嘉陵江上游黃土成土特征及其對土地利用的響應

文敏　茍明忠　葛璐月　周如玉　文星躍

摘 要：為揭示嘉陵江上游不同土地利用下黃土成土特征的差異性，選取旱地、果園、草地、灌木林、喬木林5種土地利用下黃土發(fā)育的土壤為研究對象，分析了土壤pH值、有機質、碳酸鈣、磁化率、頻率磁化率、粒度、元素地球化學特征等成土指標。結果表明：嘉陵江上游黃土呈堿性，顆粒組成以粉砂為主，顆粒分選性較差；不同土地利用間土壤碳酸鈣、磁化率、粘粒和粉砂含量差異顯著；元素含量在各剖面發(fā)生層之間變化不明顯，基本繼承母質特征；地球化學參數(shù)顯示黃土處于低等化學風化階段，土壤發(fā)育程度較弱，果園和旱地的風化作用比草地和喬木林強，人類活動在一定程度上促進了土壤成土過程。本研究以期為進一步理解土地利用與土壤發(fā)育之間的關系提供幫助。

關鍵詞：黃土；成土特征；土地利用；嘉陵江上游

中圖分類號：K903 文獻標志碼：A 文章編號：1673-5072（2023）04-0373-10

黃土屬于風成沉積物，分布廣泛，所蘊含的古氣候信息豐富，是第四紀氣候變化研究的重要材料［1-2］。前人已運用粒度、碳酸鈣、磁化率、元素地球化學、孢粉、碳同位素等指標，從多方面對黃土進行了研究，且取得了大量成果，但研究多側重于黃土的成因［3］、年代［4］、物源［5］、風化成壤強度［6］及古環(huán)境方面［7］，較少研究現(xiàn)代環(huán)境及人類活動對過去沉積地層的影響。風成黃土的成土過程有別于傳統(tǒng)土壤發(fā)生過程，其沉積過程與成土過程同步進行，粉塵物質不斷沉積，并受制于氣候的旋回變化［8］，所以黃土沉積地層的一些理化特征可能會受現(xiàn)代氣候環(huán)境和人類活動等因素的影響而發(fā)生變化。

土壤是在物理、化學、生物作用下由基巖風化產(chǎn)物、各種松散沉積物發(fā)育形成的近地表自然介質［9］。在早期，人類對土壤的改造大多是無意的，但隨著農業(yè)發(fā)展，土壤資源的利用強度不斷提高，人類可通過耕作、施肥等的直接方式或砍伐森林改變植被、平整土地改變地形等間接的方式干擾土壤［10］。土地利用就屬于直接作用于土壤的人類活動，土地利用的差異會引起一系列土壤理化性狀和生態(tài)過程產(chǎn)生差異［11］，造成土壤結構［12］、質量［13］、理化性質［14］等的變化，土地利用變化引起的土壤管理措施及耕作制度的變化會影響甚至改變土壤的整個成土過程［15］，但在過去的研究中，人們未重視人類活動對土壤形成演化的影響，且關于土地利用的研究主要集中于土壤表層，對土壤剖面變化及對土壤成土過程的影響研究較少。嘉陵江流域地區(qū)自然資源豐富，地質災害頻繁，加上過度開發(fā)，導致水土流失嚴重［16］。本文選取嘉陵江上游和鄰區(qū)漢江上游的黃土發(fā)育土壤為研究對象，探討該區(qū)域現(xiàn)代氣候環(huán)境下不同土地利用方式黃土的剖面成土特征，為深入理解土地利用與土壤發(fā)育之間的關系以及合理利用該區(qū)域土壤資源提供基本參考，促進該區(qū)生態(tài)環(huán)境改善。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

