陕南丹凤茶房村黄土—古土壤剖面色度参数特征①

高鹏坤 庞奖励 黄春长 周亚利 卞鸿雁 王蕾彬 王学佳

(陕西师范大学旅游与环境学院 西安 710119)

沉积物的颜色是其成分和结构的外在表现，可作为地层对比、沉积环境分析的标志［1-5］。自20世纪60年代以来，沉积物颜色体系逐渐被量化并在古气候研究方面得到了应用［6-13］。例如，杨胜利等［6］认为黄土—古土壤的颜色记录在千年尺度和万年尺度上均能很好地再现亚洲季风和全球气候变化的特征;Yang［11］对黄土高原12个剖面最后两个冰期旋回的红度进行了研究，认为其与风化强度关系密切;还有学者［12-13］认为更早的黄土—古土壤旋回同样能够用颜色指标直观的表达出来，等等。但是深入分析就会发现，利用黄土—古土壤剖面的颜色解释其古气候意义方面的研究仍十分薄弱，有待进一步深入研究。秦岭南麓的商丹盆地分布有较大面积的黄土，许多学者对其进行了不同程度的研究［14-16］，但这些成果主要基于其理化性质取得，而基于颜色变化的研究尚未见报道。本文利用色度仪对茶房村黄土—古土壤剖面的色度进行定量研究，并结合磁化率等经典指标，探讨该区黄土色度的变化规律及其意义。

1 研究材料

商(州)—丹(凤)盆地位于陕西省东南部，秦岭南麓，属暖温带半湿润季风气候，年均气温13.8℃，年均降水690 mm，四季分明，雨热同期，降雨集中在7～9月，约占全年降水的50%，区内生态环境较好，森林覆盖率高达73%。丹江自西北至东南流经盆地内部，丹江两岸断续发育1～4河流阶地，其上覆盖厚度不等的风成黄土，形成了许多面积不等的黄土台地。其中2～4级阶地的地形变化较大，地面侵蚀明显，使得黄土剖面较薄和地层序列不完整，1级阶地面地形往往比较宽缓，水土流失很弱，黄土剖面常较完整的保存下来。

本文选择茶房村剖面为研究对象，位于丹凤县茶房村(33°43＇14.90″N，110°12＇51.46″E)，丹江一级河流阶地上，阶地面宽度超过1 000 m，地形平坦，当地工程施工形成了切穿黄土台地的天然断面，断面厚约5 m，地层序列完整，未见明显的沉积间断，详见表1。

2 研究方法

沿剖面向下2 cm连续采样，共采样品210个。所涉实验均在陕西师范大学所属实验室完成。样品色度的描述采用 CIE1976［17］表色系统，即使用 L*(亮度)、a*(红度)、b*(黄度)三个参定量描述任意均匀连续的颜色空间。与常用的Munsell系统不同，它可以定量表示颜色的变化。色度参数的测量:取样品10.0 g放入恒温40℃的烘箱中72小时烘干，用玛瑙研钵磨均匀至45 μm左右，放在标准校正白板上，压实，压平后，在背景光源恒定的条件下，随机取3个区域采用美国X-rite公司生产的非接触分光光度仪(VS450)进行测量，求平均值，实验误差＜2%。Munsell颜色描述用标准比色卡(中科院南京土壤研究所制，1989);磁化率用英国Bartington公司生产的MS-2B型磁化率仪进行测量;烧失量用燃烧失重法测量，所用仪器为SX-5-12型箱式电阻炉;Fe2O3的含量①论文中Fe2O3含量指样品中全铁含量。用荷兰 Panalytical公司生产的 X-Ray荧光光谱仪(PW2403)测量地层年代框架的确定详见参考文献［15］。

表1 丹凤县茶房村剖面地层特征Table 1 Stratigraphic characteristics of the Chafangcun profile in the Danfeng country，China

3 结果与分析

实验结果见图1。茶房村剖面中L*值的变化范围为50.1～61.1，平均为55.7。不同地层单元的L*差异明显，呈现黄土层＞古土壤的变化规律。其中古土壤S0的L*值最低，变化范围为50.1～57.2，平均仅为52.4;黄土层的L*值较高，其中全新世黄土L0最高，变化范围为56.4～60.3，平均为58.1，马兰黄土L1变化于53.8～61.1，平均57.6，过渡黄土Lt变化于53.0～55.3，平均为54.3。表土MS的L*值介于马兰黄土L1和过渡黄土Lt之间，变化范围为55.5～59.0，平均57.4。

