湘東兩類母質(zhì)發(fā)育水田土壤的發(fā)生特性及其系統(tǒng)分類

滿海燕，黃運(yùn)湘，b，*，盛 浩，b，余 展，周 清，b，袁 紅，b，張楊珠，b

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) a.資源環(huán)境學(xué)院；b.土壤研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410128)

土壤分類是土壤科學(xué)水平的體現(xiàn)，是土壤調(diào)查制圖、資源評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)，是農(nóng)業(yè)技術(shù)轉(zhuǎn)讓的依據(jù)，也是國(guó)內(nèi)外土壤學(xué)術(shù)交流的媒介[1-2]。目前，國(guó)際上代表性的土壤分類體系有美國(guó)土壤系統(tǒng)分類[3]、聯(lián)合國(guó)世界土壤圖例單元[4]和世界土壤資源參比基礎(chǔ)[5]。其中，以診斷層和診斷特性為鑒別依據(jù)的美國(guó)土壤系統(tǒng)分類對(duì)國(guó)際土壤分類的影響最為深刻[6]，至今已有80多個(gè)國(guó)家將其作為本國(guó)的第一或第二分類[7-8]。美國(guó)土壤系統(tǒng)分類通過制訂定量化標(biāo)準(zhǔn)開展土壤分類研究，適應(yīng)現(xiàn)代信息社會(huì)的發(fā)展，便于國(guó)際土壤科學(xué)界交流[9]。我國(guó)自20世紀(jì)80年代開始土壤系統(tǒng)分類的理論研究[7，9-10]，初步制定并相繼修訂了中國(guó)土壤系統(tǒng)分類方案[11-12]，并于2009年啟動(dòng)了我國(guó)土系調(diào)查與《中國(guó)土系志》編制項(xiàng)目，對(duì)我國(guó)中東部的黑龍江、北京、河南、山東、浙江等16個(gè)省(市)開展系統(tǒng)調(diào)查，陸續(xù)出版了福建[13]、上海[14]、浙江[15]、江蘇[16]、安徽[17]、廣東[18]、京津[19]、河北[20]、湖北[21]等地方性土系專著，標(biāo)志著中國(guó)東部地區(qū)基層分類單元已逐漸明晰。在中東部土系調(diào)查成果的基礎(chǔ)上，2014年，中西部土壤系統(tǒng)分類的專項(xiàng)研究展開，湖南省就是其中之一。

有關(guān)湖南土壤的系統(tǒng)分類研究始于20世紀(jì)90年代，前期的工作主要基于山地土壤或旱地土壤。如黃承武等[22]對(duì)湘中和湘北丘崗地區(qū)發(fā)育于第四紀(jì)紅色黏土的富鋁化土壤的系統(tǒng)分類研究，韋啟璠[23]對(duì)湖南西北部的石灰?guī)r發(fā)育土壤的研究，吳甫成等[24]、馮躍華等[25]、張義等[26]相繼對(duì)衡山、井岡山和大圍山山地土壤系統(tǒng)分類的深入研究等。湖南是典型的農(nóng)業(yè)大省，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以糧食為主，糧食作物主要為水稻，但有關(guān)水田土壤的系統(tǒng)分類研究剛剛起步。本文在科學(xué)技術(shù)部國(guó)家科技基礎(chǔ)性工作專項(xiàng)“我國(guó)土系調(diào)查與《中國(guó)土系志(中西部卷)》編制”的指導(dǎo)下，對(duì)湘東地區(qū)2類母質(zhì)發(fā)育的典型水田土壤進(jìn)行發(fā)生學(xué)特性的研究，通過診斷層和診斷特性的鑒定，確定土族和土系等基層分類單元，補(bǔ)充完善湖南省土壤系統(tǒng)分類研究。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)自然環(huán)境條件

研究區(qū)位于湖南省東部，包括長(zhǎng)沙市、株洲市、湘潭市和岳陽(yáng)市，地理坐標(biāo)為111°53′～114°14′E、29°52′～26°46′N，屬中亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，年均氣溫16～18 ℃，≥ 10 ℃活動(dòng)積溫5 300～6 600 ℃，無霜期長(zhǎng)，降水充沛，年降水量1 300～1 700 mm，日照偏少，年日照時(shí)數(shù)1 400～1 700 h。地勢(shì)東南高、西北低，東南有幕阜山、連云山、九嶺山等山地，海拔大都超過1 000 m，西部為洞庭湖平原，海拔大多在50 m以下，中部及西北部為山區(qū)向平原湖泊區(qū)過渡的丘崗地貌。

