北京地區不同土綱典型剖面的土壤微形態特征①

張曉娜，王 數，王秀麗，王 瑞，劉 穎，楊 震（ 中國農業大學資源與環境學院，北京 0093；2 河南省新鄭市龍湖鎮政府，鄭州 4500；3 河南農業大學資源與環境學院，鄭州 450002）

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北京地區不同土綱典型剖面的土壤微形態特征①

張曉娜1，2，王 數1*，王秀麗1，3，王 瑞1，劉 穎1，楊 震1
（1 中國農業大學資源與環境學院，北京 100193；2 河南省新鄭市龍湖鎮政府，鄭州 451100；3 河南農業大學資源與環境學院，鄭州 450002）

摘 要：以北京地區不同土綱典型剖面為例，通過觀察土壤薄片，利用ENVI圖像統計分析功能，從土壤微結構、粗骨顆粒、土壤形成物與孔隙幾個方面研究其微形態特征。結果表明：北京地區不同土綱典型剖面土壤之間微形態差異明顯。淋溶土典型剖面土壤發育完全，Bt層常見到黏粒淀積膠膜；雛形土與新成土土壤微結構發育程度較低，沒有淀積黏粒存在，但雛形土形成了B層，存在孔洞狀結構，鈣積現象明顯，土壤發育較新成土成熟。人為土明顯表現出大量人類活動的痕跡，侵入物、動植物遺跡多見，土壤發育最為成熟。

關鍵詞：土壤微形態特征；土綱；典型剖面；北京地區

土壤微形態特征主要是借助偏光顯微鏡來研究原狀土壤的微觀形態，包括土壤粗骨骼顆粒、細粒物質、土壤形成物、土壤孔隙等，以及其形態、空間分布和結構，它能反映土壤形成發育特征、土壤組成、物質遷移轉化過程及土壤的發育演變與環境之間的關系，是野外土壤剖面研究的延續［1-3］。因此，土壤微形態研究在土地利用［4-5］、土壤培肥［6-7］、土壤侵蝕和退化［8-9］、古土壤與古環境［10-11］及土壤發生與分類［12-13］等領域中都有著不可替代的優勢，在理論和實踐的研究上也具有十分重要的意義。土壤微形態對于土壤系統分類的意義尤其顯著，它為系統分類提供了大量的土壤特征性狀，揭示了土壤本質的嶄新面貌，可對土壤的歸類提出決斷。本文通過對北京地區不同土綱典型剖面的土壤微形態特征研究，為對土壤系統分類的理論與實踐有所充實。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區地處39°23′ ～ 41°03′N，115°20′ ～ 117°30′E，位于華北平原西北邊緣，地勢大體為西北高、東南低。氣候為典型的暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，春、秋短促，年平均降雨量大多在500 ～ 700 mm；年平均氣溫約12℃；無霜期180 ～ 205天，南部多于北部。北京地區河流多，但受季風氣候年內降水不均的影響，多是季節性河流。

山地丘陵區的成土母質為各類基巖經風化形成的殘積、坡積物。因其母巖不同，礦物組成各異，故成土母質特性亦不相同。山地坡麓多為含礫石堆積物及第四系黃土性母質，也有少部分紅黏土母質出露；洪積扇主要由洪積物組成，平原地區多為沖積母質組成。湖泊、洼地為靜水沉積物，其周圍經常出現埋藏有機質層。

在山區，以自然植被為主，但在平原地區，基本上為人工植被。山區自高而低分布著山地草甸、落葉闊葉林、針闊葉混交林和灌木植被；平原地區，由于農業生產歷史悠久，對植被影響深刻，目前絕大部分地區已成為農田和城鎮。

人類耕作過程中的翻耕、堆墊對土壤形成也有很大的影響，形成了堆墊表層、肥熟表層等診斷表上層。在北京，由于深翻、平整土地和大量施用土雜肥，加之很多河道干涸，當地為增加耕地數量，在河道上堆墊土壤進行開發，堆墊厚度多大于50 cm，形成人為土土綱或其他土綱的堆墊亞類，同時改善了耕層土壤的肥力和物理性狀，如典型的菜園土［9］。

1.2 研究方法

1.2.1 野外調查 依據本課題組所承擔的國家科技基礎性工作“我國土系調查與‘中國土系志·北京天津卷’編制”的成果，北京地區土壤分為淋溶土、雛形土、人為土和新成土4個土綱。分別選取各個土綱中的典型剖面，以反映各土綱典型特征的層次進行庫比納盒原狀土樣采集，其中淋溶土和雛形土，選取最能反映該土綱土壤特征的 B層采集土樣，人為土選擇Ap層，新成土選擇AB層。

