宣城红土剖面色度特征及其古气候意义

曹 乐， 胡春生， 李文慧， 刘邵晨

(1.安徽师范大学 地理与旅游学院，安徽 芜湖 241002；2.安徽省江淮流域地表过程与区域响应重点实验室，安徽 芜湖 241002)

土壤颜色是土壤性状的主要特征之一，是土壤在可见光波段的反射光谱特性，常与土壤的质地、水分、有机质、黏粒含量和矿物类型等理化性质密切相关[1]。土壤颜色既可以反映土壤的发育程度，又可以反映土壤的结构与沉积环境，因此土壤色度指标在研究古气候方面得到广泛应用，常作为反映温度和降水的代用指标[2]。例如，中国北方黄土研究已经表明色度能很好地反映地质时期温湿条件的旋回变化，其不仅可以记录千年尺度乃至万年尺度的气候变化，甚至可以很好地再现亚洲季风和全球气候的变化，并且运用色度可以较好地重建黄土—古土壤序列的冷暖旋回和反映东亚夏季风的演化历史[3-5]。因此，由于其对气候变化响应的敏感性，色度已经与磁化率、粒度、元素等指标共同作为我国黄土研究的环境代用指标，并广泛运用到靖远[6]、临夏[7]、兰州[8]、长武[9]等地区的黄土研究之中。

然而，作为我国南方重要的陆相古环境记录的第四纪红土[10]，其色度研究却开展的较少，而且这些研究重点关注红土的成土作用和成土过程[11-13]。此外，作为南方红土典型代表的宣城向阳红土剖面，虽然已经在沉积学[14-15]、地球化学[16-18]、成因[19-22]等方面开展了广泛研究，并证明了该剖面是我国南方地区古环境演化的重要信息载体[22-23]，但是该剖面也没有开展色度相关的研究工作。同时，由于向阳红土剖面厚度较大、沉积较完整、年代数据较丰富，并且剖面内部具有较显著的颜色变化，那么该剖面内部的颜色变化是否如黄土一样蕴含着丰富的古环境变化信息？这需要做进一步的工作。因此，本研究基于向阳红土剖面已有的年代数据，通过色度样品的加密采样和实验测量，尝试揭示该红土剖面的色度特征及其所蕴含的古环境变化信息。

1 材料与方法

1.1 研究区与红土剖面

安徽宣城位于长江南岸，皖南山区北麓地带，地形以低山丘陵、山间盆地与河湖相间为特征。境内为典型的亚热带季风气候，温暖湿润，年均降水量1100～1400mm，年均气温16℃。宣城向阳红土剖面位于宣城向阳村砖瓦厂附近(118°51′54.3″E，30°52′23.6″N)(图1)，堆积于长江一级支流水阳江的二级阶地上。剖面总厚度约11m，自上而下包括4个层次，分别为棕黄色土层、均质红土层、网纹红土层和砂砾石层等层次[14]。

图1 宣城向阳红土剖面位置Fig.1 Location of Xiangyang red clay profile in Xuancheng

1.2 采样与实验方法

野外实际采样深度是剖面上部9.76m，以地表为0m，其中深度0～0.8m采用10cm等间距采样，深度0.8～9.76m采用2cm等间距采样，每个样品约500g，共获得色度样品456个。色度指标采用CIELAB表色系统的亮度L*、红度a*、黄度b*三个参量，测量仪器是柯尼卡美能达公司生产的型号为CM-5分光测色计。L*测量范围是黑(0)与白(100)之间，a*测量范围是绿(-60)与红(+60)之间，b*测量范围是蓝(-60)和黄(+60)之间。

实验室中，首先将样品自然风干，然后研磨过100目筛，最后称取约5g样品放入培养皿中，通过CM-5分光测色计进行土壤色度测量。每次测量时，先对仪器进行零校正以及白色校正，再将装有样品的培养皿置于机器上进行测量，每个样品连续测量3次取平均值，误差控制在7%之内。

图2 宣城向阳剖面色度L*、a*、b*曲线与部分年代数据[14,23,24]Fig.2 Curves of lightness,redness and yellowness andchronolocial data of Xiangyang profile in Xuancheng City

2 宣城向阳剖面色度变化特征

2.1 剖面色度变化总趋势

由图2可知，向阳剖面自下而上L*总体呈现降低的变化趋势，a*总体呈现先升高后降低的变化趋势，而b*也基本呈现降低的变化趋势。并且，L*与a*变化趋势总体相反，相关关系分析明确表明两者之间具有显著的负相关性，其R2值为0.606，达到99%置信水平；但a*与b*、L*与b*的相关性不是很好(图3)。同时，向阳剖面红土色度值自下而上也存在较明显的波动。其中，L*变化范围为50.69～71.73，平均值为61.51，a*变化范围为11.28～24.82，平均值为18.55，而b*的变化范围为28.93～37.41，平均值为33.66(表1)。

