華北山地土壤CaCO3含量/石灰反應垂直分布特征及其發生學解釋*

李 超 張鳳榮? 王秀麗 鄭亞楠 張天柱 謝 臻 靳東升

（1 中國農業大學土地科學與技術學院，北京 100193）

（2 河南農業大學資源與環境學院，鄭州 450002）

（3 山西省農業科學院農業環境與資源研究所，太原 030006）

黃土降塵是地球表層地氣系統物質交換的一種形式，該過程有著重要的環境指征意義，并在現代地表土壤的演化方面扮演著重要的角色。長時期的降塵沉積可能是現存表土的重要來源。已有研究表明，華北地區黃土降塵普遍存在，是表層土壤的重要來源，我國的黃土高原就是二三百萬年以來，源自中國西北部和中亞內陸的沙漠和戈壁的沙塵沉積的結果［1］。降塵對土壤的作用主要是為土壤提供了大量細礦物質顆粒和一些營養元素，特別是向土壤表層輸入了碳酸鈣。土壤CaCO3含量作為土壤性質的重要指標，對土壤的形成和發育、維護植物正常生長具有重要意義［2-4］。

國內外相關學者圍繞降塵對土壤性質的影響展開了大量研究［5］。降塵增加了土壤中的細礦物質顆粒、土壤孔隙度和保水、保肥性，加速了高山土壤的發育和演化［6］。Tiessen等［7］研究表明來自撒哈拉沙漠的塵埃造成加納北部土壤堿性陽離子飽和度較高。Reynolds等［8］、Mctainsh和Strong［9］的研究表明降塵攜帶有豐富的礦質營養元素，可對土壤肥力產生重要影響，進而影響植被、生物群落和整個生態系統的穩定性。Mizota等［10］的研究則為日本、朝鮮不同母質上形成的原生土在土壤發育期間摻入的細石英的風積起源提供了有力證據，日本土壤顆粒幾乎不含Ca2+，而當顆粒含一定量的Ca2+，這些顆粒最可能的來源地就是中國的沙漠或黃土高原。關欣等［11］研究表明降塵是造成荒漠風沙區自然土壤積鹽及形成黏粒層的重要途徑。有研究顯示，美國內華達州和澳大利亞一些受地下水影響地區的土壤中存在的鈉化層也是由含鈉降塵造成的［5］。文倩等［12］研究表明降塵對區域土壤的機械組成、土壤積鹽、土壤肥力等物理、化學和生物性狀具有重要影響。

碳酸鈣是干旱區-半干旱區土壤的重要組成礦物，CaCO3含量是反映該區域土壤形成發育程度的重要標志之一。相關研究表明，碳酸鹽在黃土中的淋失程度取決于當地的水熱條件，碳酸鈣通常積聚在年降雨量＜100 mm的地區［13］，在土壤濕度和植物根系活動均很低的干旱季節，碳酸鹽能夠快速地沉淀下來［14］；在美國大平原中東部地區，當年均降雨量超過650 mm時，表土層（0～25 cm）就不再含有碳酸鈣［15］；中國北方粉塵源區表土CaCO3含量在水平空間上隨緯度大致呈自西向東逐漸降低的趨勢［16］。張鳳榮等［17］及王秀麗等［18］研究發現北京花崗巖上發育的土壤也有石灰性反應，證實是受風成黃土影響所致，進一步說明了華北地區黃土降塵普遍存在，是土壤物質的重要來源。但有關我國黃土降塵區山地土壤CaCO3含量垂直分布特征及其發生學解釋方面的報道還較為罕見。為此，本文對北京市和山西省257個山地典型土壤剖面土壤CaCO3含量及石灰反應進行統計分析，并與海拔高度、成土母質、生物氣候條件等因素進行相關分析，旨在揭示華北山地黃土降塵區土壤環境條件對CaCO3含量或石灰性反應的影響。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與分析

