貴州省第四紀紅黏土發育土壤的性狀及其系統分類研究

章明奎,姚玉才,邱志騰,毛霞麗,楊良覦

(浙江大學 環境與資源學院,浙江 杭州 310058)

中國南方地區分布著大面積的第四紀紅黏土(又稱紅色風化殼、老風化殼、紅黏土)。一般認為,第四紀紅黏土主要形成于中更新世熱帶、亞熱帶濕潤的氣候條件下[1-2],以紅色為基色,其上形成的土壤土體厚度和風化強度明顯高于同一地區基巖發育的土壤,它們的分類地位也有別于其周邊的土壤[3]。半個多世紀以來,我國土壤工作者對該類特殊成土母質發育土壤的特征、性狀和分類已進行了較多的研究[4-9]；研究表明廣泛分布于南方的鐵鋁土是由第四紀紅黏土發育而來的[10-12]；但至今大多的此類研究的區域主要集中在東南部地區[13-17]。然而,我國西南喀斯特巖溶地區也分布有大面積的第四紀紅黏土,它們的分布、性狀與東南部地區的第四紀紅黏土存在著一定的差異,地質部門的研究者已從其成因、物質來源、地球化學特點對此類風化殼作過較多的調查,但關于它們的成因仍有較大的分歧[18-19]。由于對西南喀斯特巖溶地區第四紀紅黏土發育土壤的發生學特性及空間差異缺少系統研究,一些地區在應用地理發生分類劃分土壤類型時,也主要參照其它母質上發育土壤的分類思路,根據第四紀紅黏土分布的地理位置及海拔高度劃分土壤類型,例如,貴州省根據這類風化殼分布的海拔差異,把它們分別歸屬于紅壤亞類、黃紅壤亞類和黃壤亞類[20],這種土壤類型的劃分方式是否合理值得商榷。為此,我們在貴州省多地調查了第四紀紅黏土發育的土壤,對這些土壤的成土特點進行了分析,從土壤系統分類的角度探討了其分類地位，并與我國東南部第四紀紅黏土發育的土壤進行了比較。

1 材料與方法

1.1 調查方法

采用路線考察的方法對貴州全省第四紀紅黏土的分布進行了調查,同時選擇代表性區域采集了23個典型剖面的分層土樣用于室內鑒定。野外調查內容包括土體厚度、發生層次、顏色、結構等形態特征及其分布特征。野外調查、剖面觀察與描述、分層土樣的采集及土壤形態觀察均按中國土壤系統分類研究的相關要求[21]進行。圖1為部分代表性樣點紅黏土的斷面。

圖1 貴州省代表性第四紀紅黏土的斷面

1.2 分析方法

采集的分層土樣經風干處理、充分混勻后磨細過2 mm土篩,部分土壤進一步研磨過0.125 mm篩；按標準方法測定土壤的顆粒組成、pH值、CEC，有機質、全鉀、全鈉、全鈣、全鎂、全磷含量，氧化鐵形態、黏粒硅鋁率和黏土礦物類型等[22]。其中,采用比重計法測定顆粒組成；用電位法測定pH值；用醋酸銨(pH 7)交換法測定CEC；用重鉻酸鉀-硫酸氧化法測定有機質含量；采用XRF法(X射線熒光分析法)測定全鉀、全鈉、全鈣、全鎂、全磷和全鐵含量;采用DCB法提取游離氧化鐵,用鄰啡羅啉比色法進行測定;用沉降法提取土壤黏粒(<2 μm),用碳酸鈉堿熔法熔融黏粒中的硅、鋁,用ICP法進行測定;采用鎂甘油飽和定向片及鉀飽和定向片-XRD法鑒定黏土礦物類型。紅色率(RR)按下式計算:RR=(10-H)×C/V,式中H、V、C分別表示門塞爾顏色的色調、色值和彩度[23]。另從50多篇已公開發表的研究文獻(限于篇幅,本文不一一列出)中收集了我國東南部第四紀紅黏土發育土壤的性狀指標,統計分析了這些土壤的風化發育指標。

