漢中盆地軍王村黃土-古土壤剖面的色度特征及機理*

楊丹，龐獎勵，周亞利，黃春長，查小春，張旭，張文桐

(陜西師范大學旅游與環境學院∥地理學國家級教學示范中心，陜西 西安 710119)

沉積物顏色是沉積物的直觀特征之一[1]，由于其顏色是沉積物的成分和結構的外在表現，而自然風化成壤作用往往會引起沉積物物質成分的變化，因此，沉積物顏色的變化可作為沉積環境變化的重要標志，也能很好地反映古氣候變化的信息[2-4]。一些學者對沉積物顏色體系進行了研究，由最初探討致色礦物與土壤顏色的關系到逐漸被應用于古氣候研究方面[5-15]。例如，安芷生等[5]以我國黃土高原典型黃土-古土壤為研究對象，認為亮黃色的黃土層與暗紅色的古土壤層交替出現反映了冬、夏季風的演變歷史；季峻峰等[6]從光譜學方面對黃土剖面中赤鐵礦和針鐵礦進行定量和半定量研究，從而將顏色變化與氣候演變緊密的聯系起來；陳一萌等[7]對黃土高原臨夏塬堡剖面進行研究，表明土壤顏色指標作為氣候變化的代用指標在百年甚至萬年時間尺度上均是可行的，且在末次冰期對氣候響應最明顯，等等。但是，目前利用色度來解釋氣候變化的研究仍然有限，有待進一步深入研究，且鮮見利用飽和度(c*)和a*/b*兩個色度參數的研究。秦嶺南麓的漢中盆地分布有較大面積的黃土，一些學者[16-18]對其從地質學角度進行了較多研究，對黃土的理化性質、地層學研究較少，而關于色度變化的研究尚屬空白。本文通過對漢中盆地軍王村黃土-古土壤色度的研究，試圖探討土壤色度指標在晚更新世以來對氣候變化的響應程度，并期望土壤顏色指標在東亞季風演變等全球變化及第四紀區域研究中發揮更大的作用。

1　區域概況

漢中盆地位于秦嶺山脈南側，陜西省南部，屬北亞熱帶濕潤季風氣候，氣候溫和濕潤，雨量充足，多年平均降水800～900 mm，降雨集中在5-9月。光熱充足，平均日照時數2 000 h，無霜期240～250 d，年均氣溫14.5 ℃。區內生態環境較好，森林植被覆蓋率達56 %。漢中盆地東西狹長，呈橢圓形，東西長約116 km，南北寬約5～30 km，漢江自東向西流經盆地內部，在漢江兩側發育有1～4級河流階地，階地面(特別是低級階地)比較平緩，是黃土物質堆積和保存的地方，并形成許多大小面積厚度不等的黃土臺地。其中2～4級階地受近代河流下切影響明顯，地形變化較大，水土流失嚴重，使得地層序列保存不完整，而一級階地面地形往往發育較好且較寬緩，地面侵蝕不明顯，黃土剖面能夠保存的較完整。本文選取軍王村剖面(JWC)為研究對象，位于城固縣軍王村(107°16′52″E，33°10′53″N)漢江左岸一級河流階地上，具體位置詳見圖1。

圖1　漢中盆地軍王村剖面位置圖Fig.1　Sketch map of the Hanzhong basin and the location of the Junwangcun(JWC) profile in Shaanxi, China

2　研究材料

軍王村剖面(JWC)位于城固縣軍王村漢江左岸一級河流階地上，剖面所在地形十分平坦，當地磚廠自地面向下取土，形成較好的土壤斷面，斷面厚約10 m，經向下挖掘，見到了河流相沉積物，剖面地層界限明顯，地層序列完整。根據野外調查并結合實驗室內所做的粒度、磁化率等理化指標數據對剖面進行了地層劃分(表1)，自下而上依次為礫石層(AD)→馬蘭黃土(L1)→過渡黃土(Lt)→古土壤(S0)→全新世黃土(L0)→表土層(MS)。具體地層描述詳見表1。

本文的地層年代序列主要是通過地層對比[19]和光釋光(OSL)測年數據確定(圖2)。有關OSL年齡問題另有撰文論述，本文未進行深入討論。軍王村剖面的地層年代為：古土壤(S0)的頂界和底界年齡分別為3.0 ka BP和8.5 ka BP，馬蘭黃土(L1)的頂界年齡為11.5 ka BP，黃土底界年齡為55.5 ka BP，馬蘭黃土(L1)中的弱古土壤層年齡在38.8～25.6 ka BP之間[4,19]。

