典型喀斯特流域水稻土发生特性及系统分类

徐祖亮, 陆晓辉

(贵州师范大学地理与环境科学学院/贵州省喀斯特山地生态环境国家重点实验室培育基地,贵州贵阳 550025)

土壤是人类赖以生存和发展的基础性物质,土壤分类是土壤研究者进行土壤信息交流的桥梁,同时也是土壤数字制图的前提和基础[1-2]。中国土壤分类可分为发生分类和系统分类,前者主要以定性的类型数据(如母土、水型等)作为土壤类型划分与鉴定的指标,后者主要以定量化的指标划分土壤类型。2种分类体系各具特色,因此,目前这2套分类体系在我国依旧共用存在[3-4]。

流域作为探究元素循环与物质迁移的基本单元,一直都是土壤研究者关注的焦点[5]。贵州省位于我国西南地区,其境内独特的地质地貌环境,形成了诸多喀斯特流域。喀斯特流域内的水稻土是成土母质在独特的地形地貌、气候及人类活动等多种因素的共同作用下,伴随着时间的推移而形成的具有一定剖面形态特征、内在属性和肥力特征的历史自然体,是各种成土因素的综合体现[6]。迄今为止,不少学者对贵州省内的土壤进行了分类研究,如宁婧对喀斯特石灰岩发育的土壤进行了土壤类型划分[7];章明奎等对梵净山的土壤进行了分类研究[8];杨柳等对贵州喀斯特草地条件下的石灰(岩)土进行了分类[9]等,以上及其他前人的相关研究主要以贵州省为大背景下的土壤高级分类单元归属为主,但以流域为研究尺度的土壤分类特别是喀斯特流域内水稻土的基层分类单元归属鲜见报道。基于此,本研究在贵州省典型喀斯特流域内选择7个典型的水稻土作为研究对象,试图以现有土壤分类标准和土壤分类成果,划分出高级分类单元和基层分类单元,以期对现有的土壤分类成果进行补充,并为第三次全国土壤普查提供相应的喀斯特土壤基础性参考结果,由此增强人们对喀斯特地区土壤的认识。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

后寨河流域位于贵州省安顺市普定县境内,地理位置为26°07′01″～26°18′52″N,105°35′58″～105°48′13″E,是我国南方典型的喀斯特流域,流域面积约为75 km2[10-11]。流域内地貌类型复杂多样,分布有典型的地上、地下喀斯特地貌,如峰林洼地、盆地、峰丛谷地、峰林台地以及漏斗与落水洞、溶洞等[12]。该流域属于温暖湿润的中亚热带季风气候区,年平均气温在15 ℃左右,年平均降水量约为1 200 mm[13-15]。主要植被类型有常绿阔叶林、针阔混交林以及高山灌丛等[11]。复杂的自然环境造就了流域内土壤类型的复杂性与多样性,其中水稻土是流域内一种极为重要的土壤资源。

1.2 研究方法

基于贵州省第二次土壤普查获取的水稻土土种典型剖面信息[12],结合研究区内地形地貌、土地利用及母质情况,选取7个具有代表性的水稻土为研究对象,相关成土环境见表1。

表1 供试土壤剖面成土环境

本研究中土壤理化性质及氧化铁、氧化锰含量等指标参照文献[16]的方法测定获得:土壤pH值采用(土液比1 ∶ 2.5)电位法测定;土壤有机质含量采用重铬酸钾-硫酸消化法测定;土壤颗粒组成采用比重计法测定;CEC7黏粒采用乙酸铵-EDTA(乙二胺四乙酸)交换法;土壤全铁、游离氧化铁含量均采用邻菲罗啉比色法于分光光度计上比色测定;全量锰、游离态氧化锰含量均采用高碘酸钾比色法于分光光度计上比色测定。土壤颜色采用孟塞尔标准土壤色卡比色获得。相关数据的统计整理与分析在软件Excel 2019和SPSS 25.0中完成。