2 結果與分析

2.1 第四紀紅黏土的分布

調查表明,第四紀紅黏土在貴州全省各地都有零星分布,并以遵義市、黔西南、黔東南州的分布較為集中,其它地區包括銅仁、安順、黔南、畢節、貴陽、六盤水的分布較少。與我國東南地區的第四紀紅黏土分布不同,貴州省的第四紀紅黏土主要分布在高海拔地區,多數分布在海拔800～1500 m之間；海拔800 m以下的第四紀紅黏土分布面積較小,且主要出現在銅仁、黔南和黔西南等地。從地形部位來看,第四紀紅黏土主要出現在坡麓地帶或山前平緩丘陵及孤丘上,其周圍常常可見海拔稍高的山地。

2.2 土壤發生學性狀

2.2.1 厚度與垂直變化 貴州全省第四紀紅黏土的厚度在2～30 m之間變化,多數在5～10 m之間,少數區域的第四紀紅黏土厚度可超過30 m,明顯高于我國東南地區第四紀紅黏土的厚度(多在2～5 m之間)(表1)。據研究,我國東南地區及湖南、湖北等地的第四紀紅黏土從上至下常常由均質紅土層、網紋紅土層和礫石紅土層等不同特征的層次構成,在1～3 m以下經常可出現蠕蟲狀紅白或紅、黃、白網紋,底部普遍存在直徑5～20 cm的半風化礫石。但貴州境內的第四紀紅黏土除銅仁市玉屏縣大龍鎮觀音坳斷面4～7 m間出現似網紋狀物質外(圖2a),其它點位基本上無網紋和礫石出現,但其底部常下伏碳酸鹽基巖,且起伏很大,基巖表面常有厚度20～100 cm的腐蝕石灰粉末(半風化巖體,見圖1a～圖1b);紅土與基巖間呈不整合接觸。另外,貴州省部分第四紀紅黏土的不同剖面深度中有時可見鐵錳結核或鐵盤(圖2b)。除土壤表層有機質積累明顯外,其它土層有機質含量普遍較低。

圖2 紅黏土中出現的似網紋狀物質(a)與鐵錳結核(b)

2.2.2 土壤酸堿度與碳酸鈣 貴州省第四紀紅黏土上形成的土壤多呈現酸性甚至強酸性,pH值多在6.0以下,部分土壤的pH值低達4.5以下,多數在5.0～6.0之間；多數無石灰反應，但調查也發現區內部分第四紀紅黏土的某些層次有明顯的石灰反應,其碳酸鹽含量高的可達50 g/kg以上,pH值可達8.0以上。這種現象明顯不同于東南地區第四紀紅黏土發育的土壤,后者的第四紀紅黏土全無石灰反應(表1)。

表1 貴州省與東南地區第四紀紅黏土發育的土壤的性狀比較

2.2.3 土壤顏色與氧化鐵組成 貴州省第四紀紅黏土形成的土壤顏色多變,不同區域差異較大,可呈紅色、棕紅色、黃紅色,也可呈褐黃色和黃色,其色調可在5Y、2.5Y、10YR、7.5YR、5YR、2.5YR之間變化。在一般情況下,同一剖面上下土層的顏色較為接近(圖1);但少數情況下,上下層顏色可發生明顯的變化,或上黃下紅,或上紅下黃。總體上,呈明顯紅色的紅黏土主要分布在海拔600 m以下(圖1a、圖1b、圖1c),并在貴州東部的銅仁市分布較為集中。

貴州省第四紀紅黏土形成的土壤全鐵含量在65.3～228.7 g/kg之間,游離氧化鐵含量在19.15～86.52 g/kg之間;土壤鐵的游離度在23.35%～57.45%之間。與我國東南地區比較(表1),貴州省第四紀紅黏土形成的土壤全鐵含量較高,游離氧化鐵含量與東南地區較為接近,而氧化鐵的游離度明顯低于東南地區。紅色率可反映土壤紅化程度,貴州省第四紀紅黏土形成的土壤紅色淺于東南地區的(表1)。

