呂 鑌 ，劉秀銘 ,

1.濕潤(rùn)亞熱帶生態(tài)地理過(guò)程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，福州 350007

2.福建師范大學(xué) 地理研究所，福州 350007

磁性礦物廣泛存在于各類(lèi)自然介質(zhì)中，其生成、轉(zhuǎn)化、運(yùn)移與保存與環(huán)境條件密切相關(guān)，因此通過(guò)磁性特征可以反演環(huán)境變化，交叉學(xué)科環(huán)境磁學(xué)應(yīng)運(yùn)而生（Thompson and Oldfield，1986；Liu et al，2012；胡鵬翔和劉青松，2014）。土壤是環(huán)境磁學(xué)的重要研究對(duì)象，其磁性礦物與五大成土因素（母質(zhì)、氣候、生物、地形和成土?xí)r間）關(guān)系密切，其中的氣候因素尤受關(guān)注（Liu et al，2007；胡鵬翔和劉青松，2014）。近幾十年來(lái)，環(huán)境磁學(xué)廣泛應(yīng)用于古氣候研究中，發(fā)揮了不可替代的作用。中高緯度地區(qū)的風(fēng)成黃土-古土壤序列具有分布廣、沉積連續(xù)、時(shí)間跨度長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，是土壤環(huán)境磁學(xué)最重要的研究對(duì)象。中國(guó)黃土高原第四紀(jì)黃土-古土壤（鄧成龍等，2007；Liu et al，2007；Maher，2016）、新近紀(jì)晚期的紅黏土（聶軍勝等，2012）、中新世風(fēng)塵沉積（Hao et al，2008，2009，2012）以及中國(guó)南方第四紀(jì)紅土（盧升高，2007）環(huán)境磁學(xué)研究在冰期—間冰期氣候變化、亞洲內(nèi)陸干旱化等科學(xué)問(wèn)題上取得了重要認(rèn)識(shí)。

風(fēng)成沉積序列屬于沉積型或加積型土壤，受到廣泛而深入的研究。另一類(lèi)殘積型或風(fēng)化殼型土壤則較少受到關(guān)注。中國(guó)南方的黃棕壤、紅壤、赤紅壤和磚紅壤以直觀的顏色特征命名，其紅色程度依次遞增，分別是北亞熱帶、中亞熱帶、南亞熱帶和熱帶地區(qū)的緯度地帶性土壤。紅壤、黃紅壤和黃壤是中亞熱帶垂直地帶性土壤。針鐵礦（α-FeOOH）和赤鐵礦（α-Fe2O3）含量及兩者比例是這些土壤顏色的直接控制因素，而氣候則是其根本影響因素。目前，風(fēng)化殼型土壤的系統(tǒng)環(huán)境磁學(xué)研究還較少（Lu et al，2008；呂鑌等，2014；Su et al，2015；鄭興芬等，2019），風(fēng)化殼型與沉積型土壤的磁學(xué)對(duì)比研究處于起步階段（楊立輝等，2015；張培楓等，2018）。開(kāi)展風(fēng)化殼型土壤環(huán)境磁學(xué)研究有利于更全面理解磁性礦物特征與氣候等成土因素的內(nèi)在聯(lián)系。

在對(duì)南方土壤的野外考察采樣過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)處于南亞熱帶的福建南部漳浦地區(qū)出露有良好的磚紅壤。磚紅壤按中國(guó)土壤系統(tǒng)分類(lèi)為鐵鋁土，漳浦是中國(guó)磚紅壤分布較北的地區(qū)，最北邊的分布點(diǎn)緯度接近25°N（龔子同等，2014）。以南亞熱帶地區(qū)現(xiàn)代的水熱條件，難以發(fā)育為磚紅壤，因此初步推測(cè)該地磚紅壤為古土壤，發(fā)育于更加濕熱的地質(zhì)時(shí)期。本研究通過(guò)系統(tǒng)的環(huán)境磁學(xué)分析，結(jié)合漫反射光譜、色度和常量地球化學(xué)元素，類(lèi)比漳浦磚紅壤和熱帶地區(qū)的現(xiàn)代磚紅壤磁學(xué)特征的異同，探討其環(huán)境指示意義。

