王秋兵 蔣卓東 孫仲秀

（沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)院，農(nóng)村農(nóng)業(yè)部東北地區(qū)土壤與環(huán)境重點實驗室，遼寧省農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境重點實驗室，沈陽 110866）

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

鐵錳結(jié)核是在土壤發(fā)育過程中土壤環(huán)境干濕交替的產(chǎn)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(jié)核并逐漸增大［9］。一般認為，鐵錳結(jié)核的形成與地形、母質(zhì)等因素關(guān)系密切，存在鐵錳結(jié)核的土壤主要分布在地勢低平、地下水位較淺的地區(qū)，土壤形成受地下水位的強烈影響，成土母質(zhì)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(jié)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(qū)土壤調(diào)查過程中發(fā)現(xiàn)，在位于高平地、地下水位較深的第四紀黃土狀母質(zhì)發(fā)育土壤中通常能夠看到鐵錳結(jié)核的分布［13-14］，這與傳統(tǒng)認識的土壤與景觀關(guān)系相矛盾。目前，其形成機制尚不明確，有專家認為是現(xiàn)代成土條件下的產(chǎn)物，有專家認為是古土壤中存在的產(chǎn)物，這在該地區(qū)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(fā)生學(xué)分類體系，主要依據(jù)生物氣候條件和地理環(huán)境等成土條件來劃分土類，忽視了剖面的形態(tài)和發(fā)育，未能體現(xiàn)出鐵錳結(jié)核對于分類的影響；而中國土壤系統(tǒng)分類以診斷層和診斷特性為基礎(chǔ)，更加注重強調(diào)土壤本身性質(zhì)，土壤中鐵錳結(jié)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(jié)核的研究，目前主要集中于熱帶、亞熱帶地區(qū)鐵錳結(jié)核的結(jié)構(gòu)、元素組成和變化等方面［18-19］，缺少對于溫帶地區(qū)鐵錳結(jié)核的形成及空間分布規(guī)律的研究。因此，為科學(xué)劃分土壤類型，對溫帶地區(qū)具有鐵錳結(jié)核土壤的空間分布規(guī)律和形成環(huán)境開展研究顯得十分必要。

為了摸清我國溫帶地區(qū)地帶性土壤中鐵錳結(jié)核空間分布規(guī)律，本文以我國北方10?。ㄊ?、區(qū)）為研究區(qū)域，選擇位于高平地、發(fā)育在第四紀黃土狀物質(zhì)的土壤為研究對象，以實地調(diào)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(jié)核土壤的空間分布特征，為進一步研究該地區(qū)土壤鐵錳結(jié)核的形成機理奠定基礎(chǔ)，同時也為該地區(qū)土壤科學(xué)分類提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于我國北方溫帶濕潤半濕潤地區(qū)，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(nèi)蒙古、北京、天津、河北、山西、山東、河南等10個省、自治區(qū)和直轄市（圖1）。研究區(qū)經(jīng)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(nèi)陸逐漸形成了濕潤、半濕潤、半干旱、干旱的干濕區(qū)［20］。研究區(qū)有大面積的第四紀黃土狀物質(zhì)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(diào)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(zhì)為第四紀黃土狀物質(zhì)，地處穩(wěn)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(diào)查

實地調(diào)查主要由本課題組完成，部分由科技部國家科技基礎(chǔ)性工作專項“我國土系調(diào)查與《中國土系志》編制”項目組提供，各樣點均按照中國科學(xué)院南京土壤研究所《野外土壤描述與采樣規(guī)范（第一版）》進行野外景觀和土壤形態(tài)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(tài)特征，保證母質(zhì)類型一致，景觀部位相近，并根據(jù)資料中采樣點地理位置信息，結(jié)合地形地貌圖等輔助資料，確定樣點位置并獲取其經(jīng)緯度。對所有供試土壤，重點考察土壤是否存在鐵錳結(jié)核，并記錄鐵錳結(jié)核在土壤剖面出現(xiàn)的初始深度。

1.4 數(shù)據(jù)處理

各土壤剖面的大氣溫度、降水量、地溫等數(shù)據(jù)來自中國氣象局中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（http://data.cma.cn），仔細篩選和剔除氣象數(shù)據(jù)與區(qū)域氣候特點差異較大的海拔極端的氣象站數(shù)據(jù)后選擇783個氣象站點的1981—2010年的日值數(shù)據(jù)，包括各個氣象站的經(jīng)緯度、氣溫、地溫以及降水量等數(shù)據(jù)。本文根據(jù)Henry［25］的方法定義地表土壤溫度≤ 0℃確定土壤凍結(jié)狀態(tài)，并以此為標準計算土壤凍結(jié)天數(shù)和春季土壤凍融交替天數(shù)。土壤凍結(jié)天數(shù)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(shù)之和的累年平均值，春季土壤凍融交替天數(shù)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(shù)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(quán)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(qū)10個省份的年平均氣溫、降水量、土壤凍結(jié)天數(shù)和春季土壤凍融交替天數(shù)的空間分布圖。

