华北山地土壤CaCO3含量/石灰反应垂直分布特征及其发生学解释*

李 超 张凤荣† 王秀丽 郑亚楠 张天柱 谢 臻 靳东升

（1 中国农业大学土地科学与技术学院，北京 100193）

（2 河南农业大学资源与环境学院，郑州 450002）

（3 山西省农业科学院农业环境与资源研究所，太原 030006）

黄土降尘是地球表层地气系统物质交换的一种形式，该过程有着重要的环境指征意义，并在现代地表土壤的演化方面扮演着重要的角色。长时期的降尘沉积可能是现存表土的重要来源。已有研究表明，华北地区黄土降尘普遍存在，是表层土壤的重要来源，我国的黄土高原就是二三百万年以来，源自中国西北部和中亚内陆的沙漠和戈壁的沙尘沉积的结果［1］。降尘对土壤的作用主要是为土壤提供了大量细矿物质颗粒和一些营养元素，特别是向土壤表层输入了碳酸钙。土壤CaCO3含量作为土壤性质的重要指标，对土壤的形成和发育、维护植物正常生长具有重要意义［2-4］。

国内外相关学者围绕降尘对土壤性质的影响展开了大量研究［5］。降尘增加了土壤中的细矿物质颗粒、土壤孔隙度和保水、保肥性，加速了高山土壤的发育和演化［6］。Tiessen等［7］研究表明来自撒哈拉沙漠的尘埃造成加纳北部土壤碱性阳离子饱和度较高。Reynolds等［8］、Mctainsh和Strong［9］的研究表明降尘携带有丰富的矿质营养元素，可对土壤肥力产生重要影响，进而影响植被、生物群落和整个生态系统的稳定性。Mizota等［10］的研究则为日本、朝鲜不同母质上形成的原生土在土壤发育期间掺入的细石英的风积起源提供了有力证据，日本土壤颗粒几乎不含Ca2+，而当颗粒含一定量的Ca2+，这些颗粒最可能的来源地就是中国的沙漠或黄土高原。关欣等［11］研究表明降尘是造成荒漠风沙区自然土壤积盐及形成黏粒层的重要途径。有研究显示，美国内华达州和澳大利亚一些受地下水影响地区的土壤中存在的钠化层也是由含钠降尘造成的［5］。文倩等［12］研究表明降尘对区域土壤的机械组成、土壤积盐、土壤肥力等物理、化学和生物性状具有重要影响。

碳酸钙是干旱区-半干旱区土壤的重要组成矿物，CaCO3含量是反映该区域土壤形成发育程度的重要标志之一。相关研究表明，碳酸盐在黄土中的淋失程度取决于当地的水热条件，碳酸钙通常积聚在年降雨量＜100 mm的地区［13］，在土壤湿度和植物根系活动均很低的干旱季节，碳酸盐能够快速地沉淀下来［14］；在美国大平原中东部地区，当年均降雨量超过650 mm时，表土层（0～25 cm）就不再含有碳酸钙［15］；中国北方粉尘源区表土CaCO3含量在水平空间上随纬度大致呈自西向东逐渐降低的趋势［16］。张凤荣等［17］及王秀丽等［18］研究发现北京花岗岩上发育的土壤也有石灰性反应，证实是受风成黄土影响所致，进一步说明了华北地区黄土降尘普遍存在，是土壤物质的重要来源。但有关我国黄土降尘区山地土壤CaCO3含量垂直分布特征及其发生学解释方面的报道还较为罕见。为此，本文对北京市和山西省257个山地典型土壤剖面土壤CaCO3含量及石灰反应进行统计分析，并与海拔高度、成土母质、生物气候条件等因素进行相关分析，旨在揭示华北山地黄土降尘区土壤环境条件对CaCO3含量或石灰性反应的影响。

