全新世早中晚三個階段尺度土壤色度指標(biāo)對氣候變化的響應(yīng)

全新世早中晚三個階段尺度土壤色度指標(biāo)對氣候變化的響應(yīng)

土壤顏色是土壤最明顯的基本特征之一，是土壤在光刻剖面上反射的光譜特性，與土壤有機質(zhì)、土壤氧化鐵、土壤質(zhì)量、粘土、土壤水分、土壤侵蝕等物理和化學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)。土壤顏色的空間變化反映了土壤條件的自我約性。土壤顏色剖面的變化對土壤科學(xué)的診斷具有重要意義。土壤顏色的研究始于20世紀(jì)60年代，70年代達到高峰。當(dāng)時，這項研究主要集中在土壤中最常見的元素紅鐵礦、針鐵礦和有機質(zhì)與土壤顏色之間的關(guān)系。在近幾十年的研究中，土壤顏色系統(tǒng)逐漸被量化，并在舊氣候記錄的研究中得到了很好的應(yīng)用，并取得了良好的效果。作為一個氣候替代品，氣候參考指數(shù)在研究第四紀(jì)長時度的不同時期里得到了證實，并具有一定的氣候敏感性。楊勝利等人認(rèn)為，根據(jù)幾千年和幾千年的規(guī)劃，黃土-古土壤的顏色記錄可以很好地再現(xiàn)亞洲季風(fēng)氣候和世界氣候變化的特點。陳義明等人還發(fā)現(xiàn)，土壤顏色指數(shù)作為氣候變化的替代指標(biāo)，無論是100年前的尺度，還是100年后的尺度，都是可靠的。一些科學(xué)家用土壤顏色指數(shù)進行了結(jié)論，并確定了古土壤侵蝕和風(fēng)化的影響。然而，關(guān)于黃土顏色變化的定量、半定量研究以及氣候重要性的研究仍處于薄弱狀態(tài)。特別是在短時內(nèi)新世黃土-土壤調(diào)查中罕見的關(guān)于顏色指數(shù)的研究報道。在黃土高原黃土-古土壤序列研究中,許多相對成熟的古氣候代用指標(biāo)在揭示季風(fēng)演變和成壤環(huán)境變化方面發(fā)揮了積極的作用,例如磁化率、CaCO3含量和Rb/Sr比.黃土和古土壤中磁化率值反映了當(dāng)時的古氣候條件,磁化率值越高,氣候條件越暖濕,反之則冷干.CaCO3含量的變化在西部干旱區(qū)可大致反映黃土堆積時期大氣降水量的多少.Rb/Sr比值大小實際上指示了淋溶程度,主要與降水量的大小有關(guān).本文將土壤色度參數(shù)亮度(L*)、紅度(a*)、黃度(b*)與質(zhì)量磁化率、CaCO3含量和Rb/Sr比等指標(biāo)進行比較分析,嘗試性地揭示土壤色度指標(biāo)在全新世千年—百年尺度上對氣候變化的響應(yīng)程度,并期望土壤顏色指標(biāo)能在季風(fēng)演變等全球變化研究中發(fā)揮更大的作用.1材料和方法1.1剖面位置及年代框架關(guān)中平原位于黃土高原南部,屬于典型的暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候,冬季盛行西北季風(fēng),夏季盛行東南季風(fēng),四季分明,雨熱同季,無霜期長.年均溫6~13℃,年降水量500~800mm,其中6—9月份占60%,多為短時暴雨,冬春降水較少,春旱、伏旱頻繁.區(qū)內(nèi)堆積厚層黃土,地勢平坦,土質(zhì)肥沃,水源豐富,是陜西自然條件最好的地區(qū).