高鵬坤 龐獎勵 黃春長 周亞利 卞鴻雁 王蕾彬 王學佳

(陜西師范大學旅游與環(huán)境學院 西安 710119)

沉積物的顏色是其成分和結(jié)構(gòu)的外在表現(xiàn)，可作為地層對比、沉積環(huán)境分析的標志［1-5］。自20世紀60年代以來，沉積物顏色體系逐漸被量化并在古氣候研究方面得到了應用［6-13］。例如，楊勝利等［6］認為黃土—古土壤的顏色記錄在千年尺度和萬年尺度上均能很好地再現(xiàn)亞洲季風和全球氣候變化的特征;Yang［11］對黃土高原12個剖面最后兩個冰期旋回的紅度進行了研究，認為其與風化強度關(guān)系密切;還有學者［12-13］認為更早的黃土—古土壤旋回同樣能夠用顏色指標直觀的表達出來，等等。但是深入分析就會發(fā)現(xiàn)，利用黃土—古土壤剖面的顏色解釋其古氣候意義方面的研究仍十分薄弱，有待進一步深入研究。秦嶺南麓的商丹盆地分布有較大面積的黃土，許多學者對其進行了不同程度的研究［14-16］，但這些成果主要基于其理化性質(zhì)取得，而基于顏色變化的研究尚未見報道。本文利用色度儀對茶房村黃土—古土壤剖面的色度進行定量研究，并結(jié)合磁化率等經(jīng)典指標，探討該區(qū)黃土色度的變化規(guī)律及其意義。

1 研究材料

商(州)—丹(鳳)盆地位于陜西省東南部，秦嶺南麓，屬暖溫帶半濕潤季風氣候，年均氣溫13.8℃，年均降水690 mm，四季分明，雨熱同期，降雨集中在7～9月，約占全年降水的50%，區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境較好，森林覆蓋率高達73%。丹江自西北至東南流經(jīng)盆地內(nèi)部，丹江兩岸斷續(xù)發(fā)育1～4河流階地，其上覆蓋厚度不等的風成黃土，形成了許多面積不等的黃土臺地。其中2～4級階地的地形變化較大，地面侵蝕明顯，使得黃土剖面較薄和地層序列不完整，1級階地面地形往往比較寬緩，水土流失很弱，黃土剖面常較完整的保存下來。

本文選擇茶房村剖面為研究對象，位于丹鳳縣茶房村(33°43＇14.90″N，110°12＇51.46″E)，丹江一級河流階地上，階地面寬度超過1 000 m，地形平坦，當?shù)毓こ淌┕ば纬闪饲写S土臺地的天然斷面，斷面厚約5 m，地層序列完整，未見明顯的沉積間斷，詳見表1。

2 研究方法

沿剖面向下2 cm連續(xù)采樣，共采樣品210個。所涉實驗均在陜西師范大學所屬實驗室完成。樣品色度的描述采用 CIE1976［17］表色系統(tǒng)，即使用 L*(亮度)、a*(紅度)、b*(黃度)三個參定量描述任意均勻連續(xù)的顏色空間。與常用的Munsell系統(tǒng)不同，它可以定量表示顏色的變化。色度參數(shù)的測量:取樣品10.0 g放入恒溫40℃的烘箱中72小時烘干，用瑪瑙研缽磨均勻至45 μm左右，放在標準校正白板上，壓實，壓平后，在背景光源恒定的條件下，隨機取3個區(qū)域采用美國X-rite公司生產(chǎn)的非接觸分光光度儀(VS450)進行測量，求平均值，實驗誤差＜2%。Munsell顏色描述用標準比色卡(中科院南京土壤研究所制，1989);磁化率用英國Bartington公司生產(chǎn)的MS-2B型磁化率儀進行測量;燒失量用燃燒失重法測量，所用儀器為SX-5-12型箱式電阻爐;Fe2O3的含量①論文中Fe2O3含量指樣品中全鐵含量。用荷蘭 Panalytical公司生產(chǎn)的 X-Ray熒光光譜儀(PW2403)測量地層年代框架的確定詳見參考文獻［15］。

表1 丹鳳縣茶房村剖面地層特征Table 1 Stratigraphic characteristics of the Chafangcun profile in the Danfeng country，China

