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磁山地区黄土

花匠小妙招
2024-11-09 05:55

0. 引言

黄土与土壤关系密切，其作为土壤母质可以发育成现代土壤，黄土中也可以含有古土壤。对黄土及其中古土壤微形态特征的研究可以揭示历史时期气候特点等一些重要信息。刘东生[1]很早就对黄土的物质成分和结构有所研究，高国瑞[2]、王永炎和滕志宏[3]曾研究过黄土的微结构特征。Cornwall[4]运用土壤微形态分析方法重建了古环境变化史和人类活动遗迹特征；Courty等[5]在“Soil Micromorphology in Archaeology”中建立了一套相对独立的土壤微形态研究方法，并对约旦河下游Netiv Hagdud和Salibiya两个前陶新石器文化遗址中的遗存建筑物进行土壤微形态分析，发现所有建筑房屋的土坯均由附近河流冲积物中专门挑选出的原料制成；Kemp等[6]运用土壤微形态方法再现了古耕作土壤的特征及农耕方式。我国早在20世纪40年代就开始研究古土壤。1948年，马溶之[7]开始研究华北、汉水流域、四川盆地、江西、湖南、长江下游和珠江下游等地的不同时代和不同类型的埋藏土。此后部分学者对我国的下蜀黄土、黄土中的古土壤及红色风化壳进行研究，并探讨古土壤的形成和性质与古气候、古地理的关系[8~10]。杨用钊[11]主要是通过粒度特征里的众数粒度和平均粒径的分析，发现江苏昆山绰墩遗址古土壤主要为下蜀黄土；周华等[12]通过分析连云港藤花落遗址土壤的粒度特征来指示文明的衰弱趋势以及人类文明的发展；张俊娜和夏正楷[13]指出洛阳二里头遗址南沉积剖面的磁化率值和粒度特征都与水动力和气候条件相关，并通过粒度分析结果和磁化率值大小确定该沉积剖面在4000 a B.P.前后发生过异常洪水事件。近年来，也有部分学者将土壤微形态学与其他研究方向相结合[14~23]。

磁山文化遗址位于河北省邯郸武安市，是我国发现的一处重要的新石器时代早期文化遗址，也是东方文明发源地之一，使中华文明上溯到约10000年前[24]。该遗址的发现揭示了磁山地区是世界粟、家鸡的最早发现地，在磁山遗址还发现了189个储粮窖[25]。磁山文化遗址代表了北方旱作农业的粟文化，对研究中国古代农业起源非常重要。虽已有学者研究了磁山文化遗址区的作物及考古等，但还无人从微形态角度研究该区域的黄土-古土壤特征。

本研究在磁山文化遗址区内选择具有代表性的土壤剖面，经过野外实地考察采样和制片、测试，主要分析磁山地区的黄土-古土壤的微形态特征及粒度和磁化率特点，旨在研究磁山地区历史时期的气候与环境特点，为进一步探究磁山地区历史时期的土地利用方式和农业发展状况提供依据。

1. 研究区概况

磁山文化遗址区位于河北省武安市磁山村东南方向约1 km的台地上，沿太行山脉的鼓山山麓，北靠磁山铁矿，南临洺河，总面积约13×104 m2[26]。武安市为县级市，隶属于河北省邯郸市，位于河北省南部(图 1)，太行山东麓，属于中纬度地区，全市总面积为1806 km2。处于太行山隆起带与华北平原沉降带的接触部，地层主要为古生界寒武系。该地区地形地貌主要为丘陵和山间盆地。岩石以石灰岩、砂页岩、泥页岩、泥灰岩、花岗岩为主，还分布有第四纪以前的古洪积物，第四系黄土地层主要分布在磁山镇、牛洼堡村、西万年村等地。气候类型属于温带大陆性季风气候，四季分明。土壤以褐土为主。

