貴州后寨河小流域典型土壤系統分類研究

趙文軒，陸曉輝，劉玉晶，陳清霞，牟葉果

（1.貴州師范大學地理與環境科學學院，貴州 貴陽 550025；2.貴州省喀斯特山地生態環境國家重點實驗室培育基地，貴州 貴陽 550001）

土壤是自然環境的重要組成部分，是十分珍貴的自然資源和農業生產資料［1］。土壤分類可以反映土壤學的發展水平，在土壤調查、評價等方面具有重要作用，同時也為土地利用和農業生產活動提供依據［2，3］。目前，我國土壤分類正處于發生分類與系統分類并存階段，以診斷層和診斷特性為依據具有定量化特點的系統分類是土壤分類學研究的主流，可以更好地促進交流［4］。河南［5］、浙江［6］、四川［7］、江蘇［8］、湖北［9］、北京［10］、廣東［11］等省市都已開展了包括土壤基層分類單元在內的土壤系統分類調查，基層分類單元一直是近年來土壤分類研究的熱點之一。

貴州省地處中國西南喀斯特地區，碳酸鹽巖分布面積廣大，約占全省總面積的62.10%［12］。境內地貌類型復雜多樣，峰叢洼地、谷地、峰林、漏斗、落水洞等喀斯特地貌廣泛發育，地勢起伏較大，植被類型以亞熱帶常綠闊葉林為主，植物種類豐富［13］。貴州喀斯特地區復雜的成土環境對土壤的發育和類型演化產生重要的影響。章明奎等［14，15］對貴州第四紀紅色黏土發育土壤和山地垂直帶的土壤進行了系統分類研究；姚玉才等［16］對貴州的水田和草地土壤進行了土壤類型的劃分；寧婧等［17］研究了石灰土在系統分類中的歸屬。以上研究主要集中于貴州土壤在系統分類中高級分類單元的歸屬，而關于基層分類單元劃分的研究尚處于起步階段，缺乏相應的研究資料。因此，本研究選定貴州典型喀斯特地區后寨河小流域為對象，分析其成土環境與土壤發生特征的關系，確定其在系統分類中的歸屬，以推動貴州喀斯特地區系統分類基層分類單元的研究進程，更好地服務于喀斯特山區土地資源利用和生態系統的恢復與重建。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

后寨河小流域位于貴州省安順市普定縣，為高原型喀斯特小流域，屬于長江流域，地理坐標為105°40′43″～105°48′02″E，26°12′29″～26°17′15″N，海拔一般在1 100～1 400 m之間，為亞熱帶季風濕潤氣候，季風交替明顯，年均降水量為1 378.2 mm，年均氣溫為15.1℃，無霜期可達300天。地貌類型多樣，從上游到下游依次出現峰叢洼谷地－峰林盆地－峰林臺地（溶原）；巖石主要為三疊紀關嶺組碳酸鹽巖；流域內地下河發育廣泛，具有獨特的水文二元結構［18］。土壤以石灰土、黃壤、水稻土為主；植被有柏木（Cupressus funebris）、香椿（Toona sinensis）、木蘭（Magnolia liliflora）、月月青（Iteailicifolia）、火棘（Pyracantha floruneana）等，農作物以水稻（Oryzasativa）、玉米（Zea mays）為主［19］。

1.2 樣品采集與分析

根據第二次土壤普查結果及研究區地貌、母巖、土地利用方式等信息，在研究區選擇9個典型剖面（表1）進行土壤采集工作。按照《野外土壤描述與采樣手冊》［20］，記錄剖面的形態特征，并進行土壤的石灰反應測試，“自下而上”分層采集土壤樣品，將土樣帶回實驗室風干研磨后備用。

表1 供試土壤的成土環境

依據《土壤調查實驗室分析方法》［21］和相關標準［22］，進行土壤理化性質分析。具體如下：土壤顏色采用門賽爾比色卡比色，機械組成測定采用比重計法，質地分類采用美國制（USDA）分類法，土壤pH值采用電位法測定（土水比1:2.5），有機碳、全氮含量采用德國vario MACRO cube常量元素分析儀測定，陽離子交換量（CEC）采用三氯化六氨合鈷浸提分光光度法測定，交換性鹽基采用乙酸銨交換法測定，游離氧化鐵含量采用DCB浸提比色法測定，礦物組成測定采用X射線衍射法。

