宣城紅土剖面色度特征及其古氣候意義

曹 樂， 胡春生， 李文慧， 劉邵晨

(1.安徽師范大學(xué) 地理與旅游學(xué)院，安徽 蕪湖 241002；2.安徽省江淮流域地表過(guò)程與區(qū)域響應(yīng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 蕪湖 241002)

土壤顏色是土壤性狀的主要特征之一，是土壤在可見光波段的反射光譜特性，常與土壤的質(zhì)地、水分、有機(jī)質(zhì)、黏粒含量和礦物類型等理化性質(zhì)密切相關(guān)[1]。土壤顏色既可以反映土壤的發(fā)育程度，又可以反映土壤的結(jié)構(gòu)與沉積環(huán)境，因此土壤色度指標(biāo)在研究古氣候方面得到廣泛應(yīng)用，常作為反映溫度和降水的代用指標(biāo)[2]。例如，中國(guó)北方黃土研究已經(jīng)表明色度能很好地反映地質(zhì)時(shí)期溫濕條件的旋回變化，其不僅可以記錄千年尺度乃至萬(wàn)年尺度的氣候變化，甚至可以很好地再現(xiàn)亞洲季風(fēng)和全球氣候的變化，并且運(yùn)用色度可以較好地重建黃土—古土壤序列的冷暖旋回和反映東亞夏季風(fēng)的演化歷史[3-5]。因此，由于其對(duì)氣候變化響應(yīng)的敏感性，色度已經(jīng)與磁化率、粒度、元素等指標(biāo)共同作為我國(guó)黃土研究的環(huán)境代用指標(biāo)，并廣泛運(yùn)用到靖遠(yuǎn)[6]、臨夏[7]、蘭州[8]、長(zhǎng)武[9]等地區(qū)的黃土研究之中。

然而，作為我國(guó)南方重要的陸相古環(huán)境記錄的第四紀(jì)紅土[10]，其色度研究卻開展的較少，而且這些研究重點(diǎn)關(guān)注紅土的成土作用和成土過(guò)程[11-13]。此外，作為南方紅土典型代表的宣城向陽(yáng)紅土剖面，雖然已經(jīng)在沉積學(xué)[14-15]、地球化學(xué)[16-18]、成因[19-22]等方面開展了廣泛研究，并證明了該剖面是我國(guó)南方地區(qū)古環(huán)境演化的重要信息載體[22-23]，但是該剖面也沒有開展色度相關(guān)的研究工作。同時(shí)，由于向陽(yáng)紅土剖面厚度較大、沉積較完整、年代數(shù)據(jù)較豐富，并且剖面內(nèi)部具有較顯著的顏色變化，那么該剖面內(nèi)部的顏色變化是否如黃土一樣蘊(yùn)含著豐富的古環(huán)境變化信息？這需要做進(jìn)一步的工作。因此，本研究基于向陽(yáng)紅土剖面已有的年代數(shù)據(jù)，通過(guò)色度樣品的加密采樣和實(shí)驗(yàn)測(cè)量，嘗試揭示該紅土剖面的色度特征及其所蘊(yùn)含的古環(huán)境變化信息。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)與紅土剖面

安徽宣城位于長(zhǎng)江南岸，皖南山區(qū)北麓地帶，地形以低山丘陵、山間盆地與河湖相間為特征。境內(nèi)為典型的亞熱帶季風(fēng)氣候，溫暖濕潤(rùn)，年均降水量1100～1400mm，年均氣溫16℃。宣城向陽(yáng)紅土剖面位于宣城向陽(yáng)村磚瓦廠附近(118°51′54.3″E，30°52′23.6″N)(圖1)，堆積于長(zhǎng)江一級(jí)支流水陽(yáng)江的二級(jí)階地上。剖面總厚度約11m，自上而下包括4個(gè)層次，分別為棕黃色土層、均質(zhì)紅土層、網(wǎng)紋紅土層和砂礫石層等層次[14]。

圖1 宣城向陽(yáng)紅土剖面位置Fig.1 Location of Xiangyang red clay profile in Xuancheng

1.2 采樣與實(shí)驗(yàn)方法

野外實(shí)際采樣深度是剖面上部9.76m，以地表為0m，其中深度0～0.8m采用10cm等間距采樣，深度0.8～9.76m采用2cm等間距采樣，每個(gè)樣品約500g，共獲得色度樣品456個(gè)。色度指標(biāo)采用CIELAB表色系統(tǒng)的亮度L*、紅度a*、黃度b*三個(gè)參量，測(cè)量?jī)x器是柯尼卡美能達(dá)公司生產(chǎn)的型號(hào)為CM-5分光測(cè)色計(jì)。L*測(cè)量范圍是黑(0)與白(100)之間，a*測(cè)量范圍是綠(-60)與紅(+60)之間，b*測(cè)量范圍是藍(lán)(-60)和黃(+60)之間。

