中國北方第四紀黃土發育土壤鐵錳結核形成環境及空間分布*

王秋兵 蔣卓東 孫仲秀

（沈陽農業大學土地與環境學院，農村農業部東北地區土壤與環境重點實驗室，遼寧省農業資源與環境重點實驗室，沈陽 110866）

土壤鐵錳結核是土壤中常見的一種新生體形態［1-2］，是土壤形成過程的產物［3］，在土壤環境化學反應中扮演著十分關鍵的角色［4］，是劃分土壤類型的重要依據［5］。鐵錳結核對于pH、Eh和水分等周圍環境變化的反映十分敏感，記錄著區域土壤水分狀況、土壤發育過程以及環境變化等多種重要信息［6-8］。因此，研究土壤鐵錳結核具有很高的科學價值。

鐵錳結核是在土壤發育過程中土壤環境干濕交替的產物，鐵錳氧化物在漬水條件下還原為Fe2+和Mn2+，隨著土壤溶液遷移，又在土壤變干時氧化淀積，長期的干濕交替下，形成鐵錳結核并逐漸增大［9］。一般認為，鐵錳結核的形成與地形、母質等因素關系密切，存在鐵錳結核的土壤主要分布在地勢低平、地下水位較淺的地區，土壤形成受地下水位的強烈影響，成土母質多為河流沖積物、湖積物、坡積物等，屬于隱域土［10-12］；而位于地下水位較深的高平地，不會有鐵錳結核的存在，通常將這些土壤稱為地帶性土壤。然而，在我國東北地區土壤調查過程中發現，在位于高平地、地下水位較深的第四紀黃土狀母質發育土壤中通常能夠看到鐵錳結核的分布［13-14］，這與傳統認識的土壤與景觀關系相矛盾。目前，其形成機制尚不明確，有專家認為是現代成土條件下的產物，有專家認為是古土壤中存在的產物，這在該地區土壤分類過程中造成了很多困擾［15-16］。在我國第二次土壤普查時使用的地理發生學分類體系，主要依據生物氣候條件和地理環境等成土條件來劃分土類，忽視了剖面的形態和發育，未能體現出鐵錳結核對于分類的影響；而中國土壤系統分類以診斷層和診斷特性為基礎，更加注重強調土壤本身性質，土壤中鐵錳結核的存在符合診斷特性中的氧化還原特征，影響土類及亞類的劃分［17］。對于土壤鐵錳結核的研究，目前主要集中于熱帶、亞熱帶地區鐵錳結核的結構、元素組成和變化等方面［18-19］，缺少對于溫帶地區鐵錳結核的形成及空間分布規律的研究。因此，為科學劃分土壤類型，對溫帶地區具有鐵錳結核土壤的空間分布規律和形成環境開展研究顯得十分必要。

為了摸清我國溫帶地區地帶性土壤中鐵錳結核空間分布規律，本文以我國北方10省（市、區）為研究區域，選擇位于高平地、發育在第四紀黃土狀物質的土壤為研究對象，以實地調查研究成果和收集整理全國第二次土壤普查資料為研究材料，探討存在鐵錳結核土壤的空間分布特征，為進一步研究該地區土壤鐵錳結核的形成機理奠定基礎，同時也為該地區土壤科學分類提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于我國北方溫帶濕潤半濕潤地區，地理位置為34°～53°N和97°～134°E之間，行政范圍包括黑龍江、吉林、遼寧、內蒙古、北京、天津、河北、山西、山東、河南等10個省、自治區和直轄市（圖1）。研究區經緯度跨度大，水熱條件的空間分布差異非常顯著，年平均氣溫為-4～16℃，年均降水量為100～1 400 mm，由沿海向內陸逐漸形成了濕潤、半濕潤、半干旱、干旱的干濕區［20］。研究區有大面積的第四紀黃土狀物質沉積，土壤類型的地理空間變化也十分明顯，由北向南分布著棕色針葉林土、暗棕壤、棕壤和褐土；自東向西分布著黑土、黑鈣土、栗鈣土、棕鈣土、灰鈣土、灰漠土和棕漠土。