1.2 野外土壤調(diào)查和剖面樣品的采集

參照第二次土壤普查成果，在研究區(qū)選取紫色巖風(fēng)化物和河湖沉積物2類母質(zhì)發(fā)育的水田土壤，詳細(xì)調(diào)查其成土環(huán)境，挖掘典型土壤剖面，根據(jù)中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所設(shè)計(jì)的《野外土壤調(diào)查記載表》對(duì)土壤剖面進(jìn)行觀察記載[27]，按土壤發(fā)生層采集土壤樣品。共采集6個(gè)典型水田土壤樣點(diǎn)：樣點(diǎn)1，剖面編號(hào)43-ZZ12，采樣地點(diǎn)株洲市茶陵縣浣溪鎮(zhèn)梅林村11組(26°36.7′N，113°21.5′E)，海拔175 m，小地形為洼地，成土母質(zhì)為紫色砂礫巖風(fēng)化物和第四紀(jì)紅色黏土混合母質(zhì)；樣點(diǎn)2，剖面編號(hào)43-ZZ17，采樣地點(diǎn)株洲市醴陵市泗汾鄉(xiāng)石虎村張公組(27°31.9′N，113°27.8′E)，海拔78 m，小地形為溝谷地，成土母質(zhì)為紫紅色砂頁(yè)巖風(fēng)化物；樣點(diǎn)3，剖面編號(hào)43-XT11，采樣地點(diǎn)湘潭市雨湖區(qū)全田鄉(xiāng)姜畬村腰塘組(27°51.2′N，112°45.8′E)，海拔47 m，小地形為溝谷地，成土母質(zhì)為紫紅色泥頁(yè)巖風(fēng)化物；樣點(diǎn)4，剖面編號(hào)43-XT10，采樣地點(diǎn)湘潭市湘潭縣河口鄉(xiāng)三聯(lián)村(27°47.2′N，112°53.9′E)，海拔26 m，小地形為河間地，成土母質(zhì)為河流沉積物；樣點(diǎn)5，剖面編號(hào)43-YY16，采樣地點(diǎn)岳陽(yáng)市湘陰縣鶴龍鎮(zhèn)江洲村15組(28°40.7′N，113°45.0′E)，海拔27 m，小地形為泛濫平原，成土母質(zhì)為河湖沉積物；樣點(diǎn)6，剖面編號(hào)43-CS19，采樣地點(diǎn)長(zhǎng)沙市寧鄉(xiāng)縣城郊鄉(xiāng)茶亭寺村桐屋組(28°17.0′N，112°36.0′E)，海拔44 m，小地形為低階地，成土母質(zhì)為河流沉積物。

1.3 土壤分析方法

土壤分析參考《土壤調(diào)查實(shí)驗(yàn)室分析方法》[28]。具體地：土壤顏色用門塞爾比色卡比色，容重用環(huán)刀法，pH值用電位法，土壤顆粒分析用吸管法，黏土礦物組成用X射線衍射儀法，有機(jī)質(zhì)含量用重鉻酸鉀容量法，交換性酸及交換性鋁含量用氯化鉀交換法，全鐵(Fet)含量用氫氟酸-高氯酸熔融—等離子發(fā)射光譜法，游離鐵(Fed)含量用檸檬酸鈉-二亞硫酸鈉浸提—鄰菲羅啉比色法，活性鐵(Feo)用草酸銨浸提—鄰啡羅林比色法。