剖面中a*值变化范围为6.6～9.9，变化幅度达50.0%，明显高于L*的变化幅度(20.0%)。a*的曲线变化特征与L*不同，其峰值出现在古土壤S0，变化范围为7.9～9.9，平均为9.1;黄土层的a*值则较低，马兰黄土L1、过渡黄土Lt、全新世黄土L0的a*的平均值分别为7.3、8.0、7.3;表土MS的a*值在剖面最低，变化范围为6.0～7.4，平均仅为6.6。各地层单元 a*值的大小排序为 S0＞Lt＞L1＞L0＞MS。

b*值的变化范围为15.8～19.3，平均为17.3。不同地层单元 b*值从大到小依次为L0(17.7)＞L1(17.6)＞Lt(17.3)＞S0(17.2)＞MS(16.6)。相比于 L*和a*，b*值在黄土和古土壤地层之间的最大变化幅度仅为2.9%，并未有明显的变化，本文不做重点讨论。

a*/b*值随深度的变化趋势与a*相一致。古土壤S0中 a*/b*值最高，平均为0.53，过渡黄土 Lt次之，a*/b*值平均为0.46，马兰黄土L1和全新世黄土L0的a*/b*值均值分别为0.42、0.41，表土MS的a*/b*值最低，平均仅为0.39。各地层单元a*/b*值的大小排序为 S0＞Lt＞L1＞L0＞MS。

4 讨论

4.1 L*的意义

L*与沉积物的粗糙度、湿度、有机质含量和碳酸盐含量等多种因素密切相关［6，18］，在实验前处理时已将沉积物的粗糙度和湿度等对L*的影响降至最低，故碳酸盐和有机质的含量成为影响L*变化的主要因素。黄土中碳酸盐矿物的存在使L*增强，而有机质则使L*减弱。相关实验表明，茶房村剖面通体未有碳酸盐反应，因此推断其碳酸盐含量很低，对L*的影响几乎可以忽略不计，该区黄土L*值的变化与碳酸盐含量之间并无明显的因果关系，与前人在西峰［9］、关中盆地［10］、靖远［19］的研究并不完全一致，究其原因可能是该区降水量相对较高，碳酸盐矿物发生了强烈的淋溶，使得碳酸盐来解释亮度的变化并不能运用到该地区晚更新世以来的沉积物中。

分析L*与有机质含量之间的关系，L*随剖面中有机质含量的增高而降低，两者随深度变化的趋势和幅度上均具有良好的可比性(图1)。相关性分析也显示(图2)，二者为显著相关关系，相关系数R2=0.678 8。这表明有机质含量的变化是使剖面中L*发生变化的主要因素。沉积物中有机质的含量可反映一定气候条件下地表植被的发育特征和生物量的大小，揭示植被的生长状态，而降雨量的变化直接影响着植被的发育特征和生物量的大小，降水量的增加会导致植被的发育，使有机质含量增多。显然，茶房村剖面中L*的变化实质是对区域降水量变化的响应。古土壤S0中较低的L*值指示该时期气候暖湿，降水较多，植被发育，有利于有机质的累积;而黄土的L*值较高，反映其形成时期气候干冷，植被生长较差，有机质累积减少。值得注意的是，在剖面190 cm处的L*出现一个明显的峰值，可能指示该时期存在一个降水量减少的时期，这在磁化率曲线上并没有明显的体现出来(图1)，表明L*指示降水量方面似乎有更高的灵敏度，能够反映夏季风强度的一些精细变化。

图1 茶房村剖面的L*、a*、b*、a*/b*、烧失量、Fe2O3、磁化率分布曲线Fig.1 Diagrams showing pedo-stratigraphy，lightness，redness，yellowness，a*/b* ，Loss on Ignition，Fe2O3，magnetic susceptibility of the Chafangcun profile in the Danfeng country，China

图2 茶房村剖面L*与烧失量，a*与Fe2O3之间的相关关系Fig.2 Correlation coefficient of lightness and Loss on Ignition，a*and Fe2O3of the Chafangcun profile in the Danfeng country，China

4.2 a*的意义

a*表面上是沉积物在特定条件下的颜色，实质是对土壤内在成分变化的反映。前人的研究认为碳酸盐矿物和有机质的含量变化对a*影响有限，导致其发生变化的主要因素是沉积物中铁氧化物的含量［7，20］。在中低等风化程度下，黄土中的铁往往属于稳定元素，在风化过程中难以发生显著地迁移，主要发生价态和形态的转变，风化过程中游离出来的铁常转化为稳定的铁氧化物(如赤铁矿、真铁矿、磁铁矿等)存在。比较茶房村剖面中 a*与铁氧化物(Fe2O3)曲线，可发现a*值随地层序列的变化特征与Fe2O3曲线十分吻合，具有几乎一致的峰谷变化和相位变化(图1)，相关性也分析显示，二者相关系数为R2=0.664 6(图2)，具有良好的相关性。

上述分析说明铁氧化物含量的变化是使引起a*值发生变化的主要因素，但具体的铁矿物成分仍有待进一步深入的研究。在古土壤形成时期，暖湿的气候条件有利于风化成壤作用的发生，大量不稳定矿物的分解和易溶组分的淋溶，使得难移的铁氧化物含量相对富集，出现更多的致色性质的铁氧化物(如赤铁矿等)，使沉积物的颜色加深，a*值增加。而在黄土堆积时期则气候干冷，不利于矿物的风化分解，较少致色性质的铁氧化物，因此沉积物的a*值较低。由此可见，黄土—古土壤序列的a*值变化实际上反映了受夏季风环流强度控制的风化成壤强度强弱的变化，古土壤S0较高的a*值指示该时期气候暖湿，风化成壤作用较强，而黄土中a*值较低反映了该时期气候干冷，成壤微弱。