1.2 樣點的布置

圖1 樣點分布圖Fig. 1 Spatial distribution of sampling points

本文采集土壤剖面共計345個（如圖1所示）。樣點來自兩個方面：一是由實地調查而來（130個剖面），二是來自全國第二次土壤普查資料［21-24］（215個剖面）。所有樣點選擇母質為第四紀黃土狀物質，地處穩定的高平地，包括階地、臺地、崗地的頂部，不受地下水影響。

1.3 土壤剖面調查

實地調查主要由本課題組完成，部分由科技部國家科技基礎性工作專項“我國土系調查與《中國土系志》編制”項目組提供，各樣點均按照中國科學院南京土壤研究所《野外土壤描述與采樣規范（第一版）》進行野外景觀和土壤形態描述；對第二次全國土壤普查資料［21-24］的土壤剖面，收集整理采樣地點、景觀描述和土壤形態特征，保證母質類型一致，景觀部位相近，并根據資料中采樣點地理位置信息，結合地形地貌圖等輔助資料，確定樣點位置并獲取其經緯度。對所有供試土壤，重點考察土壤是否存在鐵錳結核，并記錄鐵錳結核在土壤剖面出現的初始深度。

1.4 數據處理

各土壤剖面的大氣溫度、降水量、地溫等數據來自中國氣象局中國氣象科學數據共享服務網（http://data.cma.cn），仔細篩選和剔除氣象數據與區域氣候特點差異較大的海拔極端的氣象站數據后選擇783個氣象站點的1981—2010年的日值數據，包括各個氣象站的經緯度、氣溫、地溫以及降水量等數據。本文根據Henry［25］的方法定義地表土壤溫度≤ 0℃確定土壤凍結狀態，并以此為標準計算土壤凍結天數和春季土壤凍融交替天數。土壤凍結天數為1981—2010年每年從7月1日至次年6月30日的日平均地溫低于0℃的天數之和的累年平均值，春季土壤凍融交替天數為1981—2010年每年1月1日至6月30日地溫在0℃左右波動的天數之和的累年平均值。運用ArcGIS 10.2空間分析模塊中的反距離權重（IDW，Inverse Distance Weighted）插值工具進行空間插值得到中國北方溫帶地區10個省份的年平均氣溫、降水量、土壤凍結天數和春季土壤凍融交替天數的空間分布圖。

2 結 果

2.1 鐵錳結核在地理空間的水平分布特征

本研究供試土壤中有74個剖面存在鐵錳結核，占供試土壤剖面的21.5%，如圖2a所示。研究發現存在鐵錳結核的剖面分布于研究區域的東部（41.19°～49.01° N，120.82°～133.37° E），集中于黑龍江、吉林、遼寧等地，在北京、山東等地也有少量分布，在其他地區的供試土壤中尚未發現有鐵錳結核存在，呈現出“北多南少、東多西少”的地理分布特點。進一步分析可以看出，供試土壤中存在鐵錳結核的74個剖面均分布在年均降水量350 mm以上的地區。年均降水量在350～400 mm、400～500 mm、500～600 mm、600～700 mm、700～800 mm及800 mm以上的區域，存在鐵錳結核的剖面分別為3個、12個、36個、9個、12個和2個，分別占存在鐵錳結核剖面總數的4.1%、16.2%、48.6%、12.2% 、16.2%和2.7%（圖2b）。供試土壤存在鐵錳結核的74個剖面均分布在年均氣溫1℃以上地區。年均氣溫在1～3℃、3～5℃、5～7℃、7～9℃、9～11℃及11℃以上的區域，存在鐵錳結核的剖面分別為9個、29個、24個、6個、4個和2個，分別占存在鐵錳結核剖面總數的12.2%、39.2%、32.4%、8.1%、5.4%和2.7%（圖2c）。由此可見，供試土壤中存在鐵錳結核的土壤剖面主要分布于年均氣溫1～9℃，年均降水量400～800 mm的中溫帶濕潤半濕潤氣候地區，占研究區域內所有存在鐵錳結核剖面的86.5%。

