土壤是环境的记录者，可以揭示不同地质时期的古环境、古气候、古生态以及重大地质事件，是过去全球变化和古气候学的重要研究对象(Retallack, 2008).20世纪50年代，第五次国际土壤学大会首次报道了土壤磁性增强现象，引起人们对土壤磁性的认识.Heller和Liu(1982)通过对中国黄土高原黄土-古土壤磁性的研究发现磁化率曲线与深海氧同位素可以很好地对比，提出磁化率可以作为古气候变化的代用指标.随后一门介于地学、磁学和环境科学之间的交叉学科环境磁学兴起(Thompson and Oldfield, 1986).土壤环境磁学是环境磁学的重要组成部分，着重研究成土过程中磁学性质和成土因素之间的关系(Liu et al., 2012;胡鹏翔和刘青松, 2014)，在这些环境影响因素中，土壤的磁学性质与气候环境之间的响应尤其受到关注(宋扬等, 2012; Hyland et al., 2015; Maxbauer et al., 2016).中国黄土-古土壤磁气候学是土壤环境磁学最具代表性的研究成就.许多学者在中国温带干旱、半干旱和半湿润地区开展土壤磁气候学的研究，利用磁化率等磁学参数实现了古气候研究的半定量或定量化(Liu et al., 1998; Liu et al., 2003; Maher, 2016).

目前关于温带半干旱地区土壤磁性及其对应的气候环境指示意义的研究已经相对成熟，大量的研究发现土壤磁性的增加与成壤强度呈正相关(Liu et al., 2012; Maher, 2016; Maxbauer et al., 2016).当降水量超过某个临界值后，磁性反而下降(宋扬等, 2012; Long et al., 2016)，这使得我国南方第四纪红土或红壤的磁学参数环境意义的解释变得非常复杂(卢升高等, 1999;胡忠行等, 2011;朱丽东等, 2011;刘彩彩和邓成龙, 2012;杨立辉等, 2015).目前，对于湿热气候地区土壤磁学性质与气候的关系还需要进行更多的研究.此外，研究发现我国南方不同地区的土壤磁化率数值相差可达三个数量级(Lu et al., 2012;朱丽东等, 2011; Long et al., 2015, 2016)；同一母质上发育的土壤也存在较大的差异(吕镔等, 2014, 2016)，不同地区的土壤发生层次间的磁化率变化特征也不尽相同(Su et al., 2015).这些现象进一步说明磁化率本身具有一定的复杂性和多解性(刘青松和邓成龙, 2009;郭雪莲等, 2011)，指示次生磁性矿物的磁学参数更适合作为古气候的代用指标(Hyland et al., 2015;吕镔等, 2016; Gao et al., 2018).然而土壤中次生磁性矿物的性质不仅受控制于后期的成壤作用，也与母质的性质有关，目前的研究更多侧重于前者.因此选择具有相同或相近气候条件下发育于不同母质的土壤进行对比研究，将有助于进一步了解母质的影响及其程度.

本文对同一地区发育于不同母质之上的两个风化壳红壤剖面进行了磁学特征对比分析，并结合色度的黄度(b^*)和红度(a^*)参数指示针铁矿和赤铁矿的含量(Torrent et al., 1980; Yang et al., 2001; Hu et al., 2014)，系统探讨两个剖面磁性差异的具体原因和环境意义，为研究亚热带地区气候变化寻求适合的代用指标.

研究区地处福建省北部的南平市，介于东经117° 00′至119° 25′，北纬26° 30′至28° 20′之间；属典型的中亚热带湿润季风气候，雨量充沛，光照丰富，年均气温为19.3 ℃，年均降雨量达1660 mm(数据来源：中国天气网).

发育于花岗岩风化壳的南平北站红壤剖面(简称NPN剖面，地理坐标为26°34′50.56″N，118°15′14.59″E)位于南平市延平区高铁北站附近，剖面底部海拔109 m(见图 1).该剖面风化壳深厚，估计可达10 m以上；该剖面划分为4层，A层(淋溶层，0~20 cm)：红色偏黑，含有较多有机质和植物根系；B层(淀积层，20~120 cm)：红色，质地较为均一；BC层(B层到C层的过渡层，120~230 cm)；C层(母质层，230 cm以下)：风化裂隙发育，出现黄色斑块，可见保持母岩状态的石英颗粒；以10 cm间距采集了38个土壤样品.发育于变质砂岩风化壳的南纺红壤剖面(简称NF剖面，地理坐标为26°41′60.66″N，118°9′40.380″E)位于南平纺织厂附近，与南平北站剖面的直线距离约为15 km，底部海拔131 m(见图 1).剖面厚3.1 m，以10 cm间距采集了32个土壤样品.该剖面划分为4层，A层(0~35 cm)：红色偏黑，含有较多植物根系和有机质；B层(35~130 cm)：质地较为均一，颗粒较细；BC层(B层向C层的过渡层，130~200 cm)；C层(200~310 cm)：未见底，红色，夹白色细小石英条带，保留母岩的原始结构.

