渾善達(dá)克沙地沙丘剖面顏色變化的古氣候意義

付旭東　周廣勝　張新時(shí)

(1.河南大學(xué)環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院　河南開(kāi)封　475004；2.中國(guó)科學(xué)植物研究所植被與環(huán)境變化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　北京　100093)

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渾善達(dá)克沙地沙丘剖面顏色變化的古氣候意義

付旭東1,2周廣勝2張新時(shí)2

(1.河南大學(xué)環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院河南開(kāi)封475004；2.中國(guó)科學(xué)植物研究所植被與環(huán)境變化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室北京100093)

摘要為研究中國(guó)沙漠東部廣泛分布的風(fēng)成沙—古土壤沉積序列的顏色變化與古氣候之間的可能聯(lián)系，以渾善達(dá)克沙地為研究區(qū)，測(cè)定了7個(gè)天然風(fēng)成沙—古土壤沉積序列的顏色(L*a*b*)、有機(jī)碳、總氮和粒度。結(jié)果表明：L*(亮度)、a*(紅度)、b*(黃度)值分別介于32.41～65.89，2.73～7.52和-1.68～17.16；L*、a*、b*值之間存在正相關(guān)關(guān)系，其中L*和b*之間的相關(guān)性最顯著(R2=0.90)，而L*和a*之間的相關(guān)性最低(R2=0.26)；L*、a*、b*值在垂直方向上具有相同的變化趨勢(shì)和特征，它們?cè)陲L(fēng)成沙層位處為高值，在灰色—黑色砂質(zhì)古土壤層位處為低值，但L*值變化較大，a*和b*值變化較小。均值的非參數(shù)檢驗(yàn)表明L*可指示風(fēng)成沙—古土壤沉積序列的風(fēng)成沙和古土壤層的變化，而a*在這類(lèi)沉積序列上變化不敏感。影響L*的主要因素與有機(jī)質(zhì)含量和成壤作用有關(guān)，它們都與東亞夏季風(fēng)強(qiáng)弱變化關(guān)系密切，因此L*有明確的古氣候意義；L*低值對(duì)有機(jī)質(zhì)含量增加和成壤作用的加強(qiáng)具有指示作用，是東亞夏季風(fēng)增強(qiáng)的信號(hào)?；陬伾珔?shù)L*可以很好地重建中國(guó)沙漠東部風(fēng)成沙—古土壤沉積序列的古氣候變化。

關(guān)鍵詞渾善達(dá)克沙地風(fēng)成沙—古土壤亮度有機(jī)質(zhì)東亞夏季風(fēng)

顏色是土壤、沉積物最直觀的物理特征之一[1-3]。傳統(tǒng)的Munsell色系是基于肉眼對(duì)樣品與標(biāo)準(zhǔn)色卡圖的對(duì)比，帶有較大的主觀性，且得到的結(jié)果是定性的，難以區(qū)別細(xì)微的色差，不適宜數(shù)學(xué)分析[4-6]。1976年CIE提出了一個(gè)新的三維色系(CIE/L*a*b*)[7]，它用便于儀器測(cè)量的3個(gè)參數(shù)L*a*b*(亮度、紅度和黃度)定量地表示物體顏色，避免了肉眼判別顏色的主觀誤差，使得物體顏色的描述更加客觀、精準(zhǔn)和便捷[3]。鑒于CIE/L*a*b*對(duì)顏色表征的這些優(yōu)點(diǎn)，它被逐漸引入到深海沉積[8-11]、黃土—古土壤序列[1,12-19]、湖泊沉積[20-24]、南方紅土[3,25]、白堊紀(jì)地層[26]和現(xiàn)代表土[1,27]的顏色定量描述，以探討海相沉積和陸相沉積顏色變化可能蘊(yùn)含的不同尺度的氣候信息。