4.3 L*、a*、b*及其与磁化率的相关分析

CIELAB(1976)表色系统是一个立体的颜色空间，不同颜色坐标分量之间也会相互影响［19］。为此分析L*、a*、b*之间的关系，结果(表2)显示:L*，a*呈明显的负相关关系，二者的相关系数 R2=-0.791，L*随着a*的增大而明显减小，铁氧化物含量的变化可能对该区黄土的L*的产生明显的影响;L*与b*呈正相关关系，相关系数分别为0.427，L*在一定程度上随着b*的增大而增大，但是相对于a*，b*的影响相对较小;a*与b*的相关系数仅为0.087，二者并不存在明显的相关性，二者的变化受制于不同的致色物质。

表2 茶房村剖面L*、a*、b*及其与磁化率的相关性分析Table 2 Correlation analysis of the chromaticity index and magnetic susceptibility of Chafangcun profile in the Danfeng country，China

黄土磁化率与成壤作用密切相关，作为常用的气候代用指标，在东亚气候演变的研究中得了广泛的应用，在该研究区域，磁化率也能够较好的反演区域气候的演变［15，21-22］。为进一步明确色度指标的气候意义，对其分别与磁化率进行对比分析，结果(图1、表2)显示:L*、a*与磁化率均具有显著的相关性，相关系数分别为-0.923，0.872，且二者在幅度和趋势上与磁化率也具有良好的可比性，可作为良好的气候替代来反演该区环境的演变，甚至对次一级的气候变化事件上也有明显的指示;b*曲线的波动幅度较太小，且其与磁化率的相关系数也仅为0.087，b*对区域气候的响应存在一定的局限性。进一步研究发现，a*/b*比值在剖面中也随黄土—黄土壤地层呈有规律的变化，其曲线可与磁化率曲线进行极好地对比(图1)，不仅其主要峰谷变化特征相吻合，而且次一级的峰谷也具有较高的一致性，如在剖面90 cm、150 cm、170 cm、330 cm等，均表现为一一对应关系;相关性分析也显示a*/b*比值和磁化率之间二者的相关性R2=0.934，为显著相关关系(表2)。因此，a*/b*也可作为一个良好的气候代用指标，反映该区气候的变化特征，其高值指示暖湿气候下的强成壤环境，低值指示干冷环境下的弱成壤环境。

5 茶房村剖面色度变化与环境演变

上述分析表明气候因素是导致沉积物色度参数发生变化的主要驱动因子，茶房村黄土—古土壤剖面色度参数的变化实际上记录该区东亚季风的变化历史。马兰黄土 L1(相当于晚更新世末期，11 500 a B.P.以前)中较高的L*和较低的a*、a*/b*值指示该时期气候环境恶劣，降水较少和生物不活跃、风化成壤作用弱的环境特征;过渡黄土Lt(全新世早期，11 500～8 500 a B.P.)的L*值呈降低的趋势而a*、a*/b*值则明显升高，表明此时期区内气候向暖湿方向转变，气温和降水增加，风化成壤作用的增强;古土壤S0(全新世中期，8 500～3 100 a B.P.)中L*呈现最低值，a*、a*/b*则为最高值，结合磁化率显著升高等特征，指示这时期经历了强烈的风化成壤作用，反映了气温较高，植被茂密和生物活跃的环境特征;全新世黄土L0(全新世晚期，3 100 a B.P.以来)，L*值明显回升，a*、a*/b*值骤减，表明该时期东亚季风格局发生突变，西北季风增强，气候暖湿程度降低，该地区重新进入一个相对干旱少雨的时期。上述结论与前人［15］对该区晚更新世以来的环境演变研究所得到的结论相一致。

6 结论

茶房村剖面L*的变化主要与有机质含量密切相关，可能还受到铁氧化物的影响;a*的变化则主要受制于铁氧化物的种类和含量。尽管二者的受控因素不同，但均风化成壤作用密切相关，且二者同磁化率具有良好的可比性，沉积物的L*、a*指标同样可以作为反演夏季风的变化的良好的替代指标。相比于磁化率，L*、a*对气候变化响应敏感，甚至对次一级的气候变化事件上也有明显的指示。

b*指标对区域气候的响应存在一定的局限性，为此本文尝试使用a*/b*指标，综合考虑a*、b*对气候变化的响应，能够较好的重建该区晚更新世以来的环境变化的时空特征。L*、a*、a*/b*共同揭示该区晚更新世以来经历了湿冷—回暖—暖湿—冷凉的变化过程。

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