颜色是沉积物最直观的特征之一^[1]，是可见光波段中沉积物的反射光谱特征，可以指示不同沉积物的发育程度和形成时的沉积环境^[2-3]，对重建古环境具有重要意义。色度参数变化受气候因素对沉积物性质和成壤环境的影响^[4]，与沉积物中水分、有机质、碳酸盐、铁氧化物含量、黏土矿物类型等属性密切相关^[3-6]。近年来随着研究的不断深入，色度在黄土古气候重建方面得到了广泛的应用，方小敏等^[7]在研究兰州地区千年尺度上夏季风的不稳定性时，首次将色度作为气候替代指标；王千锁等^[8]研究了黄土高原朝那剖面末次冰期-间冰期旋回的沉积序列，认为根据色度变化能很好地识别弱黄土-古土壤层；陈一萌等^[9]对塬堡剖面的研究认为，土壤颜色记录的环境信息在多个时间尺度上是可靠的，在末次冰期的效果最显著；李越等^[10]分析了新疆昭苏黄土剖面的色度特征，认为色度参数变化与不同的影响因素有关。研究表明，色度参数中亮度（L^*）值主要受控于碳酸盐和有机质的含量，红度（a^*）值主要受控于铁氧化物特别是赤铁矿含量，黄度（b^*）值变化则与针铁矿含量关系密切^[11]，而且3个参数之间也会互相影响^[12]。因此，色度通常与粒度、磁化率、有机质、CaCO₃含量、地球化学元素等指标结合使用，在古气候研究中发挥了重要作用。

与研究成果丰富的黄土高原沉积序列相比，关于色度在亚热带湿润区晚第四纪砂质沉积中的研究十分少见。鄱阳湖湖滨地区广泛分布着一系列风沙沉积，前人对沉积特征、地质年代和古气候变化等方面进行了许多研究，确定其主体为晚更新世风沙堆积。位于南昌市的厚田沙地是鄱阳湖南部典型的河岸风沙化土地，存在沙丘砂-砂质古土壤沉积序列。前人采用光释光测年技术（OSL）构建年代学框架，依据粒度指标探讨了厚田剖面的沉积特征及古环境意义，揭示该区域气候在末次冰期经历了数次明显的冷暖旋回变化^[13-14]。本文在野外调查和前人研究的基础上，测试了该剖面的色度参数 L^*、a^*和b^*，并与平均粒径^[13]、洛川黄土磁化率^[15]、古里雅冰芯^[16]等指标进行对比，探讨色度特征及其反映的气候变化规律。

1.   区域概况

厚田沙地位于江西省南昌市新建区厚田乡，赣江和锦江交汇处西岸（28°25′～28°30′N、115°46′～115°48′E），面积2.8 km²，海拔15～48 m^[17]（图1）。区域内以风化剥蚀岗地和侵蚀堆积平原为主要地貌特征，由于赣江和锦江在此交汇，水面展宽，流速慢，泥沙易沉积。气候类型为亚热带湿润季风气候，具有四季分明、雨热同期的特点，年均气温17.7 °C，年均降雨量1549.2 mm，年均风速4.3 m/s^[18]，夏季盛行东南风而冬季盛行北风和北北东风，箕状盆地地形使盛行风的“狭管效应”显著，风速较大且风力强劲，≥8 m/s风速的年均出现天数达76天，≥10 m/s风速的出现天数平均达25天^[19]。物源丰富、干季与风季同步等有利自然条件，最终在此形成了独特的沙质荒漠化景观。地带性植被是亚热带常绿阔叶林，但厚田沙地以沙地植物为主，种类主要有单叶蔓荆（Vitex trifolia）、湿地松（Pinus elliottii）、球柱草（Bulbostylis barbata）、狗牙根等（Cynodon dactylon）。

图  1  厚田剖面研究区域和采样点位置

a: 南昌地区图，b: 剖面位置图。

Figure  1.  The study area and sampling site location of the Houtian section

a：Map of Nanchang area，b：map of the sampling site (marked by a star).

