嘉陵江上游黄土成土特征及其对土地利用的响应

文敏　苟明忠　葛璐月　周如玉　文星跃

摘 要：为揭示嘉陵江上游不同土地利用下黄土成土特征的差异性，选取旱地、果园、草地、灌木林、乔木林5种土地利用下黄土发育的土壤为研究对象，分析了土壤pH值、有机质、碳酸钙、磁化率、频率磁化率、粒度、元素地球化学特征等成土指标。结果表明：嘉陵江上游黄土呈碱性，颗粒组成以粉砂为主，颗粒分选性较差；不同土地利用间土壤碳酸钙、磁化率、粘粒和粉砂含量差异显著；元素含量在各剖面发生层之间变化不明显，基本继承母质特征；地球化学参数显示黄土处于低等化学风化阶段，土壤发育程度较弱，果园和旱地的风化作用比草地和乔木林强，人类活动在一定程度上促进了土壤成土过程。本研究以期为进一步理解土地利用与土壤发育之间的关系提供帮助。

关键词：黄土；成土特征；土地利用；嘉陵江上游

中图分类号：K903 文献标志码：A 文章编号：1673-5072（2023）04-0373-10

黄土属于风成沉积物，分布广泛，所蕴含的古气候信息丰富，是第四纪气候变化研究的重要材料［1-2］。前人已运用粒度、碳酸钙、磁化率、元素地球化学、孢粉、碳同位素等指标，从多方面对黄土进行了研究，且取得了大量成果，但研究多侧重于黄土的成因［3］、年代［4］、物源［5］、风化成壤强度［6］及古环境方面［7］，较少研究现代环境及人类活动对过去沉积地层的影响。风成黄土的成土过程有别于传统土壤发生过程，其沉积过程与成土过程同步进行，粉尘物质不断沉积，并受制于气候的旋回变化［8］，所以黄土沉积地层的一些理化特征可能会受现代气候环境和人类活动等因素的影响而发生变化。

土壤是在物理、化学、生物作用下由基岩风化产物、各种松散沉积物发育形成的近地表自然介质［9］。在早期，人类对土壤的改造大多是无意的，但随着农业发展，土壤资源的利用强度不断提高，人类可通过耕作、施肥等的直接方式或砍伐森林改变植被、平整土地改变地形等间接的方式干扰土壤［10］。土地利用就属于直接作用于土壤的人类活动，土地利用的差异会引起一系列土壤理化性状和生态过程产生差异［11］，造成土壤结构［12］、质量［13］、理化性质［14］等的变化，土地利用变化引起的土壤管理措施及耕作制度的变化会影响甚至改变土壤的整个成土过程［15］，但在过去的研究中，人们未重视人类活动对土壤形成演化的影响，且关于土地利用的研究主要集中于土壤表层，对土壤剖面变化及对土壤成土过程的影响研究较少。嘉陵江流域地区自然资源丰富，地质灾害频繁，加上过度开发，导致水土流失严重［16］。本文选取嘉陵江上游和邻区汉江上游的黄土发育土壤为研究对象，探讨该区域现代气候环境下不同土地利用方式黄土的剖面成土特征，为深入理解土地利用与土壤发育之间的关系以及合理利用该区域土壤资源提供基本参考，促进该区生态环境改善。

1 材料与方法

1.1 样品采集

研究样地位于嘉陵江上游的凤县、徽县及汉江上游的洋县（图1）。嘉陵江上游地区属于暖温带与亚热带的过度地带，年降水量约500～700mm。嘉陵江上游的秦岭腹地、河谷阶地及支流白龙江、西汉水沿岸的阶地上分布了大量的黄土沉积物。凤县位于陕西省宝鸡市，地处秦岭腹地，嘉陵江源头，海拔约900～2 700 mm，年均降水约600 mm，年均气温10～12 ℃，属于半湿润山地气候。徽县位于甘肃省东南部，地处嘉陵江上游的徽成盆地，平均海拔约1 400 m，年均降水量697.8 mm，年均气温12.1℃，日照资源丰富，属于暖温带气候。汉江上游地区穿行于秦岭、大巴山之间，区内盆地广泛发育Ⅰ～Ⅳ级河流阶地，黄土堆积广泛。洋县位于汉中盆地陕南秦巴山区，年均气温14.5 ℃，年均降水量839.7 mm，屬北亚热带内陆性季风气候。汉江上游是嘉陵江上游的邻近区域，因为与研究区较近，也穿行于秦岭，气候条件相似，故选择洋县的样品作为补充数据。