图 1

Fig. 1

图 1 南平北站(NPN)和南纺(NF)红壤剖面地理位置示意图 Fig. 1 Location of Nanping North Station (NPN) and Nanfang (NF) red soil sections

磁学参数测量：将自然晾干后的样品轻轻研磨，装入磁测专用样品盒，分别测量以下常温磁学参数：使用Bartington MS2型磁化率仪测量频率为4700 Hz的高频磁化率(χ_hf)和频率为470 Hz的低频磁化率(χ_lf，如无特别说明，本文的为低频磁化率)，计算出百分比频率磁化率χ_fd%=(χ_lf-χ_hf)/χ_lf；使用ASC D-2000型交变退磁仪和Molspin Minispin旋转磁力仪测量非磁滞剩余磁化强度(ARM)，交变场峰值为100 mT，直流场为50 μT，并计算出质量归一化非磁滞磁化率(χ_ARM=ARM/50 μT)；使用IM-10-30脉冲磁力仪和Molspin Minispin旋转磁力仪测量正反向场、不同场强下的等温剩余磁化强度(IRM)，获得饱和等温剩磁(SIRM)、硬剩磁(HIRM)、剩磁矫顽力(B_cr，由IRM_-XmT线性内插获得)等磁学参数.使用卡帕桥MFK1-FA磁化率仪和CS-4加热装置获得磁化率随温度变化曲线(κ-T曲线，测量环境为空气，温度从室温到700 ℃，测量频率976 Hz，加热速率14.5 ℃/min)；利用VFTB居里称测量样品的磁滞回线(最大外加场为1 T)和磁化强度随温度变化曲线(M-T曲线，测量环境为空气，温度范围为室温至700 ℃，加热速率40 ℃/min).

色度测量：采用美国Hunter Lab公司生产的Color FlexEZ型分光色度仪进行色度测量.将研磨至200目以下的干燥样品均匀铺满在测试皿底部，轻压至平整不起皱，采用CIELAB色度表达系统测量样品的亮度(L^*)、红度(a^*)、黄度(b^*).

如图 2所示，NPN剖面的磁化率(χ)在29.92~337.17×10^-8m³/kg之间，均值为85.23×10^-8m³/kg，C层磁化率起伏波动较大，均值为136.56×10^-8m³/kg.C层磁化率远高于A层和B层的均值68.80×10^-8m³/kg.百分比频率磁化率(χ_fd%)用于反映样品中超顺磁(SP)颗粒的存在及其相对含量(卢升高等, 2000)，NPN剖面χ_fd%均值为5.21 %，说明整体上可能同时含有SP和粗颗粒.不同层段χ_fd%的差异较大，χ_fd%值随着深度增大而减小，母质层基本不含SP颗粒.χ_ARM均值为122.06×10^-8m³/kg，A层和B层χ_fd%和χ_ARM的值较高，说明剖面A层和B层含有一定的SP和SD颗粒.χ_fd%、χ_ARM/SIRM和SIRM/χ的低值表明底部的C层含有较高的MD颗粒.SIRM均值达1008.47×10^-5Am²/kg，HIRM均值则为74.06×10^-5Am²/kg.SIRM和HIRM在A、B和BC层的值均较低，且基本没有波动，但在C层都具较高值.B_cr均值为52.43 mT，剖面S_-ratio的均值为82.51 %，介于64.33 %~89.00 %之间，C层S_-ratio也略高于其他层，说明NPN剖面亚铁磁性矿物占主导地位，母质层存在一定含量的高矫顽力硬磁性矿物.

图 2

Fig. 2

图 2 NPN剖面常温磁学参数 Fig. 2 Room temperature magnetic parameters of NPN section

如图 3所示，NF剖面磁化率在3.25~256×10^-8m³/kg之间，均值为71.95×10^-8m³/kg；B层均值最高，均值可达142.50×10^-8m³/kg，在B层起伏波动较大，整个剖面BC层和C层的磁化率远低于A层和B层的.NF剖面χ_fd%均值为11.08 %，说明剖面中主要为SP颗粒含量≥75%(Dearing, 1999)；在C层χ_fd%骤降，基本不存在SP颗粒.SIRM均值为352.53×10^-5 Am²/kg，SIRM与χ随深度的变化趋势基本一致.χ_ARM均值为247.87× 10^-8m³/kg，其变化趋势与χ相似，均随剖面深度增大而减小，表明剖面A层和B层存在一定含量的SD颗粒.χ_ARM/SIRM的均值为0.56×10^-3 m/A，A层、B层和BC层χ_ARM/SIRM比值均比C层的大，说明剖面上部较剖面底部颗粒较为细小.SIRM/χ均值为14.62×10³A/m，A层、B层和BC层均值低，表明含有较多的SP与MD颗粒；S_-ratio均值为28.74%，介于-56.97%~90.97%之间，S_-ratio整体波动大，在C层降至负值，均值约为-41.49 %；B_cr均值为188.84 mT，母质层B_cr均值为477.20 mT，远高于剖面A层、B层和BC层，说明剖面上部以亚铁磁性矿物居多，剖面母质层存在较多的高矫顽力矿物(如赤铁矿和针铁矿).HIRM均值为83.41×10^-5Am²/kg，剖面整体波动从A层向C层增大，与S_-ratio所反映的磁性矿物类型相似，即在风化成土过程中软磁性矿物有所增加，剖面母质层硬磁性矿物含量均明显高于淋溶层和淀积层.剖面底部C层SIRM/χ比值显著升高，母质层均值可达34.39×10³A/m，结合S_-ratio、B_cr和HIRM在母质层的高值，说明剖面底部可能存在赤铁矿.

