九江加積型紅土網紋形態特征及其環境意義

摘 要 【目的】第四紀加積型網紋紅土發育具有獨特的網紋結構，在長江中下游地區分布較為廣泛，是對第四紀環境變化的記錄和響應。以往對網紋理化性質關注較多，但對網紋形態特征研究較少，結合理化性質去全面分析網紋特征有利于更為深刻地認識其環境意義。【方法】根據對江西九江網紋紅土剖面的網紋形態和理化性質的分析，在理解理化性質可能對形態的影響和網紋化機制的基礎上著重討論了網紋形態特征的環境意義。【結果與結論】（1）該剖面的網紋形態具有較為系統的變化特征，剖面上部的網紋相對較細小，而下部的網紋則相對較粗大；（2）從風化指標ba等和網紋形態指標的對應程度來看，總體上網紋形態與氣候由暖濕到冷干的變化趨勢具有一定對應性，但網紋形態對氣候指示意義具有一定的局限性。

關鍵詞 網紋紅土；白網紋；網紋形態

第一作者簡介 汪玲玲，女，1997年出生，碩士研究生，自然地理學，E-mail： wllzjnu@qq.com

通信作者 李鳳全，男，教授，E-mail： lygl45@zjnu.cn

中圖分類號 P534.63 文獻標志碼 A

0 引言

加積型網紋紅土在長江中下游地區分布較為廣泛，其形成、發育和分布與季風的建立、發展等有關，是我國南方環境對全球性重大地質—環境變化的響應[1]，蘊含了較為豐富的第四紀氣候與環境變化的信息[2?5]。網紋紅土剖面的頂部為棕黃色土層，上部為均質紅土層，中—下部為網紋層，底部為砂礫石層，部分剖面缺失棕黃色土層或均質紅土層。網紋層中的網紋猶如一枚硬幣，其一方面表現為理化性質，另一方面表現為幾何形態，兩者從不同角度反映了網紋特征。以往研究多關注網紋紅土的理化性質，如利用磁學方法揭示地層中磁性礦物的類型、磁學特征及氣候意義[2?8]；色度指標的變化特征及環境意義[9?12]；采用地球化學手段闡明紅基質和白網紋的元素分異特征，以及網紋紅土的風化特征[13?18]等。近年來，作為網紋紅土醒目標志的網紋形態引起了較多關注[19?24]。有研究發現網紋發育的強弱與氣候變化可能存在對應關系，與世界其他地區相比我國的網紋可能指示了極其溫暖潮濕的成土期[15]。然而，也有研究認為網紋可能與淺層地下水位變動有關[25]，而非指示古氣候的變化[12]。總而言之，目前對網紋形態的定量化分析較為少見，且其環境意義還有待驗證和進一步探討。為此，本文以九江加積型網紋紅土的網紋作為研究對象，在對網紋形態進行定量表征與分析的基礎上，將形態特征與磁學分析、地球化學及色度等指標相結合，進一步驗證和探析網紋形態的環境意義。

1 樣品與方法

1.1 研究區概況

研究剖面（29°42′12″ N，116°01′57″ E）位于江西省九江市濂溪區五里街道，地處九江東部地區。采樣剖面是廬山余脈的低矮丘陵，因鄉間公路開挖露出，海拔50 m，剖面厚約6.2 m（圖1）。其中，0～50 cm為現代土壤層，質地松軟，植物根系發育，顏色偏暗棕色；50～150 cm為黃棕色土層，可見植物根系；150 cm開始出現鐵錳膠膜，其下網紋多密集細小，形態多呈蠕蟲狀、點狀，420～600 cm為棕紅色網紋紅土層，夾雜圓點狀網紋，600 cm以下為暗紅色網紋紅土層，網紋較稀疏，呈條帶狀，有植物根系和地下水滲出。