2 結(jié)果與分析

2.1 典型水田土壤的剖面形態(tài)及主要發(fā)生學(xué)特性

2.1.1 土壤剖面形態(tài)特征

從表1可知，研究的6個(gè)剖面土壤潤(rùn)態(tài)顏色以棕色為主，其表層土壤顏色偏深，多為暗棕色，色調(diào)介于7.5YR～2.5Y，明度介于2～4，彩度介于3～6。土體較深厚，大多>1.2 m，剖面層次分化明顯，耕作層(Ap1)較淺薄，除43-ZZ12的 Ap1為17 cm外，其余介于12～15 cm，犁底層(Ap2)7～13 cm，犁底層及以下發(fā)生層普遍存在鐵錳斑紋、黏粒膠膜和黏粒-鐵錳膠膜，數(shù)量不等。43-ZZ12氧化鐵分兩個(gè)亞層；43-YY16有氧化鐵和氧化錳分異，氧化錳又分為兩個(gè)亞層Br21和Br22；其余4個(gè)剖面氧化鐵錳分異不明顯。43-ZZ12在125 cm以下的淀積層土壤長(zhǎng)期淹水還原，具有潛育特征。研究剖面土壤結(jié)構(gòu)發(fā)育明顯，耕作層疏松，孔隙較多，土壤結(jié)構(gòu)以粒狀、團(tuán)粒狀為主，耕作層以下土壤緊實(shí)，以棱塊狀、棱柱狀為主。

2.1.2 土壤顆粒組成與質(zhì)地

供試剖面除43-ZZ12外，其余剖面土壤質(zhì)地均為壤質(zhì)土，包括壤土、粉壤土、粉黏壤土、砂壤土、砂黏壤土和黏壤土，砂粒含量介于159～705 g·kg-1，粉粒含量介于207～591 g·kg-1，黏粒含量介于72～342 g·kg-1，黏化率介于0.36～1.31。43-ZZ12剖面土表至125 cm為砂壤土，125 cm以下為壤質(zhì)砂土，這與紫色砂礫巖風(fēng)化物含砂量高、第四紀(jì)紅色黏土含有明顯的礫石層有關(guān)。43-CS19由河流沉積物發(fā)育而成，土壤剖面質(zhì)地表現(xiàn)成層性。

2.1.3 土壤有機(jī)質(zhì)含量

受淹水種稻、淹水耕作、秸稈還田及人工施用有機(jī)肥等措施的影響，供試土壤表層有機(jī)質(zhì)表現(xiàn)出明顯的積累特征。除43-ZZ17和43-XT10外，其余土壤表層有機(jī)質(zhì)含量>40 g·kg-1，參照第二次土壤普查水田土壤生產(chǎn)性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，屬一級(jí)水平。在剖面構(gòu)型上，土壤有機(jī)質(zhì)含量呈現(xiàn)自上至下逐漸減少的規(guī)律，43-ZZ12剖面125 cm以下出現(xiàn)潛育特征，有機(jī)質(zhì)含量高于水耕氧化還原層(Br11和Br12)，與犁底層接近，43-XT11剖面中Ap2g和Br2g存在潛育特征，有機(jī)質(zhì)含量明顯偏高，這與還原條件下有利于有機(jī)質(zhì)的積累有關(guān)[29]。

2.1.4 土壤pH值和酸化特征

供試土壤剖面pH值為4.8～7.5，隨剖面層次的加深，pH呈升高趨勢(shì)，水耕表層(Ap1、Ap2)土壤pH值的下降與長(zhǎng)期大量施用化學(xué)氮肥有關(guān)。土壤交換性酸隨土壤pH的升高而降低，變化范圍在0～2.97 cmol(H+)·kg-1。土壤交換性Al3+含量平均為0.63 cmol(H+)·kg-1，隨交換性酸含量的減少而降低，占交換性酸平均含量的67.6%。從剖面整體來看，交換性Al3+占交換性酸的比例隨剖面深度的增加而降低。這是因?yàn)橥寥乐袖X的溶出量隨pH降低而增加，剖面深度加深，pH值升高，鋁的溶出量減少[30]。

