青藏高原东部表层土壤色度的空间变化特征及其环境意义
时间：2023-06-01 10:05:25 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
陈梓炫，杨胜利，粟娅婷，刘晓静，陈慧，周建涛，李普爽，杨军怀，王树源，夏敦胜
兰州大学资源环境学院西部环境教育部重点实验室，兰州 730000
土壤颜色通常是环境变化和成壤过程综合作用的结果。颜色作为土壤最为直观的特征之一，其变化与氧化铁种类及含量、有机质、碳酸钙、土壤含水量等理化性质密切相关[1-4]，广泛应用于第四纪气候与环境变化历史的重建[5-11]。在大空间尺度上，土壤类型和颜色是大气环流格局下气候要素对土壤性质制约作用的结果，其随着气候要素的空间变化而有规律地变化[1-2]。
近年来，许多学者对不同地区的现代土壤和沉积物色度与气候因素之间的相关性开展了一系列研究[5,12-17]，揭示了土壤颜色与成壤强度和气候因素是密切相关的[5,12-17]。我国大范围表土色度与气候因子的分析表明，土壤色度与降水和温度有良好的函数关系，可用于黄土古土壤序列的古降水和古温度历史的重建[5]。黄土高原的土壤色度研究也发现黄土的红度（a*）与纬度变化呈现线性相关，表明a*可以作为黄土风化强度的有效指标[7]。新疆天山地区现代地表的沉积物颜色分析表明，色度参数与降水量相关性较好，与温度相关性较差[14]。从青海到新疆地区的现代沉积物颜色指标与降水量有较好的相关性，与温度相关性不显著[15]。青藏高原现代表土的色度特征分析表明不同地区降水的差异影响了表土的颜色变化[16]。近年来，我国热带和亚热带地区的土壤色度研究也取得了重要进展。研究发现来自亚热带的土壤色度参数与气候因子存在相关性[12-13,17-20]，可用于指示气候的变化[17-20]。此外，还有学者探讨了土壤颜色的垂直地带性变化，发现土壤色度与海拔和气候具有较好的相关关系[13]。中国黄土-古土壤序列的研究表明土壤颜色的变化很好地记录了冰期-间冰期气候旋回变化特征，是季风气候变化的良好代用指标[21-30]，可以揭示轨道和千年尺度的气候变化[5,8,28]；
并且可以在一定程度上弥补磁化率在古气候重建上的局限[3,29]。
青藏高原东部地区是研究亚洲季风系统各个要素及其相互作用的关键区域[31-34]，其上广泛分布的黄土沉积是重建高原环境变化历史的良好地质载体[34-36]。了解高原现代表土色度特征与气候因素的关系可以为高原黄土的降水、湿度、温度等重建提供重要参考。然而，与其他地区相比[12-17]，由于其特殊的高海拔环境和复杂的地形，青藏高原东部地区尚未开展类似的研究，对该地区的土壤色度空间变化特征及其与现代气候因子的关系缺乏明确的认知，影响了我们对青藏高原东部黄土古环境重建和季风演化的深入研究。
本研究通过系统采集青藏高原东部地区的大量表层土壤样品，开展详细的土壤颜色指标分析，明确青藏高原东部表土的颜色特征和空间变化；
同时结合现代气象资料，探讨土壤颜色指标与气候要素的关系。研究结果对于认识高原地区土壤颜色与气候因素的关系，重建青藏高原黄土古环境历史及研究亚洲季风演化历史都具有重要意义。
青藏高原东部地区与黄土高原和四川盆地相接，是向青藏高原内部过渡的地带，大部分地区的海拔为3 000～4 500 m。该区地形复杂多变，是典型的高山峡谷区。植被类型以高山草甸和高山草原为主，西北部则有荒漠植被，东南部则以针叶林和阔叶林为主；
土壤类型以黄壤、黄棕壤山地褐土、山地棕壤、亚高山/高山草甸土、高山寒漠土为主，成土母质有坡积残积物、洪积物、冲积物和风尘沉积物等[37-39]。青藏高原东部地区是季风影响显著的区域之一。区域内干湿季明显，降水主要集中在夏季，年平均降水范围为300～900 mm，年平均温度范围为-6～15 ℃。