Figure 1. The map of the location of the study area

2. 材料与方法

2.1 研究材料

磁山文化遗址区包括磁山遗址、牛洼堡遗址和西万年遗址三部分(图 1)。其中磁山遗址海拔262 m，在磁山文化博物馆附近。在对研究区进行实地考察的基础上，根据磁山文化遗址区的分布，选取了一个黄土-古土壤剖面和一个黄土剖面，分别位于牛洼堡遗址(NWP)和西万年遗址(XWN)区域内，并利用手持GPS对其精确位置进行定位。2017年11月在NWP剖面和XWN剖面采集土样。NWP剖面(114°03′13″E，36°34′52″N)位于牛洼堡黄土台地，海拔308 m，剖面厚度为310 cm，其中，0~75 cm为现代土壤，75~175 cm为黄土层，175~310 cm为古土壤层，具体分层情况见图 2a。该剖面土质稍硬，较为紧实，同时，在此剖面附近发现有一些小的钙质结核以及大量碳渣等人为侵入物。XWN剖面(114°08′39″E，36°36′54″N)在南洺河二级阶地上，海拔232 m，剖面厚度为155 cm，其中，0~90 cm为现代土壤，90~155 cm为黄土层，具体分层情况见图 2b。在该剖面顶部地面分布大量磨圆度较好的砾石。根据野外观察并结合室内试验数据对剖面进行地层划分如表 1。通过对磁山地区的新构造运动特点、地形地貌、黄土-古土壤的微形态特征及一些宏观特点分析，判定NWP黄土-古土壤剖面的母质层为晚更新世马兰黄土(Q3m)；XWN黄土剖面的母质层为晚更新世冲洪积成因的次生黄土(Q3c)。其中马兰黄土早于次生黄土。

图 2. 牛洼堡遗址黄土-古土壤剖面(a)和西万年遗址黄土剖面(b)

Figure 2. Loess-paleosol profile of Niuwapu site (a) and loess profile of Xiwannian site (b)

表 1. 牛洼堡黄土-古土壤剖面和西万年黄土剖面各层特征及单元编号对照表

Table 1. Layer characteristics and comparison table of unit number of Niuwapu loess-paleosol profile and Xiwannian loess profile

剖面土>层深度(cm) CaCO3含量(g/kg) pH值单元编号特征 NWP Ah1 0~20 20.1 8.00 N1 7.5YR5/4，表土层，棕黄色，大量根系，大量生物活动痕迹，孔隙较多，粒状结构，土体疏松，有石灰反应 Ah2 20~31 26.3 8.06 N2 7.5YR6/4，土壤层，浅棕黄色，有机质比Ah1少，粒状结构，土体疏松，有少量根系，有石灰反应 B 31~75 35.4 8.21 N3 7.5YR6/4，土壤淀积层，浅棕黄色，有外来侵入物，有石灰反应， C 75~115 43.5 8.12 N4* 7.5YR7/6，黄土，浅黄色，以粉砂为主，有石灰反应 115~175 38.5 8.10 N5* 7.5YR7/6，黄土，浅黄色，颜色比N4稍微深点，以粉砂为主，有石灰反应，该剖面东约10 m处同一层内有零星钙质结核 AS 175~310 6.4 7.80 N6 7.5YR5/6，古土壤，棕红色，红煤土，棱角状结构，无石灰反应 XWN Ah1 0~25 50 8.08 X1 7.5YR7/4，表土层，深棕色，土体疏松，有大量根系，有大量生物活动痕迹，有石灰反应 Ah2 25~45 49 8.14 X2 7.5YR6/4，土壤层，浅棕色，有机质比Ah1少，有少量根系，有石灰反应 B 45~90 46.5 7.90 X3 7.5YR5/4，土壤淀积层，黄棕色，有石灰反应 C 90~125 48.5 8.02 X4* 7.5YR6/5，黄土，黄棕色，以粉砂为主，有石灰反应 125~155 48.5 8.08 X5* 7.5YR6/5，黄土，黄棕色，以粉砂为主，有石灰反应 *单元N4、N5代表牛洼堡土壤剖面的黄土母质层单元；单元X4、X5代表西万年土壤剖面的黄土母质层单元