2.1.5 氧化鐵特征

從表2可知，6個(gè)剖面土壤全鐵含量為11.66～75.24 g·kg-1，在剖面中呈現(xiàn)出犁底層(Ap2)和水耕氧化還原層(所有含Br的層次)高于表層土壤的特性，表明長(zhǎng)期淹水種稻條件下鐵具有明顯的淋溶和淀積現(xiàn)象。土壤游離鐵含量為3.22～41.87 g·kg-1，平均22.80 g·kg-1。從剖面層次看，游離鐵在水耕氧化還原層積累，向下逐漸減少。除剖面43-XT10和43-XT11外，其余4個(gè)剖面土壤游離鐵層段系數(shù)(Fh)出現(xiàn)≥1.5的情況，其中剖面43-ZZ17、43-YY16和43-CS19水耕氧化還原層游離鐵含量大于表層的1.5倍，具有鐵聚特征。鐵的游離度為16.43%～72.63%，平均48.71%。43-ZZ12和43-XT11剖面中Brg和Br2g層土壤鐵的游離度較其他土層低，這是由于潛育層土壤鐵的還原淋溶所致。土壤的還原程度可通過鐵的活化度和晶膠率體現(xiàn)[31]。從表2可知，由紫色巖風(fēng)化物發(fā)育的土壤剖面(43-ZZ12、43-ZZ17、43-XT11)鐵的活化度和晶膠率呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性，即表層(Ap1)和表下層(Ap2)土壤鐵的活化度高于下層土壤，晶膠率低于下層土壤，這與表層土壤有機(jī)質(zhì)含量較高，土壤還原性強(qiáng)密切相關(guān)。43-ZZ12的Brg層因存在潛育特征，故鐵的活化度較Br層高，晶膠率較Br層低。由河湖沉積物發(fā)育的土壤(43-XT10、43-YY16和43-CS19)，鐵的活化度和晶膠率在剖面層次上未表現(xiàn)明顯的規(guī)律性，可能與土壤的質(zhì)地層次、水分含量及地下水位的升降變化有關(guān)。

2.2 診斷層和診斷特性鑒定

診斷層是在性質(zhì)上有定量規(guī)定的特定土層，用于鑒別土壤類別[10]。按照供試剖面的土壤發(fā)生學(xué)特性，依據(jù)《中國(guó)土壤系統(tǒng)分類檢索(第三版)》的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[32]，6個(gè)典型水田土壤剖面均具有氧化還原特征、人為滯水土壤水分狀況、水耕表層和水耕氧化還原層等診斷特性和診斷層，其他診斷特性和診斷層鑒定如下。

(1)潛育特征。紫紅色泥頁(yè)巖發(fā)育的43-XT11的Ap2g和Br2g層，以及紫色砂礫巖風(fēng)化物、第四紀(jì)紅色黏土混合母質(zhì)發(fā)育的43-ZZ12的Brg層，由于長(zhǎng)期被水飽和，導(dǎo)致土壤發(fā)生強(qiáng)烈還原的潛育特征[33]，土壤有亞鐵反應(yīng)。

(2)土壤溫度狀況。土壤溫度根據(jù)經(jīng)緯度、海拔，利用文獻(xiàn)[34]中的公式推算。計(jì)算的年平均土溫≥15 ℃，但<22 ℃，屬“熱性土壤溫度狀況”。

2.3 在土壤系統(tǒng)分類中的歸屬

2.3.1 高級(jí)分類單元確定

基于中國(guó)土壤系統(tǒng)分類，研究區(qū)內(nèi)6個(gè)典型水田土壤均屬人為土土綱，因含有水耕表層和水耕氧化還原層，故屬水耕人為土亞綱。供試剖面水耕表層之下均無灰色鐵滲亞層，不屬鐵滲水耕人為土土類。43-XT11在表層至60 cm范圍之內(nèi)的部分土層有≥10 cm的潛育特征[35]，屬潛育水耕人為土土類；43-ZZ17、43-YY16、43-CS19水耕氧化還原層的游離氧化鐵含量為耕作層的1.5倍以上，屬鐵聚水耕人為土土類；43-ZZ12和43-XT10屬簡(jiǎn)育水耕人為土土類。

43-XT11剖面無變性現(xiàn)象、鹽積現(xiàn)象和鐵聚特征，也無含硫?qū)印⑷藶閺?fù)石灰作用和鐵滲淋亞層，歸屬為普通潛育水耕人為土亞類。43-ZZ17、43-YY16、43-CS19剖面無變性現(xiàn)象、漂白層和潛育特征，均屬普通鐵聚水耕人為土亞類。43-XT10、43-ZZ12剖面無變性現(xiàn)象、鹽積現(xiàn)象和人為復(fù)石灰作用，礦質(zhì)土表至60 cm范圍內(nèi)無漂白層，礦質(zhì)土表下60～100 cm也無潛育特征[36]，可歸屬為普通簡(jiǎn)育水耕人為土亞類。

