湘東第四紀(jì)紅土發(fā)育水稻土在中國土壤系統(tǒng)分類中的歸屬

彭 濤， 張 亮，2， 盛 浩，2， 周 清，2， 張楊珠，2

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖南長沙 410128； 2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)土壤研究所，湖南長沙 410128)

水稻土指在長期植稻下，經(jīng)人為水耕熟化和自然成土因素的雙重作用，形成的具有特殊剖面構(gòu)型的人為土壤[1]。水稻土是湖南省重要的土壤資源，約50%分布在湘東、湘中地區(qū)[2]。早在1930年，我國針對水稻土就有專門的分類研究[3-4]。湖南省在第2次土壤普查的基礎(chǔ)上，建立了現(xiàn)行的、基于發(fā)生學(xué)的6級分類系統(tǒng)；其中，水稻土土類包含淹育性水稻土、潴育性水稻、漂白性水稻土、潛育性水稻土等4個亞類、33個土屬、162個土種[2]。近年來隨著定量化系統(tǒng)分類的興起，我國率先在世界上提出水耕人為土亞綱，并提出將水耕表層和水耕氧化還原層作為水耕人為土的診斷層[5]。目前，已基本確定水耕人為土的高級分類單元，并在我國東部地區(qū)逐步開展水耕人為土基層分類研究[6]，而中部、西部地區(qū)分布的大面積水稻土在中國土壤系統(tǒng)分類中的歸屬仍有待加強(qiáng)研究[7-11]。目前，湖南省僅見關(guān)于湘西南起源于石灰?guī)r的水稻土在中國土壤系統(tǒng)分類中的歸屬研究[12]。筆者所在課題組選取起源于第四紀(jì)紅色黏土(第四紀(jì)紅土)的典型水稻土為研究對象，應(yīng)用系統(tǒng)分類指標(biāo)，確定水稻土在中國土壤系統(tǒng)分類中的地位，建立代表性土族、土系，不僅對補(bǔ)充完善我國土系基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫具有重要意義，也對當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐具有參考價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

采樣地涉及湘東的長沙、株洲、岳陽3個地級市，地勢東高西低，南高北低。研究區(qū)東部主要分布“雁行式”排列的中山，西部、北部主要分布丘陵、盆地和河谷平原。在第四紀(jì)更新世時，研究區(qū)廣泛分布山岳冰川，目前仍殘存第四紀(jì)冰川剝蝕、堆積和冰磧物遺跡。在間冰期，山岳冰川融化，大量泥砂、礫石搬運(yùn)沉積到低丘、崗地、沿河兩岸和濱湖平原邊緣，形成古老的第四紀(jì)紅色黏土，其中以湘東地區(qū)的長瀏、茶攸盆地最為典型。該區(qū)域?qū)僦衼啛釒駶櫦撅L(fēng)氣候，年平均溫度為 16～18 ℃，降水量為1 300～1 500 mm，無霜期為265～310 d，光、熱、水均能滿足雙季稻要求，是湖南省最佳農(nóng)業(yè)發(fā)展地區(qū)。起源于第四紀(jì)紅土母質(zhì)的水田常分布在丘陵崗地的坡下部，從上到下依次分布淺紅黃泥、紅黃泥和青泥田的土種組合。其傳統(tǒng)耕作制度以雙季稻—綠肥、雙季稻—冬閑、雙季稻—油菜為主，也有少部分為一季中稻—冬作或冬閑。

1.2 土壤樣品采集和室內(nèi)分析

在湖南省土壤圖、母巖母質(zhì)圖、土地利用現(xiàn)狀圖以及第2次土壤普查資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合對當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶的調(diào)查、走訪結(jié)果，并參照《湖南土壤》[2]《湖南土種志》[13]中的第四紀(jì)紅色黏土分類和土種描述，綜合確定5個起源于第四紀(jì)紅土的水稻土樣點(diǎn)位置。參照《野外土壤描述與采樣手冊》中的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)調(diào)查成土環(huán)境、挖掘土壤剖面，描述土體發(fā)育形態(tài)、采集土壤發(fā)生層樣品并拍攝景觀、剖面照片。樣點(diǎn)概況詳見表1。

