中国沙漠
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中国沙漠, 2024, 44(4): 223-235 doi: 10.7522/j.issn.1000-694X.2024.00043

科尔沁沙地地表沉积物特征及其气候意义

张悦仪,1, 迟云平,1,2, 谢远云1,2, 康春国3, 刘若男1, 孙磊1, 吴鹏1, 魏振宇1

1.哈尔滨师范大学，地理科学学院，黑龙江 哈尔滨 150025

2.哈尔滨师范大学，寒区地理环境监测与空间信息服务黑龙江省重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150025

3.哈尔滨学院 地理与旅游学院，黑龙江 哈尔滨 150086

Characteristics and climate significance of surface sediments in the Horqin Sandy Land

Zhang Yueyi,1, Chi Yunping,1,2, Xie Yuanyun1,2, Kang Chunguo3, Liu Ruonan1, Sun Lei1, Wu Peng1, Wei Zhenyu1

1.College of Geographic Science /, Harbin Normal University，Harbin 150025，China

2.Heilongjiang Province Key Laboratory of Geographical Environment Monitoring and Spatial Information Service in Cold Regions, Harbin Normal University，Harbin 150025，China

3.School of Geography and Tourism，Harbin University，Harbin 150086，China

通讯作者: 迟云平（E-mail： 1982cyp@163.com）

收稿日期: 2024-02-07   修回日期: 2024-04-15  

基金资助: 国家自然科学基金项目.  42171006.  41871013
哈尔滨师范大学博士启动基金项目.  XKB201418
哈尔滨师范大学学术创新项目.  HSDSSCX2023-51

Received: 2024-02-07   Revised: 2024-04-15  

作者简介 About authors

张悦仪（2000—），女，黑龙江哈尔滨人，硕士研究生，主要研究方向为第四纪地质与古环境变化E-mail：zyynicl@163.com , E-mail：zyynicl@163.com

摘要

沙漠作为干旱气候的产物，记录着气候与环境变迁的丰富信息，在不同区域条件下沙漠风成沉积物特征指示的气候环境存在差异。本研究在科尔沁沙地自东向西共选取25个样点，进行色度、漫反射光谱和磁化率分析，探讨沙地地表风成沉积物的空间变化特征，并结合区域的现代气候因子探讨各代用指标的气候意义。结果表明：科尔沁沙地地表风成沉积物的色度特征与区域降水关系密切，亮度（L*）、红度（a*）与黄度红度比（b*/a*）能够作为指示区域气候的代用指标；地表沉积物中针铁矿（Gt）和赤铁矿（Hm）的相对含量均处于较低水平，Gt/Hm的变化能够指示气候干湿条件的总体趋向；地表风成沉积物的χfd%值能够作为区域降水情况的代用指标，沉积物的磁性增强主要源于降水强度增加导致的风化成壤作用加强，进而产生大量细颗粒亚铁磁性矿物。总体而言，科尔沁沙地地表风成沉积物色度、磁化率和Gt/Hm能够有效指示区域气候环境。

关键词： 地表沉积物 ; 色度 ; 针铁矿赤铁矿比值（Gt/Hm） ; 磁化率 ; 气候意义

Abstract

As a product of arid climate， deserts record rich information about climate and environmental changes. The climate environment indicated by the characteristics of desert aeolian sediments varies under different regional conditions. In this study， we selected a total of 25 sample points from east to west in the Horqin Sandy Land， and the chromaticity index， DRS and magnetic susceptibility were analyzed to explore the spatial variation characteristics of aeolian sediments on the sandy surface. At the same time， the climate significance of various proxy indicators in the context of regional modern climate factors is discussed. The results show that the chromaticity characteristics of surface wind-sand sediments in Horqin Sandy Land are closely related to regional precipitation. L*， a* and b*/a* can be used as proxy indicators to indicate regional climate. The goethite and hematite in surface sediments are at low levels， and changes in Gt/Hm can indicate the overall trend of dry and wet climate conditions. The χfd% value of surface wind-sand sediments can be used as a proxy indicator of regional precipitation. The magnetic enhancement of sediments is mainly due to the strengthening of weathering and pedogenesis caused by the increase of precipitation intensity， which leads to the production of a large number of fine-grained ferromagnetic minerals. Generally speaking， the chromaticity， magnetic susceptibility and goethite to hematite ratio of surface aeolian sediments in Horqin sandy land can effectively indicate the regional climate and environment. This study deepens the relationship between surface sedimentation and climatic parameters in Northeast China from the perspective of modern process， and provides an important reference for the reconstruction of paleoclimate change history in Northeast China.