2 結果與分析

2.1 土壤剖面形態特征

由表2可知，供試土壤剖面潤態顏色的色調為7.5YR、10YR、2.5Y、5Y，明度為3～6，彩度為1～8，顏色以淡棕、棕色（7.5YR5／6、10YR4／4）為主，同一剖面不同層次間顏色差異較小。除剖面HZ1、HZ2和HZ7外，其余剖面土壤厚度均達1 m以上，耕作層（Ap1）厚度介于15～21 cm之間。土壤結構為塊狀和團粒狀，其中團粒狀主要出現在表層。HZ1、HZ3、HZ6、HZ8及HZ9出現銹紋銹斑或鐵錳斑紋，表明剖面具有氧化還原特征。供試剖面黏粒含量為21.30%～77.00%，HZ6剖面黏粒含量最高，土壤較為黏重。土壤質地為壤黏土、黏土、重黏土、粉沙質黏壤土、粉沙黏土等。粉黏比為0.19～2.66，土壤黏化率為0.44～3.27。經測試供試剖面均無石灰反應。

表2 供試剖面形態特征和機械組成

表2（續）

2.2 土壤化學性質

由表3可知，各發生層土壤pH值介于4.64～8.32之間，平均值為6.35，其中HZ6的所有土層pH值均小于5.50。土壤CEC為3.29～26.43 cmol／kg，平均值為11.83 cmol／kg，剖面HZ4的CEC整體偏低，最小值也出現在該剖面，為3.29 cmol／kg；土壤黏粒CEC的范圍為7.80～89.52 cmol／kg，在37個土層中有22個土層黏粒CEC＜24 cmol／kg，占全部樣品的59.46%，其中剖面HZ8各層黏粒CEC均低于24 cmol／kg。有機碳含量為2.33～71.40 g／kg，有機碳主要在表層積累，其含量大致呈現出隨深度增加而逐漸減小的趨勢，其中HZ6剖面表層有機碳含量＜6.5 g／kg。土壤碳氮比介于3.33～14.62之間，平均值為8.52，均低于17。游離Fe2O3含量在25.25～109.27 g／kg之間，平均值為45.89 g／kg，最大值出現在剖面HZ8，所有土層游離Fe2O3含量＞20 g／kg。土壤鹽基飽和度為10.48%～93.41%，平均值為53.44%。

表3 供試土壤的化學性質

表3（續）

2.3 不同成土環境下土壤理化性質的差異

將土壤的理化指標進行匯總，求算數平均并進行統計（表4）。結果表明，石灰巖風化物發育土壤的pH值、黏粒CEC值、有機碳、鹽基飽和度及粉黏比的均值均高于第四紀紅色黏土發育土壤，兩種母質發育土壤的pH值變異系數均較低，其中石灰巖風化物發育土壤的pH值變異系數為11.49%，第四紀紅色黏土發育土壤的為18.49%，空間變異性較小。石灰巖風化物形成的土壤有機碳含量變異系數為72.82%，分布不均衡；土壤游離Fe2O3和黏化率平均值分別為37.23 g／kg和1.15，低于第四紀紅色黏土。

表4 不同母質發育土壤的理化性質

由表5可知，峰叢洼谷地土壤pH值較高，黏化率較低；峰林盆地土壤pH值較低，黏化率較高，但在峰叢洼谷地、峰林盆地和峰林臺地3種地貌類型中，土壤pH值和黏化率尚未達到顯著差異。峰叢洼谷地土壤黏粒CEC、有機碳、鹽基飽和度的平均值分別為36.85 cmol／kg、25.25 g／kg和72.55%，顯著高于峰林盆地和峰林臺地。峰叢洼谷地土壤游離Fe2O3含量的平均值為34.17 g／kg，顯著低于峰林盆地與峰林臺地。峰林臺地土壤的粉黏比（0.66）顯著低于峰叢洼谷地（1.10）。

