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上海交通大学学报(农业科学版)  2016 , 34 (1): 69-73 https://doi.org/10.3969/J.ISSN.1671-9964.2016.01.012

Orginal Article

长尺度气候变化下土壤钾素演变规律的研究——以泾河中游将军村黄土剖面为例

吴利杰1, 2, , 于娟1, 3, , 石建省1, 王成敏1, 毕志伟1, 郭娇1

1.中国地质科学院 水文地质环境地质研究所, 石家庄050061
2.西北大学 地质学系, 西安710069
3.中国地质大学 环境学院, 武汉 430074

Study on the Evolution Law of Potassium with Long Time Scale Climate Change in Jiangjun Loess Section of the Middle Reaches of the Jinghe River

WU Li-jie1, 2, YU Juan1, 3, SHI Jian-sheng1, WANG Cheng-min1, BI Zhi-wei1, GUO Jiao1

1.The Institute of Hydrogeology and Environmental Geology; CAGS; Shijiazhuang 050061, China
2.Department of Geology, Northwest University, Xi 'an 710069, China
3.School of Environment Studies, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China

文献标识码:  1671-9964(2016)01-0069-05

文章编号:  1671-9964(2016)01-0069-05

收稿日期: 2015-04-15

网络出版日期:  2016-01-20

版权声明:  2016 上海交通大学期刊中心 版权所有

基金资助:  中国地质科学院水文地质环境地质研究所基本科研业务费(SK201403)

作者简介:

作者简介:吴利杰(1982-), 男, 硕士, 助理研究员, 研究方向:第四纪地质, E-mail:ihegwulijie@163.com;

通讯作者: 于娟(1982-), 女, 硕士, 助理研究员, 研究方向:环境地质, E-mail:48833488@qq.com

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摘要

从应用古气候学角度, 定量化地分析了近万年以来气候变化与土壤钾素演变规律, 研究表明:土壤中速效钾、缓效钾含量与年均降水量或年均气温均服从指数函数模型; 而钾素有效性则服从二次函数模型, 并且其有效性与古气候变化的对应关系存在临界值, 只有当年均气温>9.5 ℃或年均降水量>577.3 mm时, 钾素有效性才随年均降水量或气温的增加呈明显地快速递增; 速效钾、缓效钾含量及钾素有效性与古气候条件耦合关系均符合柯布-道格拉斯方程。

关键词： 钾素 ; 年均降雨量 ; 年均气温 ; 数学模型

Abstract

From the perspective of application of paleoclimatology, the evolution law of potassium in soil with long time scale climate change is discussed quantitatively and the main conclusions are as follows.The relationship of the content of available potassium and slowly available potassium and the annual precipitation or the annual temperature obey the exponential function model.The fitting equations of potassium effectiveness and the annual precipitation or the annual temperature accord with the parabolic function model.There is a critical value, only the average temperature(over 9.5°C)or the annual precipitation(over 577.3mm), and its effectiveness presents obviously a progressive increase with the increase of the annual precipitation or the annual temperature.The fitting relationship of the content of available potassium and slowly available potassium, potassium effectiveness and paleoclimatic coupling conditions comply with the Cobd-Douglas equations.

Keywords： potassium ; the annual precipitation ; the average temperature ; mathematical model

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吴利杰, 于娟, 石建省, 王成敏, 毕志伟, 郭娇. 长尺度气候变化下土壤钾素演变规律的研究——以泾河中游将军村黄土剖面为例[J]. , 2016, 34(1): 69-73 https://doi.org/10.3969/J.ISSN.1671-9964.2016.01.012

WU Li-jie, YU Juan, SHI Jian-sheng, WANG Cheng-min, BI Zhi-wei, GUO Jiao. Study on the Evolution Law of Potassium with Long Time Scale Climate Change in Jiangjun Loess Section of the Middle Reaches of the Jinghe River[J]. 上海交通大学学报(农业科学版), 2016, 34(1): 69-73 https://doi.org/10.3969/J.ISSN.1671-9964.2016.01.012