風(fēng)成沙—古土壤沉積序列廣泛分布于中國(guó)沙漠東部[28-30]，如呼倫貝爾[31]、科爾沁[32]、渾善達(dá)克[33]和毛烏素[34]沙地的固定半固定沙丘上都普遍保留有風(fēng)成沙—古土壤沉積序列，它們可能記錄了千年尺度的氣候變化信息。然而，到目前為止，對(duì)這類(lèi)沉積序列在沙丘剖面呈現(xiàn)的顏色變化所蘊(yùn)含的古氣候信息報(bào)道還很少。本研究以渾善達(dá)克沙地為研究區(qū)，選擇典型風(fēng)成沙—古土壤沉積序列，用CIE/L*a*b*色系定量表征顏色，探討風(fēng)成沙—古土壤沉積序列的顏色差異，影響顏色變化的主要因素以及顏色與古氣候變化的可能關(guān)系。

1研究區(qū)與方法

1.1研究區(qū)概況

渾善達(dá)克沙地(42°30′N(xiāo)～44°30′N(xiāo)，112°30′E～118°E)位于內(nèi)蒙古高原東南部錫林郭勒大草原上，東西長(zhǎng)約360 km，南北寬10～30 km，面積約2.14×104km2(圖1)。它是一個(gè)典型的固定、半固定沙地，沙丘相對(duì)高度為15～20 m。年降水量150～ 400 mm，年平均氣溫2℃～5℃，全年盛行西風(fēng)、西北風(fēng)[35]。研究區(qū)全新世沉積以風(fēng)成沉積為主[36-38]，廣泛分布于沙地內(nèi)部及其周邊地區(qū)。沙丘剖面普遍可見(jiàn)4～6層風(fēng)成沙和3～5層灰—黑色砂質(zhì)古土壤[36-38]。

圖1　渾善達(dá)克沙地概況與剖面位置Fig.1　Schematic map of Otindag sandy land and the location of profile sites

1.2沙丘剖面的樣品采集與分析

1.2.1沙丘剖面的樣品采集

基于研究區(qū)大量的野外考察，選擇該沙地東、南、西、北和中部7個(gè)天然保留較好的沙丘剖面(圖1)：Profile 1 (42°53′ N，116°21′ E)、Profile 2 (43°15′ N，116°08′ E)、Profile 3 (42°40′ N，115°56′ E)、Profile 4 (42°55′ N，115°25′ E)、Profile 5 (42°52′ N，115°24′ E)、Profile 6 (42°56′ N，114°48′ E)、Profile 7 (42°43′ N，116°10′ E)。其中Profile 1～Profile 3和Profile 6為固定沙丘人工開(kāi)挖后的自然剖面，其余3個(gè)剖面為固定沙丘被風(fēng)蝕后殘存的露頭剖面。這7個(gè)剖面最顯著的特征是風(fēng)成砂層與灰/黑色砂質(zhì)土壤相互疊覆交替出現(xiàn)(圖2)，砂質(zhì)土壤最多可達(dá)4層；在灰/黑色砂質(zhì)土壤中可見(jiàn)蟲(chóng)孔、白色鈣質(zhì)膠膜、土壤團(tuán)粒狀結(jié)構(gòu)和明顯的成壤特征，且砂質(zhì)土壤層的機(jī)械組成明顯細(xì)于砂層的顆粒組成。根據(jù)每個(gè)沙丘剖面風(fēng)成砂層與灰/黑色砂質(zhì)土壤層的顏色變化，從其底部依次向上采樣，記錄取樣深度(圖2)。

圖2　渾善達(dá)克沙地沙丘剖面特征與樣品采集Fig.2　Field paleosol-sand sedimentary profiles and sampling sites across Otindag sandy land

1.2.2樣品的顏色、粒度、有機(jī)碳和總氮測(cè)定

將沙丘剖面中采集的風(fēng)成沙、砂質(zhì)古土壤樣品在自然條件下風(fēng)干，隨機(jī)分為4等份，分別測(cè)定顏色、粒度、有機(jī)碳和總氮。樣品顏色的測(cè)定使用日本Minolta-CM2002光譜光度計(jì)測(cè)量，將樣品粉碎均勻后，平鋪在一個(gè)無(wú)色透明的玻璃板上，儀器可定量輸出顏色數(shù)值，結(jié)果用L*(亮度)、a*(紅度)、b*(黃度)表示。粒度分析使用英國(guó)Malvern公司的Mastersizer 2000激光粒度儀測(cè)定，實(shí)驗(yàn)的前處理按照肖舉樂(lè)等[39]提出的步驟進(jìn)行，其測(cè)量誤差為±2%。樣品有機(jī)碳的測(cè)定使用重鉻酸鉀—外加熱法，按照GB7857—87標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)定，分析誤差為±0.1%[40]。總氮的測(cè)定使用開(kāi)氏定氮法，按照GB7173—87標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)定，分析誤差為±0.1%[40]。