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2.2 实验方法

按照剖面的自然分层，在黄土-古土壤序列中，在NWP黄土-古土壤剖面的75~310 cm、XWN黄土剖面的90~155 cm土层深度每隔2 cm向下取土样，利用蒙赛尔比色卡[27]对比描述原状土的颜色。经过筛研磨原状土，利用pH测试仪测定土壤pH值，使用有机质测试仪器测定其有机质含量，并采用中和滴定法测CaCO3的百分含量。将采集的原状土样进行自然风干，再将其放入烘箱进行烘干处理(设定温度为80 ℃，烘干时间为12 h)。完成烘干后将土样放入干燥器内备用。用不饱和聚酯树脂-丙酮溶液对烘干后的土壤样品进行充分浸渍，再放入烘箱中升温(最高温度为80 ℃)固化。之后经切片、磨片、粘载等程序，制成大小为30 mm×60 mm，厚度为0.03 mm的标准薄片。薄片制作在北京大学教育部重点实验室完成。在Nikon LV100POL型偏光显微镜下观察土壤薄片，图像经CCD传感器传至Nikon digital sight数码相机中，再通过USB数据线连接数码相机和安装有显微镜配套软件NIS- Elements-F3.0的计算机，拍摄得到正交偏光(CPL)和单偏光(PPL)照片。最后使用Image-Pro Plus 6.0软件中的count/size工具分别统计出孔隙、粗骨颗粒和基质等特征的量化值，便于用Excel软件对数据进行处理分析。微形态特征分别采用黄土[3, 28]和土壤[29]两个体系中常用的术语描述。

采用英国Bartington仪器公司生产的MS2型磁化率仪测试磁化率。测量时，在仪器状态稳定的情况下，工作频率选择低频(0.47 kHz)和高频(4.7 kHz)，分别测得样品的低频磁化率和高频磁化率。为保证测试精度，高、低频磁化率均重复测试3次，并求出其算术平均值，再用各样品所测的磁化率数据除以其质量，分别求得低频质量磁化率(χlf)和高频质量磁化率(χhf)(单位：10-8 m3/kg)以及频率磁化率(χfd %)。由于粒度特征既能直接反映搬运介质的动力条件，且兼有相对完善的实验原理和技术方法，被广泛应用于古土壤沉积成因的研究中。粒度测量采用Malvern Mastersizer3000型激光粒度仪完成。

3. 结果与讨论

3.1 黄土-古土壤微形态特征

本文主要从微结构、孔隙特征及矿物成分3个方面描述黄土-古土壤的微形态特征，并分析其气候特点。

3.1.1 黄土的微结构

骨架颗粒是构成黄土结构体系的支柱，骨架颗粒的形态可表征黄土的传力性能和变形性质，其连接形式直接影响黄土结构体系的胶结强度，排列方式则可决定结构体系的稳定性。1980年，高国瑞[2]将骨架颗粒形态分为粒状和凝块状。1982年，王永炎和滕志宏[3]借助扫描电子显微镜系统对不同地区不同黄土剖面上不同时代的黄土微结构进行了观察与分析，将粗矿物颗粒间的胶结分为支架接触、镶嵌接触和分散分布3种。磁山文化遗址区黄土骨架颗粒的形态分类、特征和连接方式见表 2。

表 2. 磁山文化遗址区黄土微结构评价指标(引自文献[3])

Table 2. Evaluation indexes of loess microstructure in Cishan Culture site area(quoted from reference[3])

磁山遗址区黄土骨架颗粒形态一级分类特征二级分类粒状粒状颗粒又分为棱角状和磨圆状的碎屑矿物颗粒，有粘土外包的颗粒，也有全由粘土碎屑颗粒胶结而成的集粒棱角状半棱角状半磨圆状磨圆状外包粘土颗粒集粒凝块状当黄土中钙的淋滤和粘土化增强时，颗粒会发生软化而形成凝块，随着凝块的形成和增多，黄土湿陷性逐渐消失凝块磁山遗址区黄土骨架颗粒连接方式接触关系分散分布镶嵌接触支架接触特征粗矿物颗粒被细粒矿物分隔，互不接触矿物颗粒彼此镶嵌，互相靠拢，颗粒间呈面状接触，接触面积大粗颗粒之间相互支架，形成较大孔隙，矿物颗粒彼此间以点接触或棱边接触的方式排列，接触面积小