1 剖面概況與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 剖面概況

漳浦磚紅壤剖面（ZP剖面）位于福建省南部漳州市漳浦縣前亭鎮(zhèn)，經(jīng)緯度為24°14′24″ N，117°59′24″E；海拔為2.2 m。ZP剖面所在氣候帶為南亞熱帶，氣候總體特征為濕熱、雨熱同期。該地現(xiàn)代年均氣溫21.3℃，年均降水量1605.1 mm。用于對(duì)比的徐聞磚紅壤剖面（XW剖面）位于中國(guó)大陸最南端的廣東省雷州半島徐聞縣城北，經(jīng)緯度為20°24′34″N，110°08′19″E；海拔為75.2 m。XW剖面所在的氣候帶為邊緣熱帶，氣候總體特征也是濕熱、雨熱同期。該地現(xiàn)代年均氣溫23.8℃，年均降水量1428.4 mm（中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)，http://data.cma.cn/）。

漳州市漳浦和龍海沿海地帶分布著新生代佛曇群玄武巖，最近的一項(xiàng)研究認(rèn)為該區(qū)玄武巖分四期噴發(fā)：漸新世晚期、中新世早期、中新世中晚期和更新世早期（孫東霞等，2019）。玄武巖之上發(fā)育多種類(lèi)型土壤，分布面積較廣的是一類(lèi)暗色黏質(zhì)的變性土（陳志強(qiáng)和陳健飛，2007）。磚紅壤分布和出露極為有限。事實(shí)上，該地磚紅壤于1948年之前就被發(fā)現(xiàn)（宋達(dá)泉，1948），在自然水土流失和人為影響下，其分布面積減小。雷州半島和海南島北部廣泛分布著第四紀(jì)玄武巖（汪苗和鹿化煜，2019），磚紅壤是雷州-瓊北地區(qū)的主要土壤類(lèi)型和緯度地帶性土壤。

ZP剖面出露厚度1 m，剖面照片如圖1a所示。表層10 — 15 cm由于受現(xiàn)代植物影響，質(zhì)地疏松多根系，顏色暗紅；表層之下的部分，質(zhì)地致密均一，顏色為磚紅色，富含黏粒膠膜。整個(gè)剖面以黏粒為主。采樣當(dāng)天，剖面土壤水分含量低，質(zhì)地堅(jiān)硬。以10 cm間距進(jìn)行采樣，獲得樣品10個(gè)。XW剖面出露厚度2.5 m，剖面照片如圖1c所示。表層20 cm內(nèi)含有大量植物根系，質(zhì)地疏松，顏色暗紅；表層之下的部分，質(zhì)地黏重均一，顏色也為磚紅色。整個(gè)剖面以黏粒為主。采樣前一天，該地有一次持續(xù)約2 h的強(qiáng)降水。采樣時(shí)，剖面土壤水分含量高。以10 cm間距進(jìn)行采樣，獲得樣品26個(gè)。兩個(gè)剖面的母巖都是玄武巖，半風(fēng)化母巖如圖1b、圖1d所示，ZP剖面玄武巖具有明顯的氣孔構(gòu)造，XW剖面玄武巖為塊狀構(gòu)造。采集半風(fēng)化母巖樣品各1塊。

圖1 漳浦磚紅壤剖面（a）、半風(fēng)化玄武巖母巖（b）和徐聞磚紅壤剖面（c）、半風(fēng)化玄武巖母巖（d）照片（冰鎬長(zhǎng)度為75 cm）Fig. 1 Photos of Zhangpu latosols section (a) and partly weathering basalt parent rock (b), photos of Xuwen latosols section (c) and partly weathering basalt parent rock (d) (the length of ice axe is 75 cm)

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

磁學(xué)前處理與實(shí)驗(yàn)方法：樣品在室內(nèi)自然風(fēng)干后磨成粉末，用塑料薄膜包緊裝入磁測(cè)專用樣品盒，分別測(cè)量下述各項(xiàng)磁學(xué)參數(shù)：

（1）使用Bartington MS2B型磁化率儀測(cè)量低頻磁化率（χlf，頻率為470 Hz）和高頻磁化率（χhf，頻率為4700 Hz），計(jì)算出百分比頻率磁化率：

（2）使用Molspin Minispin旋轉(zhuǎn)磁力儀測(cè)量各類(lèi)剩磁。使用ASC D-2000交變退磁儀獲得非磁滯剩磁（ARM），交變場(chǎng)峰值為100 mT，直流場(chǎng)值為50 μT，計(jì)算出非磁滯磁化率：

（3）使用IM-10-30強(qiáng)磁儀對(duì)樣品施加強(qiáng)磁場(chǎng)，獲得等溫剩磁（IRM），定義1 T磁場(chǎng)下的IRM為飽和等溫剩磁（SIRM），剩磁矯頑力（Bcr）由反向磁場(chǎng)下等溫剩磁IRM?XmT線性內(nèi)插獲得。硬剩磁（HIRM）和S-ratio計(jì)算公式如下：

