湖南長沙地區第四紀紅土發育的水稻土在中國土壤系統分類中的歸屬

翟 橙， 周 清， 張偉暢， 馮 旖， 盛 浩，2， 歐陽寧相， 張楊珠，2

(1.湖南農業大學資源環境學院，湖南長沙 410128； 2.湖南農業大學土壤研究所，湖南長沙 410125)

通信作者：周 清，博士，教授，主要從事農業資源利用與遙感信息技術應用及水土保持研究。E-mail：61939295@qq.com。

水稻土是在植稻或以植稻為主的耕作制度下，經長期人為活動，使土壤發生一系列獨特變化而形成的一種土壤，是在土壤經常處于淹水還原、排水氧化、水耕黏閉，以及大量施用有機肥料等頻繁人為管理措施的影響下形成的[1]。水稻土是重要的耕地資源，對我國的糧食生產起重要的支撐作用。我國水稻土面積約為3 000萬hm2，占全國耕地面積的25.35%，占世界水稻土總面積的23.00%。我國水稻土因在不同生物氣候帶的廣泛分布而具有多樣性的特點，一方面具有在人為長期利用和管理條件下所形成的一系列共性，另一方面因受不同生物氣候條件和成土母質類型等自然因素的影響而不同程度地保留著各種母土或母質的特征[1]。

我國是最早研究水稻土的國家之一，早在20世紀30年代，朱蓮青首次提出水稻土剖面結構、層次劃分的方法[1]。龔子同依據水稻土形成的本質特點，按照氧化還原過程把水稻土劃分為氧化還原型、氧化型、還原型[2]，為后來的水稻土系統分類打下了堅實的基礎[3]。我國水稻土分類先后經歷了水分類型發生分類、地理發生分類和氧化還原發生分類等3個階段，許多研究者就水稻土發生學分類進行了深入的研究[4-6]。20世紀80年代以后，我國的土壤分類進入了以診斷層和診斷特性為基礎的系統分類階段，實現了從定性向定量的跨越[7]。近半個世紀以來，我國對水稻土理化性質的研究已經取得有效的進展，我國水耕土分類已經走在世界前列，雖然水耕土系統高級分類已很完善，但基層分類還處在基礎階段，在土系指標的定量化、命名等方面還沒有統一的標準[8]。當前，水稻土的基層分類和土系調查多集中在東部地區，其中包括長江三角洲[9]、浙江省[10-11]、福建省[12]、湖北省[13-14]、海南省[15]、四川省[16-17]等。水稻土的成土母質通過影響土壤質地使其發育和理化性質發生變化。顆粒大小級別和質地差異是水稻土基層分類的主要指標[18]，但目前在相同母質條件下，顆粒大小級別在水稻土基層分類指標中所起作用的相關研究仍較少，因此有待更深入的研究。

水稻土是湖南省重要的糧食、多種經濟作物的生產基地，稻田面積約為275.6萬hm2，占全省耕地面積的79%。本研究以長沙地區起源于第四紀紅土的水稻土為研究對象，探索類似起源土壤條件下的基層系統分類指標，建立代表性土族和土系，評述土系的生產性能，以期為當地農業生產和作物布

局提供基礎數據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況與成土環境

湖南省長沙市作為省會城市，位于湘江下游和湘瀏盆地的西緣，湖南省東部偏北地區(111°53′～114°15′E，27°51′～28°41′N)。全市轄芙蓉、天心、岳麓、開福、雨花和望城等6個城區，長沙、寧鄉等2個縣以及瀏陽市。長沙市屬典型的中亞熱帶濕潤季風氣候，氣候溫和，熱量豐富，降水充沛，陽光充足，日照長，四季分明，生長季長。年平均氣溫為17.2 ℃；1月平均氣溫最低，為4～5 ℃；7月平均氣溫最高，為29～31 ℃；≥10 ℃積溫達5 457 ℃；年平均日照時數為1 500～1 850 h；年平均降水量為1 361 mm。

長沙地區成土母質類型多樣，主要成土母質包括花崗巖風化物，板、頁巖風化物，砂巖風化物，第四紀紅色黏土，石灰巖風化物，紫色砂頁巖風化物，河湖沉積物等7類。主要土壤類型有紅壤、黃壤、水稻土、紫色土、潮土等。長沙地區典型水稻土的剖面空間分布見圖1。

1.2 樣品采集與室內分析

本研究參照《湖南土種志》[19]和《湖南土壤》[20]對第四紀紅土的描述與分類以及全國第2次土壤普查數據，結合母質分布圖、土地利用現狀圖、高程圖、交通圖等確定5個水稻土野外取樣點，其中第四紀紅色黏土的分布信息與剖面成土環境見表1。