2 结果与分析

2.1 土壤剖面形态特征及理化性质

2.1.1 土壤剖面主要形态特征 土壤形态集中反映了土壤的发生发育情况,是人们了解土壤发育的基础。土壤形态特征作为划分土壤发生层次的主要依据,是土壤研究者在野外进行土壤描述的主要内容。结合土壤理化性质、矿物学特征等,能帮助土壤研究者很好地认识土壤形成的过程,进而对土壤类型归属进行科学鉴定[5,17]。表2为7个供试土壤剖面的形态特征,从表中可知,供试土壤剖面表层的颜色(润态)色调主要为10YR、2.5Y,明度在 4～5之间,主要为4,彩度在1～4之间,主要为2。供试土壤剖面表下层的颜色(润态)色调主要为2.5Y、7.5YR,明度在3～6之间,主要为5,彩度在 1～8之间,主要为2和6。各供试土壤剖面的土体较厚,均≥100 cm;耕作层(Ap1)的厚度介于10～22 cm 之间,平均厚度约为16 cm。除剖面5外,其余剖面在表下层土壤中均出现一定量的锈斑、铁锰结核及胶膜新生体。在野外对土壤剖面进行观察发现,各供试土壤剖面土壤结构以块状为主,由于土壤表层受到人类活动的干扰程度较强,表层土壤相较于表下层更加疏松。

表2 供试土壤剖面形态特征

2.1.2 土壤主要理化性质 由表3可知,土壤剖面的理化性质随成土环境的不同而存在差异。结合对剖面的观察发现,土壤剖面中砾石含量较少(<5%)。对颗粒组成分析可知,各土壤剖面质地(美国制)以黏土类为主,黏粒含量介于366.000～711.936 g/kg之间,剖面黏化率较低,仅在0.712～1.649之间,粉黏比大部分土壤<1,介于0.228～1.137之间。土壤剖面中CEC7黏粒在16.68～52.282 cmol/kg 之间,其中除剖面1、3随深度加深呈先增加后减小的趋势外,其余剖面均随土壤深度加深呈减少趋势。供试土壤中有机质含量自剖面从上到下呈逐渐减少趋势,这可能与耕作时施肥和秸秆还田等人类活动干扰有关。土壤中pH值在5.40～8.09之间,平均值为7.38,土壤主要呈中性,并且大部分土壤pH值随剖面深度的加深呈增大趋势。

表3 供试土壤的理化性质

非人为干扰状态下,该流域内的耕作制度为一年一熟,一年中水稻土进行水稻—油菜或其他作物的轮作,因此流域内的水稻土处于干湿交替的过程中,此过程可引起土壤中氧化铁、氧化锰的活化并向下迁移、淀积。根据统计分析发现,大部分供试土壤淀积层的氧化铁、氧化锰含量明显高于表层。在土壤剖面中淀积层的氧化铁含量远高于氧化锰(表4)。但除剖面4、6外, 其余供试土壤淀积层锰游离度高于铁游离度,说明在土壤中,氧化锰比氧化铁更活跃。对剖面氧化铁、氧化锰的相关分析发现,全铁、游离铁、全锰、游离锰含量两两间均呈正相关关系,这说明土壤氧化铁与氧化锰含量存在着相似的分布情况,这与姚玉才等关于贵州省水耕人为土的氧化铁、氧化锰研究情况[18]相似。

表4 供试土壤剖面淀积层氧化铁、氧化锰含量情况

2.2 土壤诊断层、诊断特性及系统分类归属

2.2.1 土壤诊断层及诊断特性 以《中国土壤系统分类检索(第3版)》[19]中的土壤诊断层、诊断特性为依据,对7个土壤剖面的诊断层和诊断特性进行鉴定,结果见表5。所有供试土壤剖面均有水耕表层和水耕氧化还原层及水分状况均为人为滞水,且土壤温度状况均为热性。此外剖面4有漂白层发育。所有剖面都有铁质特性;剖面1、2、3、7有氧化还原特征;剖面1、3有潜育特征。

表5 供试土壤诊断层和诊断特性

2.2.2 土壤高级分类单元 根据表5并结合《中国土壤系统分类检索(第3版)》,对各供试剖面逐级检索, 确定了7个供试土壤剖面在中国土壤系统分类中的归属,检索结果见表6。7个供试剖面均有水耕表层和水耕氧化还原层,因此它们均属于人为土土纲,水耕人为土亚纲。所有供试土壤剖面中紧接水耕表层之下无灰色铁渗淋亚层,因此它们均不属于铁渗水耕人为土土类。7个供试剖面中仅有剖面3的土表向下至60 cm范围内的部分土层出现潜育特征,但该剖面再无其他诊断特征土层要求出现,因此检索出该剖面为潜育水耕人为土土类,普通潜育水耕人为土。剖面4、5的水耕氧化还原层的游离Fe2O3至少为表层的1.5倍,但仅剖面4土表向下至60 cm范围内有漂白层出现,剖面5无其他诊断特性,据此剖面4为铁聚水耕人为土土类,漂白铁聚水耕人为土亚类;剖面5为普通铁聚水耕人为土。剖面1土表下60～100 cm范围内出现潜育特征,无其他诊断特性,因此该剖面为底潜简育水耕人为土。剖面2、6、7无其他土类、亚类检索特性出现,因此该4个剖面为简育水耕人为土土类,普通简育水耕人为土亚类。