图 3

Fig. 3

图 3 NF红壤剖面常温磁学参数 Fig. 3 Room temperature magnetic parameters of NF section

图 4为NPN和NF剖面红壤代表性样品的磁滞回线，实线为未进行顺磁校正的曲线.总体而言，NPN剖面各层位样品的磁滞回线形态差别相对较小，磁滞回线形态呈现“S”型；未经顺磁校正的磁滞回线在500 mT时基本闭合，磁滞回线的细腰即矫顽力(B_c)较小，但其剩磁矫顽力B_cr大于50 mT，表明样品主要载磁矿物为亚铁磁性矿物，同时可能含有反铁磁性矿物.此外，各层位样品的磁滞回线经顺磁校正后磁化强度都有明显降低，说明剖面还含有较多的顺磁性矿物.NF剖面各层位样品磁滞回线形态存在较大的差异，B_cr随着深度的增加而增加，母质层样品曲线呈现出明显的“蜂腰”状形态(图 4h)，B_cr大于300 mT，说明母质层亚铁磁性矿物和反铁磁性矿物对磁性的贡献相当；NF剖面曲线整体在1 T时未闭合，且校正后磁化强度明显降低较多，说明NF剖面顺磁性矿物含量较高.

图 4

Fig. 4

图 4 NPN剖面和NF剖面代表性样品磁滞回线 实线-未进行顺磁校正的磁滞回线，虚线-顺磁校正后的磁滞回线. Fig. 4 Magnetic hysteresis loops of NPN and NF representative samples Solid line: hysteresis loop without paramagnetic correction, dashed line: hysteresis loop after paramagnetic correction.

热磁分析主要用于鉴别磁性矿物的种类(敖红和邓成龙, 2007).磁化率随温度变化曲线(κ-T曲线)和磁化强度随温度变化曲线(M-T曲线)通过加热/冷却过程中磁性矿物的相变和居里或尼尔温度(T_C/T_N)来判断磁性矿物的种类.此外，磁化率随温度变化过程中磁性矿物的磁畴也会发生移动，κ-T曲线在一定程度上可以判断磁性矿物的颗粒大小(Thompson and Oldfield, 1986; Deng et al., 2001).结合M-T曲线和κ-T曲线可以更加准确地鉴定磁性矿物的种类，并在一定程度上判断磁性颗粒的大小.

图 5a-5d分别是NPN剖面淋溶层(A层)、淀积层(B层)、过渡层(BC层)和母质层(C层)代表性样品的M-T曲线，图 5e-5h为对应的κ-T曲线，其随着深度呈现一定的变化规律.NPN剖面A层样品M-T曲线(图 5a)中加热曲线居里点约为600 ℃，冷却曲线居里点约为580 ℃，结合A层的κ-T加热与冷却曲线居里点均为580 ℃(图 5e)，说明A层主要磁性矿物为磁铁矿.B层、BC层样品M-T加热曲线(图 5b和5e)居里点分别为580 ℃和590 ℃，说明NPN剖面中A层、B层和BC层主要磁性矿物均为磁铁矿.C层样品M-T加热冷却曲线(图 5d)居里点分别为620 ℃和590 ℃，均高于磁铁矿的居里点580 ℃，而C层样品κ-T加热和冷却曲线的居里点则分别为585 ℃和580 ℃，在M-T加热曲线中没有观察到580 ℃的居里点，推测C层存在磁赤铁矿化的磁铁矿.B层、BC层和C层样品与A层M-T曲线形态上基本一致，但冷却曲线位于加热曲线下方，说明加热过程中强磁性矿物转化为弱磁性矿物，且加热冷却后磁化强度减少的百分比随着深度的增加而增加，A层、B层、BC层和C层磁化强度减少的百分比分别为1.71%、9.60%、14.94%和21.50%.NPN剖面样品M-T曲线在温度达到T_C之后仍保留一定的磁化强度，说明样品中还存在其他硬磁性矿物(如赤铁矿).A层与B层样品κ-T曲线(图 5e和5f)形态基本一致，κ-T加热曲线均在300~450 ℃之间存在较为明显的降低，说明样品可能存在磁赤铁矿转变为赤铁矿的现象；A层与B层样品κ-T曲线均存在一个500 ℃的峰，表明在峰的前后样品中大量弱磁性矿物转化为强磁性矿物(Hunt et al., 1995).BC层和C层样品κ-T曲线(图 5g和5h)形态相似，两者磁化率在居里点前随温度升高而快速下降，说明BC层和C层样品中含有MD颗粒的亚铁磁性矿物.C层样品M-T加热曲线从室温到120 ℃之间存在轻微的下降，κ-T加热曲线在120 ℃、220 ℃和350 ℃形成一个“谷”型，说明样品中可能存在针铁矿(敖红和邓成龙, 2007)，在120~220 ℃间磁化率明显增加，表明加热过程中部分针铁矿可能转化为磁赤铁矿；在加热到350 ℃附近有较明显的转折可能是磁赤铁矿被转化为赤铁矿，结合M-T加热曲线620 ℃居里点，C层原样中存在少量热稳定磁赤铁矿.

