澧陽平原埋藏古水稻土腐殖質(zhì)組成及空間分布特征研究

郭子川 周衛(wèi)軍* 劉 沛 顧海濱 謝天洋 譚 潔 肖彥資

(1 湖南農(nóng)業(yè)大學資源環(huán)境學院 長沙 410128 2 湖南文物考古研究所 長沙 410003)

腐殖質(zhì)是土壤有機質(zhì)的主要組成部分，一般占有機質(zhì)總量的50%～70%。腐殖質(zhì)并非單一的有機化合物，而是在組成、結(jié)構(gòu)及性質(zhì)上既有共性又有差別的一系列有機化合物的混合物，它主要由胡敏酸(HA)、富里酸(FA)和胡敏素(HU)構(gòu)成。國內(nèi)外關(guān)于土壤腐殖質(zhì)的研究報道很多，但對古水稻土腐殖質(zhì)的研究和認識十分有限，主要集中在古水稻土形成與演變、土壤肥力特征[1]、養(yǎng)分的釋放、質(zhì)量特征[2]、生物學特性[3]、植硅體形態(tài)及其礦化[4，5]等方面。本研究采集了澧陽平原杉龍崗遺址古水稻土樣品，研究了該遺址水稻土壤的腐殖質(zhì)組分特征以及變化規(guī)律，以期為揭示該遺址古水稻土質(zhì)量演變提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

澧陽平原杉龍崗古水稻遺址(N 29°40′3.97″，E 111°30′41.11″)位于湖南常德臨澧縣新安鎮(zhèn)杉龍村，地處澧陽平原澧水與澹水之間，橫跨彭頭山文化、大溪文化、屈家?guī)X文化和石家河文化4個時期，是一處面積較大的新石器前期遺址。

1.2 供試土壤采集

供試土壤來自湖南省文物考古研究所挖掘的澧陽平原杉龍崗古水稻遺址剖面，共采集3處土壤剖面，分別為PA、PB、PC。根據(jù)土壤顏色、結(jié)構(gòu)、新生體、松緊狀況等特征，將3處土壤剖面分別劃分為2個典型的斷代層次，即現(xiàn)代耕作水稻土層和埋藏古水稻土層，每個斷代層又分別劃分為A1～C1、A2～C2土壤層次。土壤基本理化性質(zhì)見表1。

土壤樣品采集自下往上分層進行，每層采集土壤1 kg左右，捏碎，檢出肉眼可見的根系等雜物，自然風干，用四分法分為2份，分別過10目和100目篩，保存?zhèn)溆谩?/p>

表1 杉龍崗遺址古水稻土基本理化性質(zhì)Tab.1 Basic properties of ancient paddy soils in Sanlonggang village site

1.3 分析測定方法

土壤有機質(zhì)測定采用重鉻酸鉀外加熱法，土壤pH值、堿解氮、有效磷、速效磷、速效鉀等采用常規(guī)法測定, 具體測定方法參見土壤農(nóng)化分析[6]。

土壤腐殖質(zhì)組分測定參照M.M.科諾諾娃法[7]。取土樣5 g，加入100 mL 0.1 M Na4P2O7和0.1 M NaOH混合液。室溫1500 r/min離心10～15 min，濾液即為含有胡敏酸、富里酸的混合液。取50 mL濾液加入1 N硫酸進行酸化沉淀，上清液中含富里酸；將沉淀以0.05 N硫酸沖洗，再用0.1 N NaOH溶解，此溶液中含胡敏酸。將富里酸和胡敏酸溶液用1 N硫酸中和，直至出現(xiàn)混濁為止。在80 ℃水浴鍋中蒸干，然后用重鉻酸鉀-外加熱法測定其含量。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用Excel軟件對所測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 古水稻土有機碳空間分布特征