采用環(huán)刀法測定土壤容重；采用吸管法測定土壤機(jī)械組成，質(zhì)地分類采用美國農(nóng)業(yè)部分類法；pH值的測定采用電位法(液土質(zhì)量比為2.5 ∶1.0)；有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀—硫酸消化法進(jìn)行測定；陽離子交換量采用乙酸銨交換法進(jìn)行測定；全氮含量采用硒粉-硫酸銅-硫酸消化-蒸餾法進(jìn)行測定，全磷、全鉀含量均采用碳酸鋰-硼酸熔融-ICP發(fā)射光譜法進(jìn)行測定；土壤游離氧化鐵含量采用連二亞硫酸鈉-檸檬酸鈉-重碳酸鈉法進(jìn)行測定[14]?；赬射線衍射方法和陽離子交換量(cation exchange capacity，簡稱CEC)、元素含量的測定結(jié)果綜合分析土壤礦物學(xué)型。

表1 采樣點(diǎn)概況

注：Ap、Ap1、Ap2分別為耕作層、耕作層亞層、犁底層；Br為氧化還原層；Br1、Br2、Br3、Br4均為氧化還原層亞層；Br11、Br12均為以氧化鐵為主的氧化還原層亞層；Br21、Br22、Br23均為以氧化錳為主的氧化還原層亞層；Cr為具有氧化還原作用的母質(zhì)層；BCr為具有氧化還原作用的過渡發(fā)生層；Bbr為埋藏的氧化還原層。Apb表示埋藏的耕作層；Cr1、Cr2表示具有氧化還原作用的母質(zhì)層亞層。表2、表3、表6同。

基于經(jīng)驗(yàn)公式Tsoil=55.89-0.645×緯度-0.004×海拔-0.153×經(jīng)度估算土壤溫度[15]。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤剖面的形態(tài)特征

由表2可知，供試土壤的剖面色調(diào)以2.5Y、10YR為主，明度介于3～6之間，彩度介于3～8之間。土體深厚，大多>1.2 m，耕作層(Ap、Ap1)較淺薄且疏松，厚度僅10～17 cm。犁底層(Ap2)一般較厚且堅(jiān)實(shí)，厚度達(dá)6～8 cm。在剖面上，耕作層土壤結(jié)構(gòu)以粒狀和團(tuán)粒狀為主，耕作層以下底土塊狀、棱塊狀結(jié)構(gòu)發(fā)育明顯。結(jié)構(gòu)體表面和內(nèi)部孔隙普遍存在黏粒-鐵錳膠膜和鐵錳斑紋，數(shù)量以中量到多量為主，在水耕氧化還原層中數(shù)量最多，甚至出現(xiàn)少量到多量的鐵錳結(jié)核。人為干擾強(qiáng)烈，集中在0～60 cm土體，常發(fā)現(xiàn)少量瓦片、瓷片等侵入體。經(jīng)診斷，土壤剖面具有典型的水耕表層、水耕氧化還原層。

表2 供試土壤的剖面形態(tài)特征

注：ND指未觀察到新生體或侵入體。

2.2 土壤主要理化性質(zhì)

通過野外觀察發(fā)現(xiàn)，土壤剖面幾乎無明顯礫石(<5%)。室內(nèi)分析結(jié)果表明，土壤質(zhì)地以壤土類(黏壤土和壤土)為主。由表3可知，黏粒含量介于219～408 g/kg之間，土壤剖面的黏化率介于0.6～1.2之間，僅2個樣點(diǎn)(43-ZZ15、43-YY19)在土體控制層段內(nèi)存在黏化率≥1.2的發(fā)生層，診斷為黏化層。水提土壤pH值為5.1～6.7，各樣點(diǎn)土壤剖面上均存在pH值≥5.5的發(fā)生層，診斷該土壤剖面存在非酸性反應(yīng)；游離氧化鐵含量變幅較大，為9.7～43.2 g/kg，其中 43-ZZ15 和43-YY15的樣點(diǎn)剖面上，出現(xiàn)水耕氧化還原層或亞層中土壤游離氧化鐵含量超過耕作層1.5倍的現(xiàn)象，具有鐵聚特征。