2 結(jié) 果

2.1 鐵錳結(jié)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(jié)核，占供試土壤剖面的21.5%，如圖2a所示。研究發(fā)現(xiàn)存在鐵錳結(jié)核的剖面分布于研究區(qū)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(qū)的供試土壤中尚未發(fā)現(xiàn)有鐵錳結(jié)核存在，呈現(xiàn)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(jié)核的74個剖面均分布在年均降水量350 mm以上的地區(qū)。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(qū)域，存在鐵錳結(jié)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(jié)核剖面總數(shù)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(jié)核的74個剖面均分布在年均氣溫1℃以上地區(qū)。年均氣溫在1～3℃、3～5℃、5～7℃、7～9℃、9～11℃及11℃以上的區(qū)域，存在鐵錳結(jié)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(jié)核剖面總數(shù)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(jié)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(qū)，占研究區(qū)域內(nèi)所有存在鐵錳結(jié)核剖面的86.5%。

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

圖2 土壤鐵錳結(jié)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(qū)30年（1981—2010）平均土壤凍結(jié)天數(shù)（a）和春季土壤凍融交替天數(shù)（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(jié)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(jié)核出現(xiàn)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(jié)核剖面總數(shù)的52.7%、13.5%、17.6%、1.4%、5.4%、4.1%和5.4%。

3 討 論

3.1 鐵錳結(jié)核形成環(huán)境

鐵錳結(jié)核作為成土過程中氧化還原作用的產(chǎn)物，以往研究認為存在鐵錳結(jié)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(qū)，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(diào)查發(fā)現(xiàn)在我國北方溫帶濕潤地區(qū)位于高平地、發(fā)育在第四紀黃土狀物質(zhì)的土壤中有大量鐵錳結(jié)核存在，這可能與該地區(qū)氣候特點密切相關(guān)。該地區(qū)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(jié)核的形成提供了良好的水分條件。在深冬時節(jié)，土壤溫度逐漸穩(wěn)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(tài)水和氣態(tài)水向凍結(jié)層的下界面運移、聚積、凝結(jié)，即“凍后聚墑”現(xiàn)象［28］，形成了緊實的凍結(jié)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(xiàn)晝?nèi)谝箖龅膬鋈诮惶嫜h(huán)現(xiàn)象，該期間內(nèi)土壤凍融交替主要發(fā)生在表層0～15 cm深度范圍內(nèi)，而深層土壤不會經(jīng)歷凍融交替，仍維持凍結(jié)狀態(tài)［29］；由于我國北方溫帶濕潤地區(qū)春季土壤凍融交替持續(xù)時間在兩個月以上，土壤表層經(jīng)歷持續(xù)時間較長的凍融交替，有利于氧化還原反應(yīng)交替進行，因而很多供試土壤剖面表層就有鐵錳結(jié)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?zé)嶙饔玫挠绊?，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(dǎo)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(huán)境，促進了鐵錳氧化物的還原和移動［31］。東北地區(qū)早春表層土壤普遍存在的“返漿現(xiàn)象”與此有關(guān)。隨著凍結(jié)層逐漸融化，土體內(nèi)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(zhuǎn)變?yōu)檠趸h(huán)境，還原態(tài)的Fe2+和Mn2+被氧化而淀積下來。同時，隨著溫度的回升，土體內(nèi)微生物活性和化學(xué)反應(yīng)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(jié)核的形成?？梢姶杭就寥纼鋈诮惶鎸ξ覈狈綔貛駶櫟貐^(qū)位于高平地、發(fā)育在第四紀黃土狀物質(zhì)的土壤鐵錳結(jié)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(qū)域尚未發(fā)現(xiàn)有鐵錳結(jié)核的剖面，在年均降水量小于400 mm的區(qū)域僅在兩個剖面中發(fā)現(xiàn)鐵錳結(jié)核。該區(qū)域主要位于內(nèi)蒙古地區(qū)，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(fā)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(tài)，早春凍融交替時節(jié)土體內(nèi)不能形成滯水層，上部土層很少處于漬水的還原狀態(tài)，氧化還原交替次數(shù)較少，很難出現(xiàn)還原態(tài)的Fe2+和Mn2+遷移聚積［34-35］，不利于鐵錳結(jié)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(qū)、山西省南部地區(qū)、山東省、河南省北部等地的第四紀黃土狀物質(zhì)發(fā)育土壤存在鐵錳結(jié)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(jié)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(jié)核的形成。在年均氣溫1℃以下的地區(qū)也尚未發(fā)現(xiàn)存在鐵錳結(jié)核的剖面，這是由于該地區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)東北部和黑龍江省北部的大興安嶺、小興安嶺山區(qū)，成土母質(zhì)主要是基巖風(fēng)化的殘積物、坡積物，而發(fā)育在第四紀黃土狀物質(zhì)的土壤分布很少［36-37］。