1.2 樣品采集與測試

根據研究目的和網紋分布特點，在該剖面選擇縱深3～6.2 m、橫長50 cm處布置采樣區，縱向上再以50 cm為間隔拉紅繩，共得7個樣方，在清理每個樣方表面的殘留土渣后，利用數碼相機按樣方進行拍照，所得數碼照片用來對白網紋進行數字化提取。此后，自下而上以10 cm為間隔進行采樣，共采集32個樣品。將樣品置于40 ℃恒溫烘箱內烘干后，按紅基質和白網紋對其進行分離，共獲取紅基質、白網紋樣品各32個。然后，將紅白分離后的樣品研磨均勻，分別稱取5 g，進行磁學參數測量；并將上述各樣品研磨壓片，用PHLIPS公司生產的PW2 440型X射線熒光光譜儀測量主量元素，分析誤差小于2%，常用風化指標CIA和ba均按分子比計算，CIA=Al2O3（/ Al2O3+CaO+Na2O+K2O）×100，其中CaO 指硅酸鹽礦物中的摩爾含量，本文采用Mclennan的方法[26]矯正其含量；ba=（K2O+CaO+Na2O+MgO）/Al2O3；色度測試儀器為柯尼卡美能達CR-400色彩色差儀，選用 CIELAB 表色系統，測量指標為a*（紅度）、b*（黃度），在測試前先將樣品用研磨缽研磨，并過200目篩，處理后樣品作為測試樣；粒度測試儀器為英國Malvern儀器有限公司生產的Mastersizer2000型激光粒度粒形儀，測量量程為0.02～2 000 μm，重復測量誤差小于2%。整個前處理和磁學、地球化學、色度及粒度實驗均在浙江師范大學地理過程實驗室完成。

將所拍攝7個樣方的數碼照片分別等分為5份，切割形成10 cm×50 cm大小，自上而下共得32張圖像。利用ENVI 5.3監督分類功能對所獲得的數碼圖像進行紅基質與白網紋的分類（分類可行性分析均大于1.999），分別提取了32張白色網紋圖像。在此基礎上，利用Arcgis 10.2及Photoshop 2019分別計算了白網紋數量、白網紋大小（網紋面積密度及平均寬度）等有關的形態指標。其中，白網紋的數量表示樣方內白色網紋的總個數；網紋面積密度為單位樣方內白網紋面積占總面積比；網紋寬度則表示為白色網紋發育寬度的平均值。

2 結果與分析

2.1 剖面沉積特點

典型加積型紅土具有邊沉積邊風化的特點，是反演南方地區第四紀環境演變的良好載體，其廣泛分布于長江以南28°～31° N區域[27-29]。

沉積物粒度特征可以反映物質在沉積過程中搬運動力的大小和特點，可用于判別沉積環境[28]。如表1 的粒度測試結果所示，紅基質和白網紋黏粒（lt;5 μm）及粉砂（5～50 μm）為優勢粒級；砂（gt;50 μm）含量占比最小。其中10～50 μm粒級組分常被認為是“風塵基本粒組”[30]，為占比最大的粒級，與北方午城黃土、古土壤具有很好的可比性。此外，紅基質和白網紋的粒度頻率曲線（圖2）表現為雙峰，第一眾數粒級在粉砂，第二眾數粒級分布在黏粒中，與前人研究結果相一致[28]，也反映網紋紅土粒度組成具有風成特性。其他學者通過多種手段（粒度、地球化學、植物硅酸體、重礦物及鋯石等）在九江地區多個剖面測試結果均表明，該區域網紋紅土為典型的加積型紅土，主要為風塵沉積，物質來源具有多重性，遠源組分可能來自北方黃土，近源則由長江、贛江、鄱陽湖區裸露的河湖沉積物提供[28，31?34]。

2.2 網紋形態特征

網紋數量主要是指網紋紅土樣方內白網紋的總數目，本次研究剖面網紋數量的計算結果如圖3所示。可以看出，白網紋的數量總體上介于15～33，剖面上部（450 cm以上）的白網紋數量相對較多，而剖面下部（450 cm以下）的白網紋數量則相對較少，即自上而下大致呈現出由相對密集到較為稀疏的變化趨勢。白網紋寬度是對網紋發育大小的一個表征，其數值主要介于1.15～2.08 cm。如圖3所示，由剖面上部至下部，白網紋的寬度大體上呈波動增大的趨勢，即本研究剖面上部（450 cm以上）的白色網紋相對細小，而剖面下部（450 cm以下）的白網紋相對寬大。本剖面白網紋的面積密度大體呈上大下小的波動變化特征。根據上述網紋形態在該研究剖面上的分布特征，可將其分為上下兩段，其中上段網紋個數相對較多，但發育寬度較小；下段則與之不同，網紋數量相對較少，但發育寬度一般較大。

