典型喀斯特流域水稻土發生特性及系統分類

徐祖亮, 陸曉輝

(貴州師范大學地理與環境科學學院/貴州省喀斯特山地生態環境國家重點實驗室培育基地,貴州貴陽 550025)

土壤是人類賴以生存和發展的基礎性物質,土壤分類是土壤研究者進行土壤信息交流的橋梁,同時也是土壤數字制圖的前提和基礎[1-2]。中國土壤分類可分為發生分類和系統分類,前者主要以定性的類型數據(如母土、水型等)作為土壤類型劃分與鑒定的指標,后者主要以定量化的指標劃分土壤類型。2種分類體系各具特色,因此,目前這2套分類體系在我國依舊共用存在[3-4]。

流域作為探究元素循環與物質遷移的基本單元,一直都是土壤研究者關注的焦點[5]。貴州省位于我國西南地區,其境內獨特的地質地貌環境,形成了諸多喀斯特流域。喀斯特流域內的水稻土是成土母質在獨特的地形地貌、氣候及人類活動等多種因素的共同作用下,伴隨著時間的推移而形成的具有一定剖面形態特征、內在屬性和肥力特征的歷史自然體,是各種成土因素的綜合體現[6]。迄今為止,不少學者對貴州省內的土壤進行了分類研究,如寧婧對喀斯特石灰巖發育的土壤進行了土壤類型劃分[7];章明奎等對梵凈山的土壤進行了分類研究[8];楊柳等對貴州喀斯特草地條件下的石灰(巖)土進行了分類[9]等,以上及其他前人的相關研究主要以貴州省為大背景下的土壤高級分類單元歸屬為主,但以流域為研究尺度的土壤分類特別是喀斯特流域內水稻土的基層分類單元歸屬鮮見報道?；诖?本研究在貴州省典型喀斯特流域內選擇7個典型的水稻土作為研究對象,試圖以現有土壤分類標準和土壤分類成果,劃分出高級分類單元和基層分類單元,以期對現有的土壤分類成果進行補充,并為第三次全國土壤普查提供相應的喀斯特土壤基礎性參考結果,由此增強人們對喀斯特地區土壤的認識。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

后寨河流域位于貴州省安順市普定縣境內,地理位置為26°07′01″～26°18′52″N,105°35′58″～105°48′13″E,是我國南方典型的喀斯特流域,流域面積約為75 km2[10-11]。流域內地貌類型復雜多樣,分布有典型的地上、地下喀斯特地貌,如峰林洼地、盆地、峰叢谷地、峰林臺地以及漏斗與落水洞、溶洞等[12]。該流域屬于溫暖濕潤的中亞熱帶季風氣候區,年平均氣溫在15 ℃左右,年平均降水量約為1 200 mm[13-15]。主要植被類型有常綠闊葉林、針闊混交林以及高山灌叢等[11]。復雜的自然環境造就了流域內土壤類型的復雜性與多樣性,其中水稻土是流域內一種極為重要的土壤資源。

1.2 研究方法

基于貴州省第二次土壤普查獲取的水稻土土種典型剖面信息[12],結合研究區內地形地貌、土地利用及母質情況,選取7個具有代表性的水稻土為研究對象,相關成土環境見表1。

表1 供試土壤剖面成土環境

本研究中土壤理化性質及氧化鐵、氧化錳含量等指標參照文獻[16]的方法測定獲得:土壤pH值采用(土液比1 ∶ 2.5)電位法測定;土壤有機質含量采用重鉻酸鉀-硫酸消化法測定;土壤顆粒組成采用比重計法測定;CEC7黏粒采用乙酸銨-EDTA(乙二胺四乙酸)交換法;土壤全鐵、游離氧化鐵含量均采用鄰菲羅啉比色法于分光光度計上比色測定;全量錳、游離態氧化錳含量均采用高碘酸鉀比色法于分光光度計上比色測定。土壤顏色采用孟塞爾標準土壤色卡比色獲得。相關數據的統計整理與分析在軟件Excel 2019和SPSS 25.0中完成。

