土壤剖面野外形態(tài)發(fā)育綜合指數(shù)的建模方法

摘要：以遼西朝陽挖掘的17個具有代表性的土壤剖面為例，基于系統(tǒng)觀測和描述土壤野外形態(tài)特征，確定了評價古土壤發(fā)育的8項土壤剖面野外形態(tài)指標，建立了土壤剖面野外形態(tài)發(fā)育綜合指數(shù)模型。

關(guān)鍵詞：土壤剖面野外形態(tài)；發(fā)育綜合指數(shù)；建模方法

中圖分類號：S151+.1 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）21-5182-04

Modeling Method of the Wild Morphalogical Development Integrated Index of Soil Profile

JIANG Ying-ying，ZHOU Chong-jun，SUN Zhong-xiu，ZHANG Guang-cai，LIU Yang，GAO Hua

（College of Land and Environment，Shenyang Agricultural University，Shenyang 110866，China）

Abstract： Based on the soil morphological properties of 17 representative soil profiles in Chaoyang of western Liaoning， a soil morphological index system was measured for evaluating the development of paleosol. The wild soil profile development integrated index model was established.

Key words： soil profile morphology； development integrated index； modeling method

成土母質(zhì)在各種自然因素和人為因素的影響下，發(fā)育成為具有不同屬性的土壤。這些土壤屬性的內(nèi)在表現(xiàn)為土壤物質(zhì)的轉(zhuǎn)化及其遷移，而這些土壤屬性的外在表現(xiàn)則反映于土壤剖面形態(tài)和土體構(gòu)造上。為了用簡單的數(shù)量方法來表達復(fù)雜的歷史自然體——土壤的發(fā)育狀況，多年來，人們進行了不斷的探索。土壤學家和地質(zhì)學家需要一種指數(shù)來定量評價土壤的發(fā)育程度，通過量化土壤野外形態(tài)如土壤顏色、膠膜、質(zhì)地和其他隨時間發(fā)生變化的性質(zhì)來實現(xiàn)性質(zhì)的量化和比較。

很多學者用土壤中微量元素間的比值作為判別土壤發(fā)育程度的手段，如黃成敏等[1]利用土壤中微量元素間的比值對海南島北部玄武巖上土壤發(fā)育進行了研究；Dasch[2]曾對各種母巖在風化作用下Rb、Sr遷移規(guī)律進行了較詳細的研究，指出Rb/Sr反映了母巖風化作用強度。Gallet等[3]也對洛川黃土剖面中的Rb/Sr分布進行了初步研究，發(fā)現(xiàn)該比值可識別古土壤地層單元。國內(nèi)一些學者通過對我國北方黃土和長江下游地區(qū)下蜀黃土典型剖面的Rb和Rb/Sr研究發(fā)現(xiàn)，它們能更精確地反映古氣候環(huán)境的變化，是區(qū)域環(huán)境演變研究中較理想的替代指標[4，5]。

土壤發(fā)育指數(shù)是將量化的土壤野外屬性轉(zhuǎn)化成一個綜合指數(shù)來對整個土壤的發(fā)育程度進行評價。土壤剖面野外形態(tài)發(fā)育綜合指數(shù)是評價、比較不同土壤發(fā)育程度的一種方法，是量化土壤野外屬性以便在野外研究成土過程的方法。這種方法對于土壤發(fā)生學、土壤形態(tài)學、土壤系統(tǒng)分類學、地貌學、地層學的研究都有十分重要的應(yīng)用價值。例如，當時間序列缺失時，土壤發(fā)育指數(shù)可以初步指示土壤的相對年齡，而應(yīng)用土壤剖面形態(tài)發(fā)育綜合指數(shù)可以在野外方便、高效、相對準確地鑒別古土壤[6]。

1977年Bilzi等[7]根據(jù)土層和母質(zhì)之間性質(zhì)的差異對土壤屬性賦分。Leamy等[8]提出土壤形態(tài)指數(shù)這一概念，是一種應(yīng)用幾個土壤屬性賦分平均值來評價土壤發(fā)育程度的方法。他們用這種方法對奧塔戈部分地區(qū)的古土壤的特征進行了初步量化。何磊等[9]研究認為剖面發(fā)育指數(shù)（PDI）和加權(quán)平均剖面發(fā)育指數(shù)（WPDI）作為剖面累積發(fā)育指標，可以用于不同土壤序列的發(fā)育速率比較。隋玉柱[10]在確認“黃土也是古土壤”的前提下，采用統(tǒng)一的半定量指標（主要包括反映成土強度的Munsell色調(diào)、彩度、明度、結(jié)構(gòu)、粒度、色度、 CaCO3含量等）來確定古土壤的發(fā)育強度。

