2018, Vol.38
2 中国地质大学(武汉)医院, 湖北 武汉 430074)
石笋作为重要的古气候载体，其分辨率高、定年准确以及记录连续等优势奠定了在古气候重建中的重要地位。近年来，石笋碳氧同位素[1~7]、微量元素[8~10]、包裹体[11~16]、微层厚度[17~18]以及灰度[19~24]等替代指标在石笋古气候重建中发挥了重要作用，并且取得了令人瞩目的成果。然而由于石笋在生长过程中会受到温度和降水共同作用影响[25~26]，很难单独分离出某一个环境因子，导致石笋指标的指示意义解读上仍存在的很大的不确定性[27]。因此，构筑新的石笋指标对石笋进行综合解读、实现古气候的定量解译，将对石笋古气候研究具有积极的促进作用。
石笋的颜色作为石笋表面最明显的特征之一，其变化与气候存在内在联系，因而表征石笋颜色的灰度常常被用于古气候变化的研究。例如，刘东生等[28]认为石笋微层灰度响应气候的周期性变化；Baker等[29]利用光谱仪测量石笋反光面得到石笋荧光强度并重建了2500年以来的古湿度；秦小光等[19]认为北京石花洞石笋灰度响应了当地夏季温度的变化；张德忠等[22]发现万象洞石笋的灰度与密度记录了17.6~18.2 ka B. P.亚洲季风强度。然而，石笋灰度与气候之间的关系尚不完全清楚，它们之间的联系也有待进一步调查。刘启明等[20]总结了石笋灰度的影响因素，认为变化受有机质和粘土矿物(如Cu2+为蓝色、Fe3+为红色)影响；Baker和Genty[30]认为石笋灰度受地表植被的影响。最近，杨勋林等[21]对湖北仙女山人工隧洞的共9年的现代石笋分析发现，石笋灰度与降水和温度有相同的变化趋势，但不能区分两者中孰为主导因素，无法建立灰度与气候参数之间的定量校验关系式。
本研究中，我们在灰度研究的基础上，通过改良色度的表征方法，最大程度上消除由于样品表面光洁度差异带来的测定误差[31]，获取公元1886~1993年石笋的色度R/B比值，探讨其控制因素及其对气候的响应。
1 材料与方法 1.1 石笋样品本研究使用的样品来源于湖北省长阳土家族自治县渔峡口镇招徕河村清江南岸的和尚洞(30°27′N，110°25′E；海拔294 m)。该洞穴处于中国亚热带季风区内，区域夏季湿润温暖(降水约200 mm/月、温度约28 ℃)，冬季干燥寒冷(降水小于50 mm/月、温度低于10 ℃)。已有的研究[2, 32]发现，当地气候的季节性变化会被和尚洞石笋记录下来，形成了和尚洞石笋独特的年层结构；刘浴辉等[18]证实了和尚洞石笋的生长速率快、年层韵律明显并且无沉积缺失，这为石笋色度的年代框架的精确构建提供了可能。
本研究所使用的石笋样品取自于HS4的顶部，长6.1 cm，为最近100余年沉积形成的。由于石笋样品在采集时仍存在滴水和碳酸盐的沉积，可以认定最顶部的年层为公元2000年的沉积[32~33]，但是由于最顶部和最底部在扫描过程中出现漏光而影响色度数据的提取，因而本研究只获得1886~1993 A.D.的年层数据，共108层。
1.2 石笋色度的提取长条状石笋样品经过打磨和抛光后，采用惠普SCANJET 8270扫描仪进行4800 dpi高分辨率扫描，得到石笋RGB图像并进行石笋年层的标定；然后利用数字图像处理软件ENVI 5.1中的Display-Profiles-Vertical、Arbitrary工具对样品图像进行一根线段上的色度值的提取，得到HS4石笋色度深度-RGB矩阵。为了避免偶然性和石笋剖面中大空洞的影响，我们逐一提取了石笋剖面5根线段(图 1a)的RGB数值，分别建立R、G和B的石笋深度序列(图 1b)，并计算R/B比值。在保证同一年层的前提下，对5个序列的R/B比值进行算术平均，获得石笋色度R/B平均值及其标准偏差(图 1c)。
1.3 石笋空洞分布的统计和X射线扫描为了调查石笋色度对气候变化的响应机制，我们分别用显微镜和X射线两种方法对HS4顶部石笋的空洞分布进行了统计分析。一方面，我们使用东芝数字化X线摄像系统(DR)提取了同一样品的X光图像(仪器参数为46 kV、200 mA、0.04 mAs)，用于反映石笋的孔隙度。石笋疏松，孔隙度大，X光透射率高，图像偏暗，反之亦然；另一方面，我们将每一个年层的石笋表面的空洞面积进行了统计，获取该年层的空洞面积。将空洞面积除以该层的总面积，获取空洞占有比例，并记为空洞度。空洞度越高，表示空洞面积占比越大，空洞越多，石笋相对疏松。
2 结果HS4石笋色度值R(红)、G(绿)、B(蓝)结果如图 1b。由于5个序列显示相似的RGB变化特征，因而图 1b只展示红色线段提取的色度数据。最近100多年，R、G和B的色度平均值分别为231.1、216.0和186.6；最大值分别为249 (1.89 cm，距离顶部，下同)、240 (2.05 cm)和220 (2.05 cm)；最小值分别为188 (0.21 cm)、153 (0.21 cm)和118 (3.76 cm)。整体上，R、G、B这3种色度具有相同的变化趋势，并且大致呈现出R> G>B的基本特征。当线段经过较暗位置时，R、G、B值同时变低；当线段经过较亮位置时，三者同时增高。
由于石笋样品物性(表面光洁程度和矿物结晶状况等)差异会对石笋色度的提取造成干扰，通过两种或者两种以上同一光源不同波长的色度值的比值可以消除石笋样品物性差异的影响[31]。基于该认识，我们利用两种色度的比值R/B来消除石笋样品表面差异的干扰，减小分析数据的测量误差。尽管R/B和R/G具有相同的变化，但本研究中我们选择R/B而非R/G，是因为R与B的差值较大，R/B的变化更加明显，能够更清晰地反应石笋色度的变化。
HS4石笋色度R/B比值(图 1c和2b)总体上呈现出低—高—低的波动变化特征，与R、G、B的变化呈现负相关关系。HS4顶部6.0 cm的色度R/B平均值为1.21，最高值(1.40)出现在2.5 cm处。0~2.4 cm段色度R/B平均值为1.20，最高值(1.26)出现在1.8 cm处；2.4~4.6 cm段色度R/B平均值为1.28，最高值(1.40)出现在2.5 cm处；4.6~6.0 cm处色度R/B平均值为1.20，最高值(1.20)出现在5 cm处。
