山東章丘黃土剖面色度研究

韓洪軍,陳海濤,孔凡彪，彭凱凱 ,徐樹建

(1.沂水縣水利局，山東 沂水 276400；2.山東省沉積成礦作用與沉積礦產(chǎn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 山東科技大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590；3.山東省水土保持與環(huán)境保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室臨沂大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山東 臨沂 276005；4.山東師范大學(xué) 地理與環(huán)境學(xué)院，山東 濟(jì)南 250014)

0 引言

中國(guó)黃土蘊(yùn)含著新近紀(jì)以來(lái)地質(zhì)環(huán)境演化的豐富信息[1～6].對(duì)于黃土方面的研究我國(guó)多在黃土高原地區(qū)，我國(guó)東部的研究相對(duì)薄弱.關(guān)于黃土色度的研究可以追溯到20世紀(jì)60年代，近年來(lái)，隨著測(cè)量黃土顏色的各種技術(shù)方法改進(jìn)，有關(guān)黃土色度的研究頗受關(guān)注[7～14]，在多個(gè)時(shí)間尺度上都得到了很好的應(yīng)用.色度指標(biāo)具有更好的優(yōu)點(diǎn)：(1)能夠靈敏的反映出沉積物中的環(huán)境變化信息；(2)測(cè)量方法簡(jiǎn)單，測(cè)量工具便捷，測(cè)量結(jié)果直觀；(3)測(cè)試所需費(fèi)用節(jié)省.在CIELAB表色系統(tǒng)中，包括L*，a*和 b*三個(gè)參數(shù)，L*是亮度，a*是紅度，b*是黃度.CIELAB 表色原理是基于照明光源能量分布狀況、物體反射光譜特征和顏色感應(yīng)器的光譜響應(yīng)特征共同作用的結(jié)果為前提.CIELAB表色系統(tǒng)定量地體現(xiàn)顏色的空間表達(dá)，減少了人為主觀判斷的誤差而使描述更加客觀[15].

本文主要探討山東章丘黃土剖面色度參數(shù)與粒度指標(biāo)之間的關(guān)系，討論色度參數(shù)反映氣候變化的可能性.

1 材料與方法

1.1 剖面概況：

章丘黃土剖面位于濟(jì)南市章丘區(qū)黑峪村，地理位置：117o31′11″E，36o32′26″N，為人工開采出的新鮮剖面，出露高度為14.5m，下部未見底，剖面底部海拔約為260m，在深度670-710cm和1270-1320cm處有兩層礫石層，分別稱為礫石層G1、G2(本文不作研究).

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

以10cm等間距自下而上采集色度樣品137個(gè)，在山東省水土保持與環(huán)境保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試完成.使用柯尼卡美能達(dá)公司生產(chǎn)的CM-700d分光測(cè)色計(jì)進(jìn)行測(cè)量，其中測(cè)試參數(shù)為CIE D65標(biāo)準(zhǔn)光源(色溫為6500K)，觀察視野為10°，孔徑為8mm.儀器采用鏡面反射光和漫反射光(SCI)測(cè)量模式，同一樣品在不同區(qū)域測(cè)量3次取其平均值，使誤差小于0.07，儀器測(cè)量范圍為360～850nm，掃描間隔為1nm.

測(cè)量的具體步驟如下：取10g左右樣品放入40℃的烘箱里烘干，然后用瑪瑙研缽將樣品研磨均勻至200目以下;使用零校正盒CM-A182和白板校正器進(jìn)行儀器零位校正和白板校正.使用后，取樣品放于載玻片凹槽中壓實(shí)、壓平，將待測(cè)樣品放于Konica Minolta公司生產(chǎn)的CM-700 d分光測(cè)色計(jì)上進(jìn)行測(cè)試，同一樣品在不同區(qū)域測(cè)量3次取其平均值，使誤差小于 0.07；進(jìn)行光譜掃描，得到每個(gè)樣品的光譜曲線.在使用分光測(cè)色計(jì)測(cè)量章丘黃土剖面黃土樣品的測(cè)量結(jié)果中，分別確定紅度、黃度、亮度的變化范圍與平均值和最大值出現(xiàn)點(diǎn)等各項(xiàng)數(shù)據(jù)，并利用相關(guān)程序繪制曲線變化圖，對(duì)比分析得出結(jié)果.