Keywords： surface sediment ; chromaticity ; goethite to hematite ratio ; magnetic susceptibility ; climate significance

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本文引用格式

张悦仪, 迟云平, 谢远云, 康春国, 刘若男, 孙磊, 吴鹏, 魏振宇. 科尔沁沙地地表沉积物特征及其气候意义. 中国沙漠[J], 2024, 44(4): 223-235 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2024.00043

Zhang Yueyi, Chi Yunping, Xie Yuanyun, Kang Chunguo, Liu Ruonan, Sun Lei, Wu Peng, Wei Zhenyu. Characteristics and climate significance of surface sediments in the Horqin Sandy Land. Journal of Desert Research[J], 2024, 44(4): 223-235 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2024.00043

0 引言

沙地、沙漠是中国北方干旱半干旱地区主要陆地景观，其面积收缩与扩张的动态过程响应了区域和全球气候变化，是研究和分析区域气候变化和全球气候变化相互关系的理想区域［1-4］。气候变化及人类活动造成了土地退化、风沙活动频繁及沙地/沙漠不断向外扩张，严重影响人类的生存与发展［5-6］。沙地内部的风成沉积物是干旱半干旱区特殊的地质环境记录载体，直接记录了沙地环境变化及其对全球气候变化和人类活动的响应，蕴含了气候变化的重要信息［7-10］。因此，以沙地风成沉积物为研究对象，探讨沙地沉积物特征与气候环境的关系，是沙地、沙漠研究的重要问题。

沉积物色度分析能够有效反演气候环境的演化［11］。受沉积物中矿物颗粒颜色和组成的影响，色度与现代气候因子之间具有良好的函数关系，并可作为气候代用指标反映古环境变化［12-14］。典型风成沉积物的磁学参数如频率磁化率对成壤强度变化尤为敏感，且与年降水量显著正相关［15-16］。基于地表沉积物的磁性增强与成壤强度以及磁学特征与降水量的显著相关，沉积物的磁学性质可作为识别气候边界的有效方法［17-19］。赤铁矿（Hm）和针铁矿（Gt）是风成沉积物中常见的两种致色矿物，二者对温度和降水量的变化反应灵敏［20-21］，其含量变化能有效揭示沉积物形成过程中的气候转变，针对Hm和Gt的定量研究对于古气候环境的重建具有重要意义［22-24］。

目前，国内对于沙地、沙漠的研究多在中国西部干旱区及黄土高原地区，而对东北地区沙地的关注较少。中国东北及其以西地区，是中国沙地相对集中且典型的分布区，明确现代风成沉积物的理化性质与气候的关系尤为重要，也为理解东北地区古环境演化提供现代过程证据。本研究对科尔沁沙地进行大面积系统多点风成砂样品采集，通过色度、磁化率、Gt/Hm等指标测定，揭示科尔沁沙地地表风成沉积物的空间分布特征，同时结合现代气候资料，探讨沙地多环境代用指标与气候要素的相关关系及其影响因素，为重建东北地区的古气候变化历史提供参考。

1 研究区概况

科尔沁沙地位于松辽盆地南部，处在中国东北地区西部蒙古高原与东部平原之间的过渡带（图1），海拔250~500 m，呈波状起伏，总面积42 000 km2，是中国北方面积最大的沙地［25］。地貌以固定和半固定沙丘为主，土壤多为风沙土或沙质草甸土，植被以沙生植物为主，西辽河及其众多支流切割该地区［26］。沙地属于温带半干旱大陆性季风气候，现代年平均气温3~7 ℃，年降水量343~451 mm。春冬季多风且降水稀少，夏秋降雨较为集中，受蒙古冷高压、大陆低压和副热带高压控制，冬季盛行偏西或偏北风，夏季以偏南和西南风为主［27］。