2.3 地球化學特征

紅基質和白網紋的元素地球化學分析結果如表2所示。根據網紋形態的分布情況，以450 cm為界將剖面分為上、下兩層，紅基質上、下層難溶組分（SiO2、Al2O3、Fe2O3）質量分數之和的平均值分別為82.83%、83.2%；易淋溶組分（K2O、CaO、Na2O、MgO）質量分數之和的平均值分別為2.74%、2.56%。白網紋上下層的難溶組分質量分數之和均值分別為88.49%、93.06%；易淋溶組分質量分數之和均值分別為3.65%、4.22%。二者的易溶組分元素相對于UCC值均屬于流失型，極低的含量表明網紋紅土成土期的氣候較為濕熱。TiO2相對富集，紅基質與白網紋相差不大。

不論上、下層，紅基質Fe2O3的平均含量均顯著高于白網紋，二者存在顯著差異，進一步證實白網紋的形成與鐵元素的遷移、重分布具有直接關系。此外，白網紋下層Fe2O3含量低于上層，與白網紋的上、下層不同的形態大小也具有一定的對應性。化學蝕變指數CIA可用于計算陸殼各類物質的風化程度，值越大指示風化越強[35-36]。風化淋溶指數ba反映沉積物中鹽基離子的淋失程度，值越小代表風化越強[37]。白網紋CIA和ba均介于78～83和0.3～0.45，屬于中度化學風化，且自剖面下部到上部有所減弱（圖3），說明該剖面經歷了由暖濕逐漸向冷干的轉變，這與前人研究成果[34，38?41]較為一致。

2.4 網紋紅土磁學特征

由剖面的上部至下部，紅基質的χ主要表現為逐漸降低的趨勢，SIRM則總體上呈現出波動增加的趨勢；而白網紋的χ和SIRM均低于紅基質，兩者自剖面上部向下總體上均表現出逐漸降低的趨勢；紅基質HIRM的變化趨勢和SIRM的特征基本相似，而白網紋的HIRM則自上而下逐漸降低。上述結果表明，紅基質中的反鐵磁性礦物整體上隨著深度增加而增大，而白網紋的反鐵磁性礦物含量呈逐漸降低態勢。已有較多成果發現網紋紅土中反鐵磁性礦物主要為赤鐵礦和針鐵礦[6，42?43]，結合上述研究可能說明本剖面白網紋赤鐵礦或針鐵礦的含量存在剖面上的分布差異。此外，剖面中紅基質和白網紋的S-ratio（S-300 mT）皆表現出與HIRM值相反的趨勢（圖4，5）。有學者指出，S-ratio值中間階段的波動性可能是氣候冷暖旋回的結果，而自下而上整體呈現增加的趨勢則可能指示了區域早更新世晚期以來古氣候波動性逐漸減弱，氣候趨于穩定[42]。

等溫剩磁（IRM）和反方向磁場退磁在常溫下可以用于區分樣品中“軟”、“硬”磁組分[44?45]。選取深度為315 cm和565 cm的紅基質和白網紋，測得最大強度為1 T的連續可變強磁場下4個樣品的等溫剩磁獲得曲線。如圖6所示，紅基質、白網紋SIRM獲得曲線在外場為0.3 T時均未達到90%以上飽和，說明赤鐵礦、針鐵礦等高矯頑力磁性礦物為網紋紅土的主要磁性礦物。該結論也得到了剩磁矯頑力數據的支持。

剩磁矯頑力（Bcr）是使獲得SIRM的樣品剩磁降低到0所需的反向磁場，可用于了解樣品“軟”、“硬”剩磁組分含量信息[5]。如圖6所示，白網紋的剩磁矯頑力相對較低（100～200 mT），紅基質的剩磁矯頑力大于白網紋，超過300 mT。但二者矯頑力還是明顯高于典型低矯頑力黃土樣品[46]，說明網紋紅土含有赤鐵礦、針鐵礦等高矯頑力的硬磁性礦物。綜上，網紋層的紅基質、白網紋以反鐵磁性礦物為主，前者含量隨著深度下降而增加，后者隨深度下降而減少。