2 結果與分析

2.1 土壤剖面形態特征及理化性質

2.1.1 土壤剖面主要形態特征 土壤形態集中反映了土壤的發生發育情況,是人們了解土壤發育的基礎。土壤形態特征作為劃分土壤發生層次的主要依據,是土壤研究者在野外進行土壤描述的主要內容。結合土壤理化性質、礦物學特征等,能幫助土壤研究者很好地認識土壤形成的過程,進而對土壤類型歸屬進行科學鑒定[5,17]。表2為7個供試土壤剖面的形態特征,從表中可知,供試土壤剖面表層的顏色(潤態)色調主要為10YR、2.5Y,明度在 4～5之間,主要為4,彩度在1～4之間,主要為2。供試土壤剖面表下層的顏色(潤態)色調主要為2.5Y、7.5YR,明度在3～6之間,主要為5,彩度在 1～8之間,主要為2和6。各供試土壤剖面的土體較厚,均≥100 cm;耕作層(Ap1)的厚度介于10～22 cm 之間,平均厚度約為16 cm。除剖面5外,其余剖面在表下層土壤中均出現一定量的銹斑、鐵錳結核及膠膜新生體。在野外對土壤剖面進行觀察發現,各供試土壤剖面土壤結構以塊狀為主,由于土壤表層受到人類活動的干擾程度較強,表層土壤相較于表下層更加疏松。

表2 供試土壤剖面形態特征

2.1.2 土壤主要理化性質 由表3可知,土壤剖面的理化性質隨成土環境的不同而存在差異。結合對剖面的觀察發現,土壤剖面中礫石含量較少(<5%)。對顆粒組成分析可知,各土壤剖面質地(美國制)以黏土類為主,黏粒含量介于366.000～711.936 g/kg之間,剖面黏化率較低,僅在0.712～1.649之間,粉黏比大部分土壤<1,介于0.228～1.137之間。土壤剖面中CEC7黏粒在16.68～52.282 cmol/kg 之間,其中除剖面1、3隨深度加深呈先增加后減小的趨勢外,其余剖面均隨土壤深度加深呈減少趨勢。供試土壤中有機質含量自剖面從上到下呈逐漸減少趨勢,這可能與耕作時施肥和秸稈還田等人類活動干擾有關。土壤中pH值在5.40～8.09之間,平均值為7.38,土壤主要呈中性,并且大部分土壤pH值隨剖面深度的加深呈增大趨勢。

表3 供試土壤的理化性質

非人為干擾狀態下,該流域內的耕作制度為一年一熟,一年中水稻土進行水稻—油菜或其他作物的輪作,因此流域內的水稻土處于干濕交替的過程中,此過程可引起土壤中氧化鐵、氧化錳的活化并向下遷移、淀積。根據統計分析發現,大部分供試土壤淀積層的氧化鐵、氧化錳含量明顯高于表層。在土壤剖面中淀積層的氧化鐵含量遠高于氧化錳(表4)。但除剖面4、6外, 其余供試土壤淀積層錳游離度高于鐵游離度,說明在土壤中,氧化錳比氧化鐵更活躍。對剖面氧化鐵、氧化錳的相關分析發現,全鐵、游離鐵、全錳、游離錳含量兩兩間均呈正相關關系,這說明土壤氧化鐵與氧化錳含量存在著相似的分布情況,這與姚玉才等關于貴州省水耕人為土的氧化鐵、氧化錳研究情況[18]相似。

表4 供試土壤剖面淀積層氧化鐵、氧化錳含量情況

2.2 土壤診斷層、診斷特性及系統分類歸屬

2.2.1 土壤診斷層及診斷特性 以《中國土壤系統分類檢索(第3版)》[19]中的土壤診斷層、診斷特性為依據,對7個土壤剖面的診斷層和診斷特性進行鑒定,結果見表5。所有供試土壤剖面均有水耕表層和水耕氧化還原層及水分狀況均為人為滯水,且土壤溫度狀況均為熱性。此外剖面4有漂白層發育。所有剖面都有鐵質特性;剖面1、2、3、7有氧化還原特征;剖面1、3有潛育特征。

表5 供試土壤診斷層和診斷特性

2.2.2 土壤高級分類單元 根據表5并結合《中國土壤系統分類檢索(第3版)》,對各供試剖面逐級檢索, 確定了7個供試土壤剖面在中國土壤系統分類中的歸屬,檢索結果見表6。7個供試剖面均有水耕表層和水耕氧化還原層,因此它們均屬于人為土土綱,水耕人為土亞綱。所有供試土壤剖面中緊接水耕表層之下無灰色鐵滲淋亞層,因此它們均不屬于鐵滲水耕人為土土類。7個供試剖面中僅有剖面3的土表向下至60 cm范圍內的部分土層出現潛育特征,但該剖面再無其他診斷特征土層要求出現,因此檢索出該剖面為潛育水耕人為土土類,普通潛育水耕人為土。剖面4、5的水耕氧化還原層的游離Fe2O3至少為表層的1.5倍,但僅剖面4土表向下至60 cm范圍內有漂白層出現,剖面5無其他診斷特性,據此剖面4為鐵聚水耕人為土土類,漂白鐵聚水耕人為土亞類;剖面5為普通鐵聚水耕人為土。剖面1土表下60～100 cm范圍內出現潛育特征,無其他診斷特性,因此該剖面為底潛簡育水耕人為土。剖面2、6、7無其他土類、亞類檢索特性出現,因此該4個剖面為簡育水耕人為土土類,普通簡育水耕人為土亞類。