1 材料与方法

1.1 样品采集与分析

在分析整理华北地区有关土壤调查和研究资料的基础上，依据北京市和山西省1︰20万地质图、第二次全国土壤普查成果，考虑成土母质的差异性，在丘陵（＜500 m）、低山（500～800 m）、中山（800～3 000 m）、高山（＞3 000 m）等不同海拔高度区域设置了257个剖面点（图1）。各剖面点土壤环境信息如表1所示。

图1 土壤剖面点位置及石灰反应分布图Fig. 1 Distribution map of the studied soil profiles and lime reaction

表1 不同海拔高度剖面点的土壤环境信息Table 1 Environmental information of the studied soil profiles relative to elevation

按照《野外土壤描述与采样手册》［19］，挖掘土壤剖面（宽1.2 m×深1.2～1.5 m或至基岩出露面），观察成土因素、划分发生层次和描述剖面形态。

采集的发生层土样经风干、去杂、比色、研磨、过不同孔径筛后，分别测定机械组成、pH、CaCO3含量、阳离子交换量（CEC）、盐基饱和度（BS）、全盐量和交换性钠饱和度（ESP）。其中，土壤机械组成采用吸管法测定；pH采用电位法测定，水浸提（水土比2.5︰1）；CaCO3含量采用气量法测定［20］。

根据《中国土壤系统分类检索（第三版）》［21］和《中国土壤系统分类土族和土系划分标准》［22］确定各剖面的土壤系统分类归属。

1.2 统计方法

数据处理和统计分析采用Microsoft EXCEL 2013和IBM Statistics SPSS23.0进行，异常值剔除按照“平均值±3倍标准差”方法［23］。利用SPSS 23.0，采用单样本Kolmogorov-Smirnov非参数检验（简称“K-S检验”，α=0.01）对257个剖面点的各土壤粒径含量进行正态分布检验，并对不符合正态分布的统计数据进行转换［24-25］。用变异系数来量化符合正态分布的257个剖面点的各土层粒径含量的空间变异程度［26］。

2 结 果

2.1 土壤基本理化特征

257个剖面点的表土理化性质测定结果：pH均值为7.84，CaCO3含量均值为19.67 g·kg-1，交换性盐基离子以 Ca2+为主，盐基均呈饱和状态。由各剖面表层土壤颗粒组成可以看出，土壤颗粒组成以粉粒为主，粉粒（0.05～0.002 mm）含量高达37.40%～73.19%，平均含量为54.35%，其次为砂粒（2～0.05 mm），黏粒（＜0.002 mm）含量最低，大都在 10%～30%左右。这与我国黄土颗粒组成中以粉粒为主的基本特征相似，与有关学者所做的尘粒在空气中悬浮和搬运性能的实验结果［27-28］也相吻合。说明各剖面点表土大都具有与黄土性质相似的基本物理性质［18］，表土的形成与黄土降尘有关。由各土样黏粒、粉粒、砂粒含量变异系数可以看出，华北黄土降尘山地表土颗粒组成变异性为黏粒＞砂粒＞粉粒，粉粒含量变异系数＜15%，变异水平较低；砂粒和黏粒含量的变异系数均＞30%，达到中等变异水平。砂粒、黏粒较高的变异程度，一是由于其含量低，二是受各剖面点的成土母质差异影响造成；而粉粒的低变异性也再次证明了各剖面点表土母质来源主要为黄土降尘。砂粒、粉粒、黏粒含量的K-S检验结果说明它们来源相同。

由于华北地区冬春季多发大气干沉降过程，其黄土物质来源于我国西部、北部的沙漠和戈壁地区，黄土降尘物质中富含碳酸钙，例如2006年4月16—18日的浮尘天气过程中北京市的降尘量高达20 g·m-2，且CaCO3含量大致为76.8 g·kg-1，这也是华北降尘地区表土碳酸钙的主要来源之一［29-30］。

