贛南地區(qū)南方紅壤粒度與磁化率特征研究

李紅瓊，韓榮培

(1.貴州師范大學 地理與環(huán)境科學學院，貴州 貴陽 550025；2.貴州省民族研究院，貴州 貴陽 550025)

1 引言

土壤粒徑是土壤最基本的物理性質之一，它強烈地影響著水力性質、熱力性質等土壤物理特性。近年來該指標被廣泛應用于氣候變化及環(huán)境演變研究中[1～3]。亞熱帶紅壤是中國分布面積最大土類之一，其廣泛分布于長江流域以南的廣大地區(qū)。亞熱帶紅壤對中國南方農業(yè)生產活動產生重要影響，探究其特征及其與磁化率的關系，對農業(yè)生產和古氣候研究具有積極意義。

目前涉及該方面研究已經取得了一定的研究成果，如黃尋等研究重慶梁山土壤粒度與磁化率的關系[1]；朱麗東等對廬山紅土磁化率的研究[3]，熊平生研究土粒度組合特征及其指示環(huán)境意義[4]；李敬衛(wèi)等對江西九江紅土堆積特征及其成因研究，得出九江紅土堆積與中國北方黃土一樣屬于風塵堆積的結論[5]；熊尚發(fā)等就贛北紅土與沙漠砂、黃土、古土壤粒度對比，發(fā)現(xiàn)贛北紅土具有沉積上的漸變過渡性[6]。由于磁化率是物質被磁化難易程度的一種度量，是一種重要環(huán)境替代指標，常被應用于沉積物發(fā)育狀態(tài)以及環(huán)境演化。如田慶春等對青藏高原腹地湖泊沉積物的研究，分析環(huán)境代用指標與磁化率之間關系，并說明其環(huán)境意義[7]；鄧成龍等指出成土過程中新生成細粒磁性礦物含量變化是導致磁化率增強的主導因素，得出中國黃土沉積物磁氣候學記錄靈敏地反映第四紀亞洲內陸地區(qū)干旱化過程和東亞古季風演化歷史[8]。由于土壤粒度與磁化率具有密切關系，近年來兩者之間的關系研究也有一定進展。王建等對磁化率與粒度、礦物之間關系研究表明：沉積物粒度與磁化率的關系與物源及沉積動力密切相關[9]；王紅艷等對臨汾盆地褐土剖面磁化率和粒度相關性研究表明:磁化率及粒度對沉積環(huán)境和古氣候的變化有一定的響應[10]。盧升高等通過對土壤頻率磁化率與礦物粒度關系研究，表明其對風化成土過程中形成的土壤成因磁性礦物具有指示作用[11～13]。另外還有學者對沉積物粒度與磁化率關系進行研究[14～16]，土壤磁化率特征在現(xiàn)在土壤科學研究中具有非常重要的意義。

南方紅土是第四紀以來中國南方古環(huán)境演化與氣候變遷最佳載體之一，其記錄了南方古地理、古氣候等環(huán)境變遷信息，對于認識我國熱帶、亞熱帶地區(qū)第四紀氣候變化過程和全球緯度效應以及探討南北古氣候演化區(qū)域差異的理想地質材料[17,18]。本文以贛南剖面紅壤為研究對象，分析贛南紅壤的粒度特征與磁化率變化特點，探討兩者相關性，以期為相關研究提供有用依據(jù)。

2 研究區(qū)概況、材料與方法

2.1 研究區(qū)概況

贛縣是中國江西所轄縣，位于江西南部，東經114°42′～115°22′、北緯25°26′～26°17′，總面積2993 km2。沙地鎮(zhèn)是贛縣轄下鎮(zhèn)，地處丘陵山地，森林覆蓋率達75%。海拔在500～1000 m，屬亞熱帶季風濕潤氣候，年平均氣溫約19.4 ℃，年降雨量約1438.3 mm，無霜期281 d，年平均日照1855.2 h。該鎮(zhèn)距贛州市區(qū)35 km，距縣城43 km，105國道貫穿境內25 km，國土面積175 km2(圖1)。