在取樣點依照中西部土系調查《野外土壤描述與采樣手冊》挖掘標準土壤剖面，并根據土壤發生學理論進行分層，對土壤剖面進行描述，拍照記錄剖面及周圍景觀。

土壤容重的測定采用環刀法；機械組成的測定采用吸管法，質地分類參照美國農業部(United States Department of Agriculture)分類標準；pH值的測定采用電位法(液土體積比 2.5 ∶1)；陽離子交換量及交換性鹽基組成的測定采用乙酸銨交換法[陽離子交換總量的測定采用凱氏定氮法；交換性K+、Na+含量的測定采用火焰光度法；交換性Ca2+、Mg2+含量的測定采用乙二胺四乙酸(ethylene diamine tetraacetic acid，簡稱EDTA)滴定法]；土壤游離鐵含量的測定采用連二亞硫酸鈉-檸檬酸鈉-重碳酸鈉法[21]。根據經緯度、海拔推算土壤溫度，具體計算公式為：

Tsoil=55.89-0.645×緯度-0.004×海拔-0.153×經度[22]。

表1 采樣點概況

注：Ap1為耕作層；Ap2為犁地層；Br為水耕氧化還原層；Br1為鐵淀積層；Br2為錳淀積層；Br21為錳淀積層亞層；Br22為錳淀積層亞層；Brg為氧化還原層有潛育斑；B為淀積層；BC為B層到C層過渡層；C為母質層；C1、C2為母質層亞層。

2 結果與分析

2.1 土壤剖面的形態特征

表2表明，供試土壤剖面的潤態顏色色調分別為2.5Y、5Y、10YR，明度介于3～7，彩度介于1～8。土體較深厚，大多>1.3 m，除43-CS05、43-CS12剖面外，其他剖面耕作層(Ap1)較淺薄，僅12～14 cm，犁底層(Ap2)較厚且緊實，達 6～8 cm。犁底層容重是耕作層容重的1.09～1.70倍。剖面土壤結構發育明顯，以棱塊狀、團塊狀和塊狀為主，在結構體表面普遍存在黏粒膠膜、鐵錳膠膜和鐵錳斑紋，數量從很少量到大量，在水耕氧化還原層(Br)數量最為豐富，甚至出現少量到大量的鐵錳結核。土體中有少量瓦片、磚塊、瓷片等侵入體。土壤剖面有典型的水耕表層、水耕氧化還原層。

表2 供試土壤的剖面形態特征

注：ND表示沒有侵入體；10YR、2.5Y、5Y分別表示色調、明度、彩度。

2.2 土壤主要理化性質

從表3可以看出，土壤剖面無明顯礫石(巖石碎屑含量<5%)。顆粒分析表明，質地以壤土類為主，黏粒含量介于238～381 g/kg，剖面的黏化率介于0.80～1.38。從表4可以看出，5個剖面各個層次的水提pH值為5.0～7.1，根據相關標準規定[23]，剖面的控制層段的部分或全部pH值≥5.5，為非酸性。因此5個供試土壤為非酸性的。隨剖面加深，pH值整體呈升高趨勢。其中43-CS05剖面的pH值變異幅度較大，pH值為5.8～7.1，導致這一差異的原因一方面是受二元母質發育的影響(因該采樣點在第四紀紅色黏土和石灰性紫色砂巖風化物交錯地帶，屬第四紀紅色黏土和石灰性紫色砂巖混合母質)，另一方面與耕作精細和施肥習慣有關[1]。游離氧化鐵含量介于11.4～44.8 g/kg之間，平均值為29.0 g/kg。

2.3 供試土壤的診斷層與診斷特性

診斷層與診斷特性是土壤系統分類的基礎和依據。依據供試剖面野外描述與理化性質結果，參照《中國土壤系統分類檢索》(第三版)[24]有關診斷層、診斷特性及控制層段的定義，5個供試剖面都具備水耕表層和水耕氧化還原層等高級分類中的診斷層及相關診斷特性(表5)。

2.4 供試土壤在中國土壤系統分類中的歸屬

2.4.1 高級分類單元劃分 參照《中國土壤系統分類檢索》(第三版)對高級分類單元的劃分標準，檢索供試土壤的診斷層與診斷特性，5個剖面均屬于人為土土綱、水耕人為土亞綱。

表3 供試土壤的物理性質

5個典型水稻土剖面的水耕表層下均無灰色鐵滲亞層，因此均不屬鐵滲水耕人為土類。43-CS10剖面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，屬鐵聚水耕人為土類；43-CS05、43-CS06、43-CS09和43-CS12剖面均屬于簡育水耕人為土類。在鐵聚水耕人為土類中，43-CS10剖面無變性現象和潛育特征，剖面垂直60 cm土層范圍內也無漂白層，因此屬普通鐵聚水耕人為土亞類。在簡育水耕人為土類中，4個剖面均無變性、鹽積現象和人為復石灰作用，剖面垂直60 cm范圍內也無漂白層，因此43-CS05、43-CS06、43-CS09、43-CS12等4個剖面均屬普通簡育水耕人為土亞類(表6)。

