陜西洛川全新世黑壚土理化特征年齡函數的構建

劉 剛，許文年，蔡崇法，劉普靈，楊明義，張 瓊

（1.三峽大學 三峽庫區地質災害教育部重點實驗室，湖北 宜昌443002；2.中國科學院 水利部 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室，陜西 楊凌712100；3.華中農業大學 農業部長江中下游耕地保育重點實驗室，武漢430070）

土壤的形成過程漫長并且復雜，很難對其進行觀測，而通過研究土壤年齡序列則可以有效地對土壤發育過程進行定量研究［1－2］。土壤年齡序列是指在相似植被、地形、氣候和母質條件下土壤理化特征隨時間因子發生變化［3］，它一方面可以通過土壤剖面對土壤理化特征進行長時間序列研究，另一方面還可以將土壤之間的空間差異轉化為時間差異。土壤年齡序列對于成土速率和土壤發育方向具有非常好的指示作用，并且為檢驗土壤發生學理論提供了寶貴的信息。近些年來，許多學者對土壤年齡序列進行了研究，大部分土壤年齡序列研究表明：土壤屬性與時間符合線性、冪函數、指數函數、對數函數關系［2，4－5］，而雙曲線、多項式或非線性函數不僅可以改進擬合效果，而且有助于提出對成土系統的新認識，但土壤年齡函數的選擇既要符合客觀實際，又要有相應的理論作為依據。當土壤屬性—時間關系方程確定后，y截距可以被用來重建時間零點時的土壤屬性［6］。

黑壚土剖面是黃土高原地區保存較為完整的全新世土壤剖面，可以為研究全新世氣候環境演變提供重要信息。目前對于黑壚土剖面土壤年齡序列的研究較多［7－9］，但相應的土壤年齡函數卻較為少見。本研究對陜西洛川全新世黑壚土剖面土壤理化特征及土壤14C年齡進行研究，通過構建并選擇土壤年齡函數，增強對土壤形成和發育過程的認識，從而為預測土壤修復速率提供理論依據［2］，同時為土壤發育模型的建立提供數據支撐［10］。

1 材料與方法

研究剖面位于陜西省洛川縣京兆鄉京兆村（35°42.561′N，109°23.952′E），本地區屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，年平均溫度9.2℃，年降雨量622 mm。剖面所處地形為平坦塬面，周圍長有蘋果樹。在地表挖開2.0m深剖面，用剖面刀對剖面進行整理，使得剖面各發生層清晰可見，接著用皮尺測量各發生層的深度，同時觀察各發生層特征，并作記錄、拍照。黑壚土剖面特征如表1所示。

表1 土壤剖面特征

表2 土壤剖面各采樣層14C年齡

在采集剖面樣品時，首先清理剖面表層土壤，防止被污染土壤混入樣品中，然后以10cm為一層，自上而下將各剖面分為連續的20層（表2），接著用環刀采集每一層土壤容重樣品，用塑料鏟子采集500g左右土壤樣品裝入密封袋中并編號帶回實驗室。

本實驗中采集的所有土壤樣品送至中國科學院地球環境研究所加速器質譜中心，完成土壤14C年齡樣品的測量工作。該中心擁有的主要設備包括一臺3MV的多核素分析加速器質譜儀及其樣品制備系統，其現代樣品的14C測量精度優于0.5%，可達0.2%～0.3%。

本實驗使用英國馬爾文公司生產的Mastersizer—2000型激光粒度儀測量土壤顆粒粒徑，使用雷磁公司PHBJ—260型酸度計測定樣品pH值，采用重鉻酸鉀容量法—外加熱法測量土壤有機質含量，采用氣量法測定土壤中CaCO3含量，使用美國PE公司生產的ZL—5100型原子吸收分光光度計測量土壤中Mn，Fe，K，Na，Ca，Mg元素含量，使用國產 UV—VIS8500II型紫外可見分光光度計測量土壤中P元素含量。土壤Zr元素，送至中國原子能研究所進行處理與測量。

本研究采用最為常用的［2，6］線性函數（Y＝a＋bX）、對數函數（Y＝a＋blnX）和三階多項式（Y＝a＋bX＋cX2＋dX3）構建黑壚土年齡函數，通過比較各擬合函數的決定系數（r2），輔以理論指導來選擇土壤年齡函數。