2.2 剖面色度分段变化特征

根据色度曲线的变化趋势，将整个剖面自下而上分为三段来分析，分别为：9.76～7.4m、7.4～3.0m和3.0～0m段。每段内的变化也按自下而上分析，具体如下。

(1)9.76～7.4m段：L*大体上呈降低趋势，细节上呈三峰三谷，峰值分别出现在7.6m、7.8m、8.5m处，谷值分别出现在7.7m、8.2m、8.8m处，L*变化范围为62.55～71.73，平均值为66.64；a*呈上升趋势，具体来看呈两峰两谷，峰值分别出现在8.2m、9.3m处，谷值出现在7.8m、8.5m处，变化范围为11.28～18.40，

平均值为15.22；b*呈先上升后下降趋势，波峰出现在8.4m处，变化范围为31.21～37.41，平均值为34.05。

(2)7.4～3.0m段：L*呈先下降后缓慢上升趋势，波谷出现在约5.5m、7.3m处，变化范围为53.23～65.08，平均值为60.00；a*先上升后下降，峰值出现在约5.5m、7.3m处，与亮度的波谷相对应，变化范围为16.62～24.82，平均值为20.76；b*仅在6.5m左右有明显波峰，6.2m、7.2m处有波谷，变化范围为29.91～36.26，平均值为33.92。

表1 宣城向阳剖面色度基本特征

图3 宣城向阳剖面色度指标(L*、a*、b*)的相关关系

Fig.3 Correlations among L*,a*and b*of Xiangyang profile in Xuancheng

(3)3～0m段：L*呈降低趋势，最大值出现在约2.8m处，变化范围为50.59～66.6，平均值为59.19；a*呈先上升后下降趋势，有两峰三谷，峰值分别出现在1.1m、2.5m处，谷值分别出现在0.9m、1.6m、2.8m处，变化范围为14.58～20.08，平均值为17.74；b*呈先上升后下降趋势，在2.5m左右有个明显的波峰，变化范围为28.93～37.24，平均值为32.79(表2)。

表2 向阳剖面色度分段变化特征

2.3 剖面年代数据的推算

对于安徽宣城红土的年代学研究，学者们已经做了相当多的工作，本文基于已发表的向阳剖面的年代数据，并通过计算平均沉积速率来推算其他层位的年代。文献记录的年代数据具体如下：剖面深度0.4m处的年代约为18.0ka[23]，剖面深度0.72m和4m处的年代分别约为100ka和400ka[24]，剖面深度8.4m和9.1m处的年代分别约为780ka和850ka[14]。通过已有的年代数据推算土壤的平均沉积速率，可得出深度0.4～0.72m间平均沉积速率约为0.39cm/ka，0.72～4m平均沉积速率约为1.09cm/ka，4～8.4m平均沉积速率约为1.16cm/ka，8.4～9.1m平均沉积速率约为1cm/ka，由此可计算出向阳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的大致年代分别约为916ka、820ka、790ka、763ka、728ka、693ka、659ka、529ka、308ka和117ka前后。

3 讨 论

3.1 色度特征及其气候意义

土壤亮度指土壤的明暗程度，受到土壤湿度、粗糙度、矿物成分、有机质含量等多种因素的影响，其中土壤有机质是导致土壤颜色变暗的最主要因素。土壤中有机质含量越多，土壤颜色就越暗，对应的L*就越低。同时，由于气候温暖、降水增多时期，植被发育良好，进而有利于有机质的累积。可见，有机质含量与水热条件相关，进而影响L*的变化[25-28]。因此在土壤层中，L*出现低值，可能意味着该层在形成时期，降水量较多，温湿状况良好，植被生长状况良好，土壤中有机质含量增多，土壤颜色变暗，导致L*较低。需要指出的是，L*与有机质积累、腐殖质过程和碳酸盐化过程密切相关，与水热条件的函数关系仅存在于温带湿润—干旱区[29]。因此L*只能在一定程度上反映区域水热条件的变化。

除了L*以外，a*和b*是色度的另外两个重要指标。一般认为土壤的a*、b*受到土壤中赤铁矿、针铁矿含量的影响，它们与水热条件的函数关系在热带—暖温带湿润区表现良好，不同于L*，a*和b*在干冷气候条件下不敏感，却在暖湿气候条件下较为敏感，并与温度和降水呈正相关关系[30]。例如，金衢盆地红土的红度与黏粒组分所反映的降水变化趋势基本一致，就表明了在亚热带地区可以用土壤a*指标来反映区域降水的变化信息[1]。

