澧陽平原杉龍崗遺址埋藏古水稻土磁性礦物特性①

譚 潔，周衛(wèi)軍，陳 戀，劉 沛，曹 勝，羅思穎

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，長沙 410128)

澧陽平原杉龍崗遺址埋藏古水稻土磁性礦物特性①

譚 潔，周衛(wèi)軍*，陳 戀，劉 沛，曹 勝，羅思穎

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，長沙 410128)

為探明埋藏古水稻土磁性礦物特征，采用環(huán)境磁學(xué)方法研究了澧陽平原杉龍崗遺址埋藏古水稻土的磁性礦物含量、組成和粒度。結(jié)果表明，埋藏古水稻土的磁化率平均值為6.2×10-8m3/kg，飽和等溫剩磁平均值為16 338×10-5Am2/kg，軟剩磁平均值為773×10-5Am2/kg，退磁參數(shù)S300平均值為72%。埋藏古水稻土亞鐵磁性和不完全反鐵磁性礦物含量隨土層深度增加不斷降低，其含量均低于現(xiàn)代耕作水稻土層；埋藏古水稻土磁化率主要來源于亞鐵磁性礦物和不完全反鐵磁性礦物，且亞鐵磁性礦物占相對主導(dǎo)地位；相對于現(xiàn)代耕作水稻土層，埋藏古水稻土層中磁性礦物以較粗的磁鐵礦顆粒為主。

澧陽平原；古水稻土；磁性礦物；磁性參數(shù)

古土壤是在古環(huán)境條件下氣候、生物、地形、母質(zhì)、時間和人為活動等綜合作用下形成的，是反映不同地質(zhì)時期的古環(huán)境、古氣候、古生態(tài)以及重大地質(zhì)事件的一面鏡子[1]。通過對古土壤發(fā)生和演變的系統(tǒng)研究，了解歷史上農(nóng)業(yè)發(fā)展的歷程及全球氣候變化已成為國際土壤學(xué)界的研究熱點[2-3]。水稻栽培在我國已有7 000 a以上歷史，我國學(xué)者圍繞古水稻土的時空分布特征[4]、肥力狀況[5]、細(xì)菌和古細(xì)菌群落特性[6]、孢粉學(xué)[7]和有機質(zhì)特征[8-9]及黏土礦物形態(tài)分布與演變[10-11]等方面開展了深入研究，闡明了古水稻土的物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)和生物地球化學(xué)的一些特性。由于土壤中存在多種磁介質(zhì)，土壤磁性可以用于評價地質(zhì)、氣候、植被、地形、有機質(zhì)及時間等主要成土因子，能夠反映全球環(huán)境變化、氣候變遷和人類活動等綜合信息[12]，將土壤磁化率作為記錄古氣候變遷和古季風(fēng)環(huán)流變化的代用指標(biāo)已廣泛應(yīng)用于中國北方黃土-古土壤研究[13-16]，還有不少研究者從不同角度對紅土磁化率的古環(huán)境意義進(jìn)行了探討[17-20]。目前，關(guān)于水稻土的磁化率研究相對較少，針對古水稻土的磁化率研究僅見于江蘇省昆山市綽墩遺址[21]。因此，本研究通過對位于澧陽平原的杉龍崗埋藏古水稻土剖面磁性礦物的相關(guān)特性研究，分析埋藏古水稻土層與現(xiàn)代耕作水稻土層磁性礦物變化規(guī)律及差異，旨在為進(jìn)一步揭示水稻土發(fā)生、發(fā)育過程的生物地球化學(xué)機制提供理論和實際依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

樣品采自湖南常德臨澧縣新安鎮(zhèn)杉龍崗村古水稻考古點(29°40′3.97″N，111°30′ 41.11″E)，土壤剖面是湖南省文物考古研究所挖掘的2個考古剖面，分別為PB(29°40′3.96″N，111°30′41.52″E)、PC(29°40′4.61″N，111°30′41.13″E)。根據(jù)土壤剖面特性和年代測定結(jié)論，剖面可分為2個典型的層次(表1)，其中剖面PB(51 ～ 70 cm)和PC(39 ～ 67 cm)為距今約3 000 a的埋藏古水稻土層，剖面PB(0 ～ 51 cm)和PC(0 ～ 39 cm)為現(xiàn)代耕作水稻土層，在進(jìn)行剖面觀察確定層次后，自剖面底部向上每層采集土壤1 kg左右，土壤樣品在實驗室自然風(fēng)干后過10目篩，裝入密封袋備用。

