9.4 ka以来青藏高原东北部风成沉积物色度参数变化特征及其环境演变

胡梦珺，吉天琪，郑登友，庄 静，孙文丽，许澳康

(西北师范大学 地理与环境科学学院，甘肃 兰州 730070)

0 引 言

土壤颜色是土壤最显著的外部形态特征，也是土壤最直观的物理性质[1-2]，常用CIELAB表色系统描述[3-6]。土壤颜色对气候响应较敏感，可作为可靠的气候代用指标反演百年、千年、甚至万年尺度的环境演变[7-11]，在黄土-古土壤、湖泊、海洋、海岸带等沉积物长时间尺度的气候研究中起到重要作用[12-18]。黄土-古土壤的研究多集中在黄土高原南、中、西北部[19-22]以及青藏高原周边[23-24]，对各色度参数(a*、b*、L*、C*、h*)进行分析，并结合粒度、磁化率、化学元素等代用指标研究各色度参数的气候响应敏感度及环境意义。研究表明，红度(a*)对气温的指示作用良好，反映成壤时期水热条件和风化强度，高值表明水热条件组合较好，气候温暖湿润，化学风化程度高[8,13,15,22]；低值指示水热组合状况较差，气候寒冷干旱，化学风化较弱[25-28]。黄度(b*)反映土壤的发育程度，值越高表明土壤发育程度越深，成壤条件越好，化学风化越强，指示气候温暖湿润[13,15,26]；低值则相反[22,27,29]，但黄度对气候的响应在色度参数中敏感度不高[15,30]。亮度(L*)对东亚夏季风强度有较好的指示作用，反映成壤时期的水热条件，高值反映东亚夏季风强度弱，水热组合较差，气候寒冷干旱[21,26]；值越低说明东亚夏季风越强，水热组合越好，气候温暖湿润[29-31]。饱和度(C*)表示颜色的鲜艳程度，反映土壤内部结构组分的变化情况，值越大颜色越鲜艳[29]。色调角(h*)反映气候的干燥程度，其值范围一般在0°～90°之间，高值指示偏干旱的气候特征[11]。

青藏高原第四纪以来沉积物类型丰富，研究成果颇丰[32-35]，但多集中于高原北、中部，东北部研究较少；常用粒度、磁化率、元素等气候代用指标，鲜用色度参数。鉴于此，本文以青藏高原东北部泽库剖面(ZK)为研究对象，通过研究色度参数(a*、b*、L*、C*、h*)变化特征，辅以磁化率、SC/D、SiO2及Fe2O3数据，在14C测年的基础上恢复并重建了9.4 ka以来ZK剖面的环境演变，旨在探讨色度在高寒地区重建古气候的适用性；研究结果对丰富高寒及干旱半干旱区环境重建的代用指标、判断未来气候变化趋势提供理论参考。

1 研究区概况

研究区位于青藏高原东北部青海省黄南藏族自治州泽库县(34°45′—35°32′N， 100°34′—102°08′E)(图1)。地处昆仑山系西倾山北麓，断块抬升山地与山间断陷盆地的差异性升降，使该地呈北西西—南东东向的盆地与山地相间的格局，地势由东向西倾斜，大部分海拔在3 500 m以上。该区为高原大陆性季风气候，年均气温-2.4～2.8 ℃，年均降水量460 mm；盛行西北风，以春季风力最强。水资源较为丰富，有黄河、沙珠玉河、芒拉河。植被以草本为主，自西北向东南依次分布着荒漠草原、高山草甸、灌丛，相应的土壤由棕漠土-栗钙土-灰钙土、亚高山草甸土、高山草甸土组成。

2 数据来源与研究方法

2.1 剖面概况与采样方法

泽库剖面(ZK)为青海省东北部一山间盆地新月形沙丘(35°19′N、100°54′E)，海拔3 312.74 m，厚度338 cm。

对ZK剖面按2 cm间距连续采样，共采集样品169个；同时在剖面30～34 cm、73～75 cm、129～134 cm、171～176 cm、213～218 cm、262～267 cm、282～286 cm、332～337 cm处采集14C测年样品8个。依据野外观察及室内粒度分析，将ZK剖面自下而上划分为9层，具体形态特征描述如表1。