研究所选剖面的土地利用方式保持30年以上的稳定，共选取6个黄土剖面和1个表层土壤（图2），采集土样25个（表1）。

1.2 实验方法

土壤颜色用门塞尔比色卡对样品在干态状况下进行比色［17］；pH值采用酸度计测定（水土比为2.5∶1）；有机质测定采用水合热重铬酸钾-分光光度计比色法；粒度采用激光粒度仪测定［18］；磁化率和频率磁化率采用MS2型双频磁化率仪测定［19］；碳酸钙含量测定方法为气量法［20］；地球化学元素用X-Ray荧光光谱仪（荷兰Panalytical公司）测试柜测试，实验中加入标准样品GSS-1（暗棕壤）进行质量控制，分析误差小于5%［21］。

1.3 化学风化参数计算方法

化学蚀变指数（CIA）是衡量土壤化学风化强度的指标，其值越大，指示土壤受风化淋溶越强［22］；风化淋溶系数（ba）反映硅酸盐岩的化学风化强度与盐基的淋溶状况，其值越小，代表矿物风化强度越高［23］；残积系数（Ki）反映稳定性元素Fe、Mg的富集或残积程度，其值越大，代表风化成壤越强［24］。Rb/Sr和Ba/Sr与黄土成壤强度密切相关，其值与风化强度成正比［22］。参数计算公式为：CIA=［Al2O3/（Al2O3+CaO*+Na2O+K2O）］×100，ba=（K2O+Na2O+CaO）/Al2O3，Ki=（Al2O3+Fe2O3）/（CaO+MgO+Na2O），各化学参数均为氧化物的摩尔值，CaO*为硅酸盐矿物中的CaO摩尔值。

1.4 数据处理

用Excel软件进行数据整理，通过SPSS软件的单因素方差分析检验不同土地利用类型在各土壤理化指标上的差异，用LSD和Tamhane法进行多重比较；作图使用ArcGIS 10、Origin 2019软件。

2 结果分析

2.1 土壤pH特征

土壤样品pH值范围为7.68～10.26，平均8.75，土壤呈碱性（表2）。各剖面上下层间pH值的变化没有明显的规律（图3）。在不同土地利用类型中，旱地pH值显著高于草地（P<0.05），其余地类间差异均不显著（P>0.05），各地类土壤剖面的变异系数在0.04～0.08，为弱变异（表2）。总体上看，土壤样品pH值对土地利用没有明显的响应。

2.2 有机质特征

土壤样品有机质含量范围在0.65%～7.47%，平均含量为1.62%（表2）。各剖面最高的有机质含量均在A层，表聚现象明显（图3）。不同土地利用间的土壤有机质含量均值表现为灌木林>果园>旱地>草地>乔木林，差异不显著（P>0.05）（表2）。

2.3 碳酸钙特征

碳酸钙是黄土沉积物的主要特征，土壤碳酸钙的淀积过程是土壤形成发育的主要过程之一，不同的土地利用方式会影响土壤碳酸钙的淋溶淀积情况［16，25］。土壤样品碳酸钙含量介于0.04%～22.25%，平均值为10.45%（表2）。旱地和草地的碳酸钙在A层和B层土壤中的含量都低于C层（图3），应该是受自然环境下的淋溶淀积作用所致。不同土地利用的土壤碳酸钙含量均值表现为乔木林>草地>旱地>果园>灌木林，除果园外，不同土地利用间土壤碳酸钙含量差异极显著（P<0.01）（表2）。

2.4 磁化率和频率磁化率特征

土壤样品磁化率值介于19.74×10-8 ～118.91×10-8 m3·kg-1，平均为74.38×10-8 m3·kg-1（表2）。旱地FX04、灌木林YX03和草地FX03剖面磁化率在A层和B层土壤中的含量高于C层，即随着土壤深度的增加，磁化率呈下降的趋势（图3）。除果园外，不同土地利用剖面间磁化率存在极显著差异（P<0.01）（表2）。