土壤有機碳是土壤有機質(zhì)的重要組成部分，且絕大部分參與到腐殖質(zhì)的形成過程中去。杉龍崗遺址古水稻土腐殖質(zhì)有機碳含量變化見表2。

表2 杉龍崗遺址古水稻土腐殖質(zhì)組成及含量Tab.2 The humus composition and contents of ancient paddy soils in Sanlonggang village site

可以看出，杉龍崗遺址古水稻土有機碳含量變化范圍為4.88～13.92 g/kg，其中3處剖面有機碳含量最高的均在耕作層，分別為PA 13.92 g/kg、PB 13.60 g/kg、PC 10.85 g/kg。隨著土層深度的增加，3處剖面層有機碳含量逐漸降低。在現(xiàn)代耕作水稻土中，耕作層有機碳含量明顯低于犁底層，PA減少了8.64 g/kg、PB減少了8.71 g/kg、PC減少了4.70 g/kg；而在埋藏古水稻土中，耕作層與犁底層有機碳含量的差值則明顯小于現(xiàn)代水稻土，PA減少了1.28 g/kg、PB減少了0.26 g/kg、PC減少了0.23 g/kg。可見，長期耕作有利于現(xiàn)代耕作水稻土耕作層土壤有機碳的累積，且趨勢較為明顯，而對埋藏古水稻土土壤有機碳含量影響不大。

現(xiàn)代耕作水稻土與埋藏古水稻土有機碳的變化趨勢基本一致(圖1)，均表現(xiàn)為耕作層>犁底層>潴育層>母質(zhì)層，但現(xiàn)代耕作水稻土有機碳含量變化幅度較大，而埋藏古水稻土的變化幅度較小。這說明現(xiàn)代耕作水稻土有機碳的累積速度較快，向下的遷移量相對較大，而埋藏古水稻土隨耕作年限的增加有機碳含量基本趨于穩(wěn)定。這與李忠佩[8]和慈恩[9]的研究結(jié)果一致。

圖1 杉龍崗遺址古水稻土有機碳含量空間分布Fig.1 The organic carbon content spatial distribution of ancient paddy soils in Sanlonggang village site

2.2 古水稻土胡敏酸空間分布特征

胡敏酸是腐殖質(zhì)的重要組成部分，土壤腐殖化過程主要體現(xiàn)在胡敏酸部分。從表2可以看出，杉龍崗遺址古水稻土胡敏酸的變化范圍為0.90～4.25 g/kg，其中3處剖面胡敏酸含量總體上以現(xiàn)代耕作水稻土的耕作層最高，分別為PA 4.25 g/kg、PB 1.53 g/kg和PC 2.21 g/kg。在現(xiàn)代耕作水稻中，隨著土層深度增加胡敏酸含量整體呈下降趨勢，但在母質(zhì)層略有升高；而埋藏古水稻土中胡敏酸含量隨著土層深度增加呈逐漸增加的趨勢，但變化幅度不大。

杉龍崗遺址古水稻土胡敏酸含量變化趨勢見圖2?？梢钥闯?，在現(xiàn)代耕作水稻土中，3處剖面胡敏酸含量都呈先下降后略微增加的趨勢，都是潴育層<犁底層<母質(zhì)層<耕作層，整體變化幅度較大；在埋藏古水稻土中，3處剖面之間以及各剖面不同土層之間胡敏酸含量變化不大，整體分布較為均一。另外，從表2可以看出，埋藏古水稻土耕作層中胡敏酸占有機碳的比值分別為24.17%、23.33%、24.48%，犁底層比值分別為31.94%、22.88%、37.42%，這兩層次的比值均高于現(xiàn)代耕作水稻土犁底層、潴育層和母質(zhì)層。

綜上，土壤胡敏酸的含量隨著土層深度的增加而朝著更加穩(wěn)定的趨勢變化，這與于孝東[10]和崔婷婷[11]的研究結(jié)果一致。

圖2 杉龍崗遺址古水稻土胡敏酸含量空間分布Fig.2 The humic acid content spatial distribution of ancient paddy soils in Sanlonggang village site