2.1 样品采集和气象数据
本文研究区的纬度范围为27°～37°N，经度范围度为96°～104°E，海拔为1 600～4 700 m。由于母质颜色有很大的差异，为了尽量减少母质的差异和其他搬运动力带来的不确定性影响，在野外根据地貌部位、沉积特征、成壤特征选择以主体为风成沉积的土壤样品进行采集。通过多次野外考察，在青藏高原东部地区共采集了184个现代表层土壤样品（图1）。采样深度为5～10 cm，同时使用GPS记录样品的经纬度和海拔高度。采样位置均远离城镇、道路和人类活动密集的地区，尽量避免人为扰动的影响。
图 1 青藏高原东部表层土壤采样位置和风成沉积照片Fig.1 Surface soil sampling and the aeolian deposits in the eastern Tibetan Plateau
本文使用的气象数据主要来源于WorldClim数据集（http://www.worldclim.com/），空间分辨率为1 km2，版本为2.1，时间为1970—2000年。
2.2 土壤颜色测量
样品分析在兰州大学西部环境教育部重点实验室完成，使用日本柯尼卡美能达公司生产的 CM-700 d型分光测色仪进行颜色测量。测试仪器的波长范围为400～700 nm，分辨率为10 nm，测试口径为8 mm，色度值的标准差值小于0.04。本文采用CIEL*a*b*表色系统来描述土壤的颜色变化[40]。该表色系统主要是通过亮度（L*）、红度（a*）和黄度（b*）来定量描述样品的颜色变化。其中L*代表亮度，变化范围为0（黑）和100（白）之间；
a*代表红度，其值在-60（绿色）和60（红色）之间变化；
b*代表黄度，变化于-60（蓝色）和60（黄色）。
为了减少土壤粗糙度和土壤湿度对土壤颜色的影响，全部样品在实验室进行风干并研磨至200目以下。测试过程中保证背景光源恒定。取适量样品放在载玻片上进行压实和压平，使用已校正的仪器对样品3个表面平整区域进行测量，得到3组L*、a*和b*数据结果并求其平均值。
青藏高原东部的表层土壤色度测量结果表明L*、a*、b*的变化范围较大（表1，图2）。L*、a*、b*的变异系数分别为15%、27%、20%，a*的变异系数最大，说明样品中a*的变化程度较大，其次为b*。表1和图2展示了青藏高原东部表层土壤色度参数随纬度、经度和海拔的变化特征。
3.1 土壤颜色沿纬度变化特征
对不同纬度范围内的样品（表1，图2a）分析表明，相比27°～ 30°N，30°～ 34°N范围内的L*、a*和b*平 均 值 较 低，34°～ 37°N范 围 内 的a*、b*和a*/b*的平均值要低于其他范围，但L*的平均值较高。在图2a中，青藏高原东部表层土壤L*整体随纬度呈现开口向上的抛物线特征，即南部和北部L*较高，中部L*较低。a*和b*的变化随纬度的升高呈现显著下降的趋势（图2b ，2c），而a*/b*随纬度的变化趋势不明显，波动较大（图2d）。
图 2 青藏高原东部表层土壤的色度参数随纬度、经度和海拔的变化h、i、l使用线性函数进行拟合，其余使用二阶函数进行拟合。Fig.2 Variations of color parameters of surface soil with latitude, longitude and altitude in the ETPh, i, and l are fitted with linear functions, and the rest are fitted with second-order functions.