频率磁化率除果园（4.82%）最低外，其余剖面频率磁化率均值介于7.03%～9.28%（表2）。除草地和乔木林外，其余剖面频率磁化率值在A层和B层的含量低于C层（图3）。不同土地利用剖面间土壤频率磁化率值差异不显著（P>0.05）（表2）。

2.5 粒度特征

土壤样品颗粒组成以粉砂（2～63 μm）为主，其含量介于66.87%～90.70%，平均为84.22%；其次砂粒（>63 μm）含量范围在2.65%～24.37%，平均为8.02%；粘粒（<2 μm）含量在5.40%～16.03%，平均7.76%（表2）。不同土地利用方式下，除果园外，其余土地利用间粘粒和粉砂含量表现出极显著（P<0.01）或显著（P＜0.05）的差异性，砂粒含量差异不显著（P>0.05）（表2）。粘粒含量均值表现为灌木林>草地>旱地>果园>乔木林；粉砂含量均值表现为果园和灌木林较低，其余地类粉砂含量在剖面上下层间变化不明显（图3）；砂粒含量均值表现为果园、灌木林较高，旱地和草地较少，除灌木林和果园外，其余剖面砂粒在A层和B层土壤中的含量均高于C层，可能是由于土壤中细颗粒物质随壤中流向下迁移淀积导致［26］；粘粉比在各土地利用间的变化趋势与粘粒相同（图3）。

平均粒径（φ值）可反映沉积物粒度分布状态，其值越大，代表细颗粒组分越多；标准偏差与外力分选作用有关，其值越大，表示沉积物的分选性越差［27］。果园和乔木林土壤剖面的平均粒径相对较低，表明土壤中细组分含量少。各地类的标准偏差均在1以上（图3），土壤颗粒分选性较差，表明沉积时期受风力搬运较弱，其颗粒分选性主要受后期风化成土作用的影响［28］。

2.6 地球化学特征

2.6.1 常量元素

土壤样品常量元素以SiO2、Al2O3、CaO和Fe2O3为主，平均含量分别为52.72%、12.28%、6.78%和4.42%，其余元素含量大小依次为K2O>MgO>Na2O>TiO2>P2O5>MnO。相较上陆壳（UCC），所有样品表现为K2O、Na2O、CaO和MgO亏损，而富集MnO和TiO2，除果园外，其余剖面P2O5相较上陆壳也明显亏损（图4）。研究区土壤CaO和Na2O亏损严重，处于矿物风化早期去Ca、Na阶段。各土地利用剖面上下层间常量元素含量变化不明显，基本与母质层保持一致。灌木林C层表现出的Ca、Na和P元素的迁移淋失以及较高的粘粒含量推測该层很可能是古土壤层，古土壤形成时期气候温暖湿润，成壤作用较强，利于易迁移元素的淋失以及细颗粒的形成［29］。果园和旱地P2O5含量较其他剖面高，说明土壤P元素含量易受农业活动的影响，如过量施用磷肥导致土壤中磷大量积累。

2.6.2 微量元素

土壤微量元素的含量和迁移分布不仅受成土母质、成土过程、土壤类型等影响，同时也受人类活动影响［31-32］。整体上看，相较上陆壳（UCC），各土地利用剖面微量元素Sr、Ba和Rb相对亏损，Sr亏损最严重，而Ni、Cr、V明显富集（图5），这是土壤受化学风化作用的结果。Sr、Zn、Cu元素在剖面上下层间的变化波动较大，其余元素基本与母质层保持一致，说明研究区土壤微量元素受后期环境影响不明显，继承了母质特征。旱地FX04剖面Sr元素在母质层富集，灌木林HX02剖面Zn元素含量在A层土壤中异常富集。

2.6.3 化学风化强度

研究区样品CIA值介于57.71～71.04，平均62.54。在不同土地利用方式下，CIA均值依次为灌木林>旱地>草地>果园>乔木林，其中灌木林的CIA值大于65，属于中等化学风化强度，旱地、草地、果园、乔木林CIA值小于65，均属于低等化学风化强度。各剖面CIA值在表层最低，表明表层土壤受化学风化作用较弱。各土地利用剖面风化淋溶系数均值为乔木林>草地>旱地>果园>灌木林；残积系数均值为灌木林>果园>旱地>草地=乔木林；Rb/Sr和Ba/Sr均为灌木林>果园>旱地>乔木林>草地（表3）。