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剖面位于沙地东侧边缘，呈自然出露状态，各地层之间的沉积相对连续，呈现多个沉积旋回，未见明显间断^[13-14]。实测剖面末次冰期沉积的厚度为5.74 m，根据沉积物的岩性、颜色和地层接触关系，可判断其由沙丘砂层和砂质古土壤层两种沉积相叠覆堆积组成，自上而下共6个层位，详细的地层特征描述见表1。以2 cm等间距在剖面垂直方向上连续采集287个样品用于色度分析，同时在HT1顶部、深度1.74 m处、HT4顶部、HT5顶部、HT6顶部与底部分别采集了6个OSL测年样品^[13]。

表  1  厚田剖面地层特征描述

Table  1.  Description of stratigraphic characteristics of the Houtian section

地层分层	深度/m	地层特征
HT1	0～0.50	黄红色沙丘砂层，松散，含较多植物根系
HT2	0.50～1.34	浅棕红色砂质古土壤层，较松散，含黄红色斑点
HT3	1.34～2.64	上部为黄红色砂质古土壤层，松散且无层理；下部为浅棕红色—黄红色中细砂，较紧实， 含较多铁质结核与斑点
HT4	2.64～3.44	黄红色沙丘砂层，松散，含较多云母片
HT5	3.44～4.24	浅棕红色砂质古土壤层，紧实
HT6	4.24～5.74	灰白色沙丘砂层，松散

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2.   实验方法与结果

2.1   年代测试方法与结果

确定沉积物形成年代最常用的测试方法是OSL技术^[20]，已广泛应用于沙漠和黄土的年代学框架构建中。6个OSL测年样品由河北省石家庄市国土资源部地下水矿泉水及环境监测中心完成，仪器为Daybreak 2200光释光仪，年代测试结果和参数见文献[13]。以HT1顶部的14.9 ka和HT3的29.7 ka结果为控制点，利用沉积速率内插法计算出HT1底部的年代为19 ka，HT2底部为26.5 ka，根据实验结果可建立年代学框架（图2）。

图  2  厚田剖面的地层序列与年代学框架^[13]

Figure  2.  Stratigraphic sequence and chronological framework of the Houtian section^[13]

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由图2可知，厚田剖面的沙丘砂-砂质古土壤沉积序列形成于77.0 ka（HT6底部）至14.9 ka（HT1顶部）之间，与深海氧同位素记录的末次冰期起止年代较为接近，可推断其属于末次冰期的风成沉积物^[13-14]。沙丘砂层包括HT6、HT4和HT1，其发育时间为HTS4（77.0～57.1 ka）、HTS3b（49.7～36.8 ka）和HTS2晚期（19.0～14.9 ka），分别对应于深海氧同位素的MIS4、MIS3b和MIS2晚期^[21]；砂质古土壤层包括HT5、HT3和HT2，发育时期为HTS3c（57.1～49.7 ka）、HTS3a（36.8～26.5 ka）和HTS2早期（26.5～19.0 ka），分别对应于深海氧同位素的MIS3c、MIS3a和MIS2早期^[21]。

2.2   色度测试方法与结果

CIELAB表色系统是目前最常用的颜色描述和测量系统之一，利用参数L^*（亮度）、a^*（红度）和b^*（黄度）的数值直接定量描述任何连续均匀的颜色空间^[22]：L^*值介于黑（0）至白（100）之间；a^*值介于红（+60）至绿（−60）之间；b^*值介于黄（+60）至蓝（−60）之间^[23]。为补充色度研究结论，特引进a^*/b^*、C^*和h^*指标，其中a^*/b^*为红度值和黄度值的差异大小；C^*为饱和度值，指示沉积物颜色的鲜艳程度，计算公式为C^*=$\sqrt {a^{*2}+b^{*2}} $；h^*为色调角度值，公式为h^*=arctan（a^*/b^*）^[24]。

实验仪器为国产YT-ACM全自动色度仪。为避免粒径和水分对测试结果造成干扰，首先将低温烘干的样品研磨至过200目分析筛，然后将待测样品放入仪器的圆盘压实，每个样品分别测量3次，取其L^*、a^*和b^*数值的平均值^[25]，实验结果见表2。

表  2  厚田剖面色度分段变化规律

Table  2.  Variation of chromaticity in different vertical sectors of the Houtian section