表1　漢中盆地軍王村(JWC)剖面地層特征描述Table 1　Stratigraphic description of the JWC profile in Hanzhong Basin

3　研究方法

3.1　CIELAB表色系統

門塞爾表色系統(Munsell)是地質學上廣泛使用的顏色定性描述系統，主要通過肉眼比較來判別土壤顏色。CIELAB表色系統[13,20]是一種對顏色特征進行定量描述的系統，通常選用L*、a*、b*這3個參數來對任何均勻連續的顏色空間進行定量描述。其中，L*表示亮度，介于黑(0)和白(100)之間，a*介于紅(+)和綠(-)之間，b*介于黃(+)和藍(-)之間。并且其衍生參數色飽和度c*(c*=sqrt(a*2+b*2))也可作為顏色判別指標，c*越大，表示顏色越鮮艷。

3.2　測試方法

沿剖面從地表開始向下2 cm連續采樣，其中464 cm以下4 cm連續采樣(采至礫石層頂界)，共獲得396個樣品。所有實驗均在陜西師范大學旅游與環境學院實驗室完成。色度的測量：采用美國生產的X-rite VS450型分光測色儀完成，觀察視野為10°，孔徑為6 mm，背景光源恒定。將自然風干樣品磨至200目以下，稱取4 g用YY60型壓力機壓成圓片，分光測色儀用標準色板白度校準后將圓片放于測試白板上，同一樣品在不同區域測量3次，然后取其L*、a*、b*、h*的平均值，相對誤差小于2%。Munsell顏色描述采用中科院南京土壤研究所制的標準比色卡所得；有機質用SX-5-12型箱式電阻爐儀器運用燃燒失重法進行測量；磁化率的測量采用英國Bartington公司制造的MS2B型磁化率儀；化學元素含量的測量采用荷蘭Panalytical公司生產的X-Ray熒光光譜儀(PW2403)，誤差控制在5%以內。

4　結果與分析

4.1　軍王村剖面亮度(L*)特征

軍王村剖面中L*值變化波動較大，變化幅度為33 %。介于47.7～71.5之間變化，均值為54.0，且L*值在各個地層中也有明顯的差異，表現為古土壤層S0的L*值整體小于黃土層，呈現明顯的凹值區，其變化范圍為47.7～53.9，平均50.2；而黃土層則呈現明顯的高值區，其中馬蘭黃土層L1的L*最高，變化范圍為52.2～59.0，平均值為56.2；過渡黃土層Lt介于馬蘭黃土和現代黃土之間，變化于50.8～53.1之間，平均52.2。值得注意的是，在508～608 cm、632～660 cm和708～740 cm的深度處，其L*值相對馬蘭黃土呈現明顯的谷值，分別為53.1、54.4、54.3，較接近于古土壤S0中的L*值。

4.2　彩度特征

剖面中a*值變化特征較為明顯，其變化范圍為1.3～8.5，平均值為7.3。不同地層其a*值也有較大差異，在古土壤層S0中呈現高值，變化范圍為6.8～8.5，均值7.7；而黃土層的a*則呈現相對低值，其中馬蘭黃土層L1的a*值最低，變化范圍為4.7～8.4，平均值為6.8，過渡黃土層Lt和近代黃土層L0分別為7.6和7.9，表土MS的變化范圍為7.0～8.3，平均值為7.6。

b*值介于12.4～21.5之間變化，其變化幅度為43%，平均值16.6。且不同地層單元的變化趨勢與L*相似，表現為古土壤S0呈現低值，平均為15.5，黃土層表現為高值，其中馬蘭黃土層L1的b*值最高(16.7)，過渡黃土層Lt和全新世黃土L0的b*值分別為16.3、15.4。

a*/b*值隨深度的變化趨勢與a*相似。其變化范圍為0.09～0.56，變化幅度達到84 %，平均為0.44。其中古土壤層S0中a*/b*值最高，平均為0.50；黃土層各單元則呈現相對的低值，過渡黃土層Lt的a*/b*值平均為0.46。c*值變化范圍為12.8～22.6，平均為18.1，馬蘭黃土層L1的c*較小，平均為17.8。

值得注意的是，在馬蘭黃土L1中a*、a*/b*都與L*有一個相似之處，三者在508～608 cm、632～660 cm和708～740 cm的深度處出現相對馬蘭黃土層的波峰或波谷。馬蘭黃土L1的a*變化范圍為4.6～8.2，平均值6.8，在上述3個深度處的a*值分別為7.5、7.4、7.3，其值明顯大于馬蘭黃土層L1，而接近古土壤S0中的a*值。a*/b*在馬蘭黃土L1中平均值為0.42，在508～608，632～660和708～740 cm的深度處a*/b*值分別為0.44、0.45、0.44。

