南方丘陵區不同母質水耕人為土發育速率的比較*

韓光中 謝賢健 李山泉

（1 內江師范學院地理與資源科學學院，土壤過程模擬實驗室，四川內江 641112）（2 邢臺學院資源與環境學院，河北邢臺 054001）

水耕人為土（水稻土）是我國最重要的土壤資源之一。作為重要的糧食生產基地［1］與有機碳（SOC）庫［2-3］及溫室氣體——CH4的重要排放源［4-5］，其發生和演變過程對土壤管理有重要的意義，因而受到了廣泛的關注［6-10］。成土母質作為土壤形成的物質基礎對土壤的理化性質具有重要的影響［11］。雖然不同母質起源的土壤經過一定時間的水耕熟化后均可以發育為水耕人為土，但母質不同很可能會導致其發育速率和演變特征存在一定的差異。因此母質如何影響水耕人為土的發育速率和演變特征是人為土研究中一個值得探討的問題。中國土壤系統分類作為定量化的分類系統，采用可測定的指標定義了水耕人為土并與其起源土壤進行區分。這從根本上解決了水耕人為土與起源土壤之間的界線問題，對研究水耕人為土發生有利，但如何度量水耕人為土的發育程度和發育速率仍是土壤發生學的一個難題。在最初的研究中，主要利用水耕熟化程度來反映水耕人為土的發育程度［12］。實際上水耕人為土發生包括了兩個相互矛盾的過程，即水耕熟化和水耕淋溶過程。水耕熟化使土壤肥力正向發展，而強烈的水耕淋溶使土壤肥力衰退。水耕人為土的發育是這兩個過程共同作用的結果（特定條件下還有一些附加過程，如潛育化過程等）。因此，從土壤發生學角度而言，水耕熟化過程并不完全等同于水耕人為土的發育過程。當前亟需引入一些定量指標來衡量水耕人為土的發育速率和發育程度。相比較而言，基于土壤理化性質的屬性距離［13］和基于形態特征的土壤發育指數［14-17］等指標在表征土壤發育程度上有獨特的優勢。這些指標能夠綜合反映土壤理化性質和土壤形態特征的變化，并排除了單個土壤屬性用于指示土壤發育程度時的不確定性。為此，本研究選擇南方丘陵區3種常見母質發育的水耕人為土時間序列為研究對象，嘗試利用屬性距離和土壤發育指數來表征水耕人為土的發育程度，揭示母質對水耕人為土發育速率的影響，以期為今后的水耕人為土發生學研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本研究選取我國亞熱帶地區3種母質發育的水耕人為土從十年到百年尺度的時間序列（表1），分別為發育于廣西龍勝各族自治縣（龍脊梯田）紫色砂頁巖坡積物的水耕人為土時間序列（PS10，0 a；PS11，30 a；PS12，100～300 a；PS13，300 a）、發育于江西省進賢縣第四紀紅黏土的水耕人為土時間序列（RC10，0 a；RC11，100 a；RC12，100～300 a；RC13，300 a）和發育于江西省余江縣紅砂巖坡積物的水耕人為土時間序列（RS10，0 a；RS11，30 a；RS12，60～200 a；RS13，200 a）。研究區屬亞熱帶季風氣候，年均氣溫分別為18.2、17.3和17.6℃，年均降水量分別為1 557、1 549和1 789 mm。3個研究區的年均氣溫和降水量相差不大，本研究認為其氣候條件基本一致，不再單獨討論。3種母質發育的水耕人為土時間序列建立和判定的依據分別見文獻［18］，采樣點信息見表1，剖面照片見圖1。土壤類型的判別主要基于文獻［19］。

表1 剖面基本信息Table 1 Descriptions of the studied soil profiles

圖1 不同母質水耕人為土時間序列的土壤剖面照片Fig. 1 Soil profiles of Hydragric Anthrosols different in parent material and chronosequence