表3 湘東地區(qū)第四紀(jì)紅土發(fā)育水稻土剖面特性

注：“—”表示該層無數(shù)據(jù)。

2.3 供試土壤的診斷層與診斷特性

根據(jù)《中國土壤系統(tǒng)分類檢索(第三版)》[16]中診斷層、診斷特性及控制層段的標(biāo)準(zhǔn)，本研究所選的5個樣點(diǎn)剖面都具備水耕表層和水耕氧化還原層的診斷表下層，且43-ZZ15和43-YY15樣點(diǎn)土壤剖面具有鐵聚特征。按照張慧智等的方法[15]，得到5個采樣點(diǎn)土層深度為50 cm處的土溫為 19.3～20.7 ℃(平均值為20.1 ℃)，屬于熱性。

2.4 供試土壤在中國土壤系統(tǒng)分類中的歸屬

根據(jù)《中國土壤系統(tǒng)分類檢索(第三版)》[16]中的高級分類單元劃分標(biāo)準(zhǔn)，檢索供試土壤的診斷層與診斷特性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，7個剖面均屬于人為土土綱、水耕人為土亞綱、鐵聚(43-ZZ15和43-YY15)和簡育水耕人為土土類、普通鐵聚和普通簡育水耕人為土亞類。

參照《中國土壤系統(tǒng)分類土族與土系劃分建立原則與標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行基層分類。根據(jù)X射線衍射方法和CEC、元素含量的測定結(jié)果綜合分析可知，各采樣點(diǎn)的土壤礦物學(xué)型均屬于硅質(zhì)混合型，礫石含量極低(<5%)。顆粒大小級別是劃分土族的首要依據(jù)，按照顆粒大小級別和剖面黏粒大小加權(quán)平均值的差異(表4)，將所選的5個土壤剖面劃為2個土族，分別為黏壤質(zhì)硅質(zhì)混合型非酸性熱性-普通鐵聚水耕人為土(43-ZZ15、43-YY15)、黏壤質(zhì)硅質(zhì)混合型非酸性熱性-普通簡育水耕人為土(43-ZZ18、43-YY19、43-CS20)。在同一土族內(nèi)，按照表層土壤質(zhì)地和土體色調(diào)將土壤劃分為5個土系，土系名稱和剖面特征見表5。

表4 供試土壤土族控制層段內(nèi)鑒別特征

3 討論

3.1 土壤發(fā)生分類與中國系統(tǒng)分類的參比

根據(jù)土壤發(fā)生分類標(biāo)準(zhǔn)，本研究所選的5個第四紀(jì)紅土發(fā)育的剖面土壤可以歸屬于人為土土綱、人為水成土亞綱、水稻土土類、淹育性(43-ZZ18)和潴育性水稻土2個亞類、紅黃泥和淺紅黃泥2個土屬、紅黃泥和淺紅黃泥2個土種。在土壤系統(tǒng)分類中，5個樣點(diǎn)土壤剖面分別歸屬人為土土綱、水耕人為土亞綱、鐵聚水耕人為土和簡育水耕人為土土類，在基層單元上分為2個土族和5個土系。然而，發(fā)生學(xué)分類主要按定性標(biāo)準(zhǔn)判定土種，土種性狀變幅大，尤其是未量化考慮形態(tài)學(xué)特征指標(biāo)。本研究在基層分類上，按發(fā)生分類標(biāo)準(zhǔn)劃分的土種為2個，而按系統(tǒng)分類標(biāo)準(zhǔn)劃分的土系為5個。因此，不能簡單地將土種參比到土系，可能會參比到較多數(shù)量的土系類型。

表5 供試土壤的土系劃分依據(jù)