2.2 样品测定

ZK剖面169个样品的色度、粒度、磁化率和元素测定在西北师范大学地理与环境科学学院土壤地理实验室完成。样品经前处理后分别进行测定，具体步骤如下：

色度：用CM-5分光测色计测定样品的色度参数红度(a*)、黄度(b*)和亮度(L*);计算h*(色调角)=tan-1(b*/a*)，其中0°≤h*≤360°[11]；C*(饱和度)=sqrt(a*2+b*2)[29]。

粒度：(1)样品用量试验，确定样品用量，将遮光度控制在10%～30%之间(以20%最佳)；(2)去除有机质和碳酸盐，加入体积分数30%的H2O210 ml，在电热板上煮沸约30 min，后加入10 ml体积分数10%的HCl ；(3)除过量HCl，待烧杯冷却后，加入蒸馏水至烧杯满，静置12 h后用虹吸法去除上层清液，重复上述操作6～8次，直至溶液呈中性；(4)振荡分散样品，去除有机质和碳酸盐后的样品中加入0.05 mol/L的(NaPO3)610 ml，振荡7～8 min；(5)测定，使用 Mastersizer 3000 激光粒度仪进行测定。

磁化率：用Bartington MS 2B磁化率仪测定样品的高频和低频磁化率。

元素含量：用X-Ray荧光光谱仪测定样品的SiO2和Fe2O3含量。

表1 ZK剖面地层特征

表2 ZK剖面14C测年数据

8个样品的14C年龄由中国科学院地球环境研究所加速器质谱中心测定，测量结果如表2所示。

3 结果分析

3.1 ZK剖面色度参数变化特征及环境意义

3.1.1 色度参数变化特征

各色度参数的变化如图2和表3所示。a*范围为5.22～6.53，均值5.92，变幅25.10 %，自下而上先快速增大后缓慢减小；ZK8(6.19)值最高，ZK9(6.00)、ZK4(6.00)次之，ZK7(5.94)、ZK6(5.89)、ZK3(5.83)、ZK5(5.80)、 ZK2(5.79)依次降低。b*范围为13.85～15.85，均值15.04，变幅14.44 %，自下而上先略微增大后缓慢减小，各层均值变化ZK8(15.32)>ZK6(15.21)>ZK4(15.18)>ZK7(15.15)>ZK9(15.12)>ZK3(14.88)>ZK5(14.87)>ZK2(14.75)。C*范围为14.86～17.15，均值16.16，变幅15.41%，自下而上先逐渐增大后缓慢减小，各层均值变化表现为ZK8(16.52)>ZK4(16.32)>ZK6(16.31)>ZK7(16.27)>ZK9(16.26)>ZK3(15.99)>ZK5(14.96)>ZK2(14.84)。

a*、b*、C*的变化趋势基本相同，a*(6.53)、b*(15.85)、C*(17.15)全剖面最高值均在ZK9，最低值均在ZK5，分别为6.53、15.85、14.97；分层均值最高值均出现在ZK8，最低值均出现在ZK2。a*、b*、C*在ZK9—ZK7出现峰值，在ZK6—ZK2处于谷值区，其中在ZK5、ZK2出现次一级谷，在ZK4出现次一级峰，整体自下而上呈现一峰一谷的变化态势。a*、b*、C*变化趋势表现出极强的一致性，说明三者对气候变化的响应同步；但a*变幅 (25.10%)明显大于C*(15.41%)和b*(14.44 %)，说明a*在三者中对气候变化的响应最为敏感。

L*范围为45.36～54.80，均值48.85，变幅20.81%(表3和图2)，自下而上呈现先增大再逐渐减小的波动式变化趋势。各层平均值变化表现为ZK7(52.11)>ZK9(50.72)>ZK8(49.71)>ZK6(49.47)>ZK5(47.82)>ZK3(47.71)>ZK4(46.98)>ZK2(46.98)，自下而上呈现出下层弱砂质古土壤层均值高于上层古风成砂层的特点。

h*范围为67.57～70.10，均值68.52，变幅3.74%(表3和图2)，自下而上先缓慢增大后逐渐减小，ZK6(68.83)值最高，ZK5(68.69)次之、ZK3(68.61)、ZK7(68.59)、ZK2(68.56)、ZK4(68.45)、ZK9(68.37)、ZK8(67.99)最低，整体表现为自下而上一谷一峰的变化趋势。

