中国北方第四纪黄土发育土壤铁锰结核形成环境及空间分布*

王秋兵 蒋卓东 孙仲秀

（沈阳农业大学土地与环境学院，农村农业部东北地区土壤与环境重点实验室，辽宁省农业资源与环境重点实验室，沈阳 110866）

土壤铁锰结核是土壤中常见的一种新生体形态［1-2］，是土壤形成过程的产物［3］，在土壤环境化学反应中扮演着十分关键的角色［4］，是划分土壤类型的重要依据［5］。铁锰结核对于pH、Eh和水分等周围环境变化的反映十分敏感，记录着区域土壤水分状况、土壤发育过程以及环境变化等多种重要信息［6-8］。因此，研究土壤铁锰结核具有很高的科学价值。

铁锰结核是在土壤发育过程中土壤环境干湿交替的产物，铁锰氧化物在渍水条件下还原为Fe2+和Mn2+，随着土壤溶液迁移，又在土壤变干时氧化淀积，长期的干湿交替下，形成铁锰结核并逐渐增大［9］。一般认为，铁锰结核的形成与地形、母质等因素关系密切，存在铁锰结核的土壤主要分布在地势低平、地下水位较浅的地区，土壤形成受地下水位的强烈影响，成土母质多为河流冲积物、湖积物、坡积物等，属于隐域土［10-12］；而位于地下水位较深的高平地，不会有铁锰结核的存在，通常将这些土壤称为地带性土壤。然而，在我国东北地区土壤调查过程中发现，在位于高平地、地下水位较深的第四纪黄土状母质发育土壤中通常能够看到铁锰结核的分布［13-14］，这与传统认识的土壤与景观关系相矛盾。目前，其形成机制尚不明确，有专家认为是现代成土条件下的产物，有专家认为是古土壤中存在的产物，这在该地区土壤分类过程中造成了很多困扰［15-16］。在我国第二次土壤普查时使用的地理发生学分类体系，主要依据生物气候条件和地理环境等成土条件来划分土类，忽视了剖面的形态和发育，未能体现出铁锰结核对于分类的影响；而中国土壤系统分类以诊断层和诊断特性为基础，更加注重强调土壤本身性质，土壤中铁锰结核的存在符合诊断特性中的氧化还原特征，影响土类及亚类的划分［17］。对于土壤铁锰结核的研究，目前主要集中于热带、亚热带地区铁锰结核的结构、元素组成和变化等方面［18-19］，缺少对于温带地区铁锰结核的形成及空间分布规律的研究。因此，为科学划分土壤类型，对温带地区具有铁锰结核土壤的空间分布规律和形成环境开展研究显得十分必要。

为了摸清我国温带地区地带性土壤中铁锰结核空间分布规律，本文以我国北方10省（市、区）为研究区域，选择位于高平地、发育在第四纪黄土状物质的土壤为研究对象，以实地调查研究成果和收集整理全国第二次土壤普查资料为研究材料，探讨存在铁锰结核土壤的空间分布特征，为进一步研究该地区土壤铁锰结核的形成机理奠定基础，同时也为该地区土壤科学分类提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于我国北方温带湿润半湿润地区，地理位置为34°～53°N和97°～134°E之间，行政范围包括黑龙江、吉林、辽宁、内蒙古、北京、天津、河北、山西、山东、河南等10个省、自治区和直辖市（图1）。研究区经纬度跨度大，水热条件的空间分布差异非常显著，年平均气温为-4～16℃，年均降水量为100～1 400 mm，由沿海向内陆逐渐形成了湿润、半湿润、半干旱、干旱的干湿区［20］。研究区有大面积的第四纪黄土状物质沉积，土壤类型的地理空间变化也十分明显，由北向南分布着棕色针叶林土、暗棕壤、棕壤和褐土；自东向西分布着黑土、黑钙土、栗钙土、棕钙土、灰钙土、灰漠土和棕漠土。

1.2 样点的布置

图1 样点分布图Fig. 1 Spatial distribution of sampling points

本文采集土壤剖面共计345个（如图1所示）。样点来自两个方面：一是由实地调查而来（130个剖面），二是来自全国第二次土壤普查资料［21-24］（215个剖面）。所有样点选择母质为第四纪黄土状物质，地处稳定的高平地，包括阶地、台地、岗地的顶部，不受地下水影响。

1.3 土壤剖面调查

实地调查主要由本课题组完成，部分由科技部国家科技基础性工作专项“我国土系调查与《中国土系志》编制”项目组提供，各样点均按照中国科学院南京土壤研究所《野外土壤描述与采样规范（第一版）》进行野外景观和土壤形态描述；对第二次全国土壤普查资料［21-24］的土壤剖面，收集整理采样地点、景观描述和土壤形态特征，保证母质类型一致，景观部位相近，并根据资料中采样点地理位置信息，结合地形地貌图等辅助资料，确定样点位置并获取其经纬度。对所有供试土壤，重点考察土壤是否存在铁锰结核，并记录铁锰结核在土壤剖面出现的初始深度。