研究樣地位于嘉陵江上游的鳳縣、徽縣及漢江上游的洋縣（圖1）。嘉陵江上游地區(qū)屬于暖溫帶與亞熱帶的過度地帶，年降水量約500～700mm。嘉陵江上游的秦嶺腹地、河谷階地及支流白龍江、西漢水沿岸的階地上分布了大量的黃土沉積物。鳳縣位于陜西省寶雞市，地處秦嶺腹地，嘉陵江源頭，海拔約900～2 700 mm，年均降水約600 mm，年均氣溫10～12 ℃，屬于半濕潤山地氣候?；湛h位于甘肅省東南部，地處嘉陵江上游的徽成盆地，平均海拔約1 400 m，年均降水量697.8 mm，年均氣溫12.1℃，日照資源豐富，屬于暖溫帶氣候。漢江上游地區(qū)穿行于秦嶺、大巴山之間，區(qū)內盆地廣泛發(fā)育Ⅰ～Ⅳ級河流階地，黃土堆積廣泛。洋縣位于漢中盆地陜南秦巴山區(qū)，年均氣溫14.5 ℃，年均降水量839.7 mm，屬北亞熱帶內陸性季風氣候。漢江上游是嘉陵江上游的鄰近區(qū)域，因為與研究區(qū)較近，也穿行于秦嶺，氣候條件相似，故選擇洋縣的樣品作為補充數(shù)據(jù)。

研究所選剖面的土地利用方式保持30年以上的穩(wěn)定，共選取6個黃土剖面和1個表層土壤（圖2），采集土樣25個（表1）。

1.2 實驗方法

土壤顏色用門塞爾比色卡對樣品在干態(tài)狀況下進行比色［17］；pH值采用酸度計測定（水土比為2.5∶1）；有機質測定采用水合熱重鉻酸鉀-分光光度計比色法；粒度采用激光粒度儀測定［18］；磁化率和頻率磁化率采用MS2型雙頻磁化率儀測定［19］；碳酸鈣含量測定方法為氣量法［20］；地球化學元素用X-Ray熒光光譜儀（荷蘭Panalytical公司）測試柜測試，實驗中加入標準樣品GSS-1（暗棕壤）進行質量控制，分析誤差小于5%［21］。

1.3 化學風化參數(shù)計算方法

化學蝕變指數(shù)（CIA）是衡量土壤化學風化強度的指標，其值越大，指示土壤受風化淋溶越強［22］；風化淋溶系數(shù)（ba）反映硅酸鹽巖的化學風化強度與鹽基的淋溶狀況，其值越小，代表礦物風化強度越高［23］；殘積系數(shù)（Ki）反映穩(wěn)定性元素Fe、Mg的富集或殘積程度，其值越大，代表風化成壤越強［24］。Rb/Sr和Ba/Sr與黃土成壤強度密切相關，其值與風化強度成正比［22］。參數(shù)計算公式為：CIA=［Al2O3/（Al2O3+CaO*+Na2O+K2O）］×100，ba=（K2O+Na2O+CaO）/Al2O3，Ki=（Al2O3+Fe2O3）/（CaO+MgO+Na2O），各化學參數(shù)均為氧化物的摩爾值，CaO*為硅酸鹽礦物中的CaO摩爾值。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Excel軟件進行數(shù)據(jù)整理，通過SPSS軟件的單因素方差分析檢驗不同土地利用類型在各土壤理化指標上的差異，用LSD和Tamhane法進行多重比較；作圖使用ArcGIS 10、Origin 2019軟件。

2 結果分析

2.1 土壤pH特征

土壤樣品pH值范圍為7.68～10.26，平均8.75，土壤呈堿性（表2）。各剖面上下層間pH值的變化沒有明顯的規(guī)律（圖3）。在不同土地利用類型中，旱地pH值顯著高于草地（P<0.05），其余地類間差異均不顯著（P>0.05），各地類土壤剖面的變異系數(shù)在0.04～0.08，為弱變異（表2）?？傮w上看，土壤樣品pH值對土地利用沒有明顯的響應。

2.2 有機質特征

土壤樣品有機質含量范圍在0.65%～7.47%，平均含量為1.62%（表2）。各剖面最高的有機質含量均在A層，表聚現(xiàn)象明顯（圖3）。不同土地利用間的土壤有機質含量均值表現(xiàn)為灌木林>果園>旱地>草地>喬木林，差異不顯著（P>0.05）（表2）。

2.3 碳酸鈣特征

碳酸鈣是黃土沉積物的主要特征，土壤碳酸鈣的淀積過程是土壤形成發(fā)育的主要過程之一，不同的土地利用方式會影響土壤碳酸鈣的淋溶淀積情況［16，25］。土壤樣品碳酸鈣含量介于0.04%～22.25%，平均值為10.45%（表2）。旱地和草地的碳酸鈣在A層和B層土壤中的含量都低于C層（圖3），應該是受自然環(huán)境下的淋溶淀積作用所致。不同土地利用的土壤碳酸鈣含量均值表現(xiàn)為喬木林>草地>旱地>果園>灌木林，除果園外，不同土地利用間土壤碳酸鈣含量差異極顯著（P<0.01）（表2）。