圖1 研究區(qū)地理位置

2.2 樣品采集與測試

采樣點(114°44′4″E，26°7′43″N)位于贛縣沙地鎮(zhèn)西北京九加油站旁距105國道約1 km處，剖面厚度為1.68 m，上層土壤上覆蓋有蕨類植物，略帶黑褐色腐殖質層，中下層較均一層，顏色暗紅色，粘性較好、土質松散。取樣剖面采用一定間距連續(xù)采樣共采得樣品總數(shù)43個。土壤樣品粒度及磁化率測定在西南大學地理科學學院實驗室完成，粒度實驗所涉及每個樣品都是用英國馬爾文公司生產的Mastersize2000激光粒度儀在遮光度為15%～20%條件下，經過3次測量并取其平均值作最終結果。該儀器測量范圍是0.02～2000 um，精度±1%；磁化率測試采用卡帕橋多頻各向異性磁化率儀(MFK1-FA)進行低頻(976Hz)和高頻(15616Hz)磁化率(分別用χlf和χhf表示)測試，換算成質量磁化率。具體步驟如下：①土壤樣品自然風干，磨碎后過2 mm篩。稱取0.5 g置于250 mL燒杯中。加入10%的H2O2溶液靜置24 h；加入10%的HCl溶液直至燒杯中沒有氣泡產生，靜置24 h，加入超純水至溶液偏中性：隨后樣品中加入10 mL(NaPO3)6靜置1 h后用激光粒度儀進行測試。②磁化率土壤樣品過0.25 mm篩，將土壤樣品裝入10 m3的塑料盒中并進行密封，采用卡帕橋多頻各向異性磁化率儀上機實驗。

2.3 研究方法

2.3.1 偏度

偏度(skewness) 是統(tǒng)計變量數(shù)據(jù)分布偏斜方向和程度的度量，是統(tǒng)計變量數(shù)據(jù)分布的非對稱數(shù)字特征[19]。偏度是利用三階矩定義，所表示的是頻率曲線對稱性的參數(shù)，實質上反映的是粒度分布對稱程度，按其形態(tài)可分為正態(tài)、正偏態(tài)、負偏態(tài)特征[20,21]。福克和沃德的偏度計算公式為：

(1)

若Sk>0，則呈正偏態(tài)(或右偏態(tài))，表示峰偏向粗粒度一側，說明沉積物以粗組分為主，細粒一側表現(xiàn)為低的尾部；若Sk<0，則呈負偏態(tài)(或左偏態(tài))，表示峰偏向細粒度一側，說明沉積物以細粒為主，粗粒一側有低的尾部，此時不對稱的頻率曲線可以是單峰曲線，也可以是雙峰曲線，表現(xiàn)為在含量較少的尾部有一個低的次峰；若Sk=0，則呈正態(tài)，表示數(shù)值相對均勻的分布在平均值的兩側。

2.3.2 峰度

峰度是衡量粒度頻率曲線的尖銳程度，即度量粒度分布的中部與兩尾端的展形之比[22]。峰度是另一個反映隨機變量分布形狀的量，可以用來比較已標準化了的各隨機變量分布的尾部厚度，是利用四階矩進行定義。其計算公式為：

(2)

若KG= 0，表示不同數(shù)據(jù)間差距處于一個合適的“度”；若KG<0，則表示數(shù)據(jù)較分散，不同數(shù)據(jù)間差距較大，說明數(shù)據(jù)尾部比正態(tài)分布的尾部細；若KG>0，表示數(shù)據(jù)較集中，數(shù)據(jù)間差距較小，隨機變量的尾部比正態(tài)分布的尾部粗；若KG為無窮大時，數(shù)據(jù)間無差距，曲線變成一條直線。

2.3.3 磁化率。

磁化率是指弱磁場(0.1mT)環(huán)境中樣品磁化強度與磁場強度之比，是外磁場作用下物質磁化的能力，也是反映樣品中鐵磁性礦物含量指標[23,24]；頻率磁化率是指在不同頻率外磁場下，樣品產生磁化率值變化程度，它是反映土壤中接近穩(wěn)定單疇(SSD)—超順磁性(SP)過渡態(tài)磁性顆粒存在指標，反映兩者對磁化率的貢獻，可作為土壤中SP顆粒濃度的量度[25]。頻率磁化率(χfd)的定義是：

χfd=(χlf-χhf)/χlf×100%

(3)

其中，χhf是高頻(15616Hz)磁化率，χlf是低頻(976Hz)磁化率[26]

