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程與區(qū)域響應(yīng)重點實驗室，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[2]。例如，中國北方黃土研究已經(jīng)表明色度能很好地反映地質(zhì)時期溫濕條件的旋回變化，其不僅可以記錄千年尺度乃至萬年尺度的氣候變化，甚至可以很好地再現(xiàn)亞洲季風和全球氣候的變化，并且運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的演化歷史[3-5]。因此，由于其對氣候變化響應(yīng)的敏感性，色度已經(jīng)與磁化率、粒度、元素等指標共同作為我國黃土研究的環(huán)境代用指標，并廣泛運用到靖遠[6]、臨夏[7]、蘭州[8]、長武[9]等地區(qū)的黃土研究之中。

然而，作為我國南方重要的陸相古環(huán)境記錄的第四紀紅土[10]，其色度研究卻開展的較少，而且這些研究重點關(guān)注紅土的成土作用和成土過程[11-13]。此外，作為南方紅土典型代表的宣城向陽紅土剖面，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，由于向陽紅土剖面厚度較大、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含著豐富的古環(huán)境變化信息？這需要做進一步的工作。因此，本研究基于向陽紅土剖面已有的年代數(shù)據(jù)，通過色度樣品的加密采樣和實驗測量，嘗試揭示該紅土剖面的色度特征及其所蘊含的古環(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氣候，溫暖濕潤，年均降水量1100～1400mm，年均氣溫16℃。宣城向陽紅土剖面位于宣城向陽村磚瓦廠附近(118°51′54.3″E，30°52′23.6″N)(圖1)，堆積于長江一級支流水陽江的二級階地上。剖面總厚度約11m，自上而下包括4個層次，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 宣城向陽紅土剖面位置Fig.1 Location of Xiangyang red clay profile in Xuancheng

1.2 采樣與實驗方法

野外實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，每個樣品約500g，共獲得色度樣品456個。色度指標采用CIELAB表色系統(tǒng)的亮度L*、紅度a*、黃度b*三個參量，測量儀器是柯尼卡美能達公司生產(chǎn)的型號為CM-5分光測色計。L*測量范圍是黑(0)與白(100)之間，a*測量范圍是綠(-60)與紅(+60)之間，b*測量范圍是藍(-60)和黃(+60)之間。

實驗室中，首先將樣品自然風干，然后研磨過100目篩，最后稱取約5g樣品放入培養(yǎng)皿中，通過CM-5分光測色計進行土壤色度測量。每次測量時，先對儀器進行零校正以及白色校正，再將裝有樣品的培養(yǎng)皿置于機器上進行測量，每個樣品連續(xù)測量3次取平均值，誤差控制在7%之內(nèi)。

圖2 宣城向陽剖面色度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 宣城向陽剖面色度變化特征

2.1 剖面色度變化總趨勢

由圖2可知，向陽剖面自下而上L*總體呈現(xiàn)降低的變化趨勢，a*總體呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢，而b*也基本呈現(xiàn)降低的變化趨勢。并且，L*與a*變化趨勢總體相反，相關(guān)關(guān)系分析明確表明兩者之間具有顯著的負相關(guān)性，其R2值為0.606，達到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，向陽剖面紅土色度值自下而上也存在較明顯的波動。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，將整個剖面自下而上分為三段來分析，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，細節(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，具體來看呈兩峰兩谷，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，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，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 宣城向陽剖面色度基本特征

圖3 宣城向陽剖面色度指標(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，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，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，在2.5m左右有個明顯的波峰，變化范圍為28.93～37.24，平均值為32.79(表2)。

表2 向陽剖面色度分段變化特征

2.3 剖面年代數(shù)據(jù)的推算

對于安徽宣城紅土的年代學(xué)研究，學(xué)者們已經(jīng)做了相當多的工作，本文基于已發(fā)表的向陽剖面的年代數(shù)據(jù)，并通過計算平均沉積速率來推算其他層位的年代。文獻記錄的年代數(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，由此可計算出向陽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、有機質(zhì)含量等多種因素的影響，其中土壤有機質(zhì)是導(dǎo)致土壤顏色變暗的最主要因素。土壤中有機質(zhì)含量越多，土壤顏色就越暗，對應(yīng)的L*就越低。同時，由于氣候溫暖、降水增多時期，植被發(fā)育良好，進而有利于有機質(zhì)的累積。可見，有機質(zhì)含量與水熱條件相關(guān)，進而影響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期，降水量較多，溫濕狀況良好，植被生長狀況良好，土壤中有機質(zhì)含量增多，土壤顏色變暗，導(dǎo)致L*較低。需要指出的是，L*與有機質(zhì)積累、腐殖質(zhì)過程和碳酸鹽化過程密切相關(guān)，與水熱條件的函數(shù)關(guān)系僅存在于溫帶濕潤—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*是色度的另外兩個重要指標。一般認為土壤的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基本一致，就表明了在亞熱帶地區(qū)可以用土壤a*指標來反映區(qū)域降水的變化信息[1]。

由于宣城向陽剖面位于亞熱帶季風區(qū)，該區(qū)氣候暖濕[31]，其土壤的a*、b*指標應(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*指標與水熱條件的關(guān)系可能并不顯著，因此對該剖面的色度研究以a*為主進行古氣候意義分析，同時輔以b*和L*指標作為參考。

3.2 向陽剖面色度所蘊含的古氣候信息

根據(jù)上述色度指標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，同時在不同深度范圍(不同時期)內(nèi)又存在比較顯著的波動變化。

(1)9.76～7.4m段：9.76～8.8m自下而上L*呈降低趨勢，a*則升高，b*也呈升高趨勢，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處的波谷對應(yīng)L*的波峰，可得知8.8～8.5m處(約820～790ka B.P.)降水相對減少，氣候相對干冷，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，對應(yīng)L*上升，b*下降，可能說明該時期土壤中有機質(zhì)和鐵氧化物的含量都較少，指示降水可能相對減少，氣候向干冷轉(zhuǎn)變，而7.8～7.4m(約728～693ka B.P.)a*又升高，指示氣候又向相對暖濕轉(zhuǎn)變，而L*有所波動，可能是因為L*在亞熱帶季風區(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不明顯，可能指示7.4～4.0m(約693～400ka B.P.)紅土形成時期土壤中鐵氧化物含量較多，同時植被較為發(fā)育，土壤中有機質(zhì)的積累也較多，使得a*均值較高，對應(yīng)L*較低，因此可推斷該時期氣候以暖濕為主，并且此時網(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，L*則有兩次先下降后上升的波動，可能指示4～3m(約400～308ka B.P.)土壤形成時期氣候有兩次由暖濕向干冷的轉(zhuǎn)變的波動，在5.5m處(約529ka B.P.)a*最高，可能指示該時期降水最為豐富，氣候最為暖濕。

(3)3～0m段：a*總體呈先上升后下降趨勢，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期土壤中鐵氧化物含量和有機質(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，指示該時期氣候有暖濕—干冷—暖濕的旋回變化。

總體看來，向陽剖面紅土發(fā)育時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)育時期也至少存在3次旋回，第三段3.0～0m紅土發(fā)育時期至少存在兩次明顯的旋回。

4 結(jié) 論

宣城向陽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，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干冷為主。總體而言，研究區(qū)約916ka B.P.以來氣候至少發(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區(qū)古氣候變化研究的替代性指標具有一定的可行性，特別是其a*值對區(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。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，更為詳盡的古氣候變化信息提取則依賴于今后多指標和精確測年在該紅土剖面的應(yīng)用。