不同空間范圍土壤色度的緯向變化特征及其氣候意義*

鄭興芬，呂 鑌，陳梓炫，劉 鑫

不同空間范圍土壤色度的緯向變化特征及其氣候意義*

鄭興芬1，2，呂 鑌1，2，3?，陳梓炫1，2，劉 鑫1，2

（1. 福建師范大學(xué)濕潤(rùn)亞熱帶山地生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，福州 350007；2. 福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，福州 350007；3. 福建師范大學(xué)地理研究所，福州 350007）

對(duì)不同氣候條件下發(fā)育的土壤/古土壤進(jìn)行色度分析，探討其色度參數(shù)的空間變化規(guī)律及其作為氣候變化代用指標(biāo)的可靠性。結(jié)果表明：（1）較小的空間尺度上，土壤色度參數(shù)變化復(fù)雜，與氣候相關(guān)關(guān)系不顯著。土壤色度參數(shù)在大空間尺度中均表現(xiàn)出一定的緯向變化，紅度（a*）隨緯度的增加而降低，黃度（b*）與緯度的擬合曲線趨近于開(kāi)口向上的拋物線，黃度與紅度的比值（b*/a*）隨著緯度的增加近似呈線性增加。（2）土壤剖面色度參數(shù)均與氣候因子（年均降水和年均溫）具有一定的相關(guān)關(guān)系，b*/a*與年均溫相關(guān)系數(shù)最大。色度參數(shù)a*與年均降水相關(guān)系數(shù)稍高于b*/a*，但a*易受其他因素影響；而土壤色度參數(shù)b*/a*對(duì)土壤顏色的空間變化敏感，是指示氣候變化的適用指標(biāo)。

土壤；色度；空間變化；氣候

顏色是土壤最直觀且容易測(cè)量的物理屬性之一，可以反映礦物成分和有機(jī)物含量，土壤顏色較暗時(shí)通常含有較多的有機(jī)質(zhì)，紅色和黃色調(diào)分別與土壤中最常見(jiàn)的致色礦物赤鐵礦和針鐵礦的含量有關(guān)[1-5]。土壤剖面垂直方向上的顏色變異具有發(fā)生學(xué)的診斷意義[6]，地理空間上的土壤顏色分帶則反映了氣候要素對(duì)土壤性質(zhì)的顯著制約[7]。土壤顏色對(duì)成土過(guò)程和環(huán)境變化敏感，被廣泛應(yīng)用于土壤研究[8-9]。土壤顏色的定量描述始于孟塞爾，隨后孟塞爾表色系統(tǒng)被廣泛用于定義土壤顏色，但其判斷土壤顏色時(shí)單獨(dú)依靠肉眼進(jìn)行直觀比較，這往往會(huì)導(dǎo)致操作失誤和實(shí)驗(yàn)誤差；相較于孟塞爾（Munsell）表色系統(tǒng)，國(guó)際照明委員會(huì)（CIE）提出的CIELAB表色系統(tǒng)使用L*（亮度）、a*（紅度）和b*（黃度）這3個(gè)參數(shù)來(lái)描述任何均勻連續(xù)的顏色空間，使顏色的空間表達(dá)由定性轉(zhuǎn)為定量，它是目前最主要的顏色描述和測(cè)量系統(tǒng)之一[10-11]。研究發(fā)現(xiàn)L*與土壤中有機(jī)質(zhì)的含量有關(guān)，a*和b*分別與土壤中最常見(jiàn)的致色礦物赤鐵礦和針鐵礦有關(guān)[5，10，12]，b*/a*為黃度與紅度的比值，在土壤中可以反映針鐵礦和赤鐵礦相對(duì)含量的比值。