圖2　軍王村剖面色度參數、磁化率、Fe2O3、燒失量變化特征Fig.2　The curves of chroma, magnetic susceptibility, Fe2O3 and Loss on ignition of the Junwangcun profile in Hanzhong

5　討　論

5.1　亮度(L*)的意義及影響因素

色度參數中的亮度L*值主要反映土壤的明暗程度[13]，其變化受多種因素影響，主要包括有機質、碳酸鹽含量、濕度、土壤粒度等因子，其中碳酸鹽和有機質對L*影響尤為明顯[12,21]。軍王村剖面實驗前處理已經將土壤濕度和粒度對色度參數的影響降到最低，且實驗表明剖面中碳酸鹽反應不明顯，因而其對亮度L*的影響甚微，這可能與剖面所在的地理位置關系密切，軍王村剖面所在的漢中盆地屬于亞熱帶濕潤季風氣候，降水量較高使得剖面中的碳酸鹽礦物淋溶強烈，因此，本文認為碳酸鹽對L*的影響可以忽略不計，這也與苗運法[22]認為碳酸鹽與亮度的相關關系因地而異的觀點一致。

剖面中L*值與有機質含量具有同步異向的變化趨勢，即L*值隨有機質含量的增高而降低(圖2)，對其進行相關性分析發現，二者的相關系數R2=0.52(圖3)，表明有機質含量對L*變化的影響很大，土壤有機質是造成土壤顏色變暗的關鍵因素[12]。前人研究表明，有機質含量的變化與降水量和生物活動密切相關，即氣候的溫暖程度和降水量的變化會直接影響植被的發育和生物活動量的大小，因而有機質的含量可以反映一定氣候條件下植被的生長狀況，進而更深層次地揭示古氣候的冷暖-干濕變化[8,23]。在軍王村剖面中，古土壤S0中的有機質含量表現為高值，且相應的L*值在深度曲線上呈現為低谷值區，指示了古土壤S0形成時期的氣候溫暖濕潤，森林植被覆蓋面積大，有利于有機質的累積；而黃土層的有機質含量呈現低值，對應的L*值表現為峰值，揭示了黃土形成時期氣候較古土壤形成時期相對冷干，降水量較少，植被覆蓋度低，限制了有機質含量的累積。值得注意的是，在剖面508～608，632～660和708～740 cm深度處的L*值出現相對馬蘭黃土明顯的低值，有機質呈現小峰值，這可能指示了該時期存在3個相對暖濕的氣候時期，降水量充足，植被較豐茂。

5.2　彩度參數的意義及影響因素

彩度參數主要包括紅度a*，黃度b*以及二者的衍生參數a*/b*和c*，其不僅表現為土壤顏色的變化，更是對土壤內部結構組分改變的反映[12]。沉積物色度的變化主要來源于其致色礦物類型及含量的變化，相關研究表明，有機質含量和碳酸鹽礦物對紅度a*的影響有限，鐵氧化物對土壤顏色變化的影響最大[24-26]，而b*值主要受控于氣溫和降水的的變化，楊勝利等認為b*與氣溫降水具有極高的線性相關性，即b*值隨氣溫降水的增加而增加[8]。a*/b*表示紅度與黃度的比值，間接指示了黃土被化學風化改造的程度，而c*表示黃土顏色的鮮艷程度。

軍王村剖面中a*與w(Fe2O3)曲線變化趨勢一致(圖2)。相關性分析顯示，二者相關系數R2=0.59，具有良好的線性相關性。由于暖濕的氣候能夠促進風化成壤發生和大量不穩定性礦物的分解，造成鐵氧化物難于遷移而相對富集，使沉積物的顏色加深，a*值增加。反之，干冷的氣候環境使得礦物不易分解，致色礦物含量甚微，a*值較低。因此，a*值能夠很好地反映風成黃土受夏季風環流強度控制的風化成壤強度的變化。剖面中Fe2O3在古土壤層S0呈現高值，在黃土層中的Fe2O3呈現明顯的谷值，指示了古土壤形成時期氣候溫暖濕潤，風化成壤作用強烈，黃土形成時期氣候較干冷，成壤作用較弱；而馬蘭黃土層L1中a*值出現三個相對馬蘭黃土較高的值，指示了該時期氣候出現突變波動，表現為相對馬蘭黃土形成時期氣候較暖濕，成壤作用較強。