1.4 数据处理

各土壤剖面的大气温度、降水量、地温等数据来自中国气象局中国气象科学数据共享服务网（http://data.cma.cn），仔细筛选和剔除气象数据与区域气候特点差异较大的海拔极端的气象站数据后选择783个气象站点的1981—2010年的日值数据，包括各个气象站的经纬度、气温、地温以及降水量等数据。本文根据Henry［25］的方法定义地表土壤温度≤ 0℃确定土壤冻结状态，并以此为标准计算土壤冻结天数和春季土壤冻融交替天数。土壤冻结天数为1981—2010年每年从7月1日至次年6月30日的日平均地温低于0℃的天数之和的累年平均值，春季土壤冻融交替天数为1981—2010年每年1月1日至6月30日地温在0℃左右波动的天数之和的累年平均值。运用ArcGIS 10.2空间分析模块中的反距离权重（IDW，Inverse Distance Weighted）插值工具进行空间插值得到中国北方温带地区10个省份的年平均气温、降水量、土壤冻结天数和春季土壤冻融交替天数的空间分布图。

2 结 果

2.1 铁锰结核在地理空间的水平分布特征

本研究供试土壤中有74个剖面存在铁锰结核，占供试土壤剖面的21.5%，如图2a所示。研究发现存在铁锰结核的剖面分布于研究区域的东部（41.19°～49.01° N，120.82°～133.37° E），集中于黑龙江、吉林、辽宁等地，在北京、山东等地也有少量分布，在其他地区的供试土壤中尚未发现有铁锰结核存在，呈现出“北多南少、东多西少”的地理分布特点。进一步分析可以看出，供试土壤中存在铁锰结核的74个剖面均分布在年均降水量350 mm以上的地区。年均降水量在350～400 mm、400～500 mm、500～600 mm、600～700 mm、700～800 mm及800 mm以上的区域，存在铁锰结核的剖面分别为3个、12个、36个、9个、12个和2个，分别占存在铁锰结核剖面总数的4.1%、16.2%、48.6%、12.2% 、16.2%和2.7%（图2b）。供试土壤存在铁锰结核的74个剖面均分布在年均气温1℃以上地区。年均气温在1～3℃、3～5℃、5～7℃、7～9℃、9～11℃及11℃以上的区域，存在铁锰结核的剖面分别为9个、29个、24个、6个、4个和2个，分别占存在铁锰结核剖面总数的12.2%、39.2%、32.4%、8.1%、5.4%和2.7%（图2c）。由此可见，供试土壤中存在铁锰结核的土壤剖面主要分布于年均气温1～9℃，年均降水量400～800 mm的中温带湿润半湿润气候地区，占研究区域内所有存在铁锰结核剖面的86.5%。

我国北方温带地区有广泛的多年冻土和季节性冻土分布，供试土壤存在铁锰结核的74个采样点剖面均分布在土壤冻结天数100 d以上的地区。土壤冻结天数在100～130 d、130～160 d、160～190 d、190～220 d及220～250 d的区域，存在铁锰结核的剖面分别为2个、的区域仅有2个、1个、14个、56个和1个，分别占存在铁锰结核土壤剖面总数的2.7%、1.4%、18.9%、75.6%和1.4%（图3a）。供试土壤中存在铁锰结核的74个剖面均分布在春季土壤冻融交替天数50 d以上的地区。春季土壤冻融交替天数在50～60 d、60～70 d、70～80 d及80～90 d的区域，存在铁锰结核的剖面分别为15个、49个、8个和2个，分别占存在铁锰结核土壤剖面总数的20.3%、66.2%、10.8%和2.7%（图3b）。由此可见，研究区域内铁锰结核的分布随土壤冻融交替天数及土壤冻结天数的变化产生了较大的差异性，即供试土壤中存在铁锰结核剖面集中分布于春季土壤冻融交替天数为50～70 d，土壤冻结天数为160～220 d的区域，该区域主要位于辽宁省中部及东北部地区、吉林省和黑龙江省南部地区，气候类型为温带湿润半湿润气候，在该区域内位于高平地、黄土母质发育土壤中存在铁锰结核剖面共63个，占该区域所有供试土壤剖面的55.3%，占研究区内所有存在铁锰结核土壤剖面的85.1%。

图2 土壤铁锰结核在地理空间的水平分布特征Fig. 2 Distribution of sample points with Fe-Mn nodules

图3 研究区30年（1981—2010）平均土壤冻结天数（a）和春季土壤冻融交替天数（b）空间分布Fig. 3 Spatial distribution of the mean number of soil freezing days (a) and mean number of soil freezing and thawing alternation of days in spring (b) for 30 years from 1981 to 2010 in the study area

