遼寧省白漿化土壤中白土層的特征及其形成①

王秋兵，王燕平，孫仲秀，孫忠戈

(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)院，沈陽 110866)

遼寧省白漿化土壤中白土層的特征及其形成①

王秋兵，王燕平，孫仲秀，孫忠戈

(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)院，沈陽 110866)

本文以遼寧省渾河在不同歷史時期形成的階地上的黃土狀物質(zhì)發(fā)育的土壤為研究對象，通過對剖面形態(tài)學(xué)特征、基本理化性質(zhì)和母質(zhì)均一性判定等研究，探討了渾河三級階地白漿化土壤的白土層特征及其形成機(jī)制。結(jié)果顯示：①土壤粉粒中的穩(wěn)定元素鈦與鋯分析結(jié)果表明在三級階地上的21-003、21-009、07和21-076剖面和二級階地上的21-001、21-200、03和04剖面的母質(zhì)均一；②由于土體發(fā)育程度不同，一級階地土體中無淀積層；二級階地土體中有淀積層且無白土層，尚未出現(xiàn)白漿化現(xiàn)象；三級階地土體中淀積層和白漿化現(xiàn)象明顯，出現(xiàn)了白土層，其形成以黏粒的機(jī)械淋溶和潴育淋溶為主；三級階地上土壤比二級階地和一級階地發(fā)育時間長，但尚未達(dá)到漂白層的標(biāo)準(zhǔn)。

白土層；白漿化土壤；黃土狀物質(zhì)；階地；渾河流域

遼寧省東部的渾河階地上保存著深厚的黃土狀物質(zhì)發(fā)育的土壤，不同階地上發(fā)育的土壤剖面間特征存在明顯的差異，三級階地上的土壤剖面不僅發(fā)育有淀積層，而且還在淀積層之上形成了白土層，二級階地只有淀積層并沒有形成白土層，一級階地?zé)o淀積層。白土層的形成，或是因生物氣候，或是因發(fā)育時間[1–5]，不同學(xué)者持不同看法。目前，關(guān)于白漿化土壤和白漿土的研究主要集中在北亞熱帶和東北的三江平原，且主要是研究其基本性質(zhì)、發(fā)生特性及鐵氧化物和黏土礦物等[6–8]，而有關(guān)遼寧省渾河上游在不同歷史時期形成的階地上的白漿化土壤形成機(jī)制及白土層特征研究還鮮有報導(dǎo)。

本研究在判定渾河三級階地和二級階地上土壤剖面成土母質(zhì)均一的基礎(chǔ)上，通過對白漿化土壤的白土層與其他土壤發(fā)生層的剖面形態(tài)學(xué)特征[9]、基本理化性質(zhì)[10]、地球化學(xué)及黏土礦物特征[11]的綜合對比分析，并與一級階地和二級階地比較，探討三級階地白土層的形成，試圖為探索溫帶地區(qū)白漿化土壤白土層形成原因及機(jī)制提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于渾河流域中上游地區(qū)，包括沈陽市的渾南區(qū)、沈北新區(qū)和撫順市，地理位置123°23′17.00″～

125°31′04.85″E，41°50′02.00″～ 42°13′47.70″N。該區(qū)氣候?qū)儆诒睖貛駶櫞箨懶约撅L(fēng)氣候，四季分明，雨熱同期，年均氣溫 5.0 ～ 8.1 ℃，≥10 ℃活動積溫3 054 ～ 3 500 ℃，年平均無霜期147 ～ 164 d，年平均降水量為658 ～ 950 mm。研究區(qū)新構(gòu)造運(yùn)動以間歇性區(qū)域上升為主，區(qū)域內(nèi)整體地貌由西南向東北抬升。后期受區(qū)域侵蝕夷平作用和河流侵蝕作用影響，地貌以山地為主，渾河河谷為骨架，不同類型階地組合分布。在中更新世，地殼抬升形成三級階地；到晚更新世，整體抬升，形成超河漫灘基座階地即二級階地；至全新世，地殼相對穩(wěn)定，河流沖積塑造新的地貌層次，形成一級階地[12]。

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集 供試土樣分別采自沈陽市的渾南區(qū)、沈北新區(qū)和撫順市清原縣。本研究區(qū)域主要水系為渾河。據(jù)資料記載[13–14]，渾河兩岸出現(xiàn)明顯階地，一級階地有清原部分地區(qū)，二級階地有沈陽市渾南區(qū)、沈北新區(qū)、清原部分地區(qū)晚更新世超河漫灘基座階地，三級階地有清原部分地區(qū)的中更新世階地，各階地面平穩(wěn)，面積較大。研究區(qū)域和采樣點(diǎn)位置見圖1，土壤剖面概況見表1。剖面21-013位于一級階地上，剖面21-001、21-200、03和04位于二級階地上，剖面21-003、21-009、07和21-076位于三級階地上。