近幾十年來(lái)，土壤色度在古氣候研究中得到廣泛的應(yīng)用[12-21]。陳一萌等[12]發(fā)現(xiàn)在黃土高原上土壤顏色指標(biāo)作為氣候變化的代用指標(biāo)在百年甚至萬(wàn)年時(shí)間尺度上均是可行的；石培宏等[13]對(duì)黃土高原西北緣厚層黃土剖面色度指標(biāo)研究后發(fā)現(xiàn)色度指標(biāo)的引入能夠很好地彌補(bǔ)磁化率指標(biāo)在古氣候重建上的部分缺陷；Yang和Ding[14]對(duì)黃土高原研究發(fā)現(xiàn)，紅度整體上呈現(xiàn)由北向南增高的趨勢(shì)；在新疆昭蘇地區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)，土壤色度也能應(yīng)用于干旱區(qū)黃土古氣候的研究[15]。近年來(lái)，對(duì)我國(guó)南方地區(qū)土壤顏色與氣候之間關(guān)系的研究也逐漸豐富。經(jīng)歷了較西北黃土更強(qiáng)風(fēng)化作用的下蜀黃土的色度參數(shù)與其他參數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系良好，可以反映氣候的變化[16-17]；在熱帶至暖溫帶的濕潤(rùn)區(qū)土壤色度參數(shù)與年均溫和年均降水間均存在良好的相關(guān)關(guān)系，尤其是利用土壤紅度來(lái)反演氣候變化具有很好的適用性[5，18-20]，我國(guó)南方地區(qū)色度指標(biāo)在揭示環(huán)境意義方面具有優(yōu)勢(shì)[22-23]。

目前，關(guān)于土壤顏色與氣候之間關(guān)系的系統(tǒng)研究大多在較小空間內(nèi)展開(kāi)，大尺度空間上土壤色度研究則較少。楊勝利等[10]通過(guò)中國(guó)從海南島向北直至山東半島、向西至青藏高原東北邊緣地區(qū)表土的顏色測(cè)定，發(fā)現(xiàn)土壤顏色與成土過(guò)程和現(xiàn)代氣候因子之間具有良好的函數(shù)關(guān)系。有研究發(fā)現(xiàn)西北干旱地區(qū)紅度與溫度和降水均具有較好的相關(guān)性[24]；而嚴(yán)永耀等[25]在新疆青海地區(qū)的研究表明紅度與降水存在明顯的負(fù)相關(guān)，與溫度的關(guān)系不明顯。崔東等[26]則建立了海南島至黑龍江的現(xiàn)代土壤淀積層（B層）紅度與年均降水的回歸方程。研究發(fā)現(xiàn)我國(guó)的現(xiàn)代土壤紅度和黃度與氣候的關(guān)系在熱帶-暖溫帶濕潤(rùn)區(qū)相關(guān)性最好，而亮度與氣候的關(guān)系僅存在于溫帶濕潤(rùn)-干旱區(qū)[10]，色度參數(shù)紅度、黃度和亮度的指示意義仍顯現(xiàn)一定的限制性和區(qū)域性。由于地形的關(guān)系，表層土壤可能存在著侵蝕或再堆積作用，這使得樣品的氣候代表意義受到影響；由于成土?xí)r間的不同，土壤發(fā)生層中針鐵礦和赤鐵礦是否與氣候達(dá)到平衡可能也不好判斷。因此，本研究選擇風(fēng)成加積型黃土-古土壤序列和現(xiàn)代土壤剖面，綜合分析不同時(shí)期、不同土壤發(fā)生層次的色度特征，系統(tǒng)分析亞熱帶地區(qū)至寒溫帶地區(qū)土壤色度空間變化規(guī)律，以期更全面更深入地探討土壤色度參數(shù)與氣候因子的關(guān)系及其作為氣候變化代用指標(biāo)的可靠性。