3.2 鐵錳結(jié)核形成時間

該地區(qū)土壤表層存在大量鐵錳結(jié)核，這可能主要為現(xiàn)代成土環(huán)境的產(chǎn)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(diào)查土壤深度在1 m左右，假設(shè)土壤形成環(huán)境為現(xiàn)代氣候條件，且不考慮土壤侵蝕和堆積作用對土壤發(fā)育的影響。該地區(qū)鐵錳結(jié)核初始出現(xiàn)的深度集中在0～15 cm深度范圍內(nèi)，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(jié)狀態(tài)，在解凍層和凍結(jié)層接觸面因土壤水分飽和而形成還原環(huán)境，在夜晚溫度降低表層土壤凍結(jié)轉(zhuǎn)化為氧化環(huán)境，頻繁的晝?nèi)谝箖鲈斐傻难趸€原交替為鐵錳結(jié)核的形成創(chuàng)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(jīng)歷的凍融交替時間較長，土壤獲得氧化還原交替的頻數(shù)較多，更有利于鐵錳結(jié)核的形成；相反，下層土壤每年經(jīng)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(shù)較少，不利于鐵錳結(jié)核的形成。此外，表層土壤鐵錳結(jié)核較多，可能與土壤侵蝕有關(guān)。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(zhì)往往先被侵蝕遷移［39］，顆粒相對較大的鐵錳結(jié)核在土壤中殘留并在土壤表層呈現(xiàn)出富集現(xiàn)象。

不排除一些地區(qū)的土壤鐵錳結(jié)核是過去環(huán)境條件的產(chǎn)物（古土壤）。在一些深厚黃土剖面中發(fā)現(xiàn)大量土壤鐵錳結(jié)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(guān)［40-41］。新沉積的黃土處于地表，土壤經(jīng)歷著頻繁的凍融交替變化，土體內(nèi)氧化還原交替作用有利于鐵錳結(jié)核的形成。隨著黃土沉積厚度逐漸增大，土壤凍結(jié)層逐漸上移，當黃土沉積厚度超過當?shù)貎鰧由疃葧r，下層土壤便脫離凍融交替的影響，因而也不利于鐵錳結(jié)核的形成。由于鐵錳結(jié)核的形成過程是不可逆的，底層土壤原來已形成的鐵錳結(jié)核（可視為古土壤）仍殘留在土體內(nèi)，因而在深厚土壤剖面的不同層次均有數(shù)量不等的鐵錳結(jié)核分布。

3.3 鐵錳結(jié)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(xiàn)帶狀分布的土壤，主要分布于高平地以及低山丘陵地區(qū)；非地帶性土壤是指土壤形成過程中母質(zhì)、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(tǒng)土壤學(xué)對于土壤鐵錳結(jié)核形成環(huán)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(xiàn)在低平原、洼地、河流兩岸、湖泊周圍或山谷、緩坡坡麓等地區(qū)，與地形部位等地方性因子有關(guān)，而與氣候等地帶性因素?zé)o關(guān)，因此把存在鐵錳結(jié)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(jié)核作為標志特征來判定微域成土環(huán)境。然而本研究在我國溫帶地區(qū)位于高平地的地帶性土壤中發(fā)現(xiàn)有大量鐵錳結(jié)核的存在，并且呈現(xiàn)出地帶性分布規(guī)律。由此可見，鐵錳結(jié)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(qū)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(jié)果改變了人們對于土壤類型地理分布的傳統(tǒng)認識，豐富了土壤地理學(xué)理論。

4 結(jié) 論

我國北方位于高平地、發(fā)育在第四紀黃土狀物質(zhì)土壤中鐵錳結(jié)核具有明顯地帶性分布規(guī)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(shù)50～70 d的我國東北溫帶濕潤地區(qū)，呈現(xiàn)出“東多西少、北多南少”的地理分布特點。該地區(qū)供試土壤中超過1/2的存在鐵錳結(jié)核剖面在表層土壤0～15 cm內(nèi)有鐵錳結(jié)核出現(xiàn)，這與我國北方溫帶濕潤地區(qū)春季土壤表層凍融交替頻繁且持續(xù)時間較長有密切關(guān)系。研究結(jié)果表明該地區(qū)土壤鐵錳結(jié)核形成與分布受到該地區(qū)降水量豐富、冬季漫長且春季土壤凍融交替持續(xù)時間較長等氣候環(huán)境因素的強烈影響。

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