表 1 青藏高原东部表层土壤不同纬度、经度和海拔范围的色度参数Table 1 The changes in color of surface soil with latitude, longitude, and altitude ranges in the ETP
3.2 土壤颜色沿经度变化特征
对不同经度范围（表1，图2）内的样品分析表明，相比96°～99°E，99°～101°E的L*平均值差异较小，b*平均值较高，而a*和a*/b*平均值较低。在101°～104°E范围内，L*、a*、b*和a*/b*平均值都要低于其他范围。在图2e中，青藏高原东部表层土壤的L*整体趋势随经度的变化不显著，a*大体随经度的升高呈现逐渐降低的趋势（图2f）。b*随经度的升高呈现开口向下的抛物线特征（图2g），而a*/b*随经度的升高呈现较显著的降低趋势（图2h）。
3.3 土壤颜色沿海拔变化特征
对不同海拔范围内的样品分析表明（表1，图2），相比1 500～3 000 m的海拔范围，3 000～4 000 m范围内L*、a*和b*平均值较低，但a*/b*波动幅度较大。在4 000～4 600 m范围内L*、a*、b*和a*/b*平均值较3 000～4 000 m范围高。在图2i中，土壤的L*大体随海拔的升高而呈现降低的趋势；
a*和b*都随着海拔的升高呈现显著降低后升高的趋势（图2j，k），但a*在3 500 m以上的增长趋势相对明显（图2j）；
a*/b*随着海拔的升高呈现显著升高的趋势（图2l）。
4.1 高原东部土壤色度空间变化特征
青藏高原东部表土的土壤色度参数变化显著，其中L*、a*、b*和a*/b*的变化范围分别为28.27～62.87、1.68～10.89、9.45～30.28、0.11～0.70。这些色度参数总体上随着纬度、经度和海拔表现出不同的变化特征。土壤亮度在不同的地区存在不同的空间分布特征[13-16]。在中纬度的新疆地区，沉积物的L*在空间上表现出随纬度（41°～ 45°N）的增加而减少的特征[14]，而青海到新疆地区的研究则表明L*随纬度（35°～46°N）的增加而先增加后减少[15]。在青海到西藏地区，L*的变化与东南向西北递减的降水分布存在密切联系[16]。在青藏高原东部地区，土壤L*具有显著的纬向变化特征。L*总体上先随纬度的增加而减少，后随纬度的增加而增加，呈现开口向上的抛物线特征（图2a）。图3展示了土壤色度与气候因素的空间分布。在图3a和图3b中，L*的高值样品主要集中于研究区的最南部和最北部，这与图2结果一致。较低的L*主要分布于中等降水量的研究区中心区域。总体而言，L*的高值主要分布于高降水高温的区域和低降水区域，中等降水区域以较低的L*为主；
L*从研究区中心区域向边缘呈现整体升高的现象。从西北部向东南部的一定区域内，L*的分布与降水梯度的变化有较高的一致性，说明降水对L*的变化有重要的影响。从L*和年平均温度的分布来看，L*的高值在空间上与温度的分布一致性较差，说明温度的分布对L*的分布影响较小。海拔是影响土壤颜色变化的一个重要因素[2,13,41]。云南地区[13]和武夷山[41]土壤颜色与海拔关系研究分析表明，土壤亮度主要随着海拔的升高而降低。在青藏高原东部地区，土壤L*也呈现随海拔升高而降低的趋势（图3a），说明海拔较高的地区L*较低，而海拔较低的地区L*则较高。
一般认为a*对大范围空间尺度气候带明显的气候要素响应敏感，具有显著的纬向变化特征[7,12-15,17]。在新疆地区，a*则随纬度的增加向北而减少[14]，而青海到新疆地区的a*则随纬度的增加而先增加后减少[15]。在黄土高原，a*整体上随纬度的增高而降低[7]。大范围的土壤色度研究表明a*也随纬度（20°～65°N）的增加而降低[17]。在青藏高原东部地区，a*具有一定的纬向和经向的变化特征，总体随着纬度和经度的升高而降低（图2b，f）。在图3c和3d中，a*的高值主要分布于研究区的西南部地区，而低值则分布于东北部地区。总体上，a*的分布表现出从西南部向东北部逐渐降低，与较大空间尺度的温度分布有很好的一致性，说明较大空间尺度的温度分布对a*的分布具有重要的影响。然而，a*从南到北的变化与降水分布的一致性较差，但从西北往西南则呈现a*逐渐变大的趋势，这与降水分布一致性相对较好。研究表明b*的变化与a*基本一致，也具有明显的纬向变化特征[14-15,17]。在青藏高原东部地区，b*与a*呈现相似的分布特征（图3e，f），其高值主要分布在温度较高的研究区西南部地区。总体而言，a*和b*的空间分布与较大空间尺度的温度分布相对一致。a*和b*整体上随着海拔的升高呈现先减小后升高的趋势（图2j，k），中高海拔地区发育较低的a*和b*，与云南地区的土壤色度研究相似[13]。