土壤剖面中土壤的形態(tài)屬性含有豐富的成土環(huán)境信息，是環(huán)境變化與恢復(fù)和重建氣候的重要依據(jù)，如基于古土壤的形態(tài)觀測推斷了洛川古土壤發(fā)育時期的古環(huán)境[11]。

總之，目前的研究主要集中于土壤發(fā)育程度方面，對應(yīng)用土壤發(fā)育指數(shù)來鑒別古土壤的研究資料較少。古土壤的鑒別是利用黃土—古土壤序列研究氣候與環(huán)境變化的重要手段。在野外識別古土壤有一定困難，尤其是識別弱發(fā)育的古土壤極其困難。李敘勇[12]用土壤發(fā)育指數(shù)來鑒別古土壤取得了令人滿意的結(jié)果。本研究借鑒Harden[6]和Bilzi等[7]的思想，通過對土壤的紅化作用、黑化作用、膠膜、結(jié)構(gòu)、干時結(jié)持性、潤時結(jié)持性、總質(zhì)地、發(fā)生層邊界等綜合狀況進行評價，建立土壤剖面野外形態(tài)發(fā)育綜合指數(shù)模型，反映土壤的發(fā)育程度，以期為遼西朝陽古土壤鑒別研究奠定基礎(chǔ)。

1 研究方法

研究剖面位于朝陽市鳳凰山、建平縣富山鄉(xiāng)馬家溝村、喀左縣公營子鎮(zhèn)端正溝梁村東大梁和北票市桃花吐4個地點。這4個采樣點均有古土壤分布，并且存在一個從上到下紅土與黃土相互交錯的大剖面，并在其周圍分布著由于上層被剝蝕掉而出露于地表（殘遺、剝露）的古土壤剖面。

在4個采樣點分別找到符合標準的剖面進行采挖，挖好剖面后進行土壤發(fā)生層的劃分。根據(jù)中國科學院南京土壤研究所土壤系統(tǒng)分類課題組《土壤剖面描述規(guī)范》進行系統(tǒng)、規(guī)范的土壤剖面野外形態(tài)特征描述和記錄。最后根據(jù)發(fā)生層進行土樣采集，共采集70個土壤發(fā)生層，17個土壤剖面的土樣。觀測的主要項目有顏色、結(jié)構(gòu)、質(zhì)地、膠膜、結(jié)持性、發(fā)生層邊界等。

2 土壤剖面野外形態(tài)發(fā)育綜合指數(shù)模型的建立

2.1 土壤剖面野外形態(tài)發(fā)育綜合指數(shù)的公式及確定

土地評價研究中，常用指數(shù)法和土地潛力分級法來評價土壤的生產(chǎn)力或農(nóng)業(yè)潛力。土壤剖面野外形態(tài)發(fā)育綜合指數(shù)的計算公式為：

PI=■ （1）

式中PI為某土壤剖面的野外形態(tài)發(fā)育綜合指數(shù)，Xjn為某層某個土壤形態(tài)屬性賦分后的標準化值，k為所選指標數(shù)，hi為某土層的厚度。確定土壤剖面野外形態(tài)發(fā)育綜合指數(shù)的步驟如圖1所示。

