湘东两类母质发育水田土壤的发生特性及其系统分类

满海燕，黄运湘，b，*，盛 浩，b，余 展，周 清，b，袁 红，b，张杨珠，b

(湖南农业大学 a.资源环境学院；b.土壤研究所，湖南 长沙 410128)

土壤分类是土壤科学水平的体现，是土壤调查制图、资源评价的基础，是农业技术转让的依据，也是国内外土壤学术交流的媒介[1-2]。目前，国际上代表性的土壤分类体系有美国土壤系统分类[3]、联合国世界土壤图例单元[4]和世界土壤资源参比基础[5]。其中，以诊断层和诊断特性为鉴别依据的美国土壤系统分类对国际土壤分类的影响最为深刻[6]，至今已有80多个国家将其作为本国的第一或第二分类[7-8]。美国土壤系统分类通过制订定量化标准开展土壤分类研究，适应现代信息社会的发展，便于国际土壤科学界交流[9]。我国自20世纪80年代开始土壤系统分类的理论研究[7，9-10]，初步制定并相继修订了中国土壤系统分类方案[11-12]，并于2009年启动了我国土系调查与《中国土系志》编制项目，对我国中东部的黑龙江、北京、河南、山东、浙江等16个省(市)开展系统调查，陆续出版了福建[13]、上海[14]、浙江[15]、江苏[16]、安徽[17]、广东[18]、京津[19]、河北[20]、湖北[21]等地方性土系专著，标志着中国东部地区基层分类单元已逐渐明晰。在中东部土系调查成果的基础上，2014年，中西部土壤系统分类的专项研究展开，湖南省就是其中之一。

有关湖南土壤的系统分类研究始于20世纪90年代，前期的工作主要基于山地土壤或旱地土壤。如黄承武等[22]对湘中和湘北丘岗地区发育于第四纪红色黏土的富铝化土壤的系统分类研究，韦启璠[23]对湖南西北部的石灰岩发育土壤的研究，吴甫成等[24]、冯跃华等[25]、张义等[26]相继对衡山、井冈山和大围山山地土壤系统分类的深入研究等。湖南是典型的农业大省，农业生产以粮食为主，粮食作物主要为水稻，但有关水田土壤的系统分类研究刚刚起步。本文在科学技术部国家科技基础性工作专项“我国土系调查与《中国土系志(中西部卷)》编制”的指导下，对湘东地区2类母质发育的典型水田土壤进行发生学特性的研究，通过诊断层和诊断特性的鉴定，确定土族和土系等基层分类单元，补充完善湖南省土壤系统分类研究。

1 材料与方法

1.1 研究区自然环境条件

研究区位于湖南省东部，包括长沙市、株洲市、湘潭市和岳阳市，地理坐标为111°53′～114°14′E、29°52′～26°46′N，属中亚热带湿润季风气候，年均气温16～18 ℃，≥ 10 ℃活动积温5 300～6 600 ℃，无霜期长，降水充沛，年降水量1 300～1 700 mm，日照偏少，年日照时数1 400～1 700 h。地势东南高、西北低，东南有幕阜山、连云山、九岭山等山地，海拔大都超过1 000 m，西部为洞庭湖平原，海拔大多在50 m以下，中部及西北部为山区向平原湖泊区过渡的丘岗地貌。

1.2 野外土壤调查和剖面样品的采集

参照第二次土壤普查成果，在研究区选取紫色岩风化物和河湖沉积物2类母质发育的水田土壤，详细调查其成土环境，挖掘典型土壤剖面，根据中国科学院南京土壤研究所设计的《野外土壤调查记载表》对土壤剖面进行观察记载[27]，按土壤发生层采集土壤样品。共采集6个典型水田土壤样点：样点1，剖面编号43-ZZ12，采样地点株洲市茶陵县浣溪镇梅林村11组(26°36.7′N，113°21.5′E)，海拔175 m，小地形为洼地，成土母质为紫色砂砾岩风化物和第四纪红色黏土混合母质；样点2，剖面编号43-ZZ17，采样地点株洲市醴陵市泗汾乡石虎村张公组(27°31.9′N，113°27.8′E)，海拔78 m，小地形为沟谷地，成土母质为紫红色砂页岩风化物；样点3，剖面编号43-XT11，采样地点湘潭市雨湖区全田乡姜畲村腰塘组(27°51.2′N，112°45.8′E)，海拔47 m，小地形为沟谷地，成土母质为紫红色泥页岩风化物；样点4，剖面编号43-XT10，采样地点湘潭市湘潭县河口乡三联村(27°47.2′N，112°53.9′E)，海拔26 m，小地形为河间地，成土母质为河流沉积物；样点5，剖面编号43-YY16，采样地点岳阳市湘阴县鹤龙镇江洲村15组(28°40.7′N，113°45.0′E)，海拔27 m，小地形为泛滥平原，成土母质为河湖沉积物；样点6，剖面编号43-CS19，采样地点长沙市宁乡县城郊乡茶亭寺村桐屋组(28°17.0′N，112°36.0′E)，海拔44 m，小地形为低阶地，成土母质为河流沉积物。

