劉 剛，許文年，蔡崇法，劉普靈，楊明義，張 瓊

（1.三峽大學(xué) 三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 宜昌443002；2.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌712100；3.華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)業(yè)部長江中下游耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430070）

土壤的形成過程漫長并且復(fù)雜，很難對其進(jìn)行觀測，而通過研究土壤年齡序列則可以有效地對土壤發(fā)育過程進(jìn)行定量研究［1－2］。土壤年齡序列是指在相似植被、地形、氣候和母質(zhì)條件下土壤理化特征隨時(shí)間因子發(fā)生變化［3］，它一方面可以通過土壤剖面對土壤理化特征進(jìn)行長時(shí)間序列研究，另一方面還可以將土壤之間的空間差異轉(zhuǎn)化為時(shí)間差異。土壤年齡序列對于成土速率和土壤發(fā)育方向具有非常好的指示作用，并且為檢驗(yàn)土壤發(fā)生學(xué)理論提供了寶貴的信息。近些年來，許多學(xué)者對土壤年齡序列進(jìn)行了研究，大部分土壤年齡序列研究表明：土壤屬性與時(shí)間符合線性、冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)、對數(shù)函數(shù)關(guān)系［2，4－5］，而雙曲線、多項(xiàng)式或非線性函數(shù)不僅可以改進(jìn)擬合效果，而且有助于提出對成土系統(tǒng)的新認(rèn)識，但土壤年齡函數(shù)的選擇既要符合客觀實(shí)際，又要有相應(yīng)的理論作為依據(jù)。當(dāng)土壤屬性—時(shí)間關(guān)系方程確定后，y截距可以被用來重建時(shí)間零點(diǎn)時(shí)的土壤屬性［6］。

黑壚土剖面是黃土高原地區(qū)保存較為完整的全新世土壤剖面，可以為研究全新世氣候環(huán)境演變提供重要信息。目前對于黑壚土剖面土壤年齡序列的研究較多［7－9］，但相應(yīng)的土壤年齡函數(shù)卻較為少見。本研究對陜西洛川全新世黑壚土剖面土壤理化特征及土壤14C年齡進(jìn)行研究，通過構(gòu)建并選擇土壤年齡函數(shù)，增強(qiáng)對土壤形成和發(fā)育過程的認(rèn)識，從而為預(yù)測土壤修復(fù)速率提供理論依據(jù)［2］，同時(shí)為土壤發(fā)育模型的建立提供數(shù)據(jù)支撐［10］。

1 材料與方法

研究剖面位于陜西省洛川縣京兆鄉(xiāng)京兆村（35°42.561′N，109°23.952′E），本地區(qū)屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，年平均溫度9.2℃，年降雨量622 mm。剖面所處地形為平坦塬面，周圍長有蘋果樹。在地表挖開2.0m深剖面，用剖面刀對剖面進(jìn)行整理，使得剖面各發(fā)生層清晰可見，接著用皮尺測量各發(fā)生層的深度，同時(shí)觀察各發(fā)生層特征，并作記錄、拍照。黑壚土剖面特征如表1所示。

表1 土壤剖面特征

表2 土壤剖面各采樣層14C年齡

在采集剖面樣品時(shí)，首先清理剖面表層土壤，防止被污染土壤混入樣品中，然后以10cm為一層，自上而下將各剖面分為連續(xù)的20層（表2），接著用環(huán)刀采集每一層土壤容重樣品，用塑料鏟子采集500g左右土壤樣品裝入密封袋中并編號帶回實(shí)驗(yàn)室。

本實(shí)驗(yàn)中采集的所有土壤樣品送至中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所加速器質(zhì)譜中心，完成土壤14C年齡樣品的測量工作。該中心擁有的主要設(shè)備包括一臺3MV的多核素分析加速器質(zhì)譜儀及其樣品制備系統(tǒng)，其現(xiàn)代樣品的14C測量精度優(yōu)于0.5%，可達(dá)0.2%～0.3%。