图 5

Fig. 5

图 5 NPN剖面热磁M-T曲线(a, b, c, d)和κ-T曲线(e, f, g, h) Fig. 5 M-T curves (a, b, c, d) and κ-T curves (e, f, g, h) of NPN section

图 6a-6d分别是NF剖面A层、B层、BC层和C层代表性样品的M-T曲线，图 6e-6h为对应的κ-T曲线.NF剖面A层和B层的M-T加热曲线居里点均为580 ℃，从室温到120 ℃之间都存在轻微的下降，说明NF剖面A层和B层样品的主要磁性矿物为磁铁矿，含有弱磁性矿物针铁矿；冷却曲线位于即热曲线上方，表明在加热过程中弱磁性矿物转化为强磁性矿物.A层和B层样品κ-T曲线的居里点均低于580 ℃，这可能与磁铁矿同象阳离子替代或表层有机质含量较高有关.BC层M-T加热曲线居里点约为670 ℃，主要磁性矿物为赤铁矿；C层κ-T加热曲线出现Hopkinson峰，具有534 ℃和670 ℃两个居里点，说明剖面母质层同时含有磁铁矿和赤铁矿.BC层与C层加热冷却曲线形态近似于直线且可逆程度高，说明剖面底部含有较多的顺磁性矿物，受后期成壤作用较弱(吕镔等, 2014).C层M-T和κ-T加热曲线在120 ℃前磁化强度有一个明显的降低，说明样品中存在针铁矿.NF剖面样品M-T曲线在温度达到T_C之后仍保留一定的磁化强度并随着深度增加而增加，表明样品中硬/顺磁性矿物随深度增加而增加.

图 6

Fig. 6

图 6 NF剖面热磁M-T曲线(a, b, c, d)和κ-T曲线(e, f, g, h) Fig. 6 M-T curves (a, b, c, d) and κ-T curves (e, f, g, h) of NF section

CIELAB色度表达系统被广泛应用于土壤研究(卢升高, 2003; Sun et al., 2011;吕镔等, 2016).在该表色系统中亮度(L^*)变化于暗(0)与亮(100)之间，土壤颜色越浅，值越大；红度(a^*)变化于红(60)与绿(-60)之间，其值越大，颜色越红；黄度(b^*)变化于黄(60)与蓝(-60)之间，其值越大，颜色越黄.彩度Ca^*b^*是红度和黄度的综合反映，计算公式为：Ca^*b^*=[(a^*)²+(b^*)²]^1/2(朱芸等, 2007)；b^*/a^*为黄度与红度的比值.

图 7和图 8分别为NPN和NF剖面色度指标随深度变化图，表 1和表 2分别为NPN和NF剖面色度指标在各个层次的均值.NPN剖面L^*值介于61.32~70.63，均值为67.55；剖面BC层均值略低于B层，BC层下半部和C层变化较明显，但L^*整体随着深度增加而增大.a^*介于14.47~19.51，均值为16.90；从A层到BC层随着深度增加，a^*呈增加的趋势，C层a^*降低且变化明显.b^*介于20.85~34.67，均值为31.36；A层到BC层的b^*变化不明显，BC层的b^*达到最高值，C层的b^*最小且波动较大.Ca^*b^*值在25.99~39.78之间，均值为35.65，变化趋势与b^*十分相似.b^*/a^*介于1.34~2.13之间，均值为1.86.NF剖面L^*值介于52.36~65.10，均值为60.37；从A层到BC层随之深度增加呈增加趋势，C层的L^*最小.a^*介于11.10~19.71，均值为15.65；a^*随着深度增加呈增加趋势，C层a^*均值达17.57.b^*介于21.58~33.39，均值为29.02，变化趋势与L^*相似.Ca^*b^*值在27.61~37.17之间，均值为33.07，变化趋势与b^*十分相似.b^*/a^*介于1.20~2.30之间，均值为1.89.NF剖面L^*和a^*在不同发生层次的变化更为显著；与NF剖面相比，NPN剖面整体上偏亮、偏红和偏黄.