1.2 剖面描述與樣品采集

結合史料分析與實地考察，選取不同母質發育的水耕人為土時間序列典型土壤剖面，按照土壤發生層采樣法采集土樣并描述土壤形態（包括土壤顏色、土壤結構和結持性等）［20］，土壤顏色根據《中國標準土壤色卡》［21］確定。所有土樣均在水稻收割排水后采集，土壤剖面選在稻田的中心部位，坡底剖面避開容易積水的洼地。土壤樣品采集后在室內自然風干，挑出枯枝落葉、根系和大2 mm的非土壤物質，四等分法取土，先后過10、60和100目的尼龍篩，裝好備用。

1.3 測定項目與分析方法

SOC采用重鉻酸鉀-外加熱法測定；pH（水土比2.5∶1）采用電位法測定；土壤顆粒組成采用激光粒度儀測定；游離鐵（Fed）采用連二亞硫酸鈉-檸檬酸鈉-重碳酸鈉浸提（DCB），原子吸收光譜儀測定［22］。磁化率（MS）的測定：稱取適量（以裝滿為準）過10 目篩的風干土樣（精確度0.01 g），裝入10 cm3無磁性塑料盒中，用MS-2B型磁化率儀（英國Bartington公司）分別在低頻（0.47 kHz，MSlf）和高頻（4.7 kHz，MShf）磁場中進行測定，每個樣品測定3次，最后取其平均值。

1.4 屬性距離的計算

基于Carré 和 Jacobson［13］提出的理論計算了水耕人為土剖面（剖面PS11和RS1為雛形土，下同）與起源土壤剖面間的發生層距離（Horizon distance，HD）。在計算HD時采取自上而下層次對應的方法［13］。起源土壤與水耕人為土對應層次間的HD計算如式（1）和式（2）。

式中，HD為發生層距離，Dh（ha，hb）為發生層ha與hb的Manhattan距離，N為參與計算的土壤屬性的個數，va,f與vb,f分別為發生層ha與發生層hb的某種土壤屬性數值。本研究用于HD計算的土壤屬性主要為在水耕人為土發育過程中有規律變化的黏粒、SOC、pH、Fed和MS共5個土壤屬性，并在計算HD之前對土壤屬性數據進行標準化，使所有的數據介于0～1之間。

考慮到土壤厚度對土壤肥力供應有一定的影響。因此本研究在計算剖面距離（Pedological distance，PDD）時，將土壤厚度考慮進去（剖面厚度取120 cm，不足120 cm的取實際值）。各土壤剖面PDD由該剖面各個發生層的HD值乘以該發生層的厚度后求和而得。

1.5 剖面發育指數的計算

基于Harden［14］、 Harden 和Taylor［15］提出的理論，利用剖面描述特征計算土壤發育指數。首先對土壤各個發生層的描述數據進行賦值，接著計算水耕人為土發生層各種賦值數據與起源土壤的差值（自上而下層次對應），然后標準化使所有數據介于0～1之間。每個發生層所有標準化后的形態屬性取平均值得到該發生層的發生層指數（Horizion index， HI）。剖面每個發生層的HI值乘以該發生層的厚度后求和得到該剖面的發育指數（Profile development index，PDI）。標準化時各屬性的最大值采用了Harden［14］提出的最大理論數值，這樣可以統一基準值，便于不同研究間的相互比較。選取紅度指數、黑化指數、總質地、結構和濕結持性［14］來計算土壤發育指數。由于采樣時土壤均處于濕潤狀態，土壤的干結持性沒有描述。已往的研究也表明由于形態屬性內在的相關性，個別屬性的缺失對結果的影響并不大［14］。pH在計算屬性距離時已經用到，為避免重復就未用于剖面發育指數的計算。

由于水耕人為土的發育過程和方向同自然土壤不同，各項描述數據在數值化時有各自的獨特性，如：（1）種稻后土壤顏色的色調變黃，明度降低，土壤紅度的賦值標準和自然土壤相反；（2）水耕人為土耕作層經常受到翻耕擾動及水耕熟化的影響，土壤結構和土壤濕結持性的發育方向與其他層次不同，因此采用了單獨的標準進行賦值（*標記）。詳細數值化過程如表2。

