黃土高原淋溶土黏粒、氧化鐵與顏色的關系及發(fā)生學解釋*——以山西土系調查的31個黏化層為例

張 蕾，張鳳榮?，靳東升，李 超

（1.中國農業(yè)大學土地科學與技術學院，北京 100193；2.山西省農業(yè)科學院農業(yè)環(huán)境與資源研究所，太原 030006；3.自然資源部國土整治中心，北京 100035）

黏粒含量與土壤顏色是土壤最基本的物理性質。黏粒作為土壤礦物質的重要組成部分，是鑒定成土母質和土壤發(fā)育程度的必要特性，也是黏化層和土壤系統(tǒng)分類的診斷指標[1]。Torrent和Nettleton[2]認為黏粒含量可以指示土壤母質的化學風化程度，并對密西西里的黃土粒徑建立了質地指數(shù)，用于比較相似母質的風化狀況；Levine和Ciolkosz[3]的研究發(fā)現(xiàn)，黏粒含量（CAI指數(shù)表征）和氧化鐵均能識別不同土壤的發(fā)育程度，與成土年齡密切相關且兩者變化趨勢基本一致，均向剖面深處遷移，在淋溶層達到最大值；安芷生和魏蘭英[4]揭示了黏化層及黏粒膠膜中氧化鐵含量的顯著增多是黏粒與氧化鐵共同淀積作用的結果。土壤顏色不僅是土壤剖面中最直觀、最易識別的指標，也是鑒定土壤類型的重要指標[1]。土壤中氧化鐵的類型和含量，影響或決定著土壤顏色。其中，游離氧化鐵（Fed）被認為是土壤發(fā)生與發(fā)育的間接指標之一，它不僅對土壤結構的形成起橋接的作用，而且還決定著土壤顏色[5]。無定形氧化鐵（Feo）（又稱活性鐵）是游離態(tài)氧化鐵的重要組分，其活性高、比表面積大，在鑒別土壤特征和成土環(huán)境方面有一定指示作用[1，6]。章明奎和胡國成[7]對浙南地區(qū)變質巖發(fā)育的土壤研究表明，赤鐵礦含量與土壤紅度具有明顯的相關性；劉峰等[8]認為南京周家山下蜀黃土－古土壤中鐵氧化物含量增加提升了土壤顏色參數(shù)；黃成敏等[9]發(fā)現(xiàn)黏粒含量、土壤氧化鐵和土壤顏色可以指示元謀盆地古紅土壤的發(fā)生學和古環(huán)境特征。

黃土高原由于后期的強烈侵蝕作用（如水蝕、風蝕等），下部埋藏的古紅土會接近或出露地表，具有極高的研究價值[10]。但迄今為止，系統(tǒng)性地研究黃土高原古紅土的黏粒、氧化鐵與土壤顏色之間定量關系的報道甚少。為此，本文以2014—2018年開展的山西土系調查工作中獲取的典型淋溶土剖面偏紅的黏化層為研究對象，分析了其黏粒含量、土壤顏色與全鐵、游離氧化鐵以及無定形態(tài)氧化鐵含量之間的關系及其發(fā)生學意義，旨在為研究黃土高原地區(qū)土壤系統(tǒng)分類、古土壤和古環(huán)境進一步提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

山西省屬黃土高原的一部分，黃土覆蓋廣泛。地勢東北高西南低，海拔介于180～3 058 m，地勢輪廓為“兩山夾一川”，地貌類型復雜多樣，其中山地和丘陵合計占80%。屬溫帶半干旱大陸性季風氣候，年均日照時數(shù)2 808 h，氣溫4.2～14.2℃，降水量358～621 mm。成土母質類型主要是黃土和黃土狀物質，其他有第三紀紅土以及各種巖石風化的殘積、坡積物和沖積物等。發(fā)生學土壤類型主要有褐土 724.09萬 hm2、栗褐土 221.35萬 hm2、粗骨土170.64萬 hm2、黃綿土90萬hm2、潮土80.32萬hm2、石質土72.11萬hm2、棕壤32.06萬hm2、栗鈣土31.33萬hm2、紅黏土14.24萬hm2、山地草甸土0.31萬hm2、新積土4.65萬hm2、風沙土3.59萬hm2、鹽土2.62萬hm2和水稻土0.82萬hm2；其他土類還有亞高山草甸土0.45萬hm2、沼澤土0.18萬hm2和火山灰土0.07 萬 hm2[11-12]。