1 材料與方法

1.1 土壤樣品采集與制備

本研究土壤剖面位置介于23.79°N～64.72°N，38.52°E～148.45°W之間，地跨低緯、中緯和高緯地區(qū)。如表1所示，研究的土壤剖面共計(jì)33個(gè)，其中9個(gè)土壤剖面數(shù)據(jù)來(lái)源于文獻(xiàn)[5，15，27-32]，其余24個(gè)剖面的樣品分別在福建、四川甘孜藏族自治州、俄羅斯西伯利亞地區(qū)和美國(guó)阿拉斯加等地采集。本研究采集的剖面以風(fēng)化殼型土壤為主，厚度小，樣品數(shù)為833個(gè)，引用文獻(xiàn)的剖面大多為沉積型黃土-古土壤序列，剖面厚度大，樣品多，多達(dá)2 875個(gè)，總計(jì)3 708個(gè)。福建省南部南亞熱帶地區(qū)包括詔安、云霄、長(zhǎng)泰、惠安、莆田和福清6個(gè)土壤剖面，福建省中北部中亞熱帶地區(qū)由漳平、泉州、長(zhǎng)汀、寧化、連江、閩清、沙縣、明溪、寧德、泰寧、建甌、政和、松溪和武夷山14個(gè)土壤剖面組成；此外，在福建漳浦還采集了1個(gè)磚紅壤（古土壤）剖面。本研究在福建采集的20個(gè)分布于濕潤(rùn)亞熱帶地區(qū)的土壤剖面，以探討色度參數(shù)是否適用于成土因素的復(fù)雜性和氣候差異較小的小空間尺度上；結(jié)合四川甘孜、西伯利亞、阿拉斯加和漳浦剖面的色度參數(shù)擬探討色度參數(shù)在大空間尺度上所指示的成土環(huán)境或氣候。為了保證在緯度方向上剖面點(diǎn)分布的均衡，本研究引用的9個(gè)剖面均來(lái)自于采用了CIELAB表色系統(tǒng)表征顏色并且可獲得準(zhǔn)確數(shù)據(jù)的文獻(xiàn)之中。整體而言，33個(gè)土壤剖面分布范圍廣，土壤類(lèi)型豐富；各剖面發(fā)育在不同氣候條件下，主要包括濕潤(rùn)亞熱帶氣候、溫帶大陸性氣候和青藏高原氣候，多年平均降水量和年均溫度差異較大。本研究9個(gè)引用文獻(xiàn)的剖面的氣候數(shù)據(jù)年均降水（MAP）和年均氣溫（MAT）出自于其相對(duì)應(yīng)的文獻(xiàn)，采集的24個(gè)剖面則采用剖面鄰近氣象觀測(cè)站的數(shù)據(jù)，氣象觀測(cè)站的數(shù)據(jù)來(lái)自于中國(guó)氣象局?jǐn)?shù)據(jù)網(wǎng)和KNMI Climate Explorer。

采樣土壤剖面所處的局部地區(qū)天然植被較為良好，以盡量減小地形和水土流失的影響；并選取出露良好、土壤層次清晰易辨別、局部地域坡度盡量小于5o、受人為活動(dòng)影響較小和土壤排水良好的剖面。對(duì)露頭剖面在清除表面浮土后，自上而下進(jìn)行連續(xù)取樣。若剖面出露不好，則從地面向下挖掘形成垂直切面以供采樣。對(duì)于厚度較大的剖面和土壤層次，按10 cm間距進(jìn)行采樣；對(duì)于個(gè)別厚度較小的剖面和土壤層次，按5 cm間距進(jìn)行采樣。詳細(xì)記錄采樣剖面地理位置（經(jīng)緯度、海拔高度等）、所在局部區(qū)域植被狀況、地形；詳細(xì)記錄土壤剖面形態(tài)特征：土壤顏色、母質(zhì)類(lèi)型、疏松-密實(shí)程度、結(jié)構(gòu)、質(zhì)地等。采集的土壤樣品置于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)自然風(fēng)干后，取足量的土壤樣品剔除植物根系和石礫，然后將土壤樣品研磨至200目以下備用。

1.2 土壤顏色的測(cè)定

首先將自然風(fēng)干后的樣品研磨至200目以下以避免濕度和粒徑對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響；然后將研磨后的干燥樣品均勻鋪滿(mǎn)在測(cè)試皿底部，輕壓至平整不起皺，再用美國(guó)Hunter Lab公司生產(chǎn)的Color Flex?EZ型分光色度儀進(jìn)行色度測(cè)量。本文所使用的數(shù)據(jù)均基于CIELAB表色系統(tǒng)，亮度（L*）變化于黑（0）與白（100）之間，值越小表示土壤顏色越暗；紅度（a*）變化于紅（60）與綠（–60）之間，值越大表示顏色越紅；黃度（b*）變化于黃（60）與藍(lán)（–60）之間，值越大表示顏色越黃；b*/a*為黃度與紅度的比值。L*受有機(jī)質(zhì)、碳酸鹽（干旱半干旱區(qū)）和鐵氧化物等多種物質(zhì)影響，影響因素較為復(fù)雜，在不同氣候帶可能反映更多非氣候因素；而a*、b*分別受赤鐵礦和針鐵礦影響，影響因素較為單一[3]。本研究將圍繞a*、b*和b*/a*這三個(gè)色度參數(shù)展開(kāi)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

