水耕人為土磁性礦物的生成轉化機制研究回顧與展望*

韓光中黃來明李山泉陳留美

（1 內江師范學院地理與資源科學學院，四川內江 641112）

（2 中國科學院地理科學與資源研究所，北京 100101）

（3 邢臺學院地理系，河北邢臺 054001）

（4 遵義師范學院資源與環境學院，貴州遵義 563002）

水耕人為土磁性礦物的生成轉化機制研究回顧與展望*

韓光中1黃來明2李山泉3陳留美4?

（1 內江師范學院地理與資源科學學院，四川內江 641112）

（2 中國科學院地理科學與資源研究所，北京 100101）

（3 邢臺學院地理系，河北邢臺 054001）

（4 遵義師范學院資源與環境學院，貴州遵義 563002）

隨著環境問題的日益突出，人為活動對土壤的影響越來越深刻，需加強對“人為作用”的研究以便解釋現代土壤磁性的過程和變化。水耕人為土在發育過程中人為作用的方式多種多樣，明確其磁性礦物的生成和轉化機制及其影響因素有利于理解人為活動對現代土壤磁性的作用。但目前水耕人為土磁學研究還比較零散，缺乏系統性，已有研究結果有待深入梳理。本文對已有的相關研究報道，包括水耕人為土磁性參數的演變特征、磁性礦物的生成轉化機制以及對成土因素的響應等進行綜合評述。最后，對當前研究的不足和存在問題進行總結，并對研究方向進行了展望，以期有助于環境磁學的發展。

水耕人為土；磁性礦物；土壤發生；成土因素

隨著環境問題的日益突出，人為活動對土壤的影響越來越深刻［1-7］。在這樣的背景下需要加強“人為作用”的研究以便解釋現代土壤磁性的過程和變化。水耕人為土屬于人工半水成土或水成土，在發育過程中人為作用的方式多種多樣［8-9］。明確其磁性礦物的生成和轉化機制及其影響因素有利于理解人為活動對現代土壤磁性的作用。針鐵礦是成土過程的最終產物［10］，而水鐵礦是磁性礦物生成轉化重要的中間產物［11-17］，它們的生成和轉化過程對完善現代環境磁學理論至關重要，但目前這方面的研究還很缺乏。鑒于針鐵礦和水鐵礦也是水耕人為土中常見的磁性礦物［18-19］，本文將對水耕人為土磁性礦物生成和轉化機制以及對成土因素的響應關系進行綜述，并對當前研究存在的主要問題及研究方向進行探討，以期有助于環境磁學的發展。

1 水耕人為土磁性

1.1 水分狀況和磁性剖面特征

中國土壤系統分類將具有人為滯水水分狀況，且具有水耕表層和水耕氧化還原層的土壤定義為水耕人為土［8］。水耕人為土可起源于不同類型的土壤，雖受前身土壤的影響，卻又有著獨特的成土過程。在水耕條件下，由于難透水犁底層的存在，耕作層和犁底層至少有3個月被灌溉水或人為截留的徑流水和雨水飽和，并呈還原狀態［9］。其中還原態鐵、錳可透過犁底層淋溶至水分不飽和的心土層中氧化淀積［8］。可以說人為滯水水分狀況及其相應的由氧化還原過程導致的氧化鐵的轉化與再分配是水耕人為土發育過程中最重要的現象，它決定了水耕人為土剖面形態和亞類歸屬［20-22］。同樣，水

* 國家自然科學基金項目（41401235和41401238）和國家級大學生創新實驗項目（X201306）資助 Supported by the Natural Science Foundation of China（Nos. 41401235 and 41401238）and National Innovation Experiment Program for University Students（No. X201306）

? 通訊作者 Corresponding author，E-mail：lmchen@issas.ac.cn

圖1 不同水分類型水耕人為土剖面氧化還原電位（Eh）和磁化率隨時間的變化（數據來自文獻［23-24，26］）Fig. 1 Temporal variation of Eh and magnetic susceptibility in the paddy soils relative to soil water regime （data cited from references［23-24，26］）

1.2 水耕人為土磁性礦物生成和轉化機制

土壤磁性狀物的生成和轉化機制目前有干濕交替的“發酵機制”［11，16］、燃燒機制［27］、生物成因［28-31］、土壤淋溶淀積對磁性礦物稀釋或富集［32］及人為成因［33］等。目前越來越多的研究結果支持次生成土作用是引起土壤磁性增強的主要原因［13，34-37］，特別是水鐵礦—類磁赤鐵礦—赤鐵礦這一轉化路徑的提出和反復驗證，促進了土壤磁學性質的解譯。水耕人為土屬于人工半水成土或水成土，其氧化鐵礦物一方面繼承了起源土壤的一些特點，另一方面由于長期水耕熟化的影響會發生一系列明顯變化。