大范围的土壤色度研究表明a*/b*具有显著的纬向变化特征，其值随着纬度的增加而呈现近似线性的降低[10,17]。青藏高原东部的表层土壤a*/b*的纬向变化相对复杂，但经向变化特征和海拔变化特征相对明显。a*/b*随经度的增加而逐渐降低，但随海拔的升高而升高。从a*/b*的空间分布来看（图3g，h），a*/b*的高值主要分布在研究区的西部和西南部地区，低值主要分布在研究区东部。a*/b*整体从西北向研究区中心呈现逐渐升高的趋势，这与降水逐步增高一致，说明a*/b*的变化与降水的变化存在密切的联系；
但研究区中心往东则呈现明显的降低（图3g）。与温度的分布相比，a*/b*的整体分布与温度的分布有很大差异（图3h），说明温度对a*/b*的分布影响相对较小。
在中国东部地区，由于季风降水的影响，气温和降水自南向北逐渐递减，土壤类型和土壤色度也随纬度呈现规律性的变化；
而在中纬度半干旱-干旱地区则由东向西随着降水量的逐渐降低也呈现土壤类型和土壤色度的规律性变化[1-2,5,14-15]。土壤色度的空间变化主要反映了气候因素对土壤过程的控制作用。在青藏高原东部地区，土壤色度随纬度、经度和海拔呈现一定的规律性变化。然而，由于海拔对水热条件的重新分配和地形的阻挡作用，降水和温度的空间变化有明显的分异（图3），这导致了该区域较复杂的水热组合条件，使得土壤色度与纬度、经度和海拔之间的相关性较其他地区复杂。从研究区北部到中部的土壤L*的变化主要反映了现代降水量梯度自北向南的增加，而a*和b*的纬度变化反映了研究区东南部和西北部温度的显著差异（图3d，f）。土壤色度随经度和海拔也呈现一定的变化规律，但其变化相对复杂。从现代降水和温度的分布来看，该地区现代降水自东向西的“凸状”递减分布以及复杂的温度和海拔分布导致经度上的水热组合多变，这导致了L*、a*、b*和a*/b*随经度和海拔的复杂变化。这些说明了土壤色度的纬向、经向和海拔的变化是对青藏高原东部复杂的地理环境下的水热组合变化响应的结果。因此，了解土壤色度的空间变化可以为该地区古气候重建提供重要的参考依据，甚至对评估缺乏气象站区域的气候和成壤环境也具有较大的潜力。
图 3 青藏高原东部表层土壤的色度参数与年平均降水、年平均温度空间分布Fig.3 Spatial distribution of surface soil color, annual average precipitation, and annual average temperature in the ETP
4.2 土壤颜色与现代气候的关系
土壤亮度L*通常被认为主要与有机质的含量、碳酸钙含量以及铁氧化物种类和含量等有关[3,42-45]，其变化与降水存在密切的联系[5,8]。当气候环境干旱时，降水量较少，土壤产生的有机质含量较少，利于碳酸盐沉淀，这使得土壤亮度升高；
当降水和温度较高时，植被发育较好，土壤有机质积累，使得土壤亮度迅速变暗。图3a中可见300～400 mm降水范围内分布高值的L*，400～500 mm降水范围内以高值的L*和部分低值的L*分布为主，500～600 mm以低值的L*分布为主；
但600～700 mm降水范围内以低值和部分高值的L*为主，高值的L*主要出现在东南部，而700 mm以上的降水量以分布高值的L*为主。总体上，在600 mm降水以下，青藏高原东部表层L*随着降水的增加而降低，表明随着降水的增加，成壤作用增强，土壤中有机质含量增多，L*逐渐降低；
而在600～700 mm的降水量范围，土壤L*的高值出现频率增高，随后降水的增加导致土壤普遍发育较高的L*，这可能与以往研究认为在高温和高降水的气候条件下，有机质的分解高于其积累导致土壤亮度增加有关[46]。相比年平均降水量，年平均温度对土壤亮度的影响相对复杂。总体而言，较高温度地区的L*整体相对较高，而温度偏低且有一定降水的条件下适合产生较低的L*，这可能与以往认为低温有利于有机质的积累有关[47]，但偏低的温度和较少的降水则以高值的L*为主，与土壤发育程度较低有关。在青藏高原东部干旱-半湿润地区，土壤L*主要受控于年平均降水量的变化，年平均温度的影响相对复杂，这与以往在新疆地区[14-15]和青藏高原内部[16]研究基本一致。大范围的土壤色度研究也支持L*与气候的关系仅存在于温带湿润-干旱区[5]。然而，云南地区的土壤色度研究表明L*与降水和温度都有很好的相关性[13]，这些都说明不同地区的L*与气候的关系是具有区域差异的，这可能与不同区域气候条件下的土壤母质、有机质、腐殖质、碳酸盐积累和分解密切相关。