2.5 網紋紅土色度特征

顏色是土壤重要的且容易量測的指標，可用來反映礦物組成情況。紅度（a*）值介于-60（綠）至+60（紅），1.7%的赤鐵礦即可使土壤呈紅色，故常被用作赤鐵礦含量的粗略代用指標；黃度（b*）值介于-60（藍）至+60（黃），棕黃色針鐵礦含量對黃度值具有較大影響，b*隨前者含量的增多而增大[47]。紅基質和白網紋的紅度（a*）具有較大的差異，紅基質的a*介于23.56～26.73，平均值為25.13，而白網紋的a* 介于3.81～10.8，平均值為7.28（圖7）。由此可見前者的紅度明顯高于后者的紅度，這與二者醒目的顏色差異較為吻合。網紋紅土的紅度與赤鐵礦含量具有較好的線性相關關系[12]，結合本剖面白網紋的a*、HIRM、SIRM等的變化趨勢，可能進一步說明白網紋中赤鐵礦含量由上到下呈明顯減少的趨勢，而紅基質中的赤鐵礦含量則略有增加。紅基質b* 介于29.52～36.82，平均值為34.46，白網紋介于21.3～31.72，平均值為26.5。白網紋b*與Fe2O3 也存在較強的相關性（R2=0.743），可能說明白網紋中鐵經水解作用發生沉淀而轉變為針鐵礦等晶態鐵氧化物[41]。白網紋黃度自下而上呈遞增趨勢反映了區域氣候可能逐漸趨于冷干，而其中的波動則可能是沉積完成后經成土作用的結果[12]。

3 討論

網紋的幾何形態和理化性質都是風化成土作用結果的表征。根據圖3不難發現，本剖面白網紋的CIA、ba等風化指標均反映了成土區氣候逐漸由暖濕向冷干轉變的趨勢。本剖面的網紋面積密度、網紋數量和網紋寬度等形態指標與CIA、ba等的變化曲線在趨勢上具有較好的對應性。為進一步驗證上述關系，對該剖面的網紋形態指標（如面積密度、數量、寬度）與CIA、ba等氣候代用指標進行了相關性分析。在相關性分析中（表3），皮爾遜相關系數絕對值為0.5～0.7，且P值均小于0.05，均通過假設檢驗，這說明風化指標和網紋形態之間存在顯著的相關關系。

從南方網紋紅土的剖面地層序列來看，網紋層上部往往堆積均質紅土層或棕黃色土層，而從網紋層向上至均質紅土層和棕黃色土層記錄了氣候由暖濕逐漸向冷干演變的過程[9，41，48?50]，其中網紋層則指示了中更新世氣候的整體濕熱期[51?52]，甚至被認為是夏季風異常強盛期的產物[51]。從網紋層內部來看，野外考察發現網紋層上部的網紋發育程度一般較下部弱，網紋發育由強到弱對應著氣候由暖濕到冷干的轉變過程[15]。網紋的發育受氣候的干濕、冷暖控制，濕熱促進網紋發育，反之則不利于網紋發育[53]。遺憾的是，上述觀點多未將量化的網紋形態信息與理化性質結合進行實證檢驗，帶有一定的推測性質。本研究中網紋形態與氣候代用指標的相關性則進一步證實了上述觀點，這至少表明網紋是一定氣候條件下的產物。

那么網紋形態特征能否作為測量上較為方便的氣候代用指標呢？結合圖3和圖8可以看出，網紋形態的波動特征與氣候代用指標的波動特征并非一致，且相關系數的R2均介于0.33～0.50，說明氣候因素的解釋程度并不強，還存在其他影響網紋發育的因素，這與網紋化現象是一定氣候背景下物理過程、化學過程等綜合作用的產物[54]的結論較為一致。研究認為網紋紅土的紅度波動是地下水作用的結果而非指示古氣候的變化[12]，網紋形態的波動也很難指示氣候波動。