3.1.2 色度参数的环境意义

ZK9—ZK7以弱砂质古土壤为主体(88%)，中间夹有薄层古风成砂层ZK8，厚度仅为15 cm(12%)，为弱砂质古土壤主导段；ZK6—ZK2古风成砂占60%，弱砂质古土壤层ZK3和ZK5占主体的40%，可视为古风成砂主导段(表1)。

a*和L*均值均表现为ZK9—ZK7高于ZK6—ZK2，且在弱砂质古土壤主导段为高值区，分别为5.98和51.24，在古风成砂主导段值相对较低，分别为5.85和47.82。这说明a*和L*指示相似的气候特征，高值指示气候温暖湿润，水热组合较好，成壤条件好，低值则相反。a*指示的气候意义与其他学者描述一致[8,13,15,22]，其成因主要是弱砂质古土壤层发育时期，气候温暖湿润，水热组合较好，使得风化成壤作用增强，次生氧化铁富集[11]，而a*主要受控于土壤中的致色矿物赤铁矿[36]。L*指示的气候意义与陈旸、陈宗颜等研究的结论截然相反[21,26]，但其适用于干旱-半干旱区，原因可能是L*的主要影响因子有机质在高原地区含量极低，而CaCO3对其影响凸显[37-38]。在较暖阶段，土壤溶液中的水分被大量蒸发，导致溶液中Ca2+浓度升高，Ca(HCO3)2析出结晶形成CaCO3淀积；较冷时期，蒸发量小，CaCO3对水分变化表现较为敏感。CaCO3形成率与降水存在正相关，降水量越高，CaCO3含量就相对较高[38]。菌丝体是土壤中CaCO3淀积后的存在形式[39]，剖面ZK9、ZK7层位可见少量菌丝体(表1)，也说明ZK9、ZK7的CaCO3含量较高，其形成时期的环境较温湿。

h*与a*、L*表现出相反的变化特征，均值在古风成砂主导段值较高(68.64)，弱砂质古土壤主导段相对较低(68.44)，其高值指示风沙活动较强、成壤作用较弱的冷干阶段，这与王海燕等研究的h*高值指示偏干旱的气候特征相符合[11]。其形成原因可能是温湿气候条件下，次生氧化铁富集，导致色调偏向于红色域，且CaCO3在高原地区含量较高，使土壤颜色偏亮，h*偏低[40]。

以上分析表明，色度参数可用于描述不同沉积相层位的气候环境特征。ZK8的a*比ZK9高0.19，因而ZK8温度状况优于ZK9；ZK8的h*较ZK9低0.38，判断ZK8水分状况较ZK9好，因而ZK8水热组合状况优于ZK9，但二者相差不大。ZK剖面位于青藏高原，整体气温偏低，因而ZK8气候最为温湿，ZK9气候较温湿；ZK7的a*较ZK9略低，h*略低于ZK9，说明水分状况及温度状况略差于ZK9，但差距不大，因而判断整体气候也较温湿，所以弱砂质古土壤主导段形成时期以温暖湿润为主要特征。古风成砂主导段，ZK6的h*最高，水分状况较差，a*、L*略低于ZK7，判断整体温干；ZK5的a*略低于ZK6,h*偏低于ZK6，温度与ZK6相差不大，水分状况较ZK6好,判断整体温润；ZK4的L*、h*较ZK5略低，说明ZK4的CaCO3含量较低，说明ZK4水分状况较ZK5差，综合判断ZK4较凉润。ZK3的h*较ZK4高，a*、L*低，整体凉干。ZK2的a*、L*最低，h*与ZK4相差不大，整体气候较冷干。由以上分析可初步判断，9.4 ka以来，ZK剖面的形成环境呈现出由温湿向冷干方向发展的特征。