近几十年来, 世界各国对土壤钾素的研究甚为重视。关于土壤钾素形态和转化规律, 钾的有效性及评定方法、钾素固定以及吸附、解吸的动力学、钾的植物营养机理、影响钾肥效果的因素以及农业集约条件下的钾素平衡等[1-11]研究方面国内外学者均作过大量的工作, 并取得重大进展[12-15]。土壤钾素的形态分布与转化、有效利用率等特性均与气候因素密切相关。目前, 有关于长时间尺度全球气候变化下土壤钾素演变规律等方面的研究工作还鲜见报道。

我国西北黄土以其分布范围广泛、连续、地层发育完整、厚度大而著称于世。黄土的堆积与成壤过程均受全球气候变化的控制[16]。这就为探讨长时间尺度气候变化对土壤钾素演化规律的认识提供了“天然实验室”。通过从应用古气候学角度, 探讨长时间尺度气候条件下土壤钾素演变规律, 可以为应对全球气候变化下现代农业合理利用土壤钾素与气候资源, 提高土壤钾肥资源的有效管理, 优化土壤管理等提供重要的科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究剖面概况

将军村剖面(N35°17', E107°38')位于泾河中游长武县城西北约15 km的将军村G312国道北侧的冲沟陡坎上。根据对将军村剖面野外宏观观察与室内微观观察和分析, 其全新世黄土地层从上到下划分的层段与岩性特征如下表1。

表1   将军村黄土剖面地层特征及采样测试数目

Tab.1   The formation characteristics and the number of sampling and test samples of the Jiangjun section

深度/m
Depth		地层岩性特征
Stratum rock characteristic		采样数/组
Sampling
number		测试数/组
Testing
number
0~0.38表土(TS):浅灰褐色亚砂土, 疏松多孔、根系发育1914
0.38~0.60现代黄土(L0):浅灰黄色亚砂土, 与下伏地层界线清晰;1111
0.60~1.60古土壤(S0):灰黑色黑垆土, 疏松多孔, 根系发育, 含大量的灰白色钙质假菌丝体, 部分土粒呈团粒状。自上而下, 菌丝体含量逐渐减少;5050
1.60~2.40过渡性黄土(Lt):浅灰黄色亚砂土, 含少量的菌丝体;4040
2.40~3.00马兰黄土(L1):浅灰黄色亚砂土。3030

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1.2 实验方法与数据处理

本次采样工作在将军村黄土剖面上进行垂直方向的高密度采样分析, 即以2 cm间隔采集样品, 样品采集与测试数目如表1, 待样品在自然条件下风干后进行实验。全钾:氢氧化钠熔融-火焰光度计法(GB9836-88); 缓效钾:酸煮沸浸提-火焰光度计法(NY/T889-2004); 速效钾:醋酸铵浸提-火焰光度计法(NY/T889-2004); 无效钾采用差值法, 无效钾=全钾-速效钾-缓效钾。磁化率参数采用Barington MS2磁化仪进行低频磁化率的测定, 每一个样品测量6次, 取其平均值。

数据处理采用Excel软件、DPS数据处理系统[17]。

2 古气候演化历史的重建

2.1 黄土沉积年代学特征

本次获取了5组OSL测年和2组AMS-14C测年结果, 分别由中国地质科学院水文地质环境地质研究所光释光测年实验室和北京大学考古文博学院科技考古与文物保护实验室测得。1.25、1.50、1.80、2.10与2.40 m处的OSL测年结果分别为6.40±0.30 ka B.P.、7.50±0.40 ka B.P.、9.10±0.40 ka B.P.、10.00±0.60 ka B.P.与11.20±0.70 ka B.P; 0.22与0.85 m处的AMS-14C测年结果分别为1330±25 a B.P.与4195±30 a B.P.。以实测年龄为准, 适当线性内插与外推以划分与确定将军村剖面各地层单元年代序列。将军村剖面取样地层底部推测年龄为12.0 ka B.P; 全新世肇始于约11.2 ka B.P。以8.05 ka B.P和3.10 ka B.P作为全新世早、中、晚3期划分界限。以5.20 ka B.P、2.00 ka B.P分别作为中全新世前、后期与晚全新世前、后期的划分界限。