图1

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图1   （A）东亚地区DEM图；（B）科尔沁沙地DEM图；（C）年降水量；（D）年平均气温

Fig.1   （A） DEM map of East Asia； （B） Horqin Sandy Land DEM map； （C） Annual precipitation； （D） Annual mean temperature


2 材料与方法

2.1　样品采集

为获得科尔沁沙地不同空间位置的特征信息，在大量野外调查的基础上，在沙地范围自东向西选取25个采样点，样本以地表沉积物的风成砂为主要类型，采样位置基本垂直于降水梯度。为避免污染，取样时刮开表面5 cm沙样，并且从尽可能远离耕地和人类居住点进行采集，以避免生物活动和植被覆盖产生影响。

2.2　方法

2.2.1　色度测定

色度测试使用柯尼卡美能达公司生产的CM-700D型分光测色计，样品在室内进行自然风干后分别研磨至细腻无明显颗粒和过200目筛，得到研磨至200目以下与筛取后<63 μm的样品。将待测样品平铺放在无色透明的玻璃板上，保持整个测试过程背景光源稳定，对样品亮度（L*）、红度（a*）和黄度（b*）进行测试。首先对分光测色计进行仪器颜色系统校准，称取约0.5 g样品放在白色陶瓷板上，然后移动放置在样品上的玻璃片，将样品压实、压平，并选择表面平整区域进行测试。为避免结果存在偶然性从而引起误差，对每件样品进行3次测试，分别得到L*、a*和b*的数据结果，取3次结果的平均值代表样品颜色属性。测定在哈尔滨师范大学寒区地理环境监测与空间信息服务黑龙江省重点实验室完成。

2.2.2　DRS测试

Gt/Hm比值测定采用Cary 4000UV-Vis紫外可见分光光度计，样品自然风干后过200目筛，对<63 μm的风成砂样品进行测试。首先对紫外光度计进行校正，将硫酸钡样品装入测试盒，测量波长300~800 nm，间距5 nm，分别进行基线、硫酸钡标样与零线反射率的测试；校准完成后依次将样品装入测试盒进行反射光谱测试。

由于漫反射光谱图相对平缓，一般通过计算其一阶导数来定量表示曲线倾斜变化，即采用漫反射光谱曲线斜率来指示样品中不同含铁矿物的组成和含量［28］。测定在哈尔滨师范大学光电带隙材料教育部重点实验室完成。

2.2.3　磁化率测定

磁化率测量使用英国BartingtonMS2B磁化率仪，样品自然风干后置于弱磁性盒（2 cm×2 cm×2 cm）内，对样品称重后分别进行高频磁化率（χhf）和低频磁化率（χlf）测试。同时，对样品过200目筛，获取<63 μm样品进行测试。为避免偶然误差，保证其结果准确性，对每个样品进行3次测试，计算平均值作为最终的质量磁化率值。实验在哈尔滨师范大学寒区地理环境监测与空间信息服务黑龙江省重点实验室完成。

2.3　计算方法
2.3.1　年平均气温和年降水量计算

本研究使用源于WorldClim数据集的现代气象数据，包括年降水量（Mean annual precipitation， MAP）和年平均气温（Mean annual temperature， MAT）数据，该数据发布于2020年1月，时间跨度为1970—2000年，空间分辨率为1 km2。

基于上述30年的气象数据建立区域气温与降水量梯度线，使用GIS10.7对各个采样点的降水量及温度进行估算，确定各采样点的具体年平均气温与年降水量。

2.3.2　Gt与Hm比值

对测试样品的反射率R%进行平滑处理后，将相邻两光谱值之差除以光谱间隔值1 nm，即为点的一阶导数值。分别用Gt和Hm表示一阶导数计算结果中435、560 nm波长对应的峰高，以Gt/Hm代表Gt和Hm相对含量的比值。