（4）使用VFTB（Variable Field Transition Balance）居里秤測(cè)量代表性樣品的磁滯回線和磁化強(qiáng)度隨溫度變化曲線（M—T曲線），使用卡帕橋MFK1-FA磁化率儀和CS-4加熱裝置測(cè)量磁化率隨溫度變化曲線（κ—T曲線），溫度范圍為室溫到700℃。

漫反射光譜（DRS）前處理與實(shí)驗(yàn)方法：取研磨至200目的干燥樣品3 g左右，均勻鋪在裝有硫酸鋇的測(cè)試皿底部并壓平。采用島津UV-2600 + ISR-2600PLUS紫外/可見(jiàn)光分光光度計(jì)測(cè)量，波長(zhǎng)范圍為400 — 700 nm，步長(zhǎng)為1 nm。對(duì)結(jié)果進(jìn)行一階導(dǎo)數(shù)處理，用特征峰高來(lái)估算赤鐵礦和針鐵礦的含量。

色度前處理與實(shí)驗(yàn)方法：取研磨至200目的干燥樣品5 g左右，均勻鋪滿在測(cè)試皿底部并壓平，采用美國(guó)Hunter Lab公司生產(chǎn)的Color Flex?EZ型分光色度儀進(jìn)行色度測(cè)試，隨機(jī)選測(cè)3個(gè)表面平整的區(qū)域，采用國(guó)際照明委員會(huì)CIELAB色度表達(dá)系統(tǒng)，測(cè)量亮度（L*），紅度（a*），黃度（b*）。測(cè)量過(guò)程中使用儀器自帶標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試白板與黑板對(duì)儀器進(jìn)行校正。

常量地球化學(xué)元素前處理與實(shí)驗(yàn)方法：取研磨至200目的干燥樣品5 g左右，置于壓片機(jī)內(nèi)，以硼酸作為黏合劑壓成表面光滑的圓片，利用帕納科Epsilon3臺(tái)式能量色散X射線熒光光譜儀測(cè)量，得到常量化學(xué)元素百分含量?；瘜W(xué)蝕變指數(shù)（CIA）的計(jì)算公式如下：

式中：CaO是指硅酸鹽中的鈣含量，式中氧化物均為摩爾比，具體計(jì)算方法見(jiàn)McLennan（1993）。

以上實(shí)驗(yàn)均在福建師范大學(xué)濕潤(rùn)亞熱帶生態(tài)地理過(guò)程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。

2 結(jié)果

2.1 常溫磁學(xué)參數(shù)

ZP剖面常溫磁學(xué)參數(shù)隨深度變化如圖2所示。χlf與樣品中的磁性礦物種類(lèi)、含量和顆粒大小有關(guān)，是磁性特征的總體反映（Thompson and Oldfield，1986）。其變化范圍為370.50×10?8— 700.75×10?8m3? kg?1，平均值為455.33×10?8m3? kg?1。除0.8 m深度樣品，其余樣品變化范圍較小。SIRM具有與χlf相同的變化趨勢(shì)，表明磁性礦物含量是控制這兩個(gè)參數(shù)變化的主要因素。磁顆粒大小可以用磁疇來(lái)表示，由細(xì)到粗依次為超順磁（SP）、單疇（SD）和多疇（MD）。指示SD顆粒和硬磁性礦物（主要為赤鐵礦）絕對(duì)含量的χARM和HIRM，具有隨深度增加的趨勢(shì)。χfd%指示SP顆粒的相對(duì)含量，ZP剖面的χfd%介于5.88% — 13.94%，均值為9.36%，變化范圍較大（圖2e），總體上含有較多的SP顆粒。χARM/χlf指示SD顆粒的相對(duì)含量，介于3.80 — 8.21，均值為6.65，表明SD顆粒含量較高。Bcr和S-ratio通常用來(lái)指示軟磁（如亞鐵磁性礦物）和硬磁（反鐵磁性礦物）的比例。前者的Bcr為數(shù)十mT，S-ratio接近100%；后者的Bcr可達(dá)數(shù)百mT，S-ratio接近或小于0。如圖2g、2h所示，這兩個(gè)參數(shù)隨深度變化不大，其數(shù)值表明亞鐵磁性礦物主導(dǎo)樣品的磁學(xué)性質(zhì)?？傮w而言，各常溫磁學(xué)參數(shù)隨深度變化并沒(méi)有顯示出明顯的規(guī)律，這可能與剖面出露厚度較小有關(guān)。在下文把ZP剖面作為一個(gè)整體，通過(guò)對(duì)比XW剖面相應(yīng)的常溫磁學(xué)參數(shù)數(shù)值，探討兩個(gè)剖面間磁性特征的異同。