2.2 古气候重建方法与总体特征

古气候要素主要包括年均降水量与年均气温。已有研究表明可以利用磁化率参数恢复过去气候变化时的古降水量与气温[18-20]。按照文献方法[19], 根据实测的磁化率计算出近万年以来将军村剖面上不同深度处黄土堆积成壤时的年均降水量与年均气温。近万年以来将军村剖面所经历的古气候总体特征:年均降水量平均值约为604.1 mm, 变异系数约18.9%; 年均温度平均值约为10.1 ℃, 变异系数约为24.5%。年均降水量与年均气温变化具有良好的同步性, 并且都存在明显波动。年均降雨量强弱(或年均气温高低)顺序为:中全新世后期>中全新世前期>晚全新世后期>晚全新世前期>早全新世。

3 古气候单要素与钾素演变关系

为了定量分析气候单要素与钾素的关系, 采用线性、对数、指数、幂函数、双曲线、S型曲线与抛物线等8种回归方法, 分别对速效钾含量(AK)、缓效钾含量(SAK)、无效钾含量(IK)、全钾含量(TK)、供钾强度(AK/SAK)、钾素有效性((AK+SAK)/TK)与年均降水量(P)及年均气温(T)之间进行了一元回归检验, 从中选取显著性检验较高、拟合度较优的回归方程进行分析。

3.1 各形态钾素含量与气候单要素的关系

年均降水量、年均气温与各形态钾素含量的一元非线性最优拟合结果(表2)表明, 年均降水量、年均气温与速效钾、缓效钾的拟合关系服从指数函数; 年均降水量与速效钾、缓效钾的拟合度分别达0.6867、0.7284, 呈现极显著的高度相关性; 年均气温与速效钾、缓效钾的拟合度分别达0.6916、0.7334, 也呈极显著的高度相关性; 而无效钾含量与古气候单要素则呈弱相关。

这表明速效钾、缓效钾对年均降水量、年均气温敏感, 二者对短时间尺度的古气候变化响应迅速。降水量增加或气温增温, 土壤中速效钾、缓效钾含量也随之增加。无效钾对于短时间尺度的古气候变化响应不敏感, 反映了其在风化成壤过程中应受更长时间尺度气候变化的影响。

表2   各形态钾素含量与气候单要素的曲线拟合结果

Tab.2   The curve fitting results of between the forms of potassium and the annual precipitationandthe annual average temperature

拟合回归方程
Fitting regression
equation		相关系数
Correlation
coefficient		拟合度
Fitting
degree		F值
F value		p-值
p-value
AKP=19.125e0.0025P0.828 70.686 7252.633 60.000 1
SAKP=382.08e0.0018P0.853 50.728 4330.035 00.000 1
IKP=17374e0.0002P0.301 70.091 012.861 60.000 5
TKP=17426e0.0003P0.413 50.171 026.142 40.000 1
AKT=26.831e0.1167T0.831 60.691 6257.975 90.000 1
SAKT=382.08e0.0018T0.856 40.733 4338.471 80.000 1
IKT=17954e0.0107T0.299 00.089 412.611 10.000 5
TKT=18235e0.0151T0.411 50.169 325.843 00.000 1

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3.2 供钾强度与气候单要素的关系

土壤供钾强度是指速效钾与缓效钾的比值, 计算公式:S=AK/SAK, 该比值在一定程度上可以反映出土壤的供钾潜能。供钾强度与年均降水量(图1-a)、年均气温(图1-b)的线性拟合结果显示供钾强度与年均降水量、年均气温有中等程度的正相关性。这表明随年均降水量增加或年均气温增高, 供钾强度呈递增趋势。

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图1   供钾强度与年均降水量(a)、年均气温(b)的线性拟合

Fig.1   The linear fitting of between the supply intensity of potassium and the annual precipitation(a), the annual temperature(b)