2 結果與分析

2.1 土壤顆粒粒徑分布

通過對該剖面土壤顆粒粒徑進行分析發現，各層土壤中黏粒（＜0.002mm）、粉粒（0.002～0.02mm）和砂粒（0.02～2mm）均隨土壤年齡發生變化，利用線性函數、對數函數與三階多項式對其關系進行擬合，其結果如表3所示。由表3可知，利用三階多項式對不同土壤顆粒組成和土壤年齡進行擬合效果最佳，其決定系數均遠大于線性函數和對數函數擬合的結果。

表3 不同土壤顆粒組成與土壤年齡回歸結果

圖1 不同土壤顆粒組成隨土壤年齡變化及其三階多項式擬合曲線

這與一些學者的研究結果并不一致，Bockheim［2］和Merritts等［11］認為，土壤黏粒含量與土壤年齡存在較好的對數關系，而Barrett［12］的研究結果表明土壤粉粒含量與土壤年齡線性相關。究其原因，可能是由于本研究剖面中存在黑壚土層，其黏粒和粉粒含量均高于上下層土壤，而砂粒含量低于上下層土壤（圖1）。黑壚土層中的黏粒增加不是從覆蓋土層淋洗淀積形成，而是土體內部風化作用的產物。因為石灰性土壤脫鈣以前有大量鈣和鎂，帶負電荷的硅酸鹽黏粒與鈣、鎂作用而凝聚，凝聚的黏粒不發生機械淋洗。但從圖1中可以看出，黑壚土層風化程度較輕，粘化作用較弱，這是受到水熱條件限制的結果。三階多項式從理論和實際的角度［6］較好地反映了該剖面中存在黑壚土層這一特征，因此可以作為土壤顆粒組成的年齡函數。

2.2 土壤有機碳、CaCO3和pH值

由表4可以看出，利用三個函數對土壤有機碳含量和土壤年齡進行擬合，發現其決定系數均在0.8左右，二者相關性較高。但線性函數和三階多項式函數與y軸截距分別為0.57和0.60，這與實際情況并不相符，其值至少大于0.6（圖2a）。因為長有植被的土壤剖面頂部有機質含量往往最高，向下迅速減小，至一定深度后有機質含量減小速率變緩［13］。

唐克麗和賀秀斌［14］的研究亦表明洛川黑壚土剖面有機質隨土壤年齡變化符合這一規律。因此，對數函數表明土壤表面有機碳含量無限接近于實測值1.68是符合客觀規律的，可以將其作為土壤有機碳含量的年齡函數。

表4 不同土壤屬性與土壤年齡回歸結果

利用線性函數和對數函數對土壤CaCO3含量與土壤年齡進行擬合，其決定系數分別為0.74和0.59，但y軸截距分別為－2.97和－0.15（表4），而土壤中CaCO3含量不可能為負值，因此這兩個函數不能反映土壤CaCO3含量變化規律。三階多項式擬合曲線則較好地反映了土壤CaCO3含量與土壤年齡之間的關系，其決定系數為0.85，并且曲線變化趨勢反映出了剖面表層土壤受到淋溶作用而導致CaCO3在下層發生淀積（圖2b），且黑壚土層CaCO3含量最低。唐克麗和賀秀斌［14］和趙景波等［15］的研究結果同樣表明CaCO3在黃土剖面上層受到淋溶作用而在下層發生淀積的趨勢，因此三階多項式符合理論及實際情況。

對數函數對土壤pH值和土壤年齡的擬合結果最好，決定系數為0.90。對數曲線的變化趨勢（圖2c）反映了土壤剖面受到淋溶作用導致堿化作用在土壤形成初始階段便很快發生，pH值在土壤表面迅速增大，而其下層pH值增大速率則減緩。這一結果與大多數學者的研究結果相似［16－17］。