本文選取岐山梁村(LC)作為研究剖面,其位于關(guān)中盆地西部,渭河北岸的第三級階地上,剖面處在平坦的階地面,代表當(dāng)?shù)貜V域性氣候特征,地層層次完整清晰,基本無人為擾動,能夠記錄歷史環(huán)境變化信息.目前未對LC剖面進行詳細(xì)的斷代研究,其年代框架是結(jié)合課題組前期研究結(jié)果,根據(jù)巖性地層學(xué)與氣候地層學(xué)原理,通過土壤地層對比研究獲得,剖面描述及地層年代劃分詳見表1.1.2實驗過程和結(jié)果CIELAB表色系統(tǒng)是當(dāng)今最重要的顏色次序表達和測量系統(tǒng)之一,它使用L*、a*、b*三個參量描述任何均勻連續(xù)的顏色空間.L*代表亮度,變化于黑(0)和白(100)之間;a*代表紅度,變化于紅和綠之間;b*代表黃度,變化于黃和藍之間.CIELAB的表色原理基于以下前提,即顏色的刺激值是照明能譜分布狀況、物體反射光譜特征和顏色感應(yīng)器(測色儀)的光譜響應(yīng)特征共同作用的結(jié)果.門賽爾表色系統(tǒng)(Munsell)是土壤學(xué)者所熟悉、國際上通用的Munsell標(biāo)準(zhǔn)色卡,憑借肉眼比較來判別土壤顏色的一種顏色描述系統(tǒng),因此結(jié)果只能是定性的.CIELAB表色系統(tǒng)使顏色的空間表達由定性轉(zhuǎn)為定量,且減少人為主觀判斷而使描述更加客觀.色度測試操作簡單,且不需要復(fù)雜的前期處理,色度儀自動計數(shù)客觀準(zhǔn)確,步驟如下:①將樣品統(tǒng)一在實驗室風(fēng)干,并研磨至200目以下,將土壤濕度和土壤顆粒大小對土壤顏色的影響降到最低;②整個測試過程保證實驗條件尤其是背景光源恒定;③將儀器校正后,將樣品放在日本生產(chǎn)的K-MinoltaCR-400色度儀自帶標(biāo)準(zhǔn)校正白板上,壓平不起皺,同一樣品在不同區(qū)域測量3次取平均值,使誤差小于0.07.地球化學(xué)元素含量用荷蘭Panalytiacl公司生產(chǎn)的PW2403型X-射線熒光光譜儀進行測定;磁化率用Bartington公司生產(chǎn)的MS-2B型磁化率儀測量;CaCO3含量用荷蘭Eijkelkamp公司生產(chǎn)的BW14-08.53型含鈣量測定儀測量.2結(jié)果與分析對關(guān)中平原西部LC剖面色度進行了高密度系統(tǒng)測量,所測色度值以及剖面其他環(huán)境替代指標(biāo)如圖1所示.2.1剖面紅度值的變化紅度值表現(xiàn)出系統(tǒng)性的剖面特征,從大到小的剖面層序為S0(6.3)>TS(5.7)>Lt(5.4)>L0(5.1)>L1(3.9),全新世中期發(fā)育的古土壤S0紅度值最大,波動變化于5.7~6.7之間,變化幅度為17.5%;全新世晚期形成的黃土層L0和早全新世形成的土壤Lt紅度值減小;末次冰期形成的黃土L1紅度值最低.剖面紅度的平均值5.4,變化范圍3.4~6.7,變化幅度達179%,明顯大于黃度值(29%)和亮度值(2.8%).與其他指標(biāo)相比,曲線波動更大,幅度更大,包含更多的環(huán)境信息.