遼寧朝陽鳳凰山古土壤鐵錳膠膜及其基質礦質全量的比較研究

王丹丹　陶敬　馬志強

摘要：對比分析遼寧省朝陽市鳳凰山古土壤剖面的土壤與土壤鐵錳膠膜的化學組成，從土壤微環境方面對剖面各層次的基本理化性質和水熱條件進行探討。研究結果表明：土壤鐵錳膠膜在物質組成和化學性質上與整個土體和基質有明顯差異，土壤鐵錳膠膜的全量化學組成符合風化殼組成規律，以SiO2，Al2O3，Fe2O3為主；剖面的膠膜主要是大量的鐵錳膠膜和少量的粘粒膠膜；S1—S4古紅土地層代表的氣候條件較L2—L4古黃土地層代表的氣候條件濕潤的多。

關鍵詞：鐵錳膠膜；古土壤；微環境；風化指標；朝陽

中圖分類號：S153.6+1；S151+3 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2014）02-0010-04

古土壤是在過去成土條件影響下形成的、較穩定的地理環境因素載體，記錄了大量的古環境信息。根據這一特點對古土壤進行研究，能夠解譯古氣候、古環境信息，有助于恢復重建古地理、古生態和古景觀。研究表明，古紅土是濕熱條件下形成的古土壤，古黃土則是冷干條件下形成的古土壤。然而，前人多以整個土體為研究對象，忽略了土壤是一個非均質體的事實。對古土壤微環境進行研究，能使古成土形成過程中留下的印跡清晰地展現出來，因此近年來相關研究越來越受到重視。

土壤鐵錳膠膜是土壤微環境的記錄體，是在土壤形成和發育過程中，由粘粒、游離氧化物、碳酸鹽、腐殖質等細粒物質通過濃聚、淀積或析離，在土壤縫隙（或孔隙表面）以及機構體（或顆粒）表面形成的一種膜狀結構。目前，關于熱帶、亞熱帶不同類型土壤中的鐵錳膠膜研究較多，對不同氣候條件下的土壤鐵錳膠膜研究較少。

朝陽市地處遼寧西部，是東北地區第四紀古紅土分布范圍較大的地區，鳳凰山古土壤剖面因當地建筑取土而成。其位于松嶺山脈中段鳳凰山附近的山間盆地內，是東北地區古紅土研究的理想剖面。近年來，對遼寧朝陽鳳凰山古土壤序列剖面的研究較多，但這些研究都是從土壤學整體進行分析的，在土壤微環境分析方面還是空白。為此，在前人研究的基礎上，以土壤鐵錳膠膜為研究對象，分析遼寧朝陽鳳凰山古土壤剖面的微形態及微環境，旨在為微環境與古氣候的關系研究奠定理論基礎。

1 材料與方法

1.1 剖面介紹

供試土壤為遼寧省朝陽市雙塔區凌鳳街荒甸子村的鳳凰山剖面，此剖面由當地建筑取土而成，地理坐標為E120°30′20.8″，N41°33′09.6″。剖面總厚度19.85 m，未見地層底界，頂部為棕色土層。根據顏色、結構、緊實度和層間接觸關系等，將鳳凰山古土壤剖面劃分為10個土壤地層、41個土壤發生層。就土壤地層而言，最上部108 cm是發育在洪積物上的現代土壤層（S0），底部以一薄層灰巖礫石層（7 cm）與其下伏黃土層L1呈不整合接觸；S0層以下相間分布5個黃土層（L1～L5）和4個紅土層（S1～S4），向下為相間分布的5個黃色土層和4個紅色土層（見圖1）。經國家地震局采用電子自旋共振法（ESR法）測定，確定剖面的時間跨度約為0～423 Ka B.P.。

供試土壤按土壤地層采集，每個土壤地層選擇具有典型土壤鐵錳膠膜的部位。但是，受長時間自然因素及人為破壞等影響，只采集到紅土地層S1～S4、黃土地層L2～L4的土樣。S3與L4之間存在典型鐵錳膠膜過渡層土壤，不具有代表性。