1.2.2 室內分析 首先，將采集的原狀土樣自然風干后用不飽和聚酯樹脂——丙酮溶液浸漬，再進行切片、磨片，進而制成大小約50 mm × 25 mm，標準厚度0.03 mm的土壤薄片。其次，使用Nikon偏光顯微鏡（NikonLV100POL）進行土壤微形態觀察。圖像經CCD傳感器傳至Nikon digital sight顯微鏡數碼相機，再用USB數據線把顯微鏡數碼相機連接至計算機，在計算機上安裝顯微鏡配套的 NIS-Elements-F 3.0軟件，拍攝得到土壤微形態照片，并用ENVI等圖像處理軟件進行圖像轉換及統計分析。

2 結果與討論

2.1 不同土綱典型剖面的特征

經過野外實地踏勘及挖取剖面，選出了北京地區不同土綱的6個典型剖面（圖1 ～ 圖6），特征見表1。

圖1 淋溶土綱MTG18剖面及景觀Fig.1 MTG18 profile and landscape of Alfisol order

圖2 淋溶土綱MY2剖面及景觀Fig.2 MY2 profile and landscape of Alfisol order

圖3 雛形土綱MTG12剖面及景觀Fig.3 MTG12 profile and landscape of Cambisol order

圖4 雛形土綱MTG17剖面及景觀Fig.4 MTG17 profile and landscape of Cambisol order

圖5 人為土綱MTG15剖面及景觀Fig.5 MTG15 profile landscape of Anthropic soil order

圖6 新成土綱MTG13剖面及景觀Fig.6 MTG13 profile and landscape of Entisol order

2.2 不同土綱典型剖面土壤的微形態特征

從上述典型剖面取原狀土樣進行制片觀察，并拍攝顯微照片（如表2中所指）得出北京地區不同土綱典型各剖面土壤的微形態特征（表2）。

2.3 典型剖面土壤微形態特征差異分析

2.3.1 土壤微結構 土壤微結構是指土壤各成分相互間的配置，是土壤固相顆粒及其伴隨孔隙的空間排列所表現出的土壤基本物質的物理性構成［14］，土壤組成成分（包括固、液、氣）的空間配置和排列，并在形狀、大小及出現頻度等方面表現其基本特征，對土壤的水肥氣熱的保持和移動具有決定作用。北京地區不同土綱典型剖面的微結構存在較大的差異。

淋溶土典型剖面 B層多呈孔洞狀、迷宮狀結構等多孔結構，土壤微結構較好，土壤團聚體發育。孔道狀孔隙比例大，連通性好，土壤孔隙度較高。雛形土典型剖面土壤結構未完全發育，多呈整塊狀結構或孔洞結構，土壤孔隙度低，且多為不連續孔隙，無淀積黏粒。人為土典型剖面表層土壤團聚體發育完整，土壤微結構相對于雛形土發育較好，熟化程度高，多連續性較好的孔隙。常見到未腐殖質化的動植物組織，且混入了大量的煤渣等外來人為侵入物。新成土典型剖面為整塊狀結構，未發育為土壤團聚體，幾乎無孔隙，土壤結構性差。

表1 北京地區不同土綱典型剖面特征Table 1 Characteristics of typical profiles in different soil orders in Beijing area

表2 北京地區不同土綱典型剖面土壤的微形態特征Table 2 Micromorphological characteristics of typical profiles in different soil orders in Beijing area

圖7 剖面MTG18迷宮狀微結構（×50，正交偏光）Fig.7 Labyrinthine microstructure of MTG18（×50，XPL）

圖8 剖面MY2孔道狀微結構（×50，正交偏光）Fig.8 Channel microstructure of MY2（×50，XPL）

圖9 剖面MTG12孔洞狀微結構（×50，正交偏光）Fig.9 Vugh microstructure of MTG12（×50，XPL）

圖10 剖面MTG17整塊狀微結構（×50，正交偏光）Fig.10 Massive microstructure of MTG17（×50，XPL）

圖11 剖面MTG15團粒狀微結構（×50，正交偏光）Fig.11 Granular microstructure of MTG15（×50，XPL）

圖12 剖面MTG13整塊狀微結構（×50，正交偏光）Fig.12 Massive microstructure of MTG13（×50，XPL）

2.3.2 粗骨顆粒 粗骨顆粒是土壤基本組成中顆粒直徑＞10 μm的顆粒，其在土壤形成過程中比較穩定、不易移動、聚集和再分配，多是較強的物理風化作用的產物，含有較多的風化礦物。其主要來源于母質，對土壤的性質、結構和功能影響較大。