1.2 樣品采集與分析

依據(jù)2014—2018年開展的山西土系調查成果[13]，選取主要分布于山地、丘陵和臺塬地區(qū)（海拔在790～1 500 m）14個典型淋溶土剖面（圖1）。包含了31個偏紅黏化層（Bt，包括古紅土層）作為研究對象。成土母質主要為第三紀的保德紅土、第四紀的離石黃土等，受新構造運動和土壤侵蝕作用影響，這些地質歷史上形成的古土壤出露于地表或接近地表，各剖面點Bt層基本信息如表1所示。

表1 典型剖面樣點Bt層基本信息Table 1 Basic information of Bt horizons of the studied soil profiles

野外土壤剖面調查描述與采樣嚴格按照《野外土壤描述與采樣手冊》[14]進行，土壤干態(tài)顏色采用美國芒塞爾比色卡（Munsell Soil Color Charts）確定[15]。土樣經(jīng)風干、去雜、研磨過不同孔徑篩后，顆粒組成采用吸管法測定，質地采用美國農業(yè)部USDA制確定，pH采用電位法（水土比為 2.5∶1）測定，全鐵（Fet）采用 HF-HNO3-HClO4消煮-原子吸收分光光度法測定，游離氧化鐵（Fed）采用連二亞硫酸鈉—檸檬酸-重碳酸鈉浸提，鄰菲羅啉比色法測定，無定形氧化鐵（Feo）采用草酸-草酸銨緩沖液浸提，鄰菲羅啉比色法測定[16]，供試剖面土壤理化性質如表2所示。

表2 供試土壤的理化性質Table 2 Physical and chemical properties of the studied soils

1.3 土壤顏色轉換

芒塞爾比色卡中土壤顏色描述主要由色調（Hue）、明度（Value）和彩度（Chroma）三個參數(shù)決定。

色調數(shù)值的轉換：色調（Hue）指區(qū)分物體所呈現(xiàn)的顏色主要特征，與該物體的主波長相關。共有10個基本色調：包括5個主要色調R、Y、G、B、P和5個中間色調 YR、GY、BG、PB、RP。在土壤比色卡中以2.5分作為一個基本單位。如2.5R、5R、7.5R、10R。為了更直觀、準確地分析色調這一參數(shù)，需要進行色調數(shù)值化：

式（1）中，Ip分為R－0、YR－1、Y－2、GY－3、G－4、BG－5、B－6、PB－7、P－8、RP－9；Is 為2.5 YR－2.5、5YR－5 等。轉換后的具體數(shù)值見表3。

表3 色調數(shù)值轉換Table 3 Transformation of Hue into value

明度（Value）：明度與土壤濕潤程度、巖石礦物表面顏色等有關。土壤顏色的相對明度，以無彩色為基準，將絕對黑記為0，絕對白計為10，灰色在中間，因此從0到10逐漸明亮。

彩度（Chroma）：指物體呈現(xiàn)顏色的鮮艷程度，與相對純度或飽和度有關。顏色彩度隨鮮艷程度增加而增加，對于絕對無彩色的顏色（純灰、白、黑）彩度為0。

紅度（Redness rating）：紅度是由色調（H）、明度（V）、彩度（C），三個參數(shù)確定。公式為：

式（2）中，K 值設定為 12.5，10YR、7.5YR、5YR、2.5YR、10R的H分別設定為10、7.5、5.0、2.5、0，C /V 為土壤顏色彩度和明度的比值。

1.4 數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析

采用Excel 2013和IBM Statistics SPSS20.0等統(tǒng)計軟件進行數(shù)據(jù)整理相關性分析，并采用Origin9.0軟件制圖。