我國北方溫帶地區有廣泛的多年凍土和季節性凍土分布，供試土壤存在鐵錳結核的74個采樣點剖面均分布在土壤凍結天數100 d以上的地區。土壤凍結天數在100～130 d、130～160 d、160～190 d、190～220 d及220～250 d的區域，存在鐵錳結核的剖面分別為2個、的區域僅有2個、1個、14個、56個和1個，分別占存在鐵錳結核土壤剖面總數的2.7%、1.4%、18.9%、75.6%和1.4%（圖3a）。供試土壤中存在鐵錳結核的74個剖面均分布在春季土壤凍融交替天數50 d以上的地區。春季土壤凍融交替天數在50～60 d、60～70 d、70～80 d及80～90 d的區域，存在鐵錳結核的剖面分別為15個、49個、8個和2個，分別占存在鐵錳結核土壤剖面總數的20.3%、66.2%、10.8%和2.7%（圖3b）。由此可見，研究區域內鐵錳結核的分布隨土壤凍融交替天數及土壤凍結天數的變化產生了較大的差異性，即供試土壤中存在鐵錳結核剖面集中分布于春季土壤凍融交替天數為50～70 d，土壤凍結天數為160～220 d的區域，該區域主要位于遼寧省中部及東北部地區、吉林省和黑龍江省南部地區，氣候類型為溫帶濕潤半濕潤氣候，在該區域內位于高平地、黃土母質發育土壤中存在鐵錳結核剖面共63個，占該區域所有供試土壤剖面的55.3%，占研究區內所有存在鐵錳結核土壤剖面的85.1%。

圖2 土壤鐵錳結核在地理空間的水平分布特征Fig. 2 Distribution of sample points with Fe-Mn nodules

圖3 研究區30年（1981—2010）平均土壤凍結天數（a）和春季土壤凍融交替天數（b）空間分布Fig. 3 Spatial distribution of the mean number of soil freezing days (a) and mean number of soil freezing and thawing alternation of days in spring (b) for 30 years from 1981 to 2010 in the study area

2.2 鐵錳結核在土壤剖面中的垂直分布特征

本研究供試土壤中鐵錳結核出現初始深度在0～15 cm、15～30 cm、30～45 cm、45～60 cm、60～75 cm、75～90 cm及90～105 cm的剖面分別為39個、10個、13個、1個、4個、3個和4個，分別占存在鐵錳結核剖面總數的52.7%、13.5%、17.6%、1.4%、5.4%、4.1%和5.4%。