2.4 磁化率和頻率磁化率特征

土壤樣品磁化率值介于19.74×10-8 ～118.91×10-8 m3·kg-1，平均為74.38×10-8 m3·kg-1（表2）。旱地FX04、灌木林YX03和草地FX03剖面磁化率在A層和B層土壤中的含量高于C層，即隨著土壤深度的增加，磁化率呈下降的趨勢（圖3）。除果園外，不同土地利用剖面間磁化率存在極顯著差異（P<0.01）（表2）。

頻率磁化率除果園（4.82%）最低外，其余剖面頻率磁化率均值介于7.03%～9.28%（表2）。除草地和喬木林外，其余剖面頻率磁化率值在A層和B層的含量低于C層（圖3）。不同土地利用剖面間土壤頻率磁化率值差異不顯著（P>0.05）（表2）。

2.5 粒度特征

土壤樣品顆粒組成以粉砂（2～63 μm）為主，其含量介于66.87%～90.70%，平均為84.22%；其次砂粒（>63 μm）含量范圍在2.65%～24.37%，平均為8.02%；粘粒（<2 μm）含量在5.40%～16.03%，平均7.76%（表2）。不同土地利用方式下，除果園外，其余土地利用間粘粒和粉砂含量表現(xiàn)出極顯著（P<0.01）或顯著（P＜0.05）的差異性，砂粒含量差異不顯著（P>0.05）（表2）。粘粒含量均值表現(xiàn)為灌木林>草地>旱地>果園>喬木林；粉砂含量均值表現(xiàn)為果園和灌木林較低，其余地類粉砂含量在剖面上下層間變化不明顯（圖3）；砂粒含量均值表現(xiàn)為果園、灌木林較高，旱地和草地較少，除灌木林和果園外，其余剖面砂粒在A層和B層土壤中的含量均高于C層，可能是由于土壤中細顆粒物質隨壤中流向下遷移淀積導致［26］；粘粉比在各土地利用間的變化趨勢與粘粒相同（圖3）。

平均粒徑（φ值）可反映沉積物粒度分布狀態(tài)，其值越大，代表細顆粒組分越多；標準偏差與外力分選作用有關，其值越大，表示沉積物的分選性越差［27］。果園和喬木林土壤剖面的平均粒徑相對較低，表明土壤中細組分含量少。各地類的標準偏差均在1以上（圖3），土壤顆粒分選性較差，表明沉積時期受風力搬運較弱，其顆粒分選性主要受后期風化成土作用的影響［28］。

2.6 地球化學特征

2.6.1 常量元素

土壤樣品常量元素以SiO2、Al2O3、CaO和Fe2O3為主，平均含量分別為52.72%、12.28%、6.78%和4.42%，其余元素含量大小依次為K2O>MgO>Na2O>TiO2>P2O5>MnO。相較上陸殼（UCC），所有樣品表現(xiàn)為K2O、Na2O、CaO和MgO虧損，而富集MnO和TiO2，除果園外，其余剖面P2O5相較上陸殼也明顯虧損（圖4）。研究區(qū)土壤CaO和Na2O虧損嚴重，處于礦物風化早期去Ca、Na階段。各土地利用剖面上下層間常量元素含量變化不明顯，基本與母質層保持一致。灌木林C層表現(xiàn)出的Ca、Na和P元素的遷移淋失以及較高的粘粒含量推測該層很可能是古土壤層，古土壤形成時期氣候溫暖濕潤，成壤作用較強，利于易遷移元素的淋失以及細顆粒的形成［29］。果園和旱地P2O5含量較其他剖面高，說明土壤P元素含量易受農業(yè)活動的影響，如過量施用磷肥導致土壤中磷大量積累。

2.6.2 微量元素

土壤微量元素的含量和遷移分布不僅受成土母質、成土過程、土壤類型等影響，同時也受人類活動影響［31-32］。整體上看，相較上陸殼（UCC），各土地利用剖面微量元素Sr、Ba和Rb相對虧損，Sr虧損最嚴重，而Ni、Cr、V明顯富集（圖5），這是土壤受化學風化作用的結果。Sr、Zn、Cu元素在剖面上下層間的變化波動較大，其余元素基本與母質層保持一致，說明研究區(qū)土壤微量元素受后期環(huán)境影響不明顯，繼承了母質特征。旱地FX04剖面Sr元素在母質層富集，灌木林HX02剖面Zn元素含量在A層土壤中異常富集。