2.2.4 黏粒含量與質地 貴州省第四紀紅黏土發育土壤的黏粒(<0.002 mm)含量在250～850 g/kg之間,多數在400～550 g/kg之間;砂粒(2～0.02 mm)含量在40～450 g/kg之間,多數在80～150 g/kg之間。土壤質地為黏壤土、壤質黏土、粉砂質黏土、黏土、重黏土等類型,多數屬黏土和重黏土。與東南地區比較(表1),貴州省第四紀紅黏土發育土壤的平均黏粒含量高出約34.33%,同時砂粒含量則低48.39%。

2.2.5 風化強度 土壤風化淋溶系數(ba值)可反映土壤的風化強度,黏粒硅鋁率(Sa值)可表征土壤的脫硅富鋁化程度。由表1可知,貴州省第四紀紅黏土發育土壤的ba值在0.205～0.423之間,平均為0.354,高于我國東南地區第四紀紅黏土發育土壤的ba值(平均為0.243),表明貴州省第四紀紅黏土發育土壤的平均風化強度低于我國東南地區。黏粒的Sa值的分析結果也表明,貴州省第四紀紅黏土發育土壤的平均脫硅富鋁化水平低于我國東南地區,前者平均Sa值為2.34,后者為2.17。

2.2.6 CEC與黏粒礦物類型 土壤CEC與黏粒礦物類型有關,其可反映礦物演變及風化強度。從表1可以看出,貴州省第四紀紅黏土發育土壤的CEC有較大的變化,在10.34～23.68 cmol/kg之間,平均為14.45 cmol/kg。根據土壤黏粒含量把土壤CEC換算為黏粒CEC,其值在20.32～39.87 cmol/kg之間,平均為30.23 cmol/kg。貴州省第四紀紅黏土發育土壤的土壤CEC和黏粒CEC都高于我國東南地區的,表明貴州省這些土壤中含有較多的2∶1型礦物。對6個代表性土樣的黏粒XRD鑒定結果也表明,貴州省第四紀紅黏土發育土壤的黏粒主要由伊利石、高嶺石組成,部分土壤還存在蒙脫石、綠泥石、蛭石以及綠泥石/蛭石混層礦物,但不同土壤之間最豐富的黏粒礦物可發生變化,或以高嶺石為主,也可以是以伊利石為主。而我國東南地區的這些土壤黏粒礦物一般以高嶺石為主,其次為伊利石和蛭石,不見蒙脫石和綠泥石。

2.3 診斷特征與系統分類

2.3.1 出現的診斷層和診斷特性 調查表明,貴州省第四紀紅黏土發育土壤的土壤溫度狀況全為熱性(16～23 ℃)。土壤水分狀況主要為常濕潤,少數為濕潤,后者多分布在海拔800 m以下的區域。雖然貴州省第四紀紅黏土分布于石灰巖地區,但由于基巖埋藏較深,2 m以內的土體中基本上無碳酸鹽巖巖屑和風化殘余物,土壤已無碳酸鹽巖巖性特征。研究土壤的腐殖質表層全屬淡薄表層,沒有發現有暗沃表層和暗瘠表層。同時,研究土體中也沒有發現腐殖質的淋溶淀積或重力積累,無腐殖質特性。