红度a*的变化主要受控于土壤中赤铁矿的含量，而黄度b*的变化则主要受控于土壤中针铁矿的含量，这两者与土壤水热组合状况有密切的联系[22,28,48]。短期降水和长期干旱的气候环境会使得土壤处于强氧化环境，这对赤铁矿的形成最为有利[22,48-49]，而针铁矿更多形成于湿润的气候条件，且与还原环境有关[22,48-49]。在热带-亚热带气候条件下，土壤处于强氧化环境，降水量和温度增加会引起红度的快速升高[5,12]；
而在半干旱-干旱地区，a*随着温度和降水的急剧增加而增长缓慢，a*对干冷环境变化不敏感，这被认为是赤铁矿的形成受到抑制[5,12,50-51]。在青藏高原东部地区，表层土壤的a*在300～500 mm的降水量之间基本处于低值，在500～700 mm降水量之间出现a*的高值和低值分布（图3c），说明a*与年平均降水量存在一定的联系；
值得注意的是，500～850 mm 降水量内的a*高值在温度较高的东南部区域要比温度较低的研究区西北部和东部区域显著，说明较高的温度对a*有重要的影响，较冷的环境可能影响了赤铁矿的生成。然而，a*的变化与温度的分布只在较大的空间尺度是显著的，表现在研究区暖湿的东南部和干冷的西北部的显著差异；
而在较冷的研究区西北部a*的变化与温度的分布比较复杂，但与降水的变化存在一定联系。此外，研究区北部较高的温度地区未出现a*的高值，可能是与较少的降水导致土壤发育较弱有关。研究表明b*值与a*的变化大体是一致的，且与温度和降水的变化相关，但与降水关系更显著[5,17]；
与a*相比，b*的受控因素更为复杂，对气候的响应关系不明确[17,27,29,52]。青藏高原东部b*的变化在600 mm降水量以下呈现低值且变化较小（图3e），说明b*与降水的相关性较差；
但研究区东南部b*与a*同样呈现高值，说明大空间尺度的b*同样对温度的响应较敏感。总体而言，青藏高原东部的a*和b*的变化对较大空间尺度的温度变化响应敏感；
而在较冷的环境下，a*和b*对温度的响应相对不敏感，但a*与降水的变化存在一定的联系。
作为古气候研究的良好气候代用指标，a*/b*主要反映了赤铁矿和针铁矿的比值[10,42]，而赤铁矿和针铁矿在成壤环境中是相互竞争且相互制约的，它们的含量和比值对气候响应非常敏感[46,49,53]。有研究表明a*/b*可以揭示大范围的空间气候变化，a*/b*与年平均降水呈现良好的线性关系[17]。在图3g中，研究区西北部300～500 mm降水范围内以a*/b*的低值为主，500～600 mm降水范围内以a*/b*的高值为主，说明a*/b*随降水的升高而升高且赤铁矿占据有利的优势；
之后a*/b*随着降水的升高而出现低值，说明这有利于针铁矿的增长，可能与降水增多导致土壤湿度增加有关。研究还发现大范围的a*/b*变化对温度的响应较降水敏感，a*/b*随温度的增加而增加[17]。然而，青藏高原东部表土a*/b*的空间分布与温度分布一致性较差（图3h），说明土壤中赤铁矿和针铁矿的比值对温度的响应相对复杂。总体而言，青藏高原东部土壤的a*/b*对温度的响应复杂，对降水的响应相对敏感，a*/b*与区域气候条件控制下赤铁矿和针铁矿的竞争和制约有关。
（1）青藏高原东部表土的土壤亮度（L*）的变化范围为28.27～62.87，红度（a*）的变化范围为1.68～10.89，黄度（b*）的变化范围为9.45～30.28，红度与黄度的比值（a*/b*）的变化范围为0.11～0.70。青藏高原东部土壤色度参数变化波动较大，在空间上呈现不同的变化特征。
（2）表层土壤的L*、a*和b*在该区域呈现较显著的纬向变化特征，而a*/b*的纬向变化特征较复杂。a*、b*、a*/b*具有一定的经向变化特征，而L*则随经度的变化较小。较低的海拔主要发育较高的L*、a*和b*。土壤色度参数的空间变化是青藏高原东部复杂地理环境下的水热组合变化的结果。
（3）青藏高原东部表层土壤的L*和a*/b*可以用于揭示干旱-半湿润区域的降水变化。a*和b*的变化对大尺度、大区域的温度变化响应较敏感，在较冷环境下a*与降水的关系较温度更密切。
青藏高原东部现代表土色度与气候因素密切相关，其空间变化特征一定程度上反映了该地区现代气候因子的空间变化；
另一方面由于该地区地形和气候复杂多变，部分色度指标与气候关系复杂，在重建青藏高原东部黄土古环境变化历史时需要谨慎。