在分析整理華北地區有關土壤調查和研究資料的基礎上，依據北京市和山西省1︰20萬地質圖、第二次全國土壤普查成果，考慮成土母質的差異性，在丘陵（＜500 m）、低山（500～800 m）、中山（800～3 000 m）、高山（＞3 000 m）等不同海拔高度區域設置了257個剖面點（圖1）。各剖面點土壤環境信息如表1所示。

圖1 土壤剖面點位置及石灰反應分布圖Fig. 1 Distribution map of the studied soil profiles and lime reaction

表1 不同海拔高度剖面點的土壤環境信息Table 1 Environmental information of the studied soil profiles relative to elevation

按照《野外土壤描述與采樣手冊》［19］，挖掘土壤剖面（寬1.2 m×深1.2～1.5 m或至基巖出露面），觀察成土因素、劃分發生層次和描述剖面形態。

采集的發生層土樣經風干、去雜、比色、研磨、過不同孔徑篩后，分別測定機械組成、pH、CaCO3含量、陽離子交換量（CEC）、鹽基飽和度（BS）、全鹽量和交換性鈉飽和度（ESP）。其中，土壤機械組成采用吸管法測定；pH采用電位法測定，水浸提（水土比2.5︰1）；CaCO3含量采用氣量法測定［20］。

根據《中國土壤系統分類檢索（第三版）》［21］和《中國土壤系統分類土族和土系劃分標準》［22］確定各剖面的土壤系統分類歸屬。

1.2 統計方法

數據處理和統計分析采用Microsoft EXCEL 2013和IBM Statistics SPSS23.0進行，異常值剔除按照“平均值±3倍標準差”方法［23］。利用SPSS 23.0，采用單樣本Kolmogorov-Smirnov非參數檢驗（簡稱“K-S檢驗”，α=0.01）對257個剖面點的各土壤粒徑含量進行正態分布檢驗，并對不符合正態分布的統計數據進行轉換［24-25］。用變異系數來量化符合正態分布的257個剖面點的各土層粒徑含量的空間變異程度［26］。

2 結 果

2.1 土壤基本理化特征

257個剖面點的表土理化性質測定結果：pH均值為7.84，CaCO3含量均值為19.67 g·kg-1，交換性鹽基離子以 Ca2+為主，鹽基均呈飽和狀態。由各剖面表層土壤顆粒組成可以看出，土壤顆粒組成以粉粒為主，粉粒（0.05～0.002 mm）含量高達37.40%～73.19%，平均含量為54.35%，其次為砂粒（2～0.05 mm），黏粒（＜0.002 mm）含量最低，大都在 10%～30%左右。這與我國黃土顆粒組成中以粉粒為主的基本特征相似，與有關學者所做的塵粒在空氣中懸浮和搬運性能的實驗結果［27-28］也相吻合。說明各剖面點表土大都具有與黃土性質相似的基本物理性質［18］，表土的形成與黃土降塵有關。由各土樣黏粒、粉粒、砂粒含量變異系數可以看出，華北黃土降塵山地表土顆粒組成變異性為黏粒＞砂粒＞粉粒，粉粒含量變異系數＜15%，變異水平較低；砂粒和黏粒含量的變異系數均＞30%，達到中等變異水平。砂粒、黏粒較高的變異程度，一是由于其含量低，二是受各剖面點的成土母質差異影響造成；而粉粒的低變異性也再次證明了各剖面點表土母質來源主要為黃土降塵。砂粒、粉粒、黏粒含量的K-S檢驗結果說明它們來源相同。

由于華北地區冬春季多發大氣干沉降過程，其黃土物質來源于我國西部、北部的沙漠和戈壁地區，黃土降塵物質中富含碳酸鈣，例如2006年4月16—18日的浮塵天氣過程中北京市的降塵量高達20 g·m-2，且CaCO3含量大致為76.8 g·kg-1，這也是華北降塵地區表土碳酸鈣的主要來源之一［29-30］。

