不同成土母質(zhì)及土地利用對紅壤機械組成的影響

孫佳佳，王 培，王志剛，陳小平，潘曉穎

(1.長江科學(xué)院 水土保持研究所，武漢 430010；2.長江水資源保護(hù)科學(xué)研究所，武漢 430051)

不同成土母質(zhì)及土地利用對紅壤機械組成的影響

孫佳佳1，王 培2，王志剛1，陳小平1，潘曉穎1

(1.長江科學(xué)院 水土保持研究所，武漢 430010；2.長江水資源保護(hù)科學(xué)研究所，武漢 430051)

土壤機械組成是土壤最基礎(chǔ)的資料之一，在土壤結(jié)構(gòu)性等方面扮演重要角色，它受到成土母質(zhì)、氣候、地形、生物和人類活動等因素影響。根據(jù)《中國土種志》及部分地方土壤志記載的333個紅壤剖面數(shù)據(jù)，研究了紅壤機械組成受成土母質(zhì)和土地利用的影響程度。結(jié)果表明：成土母質(zhì)和土地利用均可以對紅壤機械組成產(chǎn)生影響；成土母質(zhì)與土地利用相比，前者對于紅壤機械組成的影響更為深刻；土地利用對紅壤機械組成影響不大。成土母質(zhì)對紅壤機械組成的解釋程度隨著深度的增加而增大，可解釋紅壤機械組成變異的25%左右。研究成果可為紅壤性質(zhì)的研究以及紅壤的改良與農(nóng)業(yè)利用提供理論支持。

土壤機械組成；成土母質(zhì)；土地利用；紅壤；變異

1 研究背景

土壤機械組成是構(gòu)成土壤固相結(jié)構(gòu)的主要組分[1]，決定了土壤滲透性、可蝕性[2]等物理行為，其受成土母質(zhì)的特點和土地利用等因素的影響。紅壤是我國亞熱帶地區(qū)具有富鋁化特征的一類主要土壤類型[3]，土壤機械組成直接關(guān)系著土壤松緊程度、孔隙數(shù)量，從而影響著土壤通氣、透水及環(huán)境背景值等性能，是評價土壤基本性質(zhì)和形成環(huán)境的一個重要指標(biāo)。因此開展紅壤機械組成與成土母質(zhì)及土地利用關(guān)系的研究對進(jìn)一步了解我國紅壤特征有重要意義。

已有研究表明[4-6]：紅壤的機械組成與其成土母質(zhì)密切相關(guān)，玄武巖風(fēng)化殼上發(fā)育的紅壤，機械組成以黏粒為主；而花崗巖風(fēng)化殼上發(fā)育的紅壤顆粒組成較粗。土地利用作為人類利用土地各種活動的綜合反映[7]，也在一定程度上影響土壤的機械組成狀況[8]。彭佩欽等[9]研究表明墾殖水田的土壤黏粒含量低于灘地，草地與森林和農(nóng)田相比能維持較高的土壤黏粒含量[10]。蘇永中等[11]通過研究認(rèn)為，對退化沙質(zhì)草地的開墾會大幅度降低土壤細(xì)顆粒組分的含量，圍封恢復(fù)則會顯著提高其含量。楊剛等[12]研究發(fā)現(xiàn)，以種植楊樹作為濕地恢復(fù)模式的樣地促進(jìn)了黏粒和粉粒的形成。

目前研究多為定性表述成土母質(zhì)及土地利用對土壤機械組成產(chǎn)生影響，然而兩者各自的作用程度，研究尚不深入，且在土壤剖面層次上的分析較少。本文通過研究紅壤與成土母質(zhì)和土地利用的關(guān)系，試圖定量地闡明成土母質(zhì)、土地利用對于紅壤的影響，期望能為紅壤性質(zhì)的研究以及紅壤的改良與農(nóng)業(yè)利用提供理論支持。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究所用的數(shù)據(jù)引自全國第2次土壤普查，包括《中國土種志》1卷、3卷以及福建、浙江、江西、湖南、湖北、安徽、廣東、廣西、海南各省土種志中記載的333個信息較為齊全的典型紅壤剖面。紅壤剖面信息主要包括土壤類型、土壤機械組成、采樣點位置、成土母質(zhì)和土地利用方式等信息，典型剖面示例如表1所示。其中土壤粒徑分級采用美國農(nóng)業(yè)部提出的USDA制分類，即砂粒粒徑為2～0.05 mm、粉粒粒徑為0.05～0.002 mm和黏粒粒徑為<0.002 mm。