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图 1 HS4年层石笋图像(a)、RGB三原色图(b)和色度R/B平均值及其标准偏差(c) (a)中红色线条表示为(b)中RGB三原色提取的位置；4条虚线提取的RGB数据在图中没有展示，但用于计算(c)中R/B的平均值 Fig. 1 Imageof the laminae of HS4 stalagmite (a), RGB colour value(b) and meanR/Bwith standard deviation (c). The red line in(a) show where RGB value(b) are form, and data from the 4 dotted lines in(a) are not show but be used to calculate the meanR/Bvalue showed in (c) |
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图 2 HS4石笋图像(a)、色度R/B (b)、X光透射图(c)和空洞度(d)的对比图 Fig. 2 Thecomparison of colour image (a), colour R/B (b), X-ray scan image(c) and the porosity(d) from stalagmite HS4 |
RGB色彩模式以波长700.0 nm的红光(R)、546.1 nm的绿光(G)和435.8 nm的蓝光(B)为基准色，是通过对R、G、B这3个颜色通道的变化以及它们相互之间的亮度数值叠加来得到各式各样的颜色的。这个标准几乎包括了人类视力所能感知的所有颜色，是目前运用最广的颜色系统之一。在RGB模式下，每种RGB成分的亮度都可使用从0(深)到255(浅)的值。当所有3种成分值相等时，产生灰色阴影，介于纯白色(R、G和B的值均为255)和纯黑色(R、G和B均为0)之间。然而，当R、G和B的值不同时，不等值的混合改变物体的颜色，显示出不同色彩。G和B值低，而R值高时，物体显红色；同样，R和G值低而B值高，物体显蓝色，以此类推。
RGB色彩的变化本质上反映了物质组成的变化。以石笋碳酸盐为例，纯碳酸钙为白色，R、G和B均接近255；一旦某些外来物质掺入，其色彩随即发生改变。石笋中常见的外来物质包括有机质(富里酸和胡敏酸)和粘土矿物(如铁锰氧化物等)，它们对短波辐射(如蓝光)的吸收比长波辐射(如红光)显著，即B的降低幅度比R大，R/B上升。所以，R/B比值代表了石笋碳酸盐中掺杂的程度。为此，我们定义R/B为色度，表示石笋碳酸盐对短波和长波辐射吸收的差异。与灰度相比，R/B比值对石笋中杂质的指示更具有针对性。根据灰度与RGB的关系式，Gray=R×0.299+G×0.587+B×0.114，灰度是R、G和B的加权平均值。R、G和B三者均能引起灰度的变化，因而灰度缺乏不同波长辐射吸收差异的辨别功能，对碳酸盐掺杂物质的定量能力相对较弱。例如，当石笋中掺入炭削(黑色，R、G和B接近0)，灰度明显下降；但是由于R和B同时下降，R/B可保持不变。
3.2 石笋色度R/B比值的变化与石笋碳酸盐形貌特征现有研究认为[19~20]，石笋灰度主要与石笋碳酸盐中的有机质(富里酸和腐殖酸等)和粘土矿物含量有关。气候变化，尤其是温度变化，会通过影响植物根部释放的腐殖质酸和土壤微生物的降解作用[30, 34]，改变有色的有机化合物生产效率，或者通过风化作用促进/减缓粘土矿物(如铁锰氧化物等)的形成，最终影响石笋碳酸盐中杂质的含量，导致灰度的变化，即气候控制下的有色物质的生产和搬运是石笋灰度的主要控制因素。但是，沉积过程是否影响石笋碳酸盐对杂质捕获尚不清楚。
为了表征石笋的形貌特征，我们对研究样品进行了X射线扫描，获取X光的透射图像(图 2c)，同时对样品表面进行空洞的统计，结果如图 2d。石笋表面空洞度、X光透射图像和石笋色度R/B值的比对发现，三者整体上具有相似的变化模式。当R/B色度值高时，石笋表面空洞增多，对应于X光透射图像中密度低(孔隙多)的部位，说明了石笋碳酸盐晶体生长和形貌特征也是影响石笋色度的一个重要因素。因而，探究色度与气候的关系时，需要综合考虑致色物质的生产、搬运和捕获等过程。
3.3 石笋色度R/B比值与宜昌降水和温度的关系为了调查色度R/B比值变化对气候的响应，我们将石笋色度R/B比值与当地气象站(湖北宜昌气象站)的降水和温度记录做了对比，结果见图 3。
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图 3 宜昌降水(a)、温度(b)与HS4石笋色度R/B (c)对比图 Fig. 3 Therelationship between precipitation(a), temperature(b) in Yichang and colour R/B(c) of HS4 stalagmite |
线性回归分析(图 4)表明，石笋色度R/B比值与宜昌年总降水量(1883~2000年，因日本侵华战争而缺失1938~1946年观测数据)之间缺乏相关性(r=- 0.0641，n=99)，但与温度(1924~2000年)呈现显著的相关关系(r=0.6586，n=71，p＜0.01)，两者的关系方程式为：R/B=0.0675×T+0.0185。当温度升高1 ℃，色度R/B比值上升25.14 %，说明色度R/B比值灵敏地响应了外界温度的变化。那么，温度是如何影响和尚洞石笋的色度呢？