依据野外用稀盐酸测定石灰反应（泡沫）程度和实验室测定CaCO3含量结果，257个剖面点中，82个无石灰反应，62个为轻度石灰反应，45个为中度石灰反应，63个为强石灰反应，49个为极强石灰反应。CaCO3含量范围为0.1～251.3 g·kg-1，平均含量为 56.1 g·kg-1，变异系数为 76.93% ，属高变异水平，具有良好的分异性。

表2 剖面点的表土颗粒组成分布特征Table 2 Mechanical composition of the topsoils of the soil profiles

为了分析不同海拔高度表层及表层以下各发生层（深至150 cm）土样CaCO3含量的分布特征，借助ArcGIS软件空间分析功能，将257个剖面点位置信息与高程图进行叠加分析（图1），按照海拔高度、成土母质等差异，对257个剖面点表层及表层以下各发生层的石灰反应强度、CaCO3含量测定结果进行分类汇总、统计分析，结果表明：（1）海拔大于1 500 m的中山和高山地区，合计有58个剖面点，虽然成土母质分别为不同时期黄土、花岗岩、紫色砂页岩或石灰岩的风化残-坡积物等，但这些剖面通体均无石灰反应，实验室测定CaCO3含量介于0.1～2 g·kg-1。（2）海拔介于500～1 500 m中山和低山地区，合计有131个剖面点，通体具有石灰反应，但石灰反应强度、CaCO3含量受成土母质类型的影响，分异特征明显，表现为：①花岗岩发育的土壤（49个剖面点），其通体多具有轻度-中度石灰反应，CaCO3含量介于9.92～70.36 g·kg-1，平均为28.69 g·kg-1；②马兰黄土、钙质紫色砂岩、石灰岩等发育的土壤（82个剖面点），其通体多具有中度-强石灰反应，CaCO3含量介于2.2～251.3 g·kg-1，平均为79.40 g·kg-1。（3）海拔小于500 m丘陵地区，合计有68个剖面点，可能是受微地形条件和人为干扰等因素影响，土体中CaCO3含量和石灰反应无明显分布规律。

2.2 不同海拔高度对土壤CaCO3含量分布的影响

为了探讨不同海拔高度对土壤CaCO3含量分布的影响，选取位于不同海拔高度的11个典型剖面点，从发生学角度分析影响华北地区不同海拔高度山地土壤CaCO3含量分异特征的因素。各土壤剖面点所处的地貌和地形部位相似，均位于华北地区不同海拔高度的山坡上，按海拔高度分属低山（高程＜500 m）、中山（高程介于800～3 000 m）和高山（高程＞3 000 m），其中海拔最低的为位于北京市延庆县八达岭滑雪场的八达岭系，高程为650 m；海拔最高的为位于山西省五台县台怀镇北台顶的北台顶系，高程为3 050 m。成土母质类型包括黄土、花岗岩、石灰岩、紫色砂岩风化残-坡积物等，均为华北地区主要的成土母质类型，各剖面颗粒组成分析结果显示均含有大量粉粒，说明土壤的形成和发育过程受到黄土降尘影响。各剖面点的土壤环境特征如表3所示，随着海拔高度的升高，降雨量、气温、植被类型等生物气候条件分异明显，植被类型由低山地区指示半干旱半湿润区的旱生灌草，逐渐过渡为中山和高山地区指示湿润区的乔木林和草原性草甸植被，基本可反映华北山地不同海拔区域典型植被类型的梯度变化特征。

由各剖面点的生物气候条件可以看出：随着剖面点所处海拔高度的升高，降雨量增大、气温降低，土壤温度状况由温性逐渐过渡为寒冻/寒性，土壤水分状况由半干润逐渐过渡为湿润/潮湿，植被也变茂密。