3.3 钾素有效性与气候单要素的关系

钾素有效性是指速效钾与缓效钾之和除以全钾所得的比值, 计算公式:E=100×(AK+SAK)/TK, 它在一定程度上表征了土壤中钾素的有效性状态。钾素有效性与年均降水量(图2-a)、年均气温(图2-b)的最优拟合结果表明, 土壤有效性与古气候要素的关系服从二次曲线函数(图2), 土壤有效性与年均降水量、年均气温的曲线拟合度分别达0.746 3、0.745 9, 呈极显著的高度相关性。

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图2   钾素有效性与年均降水量(a)、年均气温(b)的曲线拟合

Fig.2   The curve fitting of between the potassium availability and the annual precipitation(a), the annual temperature(b)

从古气候单要素与钾素有效性拟合曲线的变化规律来分析, 钾素有效性并不随年均降水量或年均气温增加呈现良好的递增规律, 存在中间临界状态。当年均气温<9.1 ℃或年均降水量<559.1 mm时, 钾素有效性仅处于低水平波动状态; 而年均气温>9.5 ℃或年均降水量>577.3 mm时, 钾素有效性随年均降水量或气温增加呈明显地快速递增。

4 古气候要素耦合条件下钾素的变化规律

柯布-道格拉斯函数模型是美国数学家C W Codb和经济学家P H Doughlas提出, 形如y=ax1b1x2b2… xmbm, 可用于分析产量和投入之间的关系, 式中的y表示产量, 而x1, x2, …xm表示各种投入量, a, b1, b2, …, bm为待定参数[17]。鉴于土壤中钾素的地球化学演化是气候等诸多成壤要素耦合作用形成的产物, 并且气候要素是最重要影响因素。因此可以认为气候要素与土壤钾素满足投入与生产的关系, 可采用该公式进行钾素与古气候要素的综合分析。

各形态钾素含量及钾素有效性与古气候要素的柯布-道格拉斯方程拟合结果(表3)表明, 速效钾、缓效钾含量以及钾素有效性与古气候条件关系均服合柯布-道格拉斯方程, 模型检验的拟合度都在约0.7以上, 并呈现极显著水平的高度相关性, 说明该模型能很好拟合速效钾、缓效钾及钾素有效性与古气候条件关系。

表3   钾素与古气候要素的柯布-道格拉斯方程拟合结果

Tab.3   The Cobd-Douglas equation between potassium and paleoclimate factors

拟合回归方程
Fitting regression
equation		相关系数
Correlation
coefficient		拟合度
Fitting
degree		F值
F value		p-值
p-value
AK=e-206.110P44.749T-32.9540.844 40.713 0175.148 80.000 1
SAK=e-131.750P29.464T-21.6460.866 00.750 0211.513 90.000 1
IK=e35.463P-5.549T4.3280.335 60.112 68.949 50.000 2
TK=e24.992P-3.304T2.660 20.427 40.182 715.755 00.000 1
E=e-157.011P33.821T-25.0850.859 30.738 4199.018 20.000 1
S=e-74.360P15.285T-11.3080.303 00.550 430.642 70.000 1

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5 结论

通过重建将军村剖面近万年以来的古气候演化历史, 分析了长时间尺度气候变化与土壤钾素演变规律, 初步得到以下几点结论与认识:

(1) 土壤中速效钾、缓效钾含量与气候单要素(年均降水量或年均气温)之间满足指数函数模型, 年均降水量越大或年均气温越高, 土壤中速效钾、缓效钾含量也越高。

(2) 土壤的供钾强度与气候单要素呈现中等程度的正相关。年均降水量或年均气温增加, 供钾强度也呈递增趋势。

(3) 钾素有效性与气候单要素之间服从二次函数模型。钾素有效性并不随年均降水量或年均气温增加呈现良好的递增规律, 存在中间临界值。当年均气温<9.1 ℃或年均降水量<559.1 mm时, 钾素有效性处于低水平状态波动; 而年均气温>9.5 ℃或年均降水量>577.3 mm时, 钾素有效性随年均降水量或气温增加呈明显地快速递增。

(4) 土壤中速效钾、缓效钾含量及钾素有效性与长时间尺度气候条件的关系均符合柯布-道格拉斯方程, 该模型拟合结果良好。

The authors have declared that no competing interests exist.