實(shí)驗(yàn)室中，首先將樣品自然風(fēng)干，然后研磨過(guò)100目篩，最后稱取約5g樣品放入培養(yǎng)皿中，通過(guò)CM-5分光測(cè)色計(jì)進(jìn)行土壤色度測(cè)量。每次測(cè)量時(shí)，先對(duì)儀器進(jìn)行零校正以及白色校正，再將裝有樣品的培養(yǎng)皿置于機(jī)器上進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)樣品連續(xù)測(cè)量3次取平均值，誤差控制在7%之內(nèi)。

圖2 宣城向陽(yáng)剖面色度L*、a*、b*曲線與部分年代數(shù)據(jù)[14,23,24]Fig.2 Curves of lightness,redness and yellowness andchronolocial data of Xiangyang profile in Xuancheng City

2 宣城向陽(yáng)剖面色度變化特征

2.1 剖面色度變化總趨勢(shì)

由圖2可知，向陽(yáng)剖面自下而上L*總體呈現(xiàn)降低的變化趨勢(shì)，a*總體呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢(shì)，而b*也基本呈現(xiàn)降低的變化趨勢(shì)。并且，L*與a*變化趨勢(shì)總體相反，相關(guān)關(guān)系分析明確表明兩者之間具有顯著的負(fù)相關(guān)性，其R2值為0.606，達(dá)到99%置信水平；但a*與b*、L*與b*的相關(guān)性不是很好(圖3)。同時(shí)，向陽(yáng)剖面紅土色度值自下而上也存在較明顯的波動(dòng)。其中，L*變化范圍為50.69～71.73，平均值為61.51，a*變化范圍為11.28～24.82，平均值為18.55，而b*的變化范圍為28.93～37.41，平均值為33.66(表1)。

2.2 剖面色度分段變化特征

根據(jù)色度曲線的變化趨勢(shì)，將整個(gè)剖面自下而上分為三段來(lái)分析，分別為：9.76～7.4m、7.4～3.0m和3.0～0m段。每段內(nèi)的變化也按自下而上分析，具體如下。

(1)9.76～7.4m段：L*大體上呈降低趨勢(shì)，細(xì)節(jié)上呈三峰三谷，峰值分別出現(xiàn)在7.6m、7.8m、8.5m處，谷值分別出現(xiàn)在7.7m、8.2m、8.8m處，L*變化范圍為62.55～71.73，平均值為66.64；a*呈上升趨勢(shì)，具體來(lái)看呈兩峰兩谷，峰值分別出現(xiàn)在8.2m、9.3m處，谷值出現(xiàn)在7.8m、8.5m處，變化范圍為11.28～18.40，

平均值為15.22；b*呈先上升后下降趨勢(shì)，波峰出現(xiàn)在8.4m處，變化范圍為31.21～37.41，平均值為34.05。

(2)7.4～3.0m段：L*呈先下降后緩慢上升趨勢(shì)，波谷出現(xiàn)在約5.5m、7.3m處，變化范圍為53.23～65.08，平均值為60.00；a*先上升后下降，峰值出現(xiàn)在約5.5m、7.3m處，與亮度的波谷相對(duì)應(yīng)，變化范圍為16.62～24.82，平均值為20.76；b*僅在6.5m左右有明顯波峰，6.2m、7.2m處有波谷，變化范圍為29.91～36.26，平均值為33.92。

表1 宣城向陽(yáng)剖面色度基本特征

圖3 宣城向陽(yáng)剖面色度指標(biāo)(L*、a*、b*)的相關(guān)關(guān)系

Fig.3 Correlations among L*,a*and b*of Xiangyang profile in Xuancheng

(3)3～0m段：L*呈降低趨勢(shì)，最大值出現(xiàn)在約2.8m處，變化范圍為50.59～66.6，平均值為59.19；a*呈先上升后下降趨勢(shì)，有兩峰三谷，峰值分別出現(xiàn)在1.1m、2.5m處，谷值分別出現(xiàn)在0.9m、1.6m、2.8m處，變化范圍為14.58～20.08，平均值為17.74；b*呈先上升后下降趨勢(shì)，在2.5m左右有個(gè)明顯的波峰，變化范圍為28.93～37.24，平均值為32.79(表2)。

