李娟

(湖南環(huán)境生物職業(yè)技術(shù)學(xué)院 園林學(xué)院，湖南 衡陽 421005)

自稻作遺址被發(fā)現(xiàn)至今，古水稻土的研究成為探索農(nóng)業(yè)文明的重要途徑.古水稻土形成于過去自然條件下，因受古代人類耕作活動的干擾而區(qū)別于一般意義上的古土壤和現(xiàn)代水稻土，在土壤特性和生物遺存等方面均具有顯著的區(qū)別.氧化鐵的性質(zhì)與其他氧化物不同，表現(xiàn)在：(1)差異性，氧化鐵的形態(tài)和含量在不同類型的土壤中表現(xiàn)不同；(2)可辨性，氧化鐵在土壤中具有顏色，它的活動特性可以通過土壤顏色的變化來辨別；(3)較高的活性，氧化鐵受環(huán)境條件的影響，易發(fā)生物質(zhì)遷移，由此氧化鐵可作為一個良好的指標(biāo)來分析古水稻土的特性[1].研究古水稻土氧化鐵的賦存形態(tài)及含量分布的特性，既是土壤學(xué)界也是考古學(xué)界的重要研究領(lǐng)域之一[2].許多學(xué)者針對古水稻土氧化鐵進(jìn)行過研究，并取得了部分研究成果.本文根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料進(jìn)行綜述，簡要介紹國內(nèi)外在該領(lǐng)域取得的進(jìn)展，以期為該領(lǐng)域的進(jìn)一步研究提供參考.

1 古水稻土氧化鐵的賦存形態(tài)與測定方法

1.1 古水稻土氧化鐵賦存形態(tài)

2007年以前出土的漢代以前古水稻遺址有280多個[3]，綜合古水稻土氧化鐵的研究得出，古水稻土中大部分氧化鐵是由母巖風(fēng)化再淀積形成的含鐵次生礦物演變而來，但也存在少部分氧化鐵由母巖風(fēng)化的含鐵原生礦物產(chǎn)生，例如橄欖石、角閃石等[4]，這與普通水稻土氧化鐵的來源途徑相同.按照土壤化學(xué)方法劃分，古水稻土中存在的氧化鐵形態(tài)有：全鐵(Fet)、游離鐵(Fed)和無定形鐵(Fex).澧陽平原杉龍崗古水稻土全鐵含量在46.0 g/kg～67.0 g/kg之間變化，游離鐵含量在15.9 g/kg～29.1 g/kg之間變化，無定形鐵在3.8 g/kg～4.8 g/kg之間變化[5].綽墩遺址古水稻土全鐵含量在50.0 g/kg～78.5 g/kg之間[6]，游離鐵含量在11.6 g/kg～19.2 g/kg之間[7]，無定形鐵在5.7 g/kg～6.9 g/kg之間.雖然氧化鐵在不同遺址中含量存在差別，但存在的共性是古水稻土剖面氧化鐵的淋溶淀積特征十分明顯.而且與同一剖面現(xiàn)代水稻土相比較，古水稻土全鐵、游離鐵和無定形鐵的變異系數(shù)差別不大，這可能與古今水稻的耕作強度有關(guān)，古代水稻種植方式基本上是“刀耕火種”，而現(xiàn)代水稻種植大量機械化及化肥的使用，加強了氧化鐵的淋失[7].