2.2.3 土壤基层分类单元划分 以中国土壤系统分类土族和土系划分标准[20]为依据,进行土族、土系划分。在土壤剖面控制层段内进行土壤颗粒级别大小、矿物学类型、石灰性和土壤酸碱性、土壤温度等级的检索。检索结果见表7:在控制层段内,所有供试剖面的岩石碎屑含量<25%,且剖面1、2、3、6、7 中细土黏粒含量在35%～60%之间,颗粒大小级别检索为黏质,而剖面4、5中细土黏粒含 量≥60%,颗粒级别为极黏质。矿物学类型:剖面1、2、3、5、7为混合型;剖面4黏粒中的伊利石含量为37.3%,剩余的为其他矿物,矿物学类型符合伊利石混合型;剖面6黏粒中的绿泥石含量为32.1%,剩余的为其他矿物,矿物学类型符合绿泥石混合型。根据表7所示控制层段厚度并结合表2、表3所示供试土壤剖面各发生层的厚度和pH值可知,所有剖面控制层段内土壤pH值均>5.5,因此所有剖面属于非酸性;土壤温度状况类型以陆晓辉等的研究结果为依据,50 cm深度土壤温度在15～22 ℃之间,均属于热性土[21-22]。

表7 供试土壤土族控制层段内鉴别特征

进行土族土系划分前,将与《中国土系志·贵州卷》[23]中已建立的土族土系进行对比,无重复者可考虑建立新的土族、土系。根据以上结果将7个剖面划分为6个土族,6个土系,划分结果见表8。其中, 剖面2、 7在控制层段内的鉴别特征与《中国土系志·贵州卷》中已有的土族、土系黏质混合型非酸性热性-普通简育水耕人为土、缠溪系一致,因此这2个剖面将沿用已有土族、土系的名称。其他供试剖面在《中国土系志·贵州卷》中无对应的土族、土系出现,因此可考虑建立新的土族、土系:剖面1为黏质混合型非酸性热性-底潜简育水耕人为土,姜角山系;剖面3为黏质混合型非酸性热性-普通潜育水耕人为土,陇角系;剖面4为极黏质伊利石混合型非酸性热性-漂白铁聚水耕人为土,田官系;剖面5为极黏质混合型非酸性热性-普通铁聚水耕人为土,小独坡系;剖面6为黏质绿泥石混合型非酸性热性-普通简育水耕人为土,草塘系。

表8 供试土壤系统分类基层分类单元归属及参比

3 讨论

3.1 喀斯特流域水稻土发生特性

土壤颜色是人们对土壤最直观的感觉之一,它是判断成土环境、反映土壤发育以及野外进行土壤层次划分的重要形态特征之一[24-25]。土壤有机质、氧化铁、氧化锰含量是土壤重要的致色物质[26-28]。致色物质影响土壤颜色色度特征参数,实质上是影响人们对土壤颜色的直观感觉。贵州省是全国唯一没有平原支撑的省份,通常情况下,水稻土位于地势较低平的坝子内[29],水稻土受人类活动强烈干扰,如耕种、施肥、秸秆还田等,且土壤常处于嫌气状态,这利于有机质的积累,使表层土壤有机质含量比表下层高。喀斯特地区地下水埋藏较深,难以利用,加上受耕作制度的影响,常为季节性灌溉,使土壤环境常处于干湿交替的状态,这加剧了土壤氧化还原过程,氧化铁、氧化锰向下淋溶迁移的过程中比较活跃,整体上土壤剖面的氧化铁、氧化锰表下层高于表层。经相关分析发现,供试土壤中的有机质与土壤颜色色度参数中明度、彩度、亮度、黄度和红度均呈显著性负相关关系;土壤氧化铁主要与土壤颜色的彩度、黄度和红度显著正相关,氧化锰主要与亮度值呈显著性负相关,与黄度呈显著性正相关关系。由此表层土壤相较于表下层有机质含量较高,氧化铁、氧化锰含量较低,土壤颜色较暗。水耕熟化是水稻土主要成土过程,由于频繁的干湿交替、耕作、施肥等使黏重的土壤逐渐由大块状转变为小块状,水耕时形成了微结构,使高度熟化的水稻土产生了耕性。由于土壤表层受到人类活动的干扰程度较强,表层土壤相较于表下层更加疏松。研究区水稻土主要由碳酸盐岩(石灰岩、白云岩和泥灰岩等)残坡积物发育而来,在其形成发育过程中有机质的钙凝作用、生物富钙作用和含有碳酸盐的地表水进入土体,土体中钙、镁离子丰富,这阻滞了盐基的淋失[30],由此形成土壤盐基饱和度较高,土壤多呈中性至微碱性特征。