圖2 土壤有機碳含量、碳酸鈣含量、pH值隨土壤年齡變化及其擬合曲線

2.3 土壤化學元素的遷移

土壤中易遷移元素與Ti或Zr等不易遷移元素的比值常被用來研究土壤元素隨時間的富集與淋溶［18］。但一些研究表明Ti也為可遷移元素，而Zr更不易遷移［19－20］，因此本文利用多種土壤元素與Zr的比值來研究土壤元素的遷移。由表5可知，利用三階多項式對各種元素同Zr元素的比值與土壤年齡進行擬合，其決定系數均最高。

表5 不同土壤化學元素同Zr元素的比值與土壤年齡回歸結果

從圖3中可以看出，Mn／Zr，Fe／Zr及 K／Zr與土壤年齡雖然用三階多項式擬合效果最好，但其變化趨勢與對數函數比較接近。由此表明，Mn，Fe和K元素在土壤表層受到淋溶作用相對較強，而在黑壚土層及其下層受到淋溶作用較小，并且沒有明顯富集現象發生。這與唐克麗和賀秀斌［14］的研究結果非常相似。但亦有研究表明，土壤中Mn，Fe和K元素與土壤年齡呈線性或對數關系［18，20－22］，這可能與土壤類型及其發育程度有關。

Mg／Zr與土壤年齡的三階多項式擬合結果同線性函數擬合結果的決定系數非常接近，其變化趨勢也非常相似。不同之處在于，三階多項式表明Mg元素在土壤表層淋溶較快，而隨著土壤年齡的增加，其淋溶量逐漸減小，直至其含量在母質層中穩定。而線性函數則顯示Mg元素在土壤剖面中以恒定的速率發生淋溶，這與現實情況并不相符。但一些學者的研究結果表明土壤中 Mg元素與土壤年齡存在線性或對數關系［18，21－22］。

Ca／Zr，P／Zr與Na／Zr在剖面中隨土壤年齡變化表現出相同的趨勢，上層較年輕的土壤受到淋溶作用較強，在黑壚土層出現最低值，而Ca，P和Na這三種元素均在較老的下層土壤中發生富集。而三者中Ca元素的遷移作用最為強烈，其次是P元素，Na元素的遷移相對較小。Ca元素的遷移特征與CaCO3含量隨土壤年齡變化的趨勢是完全一致的。但在非石灰性土壤中，Ca，P和Na元素與土壤年齡仍表現出了線性或對數的關系［18，20，22］。

圖3 土壤 Mn／Zr，Fe／Zr，K／Zr，Mg／Zr，Ca／Zr，P／Zr和 Na／Zr值隨土壤年齡變化及其擬合曲線

3 結論

本研究通過對洛川全新世黑壚土剖面土壤理化特征及土壤14C年齡進行研究，利用線性函數、對數函數和三階多項式對其進行擬合，結果表明不同土壤理化特征與土壤年齡之間的關系存在差異。

三階多項式對土壤黏粒、粉粒及砂粒與土壤年齡之間的關系擬合結果較好，而其它兩個函數擬合結果較差。三階多項式所反映的變化趨勢表明粘化作用導致黑壚土層黏粒和粉粒含量增高，砂粒含量減少，因此可以較好地反映該剖面存在黑壚土層的特征。

對數函數較好地反映了土壤有機碳和pH值隨土壤年齡變化的規律。二者所不同的是，土壤有機碳隨土壤年齡迅速減小至一定程度后減小速率變緩，而pH值隨土壤年齡迅速增大至一定程度后增大速率變緩。

CaCO3含量與土壤各種元素在土壤中遷移的規律可以用三階多項式進行描述。但Mn／Zr，Fe／Zr和K／Zr的變化趨勢同對數函數擬合結果比較接近，由此表明Mn，Fe和K元素在土壤表面受到較強的淋溶作用，而在黑壚土層及其下層遷移作用較為微弱。Mg／Zr的三階多項式擬合結果表明Mg元素在土壤表面受到淋溶作用較強，隨著土壤年齡增加逐漸減小直至穩定。而 Ca／Zr，P／Zr，Na／Zr和 CaCO3含量隨時間變化的規律表明Ca，P，Na元素和CaCO3在剖面表層受到強淋溶，在黑壚土層出現極低值，并在剖面下層發生富集，這一變化規律與三階多項式的擬合結果最為接近。

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