樣品粒度測(cè)試方法見文獻(xiàn)[16].

2 結(jié)果分析

2.1 章丘黃土剖面色度特征

章丘黃土剖面色度測(cè)試結(jié)果見圖1.從圖中可以看出，章丘黃土剖面中亮度(L*)值的變化波動(dòng)較大，變化幅度介于54.26～61.57，平均值為59.34.不同地層其L*值各有差異，表現(xiàn)為0-400cm現(xiàn)代耕作層的L*值整體大于礫石層G1(剖面上部礫石層)上部黃土層，且呈逐漸增加趨勢(shì)，變化范圍為54.26～61.44，平均值為59.33；而400-670cm礫石層G1上部黃土層的L*整體呈逐漸減小趨勢(shì)，變化范圍為56.71～60.61，平均值為58.54；710～1260cm礫石層G2(剖面下部礫石層)上部黃土層的L*值整體呈先增加后減少趨勢(shì)，最大值在990cm處，變化范圍為55.43～61.57，平均值為58.10；1320～1450cm礫石層G2下部黃土層平均值為57.36.

章丘黃土剖面中紅度a*值變化整體趨于穩(wěn)定，變化幅度很小，介于5.87～7.35，平均值為6.75，不同地層其a*值差異也較小.表現(xiàn)為0-440cm現(xiàn)代耕作層的a*值變化范圍在6.04～6.8之間，平均值為6.45；礫石層G1上部黃土層的a*值變化范圍在6.03～7.05之間，平均值為6.62；礫石層G2上部黃土層的a*值變化范圍在5.87～7.35之間，平均值為6.81；礫石層G2下部黃土層a*值的變化范圍為6.58～6.86，平均值為6.69.

章丘黃土剖面中黃度b*值的變化范圍在14.91～17.61之間，其變化幅度較大，平均值為17.03，且在不同地層中變化趨勢(shì)與a*相似，表現(xiàn)為0-400cm現(xiàn)代耕作層呈減小趨勢(shì)，變化范圍在16.69～17.81之間，平均值為17.22；礫石層G1上部黃土層呈先增加后減少趨勢(shì)，平均值為16.95；礫石層G2上部黃土層平均值為17.03；礫石層G2下部平均值為16.46，此深度上b*平均值在整個(gè)剖面中達(dá)到最小值，b*值在整體上變化趨勢(shì)不大.

2.2 章丘黃土剖面a*/b*值特征

章丘黃土剖面a*/b*值與L*相比有相反的變化趨勢(shì).讀圖可知其變化范圍為0.36～0.40，變化幅度較大，平均為0.40.a*/b*比值的分布趨勢(shì)在不同深度上變化不是很明顯，最高值出現(xiàn)在礫石層G2下部黃土層，平均值為0.41；現(xiàn)代耕作層的a*/b*值平均為0.37；礫石層G1上部黃土層的a*/b*值較小，平均為0.39；礫石層G2上部黃土層的a*/b*值平均為0.40.

3 討論

3.1 章丘黃土剖面亮度L*的意義

亮度L*主要反映土壤的明暗程度.前人研究表明，土壤的亮度主要受土壤的粗糙程度、濕度的影響.但在實(shí)驗(yàn)前期處理時(shí)期，已通過(guò)統(tǒng)一烘干和研磨將這類對(duì)亮度結(jié)果的影響降至最低，以減小實(shí)驗(yàn)誤差.亮度與土壤中有機(jī)質(zhì)或有機(jī)碳的含量呈線性相關(guān)，而其相關(guān)系數(shù)根據(jù)不同地區(qū)不同土壤的發(fā)育而不同，最高可達(dá)0.9以上.在章丘黃土剖面中，L*在各地層中的平均值逐漸減小，推斷在其形成時(shí)期降水量較少.