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NWP剖面马兰黄土的微结构主要为粒状结构，颗粒均匀分散分布，骨架颗粒主要为石英、长石，多为半棱角-半磨圆状，见图 3a，粉砂占主导地位；剖面中骨架颗粒也有呈支架接触关系的，为接触式胶结结构(图 3a和3b)。XWN剖面的次生黄土中矿物颗粒连接方式为镶嵌接触(图 3c)，还见有次生黄土中典型的“斑状”微结构(图 3d)，这是因为流水的搬运能力更强。矿物仍以石英、长石为主，此外，有少量凝块状微结构。

(a)单元N4粒状结构(×50，正交偏光，NWP剖面80 cm深)；(b)单元N5支架接触(×50，正交偏光，NWP剖面130 cm深)；(c)单元X4镶嵌接触(×50，单偏光，XWN剖面110 cm深)；(d)单元X4“斑状”微结构(×50，正交偏光，XWN剖面100 cm深)

Figure 3. The microstructure characteristics of loess in Cishan Culture site area.

(a)Granular microstructure of unit N4(×50, CPL, 80 cm depth of NWP profile); (b)Bracket contact of unit N5(×50, CPL, 130 cm depth of NWP profile); (c)Inlaid contact of unit X4(×50, PPL, 110 cm depth of XWN profile); (d)"Phenocryst" microstructure of unit X4(×50 100 cm depth of XWN profile)

3.1.2 黄土的孔隙

黄土孔隙结构主要包括孔隙类型、总孔隙度、大小孔隙百分比和孔隙壁圆滑度，与表面径流量及其渗透性密切相关，且对水分在表面及内部的迁移规律影响很大，因此，在一定程度上可反映黄土的结构特性[30~31]。

本研究主要采用雷祥义[28]提出的黄土孔隙分类方法。磁山文化遗址区黄土的孔隙特征见表 3。该区域黄土层土粒排列紧密，孔隙度小，以微小孔隙为主。NWP剖面的马兰黄土中的孔隙包括胶结物孔隙和粒间孔隙(图 4a和4b)，孔隙度从上向下略有增加，在剖面中的N4单元中可以见到少量大孔隙，孔隙连通性一般。XWN剖面次生黄土中孔隙相对更小，X5和N5单元的孔隙度分别比其上覆的X4和N4单元的孔隙度略大，且孔洞相对多一些，说明透水性减弱；X5和N5单元几乎未见大孔隙，黄土的结构更稳定。XWN剖面次生黄土孔隙有镶嵌孔隙和胶结物孔隙(图 4c和4d)。从整体上看，NWP黄土-古土壤剖面和XWN黄土剖面的黄土孔隙度都较差，且多为微小孔隙，连通性较差，透水透气性不高，其中XWN剖面的次生黄土的孔隙度低于NWP剖面，因次生黄土受流水作用，粒间胶结更为紧密，主要特征见图 4。

表 3. 磁山文化遗址区黄土孔隙特征[28]

Table 3. The pore characteristics of loess in Cishan Culture site area[28]

土壤单元孔隙类型孔隙度(%) 孔隙数量比(从小到大) N4单元以粒间孔隙、胶结物孔隙为主，少量大孔隙 28.6 0.62︰0.22︰0.10︰0.06 N5单元主要为胶结物孔隙 29.4 0.78︰0.12︰0.06︰0.04 X4单元主要为胶结物孔隙，镶嵌孔隙，少量大孔隙 26.5 0.82︰0.13︰0.04︰0.01 X5单元主要为胶结物孔隙 27.8 0.80︰0.12︰0.06︰0.02

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(a)单元N4中胶结物孔隙(×50，单偏光，NWP剖面90 cm深处)；(b)单元N4中粒间孔隙和稍大孔隙(×50，单偏光，NWP剖面80 cm深处)；(c)单元X4镶嵌孔隙(×50，单偏光，XWN剖面120 cm深度)；(d)单元X5的胶结物孔隙(×50，单偏光，XWN剖面140 cm深)

Figure 4. The pore characteristics of loess in Cishan Culture site area.