2.2 土壤剖面野外形態(tài)發(fā)育指標體系的確定

眾所周知，野外調(diào)查作為土壤學研究的傳統(tǒng)有效方法之一具有不可替代性，土壤剖面野外形態(tài)發(fā)育描述指標不能定量制約了其應(yīng)用；土壤微形態(tài)的古環(huán)境意義雖然明確，但直觀性較低，形態(tài)描述與表達繁瑣，術(shù)語晦澀難懂，不能進行定量等問題仍然制約其應(yīng)用[13]。此次研究嘗試建立綜合量化指標——土壤剖面野外形態(tài)發(fā)育綜合指數(shù)，以期解決這一矛盾，并且具有土壤發(fā)生學的理論依據(jù)[14]。反映土壤發(fā)育的土壤剖面野外形態(tài)發(fā)育指標有很多，關(guān)鍵是所用指標能反映成土強度，并能進行定量或半定量研究。為了在野外方便、高效、相對準確完成古土壤鑒別，結(jié)合研究剖面的具體情況，盡量選取通過野外觀察就能夠直接獲得的土壤剖面野外形態(tài)發(fā)育的指標。在眾多反映成土強度的指標中，土壤形態(tài)特征較好地反映了成土過程中成土母質(zhì)的累積變化。但土壤形態(tài)特征很多（如土壤顏色、土層厚度、質(zhì)地、膠膜、結(jié)持性、發(fā)生層邊界等），僅以某一特征不能全面反映土壤的發(fā)育狀況，也不能進行土壤發(fā)育的定量評價。研究所建立的土壤野外形態(tài)發(fā)育指標體系見表1。對表1的各單項野外形態(tài)發(fā)育指標作以下說明，并著重從土壤發(fā)生學角度作出解釋：

1）土壤顏色（Soil color）。土壤顏色是土壤對太陽輻射在視覺器官能夠感受到的光譜范圍內(nèi)（280～760 nm）的選擇吸收和漫反射的結(jié)果。土壤反射的那部分可見光的顏色決定土壤的顏色。影響土壤顏色的因素有很多，如土壤中的腐殖質(zhì)含量、水分含量、暗色礦物（如氧化鐵、氧化錳、黑云母等）含量、淺色礦物（如二氧化硅、氧化鋁、碳酸鈣等）含量，因此，顏色是表征許多性質(zhì)的重要形態(tài)特征，它是人們認識土壤最直接的依據(jù)之一。土壤發(fā)育程度通常以顏色變化為特征[15]。伴隨土壤發(fā)育，土壤中赤鐵礦增加，導(dǎo)致土壤色調(diào)變紅和土壤彩度增加[1]。土壤顏色跟土壤的成分和壘結(jié)狀態(tài)直接相關(guān)，劃分剖面發(fā)生層，顏色是首要的形態(tài)特征，顏色的各種變化是土壤內(nèi)在性質(zhì)變化的反映。土壤顏色的剖面變化對診斷土壤具有重要意義。根據(jù)土壤顏色也可以對土壤的形成過程、發(fā)育程度進行初步判斷。研究將土壤顏色屬性分解為紅化作用和黑化作用兩個指標，隨著土壤發(fā)育的增強，色調(diào)變紅、彩度變鮮艷的變化稱為紅化作用，黑化作用是指由于土壤有機質(zhì)累積而使土壤變暗的作用，它是用芒賽爾顏色值中的明度來表示的，隨明度的增加而降低。紅化作用和黑化作用的賦分參照Harden[6]的方法，但為了排除在低彩度時有機質(zhì)染色對彩度的干擾，將彩度為1～4時賦分的增值減小為5分。

2）土壤膠膜。土壤膠膜是在土壤形成發(fā)育過程中由土壤中的細粒物質(zhì)（如黏粒、游離氧化物、碳酸鹽、腐殖質(zhì)等）通過濃聚、淀積或析離等作用，在土壤裂隙或孔隙壁表面以及土壤結(jié)構(gòu)體或顆粒表面形成的膜狀物。它是與土壤孔隙、裂隙、孔道、土胚（Ped）和骨骼碎屑顆粒在自然表面相結(jié)合的一種可識別的土壤形成物。若將土壤物質(zhì)分為骨骼顆粒和細土物質(zhì)，黏粒膠膜是細土物質(zhì)中黏粒組分的擴散、移動或淀積形成的聚合物，或是黏粒組分原地變化形成的分離物。黏粒膠膜被認為是“土壤顆?；蛲翂K的皮膚”，表示土壤表面或孔隙在經(jīng)過懸濁液淋洗后被沉淀的黏粒所覆蓋[16]。

土壤膠膜是土壤長期演化過程中逐漸形成的，其物質(zhì)多來源于本體土壤的淋溶和淀積。膠膜的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和元素組成特點等是相應(yīng)成土過程和環(huán)境條件的產(chǎn)物，記錄著土壤的發(fā)生過程，包含了成土的氣候變化和環(huán)境變遷的信息，可作為識別土壤在不同時期的發(fā)生過程和環(huán)境變化的重要依據(jù)[17]。