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图 4 石笋色度R/B与宜昌降水量(a)和温度(b)的相关性统计图 Fig. 4 Correlationof colourR/Bwith precipitation in Yichang(a) and temperature (b) |
温度和色度R/B比值之间的联系桥梁是石笋中有色物质，而石笋中有色物质的量与气候控制下的生产、搬运和沉积有关。一方面，温度升高加强了植被和微生物活动以及土壤的化学风化，促进了有色有机化合物和有色粘土矿物(铁锰氧化物等)的生产，提高了输入洞穴的物质通量，石笋沉积时捕获的物质也就相应地增加；另一方面，温度上升，方解石沉积加速[35]，容易引起晶体生长缺陷而导致石笋结构疏松[15]，空洞增加；增加的空洞提高了碳酸盐对有机质和粘土矿物的吸附能力，进入石笋的有色物质增加。可见，增温不但提高了有色物质的供给能力，而且改进了石笋碳酸盐对它们的捕获效率，两者的共同作用使石笋中有色物质的含量得到大幅提高。石笋中有色物质的增加加强了短波辐射的吸收，显著地降低了B值，色度R/B也随之提高。因此，有色物质生产、输送和储存过程的叠加作用，使色度R/B比值灵敏地响应外界温度的变化，是一个理想的古温度指标。
3.4 石笋色度R/B比值重建温度的可靠性检验1924年以来石笋色度(R/B)与宜昌温度呈现良好的相关关系(图 3和图 4b)，两者之间的高相关关系能否在更长时间得到保持，关系到色度(R/B)作为古温度指标的可靠性和适应性，需要独立的验证。为此，我们利用R/B-T的关系式，将色度R/B比值转换成绝对温度，建立1886~1993年的温度变化曲线，并与王绍武等[36]通过结合观测记录、冰芯、树轮及有关史料重建的华中地区1880~1996年的温度变化进行对比，结果如图 5。我们发现，即使是1924年以前(图 5中阴影)石笋重建的温度也与区域气温高度吻合，呈现出变化模式相似，幅度相等的特征。线性回归发现，在年代时间尺度上，两个温度序列的相关系数r=0.9062(n=11，p＜0.01)。因而，年层石笋色度R/B比值作为一个新的古温度指标，有望在年际-年代际时间尺度上的气候定量重建获得推广应用。
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图 5 石笋重建的宜昌年代际温度(a)与华中地区[36]的温度序列(b)对比图 Fig. 5 Thecomparison of the Yichang stalagmite-based temperature(a) and the temperature record(b) of Central China[36] in decadal time scale |
利用湖北清江和尚洞最近百年沉积的年层石笋，在年代精确构建的基础上，通过读取扫描图像的RGB值，提出色度R/B比值作为古温度的替代指标。将石笋色度与样品的空洞度、X光透射图像和当地器测气候记录做出对比，探讨了石笋色度变化及其与气候的关联。研究发现：
(1) 石笋色度R/B比值与空洞度和X光透射图像具有相似的变化模式，色度值高时，空洞度大，对应X光透射图像中空隙多的位置，说明除了物质组成以外，晶体生长特征也会影响色度及其R/B比值。
(2) HS4石笋色度R/B比值与宜昌地区器测气候记录对比发现，色度R/B比值与当地降水相关性差(r=- 0.0641，n=99)，但与温度呈现较好的相关性(r=0.6586，n=71，p＜0.01)，说明色度R/B比值主要响应当地温度的变化。温度高时，植物根部和土壤中微生物作用和岩石化学风化作用加强，土壤和滴水有机质含量增加，铁锰氧化物和有色有机质输送加强，通量增加；与此同时，方解石晶体生长快速，空洞增多，捕获滴水中有色物质能力提高；物质输送和储存过程共同作用下，石笋中有色物质的含量升高。由于石笋中常见的有色物质吸收短波辐射的能力大于长波辐射，因而色度R/B比值增大。石笋生长过程中物质的供应及其富集导致石笋色度R/B比值灵敏地响应当地气温的变化，是一个理想的古温度替代指标。
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2 University Hospital, China University of Geosciences(Wuhan), Wuhan 430074, Hubei)
Abstract
Stalagmites have been widely used in paleoclimate reconstruction, although climatic interpretations remain uncertain, partly due to the many different ways in which proxy records can be understood. Colour within stalagmites has variably been interpreted to represent organic matter content related to either biological processes, climate characteristics and vegetation composition, but little attention has been paid to in-cave effects during speleothem growth. Here we present a dataset of laminae colour and porosity derived at annual resolution from stalagmite (HS4), Heshang cave (30°27'N, 