例如,過渡層Lt中約290cm深度處紅度值突然增大,一直持續(xù)到S0;在約120cm深度,即S0與L0的轉(zhuǎn)折處,紅度值驟減,而亮度值、磁化率、Rb/Sr比均表現(xiàn)逐步變化;在80cm處驟增,使80~40cm處紅度值出現(xiàn)一個較為明顯的峰值,而同相位處磁化率、Rb/Sr、亮度值變化均較紅度值和緩,CaCO3含量變化則非常明顯;在全新世大暖期S0中約190~220cm處,紅度、黃度值減小,亮度值、磁化率也表現(xiàn)出變化幅度相近、意義相似的變化,Rb/Sr比(增大)則在偏上處約180~200cm處表現(xiàn)出看似意義相反的變化,而CaCO3在整個S0階段均表現(xiàn)強烈淋溶,含量僅為0.03%~0.68%,看不出波動變化.而紅度、黃度值在190~220cm以上緊接著還有一個小的波動,其他指標(biāo)均沒有顯示.2.2黃土層的黃度值全剖面黃度平均值為24.0,變化幅度為29%.在剖面中,黃度值的變化順序為L0(25.6)>S0(24.6)=TS(24.6)>Lt(24.2)>L1(21.2).與紅度值不同的是,黃土層L0的黃度值大于古土壤S0.黃度值與紅度值變化曲線大致相同(除了L0中120~80cm處,二者變化相反),均與亮度值呈現(xiàn)大致相反的變化.2.3古土壤s0的色度值亮度值從小到大依次為:S0(56.8)<L0(59.6)<TS(60.3)<Lt(63.2)<L1(67.2),古土壤S0的亮度值最小,黃土層和過渡層大.從圖1各指標(biāo)變化曲線上看,亮度值變化趨勢和幅度均與磁化率、Rb/Sr比等比較接近,而且對于紅度指標(biāo)表現(xiàn)出的290~260cm、80~40cm處的陡然變化以及全新世大暖期中間約190~220cm的波動變化,亮度指標(biāo)都有明顯的反應(yīng).3討論3.1古土壤紅度與成土環(huán)境因素的關(guān)系表面上紅度和黃度是反映沉積物在特定條件下的顏色,實質(zhì)上是土壤內(nèi)在成分的反映.一般認(rèn)為,導(dǎo)致黃土古土壤顏色變化的主要根源是其中的鐵氧化物,特別是赤鐵礦和針鐵礦的含量變化.赤鐵礦和針鐵礦均為鐵磁性有色礦物,前者呈赤紅色,使沉積物顯示紅色,后者呈亮黃色,也使沉積物顯示明亮的黃色.Scheffer等發(fā)現(xiàn)只需1%的赤鐵礦就可使土壤變成紅色;Resende報道當(dāng)1%的赤鐵礦加人黃壤中時,黃壤的門氏色調(diào)值就從10YR變成5YR;Torrent等揭示赤鐵礦的含量與紅度率或紅度指數(shù)呈線性相關(guān),在人為混合的物質(zhì)中,相關(guān)系數(shù)R2達0.97,對歐洲和巴西土壤,R2分別達0.82和0.8.事實上,赤鐵礦和針鐵礦是土壤和沉積物中常見的風(fēng)化成壤產(chǎn)物,它們在土壤中的分布與成土氣候環(huán)境密切相關(guān).干燥溫暖的氧化環(huán)境有利于赤鐵礦的生成,而溫潤的環(huán)境有利針鐵礦的形成.這里的“干燥”是相對于針鐵礦形成環(huán)境而言,其實黃土古土壤中赤鐵礦的含量與氧化環(huán)境下的成壤強度正相關(guān),黃土→古土壤→紅黏土,溫度依次升高,成壤強度依次變強,赤鐵礦的含量也是依次增多.關(guān)中地區(qū)屬大陸性季風(fēng)氣候區(qū),雨熱同期,暖濕時期形成的古土壤中赤鐵礦和針鐵礦含量都應(yīng)該高于干冷時期的黃土.季峻峰等已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了這一規(guī)律.所以,氣溫越高,赤鐵礦含量也越高.