2.4.2 基層分類單元劃分

2.4.2.1 土族劃分 參照《中國土壤系統分類(修訂方案)》土族和土系劃分標準[23]，土族控制層段為從診斷表下層的上界或從表土層、耕作層的下界往下至100 cm深處，或至淺于100 cm的根系限制層上界或石質接觸面。在劃定土族控制層段的基礎上，以供試土壤控制層段內的顆粒大小級別、礦物學類型、土壤溫度狀況以及石灰性的有無為依據進行土族劃分。

根據相關劃分標準[23]對研究區內5個典型水稻土剖面土族控制層段的土壤顆粒大小級別進行劃分(表7)。5個剖面>2 mm巖屑的含量均<25%，其中43-CS06剖面的土族控制層段沙粒含量≥55%，被劃分為沙質；43-CS05、43-CS09、43-CS10、43-CS12剖面的土族控制層段黏粒含量介于 20%～35% 之間，被劃分為黏壤質。對研究區內5個剖面土族控制層段的石灰性和土壤酸堿反應級別進行依次劃分，5個剖面均沒有鋁質和石灰性，43-CS05、43-CS06、43-CS09、43-CS10、43-CS12剖面控制層段的部分或全部pH值 ≥5.5，為非酸性。5個剖面的顆粒大小級別為沙質和黏壤質，因此從上到下查看適用于所有顆粒大小級別或沙質、黏壤質顆粒大小級別的礦物學類型，5個剖面均屬混合型。按張慧智等的方法[22]得到5個剖面50 cm土深處的土溫介于19.9～20.0 ℃ 之間，檢索土壤溫度狀況屬于熱性。現將所選的5個剖面劃為3個土族：43-CS05、43-CS09、43-CS12為黏壤質混合型非酸性熱性-普通簡育水耕人為土，43-CS06為沙質混合型非酸性熱性-普通簡育水耕人為土，43-CS010為黏壤質混合型非酸性熱性-普通鐵聚水耕人為土(表8)。

表4 供試土壤的化學性質

表5 供試土壤診斷層與診斷特性

表6 供試土壤在系統分類高級分類單元的歸屬

2.4.2.2 土系劃分 土系是土壤系統分類中最基層的劃分單元，是土壤的全息身份證，包含該類土壤的最基本信息。參照《中國土壤系統分類土族和土系建立的劃分標準》[23]，屬于不同亞類和不同土族，可劃分為不同的土系；屬于同一土族的，則須依據特定土層的深度和厚度、表層土壤的質地以及土系控制層段中巖石碎屑、結核、侵入體等特征的差異進行土系劃分。參照相關土系劃分標準[23]，供試土壤的土系劃分結果見表8。根據高級分類劃分標準，將供試土壤劃分為3個不同亞類，其中43-CS06與43-CS05、43-CS09、43-CS12屬于同一亞類但不同的土族，43-CS06的顆粒大小級別為沙質屬性，因此可劃分為不同的土系。43-CS10與43-CS06屬于不同土類，因供試土壤為普通鐵聚水耕人為土，因此可以被劃分為獨立的土系。43-CS05、43-CS09、43-CS12等3個剖面屬于同一亞類、同一土族，理論上可以被劃分為同一土系。但43-CS05與43-CS12特定土層深度不同，43-CS05的特定土層深度為100～150 cm， 而43-CS12的特定土層深度為 92 cm，在50～100 cm范圍內，被劃分為不同土系。43-CS09 在特定土層64～87 cm出現潛育現象，因此，將其劃分為不同的土系。因此，將5個剖面劃分為金鼎山系(43-CS05)、凌茯系(43-CS06)、羅巷新系(43-CS09)、白玉系(43-CS10)、馬戰系(43-CS12)。

表7 供試土壤土族控制層段內鑒別特征

表8 供試土壤土系劃分依據

3 討論

3.1 長沙地區第四紀紅土發育的水稻土在發生分類與系統分類中的參比關系

在發生學分類中，5個供試剖面分屬于人為土綱、水耕人為土亞綱、水稻土土類、潴育性水稻土亞類、紅黃泥土屬、紅黃泥、青膈紅黃泥土種。在系統分類中，5個剖面歸入人為土土綱、水耕人為土亞綱、鐵聚水耕人為土和簡育水耕人為土土類、普通鐵聚水耕人為土和普通簡育水耕人為土亞類，在基層單元上則分出3個土族和5個土系(表8)。因此從這5個第四紀紅土土壤的劃分中可看出，中國土壤發生分類與中國土壤系統分類呈不對應關系。土壤發生分類重視成土條件和推測的成土過程，忽略土壤本身的屬性，結果是把同一地區、同一母質處于不同發育階段的土壤都劃分為同一個土類或亞類[25]。而土壤系統分類是在遵循土壤發生學理論的基礎上，更為重視土壤本身性質，以定量的診斷層和診斷特性為依據，劃分土壤類型。