2.3.3　频率磁化率计算

使用测量的低频磁化率和高频磁化率之差计算频率磁化率（χfd），即χfd=χlf-χhf。在质量磁化率的基础上，计算样品的百分频率磁化率（χfd%），计算公式为：χfd%=χfd/χlf×100。

3 结果

3.1　色度曲线变化特征

科尔沁沙地的风成砂样品L*、a*总体变化较大，b*变化较小（表1）。全样样品色度测试结果显示，在科尔沁沙地南部采集的共25个样品中，L*的均值为74.01，范围为55.19~80.37；a*的均值为3.18，范围为1.93~5.30；b*的均值为11.02，范围为8.36~13.00。而<63 μm样品色度测试结果显示，L*出现较大的波动，而a*和b*总体变化趋势不大，L*的均值为56.91，范围为52.58~63.30；a*的均值为5.04，范围为3.65~6.19；b*的均值为13.81，范围为10.29~16.22。42°—43°N相对43°—44°N样品的a*和b*均值更高，而L*和b*/a*值偏低。119°—121°E和121°—124°E样品相比，前者的a*和b*均值更低，而L*和b*/a*值偏高。

表1   科尔沁沙地风成沉积物颜色参数

Table 1  The color parameters of wind-sand sediments in Horqin Sandy Land

样品亮度L*红度a*黄度b*
平均值最大值最小值平均值最大值最小值平均值最大值最小值
全样74.0180.3755.193.185.301.9311.0213.008.36
<63 μm56.9163.3052.585.046.193.6513.8116.2210.29
42°—43°N73.9179.3855.203.245.303.2411.2012.4411.20
43°—44°N74.1080.3756.103.124.023.1210.8513.0010.85
119°—121°E76.6280.3772.242.963.262.9610.8411.8110.84
121°—124°E71.6079.3855.203.385.303.3811.1913.0011.19

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总体来看，L*值整体随纬度呈开口向上的抛物线特征，即南部和北部L*较高，中部L*较低。b*/a*与L*变化相似，但存在较大波动（图2）。而a*和b*的变化与L*略有不同，随纬度的升高呈下降的趋势。在东西方向上，L*与b*/a*值整体随经度升高呈现较显著的降低趋势，而a*和b*值出现了相反的变化，随经度增加而升高。对<63 μm风成砂样品色度与不同经、纬度范围分析表明，L*与b*/a*值整体随纬度呈现开口向下的抛物线特征，而a*和b*与纬度差异并未产生显著变化趋势。在东西方向上，L*、a*、b*和b*/a*整体均呈现随经度升高显著降低的趋势。

图2

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图2   科尔沁沙地地表沉积物色度变化曲线

Fig.2   Chromaticity variation curve of surface sediments in Horqin Sandy Land


3.2　漫反射光谱特征

科尔沁沙地的地表风成砂样品漫反射光谱一阶导数曲线在435 nm附近出现一个峰，峰高值集中在0.05~0.10，这是标准Gt的次级特征峰，与标准Gt吻合（图3）。而在520 nm左右曲线仅出现一个小波动，推测可能是在基体效应的影响下Gt的主峰受到Hm特征峰的干扰而被遮盖。在曲线560 nm处出现一个主峰，峰高值集中在0.07~0.13，仅个别样品的峰高值超过0.14，这是Hm的特征峰，表明沙地内含有一定量的Hm。对各样点漫反射光谱曲线进行对比，发现Hm的一阶导数主峰的峰高值远大于Gt的主峰和次峰，表明沙地风成沉积物中Hm的含量远高于Gt。

图3

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图3   科尔沁沙地风成砂样品漫反射光谱一阶导数（IDV）

Fig.3   First derivative diagram of the DRS of eolian sand samples from Horqin Sandy Land


结合图4对沙地范围内Gt和Hm特征峰分布情况进行分析，科尔沁沙地地表风成砂样品中Hm一阶导数特征峰波动较大，最大与最小值均出现在东部样品中，表明东部风成砂样品中Gt和Hm的相对含量存在较大波动。而西部风成沉积物，尤其是122°E以西样品的一阶导数特征峰变化较小，Gt和Hm的相对含量基本保持稳定。