起源于第四紀(jì)紅土的5個水耕人為土，在土族劃分上，按顆粒大小級別、礦物學(xué)型、石灰性和土壤酸堿反應(yīng)、土壤溫度等4個指標(biāo)得出類似的劃分結(jié)果，即它們均為黏壤質(zhì)硅質(zhì)混合型非酸性熱性土壤。綜合分析本研究區(qū)之前資料(6個樣點(diǎn))，也幾乎均得出類似的劃分結(jié)果[17]。在土系上，劃分出5個土系，說明系統(tǒng)分類指標(biāo)較強(qiáng)的基層分類能力可以敏感表征土體發(fā)育程度、物質(zhì)組成等突變差異，對當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。

3.2 基層分類單元的生產(chǎn)性能

劃分土族和土系的根本目的在于為當(dāng)?shù)厣a(chǎn)和產(chǎn)業(yè)布局提供具體指導(dǎo)。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)性能上，土體發(fā)育深厚，耕層結(jié)構(gòu)良好，犁底層或底土層較堅(jiān)實(shí)，可防止耕層水肥漏失。普通鐵聚水耕人為土的質(zhì)地較重，以壤土或黏壤土為主，但普通簡育水耕人為土質(zhì)地相對較輕。許勝系、楓樹橋系耕層淺薄，分別為10、13 cm，宜深耕深翻，以加深耕層。

參照第2次土壤普查的水田土壤生產(chǎn)性能評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[18]，耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量豐富(36.00～52.79 g/kg)，超出一級水平(表6)。耕層全氮含量也很高，均超出一級標(biāo)準(zhǔn)，生產(chǎn)中應(yīng)考慮適當(dāng)減少氮肥投入。CEC一般介于10～20 cmol/kg之間，屬三、四級水平，說明土壤供肥能力中等。八家灣系CEC達(dá)到二級水平，土壤供肥能力較強(qiáng)。土壤全鉀含量較低(除八家灣系)，全磷含量偏低，僅為0.33～1.88 g/kg，宜科學(xué)補(bǔ)充磷、鉀等元素。

4 結(jié)論

在湘東地區(qū)類似母質(zhì)/母土(第四紀(jì)紅色黏土)條件下，按照中國土壤系統(tǒng)分類方案，在水耕人為土亞綱下檢索得到鐵聚水耕人為土和簡育水耕人為土2個土類，普通鐵聚水耕人為土和普通簡育水耕人為土2個亞類，并劃分出2個土族，建立5個土系(新中系、楓樹橋系、袁家系、許勝系、八家灣系)。同一地區(qū)，相同或類似物質(zhì)起源的土壤，在基層分類單元上，系統(tǒng)分類比發(fā)生分類具有更強(qiáng)的分類能力，能直觀、定量地劃分出基層土壤類型，可為當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)利用、作物布局提供直接的指導(dǎo)依據(jù)。

表6第四紀(jì)紅土發(fā)育水耕人為土的養(yǎng)分情況

土系發(fā)生層有機(jī)質(zhì)含量(g/kg)全氮含量(g/kg)全磷含量(g/kg)全鉀含量(g/kg)CEC(cmol/kg)新中系 Ap152.702.641.416.4415.1Ap231.611.891.256.4312.6Br111.680.670.597.3211.8Br28.140.780.438.3813.6Br34.760.510.337.819.0Br43.250.610.379.0013.6BCr2.390.560.549.4614.0楓樹橋系A(chǔ)p37.701.611.536.4211.9Br12.430.721.166.3912.6Apb18.610.761.056.3211.0Bbr9.750.720.736.4111.4Cr14.590.390.486.0310.5Cr23.180.330.395.8713.0袁家系 Ap44.432.221.708.3414.1Br1116.880.961.177.9418.1Br217.580.511.117.7716.7Br228.410.631.348.5420.6Br128.280.581.159.2818.2Br237.650.461.5810.8013.3許勝系 Ap136.001.861.886.5313.8Ap230.731.741.856.5513.5Br112.830.811.236.4613.7Br218.840.511.026.4214.4Br229.050.580.926.4013.2Br236.580.430.936.4615.7八家灣系A(chǔ)p152.792.590.7720.5724.5Ap243.852.170.8120.7626.9Br125.970.991.2719.9224.7Br28.660.800.6621.9819.5Cr18.991.330.7420.7418.1