珠江三角洲平原不同種植年限土壤鐵氧化物特征研究*

賈重建 盧 瑛熊 凡 崔啟超 劉紅宜 秦海龍 姜 坤 高玉潔

（華南農業(yè)大學資源環(huán)境學院，廣州 510642）

珠江三角洲平原不同種植年限土壤鐵氧化物特征研究*

賈重建 盧 瑛?熊 凡 崔啟超 劉紅宜 秦海龍 姜 坤 高玉潔

（華南農業(yè)大學資源環(huán)境學院，廣州 510642）

珠江三角洲平原具有上千年的圍墾歷史，其土壤發(fā)生演變過程深受人為作用影響，開展此區(qū)域不同種植年限土壤中鐵氧化物形態(tài)特征和分布規(guī)律的研究，能夠揭示人為耕種下土壤發(fā)生演變過程。以珠江三角洲平原不同種植年限的土壤剖面為對象，研究了濱海沉積物、河流沖積物和三角洲沉積物發(fā)育的土壤及黏粒中全鐵、游離鐵含量變化及其影響因素。結果表明：隨著種植年限的增加，河流沖積物、三角洲沉積物發(fā)育土壤中游離鐵（Fed）向土體下部淀積深度逐漸增加，黏粒中游離鐵（Fed（clay））含量在水耕氧化還原層中呈減小趨勢，而濱海沉積物發(fā)育的土壤Fed含量及淀積深度均有所減小。隨著種植年限的增加，濱海沉積物發(fā)育的土壤全鐵（Fet）和游離鐵（Fed）在黏粒中的富集程度呈增大趨勢，而河流沖積物、三角洲沉積物發(fā)育的土壤Fet和Fed富集程度逐漸減小。土壤Fed與Fet、黏粒游離鐵（Fed（clay））與黏粒全鐵（Fet（clay））均呈極顯著正相關；全鐵富集率（Fet（clay）/Fet）、游離鐵富集率（Fed（clay）/Fed）均與Fet（clay）、Fed（clay）、黏粒鐵游離度（Fed（clay）/ Fet（clay））呈極顯著正相關，與Fet、Fed、土壤鐵游離度（Fed/Fet）、黏粒含量呈極顯著負相關，且Fet（clay）/Fet與Fed（clay）/Fed呈極顯著正相關，表明土壤鐵氧化物在黏粒中的富集以Fed為主，且鐵氧化物的富集程度受土壤黏粒含量的影響。

鐵氧化物；淋溶淀積；種植年限；成土母質；珠江三角洲

鐵氧化物在土壤中廣泛存在，其活性高、地球化學敏感性強，環(huán)境條件稍有變化即可對鐵氧化物的形態(tài)和特性產生影響［1-2］，常作為成土過程和成土環(huán)境的指示物，被認為是土壤發(fā)生和發(fā)育的函數［3］，可以被用來評價土壤相對成土年齡［4-7］。因此，土壤鐵氧化物特性的研究一直是土壤發(fā)生學的重要研究領域之一［2，8-14］。

許多時間序列研究闡述了土壤中鐵氧化物一般會隨土壤年齡的增加呈現規(guī)律性的變化［15-16］。楊艷芳等［16］通過研究廣東省南部雷州半島第四紀以來不同時代噴發(fā)的玄武巖發(fā)育的土壤，發(fā)現游離鐵、鐵游離度與成土年齡有較好的正相關性。Lair等［17］研究發(fā)現多瑙河泛濫平原河流沖積物發(fā)育的土壤中鐵活化度隨成土年齡的增加而降低。有研究表明濱海沉積物發(fā)育的水稻土（水耕人為土）中游離鐵的分異程度隨植稻年限的延長而增強［15，18］；紫色砂頁巖、第四紀紅黏土和紅砂巖發(fā)育的水耕人為土中全鐵、游離鐵含量隨種稻年限的增加呈逐漸降低趨勢［19］。

