山東章丘黃土剖面色度研究

韓洪軍,陳海濤,孔凡彪，彭凱凱 ,徐樹建

(1.沂水縣水利局，山東 沂水 276400；2.山東省沉積成礦作用與沉積礦產重點實驗室 山東科技大學地球科學與工程學院，山東 青島 266590；3.山東省水土保持與環境保育重點實驗室臨沂大學資源環境學院，山東 臨沂 276005；4.山東師范大學 地理與環境學院，山東 濟南 250014)

0 引言

中國黃土蘊含著新近紀以來地質環境演化的豐富信息[1～6].對于黃土方面的研究我國多在黃土高原地區，我國東部的研究相對薄弱.關于黃土色度的研究可以追溯到20世紀60年代，近年來，隨著測量黃土顏色的各種技術方法改進，有關黃土色度的研究頗受關注[7～14]，在多個時間尺度上都得到了很好的應用.色度指標具有更好的優點：(1)能夠靈敏的反映出沉積物中的環境變化信息；(2)測量方法簡單，測量工具便捷，測量結果直觀；(3)測試所需費用節省.在CIELAB表色系統中，包括L*，a*和 b*三個參數，L*是亮度，a*是紅度，b*是黃度.CIELAB 表色原理是基于照明光源能量分布狀況、物體反射光譜特征和顏色感應器的光譜響應特征共同作用的結果為前提.CIELAB表色系統定量地體現顏色的空間表達，減少了人為主觀判斷的誤差而使描述更加客觀[15].

本文主要探討山東章丘黃土剖面色度參數與粒度指標之間的關系，討論色度參數反映氣候變化的可能性.

1 材料與方法

1.1 剖面概況：

章丘黃土剖面位于濟南市章丘區黑峪村，地理位置：117o31′11″E，36o32′26″N，為人工開采出的新鮮剖面，出露高度為14.5m，下部未見底，剖面底部海拔約為260m，在深度670-710cm和1270-1320cm處有兩層礫石層，分別稱為礫石層G1、G2(本文不作研究).

1.2 實驗方法

以10cm等間距自下而上采集色度樣品137個，在山東省水土保持與環境保育重點實驗室測試完成.使用柯尼卡美能達公司生產的CM-700d分光測色計進行測量，其中測試參數為CIE D65標準光源(色溫為6500K)，觀察視野為10°，孔徑為8mm.儀器采用鏡面反射光和漫反射光(SCI)測量模式，同一樣品在不同區域測量3次取其平均值，使誤差小于0.07，儀器測量范圍為360～850nm，掃描間隔為1nm.

測量的具體步驟如下：取10g左右樣品放入40℃的烘箱里烘干，然后用瑪瑙研缽將樣品研磨均勻至200目以下;使用零校正盒CM-A182和白板校正器進行儀器零位校正和白板校正.使用后，取樣品放于載玻片凹槽中壓實、壓平，將待測樣品放于Konica Minolta公司生產的CM-700 d分光測色計上進行測試，同一樣品在不同區域測量3次取其平均值，使誤差小于 0.07；進行光譜掃描，得到每個樣品的光譜曲線.在使用分光測色計測量章丘黃土剖面黃土樣品的測量結果中，分別確定紅度、黃度、亮度的變化范圍與平均值和最大值出現點等各項數據，并利用相關程序繪制曲線變化圖，對比分析得出結果.

樣品粒度測試方法見文獻[16].

2 結果分析

2.1 章丘黃土剖面色度特征

章丘黃土剖面色度測試結果見圖1.從圖中可以看出，章丘黃土剖面中亮度(L*)值的變化波動較大，變化幅度介于54.26～61.57，平均值為59.34.不同地層其L*值各有差異，表現為0-400cm現代耕作層的L*值整體大于礫石層G1(剖面上部礫石層)上部黃土層，且呈逐漸增加趨勢，變化范圍為54.26～61.44，平均值為59.33；而400-670cm礫石層G1上部黃土層的L*整體呈逐漸減小趨勢，變化范圍為56.71～60.61，平均值為58.54；710～1260cm礫石層G2(剖面下部礫石層)上部黃土層的L*值整體呈先增加后減少趨勢，最大值在990cm處，變化范圍為55.43～61.57，平均值為58.10；1320～1450cm礫石層G2下部黃土層平均值為57.36.