1.3 土壤分析方法

土壤分析参考《土壤调查实验室分析方法》[28]。具体地：土壤颜色用门塞尔比色卡比色，容重用环刀法，pH值用电位法，土壤颗粒分析用吸管法，黏土矿物组成用X射线衍射仪法，有机质含量用重铬酸钾容量法，交换性酸及交换性铝含量用氯化钾交换法，全铁(Fet)含量用氢氟酸-高氯酸熔融—等离子发射光谱法，游离铁(Fed)含量用柠檬酸钠-二亚硫酸钠浸提—邻菲罗啉比色法，活性铁(Feo)用草酸铵浸提—邻啡罗林比色法。

2 结果与分析

2.1 典型水田土壤的剖面形态及主要发生学特性

2.1.1 土壤剖面形态特征

从表1可知，研究的6个剖面土壤润态颜色以棕色为主，其表层土壤颜色偏深，多为暗棕色，色调介于7.5YR～2.5Y，明度介于2～4，彩度介于3～6。土体较深厚，大多>1.2 m，剖面层次分化明显，耕作层(Ap1)较浅薄，除43-ZZ12的 Ap1为17 cm外，其余介于12～15 cm，犁底层(Ap2)7～13 cm，犁底层及以下发生层普遍存在铁锰斑纹、黏粒胶膜和黏粒-铁锰胶膜，数量不等。43-ZZ12氧化铁分两个亚层；43-YY16有氧化铁和氧化锰分异，氧化锰又分为两个亚层Br21和Br22；其余4个剖面氧化铁锰分异不明显。43-ZZ12在125 cm以下的淀积层土壤长期淹水还原，具有潜育特征。研究剖面土壤结构发育明显，耕作层疏松，孔隙较多，土壤结构以粒状、团粒状为主，耕作层以下土壤紧实，以棱块状、棱柱状为主。

2.1.2 土壤颗粒组成与质地

供试剖面除43-ZZ12外，其余剖面土壤质地均为壤质土，包括壤土、粉壤土、粉黏壤土、砂壤土、砂黏壤土和黏壤土，砂粒含量介于159～705 g·kg-1，粉粒含量介于207～591 g·kg-1，黏粒含量介于72～342 g·kg-1，黏化率介于0.36～1.31。43-ZZ12剖面土表至125 cm为砂壤土，125 cm以下为壤质砂土，这与紫色砂砾岩风化物含砂量高、第四纪红色黏土含有明显的砾石层有关。43-CS19由河流沉积物发育而成，土壤剖面质地表现成层性。

2.1.3 土壤有机质含量

受淹水种稻、淹水耕作、秸秆还田及人工施用有机肥等措施的影响，供试土壤表层有机质表现出明显的积累特征。除43-ZZ17和43-XT10外，其余土壤表层有机质含量>40 g·kg-1，参照第二次土壤普查水田土壤生产性能评价标准，属一级水平。在剖面构型上，土壤有机质含量呈现自上至下逐渐减少的规律，43-ZZ12剖面125 cm以下出现潜育特征，有机质含量高于水耕氧化还原层(Br11和Br12)，与犁底层接近，43-XT11剖面中Ap2g和Br2g存在潜育特征，有机质含量明显偏高，这与还原条件下有利于有机质的积累有关[29]。

2.1.4 土壤pH值和酸化特征

供试土壤剖面pH值为4.8～7.5，随剖面层次的加深，pH呈升高趋势，水耕表层(Ap1、Ap2)土壤pH值的下降与长期大量施用化学氮肥有关。土壤交换性酸随土壤pH的升高而降低，变化范围在0～2.97 cmol(H+)·kg-1。土壤交换性Al3+含量平均为0.63 cmol(H+)·kg-1，随交换性酸含量的减少而降低，占交换性酸平均含量的67.6%。从剖面整体来看，交换性Al3+占交换性酸的比例随剖面深度的增加而降低。这是因为土壤中铝的溶出量随pH降低而增加，剖面深度加深，pH值升高，铝的溶出量减少[30]。