色度参数		层位
		HT1	HT2	HT3	HT4	HT5	HT6
L*	范围	58.32～66.57	61.00～66.83	56.08～63.94	56.80～67.86	58.87～69.23	56.89～69.71
	平均值	62.93	63.84	60.53	62.82	63.08	65.01
a*	范围	11.66～14.21	11.85～15.13	11.72～14.34	9.81～13.59	10.18～13.04	8.25～12.98
	平均值	12.94	13.73	13.24	12.40	12.23	10.49
b*	范围	29.06～32.38	30.22～34.65	31.57～35.83	29.39～36.41	29.82～33.38	28.08～34.42
	平均值	30.48	32.30	33.84	32.77	31.67	30.49
a*/b*	范围	0.390～0.448	0.389～0.443	0.371～0.412	0.333～0.403	0.341～0.401	0.279～0.385
	平均值	0.424	0.425	0.391	0.378	0.386	0.343
C*	范围	31.66～35.20	32.46～37.81	33.68～38.50	31.01～38.85	31.51～35.80	29.47～36.79
	平均值	33.11	35.10	36.34	35.04	33.96	32.25
h*	范围	0.372～0.421	0.371～0.417	0.355～0.390	0.321～0.383	0.329～0.381	0.272～0.367
	平均值	0.401	0.402	0.373	0.361	0.368	0.330

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由表2可知，色度参数的变化在不同沉积相的层位上产生了较大差异：L^*整体表现为沙丘砂层的均值高于砂质古土壤层。a^*、b^*、a^*/b^*、C^*和h^*各指标的变化规律相似，均表现为砂质古土壤层的均值高于沙丘砂层。

3.   结果与讨论

3.1   色度指标的相关性分析

CIELAB表色系统是一种对颜色进行定量描述的系统，不同颜色坐标分量之间也会相互影响^[26]，对部分色度参数进行相关性分析，结果如图3所示（图中R²为决定系数，是对模型进行线性回归后，评价回归模型系数的拟合优度）。

图  3  厚田剖面色度指标的相关关系图

Figure  3.  Correlation of chromaticity indices of the Houtian section

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由表3可知，L^*和a^*的相关系数为−0.7041，L^*随a^*的增大而减小；L^*和b^*的相关系数为−0.8391，L^*随b^*的增大而减小，说明L^*分别与a^*和b^*呈明显的负相关关系。研究发现土壤中致色矿物含量对土壤颜色变化的影响最大，特别是赤铁矿和针铁矿含量的变化^[27]，赤铁矿含量越高土壤越红，针铁矿含量越高土壤越黄，a^*和b^*数值的变化可能对该区域L^*值产生较大影响^[28]。a^*与b^*的相关系数为0.7829，二者呈明显的正相关关系，说明影响a^*与b^*数值变化的因素可能相同。C^*与b^*的相关系数为0.9876，h^*与a^*的相关系数为0.9135，呈现出高度的正相关关系，而L^*与h^*的相关系数仅为−0.4707。

表  3  色度参数L^*、a^*、b^*与色饱和度C^*、色调角h^*的相关性分析

Table  3.  Correlation between chromaticity indices L^*, a^*, b^*, color saturation C^* and hue angle h^*

色度参数	L*	a*	b*	C*	h*
L*	1
a*	−0.7041	1
b*	−0.8391	0.7829	1
C*	−0.8398	0.8707	0.9876	1
h*	−0.4707	0.9135	0.4643	0.5968	1

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3.2   色度的古环境意义及影响因素

沉积物色度产生差异的根本原因，在于不同地层中致色物质的含量或比例不同，或是环境条件的改变在风化成壤过程中形成了新的致色矿物^[8]，如有机质的产生或分解、含铁矿物的迁移或转化等^[6]，都会使色度记录的古环境信息发生改变。

L^*值指土壤的明暗程度，其变化与土壤湿度、粗糙度、有机质含量等因素关系密切，实验前烘干和研磨样品，已尽量减少湿度和粗糙度对测试结果可能造成的影响。研究表明土壤中有机质含量越高，则土壤颜色越暗，L^*值就越低^[9]。有机质含量主要与一定气候条件下植被的生长状况有关，气温升高、降水增多的环境条件有利于植物生长发育，促进土壤中有机质的累积，因此剖面L^*值变化的实质是对区域水热条件改变的响应^[29]。由图4可知，L^*值曲线在剖面不同层位中的震荡幅度较大，变化范围为56.08～69.71，均值为63.07，变化幅度为24.30%，L^*值在全剖面上整体表现为沙丘砂层的均值（64.01）高于砂质古土壤层（62.17）。说明沙丘砂层（HT1、HT4和HT6）形成时期有机质的含量较低，植物生长状况不好，指示干冷气候；砂质古土壤层（HT2、HT3和HT5）时期有机质的含量较高，植物生长状况良好，指示暖湿的气候。