1.2 樣品處理

土壤鐵錳膠膜由鐵和錳的氧化物（或水合氧化物）組成，包被在土粒外部，具有蠟狀光澤表面，顏色為紅色（或深褐色）或黑色。取樣時，選取具有典型鐵錳膠膜的土塊。土塊經自然風干后，用不銹鋼刀片將帶色的鐵錳膠膜輕輕刮下（深褐色或黑色部分刮凈），所刮膠膜的厚度一般小于1 mm，磨細，過篩，即為鐵錳膠膜土樣。刮凈膠膜的土壤過篩，作為基質土樣。

1.3 試驗方法

pH值：2.5∶1.0水土比—pH計法；非晶質鐵、錳：草酸銨緩沖液浸提原子吸收法；晶質鐵、錳：用DCB法（檸檬酸鈉—重碳酸鈉—連二硫酸鈉）提取，原子吸收法測定；交換性鉀、鈣、鈉、鎂：醋酸銨提取，原子吸收法測定；全量：碳酸鋰—硼酸熔融法提取，ICP測定；有機質：元素分析儀測定。

2 結果與分析

2.1 主要氧化物在土壤鐵錳膠膜及基質中的分布特征

對鳳凰山古土壤及其膠膜元素成分的分析結果表明：基質和膠膜的化學組成均符合風華殼組成規律，以Fe2O3，Al2O3，SiO2為主，這3種成分在基質中的含量分別為53.22～68.43 g/kg，153.25～173.48 g/kg，520.73～715.39 g/kg，在膠膜中的含量分別為52.50～69.42 g/kg，156.13～174.06 g/kg，633.38～684.50 g/kg；膠膜中各元素的平均含量比基質高，但差異不大，說明Fe2O3，Al2O3，SiO2是比較穩定的化學元素，不易被淋洗和遷移，但過渡層和L4層基質中的SiO2含量明顯高于膠膜，由于Si02是很難風化和遷移的，因此可能是由母質不同導致的。

主要氧化物在土壤鐵錳膠膜及基質中的分布見圖2。

從圖2可以看出：3種元素無論是在基質中還是在膠膜中，在地層由上至下的分布都具有一定規律；在各個土壤地層中Fe2O3和Al2O3的規律一致，地古紅土中的平均含量高于古黃土；SiO2與其相反，在古黃土中的平均含量高于古紅土，說明古紅土的脫硅富鋁作用強于古黃土。

2.2 其他氧化物在土壤鐵錳膠膜及基質中的分布特征

基質中的全量K，Na，Ca，Mg含量分別為27.70～29.00 g/kg，5.10～21.81 g/kg，6.00～10.14 g/kg，9.02～14.93 g/kg，而膠膜中的全量K，Na，Ca，Mg含量分別為27.87～30.00 g/kg，11.02～28.51 g/kg，10.99～28.17 g/kg，11.02～28.17 g/kg。

由圖3可以看出，上述4種元素在膠膜中的含量均比在基質中高。T檢驗可以看出，除K元素外，其余3種元素均達到顯著性或極顯著性水平，說明Na2O，CaO，MgO較其他元素容易被淋洗出土體，并隨淋溶作用加強而發生遷移。從圖3還可以看出，CaO，Na2O的含量在古紅土中的含量均比在古黃土中的低，顯示出易移動元素的遷移特征，即這2種元素在古紅土中較易遷移。

易淋溶氧化物在土壤鐵錳膠膜及基質中的分布見圖4。相關研究表明，膠膜的物質來源和形成機制是多方面的。曹升賡指出，氧化還原、溶解沉淀作用可在土壤結構體表面（或孔隙壁）形成主要組成物質為鐵、鋁、氧化錳及碳酸鹽的膠膜。由圖2可知，基質和膠膜中的Fe2O3，Al2O3含量沒有明顯差異。但由圖4（3）可以看出，氧化物MnO2在基質（0.84～1.46 g/kg）和膠膜（1.58～3.65 g/kg）中的含量存在極顯著性差異。這說明朝陽鳳凰山剖面形成的鐵錳膠膜主要成分為錳，明顯特點是古紅土中的錳含量明顯高于古黃土，這與Fe2O3的規律是一致的，表明錳元素具有與鐵相似的積聚特點。