圖1 研究區(qū)及采樣點(diǎn)分布示意圖Fig. 1 The study area and sampling sites

1.2.2 測定項目與方法 按發(fā)生層采樣，剖面描述依據(jù)中國科學(xué)院南京土壤研究所土壤系統(tǒng)分類課題組主編的《野外土壤描述與采樣規(guī)范》[15]。所采集的土壤樣品均經(jīng)過自然風(fēng)干、去除粗有機(jī)質(zhì)、研磨、過篩處理，用于分析測定不同項目。pH的測定分別采用 1∶2.5(H2O)和 1∶2.5(KCl)電位法；交換性 H+和A+測定采用1mol/L KCl提取，中和滴定法測定；水解性酸采用醋酸鈉浸提，中和滴定法測定；有機(jī)碳采用元素分析儀(Elementar verio Ⅲ，德國)測定；機(jī)械組成采用吸管法測定；游離鐵采用檸檬酸鈉–連二亞硫酸鈉浸提，鄰菲羅啉比色法測定；活性鐵采用草酸–草酸銨浸提，鄰菲羅啉比色法測定；絡(luò)合鐵采用焦磷酸鈉浸提，鄰菲羅啉比色法測定；粉粒中鈦和鋯采用三酸溶解，電感耦合等離子發(fā)射光譜儀法(ICPOES)測定；土壤礦質(zhì)元素和黏粒礦質(zhì)元素采用X射線熒光光譜儀法測定；黏土礦物組成采用 X射線衍射(XRD)法[16]測定。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理 采用Excel 2010分析作圖。

表1 供試土壤景觀特征Table 1 Landscape features of studied soils

2 結(jié)果與分析

2.1 遼寧省渾河不同階地上土壤剖面的形態(tài)及發(fā)育特征

三級階地剖面土體構(gòu)型為A-E-B-C，剖面中出現(xiàn)顏色偏白、質(zhì)地較粗的發(fā)生層，即白土層，出現(xiàn)的上界介于9 ～ 36 cm，厚度介于14 ～ 30 cm，潤態(tài)明度為6，彩度為4，漂白物體積介于25% ～ 40%，但尚未達(dá)到《中國土壤系統(tǒng)分類檢索》中的漂白層的顏色標(biāo)準(zhǔn)；淀積層中可見大量斑紋、膠膜和結(jié)核(表2)；剖面 21-003可達(dá)砂黏土，其他主要為黏壤，白土層質(zhì)地均為壤土，黏粒含量均低于淀積層(表 2和圖2)；三級階地上土壤剖面淀積層的水解性酸、交換性H+和Al3+明顯高于白土層，分別高6.60、0.43和0.28 cmol(+)/kg；三級階地剖面淀積層游離鐵最高，表層次之，白土層最低，表層和白土層的活性鐵均高于淀積層，分別高2.27 g/kg和2.21 g/kg (表3)；三級階地各發(fā)生層土體硅鐵鋁率值均高于黏粒中硅鐵鋁率值，白土層的硅鐵鋁率值高于淀積層，高0.54；低于表層，低0.69(表3)。

二級階地上剖面土體構(gòu)型為A-B-C(表2)，剖面淀積層中有少量斑紋，質(zhì)地主要為砂黏壤，黏粒相比上層略有增加(表2和圖2)。剖面內(nèi)交換性H+和Al3+變化不明顯，其層次間水解性酸變化無規(guī)律性(表3)。

一級階地上剖面土體構(gòu)型為A-C，無淀積層，母質(zhì)為河流沖積物(表1和表2)。

2.2 遼寧省渾河三級階地上白土層的形成

2.2.1 成土母質(zhì)均一性判定 三級階地和二級階地的母質(zhì)均為黃土狀物質(zhì)，但淀積層黏粒含量差異明顯(圖2)，可能是由于它們的成土母質(zhì)物質(zhì)組成不同，黏粒含量原本就存在差異；也可能是由于三級階地上土壤發(fā)育時間較長，黏粒的形成和淋溶淀積作用強(qiáng)度較大，使淀積層黏粒含量明顯增加。為了證實是否由于發(fā)育時間長而使三級階地上發(fā)育土壤的淀積層黏粒含量高，應(yīng)先判定三級階地和二級階地上發(fā)育土壤的成土母質(zhì)是否均一。