不同土地利用方式下土壤pH值、黏粒CEC、有機碳含量存在顯著差異（表5）。旱地土壤pH值為5.68，顯著低于水田和自然地。自然地中土壤黏粒CEC和有機碳含量分別為44.19 cmol／kg、25.15 g／kg，顯著高于旱地和水田。土壤游離Fe2O3含量、鹽基飽和度、粉黏比及黏化率在不同土地利用方式間尚未達到顯著差異。

表5 不同地貌類型和土地利用方式下土壤理化性質的差異

2.4 診斷層及診斷特性

根據《中國土壤系統分類檢索（第三版）》［23］，對研究區土壤剖面進行檢索，結果表明，9個剖面共包括以下幾種診斷層和診斷特性（表6）：

表6 供試土壤的診斷層和診斷特性

診斷層包括：（1）診斷表層：剖面HZ7土體厚度為67 cm，表層土厚度為30 cm，有機碳含量為28.47 g／kg，鹽基飽和度＞50%，土壤顏色、厚度等均滿足暗沃表層要求；剖面HZ5土體厚度為120 cm，表層土厚度為45 cm，有機碳含量為19.13 g／kg，土壤顏色、厚度均滿足暗沃表層要求，但鹽基飽和度＜50%，屬于暗瘠表層；HZ2土體厚度＜75 cm，表層土厚度＜18 cm，有機碳含量和顏色與暗沃表層相同，但厚度條件不滿足，另HZ1、HZ4、HZ8的表層土壤顏色滿足淡薄表層的顏色要求，以上剖面屬于淡薄表層；HZ3、HZ6、HZ9耕作層與犁底層厚度＞18 cm，具有人為滯水土壤水分狀況，土體具有銹斑，符合水耕表層的鑒定要求。（2）診斷表下層：HZ1的診斷表下層厚度＞10 cm，底部位于土表以下25 cm，土壤質地為壤黏土，未有明顯黏化現象，不符合其他土層的條件，屬于雛形層；HZ4、HZ8診斷表下層厚度＞30 cm，土壤質地較細，DCB浸提游離氧化鐵＞20 g／kg，黏粒CEC＜24 cmol／kg，具有低活性富鐵層；HZ2、HZ4、HZ5、HZ8的部分土層黏化率＞1.2，HZ7的上覆土層總黏粒含量為40%～60%，下層總黏粒的絕對增量≥8%，符合黏化層的要求；HZ3、HZ6、HZ9有上界位于水耕表層底部，厚度＞20 cm，具有銹斑和塊狀結構的診斷表下層，具備水耕氧化還原層。

診斷特性包括：（1）土壤溫度狀況：根據相關文獻［24］的估算方法進行計算，研究區土壤溫度滿足系統分類檢索中熱性土壤溫度狀況的要求；（2）土壤水分狀況：依據研究資料［25］，將研究區除水田之外的區域劃分為濕潤土壤水分狀況，水田為人為滯水水分狀況；（3）碳酸鹽巖巖性特征：HZ2在125 cm范圍內有石質接觸面，所有土層鹽基飽和度＞50%，pH值＞5.5；（4）潛育特征：HZ3長期處于水分飽和狀態，土壤發生強烈氧化還原反應；（5）氧化還原特征：HZ1、HZ3、HZ6、HZ8、HZ9均具有銹斑或鐵錳斑紋；（6）均腐殖質特性：HZ1、HZ2、HZ3、HZ4、HZ5、HZ6、HZ7的腐殖質儲量比均＜0.4，有機質碳氮比＜17；（7）腐殖質特性：HZ2、HZ4、HZ5、HZ7、HZ8、HZ9的診斷表層腐殖質含量較高，向下逐漸減少，在100 cm范圍內土壤有機碳總儲量大于12 g／kg；（8）鐵質特性：以上9個剖面的診斷表下層（B層）部分DCB浸提游離氧化鐵均＞20 g／kg。

2.5 土壤分類與參比

2.5.1 高級分類單元歸屬 按照《中國土壤系統分類檢索（第三版）》［23］，依據供試剖面診斷層和診斷特性，將9個剖面歸屬為5個土綱（雛形土、淋溶土、人為土、富鐵土、均腐土），5個亞綱（濕潤雛形土、濕潤淋溶土、水耕人為土、濕潤富鐵土、濕潤均腐土），8個土類，8個亞類（表7）。