本研究利用SPSS軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析和回歸分析，并使用Sigmaplot軟件完成數(shù)據(jù)圖的繪制。

表1 土壤樣品信息簡(jiǎn)表

①Tangxi in Jinhua-Quzhou basin，Zhejiang，②Jiujiang，Jiangxi，③Tuojiawan，Hubei，④Taishan new village，Nanjing， ⑤Hanzhong basin，Shaanxi，⑥Chaona，Gansu，⑦Tucker（AYTK），Xinjiang，⑧Zhaosu，Xinjiang，⑨Beglitsa，Russia，⑩Alaska，USA，?KurtakKurtak，?Ganzi in West Sichuan Plateau，?North Central Fujian，?Southern Fujian，? Latosol in Zhangpu

2 結(jié) 果

2.1 小區(qū)域土壤色度的緯向變化及其與氣候的關(guān)系

福建省地處中國(guó)東南沿海一隅，本研究在福建共采集了21個(gè)剖面，剔除福建漳浦磚紅壤這1個(gè)古土壤剖面，僅對(duì)剩余20個(gè)剖面色度數(shù)據(jù)進(jìn)行討論。20個(gè)土壤剖面南北跨越5個(gè)緯度，年均降水量介于1 133～1 997 mm，年均溫度介于17.4℃～21.7℃；色度參數(shù)a*值介于10.42～17.54之間，b*值介于21.01～33.69，b*/a*值介于1.66～3.15（表2）。如圖1所示，色度參數(shù)a*、b*和b*/a*均未隨著緯度的增加呈現(xiàn)出顯著的變化規(guī)律；使用SPSS軟件對(duì)色度參數(shù)與氣候數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析，a*、b*和b*/a*與降水、溫度這兩個(gè)氣候因子不存在顯著的相關(guān)關(guān)系（相關(guān)系數(shù)<0.1，顯著性水平>0.05）。上述結(jié)果表明土壤色度在較小空間上變化比較散亂，沒(méi)有緯向性，其氣候上指示意義不明確。為盡量減少母質(zhì)的影響，本研究提取了土壤剖面的A層和B層的色度參數(shù)并與緯度和氣候進(jìn)行相關(guān)分析，研究結(jié)果表明土壤淋溶層和淀積層的色度與緯度和氣候之間也不存在相關(guān)關(guān)系（<0.2，>0.05）。

表2 福建土壤剖面信息簡(jiǎn)表及色度參數(shù)（平均值）

圖1 福建土壤剖面色度參數(shù)與緯度和氣候（平均降水與年均氣溫）關(guān)系

整體而言，福建是典型的濕潤(rùn)亞熱帶地區(qū)，地勢(shì)總體上西北高東南低，東部臨海，三面環(huán)山，橫斷面略呈馬鞍形，是相對(duì)封閉的地理環(huán)境。雖然土壤顏色與土壤發(fā)育過(guò)程有密切聯(lián)系[33]，但由于取樣點(diǎn)空間相對(duì)較小，區(qū)域內(nèi)氣候尤其是年均溫度介于17.4～21.7℃，差異相對(duì)較小，加之除氣候外，母質(zhì)、地形、成土?xí)r間和生物等因素也會(huì)對(duì)土壤顏色造成一定的影響。本研究采集局部地域坡度盡量小于5°、受人為活動(dòng)影響較小和土壤排水良好的土壤剖面，受地形因素影響較小。母巖本身鐵元素含量或鐵元素賦存形式不一樣[9]，母質(zhì)一定程度上影響土壤致色礦物的性質(zhì)，繼而影響土壤的顏色[11，33]。福建省大地構(gòu)造單元屬華南加里東褶皺系的東南部，以中生代燕山期為主的火山巖類(lèi)和以花崗巖類(lèi)為特色的侵入巖約各占全省陸域面積的1/3，其余1/3為沉積巖和區(qū)域變質(zhì)巖[34]。土壤母巖類(lèi)型多樣（表2）和土壤發(fā)育時(shí)間不一致均可能是福建省這一小區(qū)域土壤色度變化的原因。因此，在較小的空間上土壤色度參數(shù)變化復(fù)雜，與氣候關(guān)系不顯著。