图 7

Fig. 7

图 7 NPN剖面色度指标和部分磁学参数对比 Fig. 7 Comparison on color parameters and magnetic parameters of NPN section

图 8

Fig. 8

图 8 NF剖面色度指标和部分磁学参数对比 Fig. 8 Comparison on color parameters and magnetic parameters of NF section

表 1 (Table 1)

表 1 NPN剖面不同层位的色度参数均值 Table 1 Average color parameters in different horizons of NPN section 参数均值 L* a* b* Ca*b* b*/a* 剖面 67.55 16.90 31.36 35.65 1.86 A层 67.04 15.79 32.26 35.92 2.05 B层 67.50 16.97 33.19 37.28 1.96 BC层 67.45 17.95 33.73 38.21 1.88 C层 67.77 16.21 27.96 32.36 1.73

表 1 NPN剖面不同层位的色度参数均值 Table 1 Average color parameters in different horizons of NPN section

表 2 (Table 2)

表 2 NF剖面不同层位的色度参数均值 Table 2 Average color parameters in different horizons of NF section 参数均值 L* a* b* Ca*b* b*/a* 剖面 60.37 15.65 29.02 33.07 1.89 A层 60.57 13.57 29.08 32.09 2.15 B层 61.26 14.21 29.97 33.17 2.13 BC层 63.79 15.68 31.89 35.54 2.04 C层 57.08 17.57 26.12 31.55 1.49

表 2 NF剖面不同层位的色度参数均值 Table 2 Average color parameters in different horizons of NF section

NPN剖面和NF剖面分别发育于磁性较强的花岗岩风化壳和磁性较弱的变质砂岩风化壳之上，两者磁性矿物的种类、含量和颗粒大小存在显著差异，剖面的不同发生层位也存在明显差异.

NPN剖面淋溶层和淀积层热磁曲线的居里点表明剖面上部以磁铁矿为主；κ-T加热曲线在300~450 ℃之间存在较为明显的降低(图 5c和5f)，说明样品可能存在磁赤铁矿；过渡层和母质层以磁赤铁矿化的磁铁矿为主，同时含有针铁矿和磁赤铁矿.NPN剖面在热磁曲线在居里温度后仍具有一定的磁化强度，说明还含有其他的硬磁性矿物，推测该硬磁性矿物为加热过程生成的赤铁矿.NF剖面淋溶层和淀积层的主要磁性矿物为磁铁矿，含有弱磁性矿物针铁矿；过渡层主要磁性矿物为赤铁矿，由于κ-T加热曲线居里点约为600 ℃，在300~450 ℃之间存在较为明显的降低(图 6g)，过渡层还含有磁赤铁矿；母质层以赤铁矿为主要磁性矿物，同时含有磁铁矿和针铁矿.此外，NF剖面尤其是过渡层和母质层含有较多的顺磁性矿物.

NPN剖面和NF剖面同时含有亚铁磁性矿物(磁铁矿和磁赤铁矿)、反铁磁性矿物(针铁矿和赤铁矿)以及较多的顺磁性矿物，但不同种类磁性矿物含量有所不同.如表 3和表 4所示，结合磁学参数SIRM、HIRM、B_cr和S_-ratio(%)分析，NPN剖面亚铁磁性矿物含量较高，NF剖面中则反铁磁性矿物含量较高.整体而言，NPN剖面磁化率均值略高于NF剖面的，但由于两个剖面磁性矿物颗粒大小不同，不足以比较两个磁性矿物含量的高低.与温带黄土高原地区相比，其均值与黄土层相当，较强发育的古土壤磁化率相差一个数量级(Wang et al., 2006).广泛分布于长江中下游地区的第四纪红土表层和均质层磁化率多在80~250×10^-8m³/kg(卢升高, 2007)，本文研究的两个剖面磁化率与第四纪红土表层与均质层相似；也与福州花岗岩剖面磁化率相近(吕镔等, 2014).NPN剖面和NF剖面不同层位磁性矿物种类存在明显的差异，磁学参数、SIRM和HIRM不能直观反映各个层位的磁性矿物含量.同一剖面淀积层磁化率稍高于淋溶层的，这与亚热带地区强降水有关，剖面顶部细颗粒磁性矿物容易受到强降水淋溶，沿着红壤的间隙下渗迁移到了淀积层，剖面淀积层磁铁矿含量可能略多于淋溶层(表 3和表 4).

表 3 (Table 3)

表 3 NPN剖面不同层位的常温磁学参数均值 Table 3 Average room temperature magnetic parameters in different horizons of NPN section 参数均值 χlf(10-8m3/kg) SIRM(10-5Am2/kg) HIRM(10-5Am2/kg) Bcr(mT) S-ratio(%) fd%(%) χARM(10-8m3/kg) χARM/χlf SIRM/χlf(103A/m) χARM/SIRM(10-3 m/A) 剖面 85.23 1008.47 74.06 52.44 82.51 5.21 122.06 1.84 11.04 0.21 A层 73.62 469.34 35.18 42.51 85.03 11.71 251.91 3.42 6.44 0.54 B层 63.99 525.21 42.16 48.06 83.79 8.90 170.64 2.68 8.17 0.34 BC层 44.19 477.26 46.41 56.48 79.23 5.77 97.30 2.17 11.06 0.20 C层 136.56 1889.98 126.59 53.91 83.96 0.96 84.22 0.68 13.87 0.05