表2 向陽(yáng)剖面色度分段變化特征

2.3 剖面年代數(shù)據(jù)的推算

對(duì)于安徽宣城紅土的年代學(xué)研究，學(xué)者們已經(jīng)做了相當(dāng)多的工作，本文基于已發(fā)表的向陽(yáng)剖面的年代數(shù)據(jù)，并通過(guò)計(jì)算平均沉積速率來(lái)推算其他層位的年代。文獻(xiàn)記錄的年代數(shù)據(jù)具體如下：剖面深度0.4m處的年代約為18.0ka[23]，剖面深度0.72m和4m處的年代分別約為100ka和400ka[24]，剖面深度8.4m和9.1m處的年代分別約為780ka和850ka[14]。通過(guò)已有的年代數(shù)據(jù)推算土壤的平均沉積速率，可得出深度0.4～0.72m間平均沉積速率約為0.39cm/ka，0.72～4m平均沉積速率約為1.09cm/ka，4～8.4m平均沉積速率約為1.16cm/ka，8.4～9.1m平均沉積速率約為1cm/ka，由此可計(jì)算出向陽(yáng)剖面其他深度的大致年代。因此，可基本推算出深度9.76m、8.8m、8.5m、8.2m、7.8m、7.4m、7m、5.5m、3.0m和0.9m的大致年代分別約為916ka、820ka、790ka、763ka、728ka、693ka、659ka、529ka、308ka和117ka前后。

3 討 論

3.1 色度特征及其氣候意義

土壤亮度指土壤的明暗程度，受到土壤濕度、粗糙度、礦物成分、有機(jī)質(zhì)含量等多種因素的影響，其中土壤有機(jī)質(zhì)是導(dǎo)致土壤顏色變暗的最主要因素。土壤中有機(jī)質(zhì)含量越多，土壤顏色就越暗，對(duì)應(yīng)的L*就越低。同時(shí)，由于氣候溫暖、降水增多時(shí)期，植被發(fā)育良好，進(jìn)而有利于有機(jī)質(zhì)的累積?？梢?，有機(jī)質(zhì)含量與水熱條件相關(guān)，進(jìn)而影響L*的變化[25-28]。因此在土壤層中，L*出現(xiàn)低值，可能意味著該層在形成時(shí)期，降水量較多，溫濕狀況良好，植被生長(zhǎng)狀況良好，土壤中有機(jī)質(zhì)含量增多，土壤顏色變暗，導(dǎo)致L*較低。需要指出的是，L*與有機(jī)質(zhì)積累、腐殖質(zhì)過(guò)程和碳酸鹽化過(guò)程密切相關(guān)，與水熱條件的函數(shù)關(guān)系僅存在于溫帶濕潤(rùn)—干旱區(qū)[29]。因此L*只能在一定程度上反映區(qū)域水熱條件的變化。

除了L*以外，a*和b*是色度的另外兩個(gè)重要指標(biāo)。一般認(rèn)為土壤的a*、b*受到土壤中赤鐵礦、針鐵礦含量的影響，它們與水熱條件的函數(shù)關(guān)系在熱帶—暖溫帶濕潤(rùn)區(qū)表現(xiàn)良好，不同于L*，a*和b*在干冷氣候條件下不敏感，卻在暖濕氣候條件下較為敏感，并與溫度和降水呈正相關(guān)關(guān)系[30]。例如，金衢盆地紅土的紅度與黏粒組分所反映的降水變化趨勢(shì)基本一致，就表明了在亞熱帶地區(qū)可以用土壤a*指標(biāo)來(lái)反映區(qū)域降水的變化信息[1]。

由于宣城向陽(yáng)剖面位于亞熱帶季風(fēng)區(qū)，該區(qū)氣候暖濕[31]，其土壤的a*、b*指標(biāo)應(yīng)該比較敏感，并且與水熱條件具有很好的正相關(guān)性，而L*指標(biāo)與水熱條件的關(guān)系可能并不顯著，因此對(duì)該剖面的色度研究以a*為主進(jìn)行古氣候意義分析，同時(shí)輔以b*和L*指標(biāo)作為參考。

3.2 向陽(yáng)剖面色度所蘊(yùn)含的古氣候信息

根據(jù)上述色度指標(biāo)的氣候意義和色度變化的分析結(jié)果，并結(jié)合已有年代數(shù)據(jù)[14,23,24]和部分推算的年代數(shù)據(jù)，可看出研究區(qū)水熱條件基本經(jīng)歷了先變好、后變差的總體變化趨勢(shì)，同時(shí)在不同深度范圍(不同時(shí)期)內(nèi)又存在比較顯著的波動(dòng)變化。