2.2 大區(qū)域土壤色度的空間變化及其與氣候的關(guān)系

2.2.1 大區(qū)域土壤色度的空間變化 本研究將阿拉斯加黃土剖面、西伯利亞黃土剖面、新疆奧依塔克黃土剖面、川西黃土剖面、南京下蜀黃土剖面、浙江金衢盆地加積紅土、福建政和紅壤剖面、福建惠安赤紅壤剖面以及福建漳浦磚紅壤（古土壤）這9個(gè)代表性土壤剖面的色度參數(shù)a*、b*和b*/a*的極值及其均值以箱圖的形式表達(dá)，按緯度自北向南排列（圖2a、圖2c和圖2e）。圖2b、圖2d和圖2f分別為緯度與土壤色度參數(shù)、b*和b*/a*的散點(diǎn)圖。代表性土壤剖面的紅度（a*）隨著緯度的減小具有波動(dòng)上升的趨勢(shì)（圖2a），圖2b顯示隨著緯度的增加，紅度值逐漸減少，相關(guān)系數(shù)為–0.86，顯著性水平<0.01，說(shuō)明紅度與緯度具有顯著的相關(guān)關(guān)系。代表性土壤剖面黃度（b*）值在高緯和低緯處較高，整體而言較為散亂（圖2c）；對(duì)黃度與緯度進(jìn)行相關(guān)關(guān)系分析，黃度與緯度具有顯著的相關(guān)關(guān)系（=–0.77，<0.01），但黃度與緯度的相關(guān)系數(shù)低于紅度（圖2d）。圖2e和圖2f中土壤色度參數(shù)黃度與紅度的比值（b*/a*）均隨緯度的增加而增加，相較于紅度與黃度，b*/a*具有更為顯著的相關(guān)（=0.89，<0.01）。

整體而言，土壤色度參數(shù)均具有一定的緯向性。其中，b*與緯度的相關(guān)系數(shù)最小，=–0.77，低于a*（=–0.86）和b*/a*（=0.89），b*與緯度之間的擬合函數(shù)形態(tài)趨近于拋物線。針鐵礦和赤鐵礦是土壤中最常見(jiàn)的致色礦物，b*的變化主要受控于針鐵礦含量的變化[8]。低緯地區(qū)的強(qiáng)降水和高緯地區(qū)低蒸發(fā)量均可能使得土壤保持較高的濕度有利于針鐵礦的形成[13，35]。因此，在低緯和高緯地區(qū)均具有較高b*值，b*與緯度的擬合函數(shù)曲線形態(tài)近似于開(kāi)口向上的拋物線。有研究分別對(duì)在華南地區(qū)和西北黃土高原土壤紅度與緯度之間的關(guān)系進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)紅度與緯度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，認(rèn)為紅度一般自北向南增加，與當(dāng)?shù)厮疅釛l件一致，具有氣候意義[5，10，14]。在本研究中，b*/a*與緯度的相關(guān)系數(shù)較a*高，b*/a*實(shí)質(zhì)上代表著土壤致色礦物針鐵礦和赤鐵礦的比值，與針鐵礦和赤鐵礦的絕對(duì)含量無(wú)關(guān)，主要反映針鐵礦與赤鐵礦相對(duì)含量的變化趨勢(shì)，這兩者的比值受母質(zhì)影響較小，說(shuō)明色度參數(shù)b*/a*的空間變化在低緯到高緯地區(qū)是連續(xù)的，隨著緯度的增加呈近似線性增加。