3 討 論

3.1 鐵錳結核形成環境

鐵錳結核作為成土過程中氧化還原作用的產物，以往研究認為存在鐵錳結核的土壤所處地形部位較低，常常為低洼地、河間地、溝谷地、河流兩岸、湖泊周圍以及坡麓等地下水水位較淺的地區，其形成主要原因是地下水水位升降造成頻繁的氧化還原交替。而實地調查發現在我國北方溫帶濕潤地區位于高平地、發育在第四紀黃土狀物質的土壤中有大量鐵錳結核存在，這可能與該地區氣候特點密切相關。該地區在秋季氣溫較低、降水豐富、潛在蒸散量較低，土壤含水量較高，為土壤鐵錳結核的形成提供了良好的水分條件。在深冬時節，土壤溫度逐漸穩定在0℃以下時，隨著土溫從地表向下逐漸降低，凍層厚度和總含水率逐漸增加［26-27］，同時土體下部的水分受到水汽壓和溫度梯度的影響向上遷移，土壤中液態水和氣態水向凍結層的下界面運移、聚積、凝結，即“凍后聚墑”現象［28］，形成了緊實的凍結層，因而該階段土壤水分的蒸散量較低，土壤水分損耗較小。在翌年春季土壤凍融交替期，由于受到太陽輻射等因素的影響，造成土壤表層溫度在0℃左右波動，從而引起水的相變，土壤表層出現晝融夜凍的凍融交替循環現象，該期間內土壤凍融交替主要發生在表層0～15 cm深度范圍內，而深層土壤不會經歷凍融交替，仍維持凍結狀態［29］；由于我國北方溫帶濕潤地區春季土壤凍融交替持續時間在兩個月以上，土壤表層經歷持續時間較長的凍融交替，有利于氧化還原反應交替進行，因而很多供試土壤剖面表層就有鐵錳結核存在。在土壤融化期隨著氣溫的回升，土體表層受太陽輻射作用增強，地表融化逐漸加深，同時土體下部受到地熱作用的影響，凍層從上、下部逐漸向中間融化。由于凍土層具有明顯的減滲作用［30］，在土體沒有化透之前，凍土層便成為減緩融化層水分下滲的滯水層，導致融化層與凍土層之間的界面處于飽和土壤水分狀況，暫時形成了漬水的還原環境，促進了鐵錳氧化物的還原和移動［31］。東北地區早春表層土壤普遍存在的“返漿現象”與此有關。隨著凍結層逐漸融化，土體內滯水層消失，土壤滲透性增強，上部土層因水分含量降低而轉變為氧化環境，還原態的Fe2+和Mn2+被氧化而淀積下來。同時，隨著溫度的回升，土體內微生物活性和化學反應速率均逐漸增大［32］，有利于鐵錳氧化物的遷移、聚積以及鐵錳結核的形成。可見春季土壤凍融交替對我國北方溫帶濕潤地區位于高平地、發育在第四紀黃土狀物質的土壤鐵錳結核的形成和分布具有強烈影響。

在年均降水量小于350 mm的區域尚未發現有鐵錳結核的剖面，在年均降水量小于400 mm的區域僅在兩個剖面中發現鐵錳結核。該區域主要位于內蒙古地區，主要氣候類型是中溫帶干旱半干旱氣候，氣候干燥，降水量遠小于蒸發量，并且干旱程度向西逐漸加劇［33］，所以位于高平地的土壤中水分含量常年處于較低水平，冬季土壤呈“干凍”狀態，早春凍融交替時節土體內不能形成滯水層，上部土層很少處于漬水的還原狀態，氧化還原交替次數較少，很難出現還原態的Fe2+和Mn2+遷移聚積［34-35］，不利于鐵錳結核的形成。在年均氣溫11℃以上的北京市、天津市、河北省南部地區、山西省南部地區、山東省、河南省北部等地的第四紀黃土狀物質發育土壤存在鐵錳結核的土壤剖面比例很小，這主要是由于受到緯度等因素影響，氣候溫暖（屬暖溫帶），冬季土壤結凍時間短，凍層深度淺，春季氣溫較高且氣候干燥，凍融交替時間短暫，凍土層很快消失，不利于滯水層的形成，因而不利于氧化還原交替和鐵錳結核的形成。在年均氣溫1℃以下的地區也尚未發現存在鐵錳結核的剖面，這是由于該地區位于內蒙古自治區東北部和黑龍江省北部的大興安嶺、小興安嶺山區，成土母質主要是基巖風化的殘積物、坡積物，而發育在第四紀黃土狀物質的土壤分布很少［36-37］。

3.2 鐵錳結核形成時間

該地區土壤表層存在大量鐵錳結核，這可能主要為現代成土環境的產物。本研究供試土壤剖面均處于氣候較為濕潤且不受地下水位影響的高平地，并且調查土壤深度在1 m左右，假設土壤形成環境為現代氣候條件，且不考慮土壤侵蝕和堆積作用對土壤發育的影響。該地區鐵錳結核初始出現的深度集中在0～15 cm深度范圍內，這是由于表層土壤溫度受氣溫影響較強，在白天土壤解凍而下層土壤仍維持凍結狀態，在解凍層和凍結層接觸面因土壤水分飽和而形成還原環境，在夜晚溫度降低表層土壤凍結轉化為氧化環境，頻繁的晝融夜凍造成的氧化還原交替為鐵錳結核的形成創造了必要條件［38］。此外，早春土壤解凍從表層開始，隨氣溫升高逐漸加深，直至凍土層完全化通，因此，上層土壤，特別是表層土壤每年經歷的凍融交替時間較長，土壤獲得氧化還原交替的頻數較多，更有利于鐵錳結核的形成；相反，下層土壤每年經歷的凍融交替時間相對較短，土壤獲得氧化還原交替的頻數較少，不利于鐵錳結核的形成。此外，表層土壤鐵錳結核較多，可能與土壤侵蝕有關。表層土壤易受侵蝕影響，特別是在起伏較大的地形部位，在土壤遭受侵蝕過程中，細粒物質往往先被侵蝕遷移［39］，顆粒相對較大的鐵錳結核在土壤中殘留并在土壤表層呈現出富集現象。