章丘黃土剖面中紅度a*值變化整體趨于穩定，變化幅度很小，介于5.87～7.35，平均值為6.75，不同地層其a*值差異也較小.表現為0-440cm現代耕作層的a*值變化范圍在6.04～6.8之間，平均值為6.45；礫石層G1上部黃土層的a*值變化范圍在6.03～7.05之間，平均值為6.62；礫石層G2上部黃土層的a*值變化范圍在5.87～7.35之間，平均值為6.81；礫石層G2下部黃土層a*值的變化范圍為6.58～6.86，平均值為6.69.

章丘黃土剖面中黃度b*值的變化范圍在14.91～17.61之間，其變化幅度較大，平均值為17.03，且在不同地層中變化趨勢與a*相似，表現為0-400cm現代耕作層呈減小趨勢，變化范圍在16.69～17.81之間，平均值為17.22；礫石層G1上部黃土層呈先增加后減少趨勢，平均值為16.95；礫石層G2上部黃土層平均值為17.03；礫石層G2下部平均值為16.46，此深度上b*平均值在整個剖面中達到最小值，b*值在整體上變化趨勢不大.

2.2 章丘黃土剖面a*/b*值特征

章丘黃土剖面a*/b*值與L*相比有相反的變化趨勢.讀圖可知其變化范圍為0.36～0.40，變化幅度較大，平均為0.40.a*/b*比值的分布趨勢在不同深度上變化不是很明顯，最高值出現在礫石層G2下部黃土層，平均值為0.41；現代耕作層的a*/b*值平均為0.37；礫石層G1上部黃土層的a*/b*值較小，平均為0.39；礫石層G2上部黃土層的a*/b*值平均為0.40.

3 討論

3.1 章丘黃土剖面亮度L*的意義

亮度L*主要反映土壤的明暗程度.前人研究表明，土壤的亮度主要受土壤的粗糙程度、濕度的影響.但在實驗前期處理時期，已通過統一烘干和研磨將這類對亮度結果的影響降至最低，以減小實驗誤差.亮度與土壤中有機質或有機碳的含量呈線性相關，而其相關系數根據不同地區不同土壤的發育而不同，最高可達0.9以上.在章丘黃土剖面中，L*在各地層中的平均值逐漸減小，推斷在其形成時期降水量較少.

3.2 章丘黃土剖面紅度a*，黃度b*以及a*/b*的意義

紅度a*，黃度b*以及a*/b*不僅表現為土壤顏色的變化，而且能反映土壤內部結構組分的改變.沉積物色度的變化主要來源于致色礦物類型和含量的變化[17]，前人研究結果表明，紅度a*受土壤有機質含量和碳酸鹽礦物的影響有限，對其影響最大的是鐵氧化物[18]；b*值受控于氣溫和降水的變化；楊勝利[11]等認為黃度b*值與氣溫和降水具有很強的線性相關性，即b*值隨著氣溫和降水的增加而增加；a*/b*表示紅度和黃度的比值，同時間接指示了黃土發生化學成分改變和分解的程度.