珠江三角洲平原地處華南地區(qū)，具有1000多年的圍墾種植歷史，其土壤發(fā)生演變過程深受人為作用的影響［20］。有關珠江三角洲平原土壤磷形態(tài)特征研究已見報道［21］，但有關不同種植年限土壤及其黏粒中鐵氧化物變化特征鮮見報道。本文擬以不同種植年限的濱海沉積物、河流沖積物和三角洲沉積物發(fā)育的土壤為對象，分析土壤及黏粒中鐵氧化物含量及其影響因素，旨在揭示人為耕種下土壤發(fā)生演變規(guī)律，為土壤資源的可持續(xù)利用與管理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

珠江三角洲平原地區(qū)的圍墾歷史有比較可靠的資料記錄，根據《珠江三角洲堤圍水利與農業(yè)發(fā)展史》［22］、《廣東省中山市地名志》［23］、《廣州市地名志》［24］、《江門市地名志》［25］，并結合劉岳峰等［26］、張振江［27］、王彬等［28］、鄧芬［29］眾多相關研究結果，得到了大概的土壤耕作種植年限；然后選取由濱海沉積物、河流沖積物、三角洲沉積物發(fā)育的土壤樣點，挖掘剖面。采集各發(fā)生層土壤樣品，土壤經室內風干后，過2 mm、0.25 mm、0.15 mm尼龍篩密封儲存、備用。采樣點基本信息見表1。

表1 土壤采樣點基本信息Table 1 Basic information of the soil sampling sites

1.2 樣品分析

土壤黏粒提?。焊鶕购V克斯定律采用沉降虹吸分離法；土壤顆粒組成采用吸管法測定；土壤pH采用電位法（水土比2.5∶1）測定；土壤有機碳（SOC）采用重鉻酸鉀-濃硫酸—外加熱法測定；土壤全磷采用碳酸鋰-硼酸熔融—鉬銻抗比色法測定；土壤全鐵（Fet）及黏粒全鐵（Fet（clay））采用碳酸鋰-硼酸熔融—鄰菲羅啉比色法測定；游離鐵（Fed）及黏粒游離鐵（Fed（clay））采用連二亞硫酸鈉-檸檬酸鈉-碳酸氫鈉浸提—鄰菲羅啉比色法測定［30］。供試土壤基本理化性質見表2。

1.3 數據處理與分析

采用Microsoft Excel 和SPSS 20.0 軟件進行相關的圖表處理及統(tǒng)計分析。

2 結 果

2.1 不同種植年限土壤中鐵氧化物特征

從不同種植年限土壤剖面的Fed含量（圖1）可以看出，濱海沉積物土壤30 a和100 a剖面中的Fed含量遠高于600 a和1 000 a剖面中的Fed含量；河流沖積物土壤隨著種植年限的增加，在30 cm，即亞表層以下Fed含量呈減少趨勢；三角洲沉積物發(fā)育的土壤隨著種植年限的增加（50 a除外），剖面中Fed含量呈升高趨勢，以上結果表明，隨著種植年限的增加，濱海沉積物、河流沖積物發(fā)育土壤中鐵氧化物有遷移出土體的趨勢，而三角洲沉積物發(fā)育土壤中氧化鐵有富集的趨勢。

從圖2中可以看出，3種成土母質土壤鐵游離度（Fed/Fet）在剖面內的分布與Fed的變化趨勢基本一致。濱海沉積物發(fā)育的土壤剖面30 a和100 a的Fed/Fet高于種植年限達600 a和1 000 a時的Fed/Fet，且在30 cm深度以下，即在水耕氧化還原層隨著種植年限的增加呈減小趨勢；河流沖積物、三角洲沉積物發(fā)育土壤Fed/Fet隨著種植年限的增加，其在剖面內的分布無明顯變化規(guī)律。

表2 供試土壤基本理化性質Table 2 Basic properties of the studied soils

圖1 不同種植年限土壤剖面中游離鐵含量Fig. 1 Distribution of Fedin soil profiles different in cultivation age

圖2 不同種植年限土壤剖面中的鐵游離度Fig. 2 Distribution of Fed/Fetin soil profiles different in cultivation age

