0 引言

土壤颜色是土壤最显著的特性之一, 反映了土壤在可见光波段的反射光谱特征，是其成分和结构的外在表现，不仅能够反映土壤发育的强度, 而且可以反映土壤的沉积环境^[1]。土壤颜色的空间变化其实质是受到气候要素的控制，而土壤颜色的垂直剖面变化就具有一定的气候指示意义。由于沉积物的颜色主要是对矿物组成及其特征的反映，而自然风化与成壤作用往往会引起沉积物物质成分的变化。因此，沉积物颜色的变化能够反映当时气候变化的信息，可以作为地层对比、沉积环境气候的替代指标^[2-5]。

自20世纪60年代以来，沉积物色度指标在古气候研究方面逐渐得到应用并广泛发展^[6-15]，其作为气候替代指标在第四纪长时间尺度研究中已得到验证，具有一定的气候敏感性。在对夏季风演化的过程研究中，方小敏等^[16]将土壤色度作为夏季风的代替性指标，效果良好；杨胜利等^[5]的研究表明现代气候因子对土壤的颜色和成土过程有一定的影响，且在磁化率不能很好地指示成土过程和气候意义时，色度指标可以很好地弥补这一缺陷；陈一萌等^[17]认为土壤色度指标所记录的气候变化过程在长时间序列尺度上是可信的，而且这种可靠程度在末次冰期以来表现得尤为显著。宋春晖等^[13]发现利用沉积物颜色的变化可以很好地重建黄土—古土壤的冷暖旋回过程。前人的研究结果表明，色度作为气候的代用指标在黄土沉积物中是能够指示气候变化特征的。

此外, 在中国黄土—古土壤序列研究中, 许多相对成熟的古气候替代指标在揭示古环境演变和成壤环境变化方面都发挥了积极的作用, 例如磁化率、碳酸盐含量等；作为黄土研究中的一个重要气候代用指标，在黄土高原地区, 影响磁化率变化的重要因素是成壤作用, 其值主要指示区域干湿冷暖的古气候条件。磁化率值越高, 表明气候越暖湿, 反之则越干冷^[18]。而在受西风环流影响下的中亚地区，磁化率形成机制相对复杂。贾佳等^[19-20]和夏敦胜等^[21]通过对伊犁河谷典型的黄土剖面进行磁学特征的研究，指出该地区地层的成壤强度与细颗粒磁性矿物呈正相关，而且物源对本地区的磁学性质有很大的影响。叶玮^[22]及史正涛等^[23]在伊犁盆地的黄土研究中，发现剖面黄土磁化率在不同地区、不同海拔都表现出不尽相同的特征。中亚黄土磁学的研究表明该地区磁化率增强不仅受到物源与原生磁性矿物的影响，而且与当地的气候环境和地质背景有关，成因比较复杂。因此，在磁化率等这些常用替代指标在揭示环境变化和成土过程受限的情况下，色度指标的出现具有很好的互补作用，在古气候变化研究中前景广泛。但影响色度的因素在各种沉积环境中又各不相同，同一种沉积物中由于区域条件差异，所形成的色度值也不尽相同。在利用色度作为环境替代指标时，就有必要对色度的变化特征及影响因素进行研究。

鉴于此，本文对中国境内东帕米尔地区奥依塔克(AYTK)黄土—古土壤序列的色度进行定量研究，结合磁化率、CaCO₃(%)和TOC等环境指标进行综合对比分析，揭示该区黄土色度的变化规律及其古气候意义，为地处西风区的中国境内帕米尔地区古气候环境变化的研究提供重要依据。

1 研究剖面概况

帕米尔介于70°~77°30′E, 36°30′~41°N之间, 地处中亚东南部，中国新疆西南部；横跨中国、阿富汗和塔吉克斯坦三个国家, 是亚洲主要山脉喜马拉雅山、喀喇昆仑山、天山、兴度库什山和昆仑山的汇集处^[24]。平均海拔在4 000 m以上，最高峰公格尔峰海拔7 719 m。该区地势由中央向东、西、南三面逐渐降低，北、西、东缘气候相对湿润，内部干旱，全年主要受西风带的控制，属于典型的大陆性气候。中国境内的帕米尔又称为东帕米尔，该地区年均温为3.53 ℃，年均降水量74.39 mm，且大都集中在夏季^[25]。