網紋層中的紅基質顏色一般偏紅，另外在白網紋中也常見顏色有別于周圍淺色的，猶如“血管”的紅色管道，這些特征一般被看作是典型的氧化還原過程所導致的鐵聚集特征[55]。而作為網紋紅土中最醒目的白色斑塊或條紋（圖9a），其紅度較低（a*均值7.28），明顯區別于紅基質的紅度（a*均值25.13），且其Fe2O3 （2.7%）和MnO（0.02%）含量遠低于紅基質Fe2O3（11.9%）、MnO（0.04%）含量，通常認為這是鐵錳氧化物遷出所致，呈現出較為明顯的鐵錳氧化物經還原后淋失特征[13，56?59]。白網紋的a*和Fe2O3具有較好的正相關性，R2=0.698，進一步證實鐵遷移對白網紋的影響較為顯著。南方網紋紅土中發育的裂隙或孔隙為元素和水分等的運移提供了通道[60]，其因雨期滯水而形成的局部還原環境則導致了鐵還原并隨水流失[15，19，21，54]，致使土體顏色較淺并形成了白網紋。該機制在一定程度上可以較為合理地解釋加積型紅土網紋發育的原因，然而網紋形態指標計算的結果表明網紋形態在剖面上具一定的系統特征，僅用鐵氧化還原機制似乎難以對此進行較好的說明，還需要對該機制進行進一步補充。

首先，網紋層上部、下部的鐵還原持續時間存在差異。在網紋紅土層下部的白色網紋發育區，其風化成土期降水較多[61]，孔隙的飽水時間因而可能相對較長，導致鐵還原作用的持續時間也會相對較久；而越接近剖面的上部的白色網紋發育區，隨著氣候的演化趨勢逐漸由暖濕轉向冷干[15]，降水的相對減少導致網紋層上部的飽水時間相對縮短，從而可能造成鐵還原持續的時間也相對減少。而且相較于網紋層的下部，網紋層的上部相對靠近于地表，氧氣消耗后更易較快得到補給，也會導致網紋層上部的鐵還原持續時間可能相對縮短。與此類似的是，網紋層的上部因接近于地表造成土壤水分蒸發速度相對高于網紋層的下部，導致網紋層上部的水滯留時間相對減短，而下部則與之相反。綜上可以推測網紋紅土剖面的下部較上部更易在局部形成持續時間相對較長的還原環境，而剖面上部的氧化還原環境交替相對頻繁。其次，風化成土后物質的氧化還原難易程度的影響。有研究指出鐵還原速率與鐵氧化物的結晶度有關，結晶度越低的氧化物越有利于還原[57]，赤鐵礦、針鐵礦等礦物在一定程度上會降低鐵的還原速率。較低的有機質利于鐵礦物形成高結晶的赤鐵礦或針鐵礦[57]，相較紅基質，白網紋中常發現植物根系（圖9b），可能也會有助于白網紋鐵進一步還原流失而使形態不斷發育。此外，本文白網紋的磁學、紅度等實驗結果表明，隨深度下降結晶度較高的反鐵磁性礦物含量呈降低趨勢（圖5，7），因此這也相對利于剖面下部的白色網紋進一步發育。最后，網紋紅土的裂隙或孔隙為網紋發育提供了物理基礎[15，19，21，54，60]，孔隙及其發育程度與網紋化有較好的對應關系，網紋層下部易形成“通道型”鐵質淋溶—淀積模式，而剖面上部相對易形成鐵擴散— 團聚模式[54]。

4 結論

自下而上，加積型網紋紅土剖面白網紋的形態特征存在一定的差異，總體上與氣候由暖濕到冷干的變化趨勢具有一定的對應性。網紋在網紋紅土剖面呈現的上下部網紋形態特征的差異，可能反映了在一定氣候條件下，鐵氧化還原持續的時間、風化成土產物的氧化還原相對難易程度，以及鐵遷移模式的差異等復雜的成土因素影響。雖然網紋形態對氣候指示可能具有一定的局限性，但可作為在理化性質的基礎上，豐富我們對網紋化機制、紅土形成環境認識的一個形態學指標。

致謝 衷心感謝評審專家給予的修改建議，以及編輯部各位老師們貼心、負責與細致入微的幫助，使本文得以完善！

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