图4

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图4   科尔沁沙地风成砂样品针铁矿（Gt）和赤铁矿（Hm）一阶导数（IDV）特征峰分布曲线

Fig.4   Characteristic peak distribution curve of first derivative of goethite and hematite in eolian sand samples from Horqin Sandy Land


3.3　磁化率特征

研究区地表风成沉积物的低频磁化率为15.37×10-8~0.27×10-8 m3·kg-1，平均3.64×10-8 m3·kg-1；高频磁化率为14.39×10-8~0.25×10-8 m3·kg-1，平均3.47×10-8 m3·kg-1；频率磁化率为1.14×10-8~0.02×10-8 m3·kg-1，平均0.17×10-8 m3·kg-1；百分频率磁化率为0.81%~10%，平均4.15%。总体上来看，科尔沁沙地风成砂磁化率整体偏低，样品中磁性矿物含量较低，且磁化率变化较大。从地表沉积物的χfd%值变化可以看出，不同经、纬度风成沉积物的成壤作用差异明显。

42°—43°N比43°—44°N的χfd%均值更高，而χlf、χhf和χfd的变化趋势不明显（图5）。总体来看，χfd%随纬度逐渐降低且分布较为分散，χlf、χhf与χfd均随纬度增大略有增加，且χfd值的变化较为平缓。

图5

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图5   科尔沁沙地地表沉积物磁化率变化曲线

Fig.5   Magnetic susceptibility curve of surface sediments in Horqin Sandy Land


119°—121°E和121°—124°E样品相比，前者的χfd%与χfd均值更低，后者出现明显波动变化，而χlf 、χhf变化趋势不明显。总体来看，χfd%与χfd整体随经度升高呈现较显著的升高趋势。

4 讨论

4.1　科尔沁沙地地表沉积物色度变化特征及其气候意义

地表沉积物色度是对其反射可见光光谱特征的表征，与有机质含量、氧化铁含量、质地、水分和黏土矿物类型等因素密切相关［29-31］。以上因素往往与风化成壤作用有关，因此沉积物的颜色变化可以反映气候和环境的信息［32-34］

地表沉积物L*值在不同地区的空间分布特征存在差异［35-37］，科尔沁沙地风成砂样品的L*值经向变化特征显著，总体上呈现随经度的增加而减少。对L*与各气候指标进行相关性分析（图6），结果表明L*的变化与MAP从东南向西北递减的变化趋势有较高的一致性（相关系数为0.47，P<0.05），而从L*与MAT的相关性分析结果来看，随温度升高，L*值逐渐降低，二者具有一定的负相关关系（r=-0.45，P<0.05）。一般L*值与成壤过程中有机质含量的变化相关，当温度较低、降水量较少，即气候环境条件较为冷干时，有机质含量越低，L*越大；而在温度较高、降水充足的气候条件下，适合生物生长，有利于有机质的积累和储存，有机质含量越高，L*越小［38-39］，说明降水与温度对L*的变化有重要的影响。前人研究表明，沉积物中有机质含量与植被状况密切相关［40］。因此，我们认为科尔沁沙地风成沉积物的L*值可以指示区域温度与降水量的变化，同时间接反映区域的植被覆盖状况。

图6

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图6   科尔沁沙地风成砂色度参数与气候因子相关系数

注：*，P≤0.05

Fig.6   Indicative diagram of correlation coefficients between chromaticity parameters and climate factors of aeolian sand in Horqin Sandy Land ［*P≤0.05］