圖2 土壤剖面色度參數(shù)與緯度的關(guān)系

2.2.2 大區(qū)域土壤色度與氣候的關(guān)系 圖3是土壤色度參數(shù)（a*、b*和b*/a*）與氣候（降水和氣溫）因子的關(guān)系圖。如圖3a、圖3c和圖3e所示，本研究對(duì)色度參數(shù)和多年年均降水進(jìn)行相關(guān)分析，年均降水與a*、b*和b*/a*的相關(guān)系數(shù)分別為0.79、0.66和–0.73（<0.01），年均降水與a*之間的相關(guān)系數(shù)最大，與b*之間的相關(guān)系數(shù)最小。圖3b、圖3d和圖3f則是對(duì)色度參數(shù)和多年年均溫度進(jìn)行相關(guān)性分析，年均溫與a*、b*和b*/a*的相關(guān)系數(shù)分別為0.82、0.70和–0.88（<0.01），年均氣溫與b*/a*之間的相關(guān)系數(shù)最大，與b*之間的相關(guān)系數(shù)最小。綜合圖3a～圖3f分析，色度參數(shù)（a*、b*和b*/a*）與年均氣溫的相關(guān)系數(shù)均高于與年均降水的相關(guān)系數(shù)。

綜上所述，在土壤的空間分布上，b*對(duì)氣候變化的響應(yīng)程度有限。其他研究也指出b*值的變化隨氣溫降水的增加而增加，但隨著降水的變化更為顯著[21]。b*雖與針鐵礦含量密切相關(guān)，但也有研究表明當(dāng)針鐵礦含量較少或受其他方面因素影響時(shí)，b*與針鐵礦含量的相關(guān)性會(huì)變差[13]。如果土壤中生成黃鐵礦、褐鐵礦等含鐵礦物也會(huì)影響b*的變化[13]。因此，b*雖然能夠一定程度上反映降水的變化情況，但其變化與氣候的關(guān)系不明確。楊勝利等[10]和崔東等[26]的研究發(fā)現(xiàn)，a*隨著溫度和降水增加，尤其是在赤鐵礦的形成條件所要求的排水良好的強(qiáng)氧化環(huán)境相一致的濕熱亞熱帶地區(qū)；因此，與其他色度參數(shù)相比，a*與年均降水的相關(guān)關(guān)系可能與本研究有20個(gè)濕熱亞熱帶地區(qū)的剖面有關(guān)。結(jié)合圖2f來(lái)看，色度參數(shù)在空間上表現(xiàn)出一定的緯向性；而相較于年均降水量，色度參數(shù)（a*、b*和b*/a*）與年均氣溫的相關(guān)系數(shù)更高（圖3a～圖3f），說(shuō)明在空間上色度參數(shù)的變化可以體現(xiàn)出緯度變化對(duì)氣溫的影響，對(duì)溫度變化敏感。b*/a*與年均氣溫的相關(guān)系數(shù)最高，相關(guān)系數(shù)達(dá)–0.88（圖3f），回歸分析模型變量顯著性水平高；說(shuō)明土壤b*/a*作為空間溫度變化的代用指標(biāo)效果更好。