1.2 分析測定方法

樣品主要進(jìn)行以下測量：①磁化率，將5 ～ 6 g自然風(fēng)干的土樣，過16目篩，置于10 ml圓柱狀聚乙烯樣品盆，壓實密封，采用BartingtonMS2磁化率儀測定低頻磁化率(χlf，0.47 kHz)和高頻磁化率(χhf，4.7 kHz)。②等溫剩磁和飽和等溫剩磁，采用Molspin脈沖磁力儀(磁場范圍在0～300 mT) 在系列磁場中磁化，Molspin旋轉(zhuǎn)磁力儀測定等溫剩磁(IRM)，并在1 T脈沖磁化儀磁化后測定飽和等溫剩磁(SIRM)。③軟剩磁(SOFT)，在20 mT磁場中測定的剩磁。④硬剩磁(HIRM)，根據(jù)SIRM與300 mT磁場下測定的剩磁計算，HIRM=(SIRM+IRM300mT)/2。并根據(jù)測量結(jié)果計算SIRM/χLF。以上試驗在浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院磁學(xué)實驗室完成。

表1 古水稻土(PB和PC)剖面特征描述Table 1 Morphological characteristics of PB and PC profiles of ancient paddy soil

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

所有野外調(diào)查與分析測定數(shù)據(jù)均用Excel 2003和PASW Statistics 18統(tǒng)計軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤磁性礦物含量特征

磁化率(χlf)一般用于反映磁鐵礦和磁赤鐵礦等亞鐵磁性礦物的總量[22]。磁學(xué)參數(shù)測定結(jié)果表明(表2)，埋藏古水稻土層剖面樣品 χlf變化范圍為(5.3 ～7.3)×10-8m3/kg，平均值為 6.2×10-8m3/kg，其值耕作層＞犁底層＞潴育層＞母質(zhì)層，表明隨著深度的增加，埋藏古水稻土層中亞鐵磁性礦物含量呈逐漸下降的趨勢，這與淹水導(dǎo)致母質(zhì)中原有的強磁性礦物被還原分解、水化和無定形化成弱磁性礦物和無定形氧化鐵有關(guān)。PB 剖面埋藏古水稻土層 χlf的變幅為(5.3 ～6.0)×10-8m3/kg，平均值為5.8×10-8m3/kg，變異系數(shù)7.0%；PC 剖面埋藏古水稻土層 χlf的變幅為(6.0 ～7.3)×10-8m3/kg，平均值為 6.5×10-8m3/kg，變異系數(shù)9.7%，均小于現(xiàn)代耕作水稻土層，說明埋藏古水稻土層中亞鐵磁性礦物總量低于現(xiàn)代耕作水稻土層。

飽和等溫剩磁(SIRM)是亞鐵磁性和不完全反鐵磁性礦物含量的近似度量[23]。由表2可知，PB和PC剖面埋藏古水稻土層的SIRM變幅分別為(13 761 ～20 652)×10-5Am2/kg和(10 187 ～ 21 645)×10-5Am2/kg，平均值分別為17 447×10-5Am2/kg和15 229.5×10-5Am2/kg，其變幅與平均值均小于現(xiàn)代耕作水稻土層，且耕作層＞犁底層＞潴育層，反映了埋藏古水稻土層中亞鐵磁性和不完全反鐵磁性礦物的含量整體低于現(xiàn)代耕作水稻土層，且有隨著深度增加而不斷降低的特點。磁化率、等溫剩磁均隨著土層深度的增加而下降，這與盧升高[24]關(guān)于紅壤性稻土年限越長，其磁化率降低幅度越大，以及常躍暢[25]關(guān)于瀦育型水耕人為土剖面磁化率由上至下逐漸變小的研究結(jié)論一致。軟剩磁(SOFT)可以用于指示亞鐵磁性礦物，特別是低矯頑力的多疇(MD)和準(zhǔn)單疇(PSD)磁性晶粒含量[26]；硬剩磁(HIRM)則能反映土壤中反鐵磁性礦物的含量[27]。由表2可見，PB和PC剖面的埋藏古水稻土層和現(xiàn)代耕作水稻土層SOFT存在明顯差異，埋藏古水稻土層SOFT平均值分別為817.7×10-5Am2/kg和729.0×10-5Am2/kg，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于現(xiàn)代耕作水稻土層平均值6 771.3×10-5Am2/kg和6 715.5×10-5Am2/kg；HIRM的測定結(jié)果也呈現(xiàn)同一特征，表明PB、PC剖面埋藏古水稻土層中亞鐵磁性礦物以及反鐵磁性礦物含量均低于現(xiàn)代耕作水稻土層。這與楊用釗等[21]在綽墩農(nóng)業(yè)遺址全新世2個古水稻土層磁化率變化趨勢一致。