2 結 果

2.1 土壤黏粒含量、色度參數(shù)、pH和各形態(tài)鐵的描述性統(tǒng)計特征

土壤黏粒含量、色度參數(shù)、pH和各形態(tài)鐵的描述性統(tǒng)計分析結果見表4。31個偏紅黏化層土樣中，轉換后的色調范圍為 36～63，平均為 50；紅度為3.3～25，平均為 10.92；黏粒為 129～594 g·kg–1，平均為 365g·kg–1，變化幅度大。pH 為 7.6～8.9，平均為 8.3；Fet為 40.44～65.57 g·kg–1，平均為53.67 g·kg–1，含量較為豐富；Fed為16.74～24.44 g·kg–1，平均為 20.1 g·kg–1。Feo為 0.28～2.38 g·kg–1，平均為 1.49 g·kg–1。整體上所有指標變異系數(shù)均小于10%，屬弱變異；黏粒、pH和各形態(tài)氧化鐵均為正態(tài)分布，其他指標經(jīng)對數(shù)或其他形式轉換后亦呈正態(tài)分布。

表4 土壤黏粒含量、色度參數(shù)、pH和各形態(tài)氧化鐵的描述性統(tǒng)計Table 4 Descriptive statistics of clay contents，colorimetric parameters，pH and iron oxides of various forms

2.2 典型土壤剖面形態(tài)特征描述

14個典型淋溶土剖面所處地貌類型主要為丘陵、臺塬、階地等，多屬發(fā)生學分類的紅黏土母質褐土土類，其土體構型為：A-Bt（k）或A-Bw-Bt（k）。Bt層以棱塊狀或次棱塊狀結構為主，多具有光亮的黏粒膠膜，因此在系統(tǒng)分類中歸類為淋溶土綱[18-19]，再根據(jù)土壤溫度和水分狀況續(xù)分為冷涼淋溶土、干潤淋溶土和濕潤淋溶土三個亞綱。土壤剖面顏色主要呈現(xiàn)兩種狀態(tài)：一種是通體紅色（如圖2a土門口系），其為第三紀保德紅黏土，可見明顯的鐵錳膠膜；另一種為第四紀黃土覆蓋第四紀古紅土，上部黃土有假菌絲體和石灰反應，下部的古紅土在部分土系中有石灰反應，是碳酸鈣下移的結果，并且在土體中可見明顯砂姜（如圖2b南京莊系）。

2.3 不同母質的土壤剖面在黏粒含量、氧化鐵含量和顏色參數(shù)的差異

水熱條件相同的土壤剖面，由于成土母質不同，礦物風化強弱有異，土壤理化性質可能有一定的差異，從而影響土壤形成過程的速度。根據(jù)表1和表2所示，不同母質的土壤剖面在黏粒含量、氧化鐵含量和顏色參數(shù)上均有一定差異。黃土高原淋溶土的母質多為第四紀紅黏土、坡殘積黃土狀紅黏土、石灰?guī)r風化殘積物、第三紀保德紅土。其中以黃土覆蓋紅黏土的占比最多，達36%。第三紀保德紅土的黏粒含量、各形態(tài)鐵的含量和紅度、色調均最高，分別為 477、63.29、23.48、2.18 和 22.5 g·kg–1；其次為石灰?guī)r風化殘積物，一般含有石灰?guī)r碎屑，是發(fā)育于石灰?guī)r類上的殘余古土壤（紅色石灰土）；黃土覆蓋紅黏土的各指標含量次之；離石黃土與第四紀紅黏土的各指標含量相似并且很低，由于成土時間較其他母質短，紅色程度較淺，質地以黏壤土為主，黏粒含量在30%以下。

2.4 黏化層土壤顏色與各形態(tài)鐵的相關關系

表5給出了黏化層的土壤顏色參數(shù)（紅度、明度、彩度、色調）與氧化鐵含量之間的相關系數(shù)。一般認為，若土壤色調紅于10 YR，表明土壤中有赤鐵礦存在，赤鐵礦越多，土壤顏色越紅。本研究的31個黏化層色調（H）介于7.5YR～10R，其中5YR和2.5YR最多，分別為14和12個層次，10R有2個層次，7.5YR有3個層次，總體上表明了黏化層赤鐵礦含量較高，這也是其顏色發(fā)紅的根本原因。