水耕人為土水耕表層磁性的損耗是一個普遍現象［24，26，38-42］。淹水培育試驗表明土壤還原可引起磁化率的降低，淹水還原15d內磁化率基本無變化，第30～70d磁化率顯著降低，90d后磁化率基本沒有變化，保持在較低的水平；整個培育試驗中第四紀紅黏土發育的富鐵土磁化率損失率達78%，沖積物上發育的富鐵土損失率達80%；進一步試驗表明還原過程中磁化率的降低還與pH密切相關，pH越低，其磁化率降低越明顯（圖2）［18，42］。上述磁性的降低可能主要是由還原作用下亞鐵磁性礦物的溶解破壞造成的［34，43］。種稻后的土壤環境不利于赤鐵礦的生成，這是因為周期性的淹水使土壤很難形成利于水鐵礦脫水的高溫干旱環境。種稻土壤已有的赤鐵礦也會因厭氣還原環境下的溶解破壞［44］而逐漸降低［24］。綜上，在厭氣還原條件下，水耕表層中亞鐵磁性礦物（包括磁鐵礦和磁赤鐵礦）和赤鐵礦在短時間內就大部分向纖鐵礦、針鐵礦及水化形態轉化，導致土壤磁性降低（圖3）。

圖2 富鐵土淹水培育實驗中Eh和磁化率隨時間的變化（數據來自文獻［42］）Fig. 2 Temporal variation of Eh and magnetic susceptibility in the Ferrisols during waterlogging incubation experiments（data cited from reference ［42］）

圖3 水耕人為土磁性礦物的生成轉化機制（根據相關文獻［10，18-19，24-25，42，47］總結）Fig. 3 Mechanisms for formation and transformation of magnetic minerals in the paddy soils（summarized based on reference ［10，18-19，24-25，42，47］）

下層土壤磁性礦物的變化要復雜的多。在厭氣條件下，耕作層氧化鐵被還原、絡合活化，具有移動性，可在犁底層下的氧化區重新氧化結晶，形成膠膜、結核、斑紋等。這是水耕人為土剖面形態發育最重要的特征之一，同時伴隨氧化鐵礦物的生成轉化。在水耕人為土中，纖鐵礦與針鐵礦通常共存，二者的相對含量主要取決于土壤環境條件。和Al3+會抑制纖鐵礦的生成而利于針鐵礦的生成［45-46］。此外，土壤pH對磁性礦物的生成也有很大的影響。合成實驗表明pH在5～6范圍內，Fe2+慢速氧化，可生成磁鐵礦（可能也還有少量的磁赤鐵礦）［18-19］；pH = 7時，硅濃度增加和鋁含量相對減少到某一程度后，也可生成磁赤鐵礦［46］。這樣看來，水耕人為土下層如果具備了亞鐵磁性礦物形成的條件，會有亞鐵磁性礦物的生成。Han和Zhang［24］的研究也證實了這一點，這可能代表著土壤下層的一種磁性增強機制。Han和Zhang［24］同時也指出，隨著淹水時間的增長，下層土壤的氧化區會逐漸變為還原環境，這又會導致亞鐵磁性礦物破壞；種稻土壤下層磁性可能主要和亞鐵磁性礦物的生成與破壞的平衡有關，當新生成的亞鐵磁性礦物大于破壞的，亞鐵磁性礦物則表現為上升，反之，則表現為下降。水耕人為土黏粒中的亞鐵磁性礦物更容易被破壞，而新生的亞鐵磁性礦物也主要集中在黏粒級別［24，42］。需要注意的是，水耕人為土土壤溶液中通常含有大量離子，上述過程形成的磁性礦物也許不是純凈的磁鐵礦或磁赤鐵礦，而往往含有雜質替代，因此在今后研究中，需要關注磁性礦物與其他離子的交互作用。