圖2 漳浦剖面常溫磁學(xué)參數(shù)Fig. 2 Room temperature magnetic parameters of Zhangpu section

磁滯回線可以直觀地指示磁性礦物的種類(lèi)及含量等信息。ZP剖面和XW剖面代表性樣品歸一化處理的磁滯回線如圖3所示。總體而言，兩個(gè)剖面的磁滯回線具有相似的特征：（1）在100 mT左右，磁滯回線即閉合；具有較細(xì)的腰，即矯頑力（Bc）較小，表明樣品中的磁性礦物以亞鐵磁性為主。（2）300 mT到1000 mT區(qū)間，磁化強(qiáng)度隨著磁場(chǎng)增加而增加，表明樣品中存在著順磁性礦物。兩個(gè)剖面的不同之處在于：（1）ZP剖面三個(gè)樣品的Bc和Bcr數(shù)值相當(dāng)，與剖面深度無(wú)關(guān)；而XW剖面樣品的Bc和Bcr數(shù)值隨深度增加而增加，具有規(guī)律性。（2）ZP剖面的Bc和Bcr大于XW剖面，說(shuō)明ZP剖面磁性礦物顆粒更粗或/和反鐵磁性礦物含量更高。

圖3 漳浦剖面（a、b、c）和徐聞剖面（d、e、f）代表性樣品磁滯回線Fig. 3 Magnetic hysteresis loops of typical samples from Zhangpu section (a, b, c) and Xuwen section (d, e, f)

2.2 高溫M — T曲線和κ — T曲線

熱磁分析，包括高溫磁化強(qiáng)度（M—T）和高溫磁化率（κ—T），是根據(jù)熱磁曲線轉(zhuǎn)折的溫度（居里點(diǎn)、尼爾點(diǎn)或相變點(diǎn)）鑒定樣品中磁性礦物種類(lèi)的有效方法（Thompson and Oldfield，1986；劉秀銘等，2013）。由于磁化率隨溫度變化過(guò)程中磁性礦物的磁疇壁移動(dòng)，因此κ—T曲線也可以判斷磁性礦物的顆粒大?。―eng et al，2001）。M—T和κ—T曲線測(cè)量?jī)x器在是否封閉、能否在測(cè)量中通入惰性氣體等方面存在差異；土壤樣品中存在或多或少的有機(jī)質(zhì)，在加熱過(guò)程中氧化還原程度不同。這兩方面導(dǎo)致加熱反應(yīng)產(chǎn)物不同，給磁性礦物鑒定帶來(lái)困擾，單一的M—T或κ—T曲線可能造成誤判，對(duì)比分析兩類(lèi)曲線有助于更準(zhǔn)確地鑒定磁性礦物種類(lèi)（劉秀銘等，2013；呂鑌等，2014）。

M—T曲線在氧化條件下測(cè)得，兩個(gè)剖面代表性樣品的測(cè)定結(jié)果如圖4所示。ZP-0.1 m樣品加熱和冷卻曲線均顯示出580℃的居里點(diǎn)，樣品冷卻后變黑，磁化強(qiáng)度增加，表明生成了強(qiáng)磁性礦物磁鐵礦（Fe3O4）。其余樣品加熱冷卻后均變得更紅，冷卻曲線位于加熱曲線下方，表明部分強(qiáng)磁性礦物轉(zhuǎn)化為弱磁性礦物赤鐵礦。ZP-0.5 m和ZP-0.8 m樣品的加熱曲線顯示出明顯的645℃的居里點(diǎn)，指示存在著磁赤鐵礦（γ-Fe2O3）或鋁替代赤鐵礦。磁滯回線（圖3b、3c）表明兩個(gè)樣品以亞鐵磁性礦物為主。再者，加熱后兩個(gè)樣品失去了部分磁化強(qiáng)度，具有熱不穩(wěn)定性，而赤鐵礦具有熱穩(wěn)定性。綜上分析，645℃的居里點(diǎn)指示存在著磁赤鐵礦。ZP-0.5 m和ZP-0.8 m樣品的冷卻曲線顯示出約620℃的居里點(diǎn)，可能指示一種熱穩(wěn)定的磁赤鐵礦。XW剖面三個(gè)樣品的加熱曲線均顯示出580℃的居里點(diǎn)，但在580℃之后隨溫度升高磁化強(qiáng)度繼續(xù)下降，表明以磁鐵礦為主，但還含有其他種類(lèi)的磁性礦物。