(a)Porosity of cement of unit N4(×50, PPL, 90 cm depth of NWP profile); (b)Intergranular porosity and macrovoid of unit N4(×50, PPL, 80 cm depth of NWP profile); (c)Inlaid contact of unit X4(×50, PPL, 120 cm depth of XWN profile); (d)Porosity of cement of unit X5(×50, PPL, 140 cm depth of XWN profile)

3.1.3 黄土中的矿物

黄土的矿物成分包括碎屑矿物和粘土矿物。在NWP剖面中，马兰黄土中粗颗粒矿物以石英和长石为主(图 3a)，可见少量方解石、铁质及云母，粘土矿物主要为残积粘土(图 5a)，图 5b表明N4单元在孔隙中沉积有方解石。与N4单元相比，N5单元所代表时期的环境相对湿润，因为在N5单元中粘土含量较多，可见到淀积粘土(图 5c)，这是由于水的作用形成的。在N5单元，除石英、长石主要矿物外，也含有方解石、铁质及较多黑云母(图 5d)。在N5单元可见少量白云母和近物源搬运的角闪石，N5单元中方解石也主要沉淀在孔隙中，此单元中还发现有钙质结核。次生方解石的形成可指示干旱气候环境。因为在干旱环境中，由于降水量少，淋溶较微弱，根据地球化学元素的迁移特征[32~33]，钙只有部分遭受淋失，其余部分残留在黄土中。在雨季，含有CO2的水与钙离子结合形成重碳酸盐，其在向下移动过程中发生积淀，最终可形成方解石。

(a)单元N4中的残积粘土(×50，正交偏光，NWP剖面110 cm深)；(b)单元N4中的方解石(×50，正交偏光，NWP剖面100 cm深)；(c)单元N5中的淀积粘土(×50，正交偏光，NWP剖面150 cm深)；(d)单元N5中的黑云母和铁质(×50，单偏光，NWP剖面150 cm深)；(e)单元X4中的石英、钾长石(×50，正交偏光，XWN剖面110 cm深)；(f)单元X5中的石英、方解石及岩屑(×50，正交偏光，XWN剖面130 cm深)；(g)单元X5中铁质(×50，单偏光，XWN剖面150 cm深)；(h)单元X5中的方解石(×100，正交偏光，XWN剖面150 cm深)

Figure 5. The mineralogical composition of loess in Cishan Culture site area.

(a)Residual clay of unit N4(×50, CPL, 110 cm depth of NWP profile); (b)Calcite of unit N4(×50, CPL, 100 cm depth of NWP profile); (c)Deposited clay of unit N5(×50, CPL, 150 cm depth of NWP profile); (d)Biotite and iron of unit N5(×50, CPL, 150 cm depth of NWP profile); (e)Quartz and potassium feldspar of unit X4(×50, CPL, 110 cm depth of XWN profile); (f)Quartz, calcite and debris of unit X5(×50, CPL, 130 cm depth of XWN profile); (g)Iron of unit X5(×50, PPL, 150 cm depth of XWN profile); (h)Calcite of unit X5(×100, CPL, 150 cm depth of XWN profile)

XWN剖面的X5单元所代表时期比X4单元所代表时期相对干燥。因为单元X4、X5中的岩屑风化状况、X5单元中所含铁质及X5单元中存在大量方解石都说明了这点。图 5e所示X4单元中风化严重的钾长石与图 5f所示的X5单元中几乎没有风化的长英质岩石形成鲜明对比，其表明单元X4所在时期比X5所在时期相对湿润；另外，图 5g所示的黑色铁质为黄铁矿，黄铁矿显然不是在黄土中形成的，而是当时与次生黄土一起堆积的，由于没有风化而保留了黑色，表明其处于缺水环境，因为水分充足时，黄铁矿很容易转变为褐铁矿。由于次生方解石(图 5h)指示相对干旱环境，即XWN剖面指示了气候从干燥到相对湿润的发展过程。