1.3數(shù)據(jù)分析

所有顏色參數(shù)的統(tǒng)計(jì)計(jì)算、相關(guān)分析、回歸分析和均值的非參數(shù)檢驗(yàn)(Cruskal-Wallis秩和檢驗(yàn))，都在IBM SPSS Statistics 20.0軟件上運(yùn)行，統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)顯著水平P<0.05。

2結(jié)果

2.1風(fēng)成沙—古土壤沉積序列顏色的差異

渾善達(dá)克沙地7個(gè)天然風(fēng)成沙—古土壤沉積序列的顏色測(cè)定結(jié)果顯示：L*(亮度)值介于32.41～65.89，其中風(fēng)成沙的L*值為45.74～65.89，灰色古土壤的L*值為41.27～49.81，黑色古土壤的L*值為32.41～41.07；a*(紅度)值介于2.73～7.52，其中風(fēng)成沙的a*值為3.41～7.52，灰色古土壤的a*值為3.31～7.50，黑色古土壤的a*值為2.73 ～5.25；b*(黃度)值介于-1.68～17.16，其中風(fēng)成沙的b*值為7.46～17.16，灰色古土壤的b*值為2.75～8.84，黑色古土壤的b*值為-1.68～1.84。整體上L*值變化較大，而a*和b*值變化較小。

所有風(fēng)成沙—古土壤沉積剖面中風(fēng)成沙、灰色古土壤和黑色古土壤L*a*b*均值的非參數(shù)檢驗(yàn)(Cruskal-Wallis秩和檢驗(yàn))顯示：風(fēng)成沙、灰色古土壤和黑色古土壤的L*、b*值存在顯著差異(P<0.05)；但風(fēng)成沙和灰色古土壤的a*值差異不明顯(P>0.05)，而它們與黑色古土壤的a*值有顯著性差異(P<0.05)，見(jiàn)圖3。

圖3　風(fēng)成沙—古土壤沉積序列中風(fēng)成沙、灰色古土壤和黑色古土壤L*a*b*均值的非參數(shù)檢驗(yàn)Fig.3　Nonparametric tests of mean L*a*b* value on the paleosol-sand stratigraphic profiles across Otindag sandy land

2.2風(fēng)成沙—古土壤沉積序列顏色的垂直變化

渾善達(dá)克沙地3個(gè)典型風(fēng)成沙—古土壤沉積序列的顏色在垂直方向上顯示出規(guī)律性的變化(圖4)：即隨著剖面深度、風(fēng)成沙和古土壤層的變化，L*、a*、b*值都呈現(xiàn)相似的變化曲線；它們?cè)陲L(fēng)成沙層位處都為高值，在灰色、黑色古土壤層位處會(huì)突然降低，但在黑色古土壤層位處會(huì)降低得更小，整體上風(fēng)成沙的L*值>灰色古土壤的L*值>黑色古土壤的L*值，a*值和b*值亦是如此規(guī)律，但L*變化值>b*變化值>a*變化值；沙含量(>63 μm，%)在垂直方向上也表現(xiàn)出與L*、a*、b*值相似的變化趨勢(shì)和特征(圖4)。然而，粉沙含量(63～4 μm，%)、黏土含量(<4 μm，%)、有機(jī)碳(SOC)、總氮(TN)在垂直方向上卻表現(xiàn)出與L*、a*、b*、沙含量變化趨勢(shì)和特征相反的曲線：它們的值在風(fēng)成沙層位處都為低值，在灰色、黑色古土壤層位處會(huì)突然升高，但在黑色古土壤層位處會(huì)升高得更大，整體上黑色古土壤的SOC >灰色古土壤的SOC >風(fēng)成沙的SOC，總氮、粉沙和黏土含量亦是如此規(guī)律(圖4，剖面見(jiàn)圖2)。研究區(qū)其余4個(gè)風(fēng)成沙—古土壤沉積序列的L*、a*、b*、粒度(沙、粉沙、黏土含量)、SOC、TN在垂直方向上也遵循上述的變化趨勢(shì)和特征。