圖3 不同種植年限土壤剖面游離鐵的淀積系數Fig. 3 The illuvial coefficient of Fedin soil profiles different in cultivation age

陳留美和張甘霖［15］通過氧化還原層中最大Fed的淀積量與表層Fed的比值來指示剖面中Fed的分異程度。本研究中，將土壤剖面耕作表層以下發(fā)生層Fed含量與耕作表層Fed含量的比值稱之為淀積系數，淀積系數＞1則表明Fed在該發(fā)生層中有淀積現象，淀積系數的大小即分異程度的強弱。不同種植年限土壤Fed的淀積系數見圖3，濱海沉積物發(fā)育的土壤，種植年限為30 a時剖面中Fed淀積系數均在1以上，種植年限為100 a和600 a時，部分發(fā)生層淀積系數＞1，種植年限為1 000 a時，剖面各層次淀積系數均小于1，表明隨著種植年限的增加，Fed淀積程度減弱，淀積深度減小；河流沖積物土壤剖面中，Fed存在淀積現象的發(fā)生層深度隨種植年限的增加呈增大趨勢（1 000 a除外）；三角洲沉積物發(fā)育的土壤剖面，當種植年限為50 a、90 a、150 a和350 a時，Fed深度分別為40 cm、45 cm、80 cm和90 cm，表明隨著種植年限的增加，三角洲沉積物發(fā)育的土壤剖面游離鐵淀積深度逐漸增加。

2.2 不同種植年限土壤黏粒中鐵氧化物特征

3種成土母質發(fā)育的土壤Fed（clay）含量在剖面中的分布隨種植年限的變化見圖4，濱海沉積物發(fā)育的土壤中Fed（clay）在剖面中的分布，隨著種植年限的增加無明顯的變化規(guī)律；河流沖積物、三角洲沉積物發(fā)育的土壤中Fed（clay）含量分別在40 cm和60cm深度以下隨著種植年限的增加而減少。

由圖5可知，濱海沉積物發(fā)育的土壤中黏粒鐵游離度（Fed（clay）/Fet（clay））隨著種植年限的增加無明顯的變化規(guī)律；而河流沖積物、三角洲沉積物發(fā)育的土壤Fed（clay）/Fet（clay）分別在40 cm深度和60cm深度以下隨著種植年限的增加而減小。這與Fed（clay）在剖面內的變化趨勢基本一致（圖4）。

圖4 不同種植年限土壤剖面中黏粒游離鐵含量Fig. 4 Distribution of Fed（clay）in soil profiles different in cultivation age

圖5 不同種植年限土壤剖面中的黏粒鐵游離度Fig. 5 Distribution of Fed（clay）/Fet（clay）in soil profiles different in cultivation age

2.3 土壤鐵氧化物在黏粒中的富集程度

在土壤形成過程中，鐵氧化物會向較細的粒級富集。用黏粒和土壤中鐵氧化物含量的比值可表示鐵富集率，指示鐵的富集程度［2］。Fet和Fed向黏粒的富集程度見圖6，大部分黏粒Fet（clay）、Fed（clay）含量分別高于相應的土壤中Fet、Fed的含量，這表明土壤中鐵氧化物有向黏粒富集的趨勢。濱海沉積物發(fā)育的土壤30 a和100 a的剖面中Fet、Fed的富集程度弱于600 a和1 000 a的土壤；河流沖積物發(fā)育土壤在深度40 cm以下土層中Fet、Fed的富集程度隨著種植年限的增長呈增加趨勢；三角洲沉積物發(fā)育的土壤種植年限為350 a 剖面中Fet、Fed的富集程度弱于種植年限較短的土壤。這表明隨著種植年限的增長，濱海沉積物發(fā)育的土壤鐵氧化物在黏粒中的富集程度增大，而河流沖積物、三角洲沉積物發(fā)育的土壤鐵氧化物在黏粒中的富集程度呈減小趨勢。Fet和Fed的富集程度在剖面內呈相似的變化特征，但Fed的富集程度強于土壤Fet，這表明鐵氧化物的富集以Fed為主。