本實(shí)驗(yàn)使用英國馬爾文公司生產(chǎn)的Mastersizer—2000型激光粒度儀測量土壤顆粒粒徑，使用雷磁公司PHBJ—260型酸度計(jì)測定樣品pH值，采用重鉻酸鉀容量法—外加熱法測量土壤有機(jī)質(zhì)含量，采用氣量法測定土壤中CaCO3含量，使用美國PE公司生產(chǎn)的ZL—5100型原子吸收分光光度計(jì)測量土壤中Mn，F(xiàn)e，K，Na，Ca，Mg元素含量，使用國產(chǎn) UV—VIS8500II型紫外可見分光光度計(jì)測量土壤中P元素含量。土壤Zr元素，送至中國原子能研究所進(jìn)行處理與測量。

本研究采用最為常用的［2，6］線性函數(shù)（Y＝a＋bX）、對數(shù)函數(shù)（Y＝a＋blnX）和三階多項(xiàng)式（Y＝a＋bX＋cX2＋dX3）構(gòu)建黑壚土年齡函數(shù)，通過比較各擬合函數(shù)的決定系數(shù)（r2），輔以理論指導(dǎo)來選擇土壤年齡函數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤顆粒粒徑分布

通過對該剖面土壤顆粒粒徑進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，各層土壤中黏粒（＜0.002mm）、粉粒（0.002～0.02mm）和砂粒（0.02～2mm）均隨土壤年齡發(fā)生變化，利用線性函數(shù)、對數(shù)函數(shù)與三階多項(xiàng)式對其關(guān)系進(jìn)行擬合，其結(jié)果如表3所示。由表3可知，利用三階多項(xiàng)式對不同土壤顆粒組成和土壤年齡進(jìn)行擬合效果最佳，其決定系數(shù)均遠(yuǎn)大于線性函數(shù)和對數(shù)函數(shù)擬合的結(jié)果。

表3 不同土壤顆粒組成與土壤年齡回歸結(jié)果

圖1 不同土壤顆粒組成隨土壤年齡變化及其三階多項(xiàng)式擬合曲線

這與一些學(xué)者的研究結(jié)果并不一致，Bockheim［2］和Merritts等［11］認(rèn)為，土壤黏粒含量與土壤年齡存在較好的對數(shù)關(guān)系，而Barrett［12］的研究結(jié)果表明土壤粉粒含量與土壤年齡線性相關(guān)。究其原因，可能是由于本研究剖面中存在黑壚土層，其黏粒和粉粒含量均高于上下層土壤，而砂粒含量低于上下層土壤（圖1）。黑壚土層中的黏粒增加不是從覆蓋土層淋洗淀積形成，而是土體內(nèi)部風(fēng)化作用的產(chǎn)物。因?yàn)槭倚酝寥烂撯}以前有大量鈣和鎂，帶負(fù)電荷的硅酸鹽黏粒與鈣、鎂作用而凝聚，凝聚的黏粒不發(fā)生機(jī)械淋洗。但從圖1中可以看出，黑壚土層風(fēng)化程度較輕，粘化作用較弱，這是受到水熱條件限制的結(jié)果。三階多項(xiàng)式從理論和實(shí)際的角度［6］較好地反映了該剖面中存在黑壚土層這一特征，因此可以作為土壤顆粒組成的年齡函數(shù)。

2.2 土壤有機(jī)碳、CaCO3和pH值

由表4可以看出，利用三個(gè)函數(shù)對土壤有機(jī)碳含量和土壤年齡進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)其決定系數(shù)均在0.8左右，二者相關(guān)性較高。但線性函數(shù)和三階多項(xiàng)式函數(shù)與y軸截距分別為0.57和0.60，這與實(shí)際情況并不相符，其值至少大于0.6（圖2a）。因?yàn)殚L有植被的土壤剖面頂部有機(jī)質(zhì)含量往往最高，向下迅速減小，至一定深度后有機(jī)質(zhì)含量減小速率變緩［13］。