2 水耕人為土磁性礦物對成土因素的響應

2.1 母質

土壤母質或起源土壤對水耕人為土磁性的影響主要有四個方面。第一，起源土壤的磁性是水耕人為土磁性的“本底”。起源土壤中的亞鐵磁性礦物和赤鐵礦的磁學特性實際上決定了水耕人為土的磁性背景值。第二，母質或起源土壤決定了水耕人為土可供生成鐵氧化物的鐵的多少。第三，母質或起源土壤影響鐵氧化物的輸入，從而影響土壤磁性礦物的含量。例如地勢較低的水耕人為土，如果周圍土壤的亞鐵磁性礦物含量高，會有一定的亞鐵磁性礦物隨灌溉水或者雨水進入土壤。此類輸入的鐵氧化物較少且主要集中在耕作層，因此不會是影響水耕人為土磁性的主要因素。第四，母質或起源土壤的特性是影響土壤磁性礦物特別是針鐵礦和纖鐵礦生成轉化的重要因素。如，因CO32-和Al3+對纖鐵礦生成的抑制作用，在石灰性水耕人為土或強酸性水耕人為土中纖鐵礦含量極少。

2.2 氣候和生物

人為水耕改變了成土因素，長期淹水和土壤溫度趨于平穩，在一定程度上超越或改變了自然成土因素的影響和控制，具有很強的人為特征，會大大減小氣候對土壤發生的影響［8］。因此氣候不是影響水耕人為土磁性礦物演化的主要因素。但從全國范圍看，受氣溫、降水等綜合影響，淹水還原作用有自北向南的增強趨勢［23］，對水耕人為土亞鐵磁性礦物的還原溶解可能存在一定的影響。

一般認為有機質可促進土壤中次生亞鐵磁性礦物的生成［12，34］并妨礙磁赤鐵礦的老化，使之不易轉化為赤鐵礦［48］。而水耕人為土中的有機質在淹水后可加速厭氣還原的進程并加深其強度［49］，從而不利于亞鐵磁性礦物的保存以及土壤磁性的增強［24］。植物可通過改變根際環境來改變微生物和磁性礦物之間的相互作用，改變土壤的酸堿性，從而增強或者減弱特定的成土作用，影響土壤中磁性礦物的生成和轉化［50］。如稻田間根系的呼吸作用或有機質分解釋放大量CO2，有利于針鐵礦的形成。微生物可通過兩種礦化途徑形成磁鐵礦［28］。第一是生物誘導礦化作用，如異化鐵還原菌和硫還原菌能夠在細胞以外生成大量結晶形態和粒度差異很大的磁性礦物顆粒。第二是通過生物化學控制在體內產生磁鐵礦，如趨磁細菌可以在體內產生磁小體鏈。但水耕人為土中這方面的研究還十分缺乏，今后需加強。

2.3 地形和水文

地形地貌可影響熱量和雨量以及成土母質的再分配，進而影響土壤磁性礦物的轉化和再分配［51］。為了方便水稻栽培，人們因地制宜地平整土地和修筑梯田，改變了土壤原有的形成條件，季節性的灌溉改變了土壤水分狀況導致氧化還原交替進行［8］，進而影響或決定水耕人為土磁性礦物的生成和轉化。水耕人為土的排水性和地下水位等也可影響土壤的氧化還原環境［23］，從而影響或決定水耕人為土磁性。甚至可以說淹水時間的長短和還原程度是水耕人為土亞鐵磁性礦物變化的主控因素［24-25］。

2.4 時間

此處的“時間”，不是指土壤發育的歷史，實際只代表耕種活動的歷史。水耕人為土形成的各種過程受到自然成土因素和人為因素的共同影響，成土因素的組合錯綜復雜。盡管如此，不同水分狀況、不同母質起源的種稻土壤培育過程各異，但在人為耕作、灌溉、施肥的影響下，最終均可以發育成剖面結構大體相似的水耕人為土［8］。水耕人為土時間序列研究也顯示水耕人為土磁化率隨著種稻年限增加剖面有均一化趨勢［24-25］。自然成土因素（如母質、氣候，等）的影響作用隨著水耕時間的加長逐漸減弱。

2.5 人為作用

在水耕人為土發育過程中人為作用的方式多種多樣，除了直接作用外，主要是通過影響和改變五大成土因素來影響或決定磁性礦物的生成和轉化（表1）。對母質而言，主要是通過改變土壤物質組成來影響土壤磁性礦物，如通過施用肥料、石灰、礦渣（如粉煤灰）、污灌、淤灌、洗鹽等措施來實現；對地形而言，主要是通過修筑梯田，平整土地，人工堆積等措施來進行；對氣候而言，主要通過人為措施消弱其對土壤發生的影響作用，如人為淹水、排水等改變土壤水分狀況等；在生物方面，主要通過人為淹水、施用經微生物作用過的有機肥料或施用細菌肥料創造厭氧細菌繁育的條件促進厭氧還原的進程等。上述人為活動在不同歷史時期是不同的，其作用也各不相同。近年來的土壤污染尤其是重金屬污染態勢日趨嚴重，需加強重金屬污染物和磁性礦物的互饋替代等方面的研究，更好地理解人為因素在土壤磁性礦物生成轉化中的作用。