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简要概述了土壤钾素的形态、不同形态钾的有效性、钾在土壤中的转化、不同耕作方式对土壤钾素的影响,指出了不同钾素形态之间的转化速率是影响土壤供钾能力的主要因素,今后应该加强不同耕作方式下土壤钾素转化动力学以及耕作方式对土壤钾素固定的影响及其机理研究。
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As the potassium contents in soils of northern China are relatively high, it is of significance to strengthen the potassium cycling in the agricultural production systems and apply potash fertilizer rationally based on the potassium cycling characteristics in soil?plant systems and the soil potassium balance under different cropping system. Soil analysis revealed that the soil total K contents in northern China soil showed small variation but the soil readily available K and slowly available K contents were significantly higher in soils of northwestern China. The soil readily available K contents were much higher in soils of northeastern China than in north?central China, and for the soil slowly available K contents the reverse was true. The fixed site field trials on the representative soils under the main cropping systems in northern 12 provinces revealed that crop K uptakes under various cropping systems varied significantly. The crop K uptakes in northwestern China were general higher and the double cropping under north?central China showed much higher annual crop K uptakes than the single crop in northeastern China. Returning the wheat straw back into the soil and applying potash fertilizer improved the crop K uptake, with the applying potash fertilizer combined to wheat straw returning showing most prominent effect. The soils were under the depleting status of K when no potash fertilizer was used, the soil readily available K content declined gradually. Potash application and its combination to straw returning would reduce the soil K depletion by crop uptake and slow down the decline of soil K content to some extent.
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长期施钾对作物增产及土壤钾素含量及形态的影响

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本文以在油稻稻、麦稻和麦棉三种种植制度下进行的长期（10年）施钾田间定位试验的结果为依据，阐述了长期施钾对几种主要农作物增产及施肥效益的影响，对长期施钾后供试条件下土壤钾素含量及形态的变化进行了分析。
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黄土区土壤钾素径流流失规律研究

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DOI:10.3321/j.issn:1009-2242.2002.01.012      URL      摘要

该文通过在5个不同坡度径流小区进行的8次人工模拟冲刷试验,探 讨了坡度、放水冲刷强度、植被和降雨量等因素对土壤钾素径流流失的影响.研究成果对深化坡面土壤养分迁移动力学研究有一定的理论意义,可为建立土壤坡面钾 素径流流失模型提供基础资料,并对坡地合理施肥、提高土地生产力有一定的指导作用.研究结果表明：（1）当降雨量一次不超过50mm时,黄绵土土壤的缓效 钾、速效钾和溶解态钾的流失量分别不超过25400kg/km<'2>、2620kg/km<'>和1630kg /km<'2>.（2）侵蚀黄绵土泥沙速效钾的富集率在1.01-1.73,缓效钾在1.01-1.20,全钾在1.01-1.05的范围之 内,速效钾...
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黄土区土壤钾素径流流失试验研究

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通过人工模拟冲刷试验,初步分析了施KCl、植被覆盖度和降雨量 对黄土区土壤钾素径流的影响.结果表明:给土壤施KCl后使土壤和径流中的钾流失量增加,施入的KCl主要以溶解态钾的形式流失;植被覆盖度增大,缓效 钾、速效钾流失量显著减少;植被(在坡度≤20°时)比坡度对土壤、缓效钾和速效钾流失量的影响更大;坡度比雨量对土壤、缓效钾和速效钾的流失影响更大.
[9] 朱咏莉, 刘军, 王益权, 等.