圖4 漳浦剖面（a, b, c）和徐聞剖面（d, e, f）代表性樣品M — T曲線Fig. 4 M — T curves of typical samples from Zhangpu section (a, b, c) and Xuwen section (d, e, f)

κ — T曲線在封閉環(huán)境下測(cè)得，樣品中的有機(jī)質(zhì)在加熱過(guò)程中不完全燃燒而處于相對(duì)還原的條件。ZP剖面的三個(gè)樣品加熱曲線的居里點(diǎn)分別為570℃、585℃和625℃（圖5a、5b、5c），與M —T曲線的結(jié)果不一致。這說(shuō)明在相對(duì)還原的條件下，部分Fe3+被還原成Fe2+而形成磁鐵礦。ZP-0.8 m樣品在相對(duì)還原條件下仍顯示出625℃的居里點(diǎn)，說(shuō)明該居里點(diǎn)并不是細(xì)粒磁鐵礦在實(shí)驗(yàn)加熱過(guò)程中快速氧化形成，反映的不是加熱過(guò)程中新生成的磁性礦物信息，而是原始磁性礦物的特征。κ — T曲線進(jìn)一步證明了ZP剖面中下部含有磁赤鐵礦。該磁赤鐵礦在相對(duì)還原條件下，在加熱過(guò)程中部分轉(zhuǎn)化為磁鐵礦而使得居里點(diǎn)降低。XW剖面加熱曲線顯示出580℃和618℃兩個(gè)居里點(diǎn)，前者為主，后者為次。表明XW剖面下部以磁鐵礦為主，含有少量的磁赤鐵礦；而剖面中上部則以磁鐵礦為主。這一結(jié)果與基于M —T曲線的推論基本一致。綜合分析兩個(gè)剖面的M —T和κ — T曲線，可以得出以下結(jié)論：（1）兩類(lèi)曲線主要反映樣品中亞鐵磁性礦物信息，未見(jiàn)明顯針鐵礦（α-FeOOH）轉(zhuǎn)化點(diǎn)和赤鐵礦的尼爾點(diǎn)。（2）ZP剖面中下部以磁赤鐵礦為主；XW剖面下部以磁鐵礦為主，含有少量磁赤鐵礦。整體而言，指示了ZP剖面形成時(shí)期處于更加氧化或更加高溫的狀態(tài)。

圖5 漳浦剖面（a、b、c）和徐聞剖面（d、e、f）代表性樣品κ — T曲線Fig. 5 κ — T curves of typical samples from Zhangpu section (a, b, c) and Xuwen section (d, e, f)

2.3 漫反射光譜（DRS）

針鐵礦在DRS一階導(dǎo)數(shù)曲線顯示出535 nm的主峰和435 nm的次峰，當(dāng)樣品中同時(shí)存在赤鐵礦時(shí)，主峰通常被掩蓋；赤鐵礦的主峰在575 nm，當(dāng)含量小于1%，主峰在555 — 575 nm（季峻峰等，2007）。如圖6所示，兩個(gè)剖面435 nm的次峰極弱，而575 nm的主峰很強(qiáng)，表明針鐵礦含量很低，而赤鐵礦含量很高。DRS一階導(dǎo)數(shù)曲線與福建沙縣白堊系紅層非常相似（呂鑌等，2019）。兩個(gè)剖面0.1 m樣品的575 nm的峰高均較低，這與土壤表層有機(jī)質(zhì)含量較高有關(guān)：相對(duì)還原的條件不利于赤鐵礦的生成與保存。ZP剖面575 nm的峰高整體稍大于XW剖面，表明ZP剖面赤鐵礦含量較高。

圖6 漳浦和徐聞剖面代表性樣品DRS一階導(dǎo)數(shù)曲線Fig. 6 DRS first derivative curves of typical samples from Zhangpu section and Xuwen section

3 討論

3.1 漳浦磚紅壤和徐聞磚紅壤磁學(xué)特征對(duì)比

綜合分析上述常溫磁學(xué)參數(shù)、熱磁曲線可以準(zhǔn)確地判斷土壤中磁性礦物種類(lèi)、半定量地描述磁性礦物含量和顆粒大小等基本磁學(xué)特征。常溫磁學(xué)參數(shù)通常受多個(gè)方面磁學(xué)特征影響，難以達(dá)到完全定量的程度。因此在實(shí)際應(yīng)用中，多通過(guò)磁學(xué)參數(shù)數(shù)值對(duì)比進(jìn)行類(lèi)比研究。如中國(guó)黃土高原黃土-古土壤序列同一剖面不同時(shí)段、不同剖面同一時(shí)段的對(duì)比（Wang et al，2006；Liu et al，2007；郭雪蓮等，2012；Maher，2016）。