3 結(jié)果與分析

實驗結(jié)果見圖1。茶房村剖面中L*值的變化范圍為50.1～61.1，平均為55.7。不同地層單元的L*差異明顯，呈現(xiàn)黃土層＞古土壤的變化規(guī)律。其中古土壤S0的L*值最低，變化范圍為50.1～57.2，平均僅為52.4;黃土層的L*值較高，其中全新世黃土L0最高，變化范圍為56.4～60.3，平均為58.1，馬蘭黃土L1變化于53.8～61.1，平均57.6，過渡黃土Lt變化于53.0～55.3，平均為54.3。表土MS的L*值介于馬蘭黃土L1和過渡黃土Lt之間，變化范圍為55.5～59.0，平均57.4。

剖面中a*值變化范圍為6.6～9.9，變化幅度達50.0%，明顯高于L*的變化幅度(20.0%)。a*的曲線變化特征與L*不同，其峰值出現(xiàn)在古土壤S0，變化范圍為7.9～9.9，平均為9.1;黃土層的a*值則較低，馬蘭黃土L1、過渡黃土Lt、全新世黃土L0的a*的平均值分別為7.3、8.0、7.3;表土MS的a*值在剖面最低，變化范圍為6.0～7.4，平均僅為6.6。各地層單元 a*值的大小排序為 S0＞Lt＞L1＞L0＞MS。

b*值的變化范圍為15.8～19.3，平均為17.3。不同地層單元 b*值從大到小依次為L0(17.7)＞L1(17.6)＞Lt(17.3)＞S0(17.2)＞MS(16.6)。相比于 L*和a*，b*值在黃土和古土壤地層之間的最大變化幅度僅為2.9%，并未有明顯的變化，本文不做重點討論。

a*/b*值隨深度的變化趨勢與a*相一致。古土壤S0中 a*/b*值最高，平均為0.53，過渡黃土 Lt次之，a*/b*值平均為0.46，馬蘭黃土L1和全新世黃土L0的a*/b*值均值分別為0.42、0.41，表土MS的a*/b*值最低，平均僅為0.39。各地層單元a*/b*值的大小排序為 S0＞Lt＞L1＞L0＞MS。

4 討論

4.1 L*的意義

L*與沉積物的粗糙度、濕度、有機質(zhì)含量和碳酸鹽含量等多種因素密切相關(guān)［6，18］，在實驗前處理時已將沉積物的粗糙度和濕度等對L*的影響降至最低，故碳酸鹽和有機質(zhì)的含量成為影響L*變化的主要因素。黃土中碳酸鹽礦物的存在使L*增強，而有機質(zhì)則使L*減弱。相關(guān)實驗表明，茶房村剖面通體未有碳酸鹽反應，因此推斷其碳酸鹽含量很低，對L*的影響幾乎可以忽略不計，該區(qū)黃土L*值的變化與碳酸鹽含量之間并無明顯的因果關(guān)系，與前人在西峰［9］、關(guān)中盆地［10］、靖遠［19］的研究并不完全一致，究其原因可能是該區(qū)降水量相對較高，碳酸鹽礦物發(fā)生了強烈的淋溶，使得碳酸鹽來解釋亮度的變化并不能運用到該地區(qū)晚更新世以來的沉積物中。

分析L*與有機質(zhì)含量之間的關(guān)系，L*隨剖面中有機質(zhì)含量的增高而降低，兩者隨深度變化的趨勢和幅度上均具有良好的可比性(圖1)。相關(guān)性分析也顯示(圖2)，二者為顯著相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2=0.678 8。這表明有機質(zhì)含量的變化是使剖面中L*發(fā)生變化的主要因素。沉積物中有機質(zhì)的含量可反映一定氣候條件下地表植被的發(fā)育特征和生物量的大小，揭示植被的生長狀態(tài)，而降雨量的變化直接影響著植被的發(fā)育特征和生物量的大小，降水量的增加會導致植被的發(fā)育，使有機質(zhì)含量增多。顯然，茶房村剖面中L*的變化實質(zhì)是對區(qū)域降水量變化的響應。古土壤S0中較低的L*值指示該時期氣候暖濕，降水較多，植被發(fā)育，有利于有機質(zhì)的累積;而黃土的L*值較高，反映其形成時期氣候干冷，植被生長較差，有機質(zhì)累積減少。值得注意的是，在剖面190 cm處的L*出現(xiàn)一個明顯的峰值，可能指示該時期存在一個降水量減少的時期，這在磁化率曲線上并沒有明顯的體現(xiàn)出來(圖1)，表明L*指示降水量方面似乎有更高的靈敏度，能夠反映夏季風強度的一些精細變化。