把長沙地區劃分為3個土族和5個土系，可清晰地反映土體在發育程度、物質組成等性質上的突變差異，在指導生產實踐中更具有現實意義。另外，基于中國土壤系統分類土族和土系的劃分標準，在類似母土/母質條件下，顆粒大小級別和質地層次差異是劃分土系的敏感指標。在長沙地區第四紀紅土發育的水耕人為土基層分類中土壤質地和顆粒大小級別仍具有重要意義。

3.2 長沙地區第四紀紅土發育的水耕人為土土族與土系的生產性能

土族和土系的劃分主要服務于生產實踐。在長沙地區所建立的3個土族及下設的5個土系，具有地勢平坦、分布面積較大的特點，是當地重要的稻—稻、稻—稻—油生產基地。田間排灌設施系統、完善，具有較好的農田水利基礎條件，通常是當地的高產田。耕層土壤結構良好，土質疏松，多以壤土為主，但底層土質黏重、緊實，不易漏水漏肥。供試土壤水耕表層大部分淺薄(僅為10～18 cm)，特別是凌茯系(耕層僅為 12 cm)。因此，應注重深耕深翻、加深耕層或種植根系生長力強的作物品種。其中金鼎山系、羅巷新系、馬戰系土壤耕作層呈非酸性反應，土壤條件較好，其余的土壤呈酸性反應，耕層的水提pH值<5.5，酸化嚴重，有必要因地制宜，施用石灰或堿性物質，提升耕層pH值。

土壤肥力是衡量土壤作為農業生產基地，進行農作物生產的重要指標[26]，是土壤的本質屬性和主要功能[25]，科學評價土壤肥力可以更好地利用土地資源，可為調整作物布局和科學合理地施肥提供依據。而土壤養分等肥力指標是土壤肥力的物質基礎，其豐缺狀況直接影響作物產量和品質[27-30]。參照第二次土壤普查的水田土壤生產性能評價標準[24]，高產水稻土有機質含量在2.5%～3.8%之間，屬于有機質含量高的高產水稻土。由表9可知，長沙地區所建立的5個土系耕層剖面有機質豐富，其含量在23.90～45.50 g/kg范圍內，其中羅巷新系有機質含量極高，為45.49 g/kg；馬戰系有機質含量適宜，為23.90 g/kg；其他3個剖面有機質含量高，在30.00～40.00 g/kg范圍內。耕層全氮含量的變化范圍為0.76～2.13 g/kg，其中43-CS05和43-CS06耕層的全氮含量較低，應增施氮肥，分別增加土壤氮的供應強度和有效性。其他土壤剖面的氮肥含量很高，均屬“極高”級別，生產中應考慮適當減少氮肥投入。耕層全磷含量變化范圍為 0.73～2.03 g/kg，其中43-CS05、43-CS10、43-CS12全磷含量較低，低于 1 g/kg，表明土壤磷的供應潛力不足，適量施用磷肥對防止土壤磷素的缺乏具有很好的防范作用；43-CS06、43-CS09 耕層的全磷含量大于1g/kg說明該研究區土壤磷豐富。土壤剖面耕層的鉀肥含量范圍為13.08～41.13 g/kg，含量約為1%～4%。43-CS05耕層全鉀含量低于2%，低于湖南省全鉀含量的平均水平[20]， 應及時施用鉀肥， 其他剖面耕層的全鉀含量大于2%，應減少鉀肥的投入[31]。

表9 供試土壤剖面養分的平均含量

4 結論

在長沙地區第四紀紅色黏土條件下，按照我國土壤系統分類方案，在水耕人為土亞綱下檢索出鐵聚水耕人為土和簡育水耕人為土2個土類，普通鐵滲水耕人為土和普通簡育水耕人為土2個亞類，劃分出3個土族和5個土系。在同一地區，類似母質發育土壤的基層分類上，系統分類的定量化指標比發生分類的定性化指標更為敏感，能劃分出更多的基層土壤類型，其中顆粒大小級別和質地層次差異是劃分土系的敏感指標。

我國土壤系統分類可有效地將第四紀紅色黏土發育水耕人為土的生產性能體現出來，對當地農作物生產和土壤改良具有指導意義。

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