研究区奥依塔克(AYTK)黄土剖面(图 1)毗邻中国新疆西面喀什边界，具体地理位置为38°58′46.3″N, 75°27′47.5″E, 海拔2 009.7 m。以2 cm为间隔选取剖面上部6 m的黄土沉积为研究对象, 共计样品300个。目前尚未对AYTK剖面进行详细的断代定年研究, 其年代框架和层位划分是根据前人已有的成果^[26]，以及野外土壤颜色观测加上不同气候代用指标的对比分析而获得。具体方法：将剖面磁化率和红度a^*的垂向变化与氧同位素曲线^[27]进行对比来获得AYTK剖面的沉积年龄和层位。剖面描述和地层划分详见表 1和图 2。

2 实验方法

目前对样品分别进行了色度、磁化率、CaCO₃(%)和有机碳(TOC)指标的测试。色度指标用X-Rite948型分光色度计进行测量，测试参数为CIE D₆₅标准光源(色温为6 500 K)，观察视野为10°，孔径为8 mm^[28]。样品前处理和测试简要流程如下：1)用玛瑙研钵将烘干的样品碾磨，并用200目的筛子过筛；2)使用标准校正白板(CR-A74白色校正版，标准偏差＜0.5%，色差＜0.25CIELAB DE*)对仪器进行颜色系统校正；3)取2~3 g样品放置于玻璃板上压实、压平至无褶皱，但勿用力过度导致样品颗粒结构被破坏；4)在背景光源恒定的条件下，随机选择三个表面平整的区域测试三次，仪器自动求出三次测量的a^*、b^*、L^*平均值。磁化率采用MS2型磁化率仪, 对每个样品各测试三次，取其平均值^[29]；最后计算出百分频率磁化率(χ_fd %=(χ_lf －χ_hf)/χ_lf×100%)。CaCO₃(%)含量采用气量法^[30]。有机碳(TOC)通过重铬酸钾—硫酸滴定法来获取^[31]。详细的测试流程可见各参考文献，以上样品的测试工作均在兰州大学资源环境学院综合地化实验室完成。

3 结果

实验结果如图 3所示。整个剖面亮度L^*的平均值为57.26，变化范围52.50~64.42，变化幅度22.70%，剖面自上而下呈现出亮度L^*逐渐增大的趋势。其中黄土层L1的L^*值最低，平均值54.84，变化范围在52.57~57.69之间；在古土壤S₀和S₁中，亮度L^*的平均值分别为56.92和56.33；剖面层位整体上亮度L^*由大到小依次为：S₀＞S₁＞L₁。

红度a^*在整个剖面中变化特征明显，其值在4.94~8.56之间，平均值6.32，变化幅度为73.28%, 明显大于亮度L^*。不同地层单元的a^*值变化差异明显：其峰值出现在黄土层L1，且在整个黄土层L1中a^*由剖面自下而上呈现逐渐增大的趋势, 曲线波动大, 变化范围为5.91~8.56，平均值6.98，变化幅度44.84%；相比之下, 古土壤层S1则较低，曲线波动平缓, 变化幅度不大, 平均值为6.10；古土壤S₀的a^*值平均值在整个剖面最高，为7.09，变化幅度49.14%；a^*值在剖面上从大到小依次为：S₀＞L₁＞S₁，整体表现出逐渐减小的趋势。相比于亮度L^*和黄度b^*，剖面a^*值变化幅度最大，对环境变化响应也更为敏感，可能包含了更多的古环境信息^[28]。

相比于a^*来说，帕米尔AYTK剖面黄度b^*值变化幅度较小，仅为28.33%, 其值介于16.87~21.65之间。最大值出现在黄土层L₁中，曲线整体变化与a^*相似, 均与亮度曲线呈现大致相反的变化趋势。