圖6 不同種植年限土壤剖面全鐵和游離鐵在黏粒中的富集程度Fig. 6 Fetand Fedenrichment ratios in clay in soil profiles different in cultivation age

2.4 土壤鐵氧化物的相關性

Pearson相關性分析結果顯示（表3），Fed與Fet、Fed（clay）與Fet（clay）均呈極顯著正相關，Fet（clay）、Fed（clay）與黏粒均呈極顯著負相關；Fet（clay）/Fet、Fed（clay）/Fed均與Fet（clay）、Fed（clay）、黏粒鐵游離度呈極顯著正相關，與Fet、Fed、鐵游離度、黏粒含量呈極顯著負相關，且Fet（clay）/Fet與Fed（clay）/Fed呈極顯著正相關。表明，土壤鐵氧化物在黏粒中的富集主要由游離鐵的富集引起的，且鐵氧化物的富集程度受土壤中黏粒含量的影響。

3 討 論

珠江三角洲平原包括濱海、三角洲和河流沖積平原區(qū)，濱海沉積物發(fā)育的土壤，呈帶狀分布于淺海灣島嶼周圍、臺山、深圳的濱海平原，土壤是由水下平原經所謂魚游—櫓逼—鶴立—草步等階段，漸漸露出水面之后進而發(fā)育為草坦和林坦而逐步發(fā)育形成的；河流沖積物發(fā)育的土壤廣泛分布于珠江三角洲頂部的東江、北江、西江等下游沖積平原，由河流懸運的泥沙沉積形成；而三角洲沉積物發(fā)育土壤受河、海相共同作用［20］。三種成土母質具有明顯的差異，所發(fā)育的土壤剖面內鐵氧化物隨耕作種植年限的增加呈現出有差異的變化特征。隨著種植年限的增加，濱海沉積物、河流沖積物發(fā)育的土壤中游離鐵氧化物含量均有所減少，這可能是由于隨著耕作種植年限的延長和珠江三角洲的發(fā)展，通過自然淹水向土壤輸入的物質在減少，進入土壤中的鐵氧化物不足以彌補其損失［7］。 三角洲沉積物發(fā)育的土壤中游離鐵含量則有升高的趨勢，說明其輸入多于輸出。土壤游離鐵與鐵游離度、黏粒游離鐵與黏粒鐵游離度在剖面中的分布特征均呈相似的變化趨勢，這是由于游離鐵在剖面中的遷移轉化主要受外部人為水耕成土因素的影響，而水耕人為土發(fā)育過程中硅酸鹽鐵是相對穩(wěn)定的，這也可以說明游離鐵能夠影響全鐵含量的分布特征，與韓光中等［19］的研究相一致。游離鐵與全鐵、黏粒游離鐵與黏粒全鐵均呈極顯著正相關（表3），也證明了這一點。

表3 土壤鐵氧化物與土壤基本理化性質的相關性Table 3 Pearson correlation coefficients between iron oxides and basic physicochemical properties of the soils（n=62）

在水耕人為土形成和發(fā)展過程中，由于鐵氧化物的活性較強，易受土壤水分狀況的影響，長期處于漬水或季節(jié)性漬水環(huán)境，鐵氧化物發(fā)生周期性還原淋溶和氧化淀積作用，從而在不同土層中發(fā)生了垂直方向遷移或在同一土層內部發(fā)生了局部移動，使鐵氧化物在某一土層或某些部位出現不同程度的淋溶和淀積［2，31］。本研究中，隨著種植年限的增加，河流沖積物、三角洲沉積物土壤中游離鐵淀積深度隨著種植年限的增加而增加，但是濱海沉積物發(fā)育的土壤游離鐵在剖面內的淀積深度反而減小。陳留美和張甘霖［15］研究發(fā)現濱海沉積物發(fā)育的水稻土隨著植稻年齡的增加，游離鐵在剖面內的最大淀積量和淀積深度逐漸增加，這與本文中濱海沉積物發(fā)育的土壤研究結果不一致，而河流沖積物、三角洲沉積物發(fā)育的土壤游離鐵隨種植年限的變化與Zhang和Gong［7］的研究結果相近，但規(guī)律性較弱。這可能是由于珠江三角洲地區(qū)人稠地少，人為活動極其頻繁，尤其20世紀80年代以來，土壤復種指數越來越高，人為作用對土壤的影響更加強烈，利用方式的改變（如水田改菜地、種甘蔗等）影響土壤的水分、養(yǎng)分管理和土壤物質循環(huán)和遷移［31］，使得一些時間序列上的發(fā)生特性變化規(guī)律被弱化。3種成土母質發(fā)育的土壤鐵氧化物隨種植年限的變化呈現有差異性的規(guī)律，可能是地表灌水和季節(jié)性地下水的影響不一，導致土壤鐵氧化物淋溶淀積變化趨勢不同。