圖4　沙丘剖面的顏色參數(shù)與粒度、有機(jī)質(zhì)、總氮的垂直變化Fig.4　Vertical distribution of color parameters, grain size, SOC and TN along the typical paleosol-sand profiles

2.3風(fēng)成沙—古土壤沉積序列顏色參數(shù)與粒度、有機(jī)質(zhì)、總氮的關(guān)系

渾善達(dá)克沙地風(fēng)成沙—古土壤沉積序列顏色參數(shù)的相關(guān)分析顯示，它們之間存在顯著的正相關(guān)(表1)，其中L*與b*的相關(guān)性最顯著(r=0.949，n=36，P<0.01)，而L*與a*的相關(guān)性最低(圖5)。L*、a*、b*與沙含量(>63 μm，%)存在顯著的正相關(guān)(n=36，P<0.05)，與粉沙(63～4 μm，%)、黏土含量(<4 μm，%)、有機(jī)質(zhì)(SOC)、總氮(TN)存在顯著的負(fù)相關(guān)(n=36，P<0.05)，但L*與沙、粉沙、黏土含量、SOC、TN的相關(guān)性和顯著性更高(n=36，P<0.01，表1)。進(jìn)一步的研究顯示：風(fēng)成沙—古土壤沉積序列的L*值隨有機(jī)碳、總氮、粉沙和黏土含量對(duì)數(shù)值的增加呈線性的下降趨勢(shì)，隨沙含量對(duì)數(shù)值的增加呈線性增加趨勢(shì)(圖6)。

表1　風(fēng)成沙—古土壤沉積序列顏色參數(shù)與粒度、有機(jī)質(zhì)、總氮的Pearson相關(guān)分析

注：表內(nèi)帶**數(shù)據(jù)表示在0.01水平上顯著相關(guān)；帶*數(shù)據(jù)表示在 0.05水平上顯著相關(guān)。

圖5　風(fēng)成沙—古土壤沉積序列顏色參數(shù)間的相關(guān)關(guān)系Fig.5　Relationship between L* value and a*,b* value of paleosol-sand profiles

3討論

3.1影響風(fēng)成沙—古土壤沉積序列顏色參數(shù)的因素

渾善達(dá)克沙地廣泛分布的風(fēng)成沙—古土壤沉積序列，在野外露頭剖面上表現(xiàn)為風(fēng)成沙層與淺灰—灰黑色的砂質(zhì)土壤層交互出現(xiàn)(圖2)，這是它們最直觀的野外現(xiàn)象。定量顏色測(cè)定和數(shù)據(jù)分析表明所有研究剖面的L*(亮度)和b*(黃度)在風(fēng)成沙、灰色砂質(zhì)土壤、黑色砂質(zhì)土壤層位處存在顯著差異，但a*(紅度)在風(fēng)成沙和灰色砂質(zhì)土壤層位處的差異不明顯(圖3,4)。這表明，CIE/L*a*b*色系的3個(gè)顏色參數(shù)中只有L*和b*可以指示風(fēng)成沙—古土壤沉積剖面的層位變化，而a*對(duì)這類(lèi)沉積剖面的巖性變化指示不敏感(圖4)，這與a*(紅度)可指示陸相沉積中的黃土—古土壤序列[14-19]、三趾馬紅土[41]、南方紅土[3,25]、白堊紀(jì)地層[26]巖性變化的結(jié)論并不一致。土壤學(xué)研究表明，赤鐵礦和針鐵礦等鐵氧化物是土壤主要的致色礦物[1,42]，赤鐵礦呈紅色，使土壤呈現(xiàn)紅色，針鐵礦呈黃色—棕色，使土壤呈現(xiàn)明亮的黃色[43]。前人研究顯示，只需1.7%的赤鐵礦就可使土壤變紅色，赤鐵礦含量與土壤紅度指數(shù)呈顯著的正相關(guān)[44-45]；何柳等[17]對(duì)黃土高原東南緣西峰和渭南黃土剖面的顏色研究也表明黃土—古土壤序列的a*主要受控于鐵氧化物的含量和種類(lèi)。土壤中的赤鐵礦和針鐵礦主要有兩種來(lái)源，一種來(lái)自對(duì)母質(zhì)礦物的繼承和保留，另一種來(lái)自土壤發(fā)育過(guò)程中含F(xiàn)e硅酸鹽礦物和其他Fe氧化物的轉(zhuǎn)化[46]。末次冰盛期(LGM)以來(lái)研究區(qū)的物源并未發(fā)生變化[47-48]，因而成壤作用應(yīng)是影響這兩種礦物在風(fēng)成沙—古土壤沉積剖面上變化的主要因素。中國(guó)現(xiàn)代表土[1]和西北干旱區(qū)現(xiàn)代地表沉積物[27]顏色與氣候的定量分析都表明在干冷的干旱—半干旱區(qū)，赤鐵礦的形成會(huì)受到強(qiáng)烈抑制，紅度a*在干旱—半干旱區(qū)是不敏感的。地處中國(guó)北方干旱半干旱區(qū)的渾善達(dá)克沙地，LGM以來(lái)一直維系著草原或荒漠的景觀[38,49-50]，在這種氣候環(huán)境條件下，成壤作用較弱，所生成的赤鐵礦也較少，因此使得a*值在風(fēng)成沙—古土壤沉積序列上變化不明顯。