风成砂样品的a*值总体上呈现随经度的增加而增大的趋势，而b*值的变化不明显。对科尔沁沙地地表沉积物的气候参数与a*、b*进行相关性分析发现，a*和b*与降水之间均为正相关关系，二者的相关系数分别为0.41（P<0.05）和0.22（P>0.05，图6），说明在科尔沁沙地区域内，a*与降水量具有一定的相关性，但b*与降水量变化无相关性。而年平均气温与a*和b*的相关系数分别为0.24（P>0.05）和-0.14（P>0.05），表明温度对其变化的影响微弱。可能是研究区域内MAT的变化范围相对较窄，MAT与色度参数无相关性。a*和b*主要由Hm和Gt等铁氧化物的种类和含量决定，a*的变化通常与Hm含量（或者质量分数）有关，而b*则受到Gt质量分数的影响［41-43］。在暖湿气候条件下，良好的水热条件促进沉积物中磁性矿物的氧化分解，使得铁氧化物富集，Hm含量增加，a*值升高［44-45］。因此，我们认为在科尔沁沙地范围内，Hm含量随降水量增加而逐渐增加，a*值的变化能够反映降水量的变化趋势，而温度对风成沉积物a*和b*的变化影响不明显。同时，其他区域的研究结果也为这一结论提供了佐证。对西北干旱区地表沉积物的研究发现，颜色指标与降水量相关性较好，而与温度没有必然联系［35］。对云南地区的土壤分析也表明，红度指标与降水量之间具有一定的线性关系［46］。

b*/a*本质上代表Gt/Hm，主要反映二者相对含量的变化趋势，与其绝对含量无关，能够明显消除母质对单独a*与b*值的影响，更适合作为区域古气候研究的代用指标［47-50］。b*/a*与现代气候因子的相关性分析显示（图6），b*/a*与年降水量和年平均气温的相关系数分别达到-0.43（P<0.05）和-0.47（P<0.05），说明b*/a*与年降水量和年平均气温均具有较好的负相关性，b*/a*随年降水量的增加而减小，同时随年平均气温的增加而减小。在暖湿条件下，Hm含量逐渐增加，但b*/a*值逐渐减小，暗示Gt相对含量保持稳定或略有下降。就风成砂的铁磁性矿物来说，Hm的含量相对Gt更具优势。

此外，对<63 μm的风成砂样品色度分析表明，L*、a*、b*和b*/a*与降水量和温度变化的相关性均处于较弱水平。结合表1的色度测试结果，与全样相比，在<63 μm的风成砂样品中，L*与b*/a*值显著降低，而a*与b*值均出现小幅度升高。沉积物在搬运和沉积过程中，由于动力分选作用，粗、细颗粒发生分离，从而导致矿物分离并富集于不同粒级组分［51］。在风成砂样品内，Gt、Hm等铁磁性矿物在细粒级组分中相对含量较大，而有机质、碳酸盐等物质大多集中在粗粒级组分中，色度参数受粗颗粒组分影响较大。因此，<63 μm风成砂的L*和b*/a*值与气候因子的相关性显著降低，采用全样色度参数能够更好地反映区域气候条件。

4.2　科尔沁沙地地表沉积物Hm和Gt的变化特征及其气候意义

DRS曲线与色度指标都与Gt和Hm存在密切联系。作为沉积物中主要的致色矿物，Gt和Hm对其颜色变化具有重要贡献，二者在DRS可见光波段上有非常明显的反射行为，能够通过DRS对Hm、Gt进行有效鉴定及定量分析［52-55］。

在人工合成的标准Gt、Hm样品或基体较简单的样品中，Hm一阶导数特征峰一般出现在580 nm处［20，56］，当Hm的含量增加，相应的特征峰值增高，特征峰波段位置稍向长波方向移动；而Gt一阶导数特征峰主峰与次峰出现在550 nm与450 nm处［57-58］。图3显示科尔沁沙地风成砂样品Hm特征峰出现在560 nm附近，而Gt次峰出现在435 nm处，较标准样品的Hm与Gt特征峰位置偏向短波方向移动，可能由于基质效应及铝替代现象［59］。此外，比较DRS曲线峰值发现Hm峰高均高于Gt。结合科尔沁沙地内部气候条件，区域温度气候条件总体较为冷干，有利于Hm的形成，因此Hm相对含量增加，Gt的形成受到抑制，因此，可认为在科尔沁沙地风成砂中Hm相对Gt含量占据主导。