2.5.2 基層分類單元劃分 依據中國土壤系統分類土族和土系的劃分標準［26］，確定各剖面控制層段內的土族鑒別特征（表8）。供試剖面控制層段內的巖屑含量均＜25%，根據黏粒含量的加權平均值，土壤顆粒大小級別分別歸為黏壤質、黏質、極黏質，其中HZ4存在強對比顆粒大小級別，為黏質蓋黏壤質。供試剖面的礦物學類型主要為混合型，其中HZ6的伊利石含量為48.60%，屬伊利石混合型，HZ7中綠泥石含量為32.93%，屬綠泥石混合型。供試剖面均無石灰性反應，HZ6、HZ8控制層段內pH值均＜5.5，屬酸性反應，其余剖面均存在pH值＞5.5的層次，屬非酸性反應。9個供試剖面土壤溫度等級均為熱性。研究區剖面共劃分為9個土族；按照土壤的性質差別及土系劃分要求，將9個土族進一步劃分為9個土系，具體名稱如表7所示。

表7 供試土壤在系統分類中的歸屬

表8 供試土壤的土族鑒別特征

2.5.3 供試土壤的分類參比 目前，我國土壤分類仍處于發生分類與系統分類并存階段，第二次土壤普查收集的資料是以發生分類為基礎，且系統分類是以發生分類的原理為指導［3，27］，但發生分類缺乏定量化的標準。因此將兩者進行參比研究，可以在一定程度上促進我國土壤科學研究成果的相互轉化和土壤科學自身的發展［28］，同時也可以完善研究區的土壤資料，更好地應用于實際生產活動。現將本研究中9個供試剖面的發生分類與系統分類進行參比，結果如表9所示。

表9 供試土壤系統分類與發生分類的參比

3 討論

3.1 成土環境對土壤特性的影響

母質是巖石風化的產物，土壤對母質的特征具有一定的繼承性［29］。石灰巖風化物發育的土壤往往會保留母質的一些特征，由于石灰巖風化物中的OH－及Ca2＋、Mg2＋等鹽基離子含量偏高，對酸具有一定的緩沖作用，所以土體pH值較高，而第四紀紅色黏土形成于溫暖濕潤的氣候背景下［30，31］，土壤發育程度較高，淋溶作用明顯，大量鹽基離子淋失，H＋、Al3＋等致酸離子相對增加，導致土壤pH值降低，土體呈酸性。石灰巖風化物形成土壤的膠體吸附的陽離子（K＋、Na＋、Ca2＋、Mg2＋、H＋、Al3＋等）總量整體偏高，土壤中的黏粒CEC要高于第四紀紅色黏土發育土壤的黏粒CEC，這也從側面反映了第四紀紅色黏土的肥力較低。由于土壤中鹽基離子占陽離子總量的大部分，所以石灰巖風化物形成土壤的鹽基飽和度基本＞50%，而第四紀紅色黏土形成土壤主要呈鹽基不飽和狀態。研究發現，土壤中的氧化鈣含量是影響土壤有機碳積累的重要因素［32］，石灰巖風化物中存在多種形態的鈣，會明顯影響土壤有機碳的礦化，促進有機碳的積累，尤其以交換態和有機結合態鈣最為明顯，因此石灰巖風化物形成的土壤中有機碳含量相對較高，這與胡樂寧等［33］的研究結果相一致。第四紀紅色黏土形成土壤的風化強度較高，土層較厚，土壤脫硅富鐵鋁化現象明顯，土壤中鐵有明顯的聚集現象，游離Fe2O3含量相對高于石灰巖風化物形成的土壤，同時其風化淋溶作用強烈也是導致其黏粒含量增多、黏化率偏高、粉黏比值較低的重要原因。