圖3　軍王村剖面L*與燒失量，a*與Fe2O3之間的線性關系Fig.3　Linear relationship of L* and loss on ignition, a* and Fe2O3 of the Junwangcun profile in the Hanzhong city, China

5.3　色度參數與磁化率的相關分析

CIELAB表色系統是一個立體的顏色空間，各顏色坐標分量之間也是相互聯系，相互影響的整體[24]。因此分析各色度參數之間的相互關系變得尤為重要。由表2可看出，L*與a*呈顯著的負相關，二者的相關系數R=-0.72，表明L*值隨著a*值的增加而變小。L*與氧化鐵相關系數R=-0.84，呈顯著負相關關系，這也說明了鐵氧化物含量對L*的變化也具有至關重要的影響；而L*與b*呈顯著正相關關系，相關系數R=0.50，且二者具有基本一致的變化趨勢(圖2)，表明L*值在一定程度上隨著b*值的變化而變化；L*與a*/b*呈極顯著負相關關系，相關系數R為0.92，兩者具有同步異向的變化趨勢，表現出L*值隨著a*/b*值增大而減??；L*與c*也有極顯著相關關系，并隨著c*的增大而增大。但是相較于L*而言，a*和b*兩者之間的相關性則很小，相關系數僅為0.09，可見a*和b*并不存在明顯的相關性，說明二者的變化是受制于不同的致色礦物。

一般認為，磁化率能夠解釋黃土-古土壤序列的風化成壤強度，也能揭示一定區域的氣候變化，可以作為一個很好的反演東亞夏季風變化的替代指標[27-28]。鑒于此，本文將結合磁化率和色度參數共同揭示色度的研究機理及古氣候意義。相關分析表明(表2)，軍王村剖面中磁化率與Fe2O3具有顯著的正相關關系，相關系數為0.58，表明二者均與黃土中的鐵磁性礦物含量密切相關。而磁化率與L*和b*呈顯著的負相關，與a*值表現為正相關，相關系數R分別為-0.81、-0.45、0.57。進一步觀察發現，磁化率與L*具有相反的波峰波谷對應，而與a*具有相似的波峰波谷對應關系(圖2)，因此，L*和a*可作為良好的氣候替代指標來反演氣候變化，甚至對次一級的氣候變化事件上也有明顯的指示；而b*與磁化率相對較低的相關系數可能意味著作為氣候替代指標具有一定的局限性。進一步研究發現，在剖面中a*/b*和c*曲線也可與磁化率曲線進行很好地對比。其中a*/b*曲線與磁化率具有同步同向的變化趨勢，相關系數R=0.77，呈極顯著相關性。但c*曲線波動較大，且與磁化率相關系數為-0.28，相關性較差，反映出c*在一定程度上可能不能很好地作為氣候替代指標。進一步研究表明，在剖面508～608 ，632～660和708～740 cm 深度處a*/b*與磁化率曲線也具有良好的對應關系。因此，本文認為a*/b*或許是一個良好的氣候代用指標，與磁化率等氣候指標共同反映晚更新世以來的氣候演變。

表2　軍王村剖面色度參數與磁化率、Fe2O3的相關系數1)Table 2　Correlation coefficient of the chroma with the magnetic susceptibility and Fe2O3 of Junwangcun profile in the Hangzhong city

1)**表示在0.01水平(雙側)上顯著相關

5.4　秦嶺南北地區色度參數對比

梁村剖面位于秦嶺北側的關中平原，將其作為秦嶺以北黃土的典型剖面與漢中軍王村剖面進行對比，據圖4可看出[29]，其L*與磁化率具有同步異向的變化趨勢，與磁化率具有良好地對應關系，在古土壤層L*含量最低(56.8)，馬蘭黃土層中最高(67.2)。a*、a*/b*均與磁化率呈現同步的變化趨勢，表現為其值均在古土壤層中呈現最高值，在馬蘭黃土層中為最低值。但是剖面中b*和c*變化趨勢與磁化率相關性較差，在剖面中，二者曲線趨勢波動變化較大。這與漢中軍王村色度參數可以進行良好對比，梁村剖面的色度參數與漢中軍王村剖面共同驗證了L*、a*、a*/b*可以作為良好的氣候代用指標指示古氣候的變化過程，而b*和c*在一定程度上不能準確地指示古氣候變化。