TiO2在基質中的含量為7.81～8.53 g/kg，在膠膜中的含量為7.89～8.90 g/kg。由圖4（1）可以看出，無論是在基質及鐵錳膠膜中，還是在古紅土和古黃土中，TiO2的變化規律與Al2O3一致，差異均不大，說明穩定的TiO2很難遷移。

P2O5在基質中的含量為0.33～0.85 g/kg，在膠膜中的含量為0.43～1.28 g/kg，略高于基質，但二者未達到顯著性水平。從圖4（2）中還可以看出，古紅土和古黃土中的P2O5含量差異不明顯，說明P2O5比較穩定，難遷移。

3 結論

1）土壤鐵錳膠膜在物質組成和化學性質上與整個土體和基質有明顯差異，且土壤鐵錳膠膜的全量化學組成符合風化殼組成規律，以SiO2，Al2O3，Fe2O3為主。

2）朝陽鳳凰山剖面的膠膜主要是大量的鐵錳膠膜和少量的粘粒膠膜。

3）膠膜的基本性質和整個土體具有一定的規律性。土壤微域環境中的鐵錳膠膜可以反映不同的水熱條件。從朝陽鳳凰山剖面的鐵錳膠膜性質可以推斷，經過多個氣候變遷，S1—S4地層是在濕熱條件下形成的，L2—L4是在冷干條件下形成的，與以往對朝陽鳳凰山剖面規律的研究結論一致。

參考文獻

[1] 胡雪峰，龔子同.江西九江泰和第四紀紅土成因的比較研究[J].土壤學報，2001，38（1）：1-9.

[2] 潘美慧，宋春暉.甘肅天水地區中新世古土壤的微形態特征及其古環境意義[J].土壤學報，2009，46（7）：578-585.

[3] 唐克麗，賀秀斌.第四紀黃土剖面多元古土壤形成發育信息的揭示[J].土壤學報，2002，39（5）：609-616.

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[5] FAN LIU，GILKES R J，HART R D，et al.Differeneces in potassium forms between cutans and adjacent soil matrix in a grey clay soil

[J].Geoderma，2002，1 069（3）：289-303.

[6] 陳輝，王秋兵，韓春蘭，等.朝陽鳳凰山古土壤序列粒度特征與成因分析[J].地球與環境，2009，37（3）：243-248.

[7] 韓春蘭，王秋兵.遼寧朝陽鳳凰山剖面古土壤序列土壤發育特征研究[J].土壤通報，2010，41（6）：1 281-1 287.

由圖3可以看出，上述4種元素在膠膜中的含量均比在基質中高。T檢驗可以看出，除K元素外，其余3種元素均達到顯著性或極顯著性水平，說明Na2O，CaO，MgO較其他元素容易被淋洗出土體，并隨淋溶作用加強而發生遷移。從圖3還可以看出，CaO，Na2O的含量在古紅土中的含量均比在古黃土中的低，顯示出易移動元素的遷移特征，即這2種元素在古紅土中較易遷移。

易淋溶氧化物在土壤鐵錳膠膜及基質中的分布見圖4。相關研究表明，膠膜的物質來源和形成機制是多方面的。曹升賡指出，氧化還原、溶解沉淀作用可在土壤結構體表面（或孔隙壁）形成主要組成物質為鐵、鋁、氧化錳及碳酸鹽的膠膜。由圖2可知，基質和膠膜中的Fe2O3，Al2O3含量沒有明顯差異。但由圖4（3）可以看出，氧化物MnO2在基質（0.84～1.46 g/kg）和膠膜（1.58～3.65 g/kg）中的含量存在極顯著性差異。這說明朝陽鳳凰山剖面形成的鐵錳膠膜主要成分為錳，明顯特點是古紅土中的錳含量明顯高于古黃土，這與Fe2O3的規律是一致的，表明錳元素具有與鐵相似的積聚特點。

TiO2在基質中的含量為7.81～8.53 g/kg，在膠膜中的含量為7.89～8.90 g/kg。由圖4（1）可以看出，無論是在基質及鐵錳膠膜中，還是在古紅土和古黃土中，TiO2的變化規律與Al2O3一致，差異均不大，說明穩定的TiO2很難遷移。

