基于参数法的西汉帝陵封土土壤粒度端元分析.pdf
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1、基于参数法的西汉帝陵封土土壤粒度端元分析董莉丽,杨波(咸阳师范学院 地理与环境学院,陕西 咸阳 712000)摘要:利用土壤粒度分布特征和端元模型法,对西汉帝陵封土土壤粒度数据进行了分析。研究结果表明,帝陵封土土壤粒度频率图和累积图与典型黄土的基本相似,且各土壤粒度参数都在典型黄土对应的参数值范围内。在土壤粒度数据中分离出四个端元组分,分别为EM1(0.88m)、EM2(3.96 m)、EM3(8.50 m)和EM4(22.43 m)。其中,EM1为成壤组分;EM2和EM3对应西风气流作用下高空长距离悬浮粉尘堆积,但EM2和EM3百分比呈极显著负相关关系,表明二者沉积方式不同;EM4则对应冬季
2、风作用下近地面短距离悬移粉尘堆积。EM4百分占比最高,表明近地层冬季风是粉尘搬运的主要机制。西汉康陵封土在2 000多年来,有不到5%的风成粉粒受到了风化成土作用,但可能由于地表径流的侵蚀作用而低估了成土作用。本研究进一步证实了帝陵封土是由地质历史时期形成的风成黄土夯筑而成。关键词:土壤粒度;端元分析;黄土;成土作用中图分类号:P941.74文献标识码:A文章编号:1672-2914(2023)04-0046-07End ElementAnalysis of the Granularity of the Soil in the Western HanDynasty Mausoleum Base
3、d on Parameter MethodDONG Lili,YANG Bo(College of Geography and Environment,Xianyang Normal University,Xianyang 712000,Shaanxi,China)Abstract:Based on the distribution characteristics of soil granularity and the end element model,the characteristics of the granularity data of the soil from the imper
4、ial tombs of the Western Han Dynas-ty were analyzed.The results show that the granularity frequency diagram and cumulative diagram ofthe soil are basically similar to those of typical loess,and the granularity parameters of the soil are with-in the corresponding parameter values of typical loess.Fou
5、r terminal components are separated fromsoil granularity data,which are EM1(0.88 m),EM2(3.96 m),EM3(8.50 m),and EM4(22.43 m)in this paper.Among them,EM1 is the soil-forming component,EM2 and EM3 correspond to suspend-ed dust accumulation from a long distance in the upper air under the action of west
6、erly flow.The per-centage of EM2 and EM3 is extremely significantly negatively correlated,indicating that the two depo-sition modes are different.EM4 corresponds to the short-range deposition of suspended particulate mat-ter near the ground under the action of winter winds.Since the percentage of EM
7、4 is the highest,it indi-cates that the winter monsoon near the ground is the main mechanism of dust transport.In the past2000 years,less than 5%of the eolian silt has been weathered into the soil,but the soil formation maybe underestimated due to the erosion of surface runoff.This study further con
8、firmed that the imperialmausoleum was built by eolian loess deposits formed in the geological history.Key words:soil granularity;end element analysis;loess;pedogenesis收稿日期:2023-03-20基金项目:陕西省教育厅重点科研计划项目(20JZ100)。作者简介:董莉丽(1979),女,陕西扶风人,咸阳师范学院地理与环境学院副教授,博士,研究方向为生态修复与环境效益评价。E-mail:。2023年7月咸阳师范学院学报Jul.20
9、23第38卷 第4期Journal of Xianyang Normal UniversityVol.38 No.4区域经济与资源环境可持续发展研究黄土堆积物作为成土母质,是不同来源、不同机制搬运沉积物的混合物1。混合物中数目众多、大小和形状迥异,矿物组成和理化性质变化很大的颗粒物是构成土壤固相骨架的基本物质2。以颗粒物的不同粒级为横坐标,各粒级对应的百分含量为纵坐标,可绘制出粒度分布曲线。Sun 等3研究揭示Weibull 分布函数可用来模拟风成沉积物的粒度分布曲线。利用激光粒度分析仪,可获取高分辨率的粒度信息,这又使评估拟合函数的有效性成为可能。Weltje4研究认为土壤粒度分布曲线可以用