已有學(xué)者證明,在暖濕尤其是濕熱的亞熱帶—熱帶條件下,紅度值的變化隨氣溫、降水的增加成指數(shù)增加.LC剖面古土壤S0紅度值最大,黃土層L0和早全新世形成的土壤Lt紅度值減小.紅度值也能指示剖面氣候的次級變化,例如,剖面290~260cm處紅度值陡然增大,80~40cm處出現(xiàn)一個次級峰值,190~220cm處紅度值出現(xiàn)次級低谷,120cm處驟減.其他替代指標(biāo)變化均不如紅度值明顯.紅度和黃度具有明確的氣候意義:紅度對氣候變化響應(yīng)敏感,有助于識別氣候的轉(zhuǎn)折和成壤程度弱的古土壤的存在;而紅度值在干冷的干旱—半干旱地區(qū)對氣候的反映不敏感,隨溫度和降水的急劇增加而緩慢增加.表明紅度值的敏感性可能存在一定的氣候局限性.黃度值的變化隨氣溫降水的增加成線性增加,LC剖面黃度值S0明顯高于黃土層L1,但是均值略低于L0,原因有待進一步研究.3.2caco3曲線形態(tài)及其與土壤質(zhì)量的關(guān)系在分析色度指標(biāo)與其他氣候替代指標(biāo)間的關(guān)系時發(fā)現(xiàn),亮度值與降水量的替代指標(biāo)CaCO3含量、Rb/Sr比的關(guān)系極為密切,R2分別為0.8566和0.8885(達極顯著負(fù)相關(guān)P<0.001).無獨有偶,彭淑貞等在研究西峰晚第三紀(jì)紅土?xí)r發(fā)現(xiàn),紅土的亮度值對碳酸鹽含量有較強的指示意義,兩者在隨深度變化的趨勢及幅度上均有較好的可對比性.CaCO3含量在整個全新世大暖期都非常低,基本上全部淋溶,幾乎是直線變化,所以很難比較亮度與CaCO3的曲線形態(tài),但發(fā)現(xiàn)在CaCO3淀積的層位約370~290cm,亮度值與CaCO3含量的變化形態(tài)幾乎完全一致.可見,CaCO3含量是使土壤顏色變亮的重要影響因素.土壤亮度還受到土壤粗糙度、濕度等的影響,在前期處理時統(tǒng)一烘干和研磨已經(jīng)將這種影響最小化.土壤有機質(zhì)是使土壤顏色變暗的決定性因素.研究發(fā)現(xiàn)土壤門氏色系的亮度與有機質(zhì)或有機碳的含量呈線性相關(guān),相關(guān)系數(shù)隨不同地區(qū)的土壤發(fā)育而變化,最高可達0.9以上.Gunal等認(rèn)為土壤亮度L*對A層土壤有機質(zhì)含量有很好的指示意義(達極顯著正相關(guān)P<0.001).一般情況下,土壤中有機質(zhì)的累積強度隨著區(qū)域降水量的增加而加強.而CaCO3的含量及其淀積深度的變化,同樣與區(qū)域年降水量緊密相關(guān).可以初步判定,亮度值主要反映了區(qū)域年降水量的多少.在190~220cm處,亮度值有個小峰,意味著此處可能存在一個降水量減少的時期,但在CaCO3曲線上未能體現(xiàn)出來,可能有以下原因:一是當(dāng)時降水量可能有所減少,但是降水量仍然較大,可使土壤中的CaCO3發(fā)生強烈的淋溶;二是后期的降水量很大,仍然可以使位于其下的CaCO3再次發(fā)生淋溶,在較深處發(fā)生淀積.3.3各各氣候替代指標(biāo)間的相關(guān)分析LC剖面色度值L*、a*、b*均表現(xiàn)出明顯的系統(tǒng)性變化,黃土層(L0、L1)表現(xiàn)出較高亮度和較低的紅度、黃度,古土壤(S0)相反.這與磁化率(黃土低、古土壤高)、CaCO3(黃土高、古土壤低)、Rb/Sr比(黃土低、古土壤高)等常用指標(biāo)所反映的意義基本相符(詳見圖1),且各氣候替代指標(biāo)的峰谷基本對應(yīng),具有很強的可比性.