2.1.5 氧化铁特征

从表2可知，6个剖面土壤全铁含量为11.66～75.24 g·kg-1，在剖面中呈现出犁底层(Ap2)和水耕氧化还原层(所有含Br的层次)高于表层土壤的特性，表明长期淹水种稻条件下铁具有明显的淋溶和淀积现象。土壤游离铁含量为3.22～41.87 g·kg-1，平均22.80 g·kg-1。从剖面层次看，游离铁在水耕氧化还原层积累，向下逐渐减少。除剖面43-XT10和43-XT11外，其余4个剖面土壤游离铁层段系数(Fh)出现≥1.5的情况，其中剖面43-ZZ17、43-YY16和43-CS19水耕氧化还原层游离铁含量大于表层的1.5倍，具有铁聚特征。铁的游离度为16.43%～72.63%，平均48.71%。43-ZZ12和43-XT11剖面中Brg和Br2g层土壤铁的游离度较其他土层低，这是由于潜育层土壤铁的还原淋溶所致。土壤的还原程度可通过铁的活化度和晶胶率体现[31]。从表2可知，由紫色岩风化物发育的土壤剖面(43-ZZ12、43-ZZ17、43-XT11)铁的活化度和晶胶率呈现明显的规律性，即表层(Ap1)和表下层(Ap2)土壤铁的活化度高于下层土壤，晶胶率低于下层土壤，这与表层土壤有机质含量较高，土壤还原性强密切相关。43-ZZ12的Brg层因存在潜育特征，故铁的活化度较Br层高，晶胶率较Br层低。由河湖沉积物发育的土壤(43-XT10、43-YY16和43-CS19)，铁的活化度和晶胶率在剖面层次上未表现明显的规律性，可能与土壤的质地层次、水分含量及地下水位的升降变化有关。

2.2 诊断层和诊断特性鉴定

诊断层是在性质上有定量规定的特定土层，用于鉴别土壤类别[10]。按照供试剖面的土壤发生学特性，依据《中国土壤系统分类检索(第三版)》的相关标准[32]，6个典型水田土壤剖面均具有氧化还原特征、人为滞水土壤水分状况、水耕表层和水耕氧化还原层等诊断特性和诊断层，其他诊断特性和诊断层鉴定如下。

(1)潜育特征。紫红色泥页岩发育的43-XT11的Ap2g和Br2g层，以及紫色砂砾岩风化物、第四纪红色黏土混合母质发育的43-ZZ12的Brg层，由于长期被水饱和，导致土壤发生强烈还原的潜育特征[33]，土壤有亚铁反应。

(2)土壤温度状况。土壤温度根据经纬度、海拔，利用文献[34]中的公式推算。计算的年平均土温≥15 ℃，但<22 ℃，属“热性土壤温度状况”。

2.3 在土壤系统分类中的归属

2.3.1 高级分类单元确定

基于中国土壤系统分类，研究区内6个典型水田土壤均属人为土土纲，因含有水耕表层和水耕氧化还原层，故属水耕人为土亚纲。供试剖面水耕表层之下均无灰色铁渗亚层，不属铁渗水耕人为土土类。43-XT11在表层至60 cm范围之内的部分土层有≥10 cm的潜育特征[35]，属潜育水耕人为土土类；43-ZZ17、43-YY16、43-CS19水耕氧化还原层的游离氧化铁含量为耕作层的1.5倍以上，属铁聚水耕人为土土类；43-ZZ12和43-XT10属简育水耕人为土土类。

43-XT11剖面无变性现象、盐积现象和铁聚特征，也无含硫层、人为复石灰作用和铁渗淋亚层，归属为普通潜育水耕人为土亚类。43-ZZ17、43-YY16、43-CS19剖面无变性现象、漂白层和潜育特征，均属普通铁聚水耕人为土亚类。43-XT10、43-ZZ12剖面无变性现象、盐积现象和人为复石灰作用，矿质土表至60 cm范围内无漂白层，矿质土表下60～100 cm也无潜育特征[36]，可归属为普通简育水耕人为土亚类。

2.3.2 土族的建立

土族是土壤系统分类的基层单元，主要反映与土壤利用管理有关的土壤理化性质的分异，是亚类的续分[35]。土族的控制层段一般为诊断表下层的上界或从耕作层(Ap)的下界往下至100 cm深处，或至浅于100 cm的根系限制层上界或石质接触面。在土族控制层段内，其主要划分指标为土壤颗粒大小级别、不同颗粒级别的土壤矿物组成类型、土壤温度状况、土壤酸碱性等。依据土族和土系的划分标准[36]，供试土壤剖面土族控制层段内鉴别依据及特征见表3。

(1)土壤颗粒大小级别。颗粒大小级别是划分土族的首要依据，43-ZZ12剖面土族控制层段≥2 mm岩屑含量<25%，砂粒含量≥55%，划分为砂质；43-ZZ17、43-XT10、43-YY16剖面土族控制层段黏粒含量介于20%～35%，划分为黏壤质；43-XT11、43-CS19剖面土族控制层段黏粒含量在20%以下[36]，划分为壤质。

(2)土壤矿物学类别。根据颗粒大小级别，供试的6个土壤剖面分别为砂质、壤质和黏壤质。依据颗粒大小组分对矿物学类别进行检索[36]，最终检索出6个剖面的矿物类别均属于硅质混合型。