3 結果與討論

3.1 關于土壤粒度特征

據(jù)國家海洋局1975粒級分級標準(黏粒(<4μm)、粉砂(4～64μm)、砂(>64μm))，剖面中平均含量分別為22.3%、72.36%、5.25%，整個剖面土壤屬粉砂質地。粒度組成特征與贛南網(wǎng)紋紅土粒度特征相似，粗顆粒含量多，主要表現(xiàn)在沖積、洪積相特征[27]。選用平均粒度、標準差、偏度、峰度作為粒度特征參數(shù)，粒度參數(shù)見圖2、圖3。平均粒度變化范圍是6.19～7.3(φ)，平均值為6.77(φ)。洛川黃土研究中[28]，粒徑平均6.4～6.6φ、6.7～6.9φ、>6.9φ分別對應黃土弱、中、強風化程度。以此為參照，本文剖面弱、中、強風化強度分別為32.6%、39.5%、27.9%，風化程度相對較強；中值粒徑變化范圍是7.248～13.721μm，平均值10.125，，平均粒徑從上到下逐漸變小。標準差反映粒度粗細變化特征，紅壤剖面標準差基本介于1.45～2.31，根據(jù)福克和沃德對σ分級標準[29]，屬分選性差級。從圖2可以看出，土壤峰度在0～24 cm剖面范圍內與平均粒徑成正相關關系，24 cm以下與平均粒徑成明顯反相關，粒徑值變小時峰度變大特征。標準差峰度與平均粒徑兩者之間反相關關系明顯，粒徑值變小時標準差相應變大。偏度可判別粒度分布對稱性，偏度而言，該剖面大部分屬于正偏，土壤發(fā)育程度不對稱，粗顆粒占很大部分，這與土壤發(fā)育程度不夠成熟具有關系[30]。峰度大部處于2.62～2.99之間，小部分峰值>3，峰態(tài)為正值，屬于窄峰態(tài)[31]，呈現(xiàn)出尖銳趨勢，進一步證明粗顆粒占較大比例，土壤發(fā)育不好。峰度值與偏度呈現(xiàn)明顯反相關關系，即峰度從上到下觀察，當峰度值越來越大，偏度值就越小。剖面粒徑由上到下呈變小趨勢，且黏粒百分比含量由上到下有波動變化增加趨勢。粉砂以及砂粒級百分比含量由上到下出現(xiàn)微小波動增長，但是總體減小。

圖2 土壤平均粒徑與標準差

圖3 土壤偏度與峰度

3.2 關于土壤磁化率特征

圖4可以看出，剖面低頻磁化率為23.560×10-8～87.615×10-8m3/kg(30.11×10-5～115.3×10-5SI)，平均值為53.651×10-8m3/kg。磁化率值在剖面頂部到152 cm處呈現(xiàn)增大趨勢，并在152 cm處達到最大值，有學者[32]認為這是由于成壤過程中產生的磁顆粒(超順磁性顆粒)導致的；0～12 cm剖面最表層，磁化率值急劇增大，可能是由于人類活動所產生外來物質的積累，導致磁化率產生急劇變化；152～168 cm磁化率呈現(xiàn)逐漸降低趨勢，說明土壤成土過程中這兩個時期土壤顆粒較粗[33]。頻率磁化率呈波動變化趨勢，變化范圍不是很大，總體上還是呈增大趨勢，說明土壤發(fā)育過程中穩(wěn)定單疇以及超順磁性顆粒在增加。在土壤風化過程中，約0.03 μm的超順磁顆粒(SP)是成土作用所產生的次生磁性礦物。頻率磁化率值介于18.25%～20%之間，平均值為19.31%(圖4)。

圖4 質量磁化率與頻率磁化率對比

研究區(qū)剖面是砂巖母質上發(fā)育的紅壤，低頻磁化率總體變化趨勢是上部最小，并從上部急劇增大，且增長到最大值后又急劇降低。俞勁炎等[34]在富鋁土綱的表述中，湖北砂巖母質發(fā)育紅壤，其磁化率變化趨勢與本研究中磁化率變化特征具有相同的規(guī)律。本文中頻率磁化率雖然總體上增大，但變化很小，說明磁化率增長并不是由穩(wěn)定單疇及超順磁性顆粒導致，而是砂巖母質成分及巖性變化控制，母巖因素在很大程度上制約著其磁化率大小[35]。剖面接近地面的樣品，與贛南地區(qū)長期高溫多雨氣候環(huán)境有關，濕熱氣候環(huán)境下，細顆粒和細粒磁性礦物會發(fā)生流失，從而造成低頻質量磁化率降低[36]。

本研究區(qū)磁化率特征與相臨地區(qū)紅壤進行比較：朱麗東等對九江廬山JL剖面紅壤磁化率研究中，JL剖面⑥～⑧棕色黃土-古土壤磁化率值變化范圍是22.45～133×10-5SI[37]；袁大剛等對南京雨花臺紅土磁測，13×10-8～83.1×10-8m3/kg[38]；本文中磁化率變化范圍比廬山JL剖面小，最小值大于JL剖，最大值比JL小，平均值比JL剖面小；本文磁化率總體大于雨花臺磁化率，其變化范圍比雨花臺小，最大值和最小值均小于雨花臺。以上比較說明以上兩地磁化率影響因素比本研究區(qū)要復雜得多(圖5)。

