陜西洛川全新世黑壚土理化特征年齡函數(shù)的構(gòu)建

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(kù)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(guó)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(guó)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(zhǎng)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(guò)程漫長(zhǎng)并且復(fù)雜，很難對(duì)其進(jìn)行觀測(cè)，而通過(guò)研究土壤年齡序列則可以有效地對(duì)土壤發(fā)育過(guò)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(guò)土壤剖面對(duì)土壤理化特征進(jìn)行長(zhǎng)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(duì)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(lái)，許多學(xué)者對(duì)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(duì)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(duì)成土系統(tǒng)的新認(rèn)識(shí)，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(lái)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(duì)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(jiàn)。本研究對(duì)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(guò)構(gòu)建并選擇土壤年齡函數(shù)，增強(qiáng)對(duì)土壤形成和發(fā)育過(guò)程的認(rèn)識(shí)，從而為預(yù)測(cè)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(xiāo)，109°23.952′E），本地區(qū)屬暖溫帶半濕潤(rùn)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?chē)L(zhǎng)有蘋(píng)果樹(shù)。在地表挖開(kāi)2.0m深剖面，用剖面刀對(duì)剖面進(jìn)行整理，使得剖面各發(fā)生層清晰可見(jiàn)，接著用皮尺測(cè)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(hào)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(guó)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(cè)量工作。該中心擁有的主要設(shè)備包括一臺(tái)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(cè)量精度優(yōu)于0.5%，可達(dá)0.2%～0.3%。

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

本研究采用最為常用的［2，6］線性函數(shù)（Y＝a＋bX）、對(duì)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(guò)比較各擬合函數(shù)的決定系數(shù)（r2），輔以理論指導(dǎo)來(lái)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(guò)對(duì)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(duì)數(shù)函數(shù)與三階多項(xiàng)式對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)數(shù)關(guān)系，而B(niǎo)arrett［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(duì)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(zhǎng)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(duì)數(shù)函數(shù)表明土壤表面有機(jī)碳含量無(wú)限接近于實(shí)測(cè)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(duì)數(shù)函數(shù)對(duì)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(shì)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(shì)，因此三階多項(xiàng)式符合理論及實(shí)際情況。

對(duì)數(shù)函數(shù)對(duì)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(duì)數(shù)曲線的變化趨勢(shì)（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(lái)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(lái)研究土壤元素的遷移。由表5可知，利用三階多項(xiàng)式對(duì)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(shì)與對(duì)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(duì)較強(qiáng)，而在黑壚土層及其下層受到淋溶作用較小，并且沒(méi)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(lèi)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(shì)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(shì)，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(duì)較小。Ca元素的遷移特征與CaCO3含量隨土壤年齡變化的趨勢(shì)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(guò)對(duì)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(duì)數(shù)函數(shù)和三階多項(xiàng)式對(duì)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(duì)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(shì)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(duì)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(shì)同對(duì)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。

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