表 3 NPN剖面不同层位的常温磁学参数均值 Table 3 Average room temperature magnetic parameters in different horizons of NPN section

表 4 (Table 4)

表 4 NF剖面不同层位的常温磁学参数均值 Table 4 Average room temperature magnetic parameters in different horizons of NF section 参数 χlf(10-8m3/kg) SIRM(10-5Am2/kg) HIRM(10-5Am2/kg) Bcr(mT) S-ratio(%) fd%(%) χARM(10-8m3/kg) χARM/χlf SIRM/χlf(103A/m) χARM/SIRM(10-3m/A) 均值 71.95 352.53 83.41 188.84 28.74 11.08 247.87 2.58 14.63 0.56 A层 136.19 574.93 48.35 24.49 82.59 13.73 473.79 3.43 4.24 0.81 B层 142.50 562.75 47.60 24.93 77.21 14.39 521.96 3.66 4.03 0.91 BC层 47.44 209.01 53.05 58.94 43.86 13.14 147.89 3.05 4.56 0.68 C层 8.69 204.04 147.54 477.20 -41.49 5.90 14.17 1.04 34.40 0.09

表 4 NF剖面不同层位的常温磁学参数均值 Table 4 Average room temperature magnetic parameters in different horizons of NF section

NPN剖面和NF剖面同时含有磁铁矿和磁赤铁矿，淋溶层和淀积层磁性颗粒比底部母质层更细，剖面各个层位分布均有所不同.NPN和NF剖面淋溶层和淀积层χ_fd%、χ_ARM和χ_ARM/均高于过渡层和母质层(表 3和表 4)，说明剖面淋溶层和淀积层磁性颗粒较细小.整体而言，NPN剖面χ与χ_fd和χ_ARM没有呈现显著的正相关(图 9a-9b)，且剖面母质层磁化率远高于其他层次，说明SP和SD颗粒不是C层的主要载体；但剖面A层、B层和BC层的与χ_fd和χ_ARM呈现出相关性(图 9a-9b中的小图)，A层和B层的χ_ARM/和χ_ARM/SIRM的值较大，表明NPN剖面淋溶层和淀积层以PSD和细粒SSD为主；NF剖面χ与χ_fd和χ_ARM呈现显著的正相关(图 9c-9d)，说明SP和SD颗粒是的主要贡献者，NF剖面淋溶层、淀积层和过渡层均以SP颗粒为主.χ_ARM/SIRM和SIRM/χ在NPN剖面母质层具有较高的比值(表 3和表 4)，结合κ-T曲线可以看出其母质层以MD颗粒为主(图 5)；NF剖面母质层则以PSD和粗粒的SSD颗粒为主；就两个剖面整体而言，NPN剖面亚铁磁性矿物磁性颗粒较NF剖面的粗.NPN剖面在淋溶层M-T曲线基本可逆，说明NPN剖面中原生磁性矿物含量较高；NF剖面SP颗粒含量从母质层向淋溶层有显著的增长，说明其剖面后期成壤作用强(图 5和图 6).同一剖面淋溶层和淀积层细磁性颗粒含量存在差异，NPN剖面从淋溶层到母质层随深度增加细颗粒磁性矿物含量减少；NF剖面整体虽随深度增加而减少，但在淀积层含量最高.相较于温带地区，亚热带强降水地区剖面表层的SP磁铁矿的转化、还原、溶解以及淋溶作用都可能造成剖面表层SP颗粒的丧失(Ananthapadmanabha et al., 2014).NF剖面降水尚未达到极端值，但剖面整体以SP颗粒为主，且剖面排水较为良好，剖面表层的SP磁铁矿很大可能是受强降水的淋溶在淀积层积累(图 6a-6h).

图 9

Fig. 9

图 9 NPN剖面和NF剖面χ与χfd和χARM的相关关系图 Fig. 9 Relationship between χ and χfd, χARM of NPN and NF section

母质、气候、地形、时间和生物这五大因素对土壤的发育过程产生深刻的影响，继而影响土壤中的磁性矿物(胡鹏翔和刘青松, 2014).NPN剖面和NF剖面相距约15 km，同属典型的中亚热带湿润季风气候，两个剖面地形和坡度也相近，具有极相近的气候条件和相似的生物条件.在温带地区黄土古土壤的研究中发现有机质可以阻碍磁性矿物的老化(胡雪峰等, 2004)，而研究区处于强降水的亚热带地区，红壤表层仅含有较少的有机质.亚热带地区不同母质上发育的剖面磁性特征差异与成土时间和土壤母质密切相关(饶志国等, 2007;吕镔等, 2016).成土时间代表着不同阶段成土过程对土壤磁性矿物影响的累积结果(胡鹏翔和刘青松, 2014)，土壤磁性先随着土壤发育年龄增加而增强，但随着时间的增加，反铁磁性矿物赤铁矿成为最终产物，土壤磁性达峰值(Thompson and Oldfield, 1986).NPN剖面和NF剖面的A层和B层均以亚铁矿磁性矿物为主，说明这两个剖面经历的成土时间相对较短，因而推测成土时间不是两个剖面磁性差异的主要因素.