2.2.3 土壤基層分類單元劃分 以中國土壤系統分類土族和土系劃分標準[20]為依據,進行土族、土系劃分。在土壤剖面控制層段內進行土壤顆粒級別大小、礦物學類型、石灰性和土壤酸堿性、土壤溫度等級的檢索。檢索結果見表7:在控制層段內,所有供試剖面的巖石碎屑含量<25%,且剖面1、2、3、6、7 中細土黏粒含量在35%～60%之間,顆粒大小級別檢索為黏質,而剖面4、5中細土黏粒含 量≥60%,顆粒級別為極黏質。礦物學類型:剖面1、2、3、5、7為混合型;剖面4黏粒中的伊利石含量為37.3%,剩余的為其他礦物,礦物學類型符合伊利石混合型;剖面6黏粒中的綠泥石含量為32.1%,剩余的為其他礦物,礦物學類型符合綠泥石混合型。根據表7所示控制層段厚度并結合表2、表3所示供試土壤剖面各發生層的厚度和pH值可知,所有剖面控制層段內土壤pH值均>5.5,因此所有剖面屬于非酸性;土壤溫度狀況類型以陸曉輝等的研究結果為依據,50 cm深度土壤溫度在15～22 ℃之間,均屬于熱性土[21-22]。

表7 供試土壤土族控制層段內鑒別特征

進行土族土系劃分前,將與《中國土系志·貴州卷》[23]中已建立的土族土系進行對比,無重復者可考慮建立新的土族、土系。根據以上結果將7個剖面劃分為6個土族,6個土系,劃分結果見表8。其中, 剖面2、 7在控制層段內的鑒別特征與《中國土系志·貴州卷》中已有的土族、土系黏質混合型非酸性熱性-普通簡育水耕人為土、纏溪系一致,因此這2個剖面將沿用已有土族、土系的名稱。其他供試剖面在《中國土系志·貴州卷》中無對應的土族、土系出現,因此可考慮建立新的土族、土系:剖面1為黏質混合型非酸性熱性-底潛簡育水耕人為土,姜角山系;剖面3為黏質混合型非酸性熱性-普通潛育水耕人為土,隴角系;剖面4為極黏質伊利石混合型非酸性熱性-漂白鐵聚水耕人為土,田官系;剖面5為極黏質混合型非酸性熱性-普通鐵聚水耕人為土,小獨坡系;剖面6為黏質綠泥石混合型非酸性熱性-普通簡育水耕人為土,草塘系。

表8 供試土壤系統分類基層分類單元歸屬及參比

3 討論

3.1 喀斯特流域水稻土發生特性

土壤顏色是人們對土壤最直觀的感覺之一,它是判斷成土環境、反映土壤發育以及野外進行土壤層次劃分的重要形態特征之一[24-25]。土壤有機質、氧化鐵、氧化錳含量是土壤重要的致色物質[26-28]。致色物質影響土壤顏色色度特征參數,實質上是影響人們對土壤顏色的直觀感覺。貴州省是全國唯一沒有平原支撐的省份,通常情況下,水稻土位于地勢較低平的壩子內[29],水稻土受人類活動強烈干擾,如耕種、施肥、秸稈還田等,且土壤常處于嫌氣狀態,這利于有機質的積累,使表層土壤有機質含量比表下層高?？λ固氐貐^地下水埋藏較深,難以利用,加上受耕作制度的影響,常為季節性灌溉,使土壤環境常處于干濕交替的狀態,這加劇了土壤氧化還原過程,氧化鐵、氧化錳向下淋溶遷移的過程中比較活躍,整體上土壤剖面的氧化鐵、氧化錳表下層高于表層。經相關分析發現,供試土壤中的有機質與土壤顏色色度參數中明度、彩度、亮度、黃度和紅度均呈顯著性負相關關系;土壤氧化鐵主要與土壤顏色的彩度、黃度和紅度顯著正相關,氧化錳主要與亮度值呈顯著性負相關,與黃度呈顯著性正相關關系。由此表層土壤相較于表下層有機質含量較高,氧化鐵、氧化錳含量較低,土壤顏色較暗。水耕熟化是水稻土主要成土過程,由于頻繁的干濕交替、耕作、施肥等使黏重的土壤逐漸由大塊狀轉變為小塊狀,水耕時形成了微結構,使高度熟化的水稻土產生了耕性。由于土壤表層受到人類活動的干擾程度較強,表層土壤相較于表下層更加疏松。研究區水稻土主要由碳酸鹽巖(石灰巖、白云巖和泥灰巖等)殘坡積物發育而來,在其形成發育過程中有機質的鈣凝作用、生物富鈣作用和含有碳酸鹽的地表水進入土體,土體中鈣、鎂離子豐富,這阻滯了鹽基的淋失[30],由此形成土壤鹽基飽和度較高,土壤多呈中性至微堿性特征。