表3 ZK剖面各参数的垂直变化

3.2 ZK剖面色度参数与其它指标对比分析

为进一步证明色度参数可指示气候环境变化，引用磁化率、SC/D值、SiO2、Fe2O3等代用指标进行深入对比分析。

3.2.1 色度参数与磁化率、SC/D值对比分析

磁化率是沉积物被磁化难易程度的表征，对气候变化响应较为敏感，降水量直接影响风化成壤作用的强度，从而影响铁磁性矿物的产生，降水量多，化学风化作用强，铁磁性矿物富集，磁化率值偏高，反之则磁化率值偏低[41-43]。ZK剖面磁化率范围为2.57×10-8～4.81×10-8m3/kg，均值3.38×10-8m3/kg，变幅22.54%，自剖面底部向上整体呈现波动式先迅速增大后持续减小的态势(表3和图3)，这与a*、L*的变化趋势一致，说明9.4 ka以来整体气候向冷干方向发展，经历了全新世大暖期、中后期的波动变冷期。磁化率在弱砂质古土壤主导段(3.83×10-8m3/kg)明显高于古风成砂主导段(3.10×10-8m3/kg)，这与a*、L*表现出明显的一致性，说明磁化率、a*、L*存在相似的气候响应模式，高值指示气候暖湿，低值则相反。深度320～238 cm处，磁化率与a*变化一致，与L*和h*相反，且磁化率曲线波动幅度较大。L*值偏低可能是因为气候较干，蒸发量较大，CaCO3含量较低。216～150 cm处，磁化率与a*、L*变化一致，与h*相反，4者对应较好，色度参数的变化幅度更大，说明色度参数记录的环境信息敏感性更高。

粒度敏感指数(SC/D值)表示粉砂和黏粒与砂的含量比值，取值范围0～1，值接近于0说明冬季风强盛，气候冷干，风沙活动强；接近于1则表明气候暖湿，成壤作用强，风沙活动弱[29,42]。ZK剖面SC/D值范围为0.27～0.77，均值0.44，变幅25.9%，自剖面底部向上呈现波动式先增大后减小的变化趋势(表3和图3)，ZK9均值(0.53)最高，ZK2(0.34)最低，全剖面均值均表现为下层弱砂质古土壤层高于上层古风成砂层，这与高值出现在弱砂质古土壤层，最低值出现在古风成砂层一致，与a*、L*均值表现的特征也一致，说明a*、L*记录的气候特征与SC/D值相同，指示a*、L*可作为独立指标重建古气候序列。

3.2.2 色度参数与地球化学元素对比分析

SiO2在冷干气候条件下富集，在酸性温湿的气候条件下流失，对湿润度变化的响应较为敏感[44-46]。ZK剖面SiO2含量自底部向上先缓慢减小后逐渐增大(表3和图4)，在弱砂质古土壤主导段表现为低值(65.95%)，在古风成砂主导段出现高值(68.95%)，与h*特征一致，进一步说明了h*高值指示风沙活动强、水热组合较差的冷干环境。

Fe2O3含量高值指示暖湿气候，低值指示冷干环境[47-50]。ZK剖面Fe2O3含量自剖面底部向上呈现三峰三谷的变化态势，各层平均值变化表现为ZK9(3.21%)>ZK5(3.21%)>ZK8(3.17%)>ZK7(3.14%)>ZK6(3.12%)>ZK4(3.09%)=ZK3(3.09%)>ZK2(3.07%)(表3和图4)，除去ZK5，自下而上均值逐渐减小，说明气候向冷干的方向发展，这与色度参数记录的环境变化完全一致。ZK6向ZK5过渡，a*、L*出现小峰区，h*出现谷值， Fe2O3含量增加0.09%， SiO2减少0.11%，说明ZK5层略微回暖增湿，且ZK5色度相较ZK6的a*略低、h*偏低，也表明ZK5层水分状况略有改善，整体呈现温润的气候特征，进一步也说明色度参数相较于Fe2O3、SiO2更为敏感。

3.3 色度参数记录的9.4 ka以来青藏高原东北部环境演变

通过对比分析色度参数与磁化率、SC/D及SiO2、Fe2O3，结合14C年龄测定结果，将青藏高原东北部9.4 ka以来的环境演变划分为9 480～4 290 a BP的温湿期和4 290 a BP至今的冷干期，两阶段水热组合差异较大，并伴有明显的气候突变事件(图5)。