其他气候代用指标的变化特征如图 3所示：帕米尔AYTK剖面低频质量磁化率的变化范围在13.54~ 36.71× 10^-8 m³·kg^-1之间，平均值为26.72×10^-8 m³·kg^-1；碳酸钙百分含量平均值15.49%，变化范围在9.38%~23.66%之间, 但剖面各层位之间整个曲线波动不明显, 呈现出“高频低幅”的变化特征；TOC有机质含量较少，平均含量仅为0.81 g·kg^-1，显示出整个剖面的TOC含量较低；其中最大值3.33 g·kg^-1出现在4.76 m处，最小值在5.02 m处，其值仅为0.11 g·kg^-1。

4 讨论

黄土沉积物在地质历史时期由于受到当时气候和环境的影响，其风化成壤强度在各个阶段不同，从而使沉积物的原始物质在一定程度上发生改变，如碳酸盐的沉积和淋溶、铁氧化物的转化、有机质的产生与分解等等，进而使黄土剖面在外观上发生颜色的变化^[32]。

4.1 亮度L^*的意义

沉积物的粗糙度、湿度、有机质含量和碳酸盐含量等都会影响L^*的变化^[8]，在实验前处理阶段已将粗糙度和湿度通过物理方法使其影响降至最小。前人普遍认为黄土中碳酸盐矿物的存在对L^*具有促进增强作用，而有机质则相反^[8]，同时颜色分量a^*、b^*对L^*也有一定的影响^[28]。鉴于此，现对亮度L^*分别与碳酸钙、有机质含量以及a^*、b^*做相关性分析(图 4)。

结果显示亮度L^*与碳酸钙百分含量的相关系数R²在不同地层表现有所不同，由大到小依次是：S₀＞L₁＞S₁，其R²值分别为0.329、0.065和0.010(图 4a)，但整体都不大；与有机质含量的相关系数在各个层位中也都很小(图 4b), 和a^*、b^*的相关系数分别为0.551、0.637(图 4c和d)。帕米尔AYTK剖面碳酸钙百分含量平均值为15.49%，高于黄土高原地区，但各个层位碳酸钙百分含量与L^*值并未表现出明显的相关性，预示着该地区碳酸盐对L^*贡献不大，这与苗运法等^[33]对西北地区现代沉积物的研究结果相似。在黄土高原地区，CaCO₃含量的变化对区域的湿度状况具有一定的指示意义：在气候条件好，成土过程强的土壤发育时期，由于区域内降水增多，湿度高而发生淋溶作用，使地层中CaCO₃含量降低；相反，较低的土壤湿度使残酸盐在原地保留，从而使该层位表现为高值^[34]。但我们的研究结果显示在帕米尔地区亮度L^*与CaCO₃含量并未有明显的因果关系；某些层位存在黄土层中碳酸盐含量高的特征(如L2)，而某些层位存在古土壤层中碳酸盐含量高的特征(如S0)，变化特征比较复杂。另据陈杰等^[24]人对帕米尔地区磁化率变化特征的研究中发现，该地区主要是以原生的砂粒沉积物为主，成壤作用比较微弱，未经过长期的气候作用，CaCO₃含量更多的可能来自于源区携带而来的原生碳酸盐物质，而受气候与成壤作用较大的次生碳酸盐却相对较少。在干旱的高亚洲地区，Zan et al.^[35]也发现碳酸钙与砂粒级的含量呈现出一定的负相关关系，这都与黄土高原地区明显不同。加上地处极端干旱气候条件下的帕米尔高原，研究区年均降水量少，由降水增多而导致的淋溶作用鲜有发生。因此，在黄土高原地区碳酸盐含量与气候条件的这种关系在AYTK剖面并不适用，用碳酸盐百分含量来指示亮度L^*的变化在该地区有一定的局限性。