在沙地风成砂样品中，由于粒度分选作用的影响，Gt、Hm等铁磁性矿物在<63 μm的细粒级组分比全样中具有更高的相对含量。对沙地地表沉积物样品的a*、b*和b*/a*与Gt、Hm和Gt/Hm进行相关性分析（图7），结果显示全样风成砂样品中a*与Hm、b*与Gt、b*/a*与Gt/Hm的相关性整体较低，而在<63 μm 粒级的风成砂样品中，a*与Hm、b*与Gt、b*/a*与Gt/Hm呈现明显的正相关关系，相关系数分别为0.64、0.85、0.79（P<0.05），指示Hm和Gt的相对含量分别与a*和b*具有较强的正相关关系，并且其比值具有一致的指示作用。就沉积物中的铁磁性矿物来讲，沙地地表沉积物<63 μm粒级的风积砂与全样对比显示，前者的测试结果能够更好地指示沉积物样品中Gt、Hm的相对含量。

图7

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图7   色度参数与DRS参数散点图

Fig.7   Scatter plot of chromaticity parameters and DRS parameters


科尔沁沙地风成砂样品的DRS特征峰值与现代气候因子的相关性分析表明（图8），Hm和Gt与降水和温度均为负相关，Gt/Hm与降水量存在一定正相关，与年平均气温呈负相关。由于Hm、Gt铝替代现象的存在，可明显削弱漫反射光谱中对应矿物的特征峰强度，导致相对含量降低［60-61］。因而在科尔沁沙地内，风成沉积物DRS测试结果所显示的Hm、Gt的相对含量均处在较低水平，随温度与降水的变化范围较小，相关性不明显。一般认为，湿润环境有利于Gt的形成，而温暖、干湿交替的气候背景更利于Hm的形成［39，62］。

图8

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图8   DRS参数与气候因子散点图

Fig.8   Scatter plot of DRS parameters and climatic factors


科尔沁沙地全年气候较为寒冷，总体的冷干条件导致风化成壤作用较弱，而随降水量的增加，Hm发生强烈的溶解淋失，而Gt含量略有减小。在Hm逐渐降低而Gt分解受到抑制的条件下，Hm和Gt/Hm与降水量的变化出现相反的趋势，Hm随降水量的升高而降低，Gt/Hm则相反。Gt/Hm的变化与气候条件总体趋向表现一致，高值指示湿润气候，低值则代表干燥。

4.3　科尔沁沙地地表沉积物磁化率变化特征及其气候意义

磁化率指示在外加磁场作用下，物质所获得的磁化强度与磁场强度的比值，能够代表沉积物在磁场中被磁化的难易程度，为推断沉积物形成的古气候环境提供可靠的磁学证据［63-65］。对于地表沉积物而言，磁化率取决于沉积物中的磁性矿物的种类、含量及其粒度组成，而磁性矿物来源包括物源区碎屑物和沉积后新生成的磁性矿物［66-68］。不同气候条件与沉积环境下沉积物的磁化率增强机制迥异，风成沉积物的磁化率大多反映区域风沙风向和风力的变化，多数研究认为磁化率的变化与风化成壤强度呈正相关，并且在较强降水区域，由成壤过程主导磁性变化［69-70］。

科尔沁沙地地表风成沉积物的磁化率强度与年降水量的空间变化特征较为一致，均呈现自西北向东南显著增强的趋势。沉积物的磁性主要是由原始沉积的磁性颗粒和成土过程中磁性矿物的转化所决定［71］。本研究样品主要取自物质组成较为均一的风成沙丘，排水条件良好且后期侵蚀作用较弱，基本能排除基岩母质与区域水文条件等对沉积物样品磁学性质的影响。