3.3.1 9 480～4 290 a BP温湿期

9 480～4 290 a BP(338～213 cm)：对应于ZK9、ZK8、ZK7层，为弱砂质古土壤主导段。此时期a*和L*处于高值段，h*处于低值段，表明该时期青藏高原东北部东亚夏季风势力较强，气温较高，水分条件较好，成壤环境适宜，发育有厚层弱砂质古土壤层(ZK9和ZK7)；其它代用指标如磁化率、SC/D值、Fe2O3含量均处于较高值，SiO2含量为低值段，进一步说明该阶段气候温湿，这与青海湖湖东沙地8.4～4.2 ka气候相对温暖湿润[51]及9.0～4.2 ka水热组合较好、风沙活动弱[52]相一致。

不同沉积相层位气候变化略有差异：(1)9 480～6 665 a BP(338～282 cm，ZK9)，a*、L*偏高，h*偏低，说明水热组合较好，气候较温湿；磁化率、SC/D值、Fe2O3含量出现峰值，并波动增大，说明气候不断向暖湿方向发展，这与全新世大暖期鼎盛时期7.2～6.0 ka[53]、青藏高原藻类生物量记录的10.5～7.3 ka BP湖面升高[31]、共和盆地粒度记录的9.76～8.09 ka风沙活动弱，环境向暖湿转化[33]、共和盆地地球化学元素记录的9.5～7.2 ka暖湿阶段[50]、古里雅冰心记录的8.0～7.0 ka BP明显暖湿阶段[54]、古里雅冰心记录的7.0～6.0 ka暖期[55]、青海湖14.1～6.5 ka气候温暖潮湿[56]吻合度较高。(2)6 665～6 277a BP(282～267 cm，ZK8)，a*、L*最高，判断水热状况最好，气候温湿；磁化率值较ZK9高、SiO2含量较ZK9低，也印证了ZK8温湿的气候特征，这与靖远地区植被记录的6.9～5.7 ka最温暖湿润阶段[50]完全一致。(3)6 277～4 290 a BP(267～213 cm，ZK7)，a*、h*较ZK9略低，L*最高，水分及温度状况较好，整体较温湿，但a*不断减小，h*不断增大，说明气候有冷干化趋势；同时磁化率、SC/D值不断减小，SiO2含量持续增加，也印证了色度参数记录的环境特征，这与尕海孢粉记录的6.3～5.6 ka山地森林面积减小，湿度增加[49]、全新世7.2～5.1 ka气候波动剧烈，发生降温[53]、陕西洛川6.0～5.0 ka环境恶化期，沙尘暴活动增强[57]、青藏高原红原地区总汞含量记录的6.5～4.0 ka持续向冷干发展[58]相一致。以上分析表明青藏高原东北部9 480～4 290 a BP气候整体温湿，后期有向冷干化方向发展的趋势。

3.3.2 4 290 a BP至今的冷干期

4 290 a BP至今(213～34 cm)：对应于ZK6、ZK5、ZK4、ZK3、ZK2层，为古风成砂主导段。a*、L*、磁化率、SC/D值、Fe2O3含量处于低值段，h*、SiO2含量处于高值段，表明该时期青藏高原东北部东亚夏季风势力退缩，风沙活动增强，气候冷干特征明显；a*、L*、磁化率、SC/D值、Fe2O3含量不断减小，h*不断增大，说明气候持续冷干化。这与青海湖4.5 ka以后气候逐渐恶化[56]、青海湖湖东沙地4.2 ka至今湖泊逐渐消失，气候向冷干方向发展[52]、若尔盖盆地和塔若错湖心高分辨率孢粉记录的3.2 ka BP至今湿润度降低[60]、若尔盖盆地孢粉记录的3.9 ka至今高寒草甸的退化[61]、青藏高原东北部树轮记录的3.0 ka至今环境迅速向冷干转化[62]相一致。L*、h*、SC/D值及Fe2O3、SiO2含量在213 cm出现的突变也印证了划段的科学性，同时也说明存在冷事件，与以4.0 ka为界全新世气候开始恶化[53]、西昆仑山终碛垄记录的4.0 ka冰川始进[55]相吻合。