3.2 喀斯特流域水稻土發生分類與系統分類參比

中國土壤系統分類以發生學為指導,因此系統分類和發生分類在土壤類型劃分上存在一定的聯系,但2種分類體系所考慮的分類依據存在差異,兩者劃分的土壤類型并非是簡單的一對一關系。在發生分類土類劃分中,將所有供試剖面劃分為水稻土土類,但在系統分類土類劃分中并非將所有供試剖面劃分為同一土類。在發生分類體系下,剖面3、6為滲育型水稻土亞類,它們分別對應了系統分類中的普通潛育水耕人為土和普通簡育水耕人為土亞類;剖面2、5、7為淹育型水稻土亞類,前兩者均對應普通簡育水耕人為土亞類,而剖面5對應系統分類亞類的普通鐵聚水耕人為土;剖面1、4在發生分類體系下為潛育型水稻土和漂洗型水稻土亞類,而在系統分類中兩者分別為底潛簡育水耕人為土和漂白鐵聚水耕人為土。

發生分類中的土屬與土種分別與系統分類中的土族和土系相對應[31]。但發生分類中的土屬與土種的劃分依據主要為定性的類型量指標,如成土母質類型、熟化程度、土壤顏色、土壤質地等,且這些定性的指標會因為觀測者的不同而產生些許差異。而系統分類中的土族與土系所劃分的依據主要為定量化的指標,因此供試土壤剖面在發生分類土屬、土種與系統分類土族、土系沒有對應關系。剖面2、5、7為大土泥田土屬,前兩者為沙大土泥田土種,后者為膠大土泥田土種,而前兩者在系統分類中為黏質混合型非酸性熱性-普通簡育水耕人為土土族,纏溪系土系,而剖面5為極黏質混合型非酸性熱性-普通鐵聚水耕人為土土族,小獨坡系土系;剖面1在發生分類中為鴨屎泥田土屬、土種,系統分類中為黏質混合型非酸性熱性-底潛簡育水耕人為土土族、姜角山系土系;剖面3發生分類土屬、土種為大泥田,而系統分類土族、土系為黏質混合型非酸性熱性-普通潛育水耕人為土、隴角系;剖面4為白膠泥田土屬、中白膠泥田土種,而對應的土族、土系為極黏質伊利石混合型非酸性熱性-漂白鐵聚水耕人為土、田官系;剖面6為紅沙泥田土屬、紅沙泥田土種,對應的土族、土系為黏質綠泥石混合型非酸性熱性-普通潛簡育水耕人為土、草塘系。

以類型量數據為分類依據的發生分類劃分的土壤類型受劃分者主觀因素的影響容易產生混淆。相比較于發生分類,以定量化指標為分類依據的中國土壤系統分類可降低土壤分類過程中的混淆程度,能更準確地劃分出相應的土壤類型。因此中國土壤系統分類相較于發生分類,前者更適合于當下土壤科學的發展,更能指導喀斯特地區土地資源的開發與利用。

4 結論

貴州安順后寨河流域水稻土顏色(潤態)色調主要為2.5Y,質地以黏土類為主,土體較厚。表層土壤有機質含量較表下層豐富;土壤多呈中性至微堿性特征;淀積層土壤氧化鐵、氧化錳含量高于表層,土壤氧化鐵含量高于氧化錳含量。

根據研究區土壤發生條件及發生特性,按照中國土壤系統分類要求,檢索出底潛簡育水耕人為、普通潛育水耕人為土、漂白鐵聚水耕人為土、普通鐵聚水耕人為土和普通簡育水耕人為土5個亞類。根據土族土系劃分標準及與現有成果對比劃分出黏質混合型非酸性熱性-普通簡育水耕人為土、纏溪系,黏質混合型非酸性熱性-底潛簡育水耕人為土,姜角山系、黏質混合型非酸性熱性-普通潛育水耕人為土,隴角系、極黏質伊利石混合型非酸性熱性-漂白鐵聚水耕人為土,田官系、極黏質混合型非酸性熱性-普通鐵聚水耕人為土,小獨坡系、黏質綠泥石混合型非酸性熱性-普通簡育水耕人為土,草塘系。