圖3 土壤色度參數(shù)（a*、b*和b*/a*）與年均降水和年均氣溫的關(guān)系

3 討 論

相比其他色度參數(shù)，本研究中a*與年均降水的相關(guān)性最好，b*/a*與年均溫相關(guān)性最好。a*和b*/a*均可作為空間氣候變化的指標(biāo)。赤鐵礦是常見(jiàn)的致色礦物，通常形成于干燥溫暖的環(huán)境下，其存在具有氣候指示意義[36-37]。紅度（a*）參數(shù)指示赤鐵礦的含量。研究表明在赤鐵礦含量與土壤紅度存在高度的相關(guān)關(guān)系[5，8，38]。Hu等[5]建立了和赤鐵礦含量的函數(shù)關(guān)系，表明當(dāng)赤鐵礦含量低于12.5%時(shí)，紅度隨赤鐵礦含量的增加呈線性增加，相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.999。但由于赤鐵礦的形成涉及水鐵礦的形成和針鐵礦的脫水反應(yīng)[36]，長(zhǎng)期干燥高溫的環(huán)境更有利于赤鐵礦的形成，濕潤(rùn)環(huán)境易導(dǎo)致針鐵礦和其他礦物的存在，赤鐵礦在浸水條件下部分容易發(fā)生溶解。王濤等[39]對(duì)分布在澳大利亞悉尼地區(qū)附近的一套中新世古土壤進(jìn)行研究，結(jié)合常量元素、巖石磁學(xué)、土壤色度以及現(xiàn)代土壤診斷學(xué)特征進(jìn)行綜合分析，認(rèn)為該中新世古土壤是在熱帶的高溫環(huán)境中發(fā)育形成的；b*和a*與該剖面針鐵礦和赤鐵礦含量變化趨勢(shì)一致；該剖面b*/a*介于0.83～3.52之間，均值僅為1.54，說(shuō)明熱帶地區(qū)b*/a*具有低值。在土壤磁學(xué)研究中發(fā)現(xiàn)，母質(zhì)對(duì)次生磁性礦物赤鐵礦的形成具有深刻的影響[9，33，40]，母質(zhì)中原生的磁性礦物種類(lèi)和含量直接影響a*的變化。在他人的研究中發(fā)現(xiàn)a*對(duì)氣候的響應(yīng)具有局限性。石培宏等[13]認(rèn)為可以反映季風(fēng)氣候系統(tǒng)下溫度與降水二者組合變化的過(guò)程，特別是在降水量較少的地區(qū)；丁敏等[41]發(fā)現(xiàn)在半干旱—干旱地區(qū)，a*隨著溫度和降水的急劇增加而增長(zhǎng)緩慢；紅度對(duì)干冷地區(qū)的氣候反映不敏感；戴霜等[42]認(rèn)為a*在與溫度和降水呈正相關(guān)關(guān)系，但對(duì)干冷環(huán)境變化不敏感；李越等[15]也認(rèn)為單一使用紅度a*來(lái)解釋氣候的變化可能會(huì)造成信息的不完整。此外，最近的一項(xiàng)研究中發(fā)現(xiàn)隨著赤鐵礦含量的增加，除了土壤中紅度值會(huì)顯著增長(zhǎng)外，黃度的數(shù)值也會(huì)有所增加[5]。土壤中赤鐵礦和針鐵礦兩者的形成是相互競(jìng)爭(zhēng)的，土壤中赤鐵礦較針鐵礦具有更強(qiáng)的致色能力[43]。

本研究中32個(gè)土壤剖面a*和b*之間相關(guān)性高達(dá)0.8952（<0.01），兩者相互影響；有研究表明受相對(duì)濕度的影響，土壤顏色可以存在從紅色變?yōu)辄S色的系統(tǒng)變化[44]。本研究中a*與年均降水的相關(guān)關(guān)系更好還可能是受到亞熱帶地區(qū)剖面基數(shù)的影響。而土壤中b*/a*實(shí)質(zhì)上代表著針鐵礦和赤鐵礦的比值，這兩者的比值幾乎不受母質(zhì)影響，且與氣候存在密切的聯(lián)系。赤鐵礦與針鐵礦的比值隨著年均氣溫的升高和土壤相對(duì)濕度的降低而增大，可以作為東亞季風(fēng)干濕變化的敏感指標(biāo)，也可以顯示冰期和間冰期的變化[35]，這說(shuō)明針鐵礦與赤鐵礦的比值即b*/a*更能反映氣候的變化。

4 結(jié) 論

對(duì)32個(gè)分布于不同地區(qū)的土壤剖面進(jìn)行色度分析，結(jié)果表明：在較小的空間尺度上，土壤色度參數(shù)變化復(fù)雜，與氣候關(guān)系不顯著；而在較大的空間尺度上，土壤色度參數(shù)a*、b*和b*/a*均具有一定的緯向性，a*一般隨著緯度增加而降低，b*由于高低緯的高值使得擬合曲線趨近于開(kāi)口向上的拋物線，b*/a*則隨著緯度的增加呈現(xiàn)出近似線性增加。色度參數(shù)與氣候因子（年均降水和年均溫）具有一定的相關(guān)性，a*與年均降水相關(guān)性最高，b*/a*與年均溫相關(guān)性更為顯著。在空間分布中土壤色度參數(shù)a*、b*和b*/a*對(duì)溫度的響應(yīng)程度均高于對(duì)年均降水的響應(yīng)程度。相比于a*、b*，b*/a*對(duì)土壤顏色的空間變化敏感，為最佳的氣候代用指標(biāo)。