依據野外用稀鹽酸測定石灰反應（泡沫）程度和實驗室測定CaCO3含量結果，257個剖面點中，82個無石灰反應，62個為輕度石灰反應，45個為中度石灰反應，63個為強石灰反應，49個為極強石灰反應。CaCO3含量范圍為0.1～251.3 g·kg-1，平均含量為 56.1 g·kg-1，變異系數為 76.93% ，屬高變異水平，具有良好的分異性。

表2 剖面點的表土顆粒組成分布特征Table 2 Mechanical composition of the topsoils of the soil profiles

為了分析不同海拔高度表層及表層以下各發生層（深至150 cm）土樣CaCO3含量的分布特征，借助ArcGIS軟件空間分析功能，將257個剖面點位置信息與高程圖進行疊加分析（圖1），按照海拔高度、成土母質等差異，對257個剖面點表層及表層以下各發生層的石灰反應強度、CaCO3含量測定結果進行分類匯總、統計分析，結果表明：（1）海拔大于1 500 m的中山和高山地區，合計有58個剖面點，雖然成土母質分別為不同時期黃土、花崗巖、紫色砂頁巖或石灰巖的風化殘-坡積物等，但這些剖面通體均無石灰反應，實驗室測定CaCO3含量介于0.1～2 g·kg-1。（2）海拔介于500～1 500 m中山和低山地區，合計有131個剖面點，通體具有石灰反應，但石灰反應強度、CaCO3含量受成土母質類型的影響，分異特征明顯，表現為：①花崗巖發育的土壤（49個剖面點），其通體多具有輕度-中度石灰反應，CaCO3含量介于9.92～70.36 g·kg-1，平均為28.69 g·kg-1；②馬蘭黃土、鈣質紫色砂巖、石灰巖等發育的土壤（82個剖面點），其通體多具有中度-強石灰反應，CaCO3含量介于2.2～251.3 g·kg-1，平均為79.40 g·kg-1。（3）海拔小于500 m丘陵地區，合計有68個剖面點，可能是受微地形條件和人為干擾等因素影響，土體中CaCO3含量和石灰反應無明顯分布規律。

2.2 不同海拔高度對土壤CaCO3含量分布的影響

為了探討不同海拔高度對土壤CaCO3含量分布的影響，選取位于不同海拔高度的11個典型剖面點，從發生學角度分析影響華北地區不同海拔高度山地土壤CaCO3含量分異特征的因素。各土壤剖面點所處的地貌和地形部位相似，均位于華北地區不同海拔高度的山坡上，按海拔高度分屬低山（高程＜500 m）、中山（高程介于800～3 000 m）和高山（高程＞3 000 m），其中海拔最低的為位于北京市延慶縣八達嶺滑雪場的八達嶺系，高程為650 m；海拔最高的為位于山西省五臺縣臺懷鎮北臺頂的北臺頂系，高程為3 050 m。成土母質類型包括黃土、花崗巖、石灰巖、紫色砂巖風化殘-坡積物等，均為華北地區主要的成土母質類型，各剖面顆粒組成分析結果顯示均含有大量粉粒，說明土壤的形成和發育過程受到黃土降塵影響。各剖面點的土壤環境特征如表3所示，隨著海拔高度的升高，降雨量、氣溫、植被類型等生物氣候條件分異明顯，植被類型由低山地區指示半干旱半濕潤區的旱生灌草，逐漸過渡為中山和高山地區指示濕潤區的喬木林和草原性草甸植被，基本可反映華北山地不同海拔區域典型植被類型的梯度變化特征。

由各剖面點的生物氣候條件可以看出：隨著剖面點所處海拔高度的升高，降雨量增大、氣溫降低，土壤溫度狀況由溫性逐漸過渡為寒凍/寒性，土壤水分狀況由半干潤逐漸過渡為濕潤/潮濕，植被也變茂密。