333個紅壤剖面中包括旱地143個、草地16個和林地174個，由于草地剖面數(shù)量較少，本文將草地與林地合并為一類，來探討農(nóng)業(yè)利用對于土壤機械組成的影響。根據(jù)記錄，紅壤的成土母質(zhì)主要包括第四紀(jì)紅黏土、花崗巖、砂頁巖、石灰?guī)r及玄武巖5個主要的類型。

2.2 研究區(qū)概況

南方紅壤丘陵區(qū)，以大別山為北屏，巴山、巫山為西障(含鄂西全部)，西南以云貴高原為界(包括湘西、桂西)，東南直抵海域并包括臺灣、海南島及南海諸島。包括廣東、廣西、福建、臺灣、江西、湖南、湖北、浙江、安徽、江蘇等省的部分地區(qū)?？偯娣e均118萬km2，約占我國國土陸地面積的12.3%。記載的紅壤剖面點主要處于我國地勢中的第2，3級階梯上，地形起伏較大。氣候以熱帶、亞熱帶季風(fēng)氣候為主，年均降水量為900～2 100 mm，主要集中在4—9月份，強度大，地表風(fēng)化作用強烈。

表1 典型剖面示例Table 1 Information of typical profile

2.3 數(shù)據(jù)處理

我國已有的土壤剖面調(diào)查方法都是建立在土壤發(fā)生的理論與方法上。土壤剖面層次均為土壤的發(fā)生層次，剖面層次采集的深度不一致。為進(jìn)行統(tǒng)一的分析與比較，將紅壤剖面發(fā)生層次的特征分析數(shù)據(jù)估算為剖面層次特征參數(shù)，各層次均轉(zhuǎn)化為0～10，10～20，20～30，30～70，>70 cm。

估算方法的基本思路為，以發(fā)生土層厚度占該土層總厚度的百分?jǐn)?shù)作為發(fā)生層次土壤特征數(shù)據(jù)值，并計算各層土壤特征數(shù)據(jù)值的貢獻(xiàn)率(權(quán)重)。估算公式為

式中：y為計算層次的土壤特征值；Xi為計算層次所在發(fā)生層次i的土壤特征數(shù)據(jù)值；Ai為計算層次在發(fā)生層次i中的厚度；h為計算層次的厚度；n為與計算層次有關(guān)的發(fā)生層的個數(shù)，一般n=2。該計算方法的假設(shè)條件是每個發(fā)生層次的土壤特征值是均一的，這與土壤剖面發(fā)生層調(diào)查假設(shè)理論相一致[13]。

在對數(shù)據(jù)分析整理的基礎(chǔ)上，應(yīng)用統(tǒng)計分析軟件SPSS13.0，成土母質(zhì)和土地利用方式為分類變量，采用啞變量(Dummy variable)為其賦值[14]，運用方差分析、回歸分析等方法，研究紅壤機械組成與成土母質(zhì)、土地利用之間的關(guān)系。

3 結(jié)果與討論

3.1 紅壤機械組成特征分析

將333個紅壤剖面機械組成進(jìn)行特征分析，由表2可知，從表層到底層，黏粒平均含量分別為28.12%，29.92%，32.04%，32.76%，32.54%，對照美國農(nóng)部制土壤質(zhì)地三角圖，紅壤整體質(zhì)地偏黏，這主要是因為本區(qū)域氣溫高降水豐沛，礦物風(fēng)化作用強烈。除0～10 cm表層外，其余層次均表現(xiàn)為砂粒變異系數(shù)稍大，且隨著剖面深度的增加，砂粒變異系數(shù)逐漸增大，最大值出現(xiàn)在底層(>70 cm)，為51.95%；粉粒在整個剖面中變異較穩(wěn)定，基本維持在30%；黏粒在0～10 cm表層和>70 cm底層的變異系數(shù)較大，分布范圍為44.59%～44.74%，10～70 cm層次變異系數(shù)較小，分布為42.39%～42.99%內(nèi)。

表2 紅壤剖面機械組成特征(N=333)Table 2 Characteristics of mechanical compositionof red soil(N=333) %

