新疆天山南麓土壤系統(tǒng)分類研究*

郭 夢，吳克寧，2?，鞠 兵，武紅旗

（1. 中國地質(zhì)大學(xué)（北京）土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100083；2. 自然資源部土地整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100035；3. 中國科學(xué)院南京土壤研究所，南京 210008；4. 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830052）

新疆維吾爾自治區(qū)位于中國西北邊境，地處中緯度亞歐大陸腹地，以其典型的大陸性氣候聞名于世。在新疆眾多山地中，天山位于新疆中部，極大地影響了新疆南北的氣候分布，由于其雄偉壯觀，天山的南坡和北坡氣候呈現(xiàn)明顯的垂直地帶性分布規(guī)律[1]。周霞和陳東景[2]通過研究將天山南坡劃分為五個垂直氣候帶。作為一個重要的地形因素，海拔通過改變氣候環(huán)境，從而影響土壤的發(fā)生和發(fā)育，從而對土壤性狀、物理化學(xué)性質(zhì)等產(chǎn)生重要影響[3]。馬國飛等[4]發(fā)現(xiàn)天山南坡臺蘭河上游草地土壤各物理性狀與海拔之間存在顯著相關(guān)性。何曉玲等[5]將天山北麓丘陵地帶土壤劃分為3個土綱、4個土類。劉立誠[6]通過研究發(fā)現(xiàn)天山北坡雪嶺云杉林下的灰褐色森林土與褐色土相似，而與一般褐色土有所區(qū)別的溫帶干早區(qū)土壤垂直帶譜中一特殊類型。關(guān)欣等[7]探討了南疆平原典型荒漠樣區(qū)耕種土壤的系統(tǒng)分類。作為土壤形成的條件和因素，氣候、生物、地形、母質(zhì)等均在不同方面，隨著時間的推移影響土壤的形成和發(fā)生。而土壤作為生態(tài)環(huán)境的重要組成部分，其類型特征對于調(diào)節(jié)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)甚至農(nóng)業(yè)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要作用[8]。因此，本研究試圖在前人對天山土壤研究的基礎(chǔ)上探尋天山南麓土壤類型隨海拔變化的規(guī)律，補(bǔ)充前人對天山南坡土壤研究的不足。此外近年來不斷有學(xué)者開始研究新疆地區(qū)的土壤系統(tǒng)分類，但是大部分集中在高級分類單元的劃分，很少有關(guān)于基層分類單元的劃分，而且關(guān)于天山南麓土壤分類的最新研究比較少。本文通過選取8個典型的剖面，研究隨著海拔變化，天山南麓成土過程的變化和系統(tǒng)分類的歸屬問題，以進(jìn)一步完善對于天山南麓的系統(tǒng)分類研究。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

新疆地區(qū)一般劃分為北疆和南疆。本文的研究區(qū)域位于南疆地區(qū)，南疆地處內(nèi)陸、中緯度亞歐大陸腹地，遠(yuǎn)距海洋，四周以高山環(huán)繞，地貌高差明顯，因而受海洋氣流影響較小，屬于典型的溫帶大陸性干旱氣候，其特點(diǎn)是冬天酷冷、夏天干熱、冷熱變化特別明顯、氣溫日差較大、干燥無雨、晴天較多、光熱豐富、風(fēng)多并強(qiáng)、氣候垂直運(yùn)動明顯。從地貌總體特征上看，南疆北部以天山為界，南部則以昆侖山為界，兩山之間是塔里木盆地，故呈現(xiàn)出“兩山夾一盆”的特征。該地區(qū)地形起伏多變，地質(zhì)地貌條件復(fù)雜，成土母質(zhì)類型繁多。山區(qū)以殘積物、坡積物分布最廣，部分山地迎風(fēng)坡尚有黃土分布。平原地區(qū)的成土母質(zhì)則主要為洪積物、沖積物、砂質(zhì)風(fēng)積物和各種黃土狀沉積物。在古老灌溉綠洲內(nèi)，分布有灌溉淤積物，此外，尚有湖積物、冰磧物等[9]。

1.2 樣品采集與分析

根據(jù)南疆地區(qū)成土環(huán)境因素的特征和代表性土壤類型，本文選取天山南麓至塔里木盆地邊緣8個代表性的土壤剖面作為研究對象，具體位置見圖1，成土環(huán)境條件參見表1。本研究的野外調(diào)查結(jié)合不同海拔高度選擇不同的土壤觀測點(diǎn)。