唐克麗和賀秀斌［14］的研究亦表明洛川黑壚土剖面有機(jī)質(zhì)隨土壤年齡變化符合這一規(guī)律。因此，對數(shù)函數(shù)表明土壤表面有機(jī)碳含量無限接近于實(shí)測值1.68是符合客觀規(guī)律的，可以將其作為土壤有機(jī)碳含量的年齡函數(shù)。

表4 不同土壤屬性與土壤年齡回歸結(jié)果

利用線性函數(shù)和對數(shù)函數(shù)對土壤CaCO3含量與土壤年齡進(jìn)行擬合，其決定系數(shù)分別為0.74和0.59，但y軸截距分別為－2.97和－0.15（表4），而土壤中CaCO3含量不可能為負(fù)值，因此這兩個(gè)函數(shù)不能反映土壤CaCO3含量變化規(guī)律。三階多項(xiàng)式擬合曲線則較好地反映了土壤CaCO3含量與土壤年齡之間的關(guān)系，其決定系數(shù)為0.85，并且曲線變化趨勢反映出了剖面表層土壤受到淋溶作用而導(dǎo)致CaCO3在下層發(fā)生淀積（圖2b），且黑壚土層CaCO3含量最低。唐克麗和賀秀斌［14］和趙景波等［15］的研究結(jié)果同樣表明CaCO3在黃土剖面上層受到淋溶作用而在下層發(fā)生淀積的趨勢，因此三階多項(xiàng)式符合理論及實(shí)際情況。

對數(shù)函數(shù)對土壤pH值和土壤年齡的擬合結(jié)果最好，決定系數(shù)為0.90。對數(shù)曲線的變化趨勢（圖2c）反映了土壤剖面受到淋溶作用導(dǎo)致堿化作用在土壤形成初始階段便很快發(fā)生，pH值在土壤表面迅速增大，而其下層pH值增大速率則減緩。這一結(jié)果與大多數(shù)學(xué)者的研究結(jié)果相似［16－17］。

圖2 土壤有機(jī)碳含量、碳酸鈣含量、pH值隨土壤年齡變化及其擬合曲線

2.3 土壤化學(xué)元素的遷移

土壤中易遷移元素與Ti或Zr等不易遷移元素的比值常被用來研究土壤元素隨時(shí)間的富集與淋溶［18］。但一些研究表明Ti也為可遷移元素，而Zr更不易遷移［19－20］，因此本文利用多種土壤元素與Zr的比值來研究土壤元素的遷移。由表5可知，利用三階多項(xiàng)式對各種元素同Zr元素的比值與土壤年齡進(jìn)行擬合，其決定系數(shù)均最高。

表5 不同土壤化學(xué)元素同Zr元素的比值與土壤年齡回歸結(jié)果

從圖3中可以看出，Mn／Zr，F(xiàn)e／Zr及 K／Zr與土壤年齡雖然用三階多項(xiàng)式擬合效果最好，但其變化趨勢與對數(shù)函數(shù)比較接近。由此表明，Mn，F(xiàn)e和K元素在土壤表層受到淋溶作用相對較強(qiáng)，而在黑壚土層及其下層受到淋溶作用較小，并且沒有明顯富集現(xiàn)象發(fā)生。這與唐克麗和賀秀斌［14］的研究結(jié)果非常相似。但亦有研究表明，土壤中Mn，F(xiàn)e和K元素與土壤年齡呈線性或?qū)?shù)關(guān)系［18，20－22］，這可能與土壤類型及其發(fā)育程度有關(guān)。