圖1 茶房村剖面的L*、a*、b*、a*/b*、燒失量、Fe2O3、磁化率分布曲線Fig.1 Diagrams showing pedo-stratigraphy，lightness，redness，yellowness，a*/b* ，Loss on Ignition，F(xiàn)e2O3，magnetic susceptibility of the Chafangcun profile in the Danfeng country，China

圖2 茶房村剖面L*與燒失量，a*與Fe2O3之間的相關(guān)關(guān)系Fig.2 Correlation coefficient of lightness and Loss on Ignition，a*and Fe2O3of the Chafangcun profile in the Danfeng country，China

4.2 a*的意義

a*表面上是沉積物在特定條件下的顏色，實質(zhì)是對土壤內(nèi)在成分變化的反映。前人的研究認為碳酸鹽礦物和有機質(zhì)的含量變化對a*影響有限，導致其發(fā)生變化的主要因素是沉積物中鐵氧化物的含量［7，20］。在中低等風化程度下，黃土中的鐵往往屬于穩(wěn)定元素，在風化過程中難以發(fā)生顯著地遷移，主要發(fā)生價態(tài)和形態(tài)的轉(zhuǎn)變，風化過程中游離出來的鐵常轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的鐵氧化物(如赤鐵礦、真鐵礦、磁鐵礦等)存在。比較茶房村剖面中 a*與鐵氧化物(Fe2O3)曲線，可發(fā)現(xiàn)a*值隨地層序列的變化特征與Fe2O3曲線十分吻合，具有幾乎一致的峰谷變化和相位變化(圖1)，相關(guān)性也分析顯示，二者相關(guān)系數(shù)為R2=0.664 6(圖2)，具有良好的相關(guān)性。

上述分析說明鐵氧化物含量的變化是使引起a*值發(fā)生變化的主要因素，但具體的鐵礦物成分仍有待進一步深入的研究。在古土壤形成時期，暖濕的氣候條件有利于風化成壤作用的發(fā)生，大量不穩(wěn)定礦物的分解和易溶組分的淋溶，使得難移的鐵氧化物含量相對富集，出現(xiàn)更多的致色性質(zhì)的鐵氧化物(如赤鐵礦等)，使沉積物的顏色加深，a*值增加。而在黃土堆積時期則氣候干冷，不利于礦物的風化分解，較少致色性質(zhì)的鐵氧化物，因此沉積物的a*值較低。由此可見，黃土—古土壤序列的a*值變化實際上反映了受夏季風環(huán)流強度控制的風化成壤強度強弱的變化，古土壤S0較高的a*值指示該時期氣候暖濕，風化成壤作用較強，而黃土中a*值較低反映了該時期氣候干冷，成壤微弱。

4.3 L*、a*、b*及其與磁化率的相關(guān)分析

CIELAB(1976)表色系統(tǒng)是一個立體的顏色空間，不同顏色坐標分量之間也會相互影響［19］。為此分析L*、a*、b*之間的關(guān)系，結(jié)果(表2)顯示:L*，a*呈明顯的負相關(guān)關(guān)系，二者的相關(guān)系數(shù) R2=-0.791，L*隨著a*的增大而明顯減小，鐵氧化物含量的變化可能對該區(qū)黃土的L*的產(chǎn)生明顯的影響;L*與b*呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.427，L*在一定程度上隨著b*的增大而增大，但是相對于a*，b*的影響相對較小;a*與b*的相關(guān)系數(shù)僅為0.087，二者并不存在明顯的相關(guān)性，二者的變化受制于不同的致色物質(zhì)。

表2 茶房村剖面L*、a*、b*及其與磁化率的相關(guān)性分析Table 2 Correlation analysis of the chromaticity index and magnetic susceptibility of Chafangcun profile in the Danfeng country，China