干湿交替过程对黄土高原几种主要土壤钾有效性的影响

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温度对潮土和褐土钾吸附动力学的影响

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Magsci      摘要

研究了潮土、褐土在 3 种温度下吸附K+的动力学。结果表明,当 K+浓度恒定时,在不同温度下一级动力学方程均是描述K+吸附表观动力学过程的最优模型,温度对其适宜性没有明显影响,Elovich方程的适宜性随着温度的升高而变好,幂函数方程和抛物线扩散方程的适宜性随着温度的升高而变差;一级动力学的表观平衡吸附量q 随温度的升高而减小,表观吸附速率常数k 及其与q 的乘积随温度升高而增大;温度对 K+浓度项的反应级数 ∞a∞和吸附位的反应级数均没有明显影响,皆为1,如果同时考虑浓度和吸附位,潮土和褐土对K+的吸附为
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黄土丘陵沟壑区人工农田土壤钾素特征研究

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通过土样分析,利用统计分析法系统研究了黄土丘陵沟壑区人工农地 --坝地和梯田的土壤钾素含量、相关性、垂直和时空分异特征.研究结果表明:坝地和梯田钾素分布严重失衡;表层速效钾平均含量坝地属"中等",梯田属"缺 乏";表层全钾平均含量坝地属"较高",梯田为"中等";缓效钾平均是速效钾的7.58倍(坝地)和11.06倍(梯田),但转化率较低;矿物钾平均占全 钾的95.71%(坝地)和95.16%(梯田),却难以被作物利用.土壤各形态钾素间都呈极显著正相关,并受土壤有机质、CEC、pH值和颗粒组成的影 响.表层与下层间的速效钾、坝地和梯田间的缓效钾都有极显著差异,但黄土母质土壤钾素整体分布均一;坝地速效钾沿剖面向下含量增加,且整体高于梯田;坝地 因高耗钾作物玉米而导致缓效钾含量低于梯田.土壤有效性钾、速效钾和缓效钾在时间动态上都表现为先增后降,分水岭年限坝地约在40 a,梯田约在30 a.
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钾是植物必需的营养元素,土壤是作物所需钾素的主要来源.近年 来,我国土壤缺钾的面积不断扩大,而我国钾肥资源有限,使用替代物无疑可以缓解这一矛盾.根际土壤钾素动态直接影响作物对钾的吸收,农田钾素平衡状况同样 影响土壤钾素动态.土壤速效钾有下降的趋势.文章从土壤钾素分级、根际钾素动态、农田钾素平衡和钠对钾的替代作用等4方面对土壤钾素的研究进展进行了综 述,并对一些问题提出了新的见解.
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DOI:10.1097/00005650-196711000-00012      URL      PMID: 5713170      [本文引用: 1]      摘要

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DOI:10.1006/qres.1995.1083      URL      [本文引用: 1]      摘要

The rock magnetic properties of the Chinese loess and paleosols constitute a unique and sensitive record of East Asian paleoclimate through the Quaternary Period. Systematic variations in the concentration and grain size of the magnetic minerals in these sediments have produced systematic variations in the magnetic susceptibility signal, which can be easily and rapidly measured at many sites across the Loess Plateau. Variations in many other rock magnetic properties can be used to identify the key shifts in ferrimagnetic grain size, but magnetic susceptibility alone is sufficiently sensitive to record stadial and interstadial climate stages, as well as glaciations and interglaciations. Past changes in rainfall and monsoon activity for this region are reconstructed from the susceptibility variations. The susceptibility record is calibrated using the modern relationship between rainfall and pedogenic susceptibility on the Loess Plateau. Our rainfall reconstructions identify enhanced summer monsoonal activity in the Chinese Loess Plateau region in the early Holocene and the last interglaciation. In the presently semiarid western area of the plateau, annual precipitation in interglacial times was up to 80% higher than at present; in the more humid southern and eastern areas, values were up to 20% higher than today's levels. During the last glaciation, precipitation decreased across the entire plateau, typically by 鈭25%. The relationship between pedogenic susceptibility, climate, and weathering age was examined over the Northern Hemisphere temperate zone and the observed positive correlation between rainfall and susceptibility indicates that climate, rather than soil age, is the predominant factor that controls pedogenic susceptibility enhancement in loess soils.
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