3.1.4 古土壤

黄土中所夹的古土壤是黄土的特征之一，古土壤对于重建古气候环境极为重要[34~35]。在土壤微形态学中，土壤微结构是指土壤中孔隙、细粒物质及粗骨颗粒的空间排列方式，常见类型有4种：粒状微结构、块状微结构、板状微结构、面状微结构。本研究采集了NWP剖面中位于马兰黄土下部的棕红色古土壤，位于剖面175~310 cm，这里用N6单元表示。古土壤主要为棕红色，当地人俗称“红煤土”，其微结构主要为粒状结构(图 6a)，相比于N4、N5单元，N6单元发育有少量雏形团聚体(图 6b)，且孔隙度(31.8 %)较大，孔隙多为孔洞和孔道(图 6c)，孔道较多表明该地区土壤的连通性较好，有利于生物活动，较多孔洞也表明历史时期动植物活动的迹象，说明此处土壤比较肥沃；N6单元也可见到少量孔隙周围分布的方解石和花岗岩岩屑；N6单元粗骨颗粒以石英为主，但含量比黄土层少，几乎未见大型的粗骨颗粒，但可看到大量的淀积粘粒胶膜(图 6d和6e)，说明当时淋溶强烈，气候温暖湿润，表明该地区在晚更新世中期前段水量丰富、降雨充沛，土壤环境较好。也发现在孔隙壁周围分布有方解石(图 6f)，由于古土壤以黄土为母质发育而成，黄土中均含有少量方解石，因而方解石与粘粒胶膜出现在同一层中，表明该古土壤形成过程中没有经历强烈的风化作用，基本保持了黄土原有的结构。

图 6. 牛洼堡遗址黄土-古土壤剖面古土壤微形态特征

(a)单元N6的粒状微结构(×50，正交偏光，NWP剖面200 cm深)；(b)单元N6的雏形团聚体(×50，单偏光，NWP剖面190 cm深)；(c)单元N6的孔洞和孔道(×50，单偏光，NWP剖面200 cm深)；(d)单元N6的淀积粘粒胶膜(×50，正交偏光，NWP剖面200 cm深)；(e)单元N6的淀积粘粒胶膜(×50，正交偏光，NWP剖面210 cm深)；(f)单元N6中较多孔隙壁周围沉淀的方解石(×100，正交偏光，NWP剖面180 cm深)

Figure 6. The micromorphological characteristics of paleosol in Niuwapu loess-paleosol profile.

(a)Granular microstructure of unit N6(×50, CPL, 200 cm depth of NWP profile); (b)Embryonic aggregates of unit N6(×50, PPL, 190 cm depth of NWP profile); (c)Holes and ducts of unit N6(×50, PPL, 200 cm depth of NWP profile); (d)Illuviation argillan of unit N6(×50, CPL, 200 cm depth of NWP profile); (e)Illuviation argillan of unit N6(×50, CPL, 210 cm depth of NWP profile); (f)Calcite precipitated around the pore walls of unit N6(×100, CPL, 180 cm depth of NWP profile)

从上述黄土-古土壤的微形态特征分析得知：

NWP剖面的马兰黄土反映了当时气候的变化特征，马兰黄土中存在的古土壤，其淀积粘粒胶膜的微形态特征表明当时磁山地区曾经为温暖湿润时期[36~37]，即表明淋溶作用强，而古土壤形成后，气候逐渐变干冷。其中N5单元代表的时期比N4单元所代表的时期相对湿润。主要从N4单元中具有残积粘土，而N5单元中存在淀积粘土得出。

在实地考察过程中发现，由于新构造运动，牛洼堡处于相对上升地带，NWP剖面的马兰黄土中见有小的钙质结核，而XWN剖面位于相对下降的低处，该剖面次生黄土位于南洺河二级阶地上。XWN剖面黄土具有典型次生黄土的“斑状”微结构特点(图 3d)，其孔隙度比原生的马兰黄土小，而且X4单元比X5单元相对湿润，表现在后期岩矿风化作用比前期剧烈得多，其指示了次生黄土形成过程中从相对干燥到相对湿润的发展过程。