北京地區不同土綱土壤粗顆粒形狀有明顯差異，新成土、雛形土粗顆粒常為棱角狀、次棱角狀，人為土多呈圓狀、次圓狀。此外，新成土巖屑粒徑差異較大，薄片中能見到大量未風化的巖屑（圖13），粒徑達0.6 mm，明顯大于其他土綱土壤，這說明相對于人為土，新成土和雛形土受物理風化作用影響微弱，土層薄，土壤熟化程度低。

四大土綱典型剖面土壤粗顆粒的礦物組成差異較小，以石英為主，少量長石、云母（圖14）。其中，雛形土中見到明顯聚集的方解石凝塊（圖15），直徑約為400 ～ 800 μm，鈣積現象明顯。此外，存在方解石粗晶還顯示了該層土壤形成時期耕作活動較少，土壤環境穩定，使雛晶有時間形成完整的方解石晶粒［15］。

2.3.3 細粒物質 土壤細粒物質是相對于粗顆粒來定義的，指＜2 μm的顆粒。北京地區典型剖面土壤細粒物質主要為黏土，其中淋溶土典型剖面較多黏土多圍繞孔隙，呈高度平行定向集結狀，其形成主要為土壤細粒物質隨水沿孔隙淋洗，在孔隙周圍形成環繞孔隙壁定向黏粒。此外，剖面MTG15土壤細粒物質多為褐鐵礦化的黏粒（圖16）。

圖13 剖面MTG13大塊未風化的巖屑（×50，正交偏光）Fig.13 Unweathered debris of MTG13（×50，XPL）

圖14 剖面MTG12中均勻的石英顆粒 （×50，正交偏光）Fig.14 Uniform quartz grains MTG12（×50，XPL）

圖15 剖面MTG17大量的方解石凝塊（×50，正交偏光）Fig.15 Plenty of irregular calcite nodules of MTG17（×50，XPL）

圖16 剖面MTG15褐鐵礦化的黏土 （×50，正交偏光） Fig.16 Ferritic clay of MTG15（×50，XPL）

2.3.4 土壤形成物 土壤形成物指成土過程中生成的黏粒膠膜、腐殖質膠膜、結晶形成物、土壤團聚物、生物代謝產物、鐵鋁等元素的化合物等，土壤形成物作為獨立的土壤壘結單位，與其周圍的其他壘結在形態上有明顯不同的特征、有明晰的界限，可與相鄰的土壤物質相區別，是土壤成熟的標志，能夠反映土壤內部元素的移動與積聚。其中殘積、淀積黏土的數量指示環境蓄水保水、黏化作用的強弱［16］。

淋溶土典型剖面中，B層土壤孔隙壁存在大量淀積黏粒膠膜，其圍繞孔隙邊緣呈平行定向聚集，說明淋溶土黏粒移動和淀積現象存在，土壤淋溶作用強烈（圖 17）。在人為土典型剖面表土中可見到大量侵入物，如煤渣（圖18）等，這是因為表層土壤是人為堆墊而成，土壤組成受堆墊來源物的影響大。人為土典型剖面中常見到新鮮的及半腐殖質化的動植物殘體（圖19），這體現了人為土受耕作、灌溉和種植等人類作用強烈的特性。

2.3.5 土壤孔隙度 土壤孔隙的發育程度反映土壤發育環境的穩定程度。北京地區不同土綱土壤在孔隙度方面存在較大差異。本文用 ENVI軟件處理圖像，把土壤結構圖轉化成能夠直觀反映土壤孔隙特征的孔隙二值圖（圖20 ～ 圖22），并統計出孔隙面積百分比［17-18］，見表3。

人為土典型剖面表層的孔隙百分比最大，達12.43%，且孔隙規則，多為圓狀或次圓狀孔隙，孔徑多在50 ～ 200 μm。原因是人為土受耕作、培肥等人類影響較大，使熟土層增厚，土壤結構較好，形成較多大而規則的孔隙，這樣的孔隙有利于植物根系深扎及土壤通氣透水功能的發揮。以剖面MTG13為代表的新成土，孔隙百分比僅占薄片面積的0.97%，孔隙直徑大多小于20 μm。該土體為黃土堆墊不久，土壤發生層還沒有形成。淋溶土典型剖面B層的孔隙百分比高于雛形土，且孔徑一般大于100 μm，剖面MY2多為樹枝狀孔隙，連通性較好。而雛形土孔隙百分比低于4%，且無連續孔隙，導致土壤的通透性差。

圖17 剖面MTG18的Bt層疊層狀淀積黏粒膠膜（×50，單偏光）Fig.17 Laminated illuviation argillan in Bt horizon of MTG18 （×50，PPL）