土壤母质的磁性矿物种类、含量和大小是土壤磁性的本底，直接影响了原生磁性矿物特征；而土壤母质铁元素与次生磁性矿物性质具有密切的联系(胡鹏翔和刘青松, 2014).NPN剖面发育于强磁性花岗岩之上，为母质层提供了粗粒强磁性的原生磁性矿物.初期成壤作用一定程度上破坏了原生粗颗粒磁性矿物而导致磁化率减弱(卢升高, 2003)；随着后期成壤作用进一步加强，赋存的游离氧化铁转化为较细颗粒的次生磁性矿物，土壤磁性又会随之增大，因此NPN剖面母质层磁化率最大，剖面淋溶层和淀积层的磁化率值高于过渡层.NF剖面发育于弱磁性母岩上，磁化率随着深度的增加而降低，显然是后期成壤作用生成新的磁性矿物使得土壤磁性增强.在亚热带湿润地区，强磁性母质在发育过程中由于较粗的磁性颗粒被溶解而导致磁性下降，而弱磁性母质在后期成壤作用中生成较细磁性矿物从而使得风化壳上部磁性升高.Boyle等(2010)在土壤磁性模型中发现亚铁磁性矿物的形成速率对母质构成十分敏感，对中国南方发育于不同母岩之上的土壤磁化率研究发现母质对土壤磁性的影响大大超过其他因素(饶志国等, 2007).因此，母质层磁性差异是两个剖面磁性呈现出显著差异的主导因素.

颜色被认为是土壤最重要且容易测量的物理属性之一，土壤颜色可以显示矿物成分和有机物含量，受到当地气候的深刻影响(周伟等, 1990; Yang et al., 2001;吴艳宏和李世杰, 2004)，可以指示矿物成分形成时的气候与环境(Yang et al., 2001;陈一萌等, 2006;高鹏坤等, 2015).土壤中通常因含有较多的有机质而导致土壤颜色变暗，中国黄土的亮度被用作西北地区的古气候代用指标(Chen et al., 2002).Torrent等(1980)揭示赤铁矿的含量与红度指数具有明显的线性相关，红度随着赤铁矿的含量增加而增加；土壤彩度随游离铁氧化物的增加而增加，而游离铁氧化物的变化又依赖于一定气候条件下的化学风化和生物风化作用(Soileau and McCracken, 1967).在热带至暖温带的湿润区，土壤a^*、b^*与年均温和年降水间存在良好相关关系，用来推测气候变化具有很好的适用性(Hu et al., 2014)，色度指标可以作为描述热带亚热带地区土壤发育过程中环境或气候变化的指标.色度指标可以较好地反映赤铁矿/针铁矿这类次生磁性矿物的相对含量，a^*主要反映了土壤中的赤铁矿含量，b^*与针铁矿含量密切相关.而磁化率在南方红壤研究中在机理和应用上都存在较大的争议，在热带亚热带高温高湿的环境下，磁铁矿和磁赤铁矿可能发生氧化还原转化为弱磁性矿物，使得磁性矿物的生成转化机变得复杂，同时也减弱了磁化率对气候响应的准确性(Hu et al., 2009; Long et al., 2015).土壤母质磁学性质对NPN剖面和NF剖面磁性差异起主导作用.磁化率包含了原生组分和次生组分两部分总体特征(磁性矿物种类、含量及其颗粒大小)，是综合性的磁学参数(卢升高, 2003;李冠华等, 2013).因此，与磁化率相比，色度在揭示环境意义方面具有其优势.

图 7和图 8为色度指标与部分磁学参数的剖面变化图.磁化率是磁学参数中最为常用的环境代用指标，色度和B_cr能较好地反映次生磁性矿物(如针铁矿和赤铁矿)的相对含量(吕镔等, 2016).NPN剖面L^*、a^*和b^*值均高于NF剖面的，NPN剖面可能含有较少的有机质，具有较高的赤铁矿、针铁矿含量；NPN剖面a^*和b^*值均高于NF剖面的，但b^*/a^*却比NF剖面的低(图 7和图 8).两个剖面间磁学和色度的对比：NPN剖面磁化率均值为85.23×10^-8m³/kg，NF剖面磁化率均值为71.95×10^-8m³/kg，两个剖面磁化率均值相差超过18.46 %，B_cr均值相差超过2倍；两个剖面同一层位磁化率和B_cr差异也较大，母质层尤为显著，分别相差超过14倍和7倍.NPN剖面和NF剖面的L^*、a^*、b^*、Ca^*b^*和b^*/a^*均值分别相差11.90%、8.00%、8.09%、7.80%和1.86%；两个剖面各自不同层位色度指标相差均不超过26%.两个剖面磁性差异更为显著，同一剖面不同层次间色度指标的差异也远小于磁学参数的差异.反映磁性矿物总体特征的磁化率与色度指标变化规律不尽相同，色度指标的差异小于磁性的差异，说明与次生磁性矿物密切相关的色度指标值是亚热带地区更为适合的气候代用指标，并且母质的不同并没有明显影响次生赤铁矿和针铁矿的含量.