表1 人為活動通過影響五大成土因素來影響水耕人為土磁性礦物的生成轉化Table 1 Human activities affect magnetic minerals through the alteration of other soil forming factors in the paddy soils

3 結論與展望

隨著經濟的發展，高強度的人類活動對土壤的影響越來越深刻。深入研究受各種人為作用影響的水耕人為土的磁性變化，特別是其磁性礦物生成轉化機制，會給現代環境磁學帶來很多啟示，水耕人為土磁學研究迎來了新的機遇與挑戰。盡管如此，目前水耕人為土磁學研究還比較零星，缺乏系統性，一些問題亟待解決。

（1）機理研究不足。水耕人為土磁性礦物成因復雜，受水分狀況、pH、Eh、有機質、碳酸鈣、微生物和人為活動等多種因素的交叉影響。不同區域、不同成土階段所受的影響因素也各不相同，今后應加強機理研究。

（2）缺乏對針鐵礦、纖鐵礦和水鐵礦的定量化手段。環境磁學發展至今，已經建立了一整套的磁學手段，厘定赤鐵礦、磁赤鐵礦和磁鐵礦的類型、含量、晶粒大小等［10］（具體方法詳見文獻［52］），進而判斷其來源。針鐵礦、纖鐵礦和水鐵礦是水耕人為土中最常見的礦物，它們的磁性和含量對理解水耕人為土成土過程中磁性礦物生成轉化機制至關重要。但由于它們本身磁性很弱，在自然樣品中，這些磁學特征往往被強磁性的磁鐵礦和磁赤鐵礦所掩蓋。而利用磁學參數所建立起來的定量指標，例如硬剩磁、飽和等溫剩磁經過交變退磁后的剩磁（退磁參數）等，因為受到矯頑力譜分布變化［53］和部分矯頑力較高的亞鐵磁性礦物影響，其定量的可靠性也受到了質疑。而且水耕人為土土壤溶液中離子濃度較高，磁性礦物常常受到替代的影響。例如針鐵礦晶格中鋁的含量可直接影響到礦物的磁學性質、特征光譜的位置和強度［54］，從而為針鐵礦的定量研究帶來不確定性。如何更有針對性地研究針鐵礦、纖鐵礦和水鐵礦性質，研發新的定量分析儀器、探索新的定量計算方法以及尋找合適的特征替代指標，是當前水耕人為土磁學乃至環境磁學研究的一個重要方向。

（3）很少結合土壤發生模擬實驗。可能是由于試驗耗時漫長，目前研究很少將土壤磁性和水耕人為土發生模擬實驗結合在一起。如能將二者結合，建立磁性參數與水耕人為土發育的一些定性或定量關系模型，可為水耕人為土發育和管理提供一些特有信息。

（4）水耕人為土磁性數據庫缺失。目前大多數土壤調查仍側重于N、P、K營養元素和質地等基礎性指標，而忽視土壤磁性數據，這造成了我國大多數土壤數據庫缺失磁性數據。這在一定程度上制約了對已有數據庫的分析利用。沒有基礎數據庫的支持，將很難進行更大范圍內的多剖面研究和相互之間的比較研究，這也是制約土壤磁性應用最核心的問題。水耕人為土磁性數據庫乃至土壤磁性數據庫如何有序、快速建立是目前土壤環境磁學研究必須重點解決的問題。

（5）土壤分類參考方面尚未形成合適的體系。水耕人為土磁性剖面可反映水耕人為土的水分狀況及氧化還原狀況等差異，因而有研究者嘗試利用水耕人為土磁化率剖面進行水耕人為土的分類和診斷［19，42］。但目前這方面尚未形成合適的體系。一方面是因為水耕人為土磁性數據庫缺失，其制約了此類基礎研究的開展。另一方面是在中國土壤系統分類中水耕人為土的診斷指標多為定量化指標，但如前文指出的，水耕人為土中主要磁性礦物針鐵礦、纖鐵礦和水鐵礦定量化尚有待提高，如何將磁性數據與其有機結合是目前尚未解決的難題，制約了磁性指標在土壤分類中的應用。但土壤磁化率等參數在野外獲取相對簡便、快捷，可在今后研究中嘗試將其作為土壤分類的輔助指標。

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（責任編輯：檀滿枝）

Review and Prospect of Researches on Production and Transformation of Magnetic Minerals in Paddy Soils during Pedogenesis