2.3 古水稻土富里酸空間分布特征

富里酸是土壤腐殖質(zhì)分解后的小單位高能量物質(zhì)。從表2可以看出，杉龍崗遺址古水稻土富里酸含量變化范圍為0.07～6.78 g/kg，其中3處剖面中富里酸含量最高的均為現(xiàn)代耕作水稻土的耕作層，分別為PA 6.78 g/kg、PB 1.89 g/kg和PC 1.64 g/kg。在現(xiàn)代耕作水稻土中，隨著土層深度增加富里酸含量明顯下降，尤其是耕作層與犁底層富里酸含量差值較大，PA減少了3.31 g/kg，PB減少了1.15 g/kg，PC減少了1.42 g/kg；而在埋藏古水稻土中，隨著土層深度增加，富里酸含量整體變化幅度不大，與現(xiàn)代耕作水稻土相比，耕作層與犁底層富里酸含量差值較小，僅在0.01～0.08 g/kg之間。

杉龍崗遺址古水稻土富里酸含量變化趨勢見圖3。可以看出，在現(xiàn)代耕作水稻土中，3處剖面富里酸含量均表現(xiàn)為母質(zhì)層<潴育層<犁底層<耕作層，且變化幅度較大；在埋藏古水稻土中，胡敏素變化趨勢與現(xiàn)代耕作水稻土一致，但變化幅度較小，各剖面富里酸平均含量均小于現(xiàn)代耕作水稻土。另外，從表2可以看出，不同水稻土層中富里酸占有機碳的比值不同，其中埋藏古水稻土耕作層富里酸占有機碳的比值：PA為22.99%、PB為16.36%、PC為10.14%，犁底層富里酸占有機碳的比值：PA為28.13%、PB為16.76%和PC為10.93%，耕作層與犁底層有機碳比值相差不大，這與富里酸含量變化結(jié)果基本一致。

綜上，富里酸的含量在現(xiàn)代耕作水稻土中隨著土層深度增加明顯下降，而在埋藏古水稻土中變化差異不大。

圖3 杉龍崗遺址古水稻土富里酸含量空間分布Fig.3 The fulvic acid content spatial distribution of ancient paddy soils in Sanlonggang village site

2.4 古水稻土胡敏素空間分布特征

其中3處剖面現(xiàn)代耕作水稻土的耕作層胡敏素含量最高，分別為PA 2.89 g/kg、PB 10.18 g/kg和PC 7.00 g/kg。隨著土層深度增加，在現(xiàn)代耕作水稻土中，各剖面胡敏素含量變化幅度較大，且呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律。其中，剖面PA呈先下降后上升的趨勢，剖面PB呈“下降—上升—下降”趨勢，PC則呈明顯下降趨勢；在埋藏古水稻土中，胡敏素含量整體變化幅度不大，剖面PA、PC的胡敏素含量呈下降趨勢，PB則呈先增加后略微減少的趨勢。

杉龍崗遺址古水稻土胡敏素含量變化趨勢見圖4?？梢钥闯觯诂F(xiàn)代耕作水稻土中，胡敏素含量整體表現(xiàn)為犁底層<母質(zhì)層<潴育層<耕作層，變化幅度較大，其中耕作層與犁底層之間胡敏素含量差值最大，PA減少了2.64 g/kg，PB減少了6.93 g/kg，PC減少了2.47 g/kg；在埋藏古水稻土中，胡敏素變化趨勢與現(xiàn)代耕作水稻土基本一致，但變化幅度較小，分布比較均一。另外，從表2可以看出，胡敏素占有機碳的比值在現(xiàn)代耕作水稻土中比值范圍為4.71%～74.85%，埋藏古水稻土中比值范圍為39.93%～65.38%。