表5 各形態(tài)鐵與土壤顏色參數(shù)之間的Pearson相關系數(shù)Table 5 Pearson’ correlation coefficients between content of iron oxides and color parameters

在野外土壤顏色判別時，黃土高原淋溶土黏化層可見明顯的褐色或紅棕色的膠膜，色調為5YR或2.5YR，部分黃土的黏化層的色調為7.5YR。色調（H）與Fet和Fed呈極顯著的負相關關系（r分別為–0.609和–0.494，P<0.01），但與 Feo無相關性。明度與Fet和 Fed呈現(xiàn)極顯著負相關性（r分別為–0.765和–0.682），但Feo呈現(xiàn)顯著的負相關性（r為–0.439，P<0.05）。而彩度（C）與Fed和Feo呈現(xiàn)出顯著正相關性（r分別為0.545和0.424），這與Soileau和McCracken[20]研究結果部分一致，其研究結果表明彩度與游離氧化鐵呈正相關關系，而明度與其結果存在一定偏差，這可能與不同地區(qū)土壤濕潤程度和黏土礦物類型等因素的差異有關。

黏化層紅度（RR）與Fet、Fed、Feo均呈極顯著正相關關系（r分別為0.817、0.821和0.467，P<0.01），紅度與Fet和Fed均呈指數(shù)函數(shù)關系（圖3a和圖3b），這與Torrent等[21]研究歐洲地區(qū)淋溶土中氧化鐵與紅度的關系一致。此外，在全鐵與游離氧化鐵含量較低時，紅度增加緩慢；在含量高的情況下，紅度上升趨勢明顯，進一步表明紅度與氧化鐵的密切程度。

2.5 黏化層黏粒含量與各形態(tài)鐵的相關關系

全鐵、游離氧化鐵、無定形氧化鐵均主要分布在黏粒富集的層次，Soileau和McCracken[20]研究表明，除了含鐵錳結核的土壤以外，幾乎所有的游離鐵氧化物均存在于黏土礦物中，主要分布在細黏粒中。本研究發(fā)現(xiàn)31個黏化層的黏粒含量與Fet、Fed、Feo均呈極顯著正相關性（r分別為0.536、0.638和0.702），其中黏粒與Fet符合冪函數(shù)關系（圖4a），與Fed和Feo符合線性函數(shù)關系（圖4b和圖4c）。隨著黏粒的增加，全鐵、游離氧化鐵和無定形氧化鐵均呈增加趨勢，但黏粒含量較低（壤土）的土壤，其中全量氧化鐵含量的增加程度要明顯高于高黏粒含量（黏土）土壤，說明土壤氧化鐵作為風化產物，會隨著土壤黏粒移動。但在高黏粒含量情況下，土壤細孔隙多，黏粒表面能大，氧化鐵隨黏粒運動緩慢[22]。在實際野外觀察中，發(fā)現(xiàn)部分黏化層結構體面上顏色較結構體內基質的顏色更紅，如圖5a故驛系，結構體面顏色為濁紅棕色（2.5YR 3/4），而結構體內基質顏色為亮棕色（7.5YR 5/6），這也證實了氧化鐵隨著黏粒在土壤空隙中的遷移淀積在土壤結構體表面上。