2 結 果

2.1 土壤剖面形態和基本理化性質的演變特征

水耕人為土剖面較自然土壤剖面內部開始有不同程度的分異。主要表現為水耕表層（包括耕作層和犁底層）和氧化還原層的出現，坡底種稻年限長的水耕人為土剖面內部分異更明顯。隨著種稻年限的增加，土壤顏色的色調變黃，彩度降低。耕作層由于有機質（SOM）含量的提高土壤顏色的明度與彩度值降低，根系較多；犁底層變得愈加緊實（容重介于1.21～1.83 g·cm-3）；氧化還原層有較多的新生鐵、錳斑紋或結核形成。這表明淹水種稻后土壤形態學特征發生一系列有規律的變化。PS母質起源土壤的色調為7.5 YR（干態，下同），種稻后逐漸向2.5 Y演化。該母質的土壤有輕度的可塑性和黏結性。RC母質起源土壤的色調為10 R，種稻后逐漸向5 YR演化。該母質土壤的可塑性和黏結性中等。RS母質起源土壤的色調為10 YR，種稻后逐漸向2.5 YR演化。該母質土壤的可塑性和黏結性極差。

表2 剖面形態描述數據的數值化與形態屬性的計算Table 2 Quantification of profile descriptions and calculation of morphological properties

同樣，土壤黏粒、pH、SOC、Fed和MS等隨著種稻年限的增加也呈現了明顯的變化。更詳細的數據分別參見文獻［18］和［24］。RC和RS母質土壤種稻后黏粒含量逐步降低，基本呈現出隨著種稻時間的增加而逐漸降低的趨勢（圖2）。PS母質土壤種稻后黏粒未有明顯降低，剖面下部甚至有較明顯的增加。PS、RC和RS母質水耕人為土的pH分別介于4.46～5.41、5.01～6.25和5.2～6.19，略高于起源土壤（分別介于4.65～4.91、4.55～5.35和4.56～5.54）。3種母質土壤種稻后pH均趨于中性，這和已有的研究結果一致［1］。PS和RC母質土壤種稻后SOC的剖面分布規律相似：SOC含量均隨土壤深度的增加而下降，水耕人為土耕作層的SOC含量均明顯高于起源土壤；種稻年限較短的土壤與起源土壤相比，耕作層SOC含量增加明顯，但耕作層以下增加不明顯；種稻時間較長的土壤與起源土壤相比，SOC在下層也有較明顯的增長。說明這兩種母質土壤在種稻初期SOC的增加主要集中在耕作層，到一定階段后，下層也表現出明顯增加。相比之下，RS母質的起源土壤種稻后SOC沒有明顯增加，種稻年限較短的土壤的SOC含量甚至低于起源土壤，而種稻約200 a的土壤也未表現出較起源土壤有大幅度的增加。PS和RC母質起源土壤Fed的剖面分布相對均一，而RS母質起源土壤的剖面內部變異較大。種稻后Fed含量均逐漸降低，也基本表現出隨著種稻時間的增加而逐漸降低的趨勢。PS和RS母質起源土壤的MS值較低，種稻后演變規律類似，土壤上、下層呈明顯分異（圖2）。種稻后上層土壤的MS值明顯降低，在較短的時間內（30 a內）就會降低到一個極低的數值，之后沒有明顯變化。種稻后下層土壤的MS值降低沒有上層明顯，種稻年限較短的土壤（PS11和RS11）有明顯的增加（RS11的增加尤為明顯）。RC母質起源土壤的MS值較高，種稻之后土壤上、下層也呈明顯分異。上層土壤MS的演變規律與PS和RS母質上層土壤的演變規律類似。種稻后下層土壤的MS值雖然也下降，但下降幅度沒有上層那么大。總體而言，隨著種稻年限的加長，3種母質的水耕人為土最終發育成結構相似的MS剖面構型（MS值低且剖面均一）。