图  4  厚田剖面色度参数L^*、a^*、b^*与色饱和度C^*、色调角h^*的垂直变化

Figure  4.  Vertical changes of chromaticity indices L^*, a^*, b^*, C^* and h^* in the Houtian section

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a^*值反映沉积物形成时期的水热组合情况，沉积物中铁氧化物特别是赤铁矿是使其颜色发生变化的主要原因，赤铁矿含量越高，沉积物的颜色就越红，a^*值则越大^[30]。夏季风盛行时期为湿热的气候条件，强烈的风化成壤作用会加速土壤的淋溶与分解，淋失大量矿物组分，由于铁元素相对稳定而难以发生迁移，其氧化物在土壤分解时会发生累积，使赤铁矿含量升高，红度a^*值随之升高^[31]。由图4可知，a^*值的变化范围为8.25～15.13，均值为12.31，变化幅度为83.39%。a^*值在全剖面上整体表现为砂质古土壤层的均值（13.10）高于沙丘砂层（11.47），说明砂质古土壤层（HT2、HT3和HT5）形成时期的水热条件良好，风化成壤作用强，形成的赤铁矿含量高，指示湿热的气候条件；沙丘砂层（HT1、HT4和HT6）时期的风化成壤作用弱，导致赤铁矿含量降低，指示干冷的气候。

b^*值与a^*值相比，影响其变化的因素比较复杂，杨胜利等^[11]认为b^*值变化主要与土壤中黄色的针铁矿有关。针铁矿形成与气候条件的关系密切，在气温和降水增加的环境下，强烈的风化成壤作用会使土壤中的易分解成分大量淋失，铁氧化物累积，有利于针铁矿及其他铁氧矿物形成^[32]，厚田地区受亚热带湿润季风气候的影响，雨热同期，有利于针铁矿的形成，使b^*值增大。由图4可知，b^*值的变化范围为28.08～36.41，均值为32.00，变化幅度为29.67%，b^*值全剖面上整体表现为砂质古土壤层的均值（32.81）高于沙丘砂层（31.14）。a^*和b^*的曲线升降趋势呈现相近的同向变化特征，说明影响二者变化的因素都与铁元素有关，可能受控于气候条件。砂质古土壤发育时期针铁矿的含量高，指示湿热的气候环境；沙丘砂层形成时期针铁矿含量低，指示干冷的气候环境。

从图4可以看出a^*/b^*曲线的变化趋势与a^*值曲线相似，其变化范围为0.279～0.448，均值为0.384，变化幅度达74.91%，整体表现为砂质古土壤层的均值（0.401）高于沙丘砂层（0.382）。色饱和度C^*和色调角h^*是红度a^*和黄度b^*的衍生参数，因此具有一定的相关性^[25]。C^*值越大表示颜色越鲜艳；h^*值越大表示颜色越黄，角度越小表示颜色越红^[24]。C^*与b^*的变化趋势几乎一致，而h^*与a^*的趋势更为接近，C^*值在全剖面变化范围为29.47～38.85，均值为34.30；h^*值在全剖面变化范围为0.272～0.421，均值为0.366。C^*值和h^*值与a^*和b^*指示的气候变化规律相似，二者作为色度参数的补充，有利于对沉积物颜色进行全面描述。

通过以上讨论可以得出，各色度参数指示环境的敏感程度存在差异：L^*的高值表明区域内水热组合条件较差，指示干燥寒冷的冬季风环境，低值则相反；而a^*、b^*、C^*和h^*的高值表明水热组合条件较好，指示温暖湿润的夏季风环境，低值则相反，色度指标较好揭示了厚田地区的气候变化特征。

