zr/Rb比值劃分沉積旋回的有效性。上述聚湫沉積旋回的理化特征表明，Zr主要存在于抗風化的鋯石中，其在侵蝕泥沙的分選過程中由于高密度和質量快速沉積于旋回粗顆粒層底部；Rb以類質同象存在于含K的云母和黏土礦物中，其主要富集在旋回的細顆粒層頂部；兩個元素Zr和Rb在旋回成層后穩定存在于粗顆粒層和細顆粒層中，不隨孔隙水在凍融作用下向上遷移[10]。因此，XRF-CS獲得的高分辨率Rb/Zr比值可作為高分辨率劃分聚湫沉積旋回的有效地球化學指標。由圖4可見，高Rb/Zr比值可以清晰指示上部細顆粒層，而下部粗顆粒層以低Rb/Zr比值為特征，從而有效地劃分了各旋回及層理的界限。

4 結論

1) 黃土高原聚湫沉積旋回具有的特征為下部粗顆粒層主要由粗粉砂和細砂組成，松散、含水量低，亮度高，富集石英等重礦物，Si和Zr元素含量高；上部細顆粒層主要由黏粒和細粉砂組成，含水量高、亮度低，呈水平層理，較輕的礦物如方解石、白云母、黏土礦物(伊利石、綠泥石、高嶺石)集中在該層，Al、K、Fe、Rb、Ca和Sr元素含量較高，孢粉、SOC、TN、MBC、MBN、PLFA、細菌、真菌和放線菌等均富集在該層中。

2) XRF巖心連續掃描的Rb/Zr比被推薦用于高分辨率劃分聚湫/淤地壩沉積旋回的有效地球化學指標。

致謝：感謝中國科學院地球環境研究所金章東研究員和中國科學院水利部成都山地與災害環境研究所張信寶研究員對論文構思和撰寫的指導，中國科學院地球環境研究所肖軍、張飛對樣品采集和分析的協助，蘭州大學西部環境與氣候變化研究院潘燕輝對XRF巖心掃描的指導和幫助。

[1] Richter D D, Mobley M L. Monitoring earth’s critical zone[J]. Science, 2009, 326: 1067–1068

[2] 楊建鋒, 張翠光. 地球關鍵帶:地質環境研究的新框架[J]. 水文地質工程地質, 2014, 41(3): 98–104

[3] 朱永官, 李剛, 張甘霖, 等. 土壤安全: 從地球關鍵帶到生態系統服務[J]. 地理學報, 2015, 70(12): 1859–1869

[4] Xu X Z, Zhang H W, Zhang O Y. Development of check-dam systems in gullies on the Loess Plateau, China[J]. Environmental Science & Policy, 2004, 7(2): 79–86

[5] Ran D C, Luo Q H, Zhou Z H, et al. Sediment retention by check dams in the Hekouzhen-Longmen Section of the Yellow River[J]. International Journal of Sediment Research, 2008, 23(2): 159–166

[6] Jin Z, Cui B L, Song Y, et al. How many check dams do we need to build on the Loess Plateau?[J]. Environmental Science & Technology, 2012, 46(16): 8527–8528

[7] Yu Y G, Wang H J, Shi X F, et al. New discharge regime of the Huanghe (Yellow River): Causes and implications[J]. Continental Shelf Research, 2013, 69: 62–72

[8] Wang S A, Fu B J, Piao S L, et al. Reduced sediment transport in the Yellow River due to anthropogenic changes[J]. Nature Geoscience, 2016, 9(1): 1–5

[9] 劉震. 黃土高原地區水土保持淤地壩規劃概述[J]. 中國水土保持, 2003(12): 11–13

[10] Wang X Q, Jin Z D, Chen L M, et al. High-resolution X-ray fluorescence core scanning of landslide-dammed reservoir sediment sequences on the Chinese Loess Plateau: New insights into the formation and geochemical processes of annual freeze-thaw layers[J]. Geoderma, 2016, 279: 122–131

[11] 龍翼, 張信寶, 李敏, 等. 陜北子州黃土丘陵區古聚湫洪水沉積層的確定及其產沙模數的研究[J]. 科學通報, 2009, 54(1): 73–78

[12] Wang Y F, Chen L D, Fu B J, et al. Check dam sediments: An important indicator of the effects of environmental changes on soil erosion in the Loess Plateau in China[J]. Environmental Monitoring and Assessment, 2014, 186(7): 4275–4287

[13] Zhang X B, Walling D E, He X, et al. Use of landslide- dammed lake deposits and pollen tracing techniques to investigate the erosional response of a small drainage basin in the Loess Plateau, China, to land use change during the late 16th century[J]. Catena, 2009, 79(3): 205–213

[14] Castillo C, Perez R, Gomez J A. A conceptual model of check dam hydraulics for gully control: efficiency, optimal spacing and relation with step-pools[J]. Hydrology and Earth System Sciences, 2014, 18(5): 1705–1721