Mg／Zr與土壤年齡的三階多項(xiàng)式擬合結(jié)果同線性函數(shù)擬合結(jié)果的決定系數(shù)非常接近，其變化趨勢也非常相似。不同之處在于，三階多項(xiàng)式表明Mg元素在土壤表層淋溶較快，而隨著土壤年齡的增加，其淋溶量逐漸減小，直至其含量在母質(zhì)層中穩(wěn)定。而線性函數(shù)則顯示Mg元素在土壤剖面中以恒定的速率發(fā)生淋溶，這與現(xiàn)實(shí)情況并不相符。但一些學(xué)者的研究結(jié)果表明土壤中 Mg元素與土壤年齡存在線性或?qū)?shù)關(guān)系［18，21－22］。

Ca／Zr，P／Zr與Na／Zr在剖面中隨土壤年齡變化表現(xiàn)出相同的趨勢，上層較年輕的土壤受到淋溶作用較強(qiáng)，在黑壚土層出現(xiàn)最低值，而Ca，P和Na這三種元素均在較老的下層土壤中發(fā)生富集。而三者中Ca元素的遷移作用最為強(qiáng)烈，其次是P元素，Na元素的遷移相對較小。Ca元素的遷移特征與CaCO3含量隨土壤年齡變化的趨勢是完全一致的。但在非石灰性土壤中，Ca，P和Na元素與土壤年齡仍表現(xiàn)出了線性或?qū)?shù)的關(guān)系［18，20，22］。

圖3 土壤 Mn／Zr，F(xiàn)e／Zr，K／Zr，Mg／Zr，Ca／Zr，P／Zr和 Na／Zr值隨土壤年齡變化及其擬合曲線

3 結(jié)論

本研究通過對洛川全新世黑壚土剖面土壤理化特征及土壤14C年齡進(jìn)行研究，利用線性函數(shù)、對數(shù)函數(shù)和三階多項(xiàng)式對其進(jìn)行擬合，結(jié)果表明不同土壤理化特征與土壤年齡之間的關(guān)系存在差異。

三階多項(xiàng)式對土壤黏粒、粉粒及砂粒與土壤年齡之間的關(guān)系擬合結(jié)果較好，而其它兩個(gè)函數(shù)擬合結(jié)果較差。三階多項(xiàng)式所反映的變化趨勢表明粘化作用導(dǎo)致黑壚土層黏粒和粉粒含量增高，砂粒含量減少，因此可以較好地反映該剖面存在黑壚土層的特征。

對數(shù)函數(shù)較好地反映了土壤有機(jī)碳和pH值隨土壤年齡變化的規(guī)律。二者所不同的是，土壤有機(jī)碳隨土壤年齡迅速減小至一定程度后減小速率變緩，而pH值隨土壤年齡迅速增大至一定程度后增大速率變緩。

CaCO3含量與土壤各種元素在土壤中遷移的規(guī)律可以用三階多項(xiàng)式進(jìn)行描述。但Mn／Zr，F(xiàn)e／Zr和K／Zr的變化趨勢同對數(shù)函數(shù)擬合結(jié)果比較接近，由此表明Mn，F(xiàn)e和K元素在土壤表面受到較強(qiáng)的淋溶作用，而在黑壚土層及其下層遷移作用較為微弱。Mg／Zr的三階多項(xiàng)式擬合結(jié)果表明Mg元素在土壤表面受到淋溶作用較強(qiáng)，隨著土壤年齡增加逐漸減小直至穩(wěn)定。而 Ca／Zr，P／Zr，Na／Zr和 CaCO3含量隨時(shí)間變化的規(guī)律表明Ca，P，Na元素和CaCO3在剖面表層受到強(qiáng)淋溶，在黑壚土層出現(xiàn)極低值，并在剖面下層發(fā)生富集，這一變化規(guī)律與三階多項(xiàng)式的擬合結(jié)果最為接近。

［1］ Vreeken W J.Principal kinds of chronosequences and their significance in soil history［J］.European Journal of Soil Science，1975，26（4）：378－394.