據表3可發現[29]，軍王村剖面與梁村剖面的色度參數差異比較明顯，軍王村剖面的L*值和b*值顯著低于梁村剖面，這可能是漢中地區有機質含量較多和碳酸鹽含量較低所致；但軍王村剖面的a*值明顯高于梁村剖面，甚至軍王村剖面中黃土層的a*值大于梁村剖面中古土壤層的a*值，指示漢中地區的鐵氧化物含量大大的高于秦嶺以北黃土地區。這些都佐證了在同一時期漢中地區氣候相對秦嶺以北地區溫暖濕潤，而濕熱的環境使得黃土-古土壤在發育過程中經歷了更強烈的風化成壤改造作用。

圖4　秦嶺北側關中盆地梁村(LC)剖面磁化率、色度參數變化特征Fig.4　The curves of chroma and magnetic susceptibility of liangcun profile in the Ganzhong Basin,China

地層軍王村剖面L*a*b*a*/b* c*梁村剖面L*a*b*a*/b* c*MS49.57.615.20.5016.960.35.724.60.2123.9L049.87.815.40.5117.359.65.125.60.2226.4S050.27.715.50.5117.456.86.324.60.2525.3Lt52.27.616.30.4618.063.25.424.20.2326.1L154.76.916.50.3420.567.23.921.30.1821.8

5.5　軍王村剖面色度與氣候變化的關系

上述分析無疑表明，軍王村剖面色度參數也能作為良好的氣候代用指標，其變化實質上記錄了該地區晚更新世以來的氣候變化信息。晚更新世末期(55.5～11.5 ka BP)形成了馬蘭黃土L1，該層黃土中色度表現為較高的L*和較低的a*、a*/b*值，指示了該時期受夏季風影響較弱，降水稀少，生物活躍程度較低，植被較少，處于冷干的氣候環境，風化成壤作用較弱；全新世初期(11.5～8.5 ka BP)形成了過渡黃土層Lt，其L*值相對馬蘭黃土呈降低的趨勢，而a*、a*/b*呈升高的趨勢，表明在該時期夏季風活動漸漸增強，氣候逐漸變得溫暖濕潤，生物活動性增強，植被數量有所增加，開始有較弱的風化成壤作用；全新世中期(8.5～3.0 ka BP)屬于氣候大暖期，形成了典型的古土壤層S0，其L*值呈現明顯的谷值，a*、a*/b*呈明顯的峰值，以及磁化率、燒失量、Fe2O3含量均在該層出現高值，這些特征均揭示了全新世中期受東亞夏季風影響明顯，氣候相對濕熱，植被茂盛，風化成壤作用強烈；全新世黃土L0接近古土壤層S0特征，卻又低于古土壤時期特征，指示了在全新世晚期(3.0 ka BP以來)氣候暖濕程度有所降低。但值得注意的是L*、a*、a*/b*在馬蘭黃土層L1中出現了3次次一級的波動，表現為相對馬蘭黃土L1中L*較低，a*、a*/b*較高，三者數值卻接近古土壤層S0的色度參數值，說明在508～608，632～660和708～740 cm 深度處出現3層弱古土壤層(L1-S1、L1-S2、L1-S3)，指示了此時期(約38.8～25.6 ka BP)氣候變得相對溫暖濕潤，降水較多，生物活動性較高，風化成壤作用明顯增強。在馬蘭黃土L1中出現弱古土壤的特征，也說明了漢中盆地末次冰期時氣候并非為長期穩定的寒冷特征，其中在約38.8～25.6 ka BP期間出現了氣候相對暖濕的階段。

6　結　論

1)軍王村剖面L*值主要與有機質含量有關，a*值受氧化鐵含量的影響很大，但二者均與磁化率有很好可比性，與風化成壤作用密切相關，因此L*和a*可以作為氣候演變的替代指標，L*值越小，a*值越大指示氣候相對暖濕；但b*對氣候的指示意義有一定的局限性。

2)a*/b*與磁化率相關系數很高，能夠作為一個良好的氣候替代指標來反演氣候變化，重建漢中盆地晚更新世以來的氣候冷暖干濕變化過程，而c*指標可能不是很好的氣候替代指標。

3)色度參數變化與地層序列具有明顯的對應關系，可以作為一個良好的氣候替代指標，軍王村剖面色度參數表明，該區晚更新世時期風化成壤較弱，氣候寒冷，降水較少，生物活動性較差，形成了較厚的馬蘭黃土。馬蘭黃土層中出現了3個次一級的波動，記錄了在38.8～25.6 ka BP期間出現了短暫的氣候轉暖事件，期間氣候溫暖濕潤，風化成壤作用較強。全新世初期氣候逐漸轉為暖濕，全新世中期形成一個大暖期，氣候相對濕熱，植被茂盛。

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