表2 土壤磁性參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果Table 2 Statistics of measured magnetic parameters

2.2 土壤磁性礦物組成

PB和PC剖面土壤樣品χlf與SIRM之間的相關(guān)性分析表明(圖1A、B)，PB和PC剖面χlf與SIRM之間存在顯著正相關(guān)(PB剖面R2= 0.999 1，P＜0.01；PC剖面R2= 0.970 8，P＜0.01)，反映出樣品中對 χlf的貢獻(xiàn)主要來源于亞鐵磁性礦物和不完全反鐵磁性礦物。由圖2A、B可見，PB和PC剖面χlf與SOFT亦存在極顯著的正相關(guān)性(PB剖面R2= 0.992 1，P＜0.01；PC剖面R2= 0.993 8，P＜0.01)，更進(jìn)一步證明了χlf主要受亞鐵磁性礦物的主導(dǎo)。HIRM主要用于估計高矯頑力的不完全反鐵磁性礦物[28]。從圖3A、B可以看出，χlf與HIRM也存在正相關(guān)性(PB剖面R2= 0.972 9，P＜0.01；PC剖面R2= 0.922 3，P＜0.01)，但低于χlf與SIRM和SOFT相關(guān)性，表明不完全反鐵磁性礦物對χlf的貢獻(xiàn)度低于亞鐵磁性礦物。

退磁參數(shù)(S300)反映了樣品中亞鐵磁性礦物和不完整反鐵磁性礦物的相對比例，高值表明樣品中亞鐵磁性礦物居多，其值隨著不完整反鐵磁性礦物比例的增多而下降[29]。由圖4可見，PB和PC剖面埋藏古水稻土層S300變幅為68.52% ～ 79.30%，平均值為72%，均低于現(xiàn)代耕作水稻土層，這反映出埋藏古水稻土層中亞鐵磁性礦物低于現(xiàn)代耕作水稻土層，且不完全反鐵磁性礦物相對比例有增高趨勢。

2.3 土壤磁性礦物粒度分析

頻率磁化率(χFD)可大致反映超順磁性(SP)-穩(wěn)定單疇(SSD)過渡態(tài)顆粒的含量[30]。由于澧陽平原杉龍崗遺址埋藏古水稻土磁化率過低，導(dǎo)致頻率磁化率過高，故不宜采用頻率磁化率作為古水稻土粒度分析依據(jù)。SIRM/χlf可用于分辨樣品中磁性礦物類型和鐵磁晶粒特征，當(dāng)磁性顆粒的粒徑大于SP時，SIRM/ χlf值越大，粒徑小的磁性顆粒含量越大[22]。由表2可知，PB和PC剖面埋藏古水稻土層SIRM/χlf低于現(xiàn)代耕作水稻土層，且隨著深度的增加呈現(xiàn)下降趨勢，表明埋藏古水稻土層中磁性顆粒以粗顆粒為主，粒徑大的磁性顆粒含量高于現(xiàn)代耕作水稻土層，且隨著土層深度增加，鐵磁晶粒平均粒徑也不斷增大。該結(jié)論與盧升高[24]認(rèn)為紅壤性水稻土中基本不存在超順磁性和穩(wěn)定單疇?wèi)B(tài)鐵磁性礦物一致。