表2 供試剖面形態(tài)特征Table 2 Morphological characteristics of studied profiles

圖2 研究區(qū)土壤剖面黏粒含量Fig. 2 Contents of clay in studied profiles

表3 研究區(qū)土壤的基本性質(zhì)Table 3 Basic properties of studied soils

土壤學(xué)研究中，只有在保證成土母質(zhì)均一的基礎(chǔ)上，土體性質(zhì)變化才能歸因于土壤發(fā)育過程，常用砂粒或粉粒中穩(wěn)定元素的含量或比值來判定成土母質(zhì)均一性[17–20]。本研究采用粉粒中鈦、鋯的含量及其比值來初步判定成土母質(zhì)均一性(表 4)。遼寧省渾河三級階地和二級階地上發(fā)育土壤的粉粒中鈦含量介于2.69 ～ 5.61 g/kg；鋯含量介于0.06 ～ 0.12 g/kg，鈦/鋯比介于35.64 ～ 57.67。有研究認(rèn)為若粉粒中鈦/鋯比在剖面內(nèi)的變異大于22%，說明成土母質(zhì)不均一[21]。本研究中三級階地和二級階地上所有剖面的鈦/鋯比在層次間的變異系數(shù)均介于5.30% ～ 14.93%，由此初步判定它們的成土母質(zhì)具有均一性，三級階地上發(fā)育土壤黏粒含量高是由于發(fā)育時間長造成的。同時，一級階地上剖面21-013發(fā)育于全新世，其母質(zhì)為河流沖積物，受洪水泛濫的影響，成土?xí)r間短，土壤發(fā)育程度弱，尚未形成淀積層。這可以進(jìn)一步驗證三級階地上發(fā)育土壤淀積層黏粒含量高是由于發(fā)育時間長，發(fā)育程度強(qiáng)形成的。

2.2.2 淀積層形成 遼寧省渾河三級階地上所有供試土壤剖面均存在黏重的淀積層和白土層；二級階地上土壤剖面存在淀積層，無白土層；一級階地上土壤剖面無淀積層。淀積層的形成是由于上部土層中黏粒經(jīng)淋溶淀積于下部土層。母質(zhì)黏重的土壤，當(dāng)表層處于水分飽和的還原環(huán)境時，被分散的黏粒由于重力水的作用向下遷移并淀積在土體中一定部位；同時土壤在干濕交替和凍融交替作用下形成的裂隙，也會促

使土壤中黏粒隨下滲水遷移，即沿非毛管孔隙下移，達(dá)到一定深度后，淀積于毛管孔隙中，這樣隨著干濕交替和凍融交替不斷進(jìn)行，下層黏粒逐漸積累，形成淀積層[22–23]。

表4 研究區(qū)土壤剖面粉粒中鈦和鋯的含量及鈦/鋯比在剖面中的變異系數(shù)Table 4 Contents of titanium and zirconium and variation coefficient of titanium/zirconium ratios in silts of studied profiles

2.2.3 白土層形成 三級階地和二級階地上發(fā)育土壤中均存在淀積層，而三級階地上發(fā)育土壤中出現(xiàn)白土層，二級階地上發(fā)育土壤中無白土層。這是由于該區(qū)干濕交替、凍融交替條件下，淀積層黏重而使土層通透性差、上層滯水，營造上層土壤還原條件，高價鐵被還原活化成低價鐵，被活化的鐵隨土壤溶液向下或側(cè)向淋溶遷移；當(dāng)土壤水分淋失后，遷移到土體底層的低價鐵被氧化形成高價鐵淀積于淀積層中，如此長期反復(fù)干濕交替和凍融交替作用，使上層土壤脫色形成白土層[24–28]，顏色上明顯區(qū)別于下部土層。由表3和圖3可知，三級階地上發(fā)育土壤中淀積層的游離鐵含量明顯高于白土層，且高于二級階地上發(fā)育土壤的淀積層，所以三級階地上土壤發(fā)育程度比二級階地高，三級階地上發(fā)育土壤剖面中上層鐵氧化物和黏粒含量大量減少，使土層脫色形成白土層；三級階地上發(fā)育土壤硅鐵鋁率值均高于黏粒中鐵鋁率值，剖面土體白土層的硅鐵鋁率值均高于淀積層，鐵主要富集于黏粒中，在白漿化土壤發(fā)育初期，鐵隨著黏粒向下遷移在淀積層聚積，當(dāng)?shù)矸e層足夠黏重時抑制富集鐵的黏粒向下淋溶，發(fā)生側(cè)向移動(表 3)；三級階地上的 21-003、21-009、07剖面和二級階地上的03和04剖面的主要黏土礦物均為伊利石，伴有一定量蛭石、高嶺石，但三級階地上發(fā)育土壤風(fēng)化成土作用較強(qiáng)，已使伊利石發(fā)生蝕變，表現(xiàn)為結(jié)晶程度較差[29]，由此從礦物角度進(jìn)一步證實了三級階地上發(fā)育土壤的風(fēng)化程度高于二級階地。三級階地上土壤中白土層和淀積層中黏土礦物基本相同，白土層的形成過程中黏土礦物蝕變速率較小(表5)。

