气候驱动下中国东北黑土从成土稳定性向沉积主导性的转变：来自代表性土芯的流域尺度地层对比与高分辨率地球化学证据

《CATENA》：Climate-driven transition from pedogenic stability to depositional dominance in Northeast China black soils: Watershed-scale stratigraphic correlations and high-resolution geochemical evidence from a representative core

　　

•阿伦河流域各地貌单元中埋藏黑土广泛发育。•粒度与地球化学记录揭示了成土—沉积的转换。•埋藏腐殖质层形成于勃林—阿勒罗德暖期。•新仙女木期变冷增强了沉积动力学过程，中断了稳定的成土作用。•鄂霍次克冷空气的 moisture 输送可能是导致千年尺度地表系统不稳定的原因。引言成土作用是地球表层气候、沉积物供给和生态过程长期相互作用的结果。其强度和演化轨迹受水文热条件、地表稳定性及母质输入速率控制（Sprafke等，2024；Markovi?等，2025；Eckmeier等，2007；Geyman等，2025；López-López等，2023；Targulian和Krasilnikov，2007）。这些因素的变异调控着土壤形成与沉积物再分配之间的平衡，从而决定景观是向稳定方向还是向新的地貌活动方向演化。在许多环境中，水文热条件处于临界阈值附近。在此条件下，相对较小的气候扰动可通过耦合的侵蚀—沉积过程被放大，导致以成土作用为主导的状态与以沉积或侵蚀为主导的状态之间发生快速且非线性的转换（Hou等，2021；Waroszewski等，2024；Xue等，2024；Zehe和Sivapalan，2009）。这些状态转变反映了土壤—沉积系统对气候驱动力的敏感性，并凸显了阈值行为在景观演化中的重要性。因此，此类系统为考察地表过程在突发气候变化下如何重组提供了宝贵的自然场所（Pratte等，2024；Waroszewski等，2021；Xue等，2024；Zehe和Sivapalan，2009；Zhang等，2023a、2023b、2023c）。黑土广泛分布于北半球中纬度地区，被认为是全球最肥沃的土壤之一（Markovi?等，2025；Sorokin等，2021）。在中国土壤分类系统中，"黑土"大致对应黑土和棕壤（Yang等，2023；Zhang等，2024）。东北黑土被认为是在细粒母质持续供给、相对稳定的地表条件以及有利的水文热条件的共同影响下发育而成的（Zhang等，2023a、2023b、2023c；Zhang等，2024）。该地区位于东亚季风区的北部边缘，气候受东亚季风系统、中高纬西风带以及蒙古—西伯利亚高压的共同调节（Liu等，2023；Wen等，2023）。因此，该地区的水热条件对季风强度变化和 moisture 输送路径的偏移高度敏感（Wei等，2026；Zhang等，2020）。现代地表黑土的广泛发育与全新世气候最适期相对温暖湿润的条件密切相关（Cui等，2021；Xia等，2025）。最近的年代学证据进一步表明，黑土的形成并不局限于全新世；在上一次末次冰期结束期间的勃林—阿勒罗德暖期，发育良好的腐殖质层已经形成，该时期通常被认为是成土作用占主导的时段（Xia等，2025；Yang等，2023）。然而，这一成土阶段被突然终止，并在随后年轻干冷事件中转化为黑土的广泛埋藏。这一转变意味着沉积通量迅速超过了成土积累量，从而将地表系统从成土作用主导状态驱动为沉积作用主导状态。已有两种替代机制被提出用于解释这一转换。第一种强调区域气候驱动。年轻干冷事件传统上被描述为勃林—阿勒罗德暖期之后的一次寒冷干燥事件，可能增强侵蚀和沉积物供给，从而中断稳定的土壤形成（Holcomb等，2023；Renssen等，2000）。然而，多个区域性湖泊水位和花粉记录表明，东北地区在年轻干冷事件中并未经历普遍干燥的条件（Xu等，2023；Zhang等，2023a、2023b、2023c），北部地区甚至显示出湿度增加或降水增强（Zhang等，2020）。如果有效湿度并未显著下降，那么黑土的快速埋藏无法通过简单的水热—干燥—侵蚀增强模型充分解释。这种差异意味着，成土作用的终止可能并非由平均水文热条件控制，而是由降水结构或水文动力学机制的变化所控制。第二种框架强调局部地貌调整。河道迁移、阶地演化或斜坡沉积中心的偏移可能改变局部沉积基准面，并导致既有土壤表面的埋藏（Levy和Cvijanovich，2023；Macklin等，2022；Meij等，2018）。在这一解释框架下，埋藏黑土主要反映的是局地沉积重组，而非区域气候信号。