黄土沉积物中有机质是一定生物和气候环境下的产物，在一定条件下，可反映地表植被的发育状态和生物量的大小，而这都与降水量的多少有直接关系。在气候湿润且降水量多时，植被生长茂盛，有利于有机质的产生和积累；而在气候寒冷干燥且降水量少的时期，植被稀疏，不利于有机质的产生和积累^[36]。分析L^*与TOC含量之间的关系发现帕米尔地区有机质平均含量仅0.81 g·kg^-1，整个剖面的TOC含量较低，并且变化基本没有超过一个数量级；与L^*整体相关系数仅为0.019，在各个层位中的相关性也较低。如此小幅度的变化和微弱的相关性难以引起亮度L^*的改变，有机质含量的变化对亮度L^*贡献微弱。处于极端干旱气候条件下的帕米尔地区，年降水量少，土壤的化学风化作用较弱，植被覆盖度低，这样的气候环境不利于有机质的产生和积累，从而使该地区的TOC含量整体都处于一个较低的水平。而在与a^*、b^*的相关性分析结果中，我们发现a^*、b^*的变化对亮度L^*的影响程度最大：L^*与a^*、b^*呈明显的负相关关系，且相关系数达到0.551和0.637，成为影响L^*的主要因素。

综上所述，亮度L^*与碳酸钙百分含量相关性微弱，有机质由于整体含量偏小，对L^*贡献较小；亮度L^*的相关系数很大程度上受红度a^*和黄度b^*颜色分量的影响，a^*、b^*成为影响亮度L^*的主因，进而可能与影响a^*和b^*的物质相对含量有关。亮度L^*所指示的古环境意义也有待进一步研究。

4.2 红度a^*和黄度b^*的意义

前人的研究结果表明，在排除水分影响的情况下，沉积物中铁氧化物的种类和含量(赤铁矿和针铁矿百分含量的变化)是引起颜色分量a^*、b^*发生变化的主因^{[6, 8, 37]}，而碳酸盐和有机质的变化对a^*、b^*影响较小^[8]。本文将a^*、b^*分别同碳酸钙、有机质做相关性分析后(图 5)，得出与前人相同的结论：认为在帕米尔地区碳酸盐和有机质对土壤的a^*、b^*变化影响微弱。在风化成壤过程中，大量易淋溶及易分解的矿物和组分发生淋失，黄土中的Fe作为一种不易迁移的元素往往难以发生明显的迁移，但其形态和价态却容易随着沉积环境的不同而发生转变，多以铁氧化物(如赤铁矿、针铁矿、磁铁矿等)的形式在黄土中发生累积，进而使得黄土的颜色发生变化，成为影响a^*、b^*变化的主因, 但具体是哪种铁矿物占主导作用还有待更深一步的研究。

帕米尔AYTK剖面色度值a^*、b^*均表现出明显的系统性变化特征，黄土层(L₁)表现出较高的红度和黄度值，古土壤层(S₀、S₁)为低值，这与磁化率的变化特征(黄土层为低值，古土壤层为高值)正好相反(图 3)。通过系统测试发现a^*和b^*的相关系数达到0.892(图 6a)，说明引起a^*和b^*变化的铁氧化物可能相同，并且受控于相似的气候条件。

黄土磁化率作为常用的气候替代指标，在中亚干旱区气候演变的研究中应用广泛^[19-24], 但由于该地区磁化率形成机制复杂，需与其他气候代用指标的结合使用才能更好的反映研究区古气候变化过程。从图 3各个指标变化曲线看，帕米尔地区磁化率与a^*之间存在着良好的对应关系，波峰波谷的旋回变化存在着明显的正负对应关系；为更加精确的分析它们之间的关系，对a^*、b^*和L^*与磁化率进行相关性分析，以明确色度参数的气候意义。结果显示(图 6):帕米尔黄土—古土壤序列中a^*、b^*与磁化率呈负相关关系，相关系数分别为-0.582和-0.406，与亮度L^*相关性微弱，仅为0.120。何柳等^[8]研究指出土壤中磁铁矿和赤铁矿的含量共同影响着磁化率的变化，但磁铁矿的贡献较大；而a^*值对赤铁矿质量分数反映敏感，但其含量增加到50%以上时，对a^*的影响就甚微；而磁铁矿对a^*值的影响不明显。虽然赤铁矿和磁铁矿都与成壤作用有关，但它们在土壤中的分布和含量与成土气候环境密切相关, 对温度和降水变化存在明显差别：在黄土—古土壤序列中, 赤铁矿利于在干旱温暖的氧化环境下生成，而湿润潮湿的环境则对磁铁矿的生成有利^[37]。