HAN Guangzhong1HUANG Laiming2LI Shanquan3CHEN Liumei4?
（1 College of Geography and Resources Science，Neijiang Normal University，Neijiang，Sichuan 641112，China）
（2 The Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research，Chinese Academy of Sciences Beijing 100101，China）
（3 Department of Geography，Xingtai University，Xingtai，Hebei 054001，China）
（4 College of Resources and Environments，Zunyi Normal University，Zunyi，Guizhou 563002，China）

With the problem of environmental deterioration becoming increasingly conspicuous and the impact of anthropic activities on soil formation getting more and more intense in recent decades，it is，therefore，essential to intensify the researches on the impact so as to explain processes of and changes in magnetism in modern soils. Hydragric Anthrosols（paddy soils）are defined as Anthrosols，and their formations are affected by human activities in various ways. Tillage and anthrostagnic moisture regimes are two major factors that control characteristics of the soil formation processes. However，so far only some scattered rather than systematic studies have been reported on how human activities induce changes in soil magnetism. Therefore，this paper is oriented to review or summarize all the findings of researches in this field，including characteristics of the evolution of parameters of magnetism in Hydragric Anthrosols，mechanisms of the formation and transformation of magnetic minerals and their responses to soil forming factors. Magnetic minerals in paddy soils，on one hand，inherit some of the features of their original soils and on the other，have undergone a series of apparent changes under the impacts of paddy cultivation. Water regime controlled the soil magnetic characteristics in the early stage of paddy soil formation，however，all different types of paddy soils could eventually develop into profiles similar in structure of magnetic susceptibility after longterm paddy cultivation. Most of the ferrimagnetic minerals and hematite in the anthrostagnic epipedon tended to reduce into goethite，lepidocrocite and/or their hydrated forms within a short term，while in the hydragric horizons（subsoils），the changes of magnetic minerals were more complicated and duration of artificial submergence and reduction degree were the major factors controlling changes of the ferrimagnetic minerals. In appropriate environment，Fe2+got oxidized slowly，thus forming ferrimagnetic minerals，which may represent one mechanism for enhancement of magnetism in the subsoil. Ferrimagnetic minerals in clays in the paddy soil were susceptible to breakage，while newly formed ferromagnetic minerals were concentrated in soil aggregates of the clay fraction. In paddy soils，periodic submergence made it difficult for the soil to develop drought-stressed environment that could dehydrate ferrihydrite into hematite，which was usually reduced first in contrast to goethite under reducive conditions. Goethite and lepidocrocite often coexisted in paddy soils and their relative contents depended mainly on soil environment. Human activities affected or governed the formation and transformation of magnetic minerals in the paddy soil mainly through their impacts on natural soil forming factors（i.e.，climate，organism，parent material，relief，time）. However，the impactsreduced in degree with paddy cultivation going on. In the end，the paper summarized shortages and problems existing in current studies and prospected for directions of future researches in hope to help development of environmental magnetism.

Hydragric Anthrosols（Paddy soils）；Magnetic minerals；Pedogenesis；Soil forming factors

S153.2

A

10.11766/trxb201606130173

韓光中（1981—），男，山東費縣人，博士，副教授，主要從事土壤發生與土壤退化研究。E-mail：hanguangzhong@163.com

2016-06-13 ；

2016-10-05； 優先數字出版日期（www.cnki.net）：2016-10-28耕人為土磁性礦物也會受到上述過程的強烈影響，磁性在剖面中發生分異。從已有的研究結果來看，不同水分類型水耕人為土氧化還原電位（Eh）的季節性變化不同［23］，從而導致不同水分類型水耕人為土磁性剖面特征也有較大差異［24-25］。地表水型水耕人為土在水稻生長季節水耕表層呈還原態，而其下土體很長時間仍為氧化態；水稻收割后，土壤逐步落干，全剖面均呈氧化態［23］（圖1）。該類型水耕人為土剖面上、下層磁化率呈明顯分異［24］（圖1）。種稻后上層土壤（水耕表層，包括耕作層與犁底層）的磁化率值明顯降低，不同種稻年限土壤之間沒有明顯變化；種稻后下層土壤（犁底層之下的氧化還原層，不包括漂白層）磁化率沒有上層降低明顯，種稻超過100 a土壤剖面下層仍有較高的磁化率值。良水型水耕人為土一年中處于還原狀態的時間要遠超過地表水型（圖1），種稻后整個剖面的磁化率均有明顯降低，其中種稻只有50 a 土壤整個剖面磁化率值已經很低，之后隨著種稻年限的增加略有降低，但幅度不大（圖1）。但隨著種稻年限的加長，這兩種類型水耕人為土最終發育成結構相似的磁化率剖面構型。