風(fēng)化殼型（殘積型）土壤與沉積型土壤存在著明顯的區(qū)別。通過(guò)年代學(xué)研究，可以將后者的深度序列轉(zhuǎn)化為時(shí)間序列；而前者各土壤層次作為一個(gè)整體受其形成時(shí)期氣候的影響。因此可以將ZP剖面視為一個(gè)整體，通過(guò)磁學(xué)參數(shù)數(shù)值對(duì)比方法，與其他剖面進(jìn)行類(lèi)比研究。如表1所示，ZP剖面和XW剖面的常溫磁學(xué)參數(shù)數(shù)值差異明顯。亞鐵磁性礦物含量是影響χlf大小的最主要的因素。XW剖面磁化率較高，說(shuō)明其含有更多的亞鐵磁性礦物。HIRM指示赤鐵礦的絕對(duì)含量，以平均值計(jì)算，ZP剖面的HIRM是XW剖面的3.94倍，而其χlf是XW剖面的72.90%，即兩個(gè)剖面亞鐵磁性礦物含量差異不大，而ZP剖面赤鐵礦含量更高。χfd%和χARM/χlf分別指示SP、SD顆粒的相對(duì)含量。XW剖面的χfd%均值高達(dá)16.61%，表明磁顆?；疽許P狀態(tài)存在。當(dāng)樣品中基本不存在SP和SD顆粒時(shí)，χARM/χlf的數(shù)值小于2，如干旱區(qū)的新疆博樂(lè)黃土（呂鑌等，2012）；當(dāng)樣品中存在較多量SD顆粒時(shí)，χARM/χlf的數(shù)值可達(dá)7，如黃土高原南部古土壤（Wang et al，2006）。ZP剖面具有更高的SD含量。SIRM /χlf可以反映磁疇或軟硬磁比例。SD顆粒具有較大的SIRM和較小的χlf，SIRM /χlf高值指示較高的SD含量。硬磁性礦物（如赤鐵礦）的SIRM /χlf可達(dá)200 kA ? m?1。因此SIRM /χlf數(shù)值指示亞鐵磁性礦物主導(dǎo)兩個(gè)剖面的磁學(xué)性質(zhì)，ZP剖面的SD含量更高。Bcr和S-ratio表明ZP剖面的硬磁比例更高。

表1 漳浦剖面和徐聞剖面常溫磁學(xué)數(shù)值范圍和平均值Tab. 1 Room temperature magnetic parameters of Zhangpu section and Xuwen section: value range and average

為深入理解磁學(xué)特征差異，進(jìn)一步對(duì)比兩個(gè)剖面的色度和常量元素。這兩類(lèi)指標(biāo)本身也是環(huán)境變化的代用指標(biāo)。兩個(gè)剖面的L*差異較小、a*非常相近；XW剖面b*較高。a*和b*與赤鐵礦和針鐵礦含量有關(guān)，既反映次生成因，也與母巖原始的鐵元素含量有關(guān)。比值b*/a*可有效減少原始鐵含量差異的影響，反映針鐵礦與赤鐵礦比值；從高緯到低緯，土壤的b*/a*規(guī)律性下降，表明赤鐵礦含量相對(duì)升高，該參數(shù)是溫度的良好代用指標(biāo)（鄭興芬等，2020）。該比值受母巖/母質(zhì)的影響較?。ㄠ嵟d芬等，2019）。ZP剖面具有較高的赤鐵礦相對(duì)含量。兩個(gè)剖面的SiO2和Al2O3含量相當(dāng)，F(xiàn)e2O3含量差異較大。通過(guò)對(duì)磁學(xué)、色度和Fe2O3含量分析，可以得出如下兩個(gè)推論：（1）從質(zhì)量分?jǐn)?shù)上看，鐵元素主要賦存在赤鐵礦中。（2）ZP剖面赤鐵礦的顆粒較XW剖面的粗。推論（1）的理由如下：亞鐵磁性礦物具有強(qiáng)磁性，如磁鐵礦的χlf為50000×10?8m3? kg?1，磁赤鐵礦為40000×10?8m3? kg?1（Thompson and Oldfield，1986），以此估算兩個(gè)剖面亞鐵磁性礦物含量均不到2%，而Fe2O3含量平均達(dá)20.18%和14.17%，因此鐵元素主要存在于赤鐵礦中。亞鐵磁性礦物磁化率比赤鐵礦高3個(gè)數(shù)量級(jí)，所以含量雖少，但主導(dǎo)剖面的磁學(xué)性質(zhì)。推論（2）的理由如下：相同質(zhì)量的情況下，顆粒越細(xì)，比表面積越大，染色能力也越強(qiáng)。赤鐵礦含量較高的ZP剖面卻沒(méi)有相應(yīng)更高的a*，這說(shuō)明其顆粒更粗?；瘜W(xué)蝕變指數(shù)（CIA）可以用來(lái)衡量化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度。兩個(gè)剖面的CIA相當(dāng)，且接近最大值100，表明其受到強(qiáng)烈的化學(xué)風(fēng)化作用。南亞熱帶與中亞熱帶界線附近的福建福州紅壤和泉州紅壤CIA均值約為90（呂鑌等，2016）、雷州半島磚紅壤CIA為93.8 — 99.1（楊艷芳等，2010）、海南島北部磚紅壤CIA為97 — 99（Long et al，2011）。CIA可以作為亞熱帶熱帶地區(qū)土壤類(lèi)型的良好指示。需要指出的是，CIA不宜作為比較本文兩個(gè)剖面風(fēng)化強(qiáng)度的參數(shù)，因?yàn)榧s1.5%的差異與X熒光光譜儀的測(cè)量誤差相當(dāng)。