圖6　風(fēng)成沙—古土壤沉積序列L*值與粒度、有機(jī)質(zhì)、總氮的關(guān)系Fig.6　The functional relationship between L* value and grain size, organic carbon, total nitrogen of paleosol-sand profiles

渾善達(dá)克沙地風(fēng)成沙—古土壤沉積序列顏色參數(shù)之間存在正相關(guān)關(guān)系(表1)，其中L*和a*值的相關(guān)性最低(R2=0.26)，而L*和b*值的相關(guān)性最高(R2=0.9)，它們?cè)诿總€(gè)沙丘剖面的垂直方向上也表現(xiàn)出相似的變化趨勢(shì)和特征(圖4)，這充分說(shuō)明L*和b*值可能受控于相同的氣候因子，具有較為一致的致色物質(zhì)。由于b*在風(fēng)成沙—古土壤沉積剖面上的變化值低于L*(圖4)，因此討論顏色參數(shù)L*的影響因素將更有實(shí)際意義?；貧w分析顯示：研究區(qū)風(fēng)成沙—古土壤沉積序列的L*與SOC、TN、黏土和粉沙含量存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)R2分別為0.89、0.85、0.67和0.63 (圖6)；與沙含量存在明顯的正相關(guān)關(guān)系(R2=0.55)，這說(shuō)明風(fēng)成沙—古土壤沉積序列的L*會(huì)受有機(jī)質(zhì)含量和土壤機(jī)械組成的影響，它能指示此類(lèi)沉積剖面有機(jī)質(zhì)和成壤作用的變化，這與深海沉積[8-11]以及陸相沉積中的黃土—古土壤序列[17-19]、湖泊沉積[24]的L*能指示有機(jī)質(zhì)含量變化的結(jié)論是一致的，楊勝利等[1]對(duì)中國(guó)表土顏色的定量研究也支持該結(jié)論。對(duì)于風(fēng)成沙—古土壤沉積序列的L*與CaCO3含量是否存在關(guān)聯(lián)，需進(jìn)一步的研究。

綜上所述，影響渾善達(dá)克沙地風(fēng)成沙—古土壤沉積序列顏色變化的主要因素是有機(jī)質(zhì)含量和成壤作用，它們與顏色參數(shù)中的L*關(guān)系最密切。