另外，可按“連續(xù)提取法”[8]將古水稻土氧化鐵依次劃分為水溶態(tài)鐵(WS-Fe)、交換態(tài)鐵(EXC-Fe)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)鐵(Fe2MnOX-Fe)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)鐵(CARB-Fe)、有機物結(jié)合態(tài)鐵(OM-Fe)和殘渣態(tài)鐵(RES-Fe)等6種形態(tài).研究表明，澧陽平原杉龍崗古水稻土中水溶態(tài)鐵(WS-Fe)和交換態(tài)鐵(EXC-Fe)的含量均比較低，分別為0 mg/kg～67.0 mg/kg和0.2 mg/kg～5.9 mg/kg.碳酸鹽結(jié)合態(tài)鐵(CARB-Fe)含量更低，接近于零；而古水稻土中含量較多的氧化鐵分別為殘渣態(tài)鐵(RES-Fe)、鐵錳氧化態(tài)鐵(Fe2MnOX-Fe)、有機態(tài)鐵(OM-Fe)，其中含量最大的為殘渣態(tài)鐵(RES-Fe)，占全鐵的52.3%～83.6%[9].古水稻土水溶態(tài)鐵(WS-Fe)和交換態(tài)鐵(EXC-Fe)含量較低，可能與古水稻土氧化鐵的分布受現(xiàn)代水耕復(fù)種、水旱輪作及施肥等人為耕作措施有關(guān)，這些措施導(dǎo)致底層土壤酸堿度發(fā)生改變，作為有效態(tài)的水溶態(tài)鐵和交換態(tài)鐵，易與土壤中的OH-形成難溶性的氫氧化鐵[10].而碳酸鹽結(jié)合態(tài)鐵(CARB-Fe)含量接近于零，可能與古水稻土碳酸鹽的含量較少有關(guān)，龔子同提出根據(jù)已有的降水量和土壤中碳酸鹽分布資料，自棕壤以南至紅壤帶土壤(澧陽平原杉龍崗在范圍內(nèi))，土壤中一般很少有碳酸鹽積聚或完全不含碳酸鹽[3].

按照土壤礦物學(xué)劃分，土壤中常見的氧化鐵礦物為赤鐵礦(α-Fe2O3)、磁鐵礦(Fe3O4)、磁赤鐵礦(γ-Fe2O3)、針鐵礦(α-FeOOH)、纖鐵礦(γ-FeOOH)、水鐵礦(Fe5HO8·4H2O)等[11-12].澧陽平原杉龍崗古水稻土中存在針鐵礦(α-FeOOH)、赤鐵礦(α-Fe2O3)和少量磁鐵礦(Fe3O4)還有微量的纖鐵礦(γ-FeOOH)[13]，且古水稻土磁化率的主要來源為磁鐵礦(Fe3O4)和磁赤鐵礦(γ-Fe2O3)[14].與同剖面現(xiàn)代水稻土相比較，古水稻土的針鐵礦(α-FeOOH)含量、赤鐵礦(α-Fe2O3)含量和磁鐵礦(Fe3O4)含量均低于現(xiàn)代水稻土.這表明在其他條件不變的情況下，受人類活動干擾大的現(xiàn)代水稻土，磁化率較高[13].

1.2 氧化鐵的測定方法

古水稻土氧化鐵的實驗測試方法可以分為土壤化學(xué)分析法和礦物鑒定法.土壤化學(xué)分析法[15]是選擇相應(yīng)的化學(xué)試劑，在一定的化學(xué)條件下，將土壤溶解在化學(xué)試劑中，再用原子吸收光譜、分光光度計、濾光片比色或滴定法等測定土壤氧化鐵的含量，例如用HF-HNO3-HClO4消煮測定古水稻土全鐵含量、用DCB法浸提測定古水稻土游離鐵含量、用H2C2O4/ (NH4)2C2O4浸提測定古水稻土無定形鐵含量等.

古水稻土氧化鐵礦物鑒定的方法，目前存在X射線衍射分析法(XRD)、漫反射光譜分析法(DRS)、穆斯堡爾譜分析法(MS)等[16-17].XRD與DRS均可以測定土壤中赤鐵礦和針鐵礦的衍射特征峰，區(qū)別在于XRD利用X射線衍射研究氧化鐵的特征峰，DRS利用漫反射光譜研究氧化鐵的敏感可見光波段(400 nm～700 nm).MS即應(yīng)用穆斯堡爾效應(yīng)研究古水稻土中氧化鐵的類型、結(jié)晶度以及類質(zhì)同象代換作用等.

2 古水稻土氧化鐵的賦存形態(tài)的影響因素

土壤發(fā)育模型將氣候(Cl)、生物(O)、地形(R)、母質(zhì)(P)和時間(T)與土壤的發(fā)育程度建立了聯(lián)系，即S=f(Cl，O，R，P，T).利用土壤發(fā)育模型解釋5種因素，即氣候、生物、地形、母質(zhì)和時間對氧化鐵賦存形態(tài)的影響[18].