由各剖面點的土壤CaCO3含量、石灰反應和pH可以看出：隨著調查剖面所處海拔高度的升高，土壤中CaCO3含量、石灰反應強度、pH呈逐漸降低的趨勢。

1）位于海拔較高地區（海拔＞1 500 m）的北臺頂系、嶺底系、荷葉坪系、東臺溝系、靈山落葉系、靈山系，剖面通體均無石灰性反應，且CaCO3含量＜2 g·kg-1，pH介于6～7.1。其土壤環境條件為降雨量＞600 mm、寒凍/寒性土壤溫度狀況、潮濕/濕潤土壤水分狀況、植被茂密。

2）位于海拔較低地區（海拔介于500～1 500 m）的坪地川系、上東村系、左家灘系、青龍橋系和八達嶺系，通體均具石灰性反應，且CaCO3含量＞2 g·kg-1，pH介于7.6～8.2。其土壤環境條件為降雨量＜600 mm，冷性/溫性土壤溫度狀況、半干潤土壤水分狀況、植被較稀疏。

根據CaCO3淋溶淀積原理，當CaCO3遇到溶有CO2的水時，CaCO3會反應生成溶解性較大的重碳酸鈣：CaCO3+CO2+H2O=Ca(HCO3)2，而使CaCO3發生淋洗；反之，水分減少或CO2分壓降低時，溶解的重碳酸鈣就會重新生成碳酸鈣沉積下來（Ca（HCO3）2=CaCO3↓+CO2↑+H2O）。CaCO3的淋溶強度及淀積深度受水熱條件的制約，一般而言，土壤濕潤期越長，淋溶強度越大，CaCO3的淋洗深度越深，反之則淺。高山地區降雨量大，且溫度較低，使得土壤相對濕度增加，植被較好，水分地表徑流少，土壤中CaCO3與水和CO2作用形成重碳酸鈣向下垂直淋洗，特別是在高溫多雨的夏季，土壤有機碳的礦化速率和生物呼吸速率均較高，從而提高了土壤空氣中CO2的分壓，CaCO3的淋洗較強烈［31］，導致表土和表下層各層土壤均不具石灰反應。因此，生物氣候條件是造成華北山地較高山（海拔大于1 500 m）與較低山（海拔小于1 500 m）地區間土壤CaCO3含量分異的主導因素，華北山地中山和高山地區（海拔大于1 500 m）無論何種成土母質，土壤中均不含碳酸鈣，無石灰反應。

由表2和表3可以看出，海拔小于1 500 m中山和低山地區不同母質類型的上東村系、坪地川系、左家灘系、八達嶺系和青龍橋系CaCO3含量差異明顯，上東村系、坪地川系和左家灘系等發育于馬蘭黃土和鈣質的石灰巖、紫色砂巖的土壤，通體CaCO3含量均較高，具有中等-強石灰反應；而八達嶺系和青龍橋系等發育于非鈣質的花崗巖的土壤，通體CaCO3含量均較低，具有輕度石灰反應。這是由于海拔小于1 500 m中山和低山地區，降雨量較少、溫度較高，且蒸發量大，致使土壤干燥、土壤濕潤期短，土壤CaCO3與水作用形成重碳酸鈣的時間較短，不利于碳酸鈣淋洗；同時，由于這些地區通常植被覆蓋較差，水分表面徑流大，土體受土壤侵蝕影響較嚴重，使得馬蘭黃土鈣質石灰巖、紫色砂巖等成土母質出露地表，造成上東村系、坪地川系、左家灘系等具有較強石灰反應。因此，成土母質差異是造成華北山地中山和低山地區（海拔介于500～1 500 m）內土壤CaCO3含量分異的主導因素。

表3 代表性調查剖面點的土壤環境特征Table 3 Soil environmental characteristics of the representative soil profiles

表4 代表性調查剖面點表層土壤基本性質Table 4 Basic properties of topsoil of the representative soil profiles