总之，磁山地区在晚更新世时期，气候条件从马兰黄土所在的相对温湿时期(古土壤的存在)，逐渐变得干燥；在次生黄土形成时期又经历了从相对干燥到相对湿润的过程。有资料显示[38]，马兰黄土属于晚更新世中期，次生黄土属于晚更新世晚期。之后进入全新世时期，气候条件过渡到磁山文化时期。

3.2 黄土-古土壤粒度与磁化率

粒度和磁化率均能反映历史时期的气候特点[39~41]，本研究主要是对中值粒径和频率磁化率探讨与分析。按国家海洋局1975年粒度分级ϕ标准，以4 ϕ(63 μm)作为砂粒、粉砂和粘粒的分界线。本测试在中国科学院地质与地球物理研究所完成。

3.2.1 黄土粒度

由于粒度特征既能直接反映搬运介质的动力条件，且具有相对完善的实验原理和技术方法，被广泛应用于古土壤沉积成因的研究中。鹿化煜和安芷生[42]研究发现，黄土粒度的粗细能够反映古气候状况：其中较粗颗粒含量的变化与东亚冬季风的强度变化呈正相关，即黄土颗粒越粗，所在地区古气候时期的冬季风越强；反之黄土颗粒细，则表明历史时期冬季风较弱[3, 43]。但在黄土形成古土壤过程中，不同地区古土壤细化和粘性的增加程度存在差异，不同的前处理方法会使粒度测量结果产生很大差异[44]。磁山遗址区黄土-古土壤粒度特征见表 4，图 7和8分别是NWP剖面和XWN剖面的粒度和磁化率参数曲线。

表 4. 磁山文化遗址区黄土-古土壤粒度特征

Table 4. Granularity characteristics of loess paleosol in Cishan Culture site area

剖面土壤单元粘粒(< 4 μm)平均值(%) 粉砂(4~63 μm)平均值(%) 砂(>63 μm)平均值(%) 中值粒径(μm) NWP N4 14.07 84.65 1.29 19.52 N5 14.82 83.9 1.28 19.58 N6 18.95 79.5 1.55 14.74 XWN X4 12.35 79.21 8.45 25.83 X5 13.07 76.5 10.43 25.90

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图 7. 牛洼堡黄土-古土壤剖面粒度和磁化率参数曲线

Figure 7. Parametric curves of grain-size and magnetic susceptibility of Niuwapu loess-paleosol profile

Figure 8. Parametric curves of grain-size and magnetic susceptibility of Xiwannian loess profile

从表 4可以看出，NWP剖面颗粒偏细，其黄土-古土壤序列粒度组成以粉砂为主，其组分含量均值为82.68 %；砂粒最少，其平均值仅为1.37 %；中值粒径曲线呈现增加→减少的波动变化趋势，但其变化幅度较小。其中，古土壤层中值粒径均值为14.20 μm；相较于古土壤层，黄土层中粘粒含量减少，且其中值粒径显著高于古土壤层。上述结果反映在这一时期，磁山地区冬季风逐渐增强，气候由温湿逐渐变干寒。在XWN剖面，粉砂含量在黄土序列中占主要地位，平均含量为77.85 %，粘粒、砂粒平均含量分别为12.71 %、9.44 %；此剖面黄土层中粘粒和砂粒含量相当，且砂粒含量明显高于NWP剖面。XWN剖面的中值粒径均值为25.86 μm，高于NWP剖面，表明此剖面的黄土颗粒比NWP剖面的略粗；但XWN剖面中X4单元的中值粒径值略小于X5单元。上述特征说明XWN剖面黄土形成时期，相较于马兰黄土形成时期气候更为干燥寒冷，冬季风更为强烈，但该时期气候逐渐向温暖湿润方向发展。

3.2.2 黄土磁化率

安芷生等[45]于1977年提出，低频磁化率可以对黄土和古土壤进行区分，此后刘秀铭等[43]提出磁化率的低值和高值分别对应黄土和古土壤。部分学者发现频率磁化率对弱小的古气候波动的反应更为灵敏，可以据其判断古气候的冷暖变换过程是属渐变或突变类型，因此频率磁化率被认为是成壤作用强度的代用指标[46~47]。