由各剖面点的土壤CaCO3含量、石灰反应和pH可以看出：随着调查剖面所处海拔高度的升高，土壤中CaCO3含量、石灰反应强度、pH呈逐渐降低的趋势。

1）位于海拔较高地区（海拔＞1 500 m）的北台顶系、岭底系、荷叶坪系、东台沟系、灵山落叶系、灵山系，剖面通体均无石灰性反应，且CaCO3含量＜2 g·kg-1，pH介于6～7.1。其土壤环境条件为降雨量＞600 mm、寒冻/寒性土壤温度状况、潮湿/湿润土壤水分状况、植被茂密。

2）位于海拔较低地区（海拔介于500～1 500 m）的坪地川系、上东村系、左家滩系、青龙桥系和八达岭系，通体均具石灰性反应，且CaCO3含量＞2 g·kg-1，pH介于7.6～8.2。其土壤环境条件为降雨量＜600 mm，冷性/温性土壤温度状况、半干润土壤水分状况、植被较稀疏。

根据CaCO3淋溶淀积原理，当CaCO3遇到溶有CO2的水时，CaCO3会反应生成溶解性较大的重碳酸钙：CaCO3+CO2+H2O=Ca(HCO3)2，而使CaCO3发生淋洗；反之，水分减少或CO2分压降低时，溶解的重碳酸钙就会重新生成碳酸钙沉积下来（Ca（HCO3）2=CaCO3↓+CO2↑+H2O）。CaCO3的淋溶强度及淀积深度受水热条件的制约，一般而言，土壤湿润期越长，淋溶强度越大，CaCO3的淋洗深度越深，反之则浅。高山地区降雨量大，且温度较低，使得土壤相对湿度增加，植被较好，水分地表径流少，土壤中CaCO3与水和CO2作用形成重碳酸钙向下垂直淋洗，特别是在高温多雨的夏季，土壤有机碳的矿化速率和生物呼吸速率均较高，从而提高了土壤空气中CO2的分压，CaCO3的淋洗较强烈［31］，导致表土和表下层各层土壤均不具石灰反应。因此，生物气候条件是造成华北山地较高山（海拔大于1 500 m）与较低山（海拔小于1 500 m）地区间土壤CaCO3含量分异的主导因素，华北山地中山和高山地区（海拔大于1 500 m）无论何种成土母质，土壤中均不含碳酸钙，无石灰反应。

由表2和表3可以看出，海拔小于1 500 m中山和低山地区不同母质类型的上东村系、坪地川系、左家滩系、八达岭系和青龙桥系CaCO3含量差异明显，上东村系、坪地川系和左家滩系等发育于马兰黄土和钙质的石灰岩、紫色砂岩的土壤，通体CaCO3含量均较高，具有中等-强石灰反应；而八达岭系和青龙桥系等发育于非钙质的花岗岩的土壤，通体CaCO3含量均较低，具有轻度石灰反应。这是由于海拔小于1 500 m中山和低山地区，降雨量较少、温度较高，且蒸发量大，致使土壤干燥、土壤湿润期短，土壤CaCO3与水作用形成重碳酸钙的时间较短，不利于碳酸钙淋洗；同时，由于这些地区通常植被覆盖较差，水分表面径流大，土体受土壤侵蚀影响较严重，使得马兰黄土钙质石灰岩、紫色砂岩等成土母质出露地表，造成上东村系、坪地川系、左家滩系等具有较强石灰反应。因此，成土母质差异是造成华北山地中山和低山地区（海拔介于500～1 500 m）内土壤CaCO3含量分异的主导因素。

表3 代表性调查剖面点的土壤环境特征Table 3 Soil environmental characteristics of the representative soil profiles

表4 代表性调查剖面点表层土壤基本性质Table 4 Basic properties of topsoil of the representative soil profiles