[15] Polyakov V O, Nichols M H, Mcclaran M P, et al. Effect of check dams on runoff, sediment yield, and retention on small semiarid watersheds[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2014, 69(5): 414–421

[16] Zhao G J, Klik A, Mu X M, et al. Sediment yield estimation in a small watershed on the northern Loess Plateau, China[J]. Geomorphology, 2015, 241: 343–352

[17] Zhao G J, Kondolf G M, Mu X M, et al. Sediment yield reduction associated with land use changes and check dams in a catchment of the Loess Plateau, China[J]. Catena, 2017, 148: 126–137

[18] Li X G, Wei X, Wei N. Correlating check dam sedimentation and rainstorm characteristics on the Loess Plateau, China[J]. Geomorphology, 2016, 265: 84–97

[19] Chen F X, Fang N F, Wang Y X, et al. Biomarkers in sedimentary sequences: indicators to track sediment sources over decadal timescales[J]. Geomorphology, 2017, 278: 1–11

[20] Wei Y H, He Z, Li Y J, et al. Sediment yield deduction from check–dams deposition in the weathered sandstone watershed on the north Loess Plateau, China[J]. Land Degradation & Development, 2017, 28: 217–231

[21] 張信寶, Walling D E, 賀秀斌, 等. 黃土高原小流域植被變化和侵蝕產沙的孢粉示蹤研究初探[J]. 第四紀研究, 2005, 25(6): 60–66

[22] 李勛貴, 李占斌, 魏霞. 黃土高原淤地壩壩地淤積物兩個重要物理特性指標研究[J]. 水土保持研究, 2007, 14(2): 218–220

[23] 汪亞峰, 傅伯杰, 陳利頂, 等. 黃土高原小流域淤地壩泥沙粒度的剖面分布[J]. 應用生態學報, 2009, 20(10): 2461–2467

[24] 岳大鵬, 袁曉寧, 李奎, 等. 陜北子洲黃土洼壩淤地淤積剖面元素分布特征分析[J]. 干旱區地理, 2014, 37(5): 875–882

[25] 靖邊縣地方志編纂委員會. 靖邊縣志[M]. 西安: 陜西人民出版社, 1993: 41–167

[26] 合水縣志編纂委員會. 合水縣志[M]. 蘭州: 甘肅文化出版社, 2006: 81–387

[27] Croudace I W, Rindby A, Rothwell R G. ITRAX: description and evaluation of a new multi-function X-ray core scanner[J]. Geological Society, London, Special Publications, 2006, 267(1): 51–63

[28] Rothwell R G. Micro-XRF studies of sediment cores: A perspective on capability and application in the envir-onmental sciences[M]. Springer: Micro-XRF Studies of Sediment Cores, 2015: 1–21

[29] 闞尚，李福春，田智宇, 等. 陜西靖邊花豹灣聚湫壩地土壤的微生物群落結構特征及其影響因子[J]. 土壤, 2016, 48(2): 291–297

[30] 曾蒙秀, 宋友桂. 新疆伊犁昭蘇黃土剖面中的礦物組成及其風化意義[J]. 地質論評, 2013, 59(3): 575–586

[31] Tjallingii R, Rohl U, Kolling M, et al. Influence of the water content on X-ray fluorescence core-scanning measure-ments in soft marine sediments[J]. Geochemistry Geophysics Geosystems, 2007, 8, doi: 10.1029/2006GC001393

[32] Lowemark L, Chen H F, Yang T N, et al. Normalizing XRF-scanner data: A cautionary note on the interpretation of high-resolution records from organic-rich lakes[J]. Journal of Asian Earth Sciences, 2011, 40(6): 1250–1256

[33] Hennekam R, de Lange G. X-ray fluorescence core scanning of wet marine sediments: methods to improve quality and reproducibility of high-resolution paleoe-nviro-n-me-ntal records[J]. Limnology and Oceanography: Methods, 2012, 10: 991–1003

[34] Bertrand S, Hughen K, Giosan L. Limited influence of sediment grain size on elemental XRF core scanner measurements[M]. Springer: Micro-XRF Studies of Sediment Cores, 2015: 473–490

[35] Maclachlan S E, Hunt J E, Croudace I W. An empirical assessment of variable water content and grain-size on X-ray fluorescence core-scanning measurements of deep sea sediments[M]. Springer: Micro-XRF Studies of Sediment Cores, 2015: 173–185

[36] Weltje J G, Bloemsma R M, Tjallingii R, et al. Prediction of geochemical composition from XRF core scanner data: A new multivariate approach including automatic selection of calibration samples and quantification of uncertain-nties[M]. Springer: Micro-XRF Studies of Sediment Cores, 2015: 507–534

[37] Huang J J, L?wemark L, Chang Q, et al. Choosing optimal exposure times for XRF core-scanning: Suggestions based on the analysis of geological reference materials[J]. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 2016, 17(4): 1558–1566