黃土磁化率與成壤作用密切相關(guān)，作為常用的氣候代用指標，在東亞氣候演變的研究中得了廣泛的應用，在該研究區(qū)域，磁化率也能夠較好的反演區(qū)域氣候的演變［15，21-22］。為進一步明確色度指標的氣候意義，對其分別與磁化率進行對比分析，結(jié)果(圖1、表2)顯示:L*、a*與磁化率均具有顯著的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為-0.923，0.872，且二者在幅度和趨勢上與磁化率也具有良好的可比性，可作為良好的氣候替代來反演該區(qū)環(huán)境的演變，甚至對次一級的氣候變化事件上也有明顯的指示;b*曲線的波動幅度較太小，且其與磁化率的相關(guān)系數(shù)也僅為0.087，b*對區(qū)域氣候的響應存在一定的局限性。進一步研究發(fā)現(xiàn)，a*/b*比值在剖面中也隨黃土—黃土壤地層呈有規(guī)律的變化，其曲線可與磁化率曲線進行極好地對比(圖1)，不僅其主要峰谷變化特征相吻合，而且次一級的峰谷也具有較高的一致性，如在剖面90 cm、150 cm、170 cm、330 cm等，均表現(xiàn)為一一對應關(guān)系;相關(guān)性分析也顯示a*/b*比值和磁化率之間二者的相關(guān)性R2=0.934，為顯著相關(guān)關(guān)系(表2)。因此，a*/b*也可作為一個良好的氣候代用指標，反映該區(qū)氣候的變化特征，其高值指示暖濕氣候下的強成壤環(huán)境，低值指示干冷環(huán)境下的弱成壤環(huán)境。

5 茶房村剖面色度變化與環(huán)境演變

上述分析表明氣候因素是導致沉積物色度參數(shù)發(fā)生變化的主要驅(qū)動因子，茶房村黃土—古土壤剖面色度參數(shù)的變化實際上記錄該區(qū)東亞季風的變化歷史。馬蘭黃土 L1(相當于晚更新世末期，11 500 a B.P.以前)中較高的L*和較低的a*、a*/b*值指示該時期氣候環(huán)境惡劣，降水較少和生物不活躍、風化成壤作用弱的環(huán)境特征;過渡黃土Lt(全新世早期，11 500～8 500 a B.P.)的L*值呈降低的趨勢而a*、a*/b*值則明顯升高，表明此時期區(qū)內(nèi)氣候向暖濕方向轉(zhuǎn)變，氣溫和降水增加，風化成壤作用的增強;古土壤S0(全新世中期，8 500～3 100 a B.P.)中L*呈現(xiàn)最低值，a*、a*/b*則為最高值，結(jié)合磁化率顯著升高等特征，指示這時期經(jīng)歷了強烈的風化成壤作用，反映了氣溫較高，植被茂密和生物活躍的環(huán)境特征;全新世黃土L0(全新世晚期，3 100 a B.P.以來)，L*值明顯回升，a*、a*/b*值驟減，表明該時期東亞季風格局發(fā)生突變，西北季風增強，氣候暖濕程度降低，該地區(qū)重新進入一個相對干旱少雨的時期。上述結(jié)論與前人［15］對該區(qū)晚更新世以來的環(huán)境演變研究所得到的結(jié)論相一致。

6 結(jié)論

茶房村剖面L*的變化主要與有機質(zhì)含量密切相關(guān)，可能還受到鐵氧化物的影響;a*的變化則主要受制于鐵氧化物的種類和含量。盡管二者的受控因素不同，但均風化成壤作用密切相關(guān)，且二者同磁化率具有良好的可比性，沉積物的L*、a*指標同樣可以作為反演夏季風的變化的良好的替代指標。相比于磁化率，L*、a*對氣候變化響應敏感，甚至對次一級的氣候變化事件上也有明顯的指示。

b*指標對區(qū)域氣候的響應存在一定的局限性，為此本文嘗試使用a*/b*指標，綜合考慮a*、b*對氣候變化的響應，能夠較好的重建該區(qū)晚更新世以來的環(huán)境變化的時空特征。L*、a*、a*/b*共同揭示該區(qū)晚更新世以來經(jīng)歷了濕冷—回暖—暖濕—冷涼的變化過程。

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