3 討 論

3.1 黏化層土壤顏色與各形態(tài)鐵的關系機理

本研究結果顯示，黏化層土壤紅度、色調、明度與全鐵和游離氧化鐵均呈極顯著相關性，彩度與土壤氧化鐵之間也呈現(xiàn)出一定的相關性。在干燥、波動的第四紀氣候時期，黃土高原淋溶土地區(qū)由更新世到全新世，經(jīng)歷了干冷-暖濕-干冷-濕暖多旋回的氣候變化[23]。本研究區(qū)域的馬蘭黃土母質形成的土壤多是在半干旱氣候條件下，而“紅色土壤”多為埋藏的古土壤，是在較現(xiàn)在更濕熱氣候條件下形成的，成土母質經(jīng)過強烈的化學風化作用，Ca2+、Mg2+等被完全淋洗，F(xiàn)e3+由于淋失少而相對穩(wěn)定積聚，以膠體形態(tài)包被在土壤結構體表面，經(jīng)脫水氧化后赤鐵礦的顏色（紅色）顯現(xiàn)在土壤表面。在野外調查中，紅黏土的土體結構面上往往可見明顯的黏粒-氧化鐵膠膜，且具有微弱紅色風化殼等殘留特征。而且有些剖面結構體面還具有鐵錳斑紋特征，這是鐵錳淋溶在結構體表面（即導水空隙）淀積的結果，也可能與土壤生物作用有關，如圖5b墕頭系，其母質為離石黃土，呈致密的大塊狀，在其結構面（裂隙面）上有些地方可見邊界模糊的黑色斑紋。

3.2 土壤黏粒含量對各形態(tài)鐵的影響機理

一般而言，黃土母質黏粒含量低（一般約100 g·kg–1），加之黃土高原多為半干旱-半濕潤區(qū)，降雨量較低（一般低于 650 mm）[24]，土壤風化淋溶弱，很難形成黏化層。而其埋藏的古紅土一般形成于溫暖濕潤的環(huán)境。本研究發(fā)現(xiàn)，古紅土層（黏化層）黏粒含量與氧化鐵含量之間具有顯著的正相關，這與雷梅等[25]對太白山淋溶土土壤黏粒含量與氧化鐵關系的研究結論基本一致。黏化層最典型的特征是黏粒膠膜，在對各剖面的野外實際觀測中，大部分黏化層（Bt）可觀察到黏粒膠膜的存在，而黏粒膠膜一般是濕熱氣候條件下黏粒淋溶淀積形成的[1]，這間接反映出黏化層形成時期的氣候較現(xiàn)在半干旱的氣候更加濕潤，也進一步表明了黏化層屬于古土壤。多數(shù)情況下，土壤在脫鈣酸性條件下會有利于游離氧化鐵的活性而發(fā)生黏粒的遷移。但從表2可以看出，黏化層的pH均在8以上，這是由于在古紅土形成之后，其上覆黃土中的碳酸鈣隨降雨向下淋溶進入下伏的古紅土，導致了其pH升高。即使是因為強烈水土流失、剝削等侵蝕作用使紅色古土壤層出露地表，因黃土降塵中的碳酸鈣隨降水進入土體，其pH也在8以上（如圖5c潘家溝系）。

3.3 氧化鐵的發(fā)生學意義

土壤氧化鐵在反映成土過程和風化發(fā)育程度上具有重要的指示意義。本研究進一步表明，在黃土高原地區(qū)，黏粒含量越高，游離氧化鐵的含量也越高。土壤全鐵主要包括游離鐵、活性鐵、絡合態(tài)鐵和有效鐵，土壤氧化鐵以離子態(tài)、無定形態(tài)、隱晶質態(tài)和結晶態(tài)4種形式存在，而游離氧化鐵由無定形、隱晶質和結晶態(tài)組成的[26]；此外，氧化鐵具有離子吸附特性，主要是與ΔpHZPC（土壤凈電荷零點與pH之差）所表征鋁硅酸鹽礦物所帶的電荷有關。隨著土壤風化程度加深，土體中原生鋁硅酸鹽礦物晶格結構被破壞從而釋放出 Fe3+，使 Fe3+與水結合形成無定形非晶體的含水氧化鐵，它們以膠體的形式吸附在黏粒表面，這類鐵不穩(wěn)定，極易發(fā)生變遷，并逐漸脫水結晶，形成少量的赤鐵礦晶體，這部分并不足以表征土壤的顏色，這也解釋了無定形鐵與土壤顏色參數(shù)相關性弱原因。