4.   色度与其他气候指标揭示的古环境意义

色度参数在不同环境和沉积物中的意义可能会不同，因此要结合其他代用指标才能准确地重建古环境。鹿化煜^[33]等研究了洛川黄土剖面的粒度，认为粗粒级颗粒含量受东亚冬季风强度的影响最大，是记录冬季风强度变化的良好指标；安芷生等^[34]认为黄土磁化率与土壤中的铁磁矿物含量有关，暖湿环境下的强烈风化成壤作用会将大量粗粒铁磁性矿物分解成细粒铁磁性矿物，使磁化率升高，是指示东亚夏季风强度变化的指标。冰芯是第四纪研究的重要载体之一，对气候变化的响应十分敏感。本文选取前人研究中厚田剖面的平均粒径（Mz）^[13]、洛川黄土的磁化率^[15]和古里雅冰芯中δ¹⁸O含量的记录^[16]与本文的色度参数L^*、a^*和b^*进行对比（图5），结果显示了良好的对应关系。

图  5  厚田剖面亮度L^*、红度a^*、黄度b^*、平均粒径^[13]与洛川黄土磁化率^[15]和古里雅冰芯δ¹⁸O^[16]的比较

Figure  5.  Comparison in brightness (L^*), redness (a^*), yellowness (b^*), and medium size (Mz)^[13] of the Houtian section with the magnetic susceptibility of Luochuan loess^[15] and δ¹⁸O of Guliya ice core^[16]

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HTS4：为HT6地层，深度4.24～5.74 m，年代77.0～57.1 ka，对应于MIS4阶段。由图5可知L^*值曲线自下而上有逐渐升高的趋势，在曲线上呈现出波峰，达到全层段的最高值（69.71），表明土壤中有机质的含量减少。a^*值和b^*值曲线的变化趋势与L^*相反，在曲线上呈现为低谷，分别达到全层段的最低值（10.49和30.49），表明土壤中铁氧化物的含量减少。可知这一时期冬季风盛行，水热条件差，沙丘砂开始发育，指示干燥寒冷的气候环境。Mz（1.50 Ф）最粗，其曲线位于波谷段，表明此时期温度较低，强烈的冬季风将粗颗粒沉积物搬运到阶地上沉积下来，且风化成壤作用强度较弱，分解的细颗粒沉积物较少^[13]。该阶段对应同期洛川黄土磁化率曲线^[15]的波谷和古里雅冰芯δ¹⁸O含量曲线^[16]的波峰，同样表明冬季风盛行，降水量减少，风化成壤作用分解的细粒铁磁性矿物较少，也指示干冷的气候环境。

HTS3c：为HT5地层，深度3.44～4.24 m，年代57.1～49.7 ka，对应于MIS3c阶段。L^*均值为63.08，接近于全层段均值（63.07），L^*值曲线开始逐渐下降，表明土壤中有机质的含量增加；a^*均值（12.23）和b^*均值（31.67）都略低于全层段平均值（12.31和32.00），二者曲线均呈上升趋势，表明土壤中铁氧化物含量较上一阶段开始增多。推断这一时期由夏季风占主导，水热条件良好，砂质古土壤开始发育，指示温暖湿润的气候环境。Mz（2.60 Ф）偏细，说明该时期的风化成壤作用较强，粗颗粒沉积物被分解得到了大量细颗粒沉积物，指示以夏季风为主导的暖湿气候^[13]。对应洛川黄土磁化率曲线^[15]的波峰段和古里雅冰芯δ¹⁸O含量曲线^[16]的波谷段，说明此时期的水热条件良好，风化成壤作用强，分解的细粒铁磁性矿物较多，也指示暖湿的夏季风气候环境。

HTS3b：为HT4地层，深度2.64～3.44 m，年代49.7～36.8 ka，对应于MIS3b阶段。L^*均值为62.82，低于全层段均值（63.07），自下而上呈逐渐上升的趋势，在曲线上呈现为高峰，表明土壤中有机质的含量减少；a^*值（12.40）和b^*值（32.77）自下而上逐渐下降，但仍高于全层段平均值（12.31与32.00），表明土壤中铁氧化物的含量也减少。推断这一时期夏季风减弱，开始盛行冬季风，水热条件较差，沙丘砂发育，指示干燥寒冷的气候环境。Mz（2.04 Ф）略粗，自下而上呈逐渐降低的趋势，其曲线位于波谷段^[13]。同期洛川黄土磁化率曲线^[15]呈现低谷，古里雅冰芯中δ¹⁸O含量的曲线^[16]呈现为高峰，说明此阶段仍以暖湿的气候环境为主，但也出现了夏季风减弱的干冷时期。