10、固定数量端元模型进行拟合。由于运用参数化方法可以得到单峰端元组分,因此,更易于解释端元分解结果而被大量应用5。例如,Prins 等1利用三个端元,即EM1(63 m)、EM2(40 m)、EM3(19 m),分别对应砂质、粉质和黏性土,来拟合黄土-古土壤粒度分布。李洋等6利用四个端元组分,即EM1(4.98 m)、EM2(9.17 m)、EM3(12.32 m)、EM4(19.08 m)反演黄土古土壤粒度数据。赵格格等7基于 Gen.Weibull 函数分布的参数化端元模型,利用三个端元,即EM1(2.51 m)、EM2(12.61 m)、EM3(35.56m)反演了临汾盆地黄土粒度。可见,以
11、往的研究提取的黄土古土壤粒度端元数不一致,且各端元对应的粒径大小不相同。有关帝陵封土土壤粒度特征未见报道。本文对位于咸阳市渭城区大寨村的西汉最后一座帝王陵墓康陵封土顶部及东、南、西、北四个坡向,不同土层深度的土壤进行采样,利用激光粒度分析仪测定土壤粒度,基于参数法进行粒度端元分析。本研究旨在通过分析帝陵封土土壤粒度特征,探明汉康陵封土物源信息,为帝陵封土的保护提供可靠的数据支撑。1 研究区概况咸阳市五陵原分布着9座西汉帝王陵墓,巨大的封土堆呈覆斗型。汉康陵建于渭水北岸的黄土台塬上,地势平坦,海拔425 m,属温带大陆性季风气候,冬寒夏暖,雨热同季,年平均气温12,无霜期213d;多年平均降水量
12、600 mm,主要集中在夏秋季。2 材料与方法2.1 样品采集分别采集陵顶(010、1020、2030、3040、4050 cm,样品编号为15)及东、南、西、北四个坡向和陵园内封土周边的农田,分别在0 10、1020和2030 cm土层采集土壤样品;四个坡向和农田3个土层的样品编号依次为68(东)、911(南)、1214(西)、1517(北)、1820(农田)。2.2 土壤粒度测定方法样品在剔除了植物细根和碳酸钙结核等杂质后,放在室内自然风干,并过1 mm土筛。称取5 g过筛后的土壤样品,放入50 mL烧杯中,先用蒸馏水湿润,再加入双氧水用玻璃棒搅拌,并用电热炉高温煮样,直至样品中无气泡为止
13、。再加入稀盐酸去掉土壤中的碳酸钙。最后,用蒸馏水逐步稀释,沉淀,用去除上清液的方法,使其呈中性。用Malvern Mas-tersizer 2000激光粒度分析仪(英国Malvern公司生产)测定土壤粒度,该仪器的测量范围为0.022 000m,重复测量误差小于2%。在粒度分析仪中加入样品后,先用超声波分散30 s,再进行测定。所有样品测定3次,取其平均值。2.3 分析方法本文利用Blott and Pye8开发的GRADISTAT 程序计算土壤粒度参数。在 Matlab R 2018b 中运行AnalySize软件包,进行土壤粒度端元分析9。3 结果与分析3.1 土壤粒度的分布特征沉积物粒度
14、频率图和累积图提供了有关组分及其分布类型的大量信息3。样品粒度频率分布曲线见图1。从图1中可以看出,粒度频率分布曲线在粒级240 m之间差异较大,曲线呈不对称分布,除2、5、9号样品的第一众数粒径在10 m左右外,其他样品的第一众数粒径主要集中在2030 m。部分样品第二个众数粒径在4 m左右。所有土壤样品均在0.8 m左右存在峰值。土壤粒径累积体积百分含量见图2。由图2可以看出,累积曲线基本呈S形,由两条与其成分相对应的直线构成,直线的长度代表粒径范围,直线的倾斜程度代表分选程度10,这与典型黄土累积曲线一致。第4期董莉丽,等:基于参数法的西汉帝陵封土土壤粒度端元分析47图1 土壤粒度频率图
15、10-1100101102粒径/m54.543.532.521.510.50频率/%图4 土壤样品质地图2 土壤粒度累积图10-1100101102粒径/m1009080706050403020100累积频率/%3.2 土壤粒度参数粒度指标中平均粒径是反映全土样粒度组成的总体粗细状况和搬运介质平均动能的常用指标。论文利用GRADISTAT.xls软件,根据福克-沃德(Folkand Ward)距法,计算平均粒径(m);利用图解法计算分选系数、偏度和峰度等土壤粒度参数,结果见图3。由图3可知,土壤平均粒径在10.4115.66 m之间,属于粗粉粒,20号样品的平均粒径最大,3号样品的最小,且平均
16、粒径在不同坡向和不同土层之间没有明显的变化规律。土壤粒度的分选系数在1.391.70之间,根据分级标准8,分选系数在12之间,表明分选差。土壤的分选状况较差,则表明土壤粒度分布较集中。3、4、5和9号样为对称分布(+0.1 -0.1),其它土壤样品为细偏分布(0.1 0.3)。根据峰度值标准和图3,属于低峰态(0.670.90)的土壤样品有1、3、6、7、14;属于尖峰态(1.111.50)的土壤样品为2号;其余土壤样品均属于常峰态(0.901.11)。利用 GRADISTAT.xls 绘制的质地三角图见图4。由图4可知,汉康陵封土土壤质地为粉土。3.3 粒度端元分析通过比较不同端元数及其不同
17、参数拟合方法中的线性相关性R2(0.99)、端元相关度(图5a)和角度偏差(图5b),确定参数端元分析中的Weibull算法,端元数确定为4,分析结果见图5,参数化端元分布特征见表1。四个端元分别具有特定的粒径范围(图5c),各自对应不同的组分,且部分重叠。由表1可知,四个端元的平均粒径分别为0.88m(EM1)、3.96 m(EM2)、8.50 m(EM3)和 22.43m(EM4)。EM1的分选系数最小,表明其分选性最好。随着粒径的增大,端元组分的分选性逐渐变差。EM1全部为黏粒组分;EM2中的黏粒和粉粒比例接近;EM3主要为粉粒组分,黏粒含量较少;EM4也主要为粉粒,并含有少部分砂粒和极
18、少部分黏粒组分。从端元各组分与平均粒径的相关性可以看出(表2),EM1与其他各组分及平均粒径之间相关性不显著;EM2和EM3,EM3和EM4之间呈极显著负相关,而EM2和EM4不相关,EM2和EM4分别与平均图3 土壤粒度参数0510152016151413121110921样地编号平均粒径(m)分选系数峰度偏度端元EM1EM2EM3EM4平均粒径/m0.883.968.5022.43分选系数1.391.831.932.02偏度-0.02-0.24-0.36-0.48峰度2.722.863.023.22黏粒10050.3813.971.66粉粒049.6286.0393.91砂粒0004.42
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