為了更加精確地分析它們之間的關(guān)系,對色度各指標(biāo)與其他各氣候替代指標(biāo)進行相關(guān)分析,結(jié)果有很好的相關(guān)性,R2=0.42~0.88(P<0.001),均達到極顯著相關(guān).亮度與磁化率、CaCO3和Rb/Sr相關(guān)性最好,決定系數(shù)(R2)分別為0.85、0.88和0.88;其次為紅度指標(biāo),R2分別為0.64、0.84和0.73;黃度值與各環(huán)境指標(biāo)間的關(guān)系最差,R2分別為0.45、0.79和0.42.再次說明,色度指標(biāo)可與磁化率、CaCO3含量和Rb/Sr氣候替代指標(biāo)進行良好的對比.色度三個指標(biāo)中,亮度指標(biāo)從幅度和趨勢上與其他替代指標(biāo)的對比性均較好,紅度指標(biāo)對氣候的敏感性體現(xiàn)在氣候的轉(zhuǎn)折點和弱古土壤的識別,在變化幅度上不能進行很好的對比.紅度指標(biāo)與其他替代指標(biāo)的偏離程度均大于亮度指標(biāo),黃度指標(biāo)無論從地層對比還是數(shù)值分析上,都屬三個指標(biāo)中對氣候響應(yīng)最差的一個.3.4氣候變化的表現(xiàn)全新世早期(11500~8500aB.P.),亮度值高(降低趨勢),紅度、黃度值低(升高趨勢),表明此時氣候較為干燥,氣溫回升,生物風(fēng)化和地球化學(xué)風(fēng)化較弱,成壤強度弱,有機質(zhì)少,有較少的氧化鐵次生礦物(赤鐵礦)形成.這可由磁化率低(逐漸升高)、CaCO3含量高(逐漸降低)、Rb/Sr低(逐漸變大)得到很好的驗證.在290~260cm深度處,紅度、黃度突然增大,亮度值明顯減小,CaCO3含量相應(yīng)驟減,磁化率和Rb/Sr比則表現(xiàn)出相應(yīng)變化,但變化更為和緩.這也說明色度指標(biāo)對氣候變化反映的靈敏度高.在全新世中期(8500~3100aB.P.),紅度值最大,亮度值最小.全球氣候進入大暖期,東南季風(fēng)長期控制黃土高原,氣候普遍溫暖濕潤,強烈的生物風(fēng)化成土作用,磁化率、Rb/Sr也出現(xiàn)峰值,CaCO3淋溶最為強烈;然而,在大暖期中間,約190~220cm,出現(xiàn)紅度和黃度值變小、亮度值變大的波動.磁化率此處也呈現(xiàn)明顯的小谷,呈現(xiàn)與色度指標(biāo)表現(xiàn)出環(huán)境意義相似的變化,Rb/Sr比(增大)則在偏上處約180~200cm處表現(xiàn)出看似意義相反的變化.而CaCO3在整個S0階段均表現(xiàn)強烈淋溶,含量僅為0.03%~0.68%.說明此處氣候確實存在波動.前人研究發(fā)現(xiàn)所謂的“全新世大暖期”也不是一個穩(wěn)定連續(xù)的溫暖濕潤期,其間存在若干次較強的干旱和沙塵暴堆積期;但到底是何種意義的變化,以及變化程度還有待進一步研究.距今3100多年前進入全新世晚期,紅度值在剖面約120cm處S0與黃土L0界面驟減,表明東亞季風(fēng)格局發(fā)生突變,西北季風(fēng)勢力增強,黃土高原從此進入一個相對干旱少雨時期,這與以前的研究結(jié)論一致.其他環(huán)境替代指標(biāo)也不同程度地反