研究区AYTK剖面的平均磁化率为26.72×10^-8 m³·kg^-1，年均气温3.5 ℃，年均降水量只有74. 39 mm，较差的水热组合条件使得现代的成壤作用较弱。另一方面, 作为成壤作用大小量度的一项指标, 百分频率磁化率(χ_fd%)值的大小可以用来近似反映该区域成壤作用的状况^[38]。测量发现AYTK剖面百分频率磁化率平均值仅为0.69%，含量较少，且剖面各个层位之间变化幅度不大, 说明该地区成壤作用一直很弱。在对帕米尔地区黄土磁性特征进行研究时，陈杰等^[24]和何毅^[26]认为该地区主要是以原生的磁性矿物为主，且剖面中反铁磁性矿物含量较高(如赤铁矿、针铁矿等)，对磁化率影响较大的亚铁磁性矿物(如磁铁矿)产生了一定的影响。加之帕米尔地区极端干旱的气候条件，成壤作用不强，有利于对a^*值贡献较大的反铁磁性矿物(如赤铁矿、针铁矿等)生成，而使磁铁矿的形成受限，因此出现当红度a^*为高值时，磁化率值却很低的现象。综上所述, 帕米尔AYTK剖面红度a^*对气候变化反映较L^*、b^*敏感，但也存在着一定的局限性，结合磁化率等气候代用指标，能更好的辨别黄土一古土壤层、记录区域内土壤成土过程以及气候的演化等情况。单一的磁化率或色度在解释气候变化时都有一定的局限性，两者的结合能够更好的反映古环境信息。

4.3 帕米尔AYTK黄土色度变化与气候演变

帕米尔AYTK黄土剖面色度指标的变化与黄土—古土壤地层具有良好的对应关系，其实质是气候因素的变化导致其指标发生变化。在古土壤S₁层，L^*为高值(呈降低趋势)，a^*和b^*均为低值(呈升高趋势)，表明在该阶段气候逐渐变暖，气温上升，降水增加，从而导致生物风化和土壤成壤作用逐渐变强。由成壤作用生成的磁性矿物(磁铁矿)增加, 而对另一种磁性矿物(赤铁矿)生成不利；这一点可由在该时期磁化率一直处于高值, 而红度a^*为低值得到很好的验证；黄土层L₁时期，a^*和b^*逐渐增大，相反的，此时磁化率却处于低值，并有逐渐减小的趋势；综合其指标变化表明该时期气候相对较冷，生物风化作用弱，降水稀少的环境特征；古土壤S₀时期，L^*呈逐渐上升趋势，a^*和b^*却逐渐减小，磁化率在该时期呈现“一峰两谷”的态势，表明该地区在这一历史时期气候经历了由“冷干—暖湿—冷干”的变化，只是变化程度不同而已。上述结论与前人在西风区通过其他沉积物所记录的环境演化结果基本相一致，遵循了全新世气候变化的西风模式^[39-40]。

综上所述，色度作为一种描述区域气候环境变化的代用指标，在黄土—古土壤序列研究中与其他气候常用替代指标的综合使用，能够更加准确的恢复和重建该区古环境变化的时空特征。

5 结论

(1) 帕米尔AYTK黄土剖面色度指标的分析表明，亮度L^*受颜色分量a^*、b^*的影响较大，而受碳酸钙含量和有机质含量的影响微弱，其所指示的古环境意义有待进一步研究。

(2) 红度a^*和黄度b^*均表现出明显的系统性变化，且具有很好的相关性，认为它们受控于相似的气候因子，具有较为一致的致色物质。

(3) 红度a^*主要与土壤中铁氧化物的种类和含量有关, 但具体的铁矿物成分还有待更深一步的研究。

(4) 在帕米尔地区色度a^*对气候变化响应敏感，与磁化率等替代气候指标结合使用，能更综合、准确地恢复该地区古气候的变化过程。

致谢: 感谢范喆、徐浩杰、梁烨、王琳栋、陈雨以及天津工业大学田洪阵老师在野外采样和实验室的帮助。