110°25'E; 294 m a.s.l.), Qing River valley, Hubei Province, Central China. Records of temperature and precipitation amount collected at local meteorological observation station (Yichang)are used to understand the correlation between climate, organic matter production and the colour intensity of individual laminae.To extract information on speleothem colour intensity, the stalagmite profile was imaged using an HP SCANJET 8270 scanner in high-resolution mode. The colour value was extracted by ENVI 5.1 digital image software at seasonal resolution. We propose a colour proxy using R/B rather than the grey-scale value commonly used in speleothem studies, as this provides a more quantitative record of colour intensity, thus reducing the uncertainty of climatic interpretation. The porosity of the speleothem calcite was determined using two methods. The voids in each layer of the stalagmite surface were counted directly under a typical conventional microscope; and the porosity of the stalagmite was determined using a Toshiba digital X-ray camera system (DR).The increase of chromogenic substances in stalagmites increased the absorption of short-wave radiation, significantly reducing the B value and increasing the colour R/B. Statistical analysis of the precipitation and temperature records show that R/B colour intensity has no correlation with precipitation amount (r=-0.0641, n=99), but a significant correlation with atmospheric temperature (r=0.6586, n=71, p < 0.01). A similar pattern of variation between porosity and R/B colour exists, suggesting crystal growth mechanisms may also play a role in determining colour characteristics of speleothem calcite.Two processes are suggested to drive the temperature dependency of colour intensity. Firstly, increased temperatures will enhance chemical weathering and microbiological activity in the soil. This will provide abundant iron/manganese oxides and organic matter (such as Humic matter)in the drip waters, subsequently incorporated into the speleothem calcite. Secondly, temperature is known to affect the growth kinetics of speleothem calcite, with higher temperatures increasing the abundance of crystal defect sites and porosity. Both crystal defects and porosity enhance the entrapment of chromogenic substances. We therefore argue the sensitive response of stalagmite R/B values to temperature is due to both the combined effects of soil production above the cave and incorporation into calcite at the point of speleothem growth.