2.2 铁锰结核在土壤剖面中的垂直分布特征

本研究供试土壤中铁锰结核出现初始深度在0～15 cm、15～30 cm、30～45 cm、45～60 cm、60～75 cm、75～90 cm及90～105 cm的剖面分别为39个、10个、13个、1个、4个、3个和4个，分别占存在铁锰结核剖面总数的52.7%、13.5%、17.6%、1.4%、5.4%、4.1%和5.4%。

3 讨 论

3.1 铁锰结核形成环境

铁锰结核作为成土过程中氧化还原作用的产物，以往研究认为存在铁锰结核的土壤所处地形部位较低，常常为低洼地、河间地、沟谷地、河流两岸、湖泊周围以及坡麓等地下水水位较浅的地区，其形成主要原因是地下水水位升降造成频繁的氧化还原交替。而实地调查发现在我国北方温带湿润地区位于高平地、发育在第四纪黄土状物质的土壤中有大量铁锰结核存在，这可能与该地区气候特点密切相关。该地区在秋季气温较低、降水丰富、潜在蒸散量较低，土壤含水量较高，为土壤铁锰结核的形成提供了良好的水分条件。在深冬时节，土壤温度逐渐稳定在0℃以下时，随着土温从地表向下逐渐降低，冻层厚度和总含水率逐渐增加［26-27］，同时土体下部的水分受到水汽压和温度梯度的影响向上迁移，土壤中液态水和气态水向冻结层的下界面运移、聚积、凝结，即“冻后聚墒”现象［28］，形成了紧实的冻结层，因而该阶段土壤水分的蒸散量较低，土壤水分损耗较小。在翌年春季土壤冻融交替期，由于受到太阳辐射等因素的影响，造成土壤表层温度在0℃左右波动，从而引起水的相变，土壤表层出现昼融夜冻的冻融交替循环现象，该期间内土壤冻融交替主要发生在表层0～15 cm深度范围内，而深层土壤不会经历冻融交替，仍维持冻结状态［29］；由于我国北方温带湿润地区春季土壤冻融交替持续时间在两个月以上，土壤表层经历持续时间较长的冻融交替，有利于氧化还原反应交替进行，因而很多供试土壤剖面表层就有铁锰结核存在。在土壤融化期随着气温的回升，土体表层受太阳辐射作用增强，地表融化逐渐加深，同时土体下部受到地热作用的影响，冻层从上、下部逐渐向中间融化。由于冻土层具有明显的减渗作用［30］，在土体没有化透之前，冻土层便成为减缓融化层水分下渗的滞水层，导致融化层与冻土层之间的界面处于饱和土壤水分状况，暂时形成了渍水的还原环境，促进了铁锰氧化物的还原和移动［31］。东北地区早春表层土壤普遍存在的“返浆现象”与此有关。随着冻结层逐渐融化，土体内滞水层消失，土壤渗透性增强，上部土层因水分含量降低而转变为氧化环境，还原态的Fe2+和Mn2+被氧化而淀积下来。同时，随着温度的回升，土体内微生物活性和化学反应速率均逐渐增大［32］，有利于铁锰氧化物的迁移、聚积以及铁锰结核的形成。可见春季土壤冻融交替对我国北方温带湿润地区位于高平地、发育在第四纪黄土状物质的土壤铁锰结核的形成和分布具有强烈影响。

在年均降水量小于350 mm的区域尚未发现有铁锰结核的剖面，在年均降水量小于400 mm的区域仅在两个剖面中发现铁锰结核。该区域主要位于内蒙古地区，主要气候类型是中温带干旱半干旱气候，气候干燥，降水量远小于蒸发量，并且干旱程度向西逐渐加剧［33］，所以位于高平地的土壤中水分含量常年处于较低水平，冬季土壤呈“干冻”状态，早春冻融交替时节土体内不能形成滞水层，上部土层很少处于渍水的还原状态，氧化还原交替次数较少，很难出现还原态的Fe2+和Mn2+迁移聚积［34-35］，不利于铁锰结核的形成。在年均气温11℃以上的北京市、天津市、河北省南部地区、山西省南部地区、山东省、河南省北部等地的第四纪黄土状物质发育土壤存在铁锰结核的土壤剖面比例很小，这主要是由于受到纬度等因素影响，气候温暖（属暖温带），冬季土壤结冻时间短，冻层深度浅，春季气温较高且气候干燥，冻融交替时间短暂，冻土层很快消失，不利于滞水层的形成，因而不利于氧化还原交替和铁锰结核的形成。在年均气温1℃以下的地区也尚未发现存在铁锰结核的剖面，这是由于该地区位于内蒙古自治区东北部和黑龙江省北部的大兴安岭、小兴安岭山区，成土母质主要是基岩风化的残积物、坡积物，而发育在第四纪黄土状物质的土壤分布很少［36-37］。