3）土壤結(jié)構(gòu)。土壤結(jié)構(gòu)是指土壤顆粒（包括團聚體）的排列與組合形式。主要功能是使土體中同一空間里同時存在固、液、氣三相，并且具有調(diào)節(jié)水、肥、氣、熱的作用。土壤結(jié)構(gòu)是土粒有規(guī)律性的結(jié)合體。結(jié)構(gòu)體內(nèi)部與結(jié)構(gòu)體之間有著截然不同的孔隙狀況，土壤結(jié)構(gòu)的功能就是靠它形成不同的孔隙及其分布密度的差異來實現(xiàn)的。

土壤結(jié)構(gòu)是土壤中各種過程進行的物理框架。觀察土壤剖面中的結(jié)構(gòu)類型，可大致判別土壤的成土過程。如具有團粒結(jié)構(gòu)的剖面與生草過程有關(guān)；淀積層中有柱狀或圓柱狀結(jié)構(gòu)則與堿化過程有關(guān)。土壤結(jié)構(gòu)影響土壤中水、氣、熱以及養(yǎng)分的保持和移動，也直接影響植物根系的生長發(fā)育。土壤結(jié)構(gòu)的定量化對土壤水、氣、熱和土壤生物、化學過程定量化研究具有重要意義。

4）干時結(jié)持性（硬結(jié)性）、潤時結(jié)持性（堅實性）。結(jié)持性是指土粒（<2 mm）間相互黏結(jié)在一起的性能，是通過土粒-水-土粒之間的引力而表現(xiàn)出來的。

5）土壤質(zhì)地。土壤質(zhì)地是指土壤中各粒級重量占土壤重量的百分比組合。質(zhì)地野外判別采用Shaw的簡易質(zhì)地類型進行快速判定。土壤質(zhì)地是土壤的最基本物理性質(zhì)之一，對土壤的各種性狀都有很大的影響。因為野外鑒定的質(zhì)地類型無法對黏粒含量作出較準確的估計，所以通過采用包括質(zhì)地類型、黏著性、可塑性在內(nèi)的綜合指標即總質(zhì)地來評價某些質(zhì)地類型黏粒含量的較大差異性[6]。

6）發(fā)生層邊界。發(fā)生層邊界是指相鄰發(fā)生層之間的過渡狀況。土體是以土壤性質(zhì)側(cè)向變化的最大均一性為界限的土壤地理個體，它是土壤在空間上一個立體的單元。在土體內(nèi)由于物質(zhì)的重力和張力以及溶解和沉淀等影響，在垂直方向上產(chǎn)生了自然的質(zhì)地分異形成土層。因此，發(fā)生層邊界的類型可以很好地指示土壤的發(fā)育狀況[17]。

土壤剖面野外形態(tài)發(fā)育各項指標分級賦分中，紅化作用、黑化作用參照李敘勇[12]的方案，總質(zhì)地、干時結(jié)持性、潤時結(jié)持性參照Harden[6]的方案，發(fā)生層邊界參照Bilzi等[7]的方案。由此構(gòu)建了評價遼西朝陽第四紀古土壤剖面野外形態(tài)發(fā)育的指標體系（表1）。

2.3 土壤剖面野外形態(tài)發(fā)育綜合指數(shù)的計算

2.3.1 土壤剖面野外形態(tài)屬性的量化和標準化 經(jīng)詳細描述的土壤剖面野外形態(tài)發(fā)育各項屬性，按照表1中的標準賦予分值即是其數(shù)量化。標準化的目的是使各項土壤屬性的量化值在同一個數(shù)量級范圍之內(nèi)，使不同土壤之間具有可比性，其計算公式為表1中所列各標準化公式。

2.3.2 土壤剖面野外形態(tài)發(fā)育綜合指數(shù)的計算 土壤剖面野外形態(tài)發(fā)育綜合指數(shù)的計算按公式（1）進行，計算步驟見圖1。據(jù)此計算了遼西朝陽挖掘的具有代表性的17個土壤剖面的野外形態(tài)發(fā)育綜合發(fā)育指數(shù)。

3 小結(jié)

通過研究確定了評價古土壤發(fā)育的8項土壤剖面野外形態(tài)發(fā)育指標體系，建立了土壤剖面野外形態(tài)發(fā)育綜合指數(shù)模型。土壤剖面野外形態(tài)發(fā)育綜合指數(shù)模型雖然已經(jīng)建立，但需要進一步研究來驗證其適用范圍和準確性。

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