Yang等(2001)对国内不同地区的表土颜色与气候的关系进行研究，认为中国黄土高原黄土-古土壤序列的红度可以反映在千年时间尺度上的亚洲季风变化.热带-暖温带湿润区土壤红度和黄度也与气候密切相关.Hu等(2014)发现第四纪红土剖面的a^*可以反映自末次间冰期结束以来的冷干气候；与磁化率相比，a^*是一个更有前途的古气候指标，其空间变化与中国南方低纬地区的水热条件相一致.本文发现剖面色度指标b^*/a^*变化幅度最小，NPN剖面和NF剖面中χ_ARM与a^*的相关性均比χ_ARM与b^*/a^*的相关性要低(图 10)，说明相较于a^*，b^*/a^*对土壤气候反映更为灵敏.若以单与赤铁矿密切相关的a^*作为亚热带地区的气候代用指标，还需要充分考虑母质和赤铁矿浸水溶解的影响.最近研究发现随着赤铁矿的含量增加，土壤中黄度的数值也会有所增加(Hu et al., 2014)，仅a^*或b^*并不能明确指示赤铁矿和针铁矿的含量.相较之下，b^*/a^*更能表示同一剖面针/赤铁矿的相对含量，且这两者的比值几乎不受母质影响，b^*/a^*为更佳的气候代用指标.b^*/a^*实质上代表着针铁矿和赤铁矿的比值，次生磁性矿物Gt/Hm的比值与气候存在密切的联系.Schwertmann(1971)研究发现Gt/Hm随着年均气温的升高和土壤相对湿度的降低而降低；季峻峰等(2007)研究发现针铁矿和赤铁矿两者的含量及两者的比值均可以显示冰期和间冰期的变化；Long等(2016)发现受相对湿度的影响，土壤颜色可以从红色转变为黄色；这说明Gt/Hm更能反映研究区的平均气候状况.但色度指标b^*/a^*只是Gt/Hm的粗略估算，结合漫反射光谱方法(DRS)对针铁矿和赤铁矿进行进一步的定量研究显得十分必要.

图 10

Fig. 10

图 10 NPN剖面与NF剖面磁学参数与色度指标的相关性 Fig. 10 Relationship between magnetic parameters and color parameters of NPN and NF section

综上所述，由于母质磁性的差异，同一地区相近气候条件下的红壤剖面整体磁学性质差异较大，因此适用于温带地区的诸多磁学参数(、SIRM和HIRM等磁学参数及其比值)均不能用来指示亚热带的气候变化.母质磁性的差异并没有很大程度地影响次生弱磁性矿物针铁矿和赤铁矿的相对含量，两者比值可以很好地指示亚热带地区气候状况.色度指标b^*/a^*可以用来估算针铁矿和赤铁矿的比值.结合DRS方法可以进一步定量化研究两者与气候条件的关系.

通过对发育于花岗岩和变质岩风化壳之上的两个亚热带红壤剖面进行系统的环境磁学测量，并结合色度指标综合分析，得出以下结论：

(1) NPN剖面和NF剖面淋溶层和淀积层磁性颗粒比底部母质层更细；两个剖面同时含有亚铁磁性矿物(磁铁矿和磁赤铁矿)、反铁磁性矿物(针铁矿和赤铁矿)以及较多的顺磁性矿物.但不同种类磁性矿物含量和分布层位均有所不同：NPN剖面淋溶层和淀积层主要磁性矿物均为磁铁矿，以PSD和细粒SSD颗粒为主；底部的过渡层和母质层以MD颗粒的磁赤铁矿化的磁铁矿占主导地位，母质层还含有磁赤铁矿、针铁矿和赤铁矿；NF剖面淋溶层、淀积层和过渡层均以SP颗粒和少量的SSD颗粒的磁铁矿为主，母质层以赤铁矿为主；剖面中存在弱磁性矿物针铁矿.

(2) NPN剖面L^*、a^*、b^*和Ca^*b^*值均高于NF剖面的，但b^*/a^*比值较NF剖面的低，说明NPN剖面可能含有较少的有机质、较多的针铁矿和赤铁矿，剖面内赤铁矿比针铁矿相对含量高；NF剖面，则相反.

(3) 亚热带地区红壤深受母质影响，适用于温带地区的传统磁学参数(χ、SIRM和HIRM等磁学参数及其比值)不能反映该区域的气候变化规律.但是，母质磁性差异基本不影响次生弱磁性矿物针铁矿和赤铁矿的相对含量.相较之下，色度指标b^*/a^*可以作为气候变化的良好指示，即次生磁性矿物针铁矿和赤铁矿的比值是更适合的气候代用指标.