3.2 章丘黃土剖面紅度a*，黃度b*以及a*/b*的意義

紅度a*，黃度b*以及a*/b*不僅表現(xiàn)為土壤顏色的變化，而且能反映土壤內(nèi)部結(jié)構(gòu)組分的改變.沉積物色度的變化主要來(lái)源于致色礦物類型和含量的變化[17]，前人研究結(jié)果表明，紅度a*受土壤有機(jī)質(zhì)含量和碳酸鹽礦物的影響有限，對(duì)其影響最大的是鐵氧化物[18]；b*值受控于氣溫和降水的變化；楊勝利[11]等認(rèn)為黃度b*值與氣溫和降水具有很強(qiáng)的線性相關(guān)性，即b*值隨著氣溫和降水的增加而增加；a*/b*表示紅度和黃度的比值，同時(shí)間接指示了黃土發(fā)生化學(xué)成分改變和分解的程度.

3.3 章丘黃土剖面色度參數(shù)與粒度的相關(guān)分析

CIELAB表色系統(tǒng)使用L*，a*和b*三個(gè)參量描述均勻連續(xù)的顏色空間，各顏色坐標(biāo)分量之間是相互聯(lián)系、相互影響的整體[19～21].由表2可得知，L*與a*的相關(guān)系數(shù)R為-0.407，呈顯著的負(fù)相關(guān)，從而得出L*值隨著a*值的增加而變小[22].L*與b*的相關(guān)系數(shù)R為0.481，呈正相關(guān)關(guān)系，且二者具有基本一致的變化趨勢(shì)(見表1)，說(shuō)明L*值在一定程度上隨著b*值的變化而變化；L*值與a*/b*值相關(guān)系數(shù)R=-0.756，呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明L*值隨著a*/b*值增大而減小.L*與小于5μm粒級(jí)沉積物的相關(guān)系數(shù)R為0.003，呈正相關(guān)關(guān)系，與5-63μm粒級(jí)沉積物的相關(guān)系數(shù)R為0.084，呈正相關(guān)關(guān)系，與大于63μm粒級(jí)沉積物的相關(guān)系數(shù)R為-0.124，呈負(fù)相關(guān)關(guān)系.a*與小于5μm粒級(jí)沉積物的相關(guān)系數(shù)R為0.223，呈正相關(guān)關(guān)系，與5-63μm粒級(jí)沉積物的相關(guān)系數(shù)R為-0.020，呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與大于63μm粒級(jí)沉積物的相關(guān)系數(shù)R=-0.319，呈負(fù)相關(guān)關(guān)系.b*與小于5μm粒級(jí)的沉積物的相關(guān)系數(shù)R為0.037，呈正相關(guān)關(guān)系，與5-63μm粒級(jí)的沉積物的相關(guān)系數(shù)R=0.130，呈正相關(guān)關(guān)系，與小于63μm粒級(jí)沉積物的相關(guān)系數(shù)R為-0.242，呈負(fù)相關(guān)關(guān)系.a*/b*與小于5μm粒級(jí)沉積物的相關(guān)系數(shù)R為0.207，呈正相關(guān)關(guān)系，與5-63μm粒級(jí)的沉積物的相關(guān)系數(shù)R為-0.109，呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與大于63μm粒級(jí)沉積物的相關(guān)系數(shù)R為-0.167，呈負(fù)相關(guān)關(guān)系.因此，在粒度各粒級(jí)之中，色度參數(shù)與<5μm粒級(jí)之間的沉積物具有最大的正相關(guān)關(guān)系.