3 討 論

黃土降塵為華北山地表土輸入了CaCO3，中國北方年均降塵量約136.98 t·km-2［34］，中國粉塵源區表土CaCO3含量的均值約為118.4 g·kg-1［16］，說明黃土降塵向華北山地表土輸入的最高CaCO3含量大致為118.4 g·kg-1。但不同海拔高度的降雨量和土壤濕度差異，導致土壤CaCO3淋溶強度和含量差異明顯。以本研究中77個花崗巖發育的土壤剖面為例，其表土CaCO3含量和環境因子進行的統計分析表明：在海拔高度大于1 500 m中山和高山地區，降雨量大于600 mm，CaCO3淋溶強度較大，土壤中 CaCO3殘留量小于等于2 g·kg-1，CaCO3淋失量大于等于16.4 g·kg-1；而在海拔介于500～1 500 m中山和低山地區，降雨量一般介于400～600 mm，CaCO3淋溶強度較弱，土壤中 CaCO3殘留量大于等于2.2 g·kg-1，CaCO3淋失量小于等于116.2 g·kg-1。

以往有關華北山地土壤發生與分類的研究，或在土壤地理發生學思想指導下過于強調生物氣候條件是土壤發生過程中的主導作用，弱化了母質的影響［32］。但也有一些研究又過分強調了母質在土壤發生過程中的主導作用，弱化了生物氣候條件的影響［33］。本文認為，華北黃土降塵地區，尤其是山地區，在研究土壤發生和分類時，生物氣候條件和成土母質一定要兼顧考慮。淋溶過程強弱導致的土壤CaCO3含量/石灰反應分布差異是該地區的典型發生學特征之一，不同海拔高度起主導作用的因素有所不同：在海拔大于1 500 m中山和高山地區，降雨量一般大于600 mm，淋溶條件較強，生物氣候條件對土壤中CaCO3含量/石灰反應起主導作用，CaCO3含量一般介于0.1～2 g·kg-1；而在海拔介于500～1 500 m中山和低山地區，降雨量較低，一般介于400～600 mm，淋溶條件不強，土壤普遍具有石灰反應，成土母質對土壤中CaCO3含量/石灰反應起主導作用，生物氣候條件的影響居于次要地位，CaCO3含量一般介于2.2～251.3 g·kg-1。

257個剖面點的表土理化性質測定結果表明，各剖面點表土大都具有與風成黃土相似的基本物理性質，進一步證實了華北地區黃土降塵普遍存在，說明黃土降塵是華北地區土壤物質的重要來源，對于土壤形成產生了重要作用。因此，在研究華北山地土壤成土過程時，除考慮傳統的母質、地形、氣候、生物、時間五大成土因素外，還應增加地質因素，尤其是將現代黃土降塵這個地質過程予以重點考慮。

本文所選用的82個無石灰反應剖面點（58個海拔大于1 500 m剖面點，24個海拔小于1 500 m剖面點）的土壤理化性質測定結果表明均含微量或少量CaCO3（多低于2 g·kg-1），這主要可能是該地區不斷的黃土降塵補充影響。

本文僅在設定或假定土壤發育不受海拔以外其他成土因素影響的前提下，就黃土降塵在不同海拔高度下引起的土壤CaCO3含量/石灰反應的變化情況進行了對比分析，但實際上土壤形成過程一定是受多因素綜合作用，而其他地形因子（如坡度、坡位、坡向、地形起伏度等）、成土時間、土地利用等人為活動對土壤CaCO3和石灰反應的影響，將在今后的研究中予以探討。

4 結 論

黃土降塵為華北山地表土輸入了CaCO3，但由于海拔高度不同，其土壤濕度存在差異，導致土壤CaCO3淋溶程度和含量上差異明顯。海拔大于1 500 m中山和高山地區，溫度較低，降雨量較強，土壤濕度較大，植被條件較好，地表徑流少，CaCO3淋洗強，土壤通體無石灰反應，生物氣候條件對CaCO3含量/石灰反應起主導作用。而海拔介于500～1 500 m中山和低山地區，溫度較高，降雨較少，土壤濕度較低，植被覆蓋度較低，CaCO3淋洗弱，土壤普遍具有石灰反應，成土母質對土壤中CaCO3含量/石灰反應起主導作用，生物氣候條件的影響居于次要地位。