土壤脫硅富鐵鋁強度主要為中等至中下,缺乏強風化產生的氧化鋁等礦物,土壤中存在較多的2∶1型礦物,黏粒的CEC全在16 cmol/kg以上,且細土的氧化鉀含量高于10 g/kg,沒有出現鐵鋁層,但部分土壤具有低活性富鐵層(具較高的游離氧化鐵,黏粒CEC為16～24 cmol/kg,它們的土壤黏粒礦物中有高量的高嶺石);由于風化較弱,供試土壤也無富鋁特性,但普遍具有鐵質特性,少數酸化明顯的土壤已具備鋁質特性(包括鋁質現象)和鹽基不飽和現象。由于貴州省降水量大,許多地區的第四紀紅黏土發育的土壤具有明顯的黏化現象,土壤剖面有明顯的質地差異,心土黏粒含量明顯高于表層。

2.3.2 高級分類單元 按照中國土壤系統分類的檢索標準,對貴州省代表性區域第四紀紅黏土發育土壤進行了鑒定,共檢索出富鐵土、淋溶土和雛形土3個土綱,下分為6個亞綱、11個土類和14個亞類。

2.3.2.1 富鐵土 富鐵土是風化較強、具有低活性富鐵層的土壤。貴州省第四紀紅黏土發育的富鐵土在高海拔區(800～1500 m)與低海拔區(<800 m)均有分布,相應的亞綱分別為常濕富鐵土和濕潤富鐵土,表明這些古氣候環境下形成的第四紀紅黏土的性狀可保留在土壤中,也表明以海拔高度來判斷第四紀紅黏土發育土壤的富鐵鋁化強度不合理。研究區內的常濕富鐵土亞綱只有簡育常濕富鐵土一個土類,根據鹽基淋溶狀況繼續分為鹽基簡育常濕富鐵土和普通簡育常濕富鐵土;濕潤富鐵土亞綱有黏化濕潤富鐵土和簡育濕潤富鐵土2個土類,前者可進一步分為黃色黏化濕潤富鐵土和鹽基黏化濕潤富鐵土2個亞類,而簡育濕潤富鐵土下只有普通簡育濕潤富鐵土1個亞類。第四紀紅黏土一般被認為已經歷較強的脫鹽基作用,鹽基黏化濕潤富鐵土中鹽基的積累可能是受周圍碳酸鹽巖風化物影響而復鹽基的結果。

2.3.2.2 淋溶土 淋溶土是土壤剖面中具有黏化層的一類土壤,研究區內有4個第四紀紅黏土發育的亞類(普通鋁質常濕淋溶土、普通簡育常濕淋溶土、普通鋁質濕潤淋溶土和紅色鐵質濕潤淋溶土)屬于此土綱,它們在貴州省內分布較廣,在高海拔與低海拔均有分布,相應的亞綱分別為常濕淋溶土和濕潤淋溶土。貴州省內第四紀紅黏土發育的淋溶土有部分仍然保留較強的酸性,具有鋁質特性,相應的亞類分別為普通鋁質常濕淋溶土和普通鋁質濕潤淋溶土。紅化較明顯的紅色鐵質濕潤淋溶土亞類主要分布在低海拔地區。

2.3.2.3 雛形土 雛形土的土壤剖面發育較差，但已具有風化B層(Bw),它也是貴州省第四紀紅黏土上發育的主要土壤類型。涉及的亞類共5個,包括普通鋁質常濕雛形土、鐵質簡育常濕雛形土、普通鐵質濕潤雛形土、鋁質酸性常濕雛形土和鐵質酸性常濕雛形土。與富鐵土、淋溶土相似,它們在低海拔和高海拔區均有分布,共有2個亞綱和4個土類。其中的普通鋁質常濕雛形土和鋁質酸性常濕雛形土也保存母質強酸性的特點。

3 討論

3.1 貴州與東部地區第四紀紅黏土的紅化程度的比較

以上結果表明,除土壤黏粒含量較高外,貴州省第四紀紅黏土發育土壤的眾多風化淋溶指標都顯示,其平均風化與紅化程度低于東南部地區第四紀紅黏土,其原因可能有以下幾方面:(1)貴州省位于亞熱帶的中北部,其緯度略高于福建、江西、湖南等地,同時其第四紀紅黏土主要分布在高海拔地區,因此相應的氣溫略低,這在一定程度上影響了土壤中礦物的風化;(2)貴州省氣候較為濕潤,土壤濕度較高,不利于氧化鐵礦物的脫水,形成的赤鐵礦物較少,因此,紅色較淺,多數土壤呈黃色;(3)貴州省屬典型的喀斯特地貌區,地表徑流中含較高的鈣等鹽基離子,影響了土壤的脫鹽基和脫硅富鋁化的深度發展。