HTS3a：为HT3地层，深度1.34～2.64 m，年代36.8～26.5 ka，对应于MIS3a阶段。L^*均值为60.53，低于全层段的均值（63.07），L^*值曲线开始逐渐下降，表明土壤中的有机质含量增加。a^*值（13.24）和b^*值（33.84）的曲线呈现上升趋势，略高于全层段平均值（12.31和32.00），表明土壤中的铁氧化物含量较上一阶段增加。推断此时期夏季风盛行，水热条件良好，砂质古土壤发育，指示温暖湿润的气候环境，可知这一时期的气候变化与MIS3c阶段相似，但温润程度明显低于MIS3c阶段。Mz（3.13 Ф）偏细，推断以夏季风为主导的暖湿气候使风化-成壤作用增强，分解大量粗颗粒沉积物，使细颗粒沉积物大量增加^[13]。对应于同期洛川黄土磁化率曲线^[15]的峰值和古里雅冰芯δ¹⁸O含量曲线^[16]的低值，说明该时期夏季风增强，温度较高，降水量较多，是风化成壤作用最强的暖湿气候环境。

HTS2早期：为HT2地层，深度0.50～1.34 m，年代26.5～19.0 ka，对应于MIS2阶段早期。L^*均值63.84，较全层段均值（63.07）略高，从低位开始上升；a^*值和b^*值开始逐渐下降，二者均值（13.73和32.30）仍分别高于全层段平均值（12.31和32.00），表明土壤中的有机质和铁氧化物含量开始下降。说明这一阶段夏季风仍占主导地位，但其势力在逐渐减弱，水热条件开始变差，指示由温暖湿润向干燥寒冷气候转变的过程。Mz（3.34 Ф）最细，风化成壤作用较强，说明水热条件良好，此时期气候仍主要为暖湿气候^[13]。同期的洛川黄土磁化率曲线呈现为峰值^[15]，古里雅冰芯δ¹⁸O含量的曲线^[16]在震荡中从高位下降，反映在末次冰期冰盛期早期仍以温润的气候为主，但也开始了由暖湿向干冷气候转变的过程。

HTS2晚期：为HT1地层，深度0～0.5 m，年代19.0～14.9 ka，对应于MIS2阶段晚期。L^*均值为62.93，较全层段的均值（63.07）略低，震荡幅度较大，但上升趋势明显，表明土壤中有机质的含量减少；a^*值（12.94）接近于全层段的均值（12.31），b^*值（30.49）低于全层段均值（32.00），二者曲线均出现由下至上逐渐下降的变化趋势，表明土壤中的铁氧化物含量减少。说明此时期内盛行冬季风，沙丘砂发育，水热条件变差，指示干冷多风的气候环境。Mz（3.07 Ф）偏粗，其值也有逐渐减小的趋势^[13]，说明这一时期风化成壤作用较弱，粗颗粒沉积物较多。同期的洛川黄土磁化率在曲线上^[15]呈现为低谷，古里雅冰芯δ¹⁸O含量在曲线上^[16]呈现峰值，二者的变化趋势与MIS2早期一致，表明是从夏季风盛行到冬季风占主导的过程，反映MIS2阶段气候是由早期的暖湿向晚期的干冷转变。

5.   结论

（1）南昌市厚田沙地经历了由冬季风占主导，降水减少，气候干冷（HTS4：77～57.1 ka）→夏季风盛行，降水增多，气温上升（HTS3c：57.1～49.7 ka）→夏季风开始减弱，降水减少（HTS3b：49.7～36.8 ka）→夏季风增强，降水增多，气温上升（HTS3a：36.8～26.5 ka）→暖湿开始转向干冷（HTS2早期：26.5～19.0 ka）→冬季风增强，降水减少（HTS2晚期：19.0～14.9 ka）的冷暖旋回变化，很好地反映了厚田地区的降水和气温等古气候变化信息。

（2）将厚田剖面与东亚季风区古气候进行对比，发现其与洛川黄土磁化率和古里雅冰芯记录的东亚季风强度变化具有较好的一致性，说明将色度作为指示东亚季风区古气候变化规律的适用指标具有一定的可行性。