［2］ Bockheim J G.Solution and use of chronofunctions in studying soil development［J］.Geoderma，1980，24（1）：71－84.

［3］ Vincent K R，Bull W B，Chadwick O A.Construction of a soil chronosequence using the thickness of pedogenic carbonate coatings［J］.Journal of Geological Education，1994，42：316－324.

［4］ Birkeland P W.Holocene soil chronofunctions，Southern Alps，New Zealand［J］.Geoderma，1984，34（2）：115－134.

［5］ Huggett R J.Soil chronosequences，soil development，and soil evolution：a critical review［J］.Catena，1998，32（3／4）：155－172.

［6］ Schaetzl R J，Barrett L R，Winkler J A.Choosing models for soil chronofunctions and fitting them to data［J］.European Journal of Soil Science，1994，45（2）：219－232.

［7］ 胡雙熙.隴東和隴中黑壚土的發(fā)生與演變［J］.土壤學(xué)報(bào)，1994，31（3）：295－304.

［8］ 陳曉遠(yuǎn)，烏力更，李紹良，等.全新世以來烏盟南部地區(qū)黑壚土的發(fā)生與演變規(guī)律［J］.土壤通報(bào)，1998，29（6）：241－244.

［9］ 唐克麗，賀秀斌.第四紀(jì)黃土剖面多元古土壤形成發(fā)育信息的揭示［J］.土壤學(xué)報(bào)，2002，39（5）：609－617.

［10］ Finke P A，Hutson J L.Modelling soil genesis in calcareous loess［J］.Geoderma，2008，145（3／4）：462－479.

［11］ Merritts D J，Chadwick O A，Hendricks D M.Rates and processes of soil evolution on uplifted marine terraces，northern California［J］.Geoderma，1991，51（1／4）：241－275.

［12］ Barrett L R.Astrand plain soil development sequence in Northern Michigan，USA［J］.Catena，2001，44（3）：163－186.

［13］ 陳慶強(qiáng)，沈乘德，孫彥敏，等.鼎湖山土壤有機(jī)質(zhì)深度分布的剖面演化機(jī)制［J］.土壤學(xué)報(bào)，2005，42（1）：1－8.

［14］ 唐克麗，賀秀斌.黃土高原全新世黃土—古土壤演替及氣候演變的再研討［J］.第四紀(jì)研究，2004，24（2）：129－139.

［15］ 趙景波，郝玉芬，岳應(yīng)利.陜西洛川地區(qū)全新世中期土壤與氣候變化［J］.第四紀(jì)研究，2006，26（6）：969－975.

［16］ Vidic N J.Soil－age relationships and correlations：comparison of chronosequences in the Ljubjana Basin，Slovenia and USA［J］.Catena，1998，34（1／2）：113－129.

［17］ 黃承敏，龔子同.海南島北部玄武巖上土壤發(fā)育過程的定量研究［J］.地理科學(xué)，2000，20（4）：337－342.

［18］ Egli M，F(xiàn)itze P.Formulation of pedologic mass balance based on immobile elements a revision［J］.Soil Science，2000，165（5）：437－443.

［19］ Langley－Turnbaugh S J，Bockheim J G.Mass balance of soil evolution on late Quaternary marine terraces in coastal Oregon［J］.Geoderma，1998，84（4）：265－288.

［20］ Sauer D，Schellmann G，Stahr K.A soil chronosequence in the semi－arid environment of Patagonia（Argentina）［J］.Catena，2007，71（3）：382－393.

［21］ Koutaniemi L，Koponen R，Rajanen K.Podzolization as studied from terraces of various ages in two river valleys，northern Finland［J］.Silvia Fennica，1988，22：113－133.

［22］ Lichter J.Rates of weathering and chemical depletion in soils across a chronosequence of Lake Michigan sand dunes［J］.Geoderma，1998，85（4）：255－282.