2.3.2 土族的建立

土族是土壤系統(tǒng)分類的基層單元，主要反映與土壤利用管理有關(guān)的土壤理化性質(zhì)的分異，是亞類的續(xù)分[35]。土族的控制層段一般為診斷表下層的上界或從耕作層(Ap)的下界往下至100 cm深處，或至淺于100 cm的根系限制層上界或石質(zhì)接觸面。在土族控制層段內(nèi)，其主要?jiǎng)澐种笜?biāo)為土壤顆粒大小級(jí)別、不同顆粒級(jí)別的土壤礦物組成類型、土壤溫度狀況、土壤酸堿性等。依據(jù)土族和土系的劃分標(biāo)準(zhǔn)[36]，供試土壤剖面土族控制層段內(nèi)鑒別依據(jù)及特征見表3。

(1)土壤顆粒大小級(jí)別。顆粒大小級(jí)別是劃分土族的首要依據(jù)，43-ZZ12剖面土族控制層段≥2 mm巖屑含量<25%，砂粒含量≥55%，劃分為砂質(zhì)；43-ZZ17、43-XT10、43-YY16剖面土族控制層段黏粒含量介于20%～35%，劃分為黏壤質(zhì)；43-XT11、43-CS19剖面土族控制層段黏粒含量在20%以下[36]，劃分為壤質(zhì)。

(2)土壤礦物學(xué)類別。根據(jù)顆粒大小級(jí)別，供試的6個(gè)土壤剖面分別為砂質(zhì)、壤質(zhì)和黏壤質(zhì)。依據(jù)顆粒大小組分對(duì)礦物學(xué)類別進(jìn)行檢索[36]，最終檢索出6個(gè)剖面的礦物類別均屬于硅質(zhì)混合型。

(3)石灰性和土壤酸堿反應(yīng)。依據(jù)土族與土系建立原則與標(biāo)準(zhǔn)[36]，供試剖面的土族控制層段中均有pH≥5.5的層次存在，為非酸性反應(yīng)。

(4)土壤溫度狀況。研究區(qū)內(nèi)6個(gè)供試土壤土壤溫度狀況為熱性土壤溫度狀況。

依據(jù)土族控制層段內(nèi)鑒別特征，可將供試土壤劃分為壤質(zhì)硅質(zhì)混合型非酸性熱性-普通潛育水耕人為土、黏壤質(zhì)硅質(zhì)混合型非酸性熱性-普通鐵聚水耕人為土、壤質(zhì)硅質(zhì)混合型非酸性熱性-普通鐵聚水耕人為土、砂質(zhì)硅質(zhì)混合型非酸性熱性-普通簡(jiǎn)育水耕人為土和黏壤質(zhì)硅質(zhì)混合型非酸性熱性-普通簡(jiǎn)育水耕人為土5個(gè)土族(表3)。

2.3.3 土系的建立

土系是具有實(shí)用目的的分類單元，是發(fā)育在相同母質(zhì)上、處于相同景觀部位、具有相同土層排列和相似土壤屬性的土壤集合[36]。供試的6個(gè)黏化率為下層土壤與耕作層黏粒含量的比值；BD，容重，OM，有機(jī)質(zhì)；EAc，交換性酸；EAl，交換性鋁。SL，砂壤土；SCL，砂黏壤土；L，壤土；CL，黏壤土； SCL1，粉壤土；LS，壤質(zhì)砂土；SCL2，粉黏壤土。

表1 供試土壤剖面的部分理化性質(zhì)

Clay rate was the ratio of clay content in the lower layer to that in plough horizon. BD， Bulk density; OM， Organic matter; EAc， Exchangeable acid; EAl， Exchangeable Al. SL， Sandy loam; L， Loam; SCL， Sandy clay loam; CL， Clay loam; SCL1， Silty loam; LS， Loamy sand; SCL2， Silty clay loam.