3.2 喀斯特流域水稻土发生分类与系统分类参比

中国土壤系统分类以发生学为指导,因此系统分类和发生分类在土壤类型划分上存在一定的联系,但2种分类体系所考虑的分类依据存在差异,两者划分的土壤类型并非是简单的一对一关系。在发生分类土类划分中,将所有供试剖面划分为水稻土土类,但在系统分类土类划分中并非将所有供试剖面划分为同一土类。在发生分类体系下,剖面3、6为渗育型水稻土亚类,它们分别对应了系统分类中的普通潜育水耕人为土和普通简育水耕人为土亚类;剖面2、5、7为淹育型水稻土亚类,前两者均对应普通简育水耕人为土亚类,而剖面5对应系统分类亚类的普通铁聚水耕人为土;剖面1、4在发生分类体系下为潜育型水稻土和漂洗型水稻土亚类,而在系统分类中两者分别为底潜简育水耕人为土和漂白铁聚水耕人为土。

发生分类中的土属与土种分别与系统分类中的土族和土系相对应[31]。但发生分类中的土属与土种的划分依据主要为定性的类型量指标,如成土母质类型、熟化程度、土壤颜色、土壤质地等,且这些定性的指标会因为观测者的不同而产生些许差异。而系统分类中的土族与土系所划分的依据主要为定量化的指标,因此供试土壤剖面在发生分类土属、土种与系统分类土族、土系没有对应关系。剖面2、5、7为大土泥田土属,前两者为沙大土泥田土种,后者为胶大土泥田土种,而前两者在系统分类中为黏质混合型非酸性热性-普通简育水耕人为土土族,缠溪系土系,而剖面5为极黏质混合型非酸性热性-普通铁聚水耕人为土土族,小独坡系土系;剖面1在发生分类中为鸭屎泥田土属、土种,系统分类中为黏质混合型非酸性热性-底潜简育水耕人为土土族、姜角山系土系;剖面3发生分类土属、土种为大泥田,而系统分类土族、土系为黏质混合型非酸性热性-普通潜育水耕人为土、陇角系;剖面4为白胶泥田土属、中白胶泥田土种,而对应的土族、土系为极黏质伊利石混合型非酸性热性-漂白铁聚水耕人为土、田官系;剖面6为红沙泥田土属、红沙泥田土种,对应的土族、土系为黏质绿泥石混合型非酸性热性-普通潜简育水耕人为土、草塘系。

以类型量数据为分类依据的发生分类划分的土壤类型受划分者主观因素的影响容易产生混淆。相比较于发生分类,以定量化指标为分类依据的中国土壤系统分类可降低土壤分类过程中的混淆程度,能更准确地划分出相应的土壤类型。因此中国土壤系统分类相较于发生分类,前者更适合于当下土壤科学的发展,更能指导喀斯特地区土地资源的开发与利用。

4 结论

贵州安顺后寨河流域水稻土颜色(润态)色调主要为2.5Y,质地以黏土类为主,土体较厚。表层土壤有机质含量较表下层丰富;土壤多呈中性至微碱性特征;淀积层土壤氧化铁、氧化锰含量高于表层,土壤氧化铁含量高于氧化锰含量。

根据研究区土壤发生条件及发生特性,按照中国土壤系统分类要求,检索出底潜简育水耕人为、普通潜育水耕人为土、漂白铁聚水耕人为土、普通铁聚水耕人为土和普通简育水耕人为土5个亚类。根据土族土系划分标准及与现有成果对比划分出黏质混合型非酸性热性-普通简育水耕人为土、缠溪系,黏质混合型非酸性热性-底潜简育水耕人为土,姜角山系、黏质混合型非酸性热性-普通潜育水耕人为土,陇角系、极黏质伊利石混合型非酸性热性-漂白铁聚水耕人为土,田官系、极黏质混合型非酸性热性-普通铁聚水耕人为土,小独坡系、黏质绿泥石混合型非酸性热性-普通简育水耕人为土,草塘系。