研究區地貌類型按照峰叢洼谷地－峰林盆地－峰林臺地（溶原）的順序演化發育［18］。峰叢洼谷地土壤的風化淋溶強度相對低于峰林盆地和峰林臺地，大量鹽基離子得以保留，所以土壤中的黏粒CEC、有機碳含量及鹽基飽和度顯著高于峰林盆地和峰林臺地土壤。峰林臺地土壤由于發育程度高，淋溶作用顯著，鐵氧化物聚集明顯，所以土壤游離Fe2O3含量顯著高于峰叢洼谷地，粉黏比顯著低于峰叢洼谷地。另外研究發現，黏粒含量與游離Fe2O3含量呈極顯著正相關（r＝0.460），且絕大部分游離鐵氧化物存在于黏土礦物中［34］。峰林盆地和峰林臺地土壤的黏粒含量分別為21.30%～77.00%、37.32%～73.60%，相對高于峰叢洼谷地，這也是導致峰林盆地和峰林臺地土壤游離Fe2O3顯著高于峰叢洼谷地的重要原因。

旱地土壤pH值顯著低于水田和自然地，這可能是由于部分旱地采樣點位于第四紀紅色黏土分布區，進而導致土壤pH值偏低。自然地土壤有機碳含量和黏粒CEC均值分別為25.15 g／kg、44.19 cmol／kg，顯著高于旱地和水田。這是因為土壤有機碳主要來源于動植物殘體，自然地中的枯枝落葉在土壤表層累積，使得土壤有機碳含量增多并呈現隨土層加深而逐漸降低的趨勢［35］；同時自然地土壤幾乎不受人為擾動影響，風化淋溶強度相對低于耕地土壤，土壤中的陽離子淋失較弱，土壤膠體吸附了許多離子態養分［36］；即使離子態養分轉換為溶解態被植物吸收后也會經植物殘體分解重新進入土壤，而耕地土壤受人類生產活動的影響明顯，栽培的農作物基本被人類取走，可供進入土壤的有機殘體較少，土壤風化淋溶強烈，黏粒所吸附的陽離子減少，土壤保肥性較差，因此其土壤有機碳含量及黏粒CEC顯著低于自然地土壤。

3.2 土壤系統分類與發生分類的參比

本研究中，9個供試土壤剖面在土壤發生分類中分別歸為石灰土、黃壤、水稻土3個土類，黃色石灰土、黃壤、淹育型水稻土、潛育型水稻土4個亞類，而在系統分類中則將其分別歸屬為8個土類、8個亞類（表7）。淹育型水稻土、潛育型水稻土分別對應系統分類中的普通簡育水耕人為土和普通潛育水耕人為土兩個亞類；發生分類中的黃色石灰土亞類在系統分類中分別歸屬為普通鐵質濕潤雛形土、腐殖鈣質濕潤淋溶土、腐殖鐵質濕潤淋溶土、普通黏化濕潤均腐土4個亞類；黃壤則對應系統分類濕潤富鐵土亞綱中的腐殖簡育濕潤富鐵土、腐殖黏化濕潤富鐵土2個亞類。發生分類中的4個土屬在系統分類中則劃分為9個土族（表9）。由此可見，發生分類與系統分類并不是一一對應的關系，相對于發生分類而言，系統分類能夠更加準確、細致地區分土壤類型，減少異土同名現象，但基于土壤發生演變規律的發生分類思想對系統分類診斷標準的建立也產生了重要影響。

4 結論

貴州省后寨河小流域土壤發生特性與成土環境密切相關，石灰巖風化物形成土壤的發育程度相對低于第四紀紅色黏土，其土壤pH值、黏粒CEC、有機碳含量、鹽基飽和度、粉黏比均高于第四紀紅色黏土，而游離Fe2O3含量和黏化率則低于第四紀紅色黏土。峰林盆地和峰林臺地的土壤黏粒CEC、有機碳含量、鹽基飽和度顯著低于峰叢洼谷地，土壤Fe2O3含量則顯著高于后者。旱地土壤pH值顯著低于其他利用方式下的土壤，自然地土壤黏粒CEC、有機碳含量顯著高于其他利用方式土地。

根據中國土壤系統分類的診斷標準，9個供試土壤剖面被劃歸為5個土綱（雛形土、淋溶土、人為土、富鐵土、均腐土）、5個亞綱、8個土類、8個亞類、9個土族和9個土系，在一定程度上為貴州省土壤系統分類尤其是基層分類單元的研究提供了數據支撐。土壤系統分類與發生分類參比表明，兩者屬于不同的分類體系，并不是簡單地一一對應關系，借鑒發生學分類原理和思想的系統分類能夠更加精準地區分土壤類型和方便交流。