3.2風(fēng)成沙—古土壤沉積序列顏色變化的驅(qū)動(dòng)機(jī)制

渾善達(dá)克沙地位于中國(guó)北方干旱半干旱的溫帶草原帶內(nèi)，在這種水分限制的草地生態(tài)系統(tǒng)中，降水量是維系植物生長(zhǎng)和衰亡的決定性生態(tài)因子[51-52]，在干旱的年份，降水量的減少會(huì)導(dǎo)致植物有效水分利用的降低，誘發(fā)大量的多年生植物死亡[52]。因此，全球和區(qū)域降水格局的變化會(huì)影響區(qū)域荒漠化程度的改變，這也是地球上主要沙漠收縮和擴(kuò)張的主要驅(qū)動(dòng)力[53-54]。研究區(qū)地處現(xiàn)代東亞夏季風(fēng)的北部邊緣[55]，末次冰盛期(LGM)以來(lái)東亞夏季風(fēng)降水曾在該區(qū)域經(jīng)歷多次的增強(qiáng)與衰弱[29-34,37-38,56-57]，這表明渾善達(dá)克沙地也經(jīng)歷了多次的收縮和擴(kuò)張。當(dāng)東亞夏季風(fēng)增強(qiáng)時(shí)，伴隨而來(lái)的雨帶推進(jìn)給研究區(qū)帶來(lái)更多的降水，提高了區(qū)域植被的蓋度和生產(chǎn)力，促進(jìn)地表有機(jī)質(zhì)的積累，在風(fēng)成沙層上直接發(fā)育砂質(zhì)土壤，有機(jī)質(zhì)含量的增加使砂質(zhì)土壤顏色變深[1,12,19]，因而L*(亮度)就表現(xiàn)的小；當(dāng)東亞夏季風(fēng)減弱時(shí)，雨帶后撤導(dǎo)致降水量的減少會(huì)降低區(qū)域植被的蓋度和生產(chǎn)力，誘發(fā)研究區(qū)發(fā)生荒漠化，以前被固定的沙丘又重新活化，沙地向外擴(kuò)張，形成風(fēng)成砂層，有機(jī)質(zhì)含量的減少和沙含量的增加使其顏色變淺[1,19,24]，因此L*就變大；東亞夏季風(fēng)降水雨帶如此進(jìn)退往復(fù)就形成了研究區(qū)現(xiàn)今的風(fēng)成沙—古土壤沉積序列。因此，渾善達(dá)克沙地風(fēng)成沙—古土壤沉積序列L*的變化受控于東亞夏季風(fēng)降水強(qiáng)弱的變化，但更深層次的驅(qū)動(dòng)機(jī)制，如北半球冰蓋變化、地球軌道參數(shù)誘發(fā)太陽(yáng)輻射變化和大氣CO2濃度變化等假說(shuō)[30]，還有待進(jìn)一步深入研究。

3.3風(fēng)成沙—古土壤沉積序列顏色變化的古氣候意義

渾善達(dá)克沙地風(fēng)成沙—古土壤沉積序列的L*(亮度)可以指示其巖性的變化(圖3，4)，它與SOC、TN、黏土、粉沙含量存在良好的相關(guān)關(guān)系(表1和圖6)，能指示此類(lèi)沉積序列有機(jī)質(zhì)含量的變化，它們都受東亞夏季風(fēng)降水的驅(qū)動(dòng)；這意味著L*具有明確的氣候意義，能反映區(qū)域降水量的變化。這與陸相沉積中黃土—古土壤序列[16-19]、湖泊沉積[20-22]和西北干旱區(qū)現(xiàn)代地表沉積物[27]的L*可以反映區(qū)域降水變化的結(jié)論是一致的。需要說(shuō)明的是，風(fēng)成沙—古土壤沉積序列的L*與區(qū)域降水量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，L*的低值指示區(qū)域降水量增加，可能是東亞夏季風(fēng)降水增強(qiáng)的信號(hào)。