貴州省第四紀紅黏土發育土壤的黏粒含量較高,可能與其紅土形成的物質搬運距離較短、保留較多的細顆粒物質有關。而我國東南部地區的第四紀紅黏土多形成于老的沖積物和洪積物上,這些物質在紅化之前因已經歷較長距離的搬運與分選,殘留有較高含量石英等較難風化的礦物,后者不利于黏粒礦物的生成。而紅土礫石層的出現可能與它們的母質主要為沖積物和洪積物有關。

3.2 碳酸鹽巖上覆第四紀紅黏土的成因

已有的研究表明,我國東南地區紅色風化殼根據成因可分為沖積相、洪積相、坡積相和殘積相,多數是在沖積、洪積物形成的基礎上長時間風化、紅化的結果,在基巖上直接風化殘留的并不多,這已被眾多學者所認同。但有關碳酸鹽巖地區碳酸鹽巖上覆第四紀紅黏土的成因在土壤學界探討不多,地質學界對此的研究結論也有較大的分歧[18-19],有風成、水成、火山灰沉積物風化形成及溶蝕殘留等觀點[19]。由于貴州等地的第四紀紅黏土經常下伏石灰巖基巖,因此,許多學者認為它們是石灰巖長時間由上至下逐漸殘留風化形成的。例如,李景陽等[24]的研究認為,在碳酸鹽巖風化殼上存在碳酸鹽礦物被溶蝕-交代的現象,其上的紅色風化殼是地下水溶蝕-交代作用的結果,其強調地下水在碳酸鹽可溶性礦物的溶出和新黏土礦物組分攜入的重要作用。由此認為碳酸鹽巖上的紅色風化殼由下部基巖至表土存在基巖、溶濾層、雜色黏土層、黃色黏土層、紅色黏土層、土壤層的變化層序,其成土是自下而上以殘積方式形成的,下部最新,上部最老。曹星星等[25]通過對巖石、土壤的礦物學、地球化學指標進行分析，認為碳酸鹽巖上覆紅土主要受碎屑巖(非碳酸鹽巖)風化的影響,而碳酸鹽巖風化殘留物也可加入紅土演化的過程。符必昌等[18,26]反對殘留的觀點,認為紅土與碳酸鹽巖成分存在很大的差異，存在不整合關系,碳酸鹽巖分布區的紅色風化殼不是碳酸鹽巖的殘積土,而是由硅酸鹽巖巖石經過紅土化作用形成的特殊土體。

基于本調查中觀察到的第四紀紅黏土分布的地形特征及組分分析的結果,從土壤形成的角度,我們認為碳酸鹽巖上覆的深厚第四紀紅黏土的成因較為復雜,不能單純用碳酸鹽巖直接風化形成進行解釋。這些紅土可能是堆積于古巖溶面上的特殊土體,即經地質作用首先形成有利于堆積的古巖溶面,在此基礎上周圍山體的一些硅質巖經過紅壤化作用形成紅土,部分碳酸鹽巖經較弱的巖溶作用產生難溶性物,兩者一起為碳酸鹽巖地區的紅土堆積提供了物源,并通過坡積、洪積等地質作用堆積在古巖溶面上,這些堆積作用多次反復形成了深厚的紅土層。紅土化作用可以在堆積之前發生,也可以在堆積以后發生。野外觀察到的紅土下伏的起伏狀碳酸鹽基巖可能是古環境風化殘留的。