P2O5在基質中的含量為0.33～0.85 g/kg，在膠膜中的含量為0.43～1.28 g/kg，略高于基質，但二者未達到顯著性水平。從圖4（2）中還可以看出，古紅土和古黃土中的P2O5含量差異不明顯，說明P2O5比較穩定，難遷移。

3 結論

1）土壤鐵錳膠膜在物質組成和化學性質上與整個土體和基質有明顯差異，且土壤鐵錳膠膜的全量化學組成符合風化殼組成規律，以SiO2，Al2O3，Fe2O3為主。

2）朝陽鳳凰山剖面的膠膜主要是大量的鐵錳膠膜和少量的粘粒膠膜。

3）膠膜的基本性質和整個土體具有一定的規律性。土壤微域環境中的鐵錳膠膜可以反映不同的水熱條件。從朝陽鳳凰山剖面的鐵錳膠膜性質可以推斷，經過多個氣候變遷，S1—S4地層是在濕熱條件下形成的，L2—L4是在冷干條件下形成的，與以往對朝陽鳳凰山剖面規律的研究結論一致。

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[7] 韓春蘭，王秋兵.遼寧朝陽鳳凰山剖面古土壤序列土壤發育特征研究[J].土壤通報，2010，41（6）：1 281-1 287.

由圖3可以看出，上述4種元素在膠膜中的含量均比在基質中高。T檢驗可以看出，除K元素外，其余3種元素均達到顯著性或極顯著性水平，說明Na2O，CaO，MgO較其他元素容易被淋洗出土體，并隨淋溶作用加強而發生遷移。從圖3還可以看出，CaO，Na2O的含量在古紅土中的含量均比在古黃土中的低，顯示出易移動元素的遷移特征，即這2種元素在古紅土中較易遷移。

易淋溶氧化物在土壤鐵錳膠膜及基質中的分布見圖4。相關研究表明，膠膜的物質來源和形成機制是多方面的。曹升賡指出，氧化還原、溶解沉淀作用可在土壤結構體表面（或孔隙壁）形成主要組成物質為鐵、鋁、氧化錳及碳酸鹽的膠膜。由圖2可知，基質和膠膜中的Fe2O3，Al2O3含量沒有明顯差異。但由圖4（3）可以看出，氧化物MnO2在基質（0.84～1.46 g/kg）和膠膜（1.58～3.65 g/kg）中的含量存在極顯著性差異。這說明朝陽鳳凰山剖面形成的鐵錳膠膜主要成分為錳，明顯特點是古紅土中的錳含量明顯高于古黃土，這與Fe2O3的規律是一致的，表明錳元素具有與鐵相似的積聚特點。

TiO2在基質中的含量為7.81～8.53 g/kg，在膠膜中的含量為7.89～8.90 g/kg。由圖4（1）可以看出，無論是在基質及鐵錳膠膜中，還是在古紅土和古黃土中，TiO2的變化規律與Al2O3一致，差異均不大，說明穩定的TiO2很難遷移。

P2O5在基質中的含量為0.33～0.85 g/kg，在膠膜中的含量為0.43～1.28 g/kg，略高于基質，但二者未達到顯著性水平。從圖4（2）中還可以看出，古紅土和古黃土中的P2O5含量差異不明顯，說明P2O5比較穩定，難遷移。

3 結論

1）土壤鐵錳膠膜在物質組成和化學性質上與整個土體和基質有明顯差異，且土壤鐵錳膠膜的全量化學組成符合風化殼組成規律，以SiO2，Al2O3，Fe2O3為主。

2）朝陽鳳凰山剖面的膠膜主要是大量的鐵錳膠膜和少量的粘粒膠膜。

3）膠膜的基本性質和整個土體具有一定的規律性。土壤微域環境中的鐵錳膠膜可以反映不同的水熱條件。從朝陽鳳凰山剖面的鐵錳膠膜性質可以推斷，經過多個氣候變遷，S1—S4地層是在濕熱條件下形成的，L2—L4是在冷干條件下形成的，與以往對朝陽鳳凰山剖面規律的研究結論一致。

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