圖3 研究區(qū)土壤剖面鐵氧化物游離度Fig. 3 The content of free iron (%) in studied profiles

Brinkman[24–25]研究認(rèn)為白漿土中的綠泥石是白漿化作用過程中由蒙皂石和蛭石等黏土礦物轉(zhuǎn)變而成的。本研究中三級階地土壤中出現(xiàn)白漿化現(xiàn)象，礦物衍射峰中出現(xiàn)蛭石/綠泥石間層礦物(表5)，沒有出現(xiàn)綠泥石峰，表明三級階地土壤中白土層尚未達(dá)到漂白層的標(biāo)準(zhǔn)。

綜上，三級階地上發(fā)育土壤中白土層是經(jīng)長時間發(fā)育而形成的。遼寧省地質(zhì)局水文地質(zhì)大隊研究發(fā)現(xiàn)二級階地上的黃土狀物質(zhì)沉積于晚更新世，三級階沉積于中更新世[12]，本研究得出結(jié)果與資料記載吻合。隨著時間推移，三級階地土壤中上層黏粒向下淋溶遷移，形成質(zhì)地黏重的淀積層，營造滯水環(huán)境，上層鐵錳等有色元素被還原隨土壤溶液向下淋溶，同時礦物發(fā)生微弱蝕變，導(dǎo)致三級階上土壤中出現(xiàn)白土層；而二級階地上土壤發(fā)育時間較短，土體中淋溶程度低，土壤剖面中有色元素鐵錳的淋移和淀積量較少，土壤中黏土礦物被蝕變程度較低，尚未出現(xiàn)白漿化現(xiàn)象，僅出現(xiàn)少量黏粒淀積的黏粒淀積層；三級階地上土壤中白土層也尚未達(dá)到漂白層的標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)論

1) 遼寧渾河一級階地上發(fā)育土壤成土母質(zhì)為河流沖積物，土體中未出現(xiàn)淀積層；二級階地和三級階地上成土母質(zhì)均為黃土狀物質(zhì)，成土母質(zhì)均一，但發(fā)育土壤特征差異明顯。二級階地土體中有淀積層無白土層，尚未出現(xiàn)白漿化現(xiàn)象；三級階地上成土母質(zhì)古老，土壤發(fā)育時間較長，土體中出現(xiàn)白漿化現(xiàn)象，形成白土層。

表5 研究區(qū)土壤剖面黏土礦物組成Table 5 The composition of clay minerals in studied profiles

2) 三級階地上土壤發(fā)育以黏粒的機(jī)械淋溶作用、氧化還原作用為主，但因發(fā)育程度仍不夠高，尚未達(dá)到漂白層的標(biāo)準(zhǔn)。

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Characteristics of the Pale Color Horizon in Albic Soils in Liaoning Province and Their Forming Processes

WANG Qiubing, WANG Yanping, SUN Zhongxiu, SUN Zhongge
(College of Land and Environment, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, China)

Albic bleached soils derived from loess-like materials on different terraces formed under different historical periods in the Hunhe River of Liaoning Province were studied. Profile morphological features, basic chemical properties and parental material uniformity were detected and used to ascertain the characteristics and formation mechanism of pale color horizons. The stable elements of titanium and zirconium in silts showed that profiles of 21-003, 21-009, 07 and 21-076 in the third terrace share the same parental material with profiles of 21-001, 21-200, 03 and 04 in the second terrace. Soils in the first terrace have no illuvial horizon; soils in the second terrace have illuvial horizons without albic bleached phenomenon or pale color horizon; soils in the third terrace have obvious illuvial horizons, albic bleached phenomena and pale color horizons. The formation of pale color horizon is mainly due to stronger eluviation and illuviation under a longer time period with significant depletions of clays in profiles when compared to soils in the first and second terraces. However, the properties of pale color horizon have not reached the standard regulation for an albic horizon.

The pale color horizon; Albic bleached soil; Loess; Terrace; Hunhe River basin

S151+.3

A

10.13758/j.cnki.tr.2017.02.028

國家自然科學(xué)基金項目(41371223)資助。

王秋兵(1962—)，男，河北邢臺人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事土壤地理學(xué)、土地資源管理等方面的教學(xué)和科研工作。E-mail：qiubingwangsy@163.com