表1 土壤的成土環(huán)境Table 1 Soil forming environment of the studied soils

在野外首先借助GPS進(jìn)行定位，再挖掘剖面，按野外土壤調(diào)查與采樣規(guī)范進(jìn)行描述，包括土壤顏色、土壤結(jié)構(gòu)、土壤發(fā)育程度、干濕狀態(tài)、結(jié)持性、新生體等，并對石灰反應(yīng)、pH進(jìn)行現(xiàn)場速測[10]，按發(fā)生學(xué)層次自下而上進(jìn)行土壤樣品的采集。土壤基本物理化學(xué)性質(zhì)的指標(biāo)測試包括顆粒組成、pH、有機(jī)質(zhì)、碳酸鈣、堿解氮、速效磷和電導(dǎo)率等，分析方法依據(jù)《土壤調(diào)查實(shí)驗(yàn)室分析方法》[11]和《土壤農(nóng)化分析》[12]。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤的剖面形態(tài)特征及機(jī)械組成

8個典型剖面特征和顆粒組成見表2。土壤剖面顏色以黃色為主，顏色相對較淺，所有剖面的色調(diào)均為2.5Y，明度主要為5～8，彩度主要為1～6。剖面顏色較均勻，不同層次間差異很小。除剖面1和4外，其余剖面土層厚度較深，可達(dá)120 cm左右，剖面1因所在海拔較高，土層厚度較淺。剖面4因其地下水位較高，土層厚度較淺。

表2 剖面特征和顆粒組成Table 2 Profile characteristics and particle size composition of the studied soils

土壤結(jié)構(gòu)主要為塊狀、粒狀、團(tuán)塊狀。土壤質(zhì)地主要為壤土，土壤顆粒組成總體上來看，砂粒含量由天山至塔里木盆地邊緣呈現(xiàn)先減后增的趨勢。原因是在天山高海拔處土壤風(fēng)化程度較低，隨著海拔降低，風(fēng)化程度逐漸加強(qiáng)，至塔里木盆地邊緣臨近沙漠，土壤砂粒含量增加。

2.2 土壤的基本化學(xué)性質(zhì)

8個典型剖面的有關(guān)化學(xué)性質(zhì)見表3。天山南坡地區(qū)在高山草甸下發(fā)育的土壤，表層有機(jī)質(zhì)積累較多，隨著海拔的降低，表層有機(jī)質(zhì)含量減少[13]。此外，表層有機(jī)質(zhì)含量明顯高于下層，這是由于有機(jī)質(zhì)在剖面各層次間的分布非常不均勻造成的。

表3 土壤化學(xué)性質(zhì)Table 3 Chemical properties of the studied soils

8個典型剖面的pH均超過7，呈堿性。碳酸鈣含量在不同剖面之間有較大差異。剖面5碳酸鈣含量明顯高于其他7個剖面，碳酸鈣含量最高為436.6 g·kg-1，這可能與人為耕作產(chǎn)生的灌溉淤積物碳酸鹽含量高有關(guān)。除剖面5外，剖面6、7表層土壤的碳酸鈣含量偏高可能也與此有關(guān)。剖面1由于其海拔較高，剖面內(nèi)碳酸鈣含量從上至下呈現(xiàn)出遞減的趨勢。其余各剖面各層次間呈現(xiàn)無規(guī)則變化。

除1號剖面外，有效磷含量具有表聚性，且隨剖面深度的增加有效磷含量略有下降。剖面5表層有效磷含量最高，為57.42 mg·kg-1，剖面7表層含量最低，僅為8.029 mg·kg-1。各剖面堿解氮含量有較明顯差異，變化范圍在2.106～118.400 mg·kg-1之間，但在單個土體內(nèi)表現(xiàn)出由土體中上部向下部遞減的趨勢。

電導(dǎo)率對研究鹽漬化程度、土壤基本化學(xué)性質(zhì)和肥力質(zhì)量特征具有重要指導(dǎo)意義[14-17]。從表中數(shù)據(jù)可知，各剖面間電導(dǎo)率差異明顯，剖面2、剖面4、剖面5、剖面8電導(dǎo)率最高，其余剖面電導(dǎo)率接近。