表2 供試土壤氧化鐵形態(tài)特征

Fh值為該層Fed與Ap1層Fed含量之比。

Fh was calculated as the ratio of Fedcontent in the current horizon to that in Ap1 horizon.

表3 供試土壤土族控制層段內(nèi)鑒別特征

SMT，硅質(zhì)混合型；NA，非酸性。

SMT， Silicon mixed type; NA， Non-acid.

水田土壤剖面中，43-XT11、43-ZZ12、43-XT10和43-CS19屬于不同土族，分別劃為姜畬系、梅林系、三聯(lián)系和茶亭寺系；43-ZZ17、43-YY16屬于同一土族，但43-ZZ17在50～100 cm深度內(nèi)出現(xiàn)殘留母質(zhì)層，43-YY16的殘留母質(zhì)層在50～100 cm深度沒有出現(xiàn)，據(jù)此劃分為石虎系和江洲系兩個(gè)土系，因此湘東地區(qū)6個(gè)供試土壤可劃分為3個(gè)土類、3個(gè)亞類、5個(gè)土族和6個(gè)土系。

3 結(jié)論

湘東地區(qū)紫色巖風(fēng)化物和河湖沉積物兩類母質(zhì)發(fā)育的水田土壤在發(fā)生學(xué)形態(tài)上有共性也有差異。供試6個(gè)土壤剖面顏色以棕色或暗棕色為主，土壤層次分化明顯，紫色巖風(fēng)化物發(fā)育土壤色調(diào)介于7.5YR～10YR，較河湖沉積物發(fā)育土壤色調(diào)更紅，與紫色巖的顏色接近。土壤質(zhì)地以壤土為主，黏化率不高，紫色巖風(fēng)化物發(fā)育土壤顆粒組成層次變化不明顯，但河湖沉積物母質(zhì)發(fā)育土壤顆粒組成在同一剖面不同土層之間差異較大，這與河湖沉積物母質(zhì)發(fā)育土壤受不同時(shí)期沉積母質(zhì)或不同時(shí)期堆積物質(zhì)的影響有關(guān)[37]。土壤pH介于4.8～7.5，隨剖面加深，pH呈升高趨勢(shì)。土壤有機(jī)質(zhì)含量以剖面表層土壤最高，呈現(xiàn)自上而下逐漸減少的規(guī)律。供試6個(gè)土壤剖面的全鐵含量均呈現(xiàn)出表層低于犁底層和氧化還原層的特性，說明氧化鐵主要在氧化還原層富集。由紫色巖風(fēng)化物發(fā)育的土壤剖面鐵的活化度呈現(xiàn)水耕表層高于下層土壤、晶膠率低于下層土壤的規(guī)律，而由河湖沉積物發(fā)育的3個(gè)剖面土壤鐵的活化度和晶膠率無明顯的變化規(guī)律。

基于中國(guó)土壤系統(tǒng)分類，供試的6個(gè)水田土壤均屬人為土土綱水耕人為土亞綱，在亞綱的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步劃分為潛育水耕人為土、鐵聚水耕人為土和簡(jiǎn)育水耕人為土3個(gè)土類和普通潛育水耕人為土、普通鐵聚水耕人為土和普通簡(jiǎn)育水耕人為土3個(gè)亞類。依據(jù)土族劃分[35]的4個(gè)指標(biāo)，將供試剖面劃分為壤質(zhì)硅質(zhì)混合型非酸性熱性-普通潛育水耕人為土、黏壤質(zhì)硅質(zhì)混合型非酸性熱性-普通鐵聚水耕人為土、壤質(zhì)硅質(zhì)混合型非酸性熱性-普通鐵聚水耕人為土、砂質(zhì)硅質(zhì)混合型非酸性熱性-普通簡(jiǎn)育水耕人為土和黏壤質(zhì)硅質(zhì)混合型非酸性熱性-普通簡(jiǎn)育水耕人為土等5個(gè)土族。在土系控制層段內(nèi)，不同土族劃為不同土系，同一土族依據(jù)母質(zhì)層出現(xiàn)深度劃分，共劃分出姜畬系、梅林系、三聯(lián)系、石虎系、江洲系、茶亭寺系6個(gè)土系。