从地表沉积物气候因子与磁化率参数的相关性分析结果来看（图9），χlf、χhf、χfd和χfd%均与降水正相关，与温度负相关，年平均气温与各磁化率参数相关性均较差，而年降水量与χfd%明显正相关。在科尔沁沙地，降水对磁化率的影响显著。随着降水量的增加，在成壤作用增强的条件下，新生成大量细颗粒亚铁磁性矿物，沉积物的磁化率呈现升高趋势，表明磁化率高值能够指示暖湿气候，而低值对应干冷时期。磁化率与影响成壤作用的主要因子（降水量、温度）之间，可在年降水量的临界值1 000~1 200 mm处分为正相关和负相关两大区域［72］。当降水量处在低值时，与磁化率呈显著正相关，降水量高于临界值后，磁性矿物发生溶解，导致地表沉积物磁化率逐渐降低［73-74］。而温度与降水量的影响不同，高温条件下进一步促进磁性矿物溶解，加快磁化率的降低趋势，低温条件与之相反，减缓磁化率的变化［67，75-76］。科尔沁沙地的降水量位于低值区域，磁化率变化趋势与前人研究结果一致。

图9

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图9   科尔沁沙地风成砂磁化率参数与气候因子相关系数指示图

Fig.9   Correlation coefficient diagram between magnetic susceptibility parameters and climatic factors of aeolian sand in Horqin Sandy Land


在环境磁学中，物质中磁性矿物的富集程度与磁性矿物总的贡献量多用质量磁化率χ来反映［77］，而χfd和χfd%分别是频率磁化率的绝对值和百分数，主要代表成壤过程中新生成细颗粒SP和SD亚铁磁性矿物含量的大小［78-79］。在科尔沁沙地范围内，磁性来源主要为成壤作用下大量新生成的磁性矿物，因此相比于其他磁性参数，χfd%更能够代表区域降水的变化趋势。

为进一步说明磁化率变化的机制，对<63 μm风成砂样品的磁化率进行测量，其χlf、χhf磁化率值显著增加，表明科尔沁风成沉积物的磁化率由细颗粒主导。磁性大小受磁性矿物粒度和含量的影响，而磁性矿物的粒度和含量受到风速影响，风速越大，则搬运和沉积的磁颗粒就越粗越多［17，80］。研究区位于大兴安岭东麓，山脉阻隔了来自西北方向的风，风速在此显著降低，表明地表沉积物中来自源区搬运和沉积的磁颗粒较少。研究表明，磁性矿物的生成和转化主要有两种途径，一是在粉尘携带的粗粒磁铁矿沉积后发生低温氧化还原［81-82］，二是在成土过程中由水铁矿向Hm转化的中间产物［83］。χfd和χfd%值主要代表新生成的细颗粒亚铁磁性矿物，二者测试值的显著升高为在降水增加条件下成壤过程增强提供了重要佐证。因此，我们认为在科尔沁沙地区域内，气候条件是控制地表风成沉积物磁性变化最重要的因素，区域的磁性矿物大部分源于成壤作用下磁性矿物的逐渐转变，仅少部分来源于物源区粉砂颗粒的风力搬运与沉积。

5 结论

科尔沁沙地地表风成沉积物的颜色与区域降水的关系密切，与温度之间影响较为复杂。L*、b*/a*值与a*值均能良好指示区域的降水变化趋势，可以作为指示区域气候的代用指标。L*低值、a*高值与b*/a*低值指示暖湿气候，反之则代表冷干气候。

科尔沁沙地地表沉积物中Gt和Hm的相对含量均处于较低水平，以Hm的相对含量占据主导，并且在粒度分选作用下，Gt、Hm等铁磁性矿物多在细颗粒富集。Gt/Hm值的变化能够指示气候干湿条件的总体趋向。

科尔沁沙地地表沉积物的χfd%与区域降水的关系密切，能够作为指示区域降水情况的代用指标。沉积物磁化率主要受成壤作用下磁性矿物转化的影响，随降水强度增加，风化成壤作用逐渐加强，新生成大量细颗粒磁铁矿和磁Hm，导致地表风成砂样品磁性增强。

科尔沁沙地地表风成沉积物色度、磁化率和Gt/Hm比值能够有效指示区域气候环境。本研究从现代过程层面深化了中国东北地区地表沉积与气候参数的关系，也为重建东北地区的古气候变化历史提供参考。

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