續(xù)表

2.3 診斷層及診斷特性

中國土壤系統(tǒng)分類基于診斷層和診斷特性，具有定量化特征，能與國際的分類方案相接軌。根據(jù)《中國土壤系統(tǒng)分類檢索（第三版）》[18]，天山南麓研究土壤剖面的診斷層和診斷特性見表4。

表4 土壤的診斷層和診斷特性Table 4 Diagnostic horizons and diagnostic features of the studied soils

2.3.1 診斷層 （1）診斷表層。剖面5滿足厚度大于等于25 cm，有機(jī)碳加權(quán)平均值大于等于6 g·kg-1，和有效磷加權(quán)平均值大于等于35 mg·kg-1等肥熟表層的標(biāo)準(zhǔn)，具有肥熟表層。剖面8滿足干旱表層的地表特征，即有沙層，從地表起，有一厚度大于等于0.5 cm，并含不同數(shù)量氣泡狀孔隙的孔泡結(jié)皮層而具有干旱表層。剖面1、3厚度大于等于5 cm，容重范圍為0.5～1.1 g·cm-3，且有寒性或更冷的土壤溫度狀況等草氈表層的標(biāo)準(zhǔn)，具有草氈表層。剖面4滿足上部土層經(jīng)常被水飽和，表層上部為耕作層，且0～25 cm內(nèi)黏粒含量大于等于160 g·kg-1等有機(jī)表層的擬定標(biāo)準(zhǔn)，具有有機(jī)表層。（2）診斷表下層。剖面1、2、3、6、7滿足規(guī)定厚度至少5 cm，

其他土層大于等于10 cm，細(xì)土質(zhì)地多為砂壤土和粉壤土，具有土壤結(jié)構(gòu)的發(fā)育，且不滿足黏化層、灰化淀積層等條件，符合雛形層的診斷標(biāo)準(zhǔn)，因此具有雛形層。剖面5檢索出肥熟表層，且厚度大于等于10 cm，有效磷含量大于等于18 mg·kg-1，故具有磷質(zhì)耕作淀積層。（3）其他診斷層。剖面8滿足厚度至少為15 cm，1︰1水土比提取液的電導(dǎo)率大于等于30 ds·m-1等鹽積層的擬定標(biāo)準(zhǔn)，具有鹽積層。（4）診斷現(xiàn)象。剖面5、6具有灌淤表層的特征，但厚度為20～50 cm，故認(rèn)為有灌淤現(xiàn)象。

2.3.2 診斷特性 （1）土壤溫度狀況。剖面1、3因海拔較高土壤溫度狀況為寒凍土壤溫度狀況。剖面2因年平均土壤溫度小于8℃，且夏季高于寒性土壤溫度狀況的年平均土壤溫度，屬于冷性土壤溫度狀況。剖面4、5、6、8因年平均土溫在8℃～15℃之間，屬于溫性土壤溫度狀況。剖面7因年平均土溫在15℃～22℃之間，屬于熱性土壤溫度狀況。（2）土壤水分狀況。剖面1因多數(shù)年份全年各月蒸發(fā)量小于降水量，土壤水分控制層段中水分張力很少達(dá)到100 kPa，屬于常濕潤土壤水分狀況。剖面2、5、8因大多數(shù)年份50 cm處土壤溫度大于5℃，土壤水分控制層段的全部每年累計一半天數(shù)是干燥的；而且50 cm處土溫大于5℃，水分控制層段某些部分或者全部連續(xù)濕潤時間不超過90d，屬于干旱土壤水分狀況。剖面3、6、7所處地理位置雖然降雨量稀少，但通過人為灌溉使得其土壤水分狀況由干旱水分狀況變?yōu)榘敫蓾櫷寥浪譅顩r。剖面4因地處博斯騰湖邊緣，地下水水位較高，其上部土層在大多數(shù)年份中有相當(dāng)長的濕潤期，下部土層長期被水飽和，屬于滯水土壤水分狀況。（3）潛育特征。剖面4下部土壤發(fā)生強(qiáng)烈還原，這是由于長期被水飽和所導(dǎo)致。其50%以上的土壤基質(zhì)的顏色值為：色調(diào)為2.5Y，潤態(tài)明度大于等于4，潤態(tài)彩度小于等于3，且在土體中兼有少量鐵銹斑紋，因此可判斷具有潛育特征。（4）氧化還原特征。剖面6中下部可見鐵銹斑紋，剖面7下部可見中量鐵錳斑紋縫合氧化還原特征的檢索條件，因此認(rèn)為具有氧化還原特征。（5）凍融特征。剖面1、3具有凍融團(tuán)聚體或者水平延長的孔隙，且有粗細(xì)顆粒的層狀分選和大于0.01 mm粗骨顆粒的聚集等條件，因此可判斷具有凍融特征。（6）石灰性。8個剖面通體均具有石灰反應(yīng)，因此均具有石灰性。