致謝 劉秀銘教授帶領(lǐng)陳渠博士和陳家勝博士赴西伯利亞考察采樣，阿拉斯加大學(xué)James Begét教授提供了阿拉斯加樣品，在此一并致謝。

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Latitudinal Variation Characteristics of Soil Color in Different Spatial Extents and Their Climatic Significance

ZHENG Xingfen1, 2, Lü Bin1, 2, 3?, CHEN Zixuan1, 2, LIU Xin1, 2

(1. State Key Laboratory for Subtropical Mountain Ecology of the Ministry of Science and Technology and Fujian Province, Fujian Normal University, Fuzhou 350007, China; 2. School of Geographical Sciences, Fujian Normal University, Fuzhou 350007, China; 3. Institute of Geography, Fujian Normal University, Fuzhou 350007, China)

This study was intended to explore spatial variation of soil color parameters and reliability of the parameter being used as an alternative indicator of climate change.In this study, color analysis of the soils developed under different climatic conditions was carried out. The soil profiles studied in this paper were scattered in the range geographically from 23.79°N to 64.72°N, and from 38.52°E to 148.45°W, striding across the low latitude, mid-latitude and high latitude.Among the total of 32 soil profiles, 9 had data derived from the literature and the remaining 23 sections were collected from Fujian, the Ganzi Tibetan Autonomous Prefecture in the West Sichuan Plateau, Siberian of Russia, and Alaska of the USA.The soil profiles were distributed one each in Zhao’an, Yunxiao, Changtai, Hui’an, Putian, Fuqing, Zhangping, Quanzhou, Changting, Ninghua, Lianjiang, Minqing, Shaxian, Mingxi, Ningde, Taining, Jian'ou, Zhenghe, Songxi, Wuyishan, the Ganzi Tibetan Autonomous Prefecture, Siberian of Russia, and central Alaska. As the soil profiles were distributed extensively in such a huge region, they divesified greatly in soil type, and developed separately in a huge variety of climatic conditions, including humid subtropical climate, temperate continental climate and Qinghai-Tibet Plateau climate, etc., which differed sharply in annual mean precipitation and annual mean temperature.Results show: (1) on a small spatial scale, soil color parameters are complex in variation and not so significantly related to climate, while on a large spatial scale, soil color parameters exhibit a certain trend of varying with latitude. Redness (a*) of the soils declines with increasing latitude, while yellowness (b*) does a fitting curve with latitude quite similar to a parabola with an upward opening. The ratio of yellowness to redness (b*/a*) increases approximate linearly with increasing latitude; (2) Color parameters of the soil profiles are more or less related to climatic factors (annual mean precipitation and annual mean temperature); the coorelation coefficient of b*/a*with annual mean temperature is the highest. The coorelation coefficient of a*with annual mean precipitation is slightly higher than that of b*/a*, but a*is more likely to be affected by other factors.Therefore, the soil chroma parameter b*/a*is quite sensitive to spatial variation of soil color, so is a suitable indicator of climate changes.

Soil; Color; Spatial change; Climate

P934；O432.3

A

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* 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41877435，41772180 和41402149）和福建師范大學(xué)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（IRTL1705）資助Supported by the National Natural Science Foundation of China（Nos. 41877435，41772180，41402149）and Innovation Research Team Fund of Fujian Normal University（No. IRTL1705）

，E-mail：lvbin@fjnu.edu.cn

鄭興芬（1993—），女，廣東惠州人，碩士，主要從事環(huán)境磁學(xué)研究。E-mail：zhengxingfeny@163.com

2019–05–04；

2019–08–14；

優(yōu)先數(shù)字出版日期（www.cnki.net）：2019–09–23

（責(zé)任編輯：檀滿(mǎn)枝）