铁（Fe）和锰（Mn）的形态变化及其在不同粒径颗粒中的重新分布，揭示了沙溪庙组（Shaximiao Formation）中土壤与岩石之间的颜色差异

《CATENA》：Variations in Fe-Mn speciation and their redistribution across particle-size fractions unveil the color disparities between soil and rock in the Shaximiao Formation

四川盆地沙溪庙组红层土壤与岩石颜色差异源于Fe-Mn氧化物相变及粒度分异。通过M?ssbauer光谱和CIE L*a*b*颜色分析，发现土壤比岩石更红更暗，主要因Fe氧化形成赤铁矿富集于黏粒，Mn淋失导致含量下降。砂、粉砂对Fe浓度更敏感，黏粒颜色表现能力更强。研究揭示了Fe-Mn迁移对红层颜色演化的驱动机制。

　　在红层土壤和岩石中，颜色是一个重要的诊断性特征，主要由铁（Fe）和锰（Mn）氧化物的分布和变化所决定。这些氧化物不仅影响土壤和岩石的外观，还反映了其形成过程中的化学、物理和生物活动。近年来，关于红层土壤颜色演变的研究取得了显著进展，但对亚热带季风气候区中锰氧化物对颜色的影响研究仍较为有限。本文通过对四川盆地的上沙溪庙组（Shaximiao Formation）中33个紫色土壤样品和14个紫色岩石样品的分析，揭示了Fe-Mn氧化物在不同粒径分级中的变化及其对土壤和岩石颜色差异的影响机制。

研究区域位于中国西南部的四川盆地中部，属于典型的亚热带季风气候区，其特点是雨热同季，热量积累较为丰富。该区域的地形以低丘和平原交替分布为主，地势相对平缓，平均海拔约为500米。该地区的主要河流包括岷江和沱江，从西北向东南贯穿整个区域。由于气候温暖湿润，该地区的土壤发育过程活跃，促进了Fe-Mn氧化物的形成与迁移。此外，该地区的植被类型多样，以亚热带常绿阔叶林为主，包括一些代表性树种如柯属植物和木荷属植物。这些自然条件为研究Fe-Mn氧化物在土壤和岩石中的分布与变化提供了理想的背景。

研究中采用多种方法对Fe-Mn氧化物的种类、浓度以及其对颜色的影响进行了系统分析。首先，对土壤和岩石样本进行了粒径分级，将其分为砂（0.05–2 mm）、粉砂（0.002–0.05 mm）和黏土（<0.002 mm）三个粒级。随后，使用CIE L*a*b*颜色坐标系统对各粒级的颜色进行了定量分析，这是一种基于CIE XYZ标准的国际公认颜色空间模型，能够精确反映颜色变化。同时，通过莫斯巴auer光谱技术（MS）对Fe氧化物的矿物学特征和价态变化进行了研究，揭示了Fe氧化物在土壤中的分布特征及其对颜色的控制作用。此外，还通过X射线衍射（XRD）分析了土壤和岩石的矿物组成，进一步验证了Fe-Mn氧化物对颜色的影响。

研究结果表明，土壤的L*值（表示颜色的明度）比岩石低6.79%，而a*（红绿色轴）和b*（黄蓝色轴）的值分别比岩石高43.74%和121.09%，同时a*/b*比值也提高了14.98%。这说明在土壤形成过程中，Fe-Mn氧化物的浓度和种类发生了显著变化，尤其是Fe氧化物的增加和Mn氧化物的减少。Fe氧化物在黏土粒级中富集，而Mn氧化物则主要富集在粉砂粒级中。此外，Fe-Mn氧化物在土壤形成过程中逐渐迁移至黏土粒级，导致黏土粒级表现出更强的颜色表现能力，而砂和粉砂粒级则对Fe氧化物浓度变化更为敏感。这些发现表明，Fe-Mn氧化物的种类和分布变化是导致土壤和岩石颜色差异的关键因素。

进一步的统计分析表明，Fe-Mn氧化物的浓度变化与土壤和岩石的颜色坐标存在显著相关性。在土壤中，Fe氧化物的浓度对颜色的影响尤为明显，其中Fe的总含量（Fe_t）和自由态Fe（Fe_d）对L*和b*值具有显著的负相关，而Fe的无定形态（Fe_o）则对b*值具有正相关。相比之下，岩石的颜色变化主要由Fe的总含量和自由态Fe的浓度决定，且Mn的释放比例（Mn_d/Mn_t）对岩石的b*值有显著的正相关。这表明，在岩石向土壤的转化过程中，Fe氧化物的变化对颜色的影响更为显著，而Mn氧化物的作用则相对次要。此外，Fe的无定形态和有机结合态在不同粒级中表现出不同的分布特征，其中Fe的无定形态在黏土粒级中显著富集，而Mn的无定形态则在粉砂粒级中更为突出。

在讨论部分，研究者进一步分析了Fe-Mn氧化物在土壤和岩石中的变化及其对颜色的影响机制。Fe-Mn氧化物的种类和浓度变化不仅反映了土壤形成过程中的化学和物理作用，还揭示了其与土壤结构、矿物组成以及环境因素之间的复杂关系。Fe氧化物在土壤形成过程中经历了氧化作用，转化为稳定的赤铁矿（hematite），而Mn氧化物则在不同粒级中表现出不同的迁移和富集趋势。Fe氧化物的富集和迁移主要发生在黏土粒级，而Mn氧化物则主要富集在粉砂粒级。这种粒级间的氧化物分布差异导致了土壤和岩石在颜色上的显著差异。此外，Fe-Mn氧化物的浓度变化与土壤的粒级分布特征密切相关，尤其是在砂和粉砂粒级中，Fe氧化物的浓度变化对颜色的影响更为显著。

在总结部分，研究者指出，Fe-Mn氧化物的种类和浓度变化是导致土壤和岩石颜色差异的核心因素。这些氧化物在土壤形成过程中经历了氧化和迁移，最终富集在黏土粒级，而砂和粉砂粒级则对Fe氧化物的浓度变化更为敏感。这些发现不仅有助于理解红层土壤颜色的演化机制，还为亚热带季风气候区的土壤和岩石颜色研究提供了新的视角。此外，研究还强调了Fe-Mn氧化物与有机质之间的相互作用，这种相互作用可能进一步影响颜色的表现和分布。

总之，本文通过系统的实验分析和统计研究，揭示了Fe-Mn氧化物在红层土壤和岩石中的变化及其对颜色差异的影响机制。这些结果不仅加深了我们对红层颜色演化过程的理解，还为相关领域的进一步研究提供了重要的理论依据和实践指导。