4結(jié)論

渾善達(dá)克沙地風(fēng)成沙—古土壤沉積序列的顏色參數(shù)(L*a*b*)之間存在正相關(guān)關(guān)系，其中L*和b*的相關(guān)性最顯著(R2=0.90)，而L*和a*的相關(guān)性最低(R2=0.26)；L*a*b*在垂直方向上具有相同的變化趨勢(shì)和特征，但L*值變化較大，a*和b*值變化較小；L*(亮度)可指示風(fēng)成沙—古土壤沉積序列的風(fēng)成沙層和古土壤層的變化，而a*(紅度)在這類(lèi)沉積序列上變化不明顯，其主要原因可能是受沉積環(huán)境和區(qū)域條件的影響。影響研究區(qū)風(fēng)成沙—古土壤沉積序列L*變化的主要因素與有機(jī)質(zhì)含量和成壤作用有關(guān)，它們可能受東亞夏季風(fēng)降水雨帶進(jìn)退的影響。L*與有機(jī)碳、總氮、黏土和粉沙含量呈顯著的負(fù)相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)R2分別為0.89、0.85、0.67和0.63，低的L*值與高的有機(jī)質(zhì)、黏土含量有良好的一致性，說(shuō)明L*的低值可指示研究區(qū)有機(jī)質(zhì)含量增加和成壤作用的加強(qiáng)，是東亞夏季風(fēng)增強(qiáng)的信號(hào)，反之亦然。風(fēng)成沙—古土壤沉積序列的L*(亮度)可指示其巖性變化、有機(jī)質(zhì)和黏土含量以及區(qū)域降水量的變化，它具有明確的古氣候意義。中國(guó)沙漠東部的呼倫貝爾沙地、科爾沁沙地、渾善達(dá)克沙地和毛烏素沙地同處現(xiàn)代東亞夏季風(fēng)降水的北部邊緣地帶，末次冰盛期以來(lái)東亞夏季風(fēng)降水雨帶曾在這些區(qū)域內(nèi)經(jīng)歷多次的進(jìn)退，造就了如今廣泛分布的風(fēng)成沙—古土壤沉積序列，在重建這些區(qū)域高精度的古氣候時(shí)，顏色參數(shù)L*是一種便捷、可快速獲取的氣候代用指標(biāo)。

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Color Variations of Paleosol-Sand Profiles across Otindag Sandy Land and Its Paleoclimatic Implications

FU XuDong1,2ZHOU GuangSheng2ZHANG XinShi2

(1. College of Environment and Planning, Henan University, Kaifeng, Henan 475004, China;2. State Key Laboratory of Vegetation and Environmental Change, Institute of Botany, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100093, China)

Abstract:The alternating units of dune sands and paleosols are widely distributed acorss arid and semi-arid region of Northern China. To study the possible relationship between sand-paleosol sequences color and paleoclimate, three color parameters, lightness (L*), redness (a*) and yellowness (b*), of seven relict sand-paleosol profiles across Otindag sandy land were measured with a colorimeter. The results show thevalues of L*, a*, b*are 32.41～65.89, 2.73～7.52 and -1.68～17.16, respectively. Three color parameters have significantly positive relationship, correlation between L*and b*is strongly significant (R2= 0.90), but that of L*and a*is quite low (R2=0.26). Although lightness, redness and yellowness have similar trend curves along sand-paleosol profiles, their variations are distinctly different. The changes of L*value are significantly larger than that of both a*and b*values. Nonparametric tests of lightness, redness and yellowness on sand-paleosol profiles indicate that lightness and yellowness are significantly different between sand and paleosols layers, with relatively low lightness and yellowness values in the paleosols layers. By contrast, the redness could hardly indicate their differences between sand and paleosols layers. Variations of the lightness are strongly related to the contents of organic matter, clay and silt. Relative effects of these factors on the lightness decrease gradually from organic matter and clay to silt. These changes are founded to be due to variations in the regional patterns of precipitation, which is possibly attributed to cyclic oscillations of East Asian summer monsoon precipitation. Therefore, the lightness (L*) could be used as a proxy indices to reconstruct past summer monsoon variability. Low values of L*possibly indicate a relatively high organic matter and a strengthening signal of East Asian summer monsoon, and vice versa. These results suggest that quantitative color determination of sand-paleosol sequences using a colorimeter could provide a new clue to understand the East Asian summer monsoon changes.

Key words:Otindag sandy land; sand-paleosol; Lightness (L*); organic matter; East Asian summer monsoon

中圖分類(lèi)號(hào)P539.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

作者簡(jiǎn)介第一付旭東男1976年出生博士第四紀(jì)地質(zhì)學(xué)與全球變化E-mail:xdhz_fu@163.com

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41101089，51309093)；河南大學(xué)重點(diǎn)基金項(xiàng)目(2012ZRZD07)；河南大學(xué)科研啟動(dòng)項(xiàng)目(A28106)[Foundation: National Natural Science Foundation of China, No.41101089, 51309093; The Key Natural Science Foundation of Henan University, NO. 2012ZRZD07; The Scientific Research Initiation Foundation of Henan University, NO.A28106]

收稿日期：2015-01-14； 收修改稿日期： 2015-03-18

doi:10.14027/j.cnki.cjxb.2016.01.006

文章編號(hào)：1000-0550(2016)01-0070-09