(1)9.76～7.4m段：9.76～8.8m自下而上L*呈降低趨勢(shì)，a*則升高，b*也呈升高趨勢(shì)，結(jié)合色度的氣候意義可得知，a*、b*出現(xiàn)高值可能意味著土壤中鐵氧化物含量較高，氣候溫暖，降水充沛[2,6,25]，因此可推斷9.76～8.8m土壤形成時(shí)期(約916～820ka B.P.)間降水較為充沛，氣候向暖濕方向發(fā)展。8.8～8.2m自下而上L*先上升后下降，a*先下降后上升，b*先上升后下降，a*在8.5m處的波谷對(duì)應(yīng)L*的波峰，可得知8.8～8.5m處(約820～790ka B.P.)降水相對(duì)減少，氣候相對(duì)干冷，而在8.5～8.2m處(約790～763ka B.P.)氣候又向暖濕發(fā)展，8.2～7.8m處(約763～728ka B.P.)a*下降，對(duì)應(yīng)L*上升，b*下降，可能說(shuō)明該時(shí)期土壤中有機(jī)質(zhì)和鐵氧化物的含量都較少，指示降水可能相對(duì)減少，氣候向干冷轉(zhuǎn)變，而7.8～7.4m(約728～693ka B.P.)a*又升高，指示氣候又向相對(duì)暖濕轉(zhuǎn)變，而L*有所波動(dòng)，可能是因?yàn)長(zhǎng)*在亞熱帶季風(fēng)區(qū)的指示性并不那么良好，b*與a*變化并不一致可能是由于土壤水分狀況的差異導(dǎo)致的[1]。

(2)7.4～3.0m段：在7.4～4.0m處自下而上a*先上升后下降，均值較高，L*則先下降后上升，b*先上升后下降而后波動(dòng)不明顯，可能指示7.4～4.0m(約693～400ka B.P.)紅土形成時(shí)期土壤中鐵氧化物含量較多，同時(shí)植被較為發(fā)育，土壤中有機(jī)質(zhì)的積累也較多，使得a*均值較高，對(duì)應(yīng)L*較低，因此可推斷該時(shí)期氣候以暖濕為主，并且此時(shí)網(wǎng)紋紅土最為發(fā)育[15-16]。4～3m處a*有兩次先上升后下降的波動(dòng)，L*則有兩次先下降后上升的波動(dòng)，可能指示4～3m(約400～308ka B.P.)土壤形成時(shí)期氣候有兩次由暖濕向干冷的轉(zhuǎn)變的波動(dòng)，在5.5m處(約529ka B.P.)a*最高，可能指示該時(shí)期降水最為豐富，氣候最為暖濕。

(3)3～0m段：a*總體呈先上升后下降趨勢(shì)，0.9m處開始a*下降明顯，可能指示約117ka B.P.以后氣候較為干冷，b*也較低，3.0～0.9m處(約308～117ka B.P.)a*有先上升后下降而后又上升的變化，而L*先下降后上升而后又下降，b*先上升后下降，可能指示該土壤形成時(shí)期土壤中鐵氧化物含量和有機(jī)質(zhì)都有先增多后減少的變化，導(dǎo)致a*、L*發(fā)生相應(yīng)的變化，指示該時(shí)期氣候有暖濕—干冷—暖濕的旋回變化。

總體看來(lái)，向陽(yáng)剖面紅土發(fā)育時(shí)期氣候存在多次暖濕—干冷的旋回，第一段9.76～7.4m紅土發(fā)育時(shí)期至少存在3次氣候的旋回，第二段7.4～3.0m紅土發(fā)育時(shí)期也至少存在3次旋回，第三段3.0～0m紅土發(fā)育時(shí)期至少存在兩次明顯的旋回。

4 結(jié) 論

宣城向陽(yáng)紅土剖面色度特征能較好地反映區(qū)域降水變化等古氣候變化信息。其中，在9.76～7.4m范圍內(nèi)(約916～693ka B.P.)，區(qū)域降水總體呈現(xiàn)增多趨勢(shì)，氣候主要向暖濕方向轉(zhuǎn)變；在7.4～3.0m范圍內(nèi)(約693～308ka B.P.)，區(qū)域降水充沛，尤其在5.5m處(約529ka B.P.)所反映的區(qū)域降水最豐富，氣候最暖濕；在3～0m范圍內(nèi)(約308ka B.P.至今),降水不穩(wěn)定，約100ka B.P.以后降水較少，反映此后氣候以相對(duì)干冷為主?？傮w而言，研究區(qū)約916ka B.P.以來(lái)氣候至少發(fā)生了8次暖濕—干冷的旋回。

本研究表明色度作為亞熱帶季風(fēng)區(qū)古氣候變化研究的替代性指標(biāo)具有一定的可行性，特別是其a*值對(duì)區(qū)域古氣候變化響應(yīng)比較敏感，可以作為反映區(qū)域降水變化的替代指標(biāo)。但是，由于本研究主要基于已發(fā)表的年代數(shù)據(jù)、且年代數(shù)據(jù)數(shù)量有限，因此本研究結(jié)果只能反映區(qū)域古氣候變化的基本趨勢(shì)，更為詳盡的古氣候變化信息提取則依賴于今后多指標(biāo)和精確測(cè)年在該紅土剖面的應(yīng)用。