2.2 不同母質水耕人為土發育程度和發育速率的比較

發生層距離（HD）反映的是土壤各發生層理化性質的綜合變化程度，而發生層指數（HI）反映的是土壤各發生層形態特征的綜合變化程度，值越大代表變化程度越大。兩者從不同方面反映土壤發生層的發育程度。3種母質水耕人為土的HD與HI值大致呈現了隨著種稻年限的增加而增加的趨勢，這和水耕人為土的發育時間相符（圖3）。說明水耕人為土發生層的發育程度可以通過HD與HI兩個定量指標表現出來。上層土壤的HD與HI值通常較下部土層更高。說明種稻后上層土壤受人為水耕的影響較大，剖面內部逐漸分異。將HD或HI值和種稻年限的比值近似看作發生層的平均發育速率。通過不同母質種稻年限相近的水耕人為土之間的相互比較可知，RC母質水耕人為土的HD與HI值和種稻年限的比值通常較大，這說明RC母質水耕人為土發生層的發育速率要較PS母質與RS母質水耕人為土快。PS母質水耕人為土發生層的發育速率次之，RS母質最慢。RS母質種稻年限較長剖面（RS12和RS13）耕作層的HI值仍很低，說明RS母質不利于水耕人為土耕作層的發育。

PDD或PDI值是剖面理化性質或形態特征變化程度綜合的度量，值越大代表該剖面理化性質或形態特征總體的變化程度越大。本研究中PDD和PDI值與已判定的土壤相對種稻年限十分吻合，可以用PDD和PDI值來表示水耕人為土整體的發育程度。將PDD或PDI值和種稻年限的比值近似看作整個剖面的平均發育速率。通過不同母質種稻年限相近的水耕人為土之間的相互比較可知，RC母質土壤的PDD和PDI值與種稻年限的比值最高，PS母質土壤次之，RS母質土壤最低。這表明RC母質水耕人為土的平均發育速率最高，PS母質水耕人為土的平均發育速率次之，RS母質水耕人為土的平均發育速率最慢。種稻年限短的土壤的HD和HI值與種稻年限的比值明顯高于種稻年限比較長的土壤。這說明在種稻初期，土壤的發育速率較快（土壤的理化性質與形態特征的變化快），之后隨著發育程度的加深，土壤發育速率變慢。

2.3 水耕人為土發育與土壤剖面形態特征和基本理化性質的相關關系

在過去的幾十年里，大量土壤時間函數被提出，時間跨度幾百年至幾百萬年不等，涉及了不同母質、不同氣候下土壤的發育過程［25-27］。其中一些研究認為土壤性質發育與時間成對數或指數關系［25-26］。本研究表明土壤在種稻初期發育速率較快，以后隨著發育程度的加深，發育速率變慢，水耕人為土發育速率和成土年齡的關系大致符合對數關系。

圖2 不同母質水耕人為土時間序列基本理化性質的剖面分布Fig. 2 Vertical distribution of basic soil physico-chemical properties in soil profiles of Hydragric Anthrosols different in chronosequence and parent material

圖3 不同母質水耕人為土時間序列屬性距離和剖面發育指數的剖面分布Fig. 3 Distribution of soil attribute distance and soil developmental indices in profiles of Hydragric Anthrosols different in chronosequence and parent material