3.3 章丘黃土剖面色度參數與粒度的相關分析

CIELAB表色系統使用L*，a*和b*三個參量描述均勻連續的顏色空間，各顏色坐標分量之間是相互聯系、相互影響的整體[19～21].由表2可得知，L*與a*的相關系數R為-0.407，呈顯著的負相關，從而得出L*值隨著a*值的增加而變小[22].L*與b*的相關系數R為0.481，呈正相關關系，且二者具有基本一致的變化趨勢(見表1)，說明L*值在一定程度上隨著b*值的變化而變化；L*值與a*/b*值相關系數R=-0.756，呈負相關關系，說明L*值隨著a*/b*值增大而減小.L*與小于5μm粒級沉積物的相關系數R為0.003，呈正相關關系，與5-63μm粒級沉積物的相關系數R為0.084，呈正相關關系，與大于63μm粒級沉積物的相關系數R為-0.124，呈負相關關系.a*與小于5μm粒級沉積物的相關系數R為0.223，呈正相關關系，與5-63μm粒級沉積物的相關系數R為-0.020，呈負相關關系，與大于63μm粒級沉積物的相關系數R=-0.319，呈負相關關系.b*與小于5μm粒級的沉積物的相關系數R為0.037，呈正相關關系，與5-63μm粒級的沉積物的相關系數R=0.130，呈正相關關系，與小于63μm粒級沉積物的相關系數R為-0.242，呈負相關關系.a*/b*與小于5μm粒級沉積物的相關系數R為0.207，呈正相關關系，與5-63μm粒級的沉積物的相關系數R為-0.109，呈負相關關系，與大于63μm粒級沉積物的相關系數R為-0.167，呈負相關關系.因此，在粒度各粒級之中，色度參數與<5μm粒級之間的沉積物具有最大的正相關關系.

表1 章丘黃土剖面色度參數與粒度的相關分析

＊＊表示在0.01水平上顯著相關

圖1 章丘黃土剖面色度參數與粒度各粒級參數變化曲線

4 結論與展望

本文對山東章丘黃土剖面進行了色度參數分析，并與粒度各粒級之間進行相關性分析，初步得出以下結論：

(1)章丘黃土剖面中的L*值變化波動較大，變化幅度在54.26～61.57之間，平均值為59.34，不同地層的L*值各不相同；章丘黃土剖面中的紅度a*值的變化整體趨于穩定，變化幅度很小，介于5.87～7.35，平均值為6.75，不同地層其a*值差異也較小；章丘黃土剖面中的黃度b*值變化趨勢與a*相似，變化范圍在14.91～17.61之間，變化幅度較大，平均值為17.03.

(2)章丘黃土剖面中的a*/b*值的變化趨勢與L*呈現相反的變化，變化范圍為0.36～0.40，變化幅度較大，平均值為0.40，a*/b*比值的分布趨勢在不同深度上變化不是很明顯，最高值出現在礫石層G2下部黃土層，平均值為0.41.

(3)在粒度各粒級之中，色度參數與小于5μm粒級的沉積物具有最大的正相關關系.L*與a*的相關系數R為-0.407，呈顯著的負相關.L*與b*的相關系數R為0.481，呈正相關關系；L*值與a*/b*值相關系數R=-0.756，呈負相關關系.L*與5-63μm粒級沉積物的相關系數R為0.084，呈正相關關系，與大于63μm粒級沉積物的相關系數R為-0.124，呈負相關關系.a*與小于5μm粒級沉積物的相關系數R為0.223，呈正相關關系，與5-63μm粒級沉積物的相關系數R為-0.020，呈負相關關系，與大于63μm粒級沉積物的相關系數R=-0.319，呈負相關關系.b*與小于5μm粒級的沉積物的相關系數R為0.037，呈正相關關系，與5-63μm粒級的沉積物的相關系數R=0.130，呈正相關關系，與小于63μm粒級沉積物的相關系數R為-0.242，呈負相關關系.a*/b*與小于5μm粒級沉積物的相關系數R為0.207，呈正相關關系，與5-63μm粒級的沉積物的相關系數R為-0.109，呈負相關關系，與大于63μm粒級沉積物的相關系數R為-0.167，呈負相關關系.

本文通過章丘黃土剖面色度指標與參數分析得出了初步結論，基于黃土環境意義本身的復雜性，僅通過一個剖面的一個指標來分析，難免有偏頗之處.今后還需要與礦物學、元素地球化學、同位素地球化學以及其它環境代用指標進行綜合集成研究，并與其它區域的黃土剖面開展對比研究，才能得出更科學的結論.

致謝： 感謝臨沂大學資源環境學院賈廣菊、邱雨、李敏在野外樣品采集與實驗分析中的幫助.