總體來看紅壤3種粒級間的變異系數(shù)差異不大，其砂粒、粉粒和黏粒均存在一定程度的變異。紅壤地帶是重要的農(nóng)林墾殖基地，然而其整體特征為質(zhì)黏、持水孔隙度高，其中包括大量的由束縛水所占有的孔隙，吸力大，根系難以利用，耕性較差[1]。在紅壤利用過程中，可增加耕層沙粒和粗粉粒含量，改變紅壤機械組成 ，人為改土培肥，提高作物產(chǎn)量。

3.2 成土母質(zhì)對紅壤機械組成的影響

3.2.1 林草地上不同母質(zhì)對紅壤機械組成的影響

在190個林草地剖面上分析6種母質(zhì)對紅壤機械組成的影響，由方差分析(表3)可知，從整個剖面上來看，第四紀(jì)紅黏土與花崗巖對紅壤的機械組成影響顯著；第四紀(jì)紅黏土與砂頁巖對砂粒、黏粒的影響差異顯著；同樣，花崗巖與玄武巖亦存在對砂粒、黏粒影響差異顯著；花崗巖與石灰?guī)r對砂粒、粉粒的影響差異顯著；石灰?guī)r與玄武巖對粉粒、黏粒的影響差異顯著；砂頁巖與玄武巖對黏粒的影響差異顯著。這是由于花崗巖、砂巖等的風(fēng)化物含石英多，質(zhì)地粗；玄武巖、頁巖等的風(fēng)化物，粗的石英顆粒含量少，細(xì)粒物質(zhì)含量多[5]。

表3 林草地不同母質(zhì)對紅壤機械組成影響的方差分析(N=190)Table 3 Variance analysis of the impact of parentmaterials on red soil’s mechanical composition in forestand grass land(N=190)

注：同行相同字母表示差異不顯著，不同字母表示差異顯著。

目前，我國南部山地丘陵原始植被破壞，林地多退化為次生林，林下土壤表面裸露程度高，且季節(jié)性暴雨侵蝕嚴(yán)重，紅壤表層沙化較嚴(yán)重[15-17]。然而以上分析說明，在林草地土地利用類型條件下，不同母質(zhì)仍對紅壤機械組成產(chǎn)生影響，這充分說明成土母質(zhì)與紅壤機械組成有著密切關(guān)系。

3.2.2 旱地上不同母質(zhì)對紅壤機械組成的影響

在143個旱地剖面上分析不同母質(zhì)對紅壤機械組成的影響，由方差分析(表4)可知，旱地上不同母質(zhì)對紅壤機械組成的影響與林草地稍有不同。從整個剖面上來看，砂頁巖與石灰?guī)r對紅壤的機械組成影響顯著(除>70 cm層黏粒外)；對砂粒、黏粒影響顯著的有第四紀(jì)紅黏土與花崗巖、第四紀(jì)紅黏土與砂頁巖、花崗巖與玄武巖；石灰?guī)r與玄武巖對粉粒、黏粒的影響差異顯著；第四紀(jì)紅黏土與石灰?guī)r對粉粒影響差異顯著。坡積物與石灰?guī)r僅在0～20 cm層對粉粒的影響差異顯著。

表4 旱地不同母質(zhì)對紅壤機械組成影響的方差分析(N=143)Table 4 Variance analysis of the impact of parentmaterial on red soil’s mechanical compositionin arid land (N=143)

注：同行相同字母表示差異不顯著，不同字母表示差異顯著。

總結(jié)以上分析，從對黏粒、粉粒和砂粒影響來看，林草地上表現(xiàn)為第四紀(jì)紅黏土與花崗巖對3個粒級均影響顯著，而旱地上為砂頁巖與石灰?guī)r對其影響顯著。對砂粒、黏粒影響，林草地表現(xiàn)為第四紀(jì)紅黏土與砂頁巖、花崗巖與玄武巖對兩者影響顯著，而旱地上第四紀(jì)紅黏土與砂頁巖、花崗巖與玄武巖、第四紀(jì)紅黏土與花崗巖。對砂粒、粉粒的影響，林草地上為花崗巖與石灰?guī)r。對粉粒、黏粒的影響，林草地與旱地相同，均為石灰?guī)r與玄武巖對其影響顯著。另外，林草地土地利用類型上砂頁巖與玄武巖對黏粒的影響差異顯著；旱地上第四紀(jì)紅黏土與石灰?guī)r對粉粒影響差異顯著。