1)氣候.氣候因素包含了降水、溫度、氣壓、日照等.它不但直接參與氧化鐵的生成和轉(zhuǎn)化過程，而且決定著氧化鐵在自然環(huán)境中循環(huán)的速度和規(guī)模.氣候是通過影響古水稻土中水、氣、熱的狀況，從而改變古水稻中氧化鐵的性質(zhì)[19].

2)生物.生物因素包含了植物和土壤動物等.生物把太陽能引進(jìn)成土作用，通過改變植物根際環(huán)境來影響土壤微生物、土壤動物和含鐵礦物之間的活動，促進(jìn)古水稻土中氧化鐵的生成和轉(zhuǎn)化.

3)地形.地形因素在古水稻土成土過程中對氧化鐵的轉(zhuǎn)化和再分配起作用，主要表現(xiàn)在：①地形影響土壤水分的再分配.②地形影響熱量的再分配.③地形影響母質(zhì)的再分配.

4)母質(zhì).母質(zhì)因素對氧化鐵的影響主要表現(xiàn)在：①母質(zhì)是氧化鐵的最初來源，影響鐵的輸入，不同母質(zhì)上形成的氧化鐵，其賦存形態(tài)和含量分布不同.②母質(zhì)影響古水稻土的機械組成、化學(xué)組成及礦物組成.③母質(zhì)的透水性影響古水稻土剖面分異特征，水分的移動促進(jìn)氧化鐵在土壤剖面分層[20].

5)時間.時間指土壤發(fā)育的年限.古水稻土發(fā)育過程中，母質(zhì)不斷地風(fēng)化，時間愈長，古水稻土氧化鐵的含量變異越大.

每個成土因素在形成氧化鐵的過程中都是各有特點，母質(zhì)是土壤氧化鐵形成的最初來源，氣候是氧化鐵轉(zhuǎn)化的最基本能量來源，生物各因素相互作用是氧化鐵的形成與轉(zhuǎn)化的催化劑，地形制約氧化鐵的轉(zhuǎn)化和再分配，時間促成土壤氧化鐵的淋溶積淀.各成土因素之間相互影響和制約，最終形成了古水稻土特有的氧化鐵特性.

3 古水稻土氧化鐵的含量分布特征

有關(guān)文獻(xiàn)的研究顯示，澧陽平原杉龍崗古水稻土全鐵、游離鐵含量表現(xiàn)為母質(zhì)層>潴育層>犁底層>耕作層，即由上至下遞增，而無定型鐵含量由上至下遞減，趨勢恰好相反[21].古水稻土根據(jù)依維諾夫干篩法分級，分出5 mm～2 mm、2 mm～1 mm、1 mm～0.25 mm和<0.25 mm四個粒徑的團(tuán)聚體后重新測定，也得出相同的結(jié)果，即全鐵和游離鐵表現(xiàn)呈現(xiàn)自上而下增加的趨勢，無定型鐵自上而下減少，這符合水稻土氧化鐵分布的一般規(guī)律[22].同時也說明氧化鐵的淀積一般從犁底層開始，潴育層或心土層淀積量最大[23-24].但進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，氧化鐵的淋淀情況強弱不等，古水稻土氧化鐵在剖面層也存在兩類分異，即氧化鐵的淋溶淀積和原地分異兩類[25]，在對照組PA剖面出現(xiàn)游離鐵含量明顯減少，不同聚體古水稻土中全鐵、游離鐵、無定形鐵含量變化趨勢也存在波動，表現(xiàn)為隨發(fā)育程度的提高，氧化鐵變化程度明顯增大.這可能與古水稻土既承受季節(jié)性淹水導(dǎo)致較強的還原淋溶與機械淋溶，又因灌溉水不均勻的下滲及地下水的補給有關(guān)，導(dǎo)致了復(fù)雜的淋溶淀積作用.