3 結(jié)論

1) 磁化率、等溫剩磁均隨著土層深度的增加而下降，說明澧陽平原埋藏古水稻土在地表淹水和地下水雙重影響下，土壤中的強磁性礦物不斷轉(zhuǎn)化成弱磁性礦物和無定形氧化鐵，從而使得亞磁性和不完全反鐵磁性礦物的含量隨深度增加不斷降低。埋藏古水稻土層的磁化率、飽和等溫剩磁、軟剩磁和硬剩磁明顯低于現(xiàn)代耕作水稻土層，表明埋藏古水稻土層亞鐵磁性和不完全反鐵磁性礦物的含量均低于現(xiàn)代耕作水稻土層。

2) 磁化率與飽和等溫剩磁、軟剩磁、硬剩磁之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系，但磁化率與硬剩磁相關(guān)性低于其與飽和等溫剩磁、軟剩磁的相關(guān)性，說明土壤磁化率主要來源于亞鐵磁性礦物和不完全反鐵磁性礦物，且亞鐵磁性礦物占相對主導(dǎo)地位；退磁參數(shù)的變化亦反映了磁鐵礦、磁赤鐵礦等亞鐵磁性礦物在埋藏古水稻土層中的相對含量低于現(xiàn)代耕作水稻土層，且埋藏古水稻土層中針鐵礦、赤鐵礦等不完全反鐵磁性礦物的相對比例有所增多。

圖1 PB(A)、PC(B)剖面χlf與SIRM關(guān)系Fig.1 Correlation between χlf and SIRM in PB(A) and PC(B) profile

圖2 PB(A)、PC(B)剖面χlf與SOFT關(guān)系Fig.2 Correlation between χlf and SOFT in PB(A) and PC(B) profile

圖3 PB(A)、PC(B)剖面χlf與HIRM關(guān)系Fig.3 Correlation between χlf and HIRM in PB(A) and PC(B) profile

圖4 土壤磁學(xué)參數(shù)IRM300mT/SIRM隨剖面深度變化Fig.4 Changes of IRM300mT/SIRM in soil profile

3)現(xiàn)代耕作水稻土層和埋藏古水稻土層磁化率及SIRM/χLF的變化及差異，表明了埋藏古水稻土層中以較粗的多疇顆粒為主，且隨著深度增加，粒徑大的晶粒越加占主導(dǎo)地位。

4) 由于水稻土受到人類活動、自然氣候、生物作用等各種因素的影響，磁化率信息發(fā)生了非常復(fù)雜的變化，而導(dǎo)致埋藏古水稻層與現(xiàn)代耕作水稻土層磁性礦物特征差異的因素及其作用機制還有待進(jìn)一步深入分析。

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Magnetic Mineral Characteristics of Buried Ancient Paddy Soil in Shanlonggang Site of Liyang Plain

TAN Jie, ZHOU Weijun*, CHEN Lian, LIU Pei, CAO Sheng, LUO Siying
(College of Resources and Environment, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China)

Environmental magnetism method was applied in this study to discuss the content, composition and granularity of the magnetic minerals of the buried ancient paddy soil in Shanlonggang Site in Liyang Plain in order to disclose the characteristics of magnetic minerals. The results showed that the average MS, SIRM, ‘soft’ IRM, S300 ratios were 6.2×10-8m3/kg,16338.3×10-5Am2/kg, 773.35×10-5Am2/kg and 71.99%, respectively. It also showed that the frequency dependent susceptibility χlfwas over 10%. Furthermore, the magnetic susceptibility was mainly derived from ferrimagnetic mineral and the imperfect antiferromagnetic mineral, especially from ferrimagnetic mineral. Meanwhile, the contents of ferrimagnetic and the imperfect antiferromagnetic minerals decreased with the depth, and were lower than those of current paddy soils. Finally, the results of SIRM/χlfand magnetic susceptibility, which could be used as an indicator of the magnetic grain size, indicated that the sizes of magnetic particles of the buried ancient paddy soil may be larger than those of current paddy soils.

Liyang Plain; Ancient paddy soil; Magnetic parameters; Magnetic mineral

S153.2

A

10.13758/j.cnki.tr.2017.05.026

國家自然科學(xué)基金項目(41371288)資助。

* 通訊作者(wjzh0108@163.com)

譚潔(1979—)，女，湖南湘潭人，講師，博士研究生，主要從事土地/土壤環(huán)境過程及模擬研究。E-mail： 37080689@qq.com