[38] Liang L J, Sun Y B, Beets C J, et al. Impacts of grain size sorting and chemical weathering on the geochemistry of Jing-yuan loess in the northwestern Chinese Loess Pla-teau[J]. Journal of Asian Earth Sciences, 2013, 69: 177–184

[39] 謝林妤, 白玉潔, 張風寶, 等. 沙層厚度和粒徑組成對覆沙黃土坡面產流產沙的影響[J]. 土壤學報, 2017, 54(1): 60–72

[40] 龐獎勵, 黃春長, 查小春, 等. 商丹盆地黃土母質發育土壤的微形態特征及其診斷意義[J]. 土壤學報, 2015, 52(2): 272–280

[41] 劉釗, 魏天興, 朱清科, 等. 黃土丘陵溝壑區典型林地土壤微生物、酶活性和養分特征[J]. 土壤, 2016, 48(4): 705–713

[42] Liang L J, Sun Y B, Yao Z Q, et al. Evaluation of high-resolution elemental analyses of Chinese loess deposits measured by X-ray fluorescence core scanner[J]. Catena, 2012, 92: 75–82

[43] Sun Y B, Liang L J, Bloemendal J, et al. High-resolution scanning XRF investigation of Chinese loess and its implications for millennial-scale monsoon variability[J]. Journal of Quaternary Science, 2016, 31(3): 191–202

[44] Liu L W, Chen J, Chen Y, et al. Variation of Zr/Rb ratios on the Loess Plateau of Central China during the last 130000 years and its implications for winter monsoon[J]. Chinese Science Bulletin, 2002, 47(15): 1298–1302

[45] Chen J, Chen Y, Liu L W, et al. Zr/Rb ratio in the Chinese loess sequences and its implication for changes in the East Asian winter monsoon strength[J]. Geochimicaet Cosm-ochimica Acta, 2006, 70(6): 1471–1482

[46] Jones A F, Macklin M G, Brewer P A. A geochemical record of flooding on the upper River Severn, UK, during the last 3750 years[J]. Geomorphology, 2012, 179(1): 89–105

Features and Geochemical Identification Index of Deposition Couplets in Landslide-dammed Reservoirs on Loess Plateau of China

WANG Xiaqing1, 2, PENG Baofa1, 2, LI Fuchun3, KAN Shang3

(1 College of Resources and Environment and Tourism, College of Hunan Arts and Science, Changde, Hunan 415000, China;2 Hunan Province Cooperative Innovation Center for the Construction & Development of Dongting Lake Ecological Economic Zone, Changde, Hunan 415000, China;3 College of Resources and Environmental Sciences, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China)

The sediment in the landslide-dammed/check dam reservoirs on the Loess Plateau of China is the direct result of the erosion and retransfer of loess and is characterized by high deposition rate and lots of deposition couplets, thus it is an ideal object to trace erosion flux and understand the processes of the Earth’s Critical Zone. How to exactly identify and plot out the couplet is the basis for using the sediment sequence to recover soil erosion and eco-environment change within a small catchment. In this study, Jingbian (paleo) and Heshui landslide-dammed reservoirs in the north of Loess Plateau were choose as the study sites based on field investigation and documents records. Meanwhile, the physical, geochemical and biological characters of the representative couplets were analyzed in order to comprehensively understand the feature of the couplet and further put forwards the effective geochemical identification index. The results showed that the lower coarse-grained layer in the couplet was composed of coarse silts and fine sands, which was characterized by low water content and high luminance, enriched with quartz and zircon, along with high Si and Zr. On the other hand, the upper fine-grained one was characterized by high contents of clays and fine silts, high water content, low luminance and lenticular bedding, correlating well with high contents of calcite, muscovite, illite, chlorite and kaolinite, along with high Al, K, Fe, Rb, Ca, and Sr. Pollen, organic carbon and nitrogen, phospholipid fatty acids, microorganism also concentrated in this layer. Then, Rb/Zr ratios by XRF core scanning are recommended as the ideal geochemical index to identify deposition couplets within the sediment sequence. These results provide the scientific foundation on deeply realizing the processes of erosion and weathering, hydrology and eco-environment change in the Earth’s Critical Zone on the Loess Plateau.

Deposition couplet; Rb/Zr ratio; Landslide-dammed/Check dam reservoirs; Earth’s Critical Zone; Loess Plateau

黃土與第四紀地質國家重點實驗室開放基金項目(SKLLQG1622)，國家自然科學基金項目(41471114)，湖南省教育廳科研項目(17C1075)和湖南文理學院博士科研啟動基金項目(E07017015)資助。

王夏青(1986—)，男，山西昔陽人，博士，講師，主要從事小流域生態環境研究。E-mail: wangxq1517@hotmail.com

10.13758/j.cnki.tr.2018.05.026

P539.2；P934

A