認為深厚第四紀紅黏土不完全是由碳酸鹽巖直接風化形成的理由有以下幾點:(1)一般認為,碳酸鹽巖的溶蝕需有足夠的水分和二氧化碳,它們需要暴露在大氣或水(地表水或地下水)中遭受溶蝕才可能使碳酸鹽巖體積減小[26],源源不斷地產生形成土壤的難溶性物。但碳酸鹽巖地區上覆的第四紀紅黏土質地很黏重,透水性較差,一旦形成較厚的紅土層,下伏的碳酸鹽巖溶蝕風化將受到抑制(風化產物難以遷移),成土作用難以深度發展。野外觀察也表明,除存在地下暗河的區域外,深厚紅土下伏的基巖多數不透水,存在滯水現象,攜帶風化物的水流下移并不通暢；(2)假設第四紀紅黏土是由下伏基巖直接風化形成的,其土壤的形成是由上至下發展的,由于在碳酸鹽巖上形成深厚土層需要很長的時間(達數十至數百萬年),表土的風化強度應該遠遠高于近下伏基巖上部的土壤,但野外觀察與采樣分析(黏粒硅鋁率、風化淋溶系數、黏粒礦物)都表明,深厚紅土層上下的風化強度并沒有顯示出上強下弱有規律的變化。雖然許多紅土下伏碳酸鹽基巖表面常有厚度20～100 cm的腐蝕石灰粉末(半風化巖體),但分析表明(表2),這些半風化巖體的化學組成與基巖很接近,它們主要受到腐蝕作用而基本未受溶蝕。但多處紅土剖面的觀察都沒有發現存在具一定程度鈣、鎂的淋失及硅、鐵、鋁富集的由半風化巖體向土壤發展的紅土化程度較弱的過渡土壤物質。由此我們認為半風化巖體是基巖被紅土覆蓋后受上覆土壤產生的酸性物質作用的結果,由于作用程度有限,它們始終保留在初始風化階段(物質組成與基巖相似),難以向土壤方向演變；(3)若第四紀紅黏土是由下伏基巖直接風化形成的,則因碳酸鹽巖中風化成土的非可溶成分很低(多數在3%以下),當它們溶蝕形成土壤后,由于巖體中主要成分的損失,勢必導致后期形成的土壤中生成大量的空洞,后者可引起上覆土體的塌陷,造成紅土出現差異沉降裂縫及陷落裂隙,造成地表的起伏不平,但實際上調查的土壤地表都是很平緩的,呈完整的塊狀構造,并沒有見到上述現象。李景陽等[24]認為,碳酸鹽巖中因風化損失的碳酸鹽礦物的部位可被由地下水帶入的礦物組分(可形成新的黏粒礦物)所交代(充填),我們認為這種交代在風化過程中確實存在于石灰巖風化的土壤中,但用這種機理來解釋深厚紅土層的形成值得商榷。另外,在遵義市余慶縣白泥鎮長坪村等樣點(圖1c)的觀察還表明,某些深厚紅土層從上至下變得越來越堅實,下層土壤甚至存在石化的現象,這很難解釋紅土是由上向下發展的歷程。

表2 紅土與下伏基巖化學成分的比較g/kg

4 結論

與我國東南部地區第四紀紅黏土比較,貴州省第四紀紅黏土主要分布在高海拔區域,具有厚度大、風化強度和紅化程度較弱的特點,多數情況無網紋和紅土礫石層出現。

根據中國土壤系統分類的診斷標準,從貴州省第四紀紅黏土發育的土壤中共檢索出富鐵土、淋溶土和雛形土3個土綱,下分為6個亞綱、11個土類和14個亞類。

研究認為貴州省深厚第四紀紅黏土由碳酸鹽巖直接風化形成的可能性較小,周圍稍高的山體上其它巖石(可以是硅質巖,也可以是碳酸鹽巖)的風化產物是其形成的物源,后者通過多次反復搬運堆積在古巖溶面上,從而形成了深厚的紅土層。