4 讨 论

本研究结果表明，嘉陵江上游黄土发育土壤呈碱性。土壤pH值与成土母质的性质及成土过程密切相关［33］，研究区不同土地利用间的pH值差别不明显，其原因可能与相同的成土母质有关［34］。土壤颗粒组成以粉砂为主，颗粒分选性较差，土壤沉积时期受风力搬运较弱。土壤样品常量元素组成特征与长江中下游的下蜀黄土［6］及黄土高原第四纪风成黄土［35］很相似，具有风成沉积物特征，且各剖面土壤上下层间的常量和微量元素含量变化不明显，表明研究区土壤元素对母质层有良好的继承性，受现代气候环境影响较弱。CIA值、风化淋溶系数、残积系数、Rb/Sr和Ba/Sr等地球化学参数均与土壤风化成壤强度相关，结果表明嘉陵江上游黄土发育土壤整体上处于低等化学风化阶段，土壤的发育程度较弱。

不同土地利用方式由于其施肥、管理模式［14］、植被覆盖［36］等的不同而对有机质的含量和分布产生一定的影响。本研究中有机质含量对土地利用变化响应不敏感。果园、旱地的有机质平均含量低于灌木林，可能是人类的施肥和田间管理等抚育活动对土壤的频繁扰动改变了土壤的温度、孔隙状况等，使得有机质矿化速度加快而不利于其积累［34］。灌木林的表層有机质含量比草地和乔木林高，可能是由于不同土地利用表层土壤的枯枝落叶、植被的根系密度以及微生物的活动程度等不同导致［37］。

碳酸钙是黄土沉积物的主要特征，本研究中不同土地利用间土壤碳酸钙含量差异显著。通常，受人类干扰作用较小的林地和草地等由于有机质周转较慢、矿物风化较弱，自身含钙矿物释放的钙离子和从外界获得的钙离子含量都较少，导致碳酸钙含量较低［25］，但本研究中乔木林土壤碳酸钙含量最高，可能是由于其位置处于山坡顶部，降水流失量较少、入渗量较大，使得碳酸钙淀积作用较强。除灌木林、乔木林外，其余剖面A层和B层碳酸钙含量都低于C层，可能是受自然环境下的淋溶淀积作用导致。

土壤磁化率取决于土壤中磁性矿物的种类、含量及颗粒大小，土壤的风化成土作用可增强土壤磁化率［38-39］。果园表现出磁化率值最高、频率磁化率值最低的原因可能与果园在培育管理中从外界输入较多的粗磁性矿物有关［40］。灌木林的低磁化率值和高频率磁化率值可能与其较高的有机质含量有关，前人研究表明，有机质会促进微生物发生矿化作用，在细胞外生物诱导和细胞内生物有机矿化下，通过Fe3+的还原可生物合成超顺磁（SP）或单畴（SD）磁铁矿，使土壤的频率磁化率增加［41-42］。磁化率随土壤深度增加而富集，可能是由于碳酸盐等抗磁性矿物在深层土壤的富集作用导致［43］。果园和旱地表层土壤中的磁化率值较高是受人类耕作灌溉等活动的影响。

不同土地利用方式对土壤颗粒组成影响较大，本研究中各剖面间粘粒和粉砂含量差异显著，砂粒含量差异不明显。灌木林和草地的粘粒含量较高可能是因为植被覆盖度高而降低了降雨侵蚀力，且大量凋落物使得土壤腐殖质积累，有利于土壤细颗粒的形成［44-45］。乔木林粘粒含量最少、粉砂含量最高可能是由于其较好的植被群落结构和复杂的根系系统对土壤的穿插和缠结加速了土壤结构体的形成［46］，另外乔木林A层土壤砂粒含量异常高，可能与其位于山坡顶部，表层细颗粒易被冲刷流失有关。旱地和果园剖面粘粒含量较低，可能是受人类施肥、灌溉作用的影响，降低了土壤抗蚀性，导致细颗粒易流失，而且果园由于受人类频繁踩踏，土体不断被压实，增强了颗粒的团聚性，导致其砂粒含量较高。