从图 7可以看出，NWP剖面高频、低频质量磁化率平均值分别为104.98×10-8 m2/kg、114.71×10-8 m3/kg；χfd %值处于7.52 % ~10.63 %之间，自下往上呈现波动下降趋势，即古土壤频率磁化率值高于黄土层，这表明古土壤发育时期，冬季风较弱，风力作用小，搬运能力较差，气候温暖湿润，成壤作用强烈，土层中细小铁磁性矿物的含量相对较高；而黄土层序列时期，冬季风增强，气候变得干燥寒冷。但NWP剖面频率磁化率曲线变化幅度较小，表明古气候冷暖转换不明显，转换过程属于渐变类型。由图 8可知，XWN剖面高频、低频质量磁化率均值分别为110.25×10-8 m2/kg、117.17×10-8 m3/kg，略高于NWP剖面；χfd %值介于5.13 % ~6.38 %范围内，从下往上呈现波动上升趋势。上述结果表明，XWN剖面黄土形成时期，古气候比NWP剖面历史时期气候更为寒冷，冬季风更为强烈，但逐渐变得相对湿润。

根据粒度和磁化率变化特征，可以得出，在晚更新世中期，前期磁山地区气候相对温暖湿润，但其沉积物粒径逐渐变粗，频率磁化率值下降，表明气候逐渐变得干冷；反映在土壤微形态上，表现为淀积粘粒胶膜→淀积粘土→残积粘土的变化过程。从土壤微形态角度和磁化率特征来看，晚更新世晚期，次生黄土形成的后期比前期相对湿暖湿润。

综上所述，在晚更新世晚期，磁山地区气候逐渐向温湿方向发展。在距今约18000年前，末次冰期达到最盛后，气候逐渐好转；到早全新世时期，气候温和稍湿；在距今大约10000年左右的古人类生存时期，磁山地区气候变得更加温暖湿润，进入“全新世大暖期”，当时年平均气温比现在高2~3 ℃，降雨量多200 mm[48]，气候逐渐向温暖湿润方向发展并趋于稳定。在磁山地区晚更新世末期气候环境中发育形成的黄土质地疏松，且古人类遗址多位于山前河谷地带，植被茂盛，土壤含水量大，土地肥沃；且南洺河水量丰沛，旱无水荒，涝无水患，具有良好的农业发展条件。粟具有喜温暖耐干旱贫瘠等特点，其对土壤要求不严格，几乎所有土壤均可生长，尤其在山岗土壤种植，其产量高于其他作物。磁山地区在古人类生存时期不仅气候温暖，且历史时期发育的黄土质地疏松，其所发育的土壤，正适合粟类作物生长，因此为后人留下了粟等发源地及诸多储粮窖，奠定了磁山文化的基础。

4. 结论

通过对磁山文化遗址区黄土-古土壤序列的微形态特征及其粒度和磁化率分析研究，可知磁山地区晚更新世的环境及气候特点，结论如下：

(1) 马兰黄土主要为粒状结构，孔隙度不高，且孔隙多不连通，透水性差；矿物以石英和长石为主，风化程度较弱，可见少量方解石；次生黄土主要有镶嵌微结构，还有次生黄土典型的“斑状”微结构，孔隙度比马兰黄土小，粗颗粒仍然主要为石英、长石。

(2) 马兰黄土中古土壤的粗颗粒主要为石英，孔隙壁沉淀有方解石，存在发育良好的淀积粘粒胶膜，反映晚更新世中期开始时该地区曾经气候温暖湿润，古土壤形成之后，马兰黄土中的微形态特征及磁化率显示气候逐渐变得干冷，且冬季风强。由于次生黄土后期岩矿风化程度比前期强烈得多，结合磁化率特点，得知次生黄土形成的后期比前期相对温湿。

(3) 根据黄土-古土壤微形态及磁化率特征可知：磁山地区在晚更新世中期，气候从温湿逐渐变得干冷，而晚更新世晚期则从干冷向相对温湿发展。