表1 章丘黃土剖面色度參數(shù)與粒度的相關(guān)分析

＊＊表示在0.01水平上顯著相關(guān)

圖1 章丘黃土剖面色度參數(shù)與粒度各粒級(jí)參數(shù)變化曲線

4 結(jié)論與展望

本文對(duì)山東章丘黃土剖面進(jìn)行了色度參數(shù)分析，并與粒度各粒級(jí)之間進(jìn)行相關(guān)性分析，初步得出以下結(jié)論：

(1)章丘黃土剖面中的L*值變化波動(dòng)較大，變化幅度在54.26～61.57之間，平均值為59.34，不同地層的L*值各不相同；章丘黃土剖面中的紅度a*值的變化整體趨于穩(wěn)定，變化幅度很小，介于5.87～7.35，平均值為6.75，不同地層其a*值差異也較小；章丘黃土剖面中的黃度b*值變化趨勢(shì)與a*相似，變化范圍在14.91～17.61之間，變化幅度較大，平均值為17.03.

(2)章丘黃土剖面中的a*/b*值的變化趨勢(shì)與L*呈現(xiàn)相反的變化，變化范圍為0.36～0.40，變化幅度較大，平均值為0.40，a*/b*比值的分布趨勢(shì)在不同深度上變化不是很明顯，最高值出現(xiàn)在礫石層G2下部黃土層，平均值為0.41.

(3)在粒度各粒級(jí)之中，色度參數(shù)與小于5μm粒級(jí)的沉積物具有最大的正相關(guān)關(guān)系.L*與a*的相關(guān)系數(shù)R為-0.407，呈顯著的負(fù)相關(guān).L*與b*的相關(guān)系數(shù)R為0.481，呈正相關(guān)關(guān)系；L*值與a*/b*值相關(guān)系數(shù)R=-0.756，呈負(fù)相關(guān)關(guān)系.L*與5-63μm粒級(jí)沉積物的相關(guān)系數(shù)R為0.084，呈正相關(guān)關(guān)系，與大于63μm粒級(jí)沉積物的相關(guān)系數(shù)R為-0.124，呈負(fù)相關(guān)關(guān)系.a*與小于5μm粒級(jí)沉積物的相關(guān)系數(shù)R為0.223，呈正相關(guān)關(guān)系，與5-63μm粒級(jí)沉積物的相關(guān)系數(shù)R為-0.020，呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與大于63μm粒級(jí)沉積物的相關(guān)系數(shù)R=-0.319，呈負(fù)相關(guān)關(guān)系.b*與小于5μm粒級(jí)的沉積物的相關(guān)系數(shù)R為0.037，呈正相關(guān)關(guān)系，與5-63μm粒級(jí)的沉積物的相關(guān)系數(shù)R=0.130，呈正相關(guān)關(guān)系，與小于63μm粒級(jí)沉積物的相關(guān)系數(shù)R為-0.242，呈負(fù)相關(guān)關(guān)系.a*/b*與小于5μm粒級(jí)沉積物的相關(guān)系數(shù)R為0.207，呈正相關(guān)關(guān)系，與5-63μm粒級(jí)的沉積物的相關(guān)系數(shù)R為-0.109，呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與大于63μm粒級(jí)沉積物的相關(guān)系數(shù)R為-0.167，呈負(fù)相關(guān)關(guān)系.

本文通過(guò)章丘黃土剖面色度指標(biāo)與參數(shù)分析得出了初步結(jié)論，基于黃土環(huán)境意義本身的復(fù)雜性，僅通過(guò)一個(gè)剖面的一個(gè)指標(biāo)來(lái)分析，難免有偏頗之處.今后還需要與礦物學(xué)、元素地球化學(xué)、同位素地球化學(xué)以及其它環(huán)境代用指標(biāo)進(jìn)行綜合集成研究，并與其它區(qū)域的黃土剖面開展對(duì)比研究，才能得出更科學(xué)的結(jié)論.

致謝： 感謝臨沂大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院賈廣菊、邱雨、李敏在野外樣品采集與實(shí)驗(yàn)分析中的幫助.