圖18 剖面MTG15中黑色侵入物 （×50，正交偏光）Fig.18 Black invader in MTG15 （×50，XPL）

圖19 剖面MTG15的植物殘體（×50，正交偏光）Fig.19 Plant residue in MTG15（×50，XPL）

圖20 剖面MY2 Bt層土壤孔隙二值圖（×50） Fig.20 Pore image of Bt horizon of MY2（×50）

圖21 剖面MTG15Ap層孔隙二值圖（×50）Fig.21 Pore image of Ap horizon of MTG15（×50）

圖22 剖面MTG13AB層孔隙二值圖（×50） Fig.22 Pore image of AB horizon of MTG13（×50）

表3 不同剖面的孔隙面積百分比（%）Table 3 Percentages of pore areas of different soil profiles

3 結論

北京地區不同土綱典型剖面的土壤微形態特征具有顯著差異：

1） 淋溶土典型剖面土壤團聚體發育相對完整，孔隙多呈圓形或孔道狀，連通性好，孔隙度相對較高，常為迷宮狀或孔道狀土壤微結構，土壤粗顆粒多為不易風化的石英、長石等，粒徑相對較均勻。Bt層孔隙周圍明顯存在大量的淀積黏粒膠膜，這是淋溶土區別于其他土壤的典型特征。

2） 雛形土典型剖面 B層土壤微結構未發育完全，粗顆粒多呈棱角狀和次棱角狀，孔洞狀或整塊狀結構，孔隙度低，且常為不連續孔隙，未見到淀積黏粒膠膜；可見到明顯的方解石凝塊，這表明了雛形土的鈣積現象明顯。同時，完整的方解石晶粒也顯示了該層土壤形成時期，土壤環境相對穩定的特征。

3） 新成土典型剖面土壤團聚體未發育，粗顆粒多為棱角狀和次棱角狀，明顯見到大量未風化的巖屑。土壤結構性較差，微結構多屬整塊狀結構，孔隙度極低，未見到生物遺跡等有機質形成物。說明該土壤風化發育程度較低，且其土層較薄，有機質含量低，土壤肥力低。與雛形土有較大不同，從微形態上看，雛形土土壤結構發育較新成土成熟，孔洞結構超過薄片總面積的50%，整塊狀結構較少，而雛形土整個薄片幾乎都是沉積物或巖石構造，結合土壤剖面構型看，雛形土有完整的剖面結構，形成了 B層，而新成土發生層尚未形成，且無鈣積現象發生。

4） 人為土典型剖面團粒結構發育完整，土壤孔隙度高，且多為連續孔隙，土壤通氣透水性能好。粗顆粒大多為石英、長石等不易風化的礦物，圓狀、次圓狀形狀，相對于其他土綱，土壤發育最為成熟。薄片中多見煤渣等人工侵入物，新鮮的及半腐殖質化動植物遺跡，均體現了人為土相較于其他土綱土壤受長期農業活動如灌溉、堆積、施肥和耕作等作用明顯。

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中圖分類號：S152

DOI:10.13758/j.cnki.tr.2016.03.023

基金項目：①國家科技基礎性工作專項（12008FY110600）資助。

* 通訊作者（wangshu@cau.edu.cn）

作者簡介：張曉娜（1988—），女，河南平頂山人，碩士，研究方向為土壤微形態。E-mail: zhangxiaone@126.com

Micromorphological Characteristics of Typical Profiles in Different Soil Orders in Beijing Area

ZHANG Xiaona1，2， WANG Shu1*， WANG Xiuli1，3， WANG Rui1， LIU Ying1， YANG Zhen1
（1 College of Resources and Environmental Sciences， China Agricultural University， Beijing 100193， China； 2 Longhu Town Government of Xinzheng City， Zhengzhou 451100， China； 3 College of Resources and Environmental Sciences， Henan Agricultural University， Zhengzhou 450002， China）

Abstract:Typical profiles in different soil orders in Beijing area were selected to be used for studying micromorphological characteristics， such as soil microstructure， skeleton grain， Pedological characteristics and pores through soil section observation and pictures analyzation in ENVI.Results showed that the differences of micromorphological characteristics among different soil profiles in Beijing were apparent.Alfisol developed fully，illuviation argillan were common in Bt horizon； Microstructure of Cambisol and Entisol were not developed well， noilluviation argillan was found， but B horizon was formed，hole structures appeared， and calcic evidence also could be found in Cambisol， indicating it developed better than Entisol.Anthropic soil showed a large number of traces of human activities， and more visible invaders， animal and plant remains， showing it more mature than the other three soil orders.

Key words:Micromorphological characteristics of soil； Soil order； Typical soil profiles； Beijing area