綜合分析磁學(xué)、漫反射光譜、色度和常量元素地化指標(biāo)，可以準(zhǔn)確地描述研究對(duì)象的磁學(xué)性質(zhì)。總體而言，兩個(gè)剖面的鐵元素含量均較高、亞鐵磁性礦物主導(dǎo)剖面磁學(xué)性質(zhì)、含有較多的赤鐵礦、磁顆粒以細(xì)小的SP和SD顆粒為主。這些特征反映了濕熱氣候條件下強(qiáng)烈的風(fēng)化成壤作用。相比較而言，ZP剖面鐵元素含量更高、亞鐵磁性礦物含量稍低且以磁赤鐵礦為主（XW剖面以磁鐵礦為主）、赤鐵礦絕對(duì)含量和相對(duì)含量均較高，磁顆粒較粗。

表2 漳浦剖面和徐聞剖面色度指標(biāo)、地球化學(xué)元素指標(biāo)數(shù)值范圍和平均值對(duì)比Tab. 2 Chroma indexes, geochemical element indexes of Zhangpu section and Xuwen section: value range and average

3.2 漳浦磚紅壤磁學(xué)特征的環(huán)境指示意義

低頻磁化率（χlf）是最易測(cè)量和應(yīng)用最廣的磁學(xué)參數(shù)。熱帶亞熱帶地區(qū)玄武巖上發(fā)育土壤的磁化率通常較高，數(shù)值可從小于100×10?8m3? kg?1到將近10000×10?8m3? kg?1（Lu et al，2008；Long et al，2015；Ouyang et al，2015；Su et al，2015；Liu et al，2017）。一方面，成土作用過(guò)程中生成了大量的強(qiáng)磁性礦物；另一方面，玄武巖本身可能具有較高的磁性。磁化率是原生和次生磁性礦物的綜合反映。本研究ZP和XW剖面半風(fēng)化母巖χlf分別為11.1×10?8m3? kg?1和386.5×10?8m3? kg?1（χfd%分別為1.85%和1.42%）。因此，磁化率不能用來(lái)反映氣候。磁學(xué)參數(shù)比值反映次生亞鐵磁性礦物的顆粒度和次生反鐵磁性礦物相對(duì)比例，可以很好地反映濕熱氣候（Su et al，2015；呂鑌等，2016）。磁性礦物種類(lèi)方面，ZP剖面（磁赤鐵礦+赤鐵礦）/磁鐵礦的比例較XW剖面高，即Fe3+/ Fe2+比例更高。針鐵礦指示冷濕條件，兩個(gè)剖面均基本不存在針鐵礦，表明土體總體處于干熱狀態(tài)。亞鐵磁性礦物顆粒方面，ZP剖面的磁顆粒更粗。氣候條件是這些差異的主要因素。從空間范圍上看，低緯度地區(qū)的現(xiàn)代土壤中赤鐵礦相對(duì)比例更高（鄭興芬等，2020）；從時(shí)間序列上看，白堊紀(jì)至今總體為降溫過(guò)程，相應(yīng)地，沉積物/土壤主導(dǎo)磁性礦物由赤鐵礦逐漸變?yōu)榇盆F礦，即Fe3+/ Fe2+比例降低（Ma et al，2018）；白堊紀(jì)高溫狀態(tài)下，赤鐵礦總體為SD顆粒（呂鑌等，2019）。從理論上講，赤鐵礦指示干熱環(huán)境，針鐵礦指示冷濕環(huán)境。在高氣溫條件下，蒸發(fā)旺盛而使得土體總體處于相對(duì)干燥狀態(tài)，這就可以解釋為什么中國(guó)南方在濕潤(rùn)的條件下仍然可以存在大面積的紅色土壤。降水量對(duì)土壤磁性礦物差異的影響反而不是那么重要。因此，本文認(rèn)為氣溫是影響兩個(gè)剖面磁性差異的主要因素，即漳浦磚紅壤形成時(shí)期的年均氣溫高于徐聞現(xiàn)代年均氣溫。ZP剖面緯度為24°14′24″ N，年均溫為21.3℃；XW剖面緯度為20°24′34″N，年均溫為23.8℃。緯度相差約4°，氣溫相差2.5℃。那么可以推斷漳浦磚紅壤形成時(shí)期的年均氣溫較現(xiàn)今高2.5℃以上，熱帶范圍擴(kuò)大、北移至少4個(gè)緯度。開(kāi)展雷州半島以南現(xiàn)代磚紅壤系統(tǒng)環(huán)境磁學(xué)研究，有望找到磁學(xué)性質(zhì)與ZP剖面更為接近的“相似型”。