3.3 關于土壤粒度與磁化率關系

本文通過對實驗得出粒度參數(shù)及磁化率與頻率磁化率分析，得表1、圖5。表1中可以看出：剖面中頻率磁化率增加與砂粒含量、黏粒含量、標準差、偏度、中值粒徑存在正相關性，其中與黏粒含量、中值粒徑和標準差相關系數(shù)分別為0.11983、0.45043與0.19049；而與粉砂含量、平均粒徑、峰度存在負相關性，與粉砂含量、平均粒徑和峰度相關性系數(shù)分別為-0.20807、-0.03637與-0.10618；低頻磁化率增加與黏粒含量、粉砂含量、平均粒徑、偏度、峰度存在負相關性，與粉砂含量、平均粒徑和峰度相關系數(shù)分別為-0.6765、-0.51839與-0.44735，而與砂粒含量、中值粒徑、標準差存在正相關性，其中與砂粒、中值粒徑、標準差的相關系數(shù)分別為0.57582、0.59251與0.64214。頻率磁化率相關性分析中，頻率磁化率與黏粒相關性系數(shù)是0.11983，呈現(xiàn)出正相關性，說明穩(wěn)定單疇與超順磁顆粒在紅壤磁性貢獻中占有一定比例。質量磁化率又與黏粒含量相關系數(shù)為-0.21502，呈現(xiàn)出負相關性，說明剖面正處于土壤風化過程過渡期的最明顯代表，其質量磁化率呈現(xiàn)增長趨勢可能與同母巖本身礦物含量、礦物類型以及人為因素等相關，而穩(wěn)定單疇與超順磁顆粒并無大相關性。

表1 紅壤剖面粒度參數(shù)與質量磁化率、頻率磁化率相關性

圖5 黏土百分含量、中值粒徑與質量磁化率對比

為反映粒度參數(shù)與磁化率間關系，建立磁化率與粒度參數(shù)間相關性關系。選擇頻率磁化率與質量磁化率作為變量，以<4μm、4～64μm、>64μm、中值粒徑、平均粒徑、標準差、偏度、峰度8個影響因子作為自變量。為確保兩者關系可靠性，必須確定變量與自變量相關性關系具有統(tǒng)計學意義。結果顯示，頻率磁化率與黏粒、粉砂、砂粒、平均粒徑、標準差、偏度、峰度以及質量磁化率與黏粒、偏度之間相關性不顯著。頻率磁化率主要與中值粒徑存在顯著相關性，質量磁化率與粉砂含量存在顯著相關性。

4 結論

本文以贛南紅壤剖面土為研究對象，分別測定其粒度和磁化率，探究該地區(qū)土壤粒度和磁化率關系，并討論了其變化特征及其成土原因，研究結果可為相關研究提供一定的借鑒。根據(jù)以上分析，初步得出如下主要研究結論：

(1)紅土剖面的土壤屬于粉砂質地，平均粒徑區(qū)間為6.19～7.3(φ)，標準差值基本介于1.45～2.31，分選性差，偏度屬于正偏，說明土壤發(fā)育程度不夠成熟，同時峰度值為正，峰態(tài)屬于窄峰態(tài)，進一步說明粗顆粒占較大比例，土壤發(fā)育不好。

(2)土壤剖面的磁化率總體變化趨勢是隨深度增加而遞增，其具體變化可經分為三段：剖面的表土樣品χlf最小，這可能是與贛南氣候環(huán)境有關，0～12 cm剖面χlf急劇增大，可能是由于人類活動影響導致的，之后χlf呈現(xiàn)明顯增大趨勢，并在152 cm達到最大值，152～168 cm呈現(xiàn)降低趨勢。

(3)頻率磁化率呈現(xiàn)波動起伏狀，但其值變化較小，說明細顆粒物質對低頻磁化率的影響較小。同時以湖北砂巖母質紅壤磁化率為參考，說明本文中剖面磁化率變化是由砂巖母質成分及巖性變化控制，母巖因素在很大程度上制約著其磁化率大小。

(4)在磁化率與粒度參數(shù)相關性分析中，頻率磁化率與粉砂含量、平均粒徑與峰度均存在負相關關系，而與黏粒含量、砂粒含量、中值粒徑、標準差和偏度均存正相關關系。質量磁化率與黏粒含量、粉砂含量、平均粒徑、峰度以及偏度存在負相關關系，與砂粒含量、中值粒徑和標準差存在正相關關系，并與砂粒含量和標準差相關性顯著。