“連續(xù)提取法”提取的古水稻土氧化鐵表現(xiàn)為：殘渣態(tài)(RES-Fe)>鐵錳氧化態(tài)(Fe2MnOX-Fe)>有機態(tài)(OM-Fe)[9]，這三種類型的氧化鐵含量分布差異并不明顯，且古水稻土與現(xiàn)代水稻土氧化鐵含量的變化趨勢一致，這可能與該形態(tài)氧化鐵對環(huán)境變化的敏感性有關(guān).

成土過程中土壤中的磁性物質(zhì)發(fā)生了改變，造成了土壤磁性剖面的不同特性[26].澧陽平原杉龍崗古水稻土亞鐵磁性礦物的含量隨土壤深度的增加不斷降低，與不完全反鐵磁性礦物含量變化的趨勢相同.其次古水稻土磁化率的變化趨勢由上至下逐漸減小，結(jié)果與常躍暢[4]提出的潴育型水稻土磁化率變化一致.對于古水稻土低磁化率特征，有3種推測：(1)氣候因素，由于古氣候髙溫多雨，使古土壤中強磁性礦物向弱磁性礦物轉(zhuǎn)化；(2)地形因素，地形影響水分的供給，首先地上部分給水，水稻土經(jīng)人為干擾，產(chǎn)生規(guī)律的季節(jié)性供水，古水稻土雖埋藏于地下，但也處于季節(jié)性灌溉淹水條件，這種條件還原分解了土壤中的強磁性礦物(例如磁鐵礦(Fe3O4)和磁赤鐵礦(γ-Fe2O3))，使強磁性礦物轉(zhuǎn)變成了土壤中弱磁性的纖鐵礦(γ-FeOOH)、針鐵礦(α-FeOOH)和無定形氧化鐵；其次受地下部分給水的影響，古水稻土埋藏于地下，受地下水周期波動的影響，土壤中的亞鐵磁性礦物同樣可能受到還原溶解作用，使強磁性礦物轉(zhuǎn)變成弱磁性礦物；(3)生物因素，有機質(zhì)含量可反映成土過程中生物地球化學(xué)強度的變化，古水稻土中有機質(zhì)含量有微幅增加的趨勢[27]，說明有機質(zhì)可能促進(jìn)了古水稻土中次生亞鐵磁性礦物的生成.

4 小結(jié)與展望

有關(guān)古水稻土氧化鐵實驗測試方法已經(jīng)相對成熟，其賦存狀態(tài)和含量分布的研究結(jié)果可概括為二個方面：(1)古水稻土中氧化鐵的化學(xué)態(tài)主要存在兩種，即游離鐵和無定形鐵，“連續(xù)提取法”提取的氧化鐵主要存在3種，即殘渣態(tài)鐵、鐵錳氧化態(tài)鐵、有機態(tài)鐵，礦物態(tài)氧化鐵主要存在針鐵礦、赤鐵礦和少量磁鐵礦(Fe3O4)還有微量的纖鐵礦(γ-FeOOH).(2)古水稻土全鐵、游離鐵含量的變化趨勢為由上至下遞增，而無定型鐵含量為由上至下遞減，“連續(xù)提取法”提取的氧化鐵表現(xiàn)為殘渣態(tài)鐵>鐵錳氧化態(tài)鐵>有機態(tài)鐵，這3種氧化鐵的含量分布差異并不明顯，而礦物態(tài)氧化鐵的磁化率則由上至下逐漸變小.

在古氣候環(huán)境溫暖濕潤的條件下，古水稻土初步發(fā)育，古人用“火耕水耨”的方式進(jìn)行水稻種植，這個時期的氧化鐵幾乎由自然成土過程支配.隨著社會的發(fā)展，耕種技術(shù)的進(jìn)步，尤其是現(xiàn)代機械化耕種及大量化肥的施用，這種非自然成土過程對水稻土產(chǎn)生雙重影響，氧化鐵的分布特征反應(yīng)出了2次成土過程.目前古水稻土氧化鐵的特性研究不多.同時，不同的研究者因研究方向和內(nèi)容以及有關(guān)氧化鐵的認(rèn)識不盡相同，得出的結(jié)果可能出現(xiàn)不同.因此，古水稻土氧化鐵的相關(guān)工作，依然需要更多的研究與資料積累.