綜上，胡敏素在現(xiàn)代耕作水稻土中隨著土層深度增加變化幅度大，而在埋藏古水稻土中變化趨勢逐漸平穩(wěn)，并趨于一致。

圖4 杉龍崗遺址古水稻土胡敏素含量空間分布Fig.4 The humin content spatial distribution of ancient paddy soils in Sanlonggang village site

2.5 古水稻土胡富比

水稻土中胡富比是反映土壤活性與腐殖化程度的一個主要指標。杉龍崗遺址古水稻土中胡富比表現(xiàn)出現(xiàn)代耕作水稻土(4.73)>埋藏古水稻土(2.58)，且隨著土層深度增加，現(xiàn)代耕作水稻土和埋藏古水稻土的胡富比均呈現(xiàn)上升趨勢(表2)。這種差異同土壤腐殖質(zhì)形成過程、地形和氣候等成土因素密切相關(guān)，現(xiàn)代耕作水稻土由于處于溫濕適宜的環(huán)境，有利于腐殖質(zhì)積累，而埋藏古水稻土在長期埋藏環(huán)境下，土壤活性較低，土壤腐殖化速率較慢。另外，通過對杉龍崗遺址古水稻土中各組分含量變化的比較發(fā)現(xiàn)，胡敏酸和富里酸的積累較明顯，且胡敏酸增加量大于富里酸，尤其在埋藏古水稻土中表現(xiàn)更為明顯，這可能是因為胡敏酸的理化性質(zhì)相對穩(wěn)定，長期埋藏條件使其穩(wěn)定性得到提高，該結(jié)論與馬力等的研究結(jié)果一致[12]。

3 結(jié)論與討論

澧陽平原杉龍崗古水稻土遺址腐殖質(zhì)含量大小順序為：胡敏素>胡敏酸>富里酸，腐殖質(zhì)組成中含量最大的為胡敏素，平均含量占有機碳的55.30%(4.71%～74.85%)；其次是胡敏酸，平均含量占有機碳的26.76%(11.25%～37.76%)；再次是富里酸，平均含量占有機碳的17.94%(1.37%～65.74%)。澧陽平原杉龍崗古水稻土遺址腐殖質(zhì)各組分含量變化均表現(xiàn)為：在現(xiàn)代耕作水稻土中，隨土層深度增加，腐殖質(zhì)各組分含量變化總體明顯下降；而在埋藏古水稻土中，隨土層深度增加，耕作層與犁底層稍有上升，潴育層以下基本穩(wěn)定。現(xiàn)代耕作水稻土中腐殖質(zhì)隨著深度的增加逐漸下降，說明土壤表層腐殖質(zhì)的累積速度較快，同時從上向下的遷移量較大；而埋藏古水稻土中各形態(tài)腐殖質(zhì)朝著更加穩(wěn)定的趨勢變化，結(jié)合耕作層與犁底層中腐殖質(zhì)出現(xiàn)增加的狀況，說明早期開墾的古水稻土有很大的固碳潛力。由于古代與現(xiàn)代的環(huán)境條件以及耕作方式存在差異，澧陽平原杉龍崗古水稻土腐殖質(zhì)的分布特征受古代成土過程及現(xiàn)代成土過程雙重影響。古水稻土成土過程中，發(fā)育初期，氣候環(huán)境溫暖濕潤，適宜生物活動[12]，同時具備良好的地理位置，先民在“火耕水耨”條件下種植水稻，土壤礦質(zhì)粘粒風化加強，有利于腐殖質(zhì)的累積；現(xiàn)代耕作水稻土成土過程中，由于機械化耕作和大量化肥的施用，影響了水稻土中有機碳的分布遷移及稻田生態(tài)系統(tǒng)有機碳庫動態(tài)平衡。

最后指出，本研究的結(jié)果僅體現(xiàn)杉龍崗古水稻土形成過程中2次成土過程對腐殖質(zhì)分布特征的影響，而成土過程對腐殖質(zhì)的不確定性亦需要高度關(guān)注。

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