不同沉积相层位环境变化亦有差异。(1)4 290～2 461 a BP(213～176 cm，ZK6)：h*、SiO2含量偏高，a*、L*略低于ZK7，气候整体呈现温干的特点，这与共和盆地地球化学元素记录的4.78～2.90 ka风成砂沉积，盆地北部冰缘延伸[33]、青藏高原白云岩记录的5.0～3.1 ka高Ca/Mg的干旱时期[31]相印证。(2)2 461～2 002 a BP(176～129 cm，ZK5)：h*较高，a*略低于ZK6，气候环境整体温润，与哈拉湖湖相沉积记录的4 360～2 100 a BP持续干旱的低水期[63]相吻合。(3)2 002～1 709 a BP(129～99 cm，ZK4)：a*略高于ZK5，L*、h*、磁化率、SC/D值、Fe2O3含量较ZK5略低，表明ZK4环境凉润。129 cm处色度参数均出现明显突变，与青海湖湖东沙地2 ka以后气候恶化程度加剧[52]、2 ka以来古里雅冰心中δ18O含量降低，冰川积累量增加[64]吻合，表明2 ka是青藏高原东北部气候的一个明显转折点，此后气候逐渐冷干化。(4)1 709～664 a BP(99～34 cm，ZK3～ZK2)：a*、L*最低，h*最高，气候整体为全段最冷干阶段，与若尔盖泥炭地孢粉记录的1.3～0.5 ka有机质含量达到最低[65]相符。

将ZK剖面色度参数与青海湖QH-2000剖面粗颗粒组分含量、巴西BT石笋氧同位素含量进行对照(图5)，发现三者环境变化特征及趋势一致，说明色度参数具有良好的环境指示意义；ZK剖面4.3 ka和2 ka气候突变与青海湖QH-2000剖面粗颗粒组分含量、巴西BT石笋氧同位素含量记录的突变事件完全吻合，进一步说明了色度参数可精确识别高寒地区的气候突变事件。

4 结 论

本文以青藏高原东北部泽库剖面(ZK)为研究对象，通过研究色度参数(a*、b*、L*、C*、h*)变化特征，辅以磁化率、SC/D、SiO2及Fe2O3数据，在14C测年的基础上恢复并重建了9.4 ka以来青藏高原东北部的环境演变：

(1)色度参数a*、L*自剖面底部向上呈现先增大后减小的态势，且ZK9—ZK7弱砂质古土壤主导段表现为高值，ZK6—ZK2古风成砂主导段处于低值水平；h*自下而上先减小后增大，ZK9—ZK7弱砂质古土壤主导段为低值区，ZK6—ZK2古风成砂主导段处于高值水平；色度参数a*、L*与h*变化趋势相反，指示不同气候特征。

(2)色度参数(a*、L*、h*)可作为有效的代用指标重建古环境，但各参数反映的气候特征及敏感性有差异。a*主要受控于铁磁性矿物赤铁矿，L*主要受控于CaCO3含量，但由于高原地形影响，指示相同的气候特征；a*和L*高值指示东亚夏季风强盛、水热组合状况较好、成壤条件较好的温湿气候，低值则相反。h*主要受控于次生氧化铁及CaCO3含量的综合影响，高值反映水分状况差、风沙活动强的寒冷干旱气候，低值则相反。色度参数对气候突变事件反应灵敏，可用于精确识别高寒区环境演变中的冷暖事件。

(3)青藏高原东北部的环境演变可分为两大阶段：9 480～4 290 a BP的温湿期，青藏高原东北部东亚夏季风势力较强，气温较高，水分条件较好，成壤环境适宜，发育有厚层弱砂质古土壤，气候整体温湿；4 290 a BP至今的冷干期，该时期青藏高原东北部东亚夏季风势力退缩，气温偏低，水分状况较差，风沙活动增强，发育弱砂质古土壤-古风成砂交互层，气候冷干化明显，但交互地层表明4.3 ka以来青藏高原东北部气候存在明显波动，整体表现为温干→温润→凉润→冷干。

致谢：衷心感谢审稿专家专业且富有建设性的修改意见，对中国科学院地球环境研究所加速器质谱中心在14C年龄测定、中国科学院西北生态环境资源研究院陈惠中研究员在野外考察及采样中给予的帮助与支持表示最诚挚的谢意。