由于宣城向阳剖面位于亚热带季风区，该区气候暖湿[31]，其土壤的a*、b*指标应该比较敏感，并且与水热条件具有很好的正相关性，而L*指标与水热条件的关系可能并不显著，因此对该剖面的色度研究以a*为主进行古气候意义分析，同时辅以b*和L*指标作为参考。

3.2 向阳剖面色度所蕴含的古气候信息

根据上述色度指标的气候意义和色度变化的分析结果，并结合已有年代数据[14,23,24]和部分推算的年代数据，可看出研究区水热条件基本经历了先变好、后变差的总体变化趋势，同时在不同深度范围(不同时期)内又存在比较显著的波动变化。

(1)9.76～7.4m段：9.76～8.8m自下而上L*呈降低趋势，a*则升高，b*也呈升高趋势，结合色度的气候意义可得知，a*、b*出现高值可能意味着土壤中铁氧化物含量较高，气候温暖，降水充沛[2,6,25]，因此可推断9.76～8.8m土壤形成时期(约916～820ka B.P.)间降水较为充沛，气候向暖湿方向发展。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处的波谷对应L*的波峰，可得知8.8～8.5m处(约820～790ka B.P.)降水相对减少，气候相对干冷，而在8.5～8.2m处(约790～763ka B.P.)气候又向暖湿发展，8.2～7.8m处(约763～728ka B.P.)a*下降，对应L*上升，b*下降，可能说明该时期土壤中有机质和铁氧化物的含量都较少，指示降水可能相对减少，气候向干冷转变，而7.8～7.4m(约728～693ka B.P.)a*又升高，指示气候又向相对暖湿转变，而L*有所波动，可能是因为L*在亚热带季风区的指示性并不那么良好，b*与a*变化并不一致可能是由于土壤水分状况的差异导致的[1]。

(2)7.4～3.0m段：在7.4～4.0m处自下而上a*先上升后下降，均值较高，L*则先下降后上升，b*先上升后下降而后波动不明显，可能指示7.4～4.0m(约693～400ka B.P.)红土形成时期土壤中铁氧化物含量较多，同时植被较为发育，土壤中有机质的积累也较多，使得a*均值较高，对应L*较低，因此可推断该时期气候以暖湿为主，并且此时网纹红土最为发育[15-16]。4～3m处a*有两次先上升后下降的波动，L*则有两次先下降后上升的波动，可能指示4～3m(约400～308ka B.P.)土壤形成时期气候有两次由暖湿向干冷的转变的波动，在5.5m处(约529ka B.P.)a*最高，可能指示该时期降水最为丰富，气候最为暖湿。

(3)3～0m段：a*总体呈先上升后下降趋势，0.9m处开始a*下降明显，可能指示约117ka B.P.以后气候较为干冷，b*也较低，3.0～0.9m处(约308～117ka B.P.)a*有先上升后下降而后又上升的变化，而L*先下降后上升而后又下降，b*先上升后下降，可能指示该土壤形成时期土壤中铁氧化物含量和有机质都有先增多后减少的变化，导致a*、L*发生相应的变化，指示该时期气候有暖湿—干冷—暖湿的旋回变化。

总体看来，向阳剖面红土发育时期气候存在多次暖湿—干冷的旋回，第一段9.76～7.4m红土发育时期至少存在3次气候的旋回，第二段7.4～3.0m红土发育时期也至少存在3次旋回，第三段3.0～0m红土发育时期至少存在两次明显的旋回。

4 结 论

宣城向阳红土剖面色度特征能较好地反映区域降水变化等古气候变化信息。其中，在9.76～7.4m范围内(约916～693ka B.P.)，区域降水总体呈现增多趋势，气候主要向暖湿方向转变；在7.4～3.0m范围内(约693～308ka B.P.)，区域降水充沛，尤其在5.5m处(约529ka B.P.)所反映的区域降水最丰富，气候最暖湿；在3～0m范围内(约308ka B.P.至今),降水不稳定，约100ka B.P.以后降水较少，反映此后气候以相对干冷为主。总体而言，研究区约916ka B.P.以来气候至少发生了8次暖湿—干冷的旋回。

本研究表明色度作为亚热带季风区古气候变化研究的替代性指标具有一定的可行性，特别是其a*值对区域古气候变化响应比较敏感，可以作为反映区域降水变化的替代指标。但是，由于本研究主要基于已发表的年代数据、且年代数据数量有限，因此本研究结果只能反映区域古气候变化的基本趋势，更为详尽的古气候变化信息提取则依赖于今后多指标和精确测年在该红土剖面的应用。