2.4 高級分類和基層分類歸屬

根據(jù)上述診斷層和診斷特性，按照《中國土壤系統(tǒng)分類檢索（第三版）》[18]對選取的剖面進(jìn)行系統(tǒng)分類高級分類的檢索、命名，8個典型剖面在中國土壤系統(tǒng)分類中歸屬為4個土綱、6個亞綱、7個土類、7個亞類。根據(jù)選取剖面的土壤控制層段內(nèi)的顆粒大小級別、礦物組成、石灰性及酸堿性和土壤溫度，將供試土壤劃分為8個土族。根據(jù)中國土壤系統(tǒng)分類對土系劃分的要求，屬于不同土族和不同亞類的劃分為不同的土系，屬于同一土族的根據(jù)土層深度及厚度、表層土壤質(zhì)地和土系控制層段內(nèi)巖石碎屑、結(jié)核及侵入體進(jìn)行劃分，將供試土壤劃分為8個土系，分類名稱如表5所示。

表5 典型剖面在中國土壤系統(tǒng)分類中的歸屬Table 5 Ascriptions of the soil profiles in the Chinese Soil Taxonomy and the Chinese Soil Genetic classification

2.5 土壤分類參比

依據(jù)不同的土壤形態(tài)特征、發(fā)生過程、理化性質(zhì)和土壤應(yīng)用，形成了不同的土壤分類體系，其中美國土壤系統(tǒng)分類能定量化、系統(tǒng)化地表示土壤屬性，并且美國已經(jīng)建立了2.2萬個詳細(xì)的土系，目前仍在修訂與完善中[19-20]；世界土壤資源參比基礎(chǔ)注重土壤類型和土壤類型制圖表達(dá)，世界土壤參比基礎(chǔ)（WRB）2014版已經(jīng)發(fā)布；我國土壤分類方法主要為土壤發(fā)生學(xué)和中國土壤系統(tǒng)分類，從1984年開始進(jìn)行中國土壤系統(tǒng)分類研究，通過研究和不斷補(bǔ)充，目前已經(jīng)出版了《中國土壤系統(tǒng)分類檢索（第三版）》[18]。

本文選取了新疆天山南麓8個典型剖面，為了土壤類型表達(dá)的多樣性，在中國土壤系統(tǒng)分類的基礎(chǔ)上，與發(fā)生學(xué)分類、美國土壤系統(tǒng)分類和世界土壤資源參比基礎(chǔ)之間進(jìn)行參比（表6），更好地表達(dá)新疆土壤分類特征。

表6 不同土壤分類參比Table 6 References between different soil classification systems

3 討 論

3.1 天山南麓土壤類型隨海拔變化規(guī)律

在本次選取的研究區(qū)內(nèi)，因天山山體高大，相對高差達(dá)到2 000 m，水熱生物條件變化大，加之臨近綠洲受人為耕作的影響，使得天山南麓土壤類型沿高度分異明顯。天山南麓上坡高山區(qū)因其海拔較高，降水稀少，氣溫很低，土壤發(fā)育微弱形成雛形土綱的土壤。部分亞高山草甸土具有寒凍土壤溫度狀況，屬于寒凍雛形土亞綱（剖面1、剖面3）。隨海拔降低，土壤溫度有所增加，因臨近博斯騰湖水系，地下水水位較高，土體下部長期被水飽和，導(dǎo)致土壤發(fā)生強(qiáng)烈還原，形成潛育土綱的土壤（剖面4）。接著因海拔降低，溫度等氣候條件達(dá)到了適合人類居住的條件，因而出現(xiàn)人類耕作，在人類長期引水灌溉的條件下，泥沙逐漸淤積，并經(jīng)施肥、耕作等交迭作用的影響，形成人為土綱的土壤（剖面5）。受到人類耕作影響的大小不滿足人為土標(biāo)準(zhǔn)被劃入到雛形土土綱（剖面2、剖面6、剖面7）。在天山南麓最南端因臨近塔里木盆地，降雨稀少，氣候干旱，形成干旱土綱的土壤（剖面8）。