土壤微量元素中Sr元素化学性质比较活泼，易溶于水，其主要载体是碳酸盐，受碳酸盐流失控制［47-48］。旱地FX04剖面Sr元素在母质层富集原因可能与该剖面母质层有较高碳酸盐含量有关。灌木林HX02剖面Zn元素含量在A层土壤中异常富集可能与该层异常高的有机质含量有关，有研究报道土壤中有效Zn与有机质含量具有高度的正相关关系，而土壤微量元素有效态含量主要取决于其全量含量［49］。

地球化学参数均显示灌木林所受化学风化作用最强，其次为果园和旱地，乔木林所受的风化成壤作用最弱，这与粒度、碳酸钙反映的成壤特征一致。除灌木林外，旱地和果园表现出的风化成壤强度比自然条件下的草地和乔木林较高，说明人类活动对土壤的形成演化会产生一定影响，在一定程度上可加快土壤的成土进程。而灌木林与草地和乔木林之间成土特征的差异说明在自然条件下植被覆盖的差异也会对土壤的成土过程产生影响。

综上，嘉陵江上游黄土整体上处于低等化学风化阶段，土壤的成壤强度较弱；果园和旱地的风化成壤作用较草地和乔木林强，人类活动在一定程度上影响了土壤的形成演变过程，在今后的农业管理活动中，应该加强对土壤的保护，重视养分输入和输出平衡，改善土壤结构和性质。本研究存在的不足是土壤样品数不够多，还不能完全代表整个嘉陵江上游黄土发育土壤的成土特征对不同土地利用方式的响应情况，在今后的研究中应当提高样品的代表性，以及在其他区域展开相关的类似研究。

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Pedogenic Characteristics of Loess in the Upper Reachesof Jialing River and Its Response to Land Use

WEN Mina，GOU Ming-zhonga，GE Lu-yuea，ZHOU Ru-yua，WEN Xing-yueb

（a.School of Geographical Sciences，b.College of Environmental Science and Engineering，China West Normal University，Nanchong Sichuan 637009，China）

Abstract：To investigate the pedogenic characteristics of loess under different land uses in the upper reaches of Jialing River，this study has selected soils developed from the loess as the research objects under five land uses，i.e.，dry land，orchard，grassland，shrub land and tree forest.Pedogenic indicators are analyzed，including pH，organic matter，magnetic susceptibility，frequency dependent susceptibility，calcium carbonate，particle size and the elemental geochemical characteristics.The results show that the soils are characterized by alkaline，dominant silt in particle composition，and poor particle sorting；significant differences are exhibited in soil calcium carbonate content，magnetic susceptibility，clay and silt content under different land uses；however，the change of element content between the soil genetic horizons of each soil profile shows no significant variation，basically inheriting the characteristics of parent material；the elemental geochemical characteristics show that the soils with weak pedogenesis are in a low chemical weathering stage，and the soil pedogenic intensity of orchard and dry land is more potent than that of grassland and tree forest，indicating that human activities can promote soil pedogenic progress to some extent.The study is expected to offer help for further understanding the relationship between land use and soil development.

Keywords：loess；pedogenic characteristics；land use；the upper reaches of Jialing River

收稿日期：2022-03-14 基金项目：国家自然科学基金项目（41671220）

作者簡介：文敏（1998—），女，硕士研究生，主要从事土壤地理研究。

通信作者：文星跃（1970—），男，博士，教授，硕士生导师，主要从事土壤地理与区域环境演变研究。

E-mail：wenxy@cwnu.edu.cn

引文格式：文敏，苟明忠，葛璐月，等.嘉陵江上游黄土成土特征及其对土地利用的响应［J］.西华师范大学学报（自然科学版），2023，44（4）：373-382.［WEN M，GOU M Z，GE L Y，et al.Pedogenic characteristics of loess in the upper reaches of JiaLing River and its response to land use［J］.Journal of China West Normal University （Natural Sciences），2023，44（4）：373-382.］