3.2 铁锰结核形成时间

该地区土壤表层存在大量铁锰结核，这可能主要为现代成土环境的产物。本研究供试土壤剖面均处于气候较为湿润且不受地下水位影响的高平地，并且调查土壤深度在1 m左右，假设土壤形成环境为现代气候条件，且不考虑土壤侵蚀和堆积作用对土壤发育的影响。该地区铁锰结核初始出现的深度集中在0～15 cm深度范围内，这是由于表层土壤温度受气温影响较强，在白天土壤解冻而下层土壤仍维持冻结状态，在解冻层和冻结层接触面因土壤水分饱和而形成还原环境，在夜晚温度降低表层土壤冻结转化为氧化环境，频繁的昼融夜冻造成的氧化还原交替为铁锰结核的形成创造了必要条件［38］。此外，早春土壤解冻从表层开始，随气温升高逐渐加深，直至冻土层完全化通，因此，上层土壤，特别是表层土壤每年经历的冻融交替时间较长，土壤获得氧化还原交替的频数较多，更有利于铁锰结核的形成；相反，下层土壤每年经历的冻融交替时间相对较短，土壤获得氧化还原交替的频数较少，不利于铁锰结核的形成。此外，表层土壤铁锰结核较多，可能与土壤侵蚀有关。表层土壤易受侵蚀影响，特别是在起伏较大的地形部位，在土壤遭受侵蚀过程中，细粒物质往往先被侵蚀迁移［39］，颗粒相对较大的铁锰结核在土壤中残留并在土壤表层呈现出富集现象。

不排除一些地区的土壤铁锰结核是过去环境条件的产物（古土壤）。在一些深厚黄土剖面中发现大量土壤铁锰结核，这与黄土逐渐沉积加厚、沉积与成土作用同时进行的这一特点有关［40-41］。新沉积的黄土处于地表，土壤经历着频繁的冻融交替变化，土体内氧化还原交替作用有利于铁锰结核的形成。随着黄土沉积厚度逐渐增大，土壤冻结层逐渐上移，当黄土沉积厚度超过当地冻层深度时，下层土壤便脱离冻融交替的影响，因而也不利于铁锰结核的形成。由于铁锰结核的形成过程是不可逆的，底层土壤原来已形成的铁锰结核（可视为古土壤）仍残留在土体内，因而在深厚土壤剖面的不同层次均有数量不等的铁锰结核分布。

3.3 铁锰结核地理分布

土壤分布可以分为地带性土壤和非地带性土壤［42］。地带性土壤是指土壤形成过程主要受生物、气候等地带性因素制约而呈现带状分布的土壤，主要分布于高平地以及低山丘陵地区；非地带性土壤是指土壤形成过程中母质、地形、地下水等地方性性成土因素起主要作用的土壤［43］。传统土壤学对于土壤铁锰结核形成环境及地理分布的研究多集中于非地带性土壤中［44-45］，并认为其形成主要原因是地下水位升降引起的氧化还原电位频繁变化，主要出现在低平原、洼地、河流两岸、湖泊周围或山谷、缓坡坡麓等地区，与地形部位等地方性因子有关，而与气候等地带性因素无关，因此把存在铁锰结核的土壤归类为非地带性土壤，并且通常把土壤是否具有铁锰结核作为标志特征来判定微域成土环境。然而本研究在我国温带地区位于高平地的地带性土壤中发现有大量铁锰结核的存在，并且呈现出地带性分布规律。由此可见，铁锰结核的形成不仅仅受微域地形条件的影响，也可以广泛分布在冷凉湿润的温带地区地下水位较深的高平地，同样具有地带性土壤分布特征。这一结果改变了人们对于土壤类型地理分布的传统认识，丰富了土壤地理学理论。

4 结 论

我国北方位于高平地、发育在第四纪黄土状物质土壤中铁锰结核具有明显地带性分布规律，主要分布年均气温1～9℃，年均降水量400～800 mm，春季土壤冻融交替天数50～70 d的我国东北温带湿润地区，呈现出“东多西少、北多南少”的地理分布特点。该地区供试土壤中超过1/2的存在铁锰结核剖面在表层土壤0～15 cm内有铁锰结核出现，这与我国北方温带湿润地区春季土壤表层冻融交替频繁且持续时间较长有密切关系。研究结果表明该地区土壤铁锰结核形成与分布受到该地区降水量丰富、冬季漫长且春季土壤冻融交替持续时间较长等气候环境因素的强烈影响。

致 谢 本研究得到科技部国家科技基础性工作专项“我国土系调查与《中国土系志》编制”（2008FY110600、2014FY110200）项目组的帮助，在此表示感谢。