(3)石灰性和土壤酸碱反应。依据土族与土系建立原则与标准[36]，供试剖面的土族控制层段中均有pH≥5.5的层次存在，为非酸性反应。

(4)土壤温度状况。研究区内6个供试土壤土壤温度状况为热性土壤温度状况。

依据土族控制层段内鉴别特征，可将供试土壤划分为壤质硅质混合型非酸性热性-普通潜育水耕人为土、黏壤质硅质混合型非酸性热性-普通铁聚水耕人为土、壤质硅质混合型非酸性热性-普通铁聚水耕人为土、砂质硅质混合型非酸性热性-普通简育水耕人为土和黏壤质硅质混合型非酸性热性-普通简育水耕人为土5个土族(表3)。

2.3.3 土系的建立

土系是具有实用目的的分类单元，是发育在相同母质上、处于相同景观部位、具有相同土层排列和相似土壤属性的土壤集合[36]。供试的6个黏化率为下层土壤与耕作层黏粒含量的比值；BD，容重，OM，有机质；EAc，交换性酸；EAl，交换性铝。SL，砂壤土；SCL，砂黏壤土；L，壤土；CL，黏壤土； SCL1，粉壤土；LS，壤质砂土；SCL2，粉黏壤土。

表1 供试土壤剖面的部分理化性质

Clay rate was the ratio of clay content in the lower layer to that in plough horizon. BD， Bulk density; OM， Organic matter; EAc， Exchangeable acid; EAl， Exchangeable Al. SL， Sandy loam; L， Loam; SCL， Sandy clay loam; CL， Clay loam; SCL1， Silty loam; LS， Loamy sand; SCL2， Silty clay loam.

表2 供试土壤氧化铁形态特征

Fh值为该层Fed与Ap1层Fed含量之比。

Fh was calculated as the ratio of Fedcontent in the current horizon to that in Ap1 horizon.

表3 供试土壤土族控制层段内鉴别特征

SMT，硅质混合型；NA，非酸性。

SMT， Silicon mixed type; NA， Non-acid.

水田土壤剖面中，43-XT11、43-ZZ12、43-XT10和43-CS19属于不同土族，分别划为姜畲系、梅林系、三联系和茶亭寺系；43-ZZ17、43-YY16属于同一土族，但43-ZZ17在50～100 cm深度内出现残留母质层，43-YY16的残留母质层在50～100 cm深度没有出现，据此划分为石虎系和江洲系两个土系，因此湘东地区6个供试土壤可划分为3个土类、3个亚类、5个土族和6个土系。

3 结论

湘东地区紫色岩风化物和河湖沉积物两类母质发育的水田土壤在发生学形态上有共性也有差异。供试6个土壤剖面颜色以棕色或暗棕色为主，土壤层次分化明显，紫色岩风化物发育土壤色调介于7.5YR～10YR，较河湖沉积物发育土壤色调更红，与紫色岩的颜色接近。土壤质地以壤土为主，黏化率不高，紫色岩风化物发育土壤颗粒组成层次变化不明显，但河湖沉积物母质发育土壤颗粒组成在同一剖面不同土层之间差异较大，这与河湖沉积物母质发育土壤受不同时期沉积母质或不同时期堆积物质的影响有关[37]。土壤pH介于4.8～7.5，随剖面加深，pH呈升高趋势。土壤有机质含量以剖面表层土壤最高，呈现自上而下逐渐减少的规律。供试6个土壤剖面的全铁含量均呈现出表层低于犁底层和氧化还原层的特性，说明氧化铁主要在氧化还原层富集。由紫色岩风化物发育的土壤剖面铁的活化度呈现水耕表层高于下层土壤、晶胶率低于下层土壤的规律，而由河湖沉积物发育的3个剖面土壤铁的活化度和晶胶率无明显的变化规律。

基于中国土壤系统分类，供试的6个水田土壤均属人为土土纲水耕人为土亚纲，在亚纲的基础上，进一步划分为潜育水耕人为土、铁聚水耕人为土和简育水耕人为土3个土类和普通潜育水耕人为土、普通铁聚水耕人为土和普通简育水耕人为土3个亚类。依据土族划分[35]的4个指标，将供试剖面划分为壤质硅质混合型非酸性热性-普通潜育水耕人为土、黏壤质硅质混合型非酸性热性-普通铁聚水耕人为土、壤质硅质混合型非酸性热性-普通铁聚水耕人为土、砂质硅质混合型非酸性热性-普通简育水耕人为土和黏壤质硅质混合型非酸性热性-普通简育水耕人为土等5个土族。在土系控制层段内，不同土族划为不同土系，同一土族依据母质层出现深度划分，共划分出姜畲系、梅林系、三联系、石虎系、江洲系、茶亭寺系6个土系。