遺憾的是，風(fēng)化殼型土壤難以較為準(zhǔn)確地定年。母巖的年齡只能提供土壤年齡的限定。即便如此，風(fēng)化殼型古土壤研究仍可以為全球氣候變化提供重要的土壤學(xué)實(shí)證。有別于沉積型土壤，風(fēng)化殼型土壤總體上處于被侵蝕的狀態(tài)，形成后如無(wú)沉積物或火山噴發(fā)物覆蓋其上形成蓋層，則難以長(zhǎng)時(shí)間保存。據(jù)深海氧同位素曲線，末次間冰期（5階段）全球氣溫比現(xiàn)代高（Lisiecki and Raymo，2005），推測(cè)ZP磚紅壤可能形成于末次間冰期。一項(xiàng)基于生物化石的哺乳動(dòng)物群分布范圍與氣候變化研究顯示深海氧同位素5e階段（約133 — 114 ka）中亞熱帶北移約3°，年均溫約高3℃（李志文等，2015）。這與本研究推測(cè)相近。另一種可能的情況是，ZP磚紅壤形成后被覆蓋，而后在某個(gè)時(shí)期蓋層又被破壞，那么其年齡可能更為古老。廣州東北方向、廣西南寧周邊也有磚紅壤零星分布。這一區(qū)域磚紅壤氣候方面的研究還非常薄弱，但可以確定的是磚紅壤形成于暖期。研究表明，網(wǎng)紋紅土與磚紅壤理化性質(zhì)差異大，指示了不同的形成環(huán)境（尹秋珍等，2006）。那么，閩粵地區(qū)的網(wǎng)紋紅土（或稱“花斑黏土”）（李保生等，2008；琚琛琪等，2019）、類(lèi)黃土沉積（Wang et al，2018）、沿海老紅砂（李志文等，2011）和磚紅壤等古氣候載體，在形成年代上有何區(qū)別與聯(lián)系？在對(duì)氣候變化響應(yīng)上有何差異？地貌地形等因素與其形成有何關(guān)聯(lián)？這些都是值得深入研究的科學(xué)問(wèn)題。

4 結(jié)論

（1）漳浦磚紅壤中的磁性礦物以亞鐵磁性的磁赤鐵礦和反鐵磁性的赤鐵礦為主。赤鐵礦含量高于磁赤鐵礦，磁赤鐵礦主導(dǎo)剖面的磁學(xué)性質(zhì)。磁顆粒以細(xì)粒的SP和SD為主。針鐵礦含量極低。（2）與位于熱帶地區(qū)的廣東徐聞現(xiàn)代磚紅壤相比，漳浦磚紅壤中的磁性礦物具有更高Fe3+/ Fe2+比例、赤鐵礦相對(duì)含量更高、磁顆粒更粗的特點(diǎn)。這些磁學(xué)特征表明漳浦磚紅壤形成時(shí)期氣溫更高。（3）漳浦磚紅壤是古土壤，其形成時(shí)期的年均氣溫較現(xiàn)今高2.5℃以上，熱帶范圍擴(kuò)大、北移至少4個(gè)緯度。

致謝：鄭興芬、陳梓炫、劉鑫和杜佳昊參與了野外采樣和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，在此一并致謝。