不排除一些地區的土壤鐵錳結核是過去環境條件的產物（古土壤）。在一些深厚黃土剖面中發現大量土壤鐵錳結核，這與黃土逐漸沉積加厚、沉積與成土作用同時進行的這一特點有關［40-41］。新沉積的黃土處于地表，土壤經歷著頻繁的凍融交替變化，土體內氧化還原交替作用有利于鐵錳結核的形成。隨著黃土沉積厚度逐漸增大，土壤凍結層逐漸上移，當黃土沉積厚度超過當地凍層深度時，下層土壤便脫離凍融交替的影響，因而也不利于鐵錳結核的形成。由于鐵錳結核的形成過程是不可逆的，底層土壤原來已形成的鐵錳結核（可視為古土壤）仍殘留在土體內，因而在深厚土壤剖面的不同層次均有數量不等的鐵錳結核分布。

3.3 鐵錳結核地理分布

土壤分布可以分為地帶性土壤和非地帶性土壤［42］。地帶性土壤是指土壤形成過程主要受生物、氣候等地帶性因素制約而呈現帶狀分布的土壤，主要分布于高平地以及低山丘陵地區；非地帶性土壤是指土壤形成過程中母質、地形、地下水等地方性性成土因素起主要作用的土壤［43］。傳統土壤學對于土壤鐵錳結核形成環境及地理分布的研究多集中于非地帶性土壤中［44-45］，并認為其形成主要原因是地下水位升降引起的氧化還原電位頻繁變化，主要出現在低平原、洼地、河流兩岸、湖泊周圍或山谷、緩坡坡麓等地區，與地形部位等地方性因子有關，而與氣候等地帶性因素無關，因此把存在鐵錳結核的土壤歸類為非地帶性土壤，并且通常把土壤是否具有鐵錳結核作為標志特征來判定微域成土環境。然而本研究在我國溫帶地區位于高平地的地帶性土壤中發現有大量鐵錳結核的存在，并且呈現出地帶性分布規律。由此可見，鐵錳結核的形成不僅僅受微域地形條件的影響，也可以廣泛分布在冷涼濕潤的溫帶地區地下水位較深的高平地，同樣具有地帶性土壤分布特征。這一結果改變了人們對于土壤類型地理分布的傳統認識，豐富了土壤地理學理論。

4 結 論

我國北方位于高平地、發育在第四紀黃土狀物質土壤中鐵錳結核具有明顯地帶性分布規律，主要分布年均氣溫1～9℃，年均降水量400～800 mm，春季土壤凍融交替天數50～70 d的我國東北溫帶濕潤地區，呈現出“東多西少、北多南少”的地理分布特點。該地區供試土壤中超過1/2的存在鐵錳結核剖面在表層土壤0～15 cm內有鐵錳結核出現，這與我國北方溫帶濕潤地區春季土壤表層凍融交替頻繁且持續時間較長有密切關系。研究結果表明該地區土壤鐵錳結核形成與分布受到該地區降水量豐富、冬季漫長且春季土壤凍融交替持續時間較長等氣候環境因素的強烈影響。

致 謝 本研究得到科技部國家科技基礎性工作專項“我國土系調查與《中國土系志》編制”（2008FY110600、2014FY110200）項目組的幫助，在此表示感謝。