一般認為在成土過程中鐵氧化物會向較細的粒級富集［2］，這可能是在濕潤或淹水的條件下，由于還原狀態(tài)的出現，使與黏粒結合的鐵氧化物還原成可溶態(tài)，并引起黏粒的分散，形成黏粒懸液，從而隨滲漏水遷移，卻沒有經歷干燥時的重新凝聚［32］，最終可能遷出土體。鐵氧化物向黏粒富集的程度能夠說明鐵氧化物在土壤剖面中活動的強度。本研究中，鐵氧化物在土壤黏粒中大多數是富集的，但是富集程度稍有差異。黏粒全鐵、黏粒游離鐵與黏粒均呈極顯著負相關（表3），說明在成土過程中黏粒鐵氧化物不僅來自于非黏粒部分的鐵化合物，也受淋溶淀積的影響［2］。而河流沖積物、三角洲沉積物發(fā)育的土壤中鐵氧化物在黏粒中的富集程度隨著種植年限的增加而減小，可能是由于鐵氧化物在成土過程中淋失或者是脫水老化形成粗顆粒而導致的。

4 結 論

隨著種植年限的增加，珠江三角洲平原河流沖積物、三角洲沉積物發(fā)育的土壤中Fed有向土體下部淋溶淀積的趨勢，且Fed淀積深度呈增加趨勢；Fed（clay）含量則在水耕氧化還原層呈減小趨勢；濱海沉積物發(fā)育的土壤中游離鐵含量及淀積深度均有所減小，而Fed（clay）無明顯的變化規(guī)律。隨著種植年限的增長，濱海沉積物發(fā)育的土壤鐵氧化物在黏粒中的富集程度呈增大趨勢，而河流沖積物、三角洲沉積物發(fā)育的土壤鐵氧化物在黏粒中的富集程度呈減小趨勢。土壤鐵氧化物在黏粒中的富集以游離鐵的富集為主，且鐵氧化物的富集程度受土壤中黏粒含量的影響。

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Characteristics of Iron Oxide in Soils Different in Cultivation Age in the Pearl River Delta Plain

JIA Chongjian LU Ying?XIONG Fan CUI Qichao LIU Hongyi QIN Hailong JIANG Kun GAO Yujie
（College of Natural Resources and Environment，South China Agricultural University，Guangzhou 510642，China）