3.4 “紅色土壤”的發(fā)生學意義

古紅土是研究古環(huán)境最好的例證，是土壤環(huán)境的記錄者和指示者[27]。早期人們對“紅色條帶”的理解僅僅局限于黃土高原水成說基礎之上的分析，19世紀60年代朱顯謨院士首次公開提出黃土中的“紅層”是古土壤的觀點[28]。黃土高原地區(qū)古紅土壤經(jīng)歷時期長，類型多。本文研究的古土壤有：上新世時期的保德紅土，黏粒含量可達到40%左右（如圖2a土門口系）；中更新世時期的離石黃土，黏粒含量基本為35%左右（如圖5a故驛系）。龔子同等[29]研究表明，黃土中馬蘭黃土形成時期的年均氣溫為8～10 ℃，降水量約300～500 mm，與近現(xiàn)代的氣候條件較為近似；而離石黃土和午成黃土形成時期的年均氣溫為 11～14℃，降水量約 600～800 mm，雖然第四紀時期整體氣候均屬于暖溫帶，但在早更新世至全新世時期發(fā)生的氣候變化是較為明顯的。晚更新世，該地區(qū)的氣候條件屬于半干旱大陸性氣候區(qū)，馬蘭黃土即在此時形成，并覆蓋于濕熱期形成的紅土層之上。隨后，受到新構造運動抬升，其上的黃土層被侵蝕，可見紅黃土層交替的現(xiàn)象（如圖2b南京莊系）。

成土時間對古紅土的性質也具有至關重要影響，在黏粒含量、鐵氧化物的富集程度和紅度指數(shù)等幾個指標中，早期形成的古紅土均高于晚期形成的古紅土[29]。但與南方的古紅土相比，本研究的土壤顏色較淺，紅度值、黏粒以及氧化鐵的含量均較低，pH有明顯不同[30]。主要的原因是南方古紅土的黏粒含量一般還是高于北方的古紅土，而且其黏粒中有相當一部分是氧化鐵，而氧化鐵是影響紅度的主要因素，以赤鐵礦形式存在。而北方的紅色土壤對于第四紀黃土，其黏粒含量不高，紅色主要是結構體表面的黏粒吸附氧化鐵的結果，其結構體內部土壤基質的顏色為淺紅偏黃（如墕頭系、南京莊系和段王系等第四紀紅黏土）。但是本研究樣本剖面中黏粒含量足夠高的土壤如坪地川系、穽底系和土門口系（第三紀的紅色石灰土、第三紀保德紅土），其紅度與南方紅土的相似，這也進一步證明第三紀北方的氣候較第四紀濕暖，風化強烈，黏化程度高。

需要指出的是，本研究對土壤顏色的測定是通過目視比色獲取的，易受人眼對光的反應等影響，具有較大的主觀性和異讀性[31]，如果條件許可還是應該采用便攜式測色儀[32]或顏色傳感器[33]。此外，有研究表明紅黏土微形態(tài)觀察會發(fā)現(xiàn)黏粒膠膜[34]，但本次調查對于結構體面上的黏粒膠膜觀察也只是在肉眼和借助手持放大鏡條件下的觀察，并未用膜片進行原狀土微型態(tài)觀察，也有可能遺漏了某些土層的黏粒膠膜信息。

4 結 論

結果表明，調查的14個典型淋溶土剖面多為黃土覆蓋古紅土或古紅土出露，古紅土母質多為第三紀的保德紅土和第四紀的紅黏土。這些土壤剖面由于成土環(huán)境和時間等因素在黏粒含量、氧化鐵含量和顏色參數(shù)上有差異，第三紀的保德紅土的黏粒含量、氧化鐵含量和紅度均較第四紀古土壤高。這些剖面具有黏化層，其土壤結構為棱塊狀或次棱塊狀，結構體面上可見明顯的黏粒膠膜。某些黏化層結構體表面較結構體內的土壤基質的顏色更紅，證實了氧化鐵隨著黏粒在土壤空隙中的遷移淀積在土壤結構體表面上。黏化層中各種形態(tài)的氧化鐵與土壤顏色參數(shù)（紅度、色調、明度和彩度）存在一定相關性，游離氧化鐵與土壤紅度正相關性最高，是黏化層紅色的最直接的“染色劑”。土壤黏粒含量與土壤全鐵、游離氧化鐵和無定形氧化鐵均為極顯著的正相關關系，間接表明了黏粒含量與土壤顏色之間存在一定關系。