3 讨 论

黄土降尘为华北山地表土输入了CaCO3，中国北方年均降尘量约136.98 t·km-2［34］，中国粉尘源区表土CaCO3含量的均值约为118.4 g·kg-1［16］，说明黄土降尘向华北山地表土输入的最高CaCO3含量大致为118.4 g·kg-1。但不同海拔高度的降雨量和土壤湿度差异，导致土壤CaCO3淋溶强度和含量差异明显。以本研究中77个花岗岩发育的土壤剖面为例，其表土CaCO3含量和环境因子进行的统计分析表明：在海拔高度大于1 500 m中山和高山地区，降雨量大于600 mm，CaCO3淋溶强度较大，土壤中 CaCO3残留量小于等于2 g·kg-1，CaCO3淋失量大于等于16.4 g·kg-1；而在海拔介于500～1 500 m中山和低山地区，降雨量一般介于400～600 mm，CaCO3淋溶强度较弱，土壤中 CaCO3残留量大于等于2.2 g·kg-1，CaCO3淋失量小于等于116.2 g·kg-1。

以往有关华北山地土壤发生与分类的研究，或在土壤地理发生学思想指导下过于强调生物气候条件是土壤发生过程中的主导作用，弱化了母质的影响［32］。但也有一些研究又过分强调了母质在土壤发生过程中的主导作用，弱化了生物气候条件的影响［33］。本文认为，华北黄土降尘地区，尤其是山地区，在研究土壤发生和分类时，生物气候条件和成土母质一定要兼顾考虑。淋溶过程强弱导致的土壤CaCO3含量/石灰反应分布差异是该地区的典型发生学特征之一，不同海拔高度起主导作用的因素有所不同：在海拔大于1 500 m中山和高山地区，降雨量一般大于600 mm，淋溶条件较强，生物气候条件对土壤中CaCO3含量/石灰反应起主导作用，CaCO3含量一般介于0.1～2 g·kg-1；而在海拔介于500～1 500 m中山和低山地区，降雨量较低，一般介于400～600 mm，淋溶条件不强，土壤普遍具有石灰反应，成土母质对土壤中CaCO3含量/石灰反应起主导作用，生物气候条件的影响居于次要地位，CaCO3含量一般介于2.2～251.3 g·kg-1。

257个剖面点的表土理化性质测定结果表明，各剖面点表土大都具有与风成黄土相似的基本物理性质，进一步证实了华北地区黄土降尘普遍存在，说明黄土降尘是华北地区土壤物质的重要来源，对于土壤形成产生了重要作用。因此，在研究华北山地土壤成土过程时，除考虑传统的母质、地形、气候、生物、时间五大成土因素外，还应增加地质因素，尤其是将现代黄土降尘这个地质过程予以重点考虑。

本文所选用的82个无石灰反应剖面点（58个海拔大于1 500 m剖面点，24个海拔小于1 500 m剖面点）的土壤理化性质测定结果表明均含微量或少量CaCO3（多低于2 g·kg-1），这主要可能是该地区不断的黄土降尘补充影响。

本文仅在设定或假定土壤发育不受海拔以外其他成土因素影响的前提下，就黄土降尘在不同海拔高度下引起的土壤CaCO3含量/石灰反应的变化情况进行了对比分析，但实际上土壤形成过程一定是受多因素综合作用，而其他地形因子（如坡度、坡位、坡向、地形起伏度等）、成土时间、土地利用等人为活动对土壤CaCO3和石灰反应的影响，将在今后的研究中予以探讨。

4 结 论

黄土降尘为华北山地表土输入了CaCO3，但由于海拔高度不同，其土壤湿度存在差异，导致土壤CaCO3淋溶程度和含量上差异明显。海拔大于1 500 m中山和高山地区，温度较低，降雨量较强，土壤湿度较大，植被条件较好，地表径流少，CaCO3淋洗强，土壤通体无石灰反应，生物气候条件对CaCO3含量/石灰反应起主导作用。而海拔介于500～1 500 m中山和低山地区，温度较高，降雨较少，土壤湿度较低，植被覆盖度较低，CaCO3淋洗弱，土壤普遍具有石灰反应，成土母质对土壤中CaCO3含量/石灰反应起主导作用，生物气候条件的影响居于次要地位。