水耕人為土理化性質和形態特征的演變并不是完全孤立的兩個過程，而是存在著千絲萬縷的聯系。水耕人為淹水狀況對土壤鐵錳氧化物的遷移轉化非常重要。土壤淹水后，在SOC等因素的作用下，氧化鐵發生溶解、螯合溶解與還原溶解等，以Fe2+進入土壤溶液。水溶性Fe2+擴散或下滲至犁底層下面的氧化區，分別以斑狀、管狀和結核狀沉淀下來。鐵的這種淋溶和淀積被認為是水耕人為土形成的重要特征之一［1］。這一過程同時伴隨了土壤理化性質的規律性變化，如Fed在剖面內部的遷移和再分配、SOC的積累、土壤酸堿度趨于中性和耕作層磁性礦物的衰竭等。將水耕人為土各發生層的HD與HI值做相關分析，發現二者呈極顯著線性正相關（r= 0.759，n= 49，P＜ 0.01），這進一步證實了水耕人為土理化性質與形態特征的演變之間存在密切聯系。這也表明水耕人為土剖面形態特征經過定量后和理化性質（屬性距離）一樣能夠表征水耕人為土發育的時間趨勢，在指示水耕人為土的發育程度和判定土壤相對種稻年限上有重要意義。

從表3可見 Fed、SOC、pH、MS均與HD值顯著相關，表明它們在計算HD值中起著重要作用。紅度指數與HI值的相關性最高，可以解釋其變異的83.1%。其次是黑化指數和濕結持性。這表明土壤顏色和濕結持性在計算HI值中起著重要作用。種稻后上述理化性質和形態學特征相對容易變化的水耕人為土，其發育速率通常就快，反之，就慢。RC母質的土壤，土層較厚，顏色較紅，黏粒含量較高，保肥和保水狀況好，土粒的黏結性和可塑性較好，SOC容易累積，土壤結構體和水耕表層（耕作層和犁底層）容易發育。PS母質的土壤，土層較厚，黏粒含量雖然不高，但細顆粒（黏粒+細粉粒，＜0.01mm）含量高（PS母質種稻的細顆粒平均含量高達56.7%），保肥和保水狀況好，土粒有一定的黏結性和可塑性，SOC容易累積，土壤結構體和水耕表層也容易發育。土壤發育速率低的RS母質的土壤，黏粒和細顆粒含量均很低（RS母質種稻的細顆粒平均含量為24.6%），土層薄，保肥和保水狀況以及黏結性和可塑性差，SOC很難累積，土壤結構體和水耕表層難發育。母質對水耕人為土發育過程的影響可以通過影響其發育速率表現出來。與已有的研究結果［14-17,25-27］相比，水耕人為土的平均發育速率遠較自然土壤快，并在人為作用下快速定向發育。這種新的定量方法可以提高對水耕人為土成土過程的理解并能實現不同地區水耕人為土發育速率的定量比較，有較好的使用前景。但這些方法仍處于試驗探討階段，有待更多的研究進行驗證和進一步改進。

表3 土壤的發育程度與土壤剖面形態學特征和基本理化性質的相關關系Table 3 Relationships of soil development degree with soil profile morphology and basic soil properties

3 結 論

水耕人為土剖面形態特征經定量后和屬性距離一樣能夠表征水耕人為土發育的時間趨勢，在指示水耕人為土的發育程度和估算發育速率上有重要意義。SOC、pH、黏粒含量和MS在計算HD中貢獻很大，而土壤顏色和濕結持性在計算HI中起著重要作用。RC母質的土壤，土層較厚，顏色紅，黏粒含量較高，保肥和保水狀況好，土粒的黏結性和可塑性較好，SOC容易累積，發育速率最快。PS母質的土壤，土層較厚，細顆粒（黏粒+細粉粒，＜0.01mm）含量高，保肥和保水狀況好，土粒有一定的黏結性和可塑性，SOC容易累積，發育速率次之。RS母質的土壤，黏粒和細顆粒含量均很低，土層薄，保肥和保水狀況以及黏結性和可塑性差，SOC很難累積，發育速率最慢。母質對水耕人為土發育過程的影響可以通過影響其發育速率表現出來。研究同時顯示，水耕人為土平均發育速率遠較自然土壤快，并在人為培育下快速定向發育。但隨著種稻年限的增加，水耕人為土的發育速率普遍下降，水耕人為土發育速率和成土年齡的關系大致符合對數關系。