表5 成土母質(zhì)對紅壤機械組成回歸判定系數(shù)Table 5 Regression coefficients of parent material’simpact on red soil’s mechanical composition

注：表中數(shù)據(jù)均達(dá)到0.01顯著水平。

3.3 土地利用對紅壤機械組成的影響

將紅壤剖面按母質(zhì)類型歸類，在相同的母質(zhì)條件下做土地利用對紅壤機械組成的方差分析(表6)，以消除成土母質(zhì)因素對機械組成的影響。在花崗巖母質(zhì)上，紅壤0～10 cm表層粉粒表現(xiàn)出受林草地與旱地土地利用方式的影響，這可能是由于發(fā)育在花崗巖上的土壤剖面具有顯著的層次結(jié)構(gòu)，各層次的顆粒組成有很大的差異，加之耕作植被地下根系分布及分泌物造成的[8]。玄武巖母質(zhì)上，土地利用對>30 cm土層中的粉粒影響顯著差異。在第四紀(jì)紅黏土、砂頁巖、石灰?guī)r3類母質(zhì)上，林草地和旱地兩種土地利用方式?jīng)]有對紅壤機械組成表現(xiàn)出影響。

表6 相同母質(zhì)下土地利用對紅壤機械組成影響的T檢驗Table 6 T-test of the impact of different land use on red soil’s mechanical composition (the same parent material)

注：同行相同字母表示差異不顯著，不同字母表示差異顯著。

4 結(jié) 論

成土母質(zhì)和土地利用均可以對紅壤機械組成產(chǎn)生影響，從以上闡述可知，成土母質(zhì)與土地利用相比，前者對于紅壤機械組成的影響更為深刻。相同的土地利用類型條件下，不同成土母質(zhì)間相互比較，均可以發(fā)現(xiàn)母質(zhì)對機械組成的影響，如林草地上，第四紀(jì)紅黏土與花崗巖對黏粉砂3個粒級均影響顯著，而旱地上為砂頁巖與石灰?guī)r對其影響顯著。成土母質(zhì)對紅壤機械組成的解釋程度隨著深度的增加而增大，可解釋紅壤機械組成變異的25%左右。

花崗巖母質(zhì)下，土地利用對剖面表層0～10 cm的粉粒產(chǎn)生差異影響，玄武巖母質(zhì)上，土地利用對>30 cm土層中的粉粒影響顯著差異。其他母質(zhì)類型上，草地和旱地2種土地利用方式?jīng)]有對紅壤機械組成表現(xiàn)出影響。因此，土地利用對紅壤機械組成影響不大。

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(編輯：趙衛(wèi)兵)

Impact of Parent Material and Land Use Type onMechanical Composition of Red Soil

SUN Jia-jia1,WANG Pei2,WANG Zhi-gang1,CHEN Xiao-ping1,PAN Xiao-ying1

(1.Soil and Water Conservation Department,Yangtze River Scientific Research Institute,Wuhan 430010,China;2.Changjiang Water Resources Protection Institute,Wuhan 430051,China)

The mechanical composition is a most basic information of soil and plays important role in soil structure.It is affected by parent material,climate,topography,biological activity and human activity.According to 333 red soil profile data fromRecordsofSoilTypesinChinaand some local soil records,we researched the degree of parent material and land use influence on the mechanical composition of red soil.Results reveal that both parent material and land use have some impact on the mechanical composition,but the former has larger impact than the latter does.Parent material explains 25% of the mechanical composition variation,and that number increases with soil depth increase.This research is a theoretical support for red soil improvement and application.

mechanical composition of soil;parent material;land use;red soil;variation

2014-12-24；

2015-01-08

國家自然科學(xué)基金項目(41201269；41101191)；國家科技重大專項(2012ZX07503-002-03)；中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費資助項目(CKSF2014022/TB，CKSF2015011/TB)；長江科學(xué)院創(chuàng)新團隊項目(CKSF2012052/TB)

孫佳佳(1983-)，女，山東泰安人，工程師，碩士，主要從事土壤侵蝕、水土保持方面的研究，(電話)027-82927942(電子信箱)hhzxinxiang@163.com。

10.3969/j.issn.1001-5485.2015.03.012

S152.72

A

1001-5485(2015)03-0054-05

2015,32(03):54-58