3.2 不同土壤分類系統(tǒng)的分類對比

中國土壤系統(tǒng)分類與發(fā)生分類均是以發(fā)生學(xué)思想為指導(dǎo)，后者是以地帶性學(xué)說為基礎(chǔ)，以成土條件（生物、氣候等）為依據(jù)，具有一定的成土規(guī)律[21-22]。而前者是基于診斷層和診斷特性進(jìn)行定量化分類，診斷層和診斷特性是五大成土因素綜合作用的結(jié)果，反映一定土壤形成和發(fā)育的規(guī)律[23]。

通過8個典型剖面不同土壤分類體系之間的參比發(fā)現(xiàn)，美國土壤系統(tǒng)分類的最大特點(diǎn)是將過去 慣用的發(fā)生學(xué)土層和土壤特性給予定量化，建立一系列的診斷層和診斷特征，用其來劃分鑒定土壤。世界土壤資源分類參比也以診斷層和診斷特性為分類依據(jù)[24-25]，在高級分類單元命名上和中國土壤系統(tǒng)分類命名比較相似。中國土壤系統(tǒng)分類是一個主要參照美國土壤系統(tǒng)分類的思想原則、方法和某些概念，吸收其他國家土壤分類中的某些概念和經(jīng)驗(yàn)，針對中國土壤而設(shè)計的，以土壤本身性質(zhì)為分類標(biāo)準(zhǔn)的定量化分類系統(tǒng)，屬于診斷分類體系。中國土壤系統(tǒng)分類充分結(jié)合我國土壤特點(diǎn)，增加了人為土，在土壤命名上，采用了連續(xù)命名法，并非常注意我國的語言特點(diǎn)而盡量簡化。

3.3 人類活動對于土壤類型演化方向的影響

自然因素與人為因素共同影響著土壤，人類活動與自然成土諸因素相比，在土壤形成過程中具有獨(dú)特的作用，與其他自然因素有著本質(zhì)的不同。土地利用是人類利用土地進(jìn)行各種活動的綜合反映[26]。土地利用方式對土壤理化性質(zhì)有直接影響[27-29]。因此，不同土地利用方式對土壤類型的演化方向具有一定的影響。在本次調(diào)查中，沿線不同海拔展現(xiàn)了“高山荒漠草原-亞高山草原-綠洲農(nóng)業(yè)-沙漠”的景觀特征；土地利用方式呈現(xiàn)“天然牧草地-耕地-未利用地”的特征；土壤類型隨海拔及緯度不同呈現(xiàn)出雛形土-潛育土-人為土-雛形土-干旱土的分布特征。

3.4 不足之處

本研究涵蓋的天山南坡土壤類型不夠全面，缺少主要的栗鈣土和棕鈣土兩個土類，栗鈣土對應(yīng)著中國土壤系統(tǒng)分類中的簡育干潤均腐土、鈣積干潤均腐土和簡育干潤雛形土，棕鈣土對應(yīng)著中國土壤系統(tǒng)分類中的鈣積正常干旱土和簡育正常干旱土。之前的研究者關(guān)于南疆土壤分類的研究不多，而且涉及南疆的研究數(shù)據(jù)時間比較久，本文關(guān)于南疆的土壤基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，能在一定程度上為南疆進(jìn)一步的深入研究提供數(shù)據(jù)支撐，后續(xù)仍需要在南疆開展進(jìn)一步研究，不斷更新南疆的研究成果。

4 結(jié) 論

本文第一次完成了新疆地區(qū)，尤其是南疆地區(qū)土壤系統(tǒng)分類基層分類單元的劃分，并完成了南疆典型土系與世界主流土壤分類系統(tǒng)之間的參比，通過參比可知中國土壤系統(tǒng)分類在與國際接軌的基礎(chǔ)上，更加強(qiáng)調(diào)中國土壤特點(diǎn)，并根據(jù)中國的實(shí)際情況提出了具有中國特色的土壤類型，這些對今后土壤調(diào)查及土壤分類成果的交流具有促進(jìn)意義。8個典型剖面隨海拔變化呈現(xiàn)出了雛形土-潛育土-人為土-雛形土-干旱土的變化特征，這些剖面在中國土壤系統(tǒng)分類中歸屬為4個土綱、6個亞綱、7個土類、7個亞類、8個土族和8個土系。