如果该机制占主导，则埋藏事件应表现出空间上的非同步性，其时间在各地貌单元之间存在差异。因此，一个关键未决问题在于，末次冰期结束以来东北地区成土作用终止的驱动机制究竟为何。如果受区域气候驱动力控制，则以沉积作用为主导的阶段应与年轻干冷事件吻合，并表现出流域尺度的同步性，同时还应调和湿润信号增强与成土作用减弱之间看似矛盾的现象。相反，如果受地貌过程控制，则埋藏事件在不同剖面之间应缺乏时间一致性，并表现为地貌单元尺度的非同步响应。迄今为止，能够同时评估空间同步性和过程机制的流域尺度高分辨率数据集仍然有限，这阻碍了对这两种竞争框架的区分。粒度组成和分选特征对沉积动力学变化高度敏感，不同粒度端元通常对应不同的搬运和沉积过程（Sprafke等，2020；Sun等，2004；Vandenberghe等，2018；Yang等，2024）。与作为开放系统的地表土壤不同，埋藏土层作为相对封闭的系统，可以部分隔离根系输入和年轻碳的扰动（Wijesinghe等，2020），从而更好地保存成土时期的物质组成和环境信号（Orlova和Panychev，1993）。此外，相对不活动的微量元素和稀土元素（例如Th、Zr、Ti，以及La、Ce、Nd、Gd和Yb）在沉积物搬运和成土作用期间保持相对稳定，可作为可靠的物源示踪剂和再改造过程的指示器（Li等，2025；Liu等，2016）。有机碳的含量和垂向变化，连同广泛使用的地球化学指数——包括化学蚀变指标、化学风化指数、Parker风化指数、斜长石蚀变指数以及生物风化指数——为表征风化强度和成土演化提供了有效框架。据此，本研究聚焦于中国东北黑土区西北部的阿伦河流域。我们将流域尺度多个埋藏黑土剖面的地球化学数据与代表性岩心（A4–2）的高分辨率分析相结合，包括对物源和成土条件敏感的微量元素、稀土元素及综合风化指数（CIA、CIW、WIP、PIA、BWI及OrgC），并结合粒度端元建模。同时，我们进一步汇编了东北地区自末次冰期以来黑土剖面已发表的年代学数据集，以约束成土事件的时间及其区域一致性。这一综合框架使我们能够：（1）评估流域尺度埋藏黑土形成的层序一致性和空间分布；（2）重建末次冰期结束以来成土作用与沉积作用之间的动态平衡；以及（3）评估观测到的状态转换是否主要受区域气候驱动力控制——特别是鄂霍次克气团和东北亚季风 moisture 输送的变化——还是受局地地貌调整控制。通过提供高分辨率、流域尺度的证据，本研究有助于从过程角度理解季风边缘地区黑土的演化，并为理解快速气候变化下土壤—沉积系统的非线性行为提供新的见解。各节摘要区域概况研究区位于中国东北黑土区西北部的阿伦河流域（图1），行政上属于内蒙古自治区阿荣旗。该流域位于东亚夏季风区的北部边缘（Pratte等，2024），构成了季风环流与中高纬大气系统相互作用的过渡带。由于这一地理位置，区域水文热条件高度敏感于地球化学组成核心A4–2沉积物与埋藏黑土层的常量元素组成通过与其在上地壳和澳洲后太古宙页岩中的含量对比进行了评估。核心A4–2沉积物和埋藏黑土中的常量元素均以二氧化硅和氧化铝为主，两者合计占总组成的63.55%至88.16%。二氧化硅含量范围为45.81%至74.97%，氧化铝含量变化范围为12.04%至19.50%。氧化铁构成一个地球化学示踪代理和粒度端元的解释在核心A4–2中，粒度端元与地球化学指数之间的系统性协变表明，端元分解不仅反映了沉积动力学变化，还反映了成土改造强度的变化。细粒风成沉积物中的粒度分布与搬运过程密切相关（Sprafke等，2020；Sun等，2004；Vandenberghe等，2018；Yin等，2024），而如CIA、CIW和PIA等地球化学指数能够有效追踪结论本研究聚焦于中国东北黑土区北部的阿伦河流域。通过整合流域尺度多核心层序对比与地球化学示踪代理以及核心A4–2的粒度端元建模，我们重建了黑土形成和埋藏过程中成土作用与沉积作用之间的动态关系。结果表明，黑土系统经历了一个从A的转换贡献声明贡献声明Guanxin Du：写作—审阅与编辑，写作—初稿，数据整理。Yu Sun：资金获取，数据整理。利益冲突声明作者声明不存在已知的可能影响本文所报道工作的竞争经济利益或个人关系。致谢本研究得到了黑龙江省自然科学基金（项目编号ZD2023D002）、黑龙江省地质学会（项目编号HDHY-2026-04）以及中国地质调查局（项目编号DD20190039-01、DD2026071025和DD2026071025）的资助。我们衷心感谢中国科学院南京土壤研究所的甘林张教授提供的宝贵支持及其关于埋藏黑土的相关数据。Guanxin Du | Yu Sun | Baiquan Yan | Daming Yang | Huimin Dai | Keke Xu | Xingyu Fu | Kai Liu