【Objective】The Pearl River Delta Plain，located in South China，has a more-thanone-thousand-year cultivation history，so that the soil therein has been subjected to impacts of intensive anthropogenic activities in its evolution. The knowledge of how the soil evolves under anthropogenic activities is sure helpful to sustainable utilization and management of the soil resources. Being highly active and geochemically sensitive，iron oxides in soil tend to be affected by any slight change in environmental condition in formation and property，so they are often used as an indicator of soil pedogenic process，and considered as a function of soil genesis and development. Therefore，characterization of soil iron oxides has been one of the major fields of the study on soil genesis. In this study an investigation was performed of characteristics of iron oxides in bulk soil and soil clay relative to cultivation age and affecting factors in the Pearl River Delta Plain，in an attempt to reveal how the soil forms and evolves under anthropogenic cultivation in the region. 【Method】Samples were collected from genetic horizons of the soils derived from marine deposits with cultivation age being 30 a，100 a，600 a and 1 000 a，separately，of the soils derived from fluvial deposits with cultivation age being 200 a，400 a，900 a and 1 000 a separately and of the soils derived from delta deposits with cultivation age being 50 a，90 a，150 a and 350 a，separately，in the Pearl River Delta Plain for analysis of physicochemical properties，and total iron（Fet），free iron（DCB-extractable iron，Fed），ratio of Fedto Fet（Fed/ Fet）in bulk soil and clay（Fed（clay）/Fet（clay）），Fedsedimentation coefficient（ratio of Fedin the genetic horizon beneath the surface horizon to Fedin surface horizon）and enrichment rates of Fetand Fedin clay（Fet（clay）/Fetand Fed（clay）/Fed）.【Result】 Results show that：（1）Among the soils derived from marine deposits，those，30 a in cultivation age，were all ＞1 in Fedsedimentation coefficient，regardless of horizon；those，100 a and 600 a in cultivation age，were ＞1 only in some genetic horizons，and those，1 000 a in cultivation age，were all ＜1. In the soils derived from fluvial deposits，the generic horizon where Fedsedimentation occurred went deeper with the cultivation age. Among the soils derived from delta deposits，those，50 a，90 a，150 a and 350 a in cultivation age，were found to have genetic horizons as deep as 40-cm，45-cm，80-cm and 90-cm，respectively.（2）In the soils derived from marine deposits，the distribution of Fedin clay（Fed（clay））in soil profile varied irregularly with cultivation age，while in the soils derived from fluvial and delta deposits the content of Fed（clay）in soil layers below 40-cm and 60-cmdepth，respectively，declined with cultivation age.（3）The contents of Fetand Fedin clay were higher than their corresponding ones in bulk soil，Among the soils derived from marine deposits，those，30 a and 100 a in cultivation age were lower than those，600 a and 1000 a in cultivation age，in Fetand Fedenrichment rate. In the soils derived from fluvial deposits Fetand Fedenrichment rates increased with cultivation age in the soil layers below 40-cm. And among the soils derived from delta deposits，those，350 a in cultivation age，were lower than those younger in cultivation age in Fetand Fedenrichment rate. And（4）Fedand Fetin bulk soil was extra-significantly and positively related to Fedand Fetin clay，and so was Fet（clay）/Fetand Fed（clay）/Fedto Fet（clay）Fed（clay）and Fed（clay）/Fet（clay），and Fet（clay）/Fetto to Fed（clay）/Fed，however Fet（clay）/Fetand Fed（clay）/Fedwas extra-significantly and negatively related to Fet，Fed，Fed/ Fetand clay content.【Conclusion】With agricultural cultivation going on，Fedin the soils derived from fluvial and delta deposits tends to leach down and deposit in the lower and lower soil layers；Fedcontent tends to decline in the hydroponic redox layer of the soils derived from marine deposits；iron oxides tend to increase in enrichment rate in clay of the soils derived from marine deposits，but decline in clay of the soils derived from fluvial and delta deposits. However，the iron oxides accumulating in clay of the soils were dominated with Fed，and clay content in the soils is the major factor affecting iron oxide enrichment rate.

Iron oxides；Eluviation-illuviation；Cultivation age；Soil-forming parent material；Pearl River Delta

S151+.1

A

10.11766/trxb201611160502

* 國家自然科學基金項目（41271233）、廣東省公益研究與能力建設項目（2014B020206002）和國家科技基礎性工作專項重點項目（2008FY110600，2014FY110200）資助 Supported by the National Natural Sciences Foundation of China（No. 41271233），the Public Welfare Research and Capacity Building Project of Guangdong Province（No. 2014B020206002），and the Special Project of National Science and Technology Basic Research（Nos. 2008FY110600，2014FY110200）

? 通訊作者 Corresponding author，E-mail：luying@scau.edu.cn

賈重建（1987—），男，博士研究生，主要從事土壤地球化學、土壤發(fā)生演變研究。E-mail：cjjia@stu.scau.edu.cn

2016-11-16；

2017-01-14；優(yōu)先數字出版日期（www.cnki.net）：2017-02-20

（責任編輯：檀滿枝）