2.6.3 化學風化強度

研究區(qū)樣品CIA值介于57.71～71.04，平均62.54。在不同土地利用方式下，CIA均值依次為灌木林>旱地>草地>果園>喬木林，其中灌木林的CIA值大于65，屬于中等化學風化強度，旱地、草地、果園、喬木林CIA值小于65，均屬于低等化學風化強度。各剖面CIA值在表層最低，表明表層土壤受化學風化作用較弱。各土地利用剖面風化淋溶系數(shù)均值為喬木林>草地>旱地>果園>灌木林；殘積系數(shù)均值為灌木林>果園>旱地>草地=喬木林；Rb/Sr和Ba/Sr均為灌木林>果園>旱地>喬木林>草地（表3）。

4 討 論

本研究結果表明，嘉陵江上游黃土發(fā)育土壤呈堿性。土壤pH值與成土母質的性質及成土過程密切相關［33］，研究區(qū)不同土地利用間的pH值差別不明顯，其原因可能與相同的成土母質有關［34］。土壤顆粒組成以粉砂為主，顆粒分選性較差，土壤沉積時期受風力搬運較弱。土壤樣品常量元素組成特征與長江中下游的下蜀黃土［6］及黃土高原第四紀風成黃土［35］很相似，具有風成沉積物特征，且各剖面土壤上下層間的常量和微量元素含量變化不明顯，表明研究區(qū)土壤元素對母質層有良好的繼承性，受現(xiàn)代氣候環(huán)境影響較弱。CIA值、風化淋溶系數(shù)、殘積系數(shù)、Rb/Sr和Ba/Sr等地球化學參數(shù)均與土壤風化成壤強度相關，結果表明嘉陵江上游黃土發(fā)育土壤整體上處于低等化學風化階段，土壤的發(fā)育程度較弱。

不同土地利用方式由于其施肥、管理模式［14］、植被覆蓋［36］等的不同而對有機質的含量和分布產(chǎn)生一定的影響。本研究中有機質含量對土地利用變化響應不敏感。果園、旱地的有機質平均含量低于灌木林，可能是人類的施肥和田間管理等撫育活動對土壤的頻繁擾動改變了土壤的溫度、孔隙狀況等，使得有機質礦化速度加快而不利于其積累［34］。灌木林的表層有機質含量比草地和喬木林高，可能是由于不同土地利用表層土壤的枯枝落葉、植被的根系密度以及微生物的活動程度等不同導致［37］。

碳酸鈣是黃土沉積物的主要特征，本研究中不同土地利用間土壤碳酸鈣含量差異顯著。通常，受人類干擾作用較小的林地和草地等由于有機質周轉較慢、礦物風化較弱，自身含鈣礦物釋放的鈣離子和從外界獲得的鈣離子含量都較少，導致碳酸鈣含量較低［25］，但本研究中喬木林土壤碳酸鈣含量最高，可能是由于其位置處于山坡頂部，降水流失量較少、入滲量較大，使得碳酸鈣淀積作用較強。除灌木林、喬木林外，其余剖面A層和B層碳酸鈣含量都低于C層，可能是受自然環(huán)境下的淋溶淀積作用導致。

土壤磁化率取決于土壤中磁性礦物的種類、含量及顆粒大小，土壤的風化成土作用可增強土壤磁化率［38-39］。果園表現(xiàn)出磁化率值最高、頻率磁化率值最低的原因可能與果園在培育管理中從外界輸入較多的粗磁性礦物有關［40］。灌木林的低磁化率值和高頻率磁化率值可能與其較高的有機質含量有關，前人研究表明，有機質會促進微生物發(fā)生礦化作用，在細胞外生物誘導和細胞內生物有機礦化下，通過Fe3+的還原可生物合成超順磁（SP）或單疇（SD）磁鐵礦，使土壤的頻率磁化率增加［41-42］。磁化率隨土壤深度增加而富集，可能是由于碳酸鹽等抗磁性礦物在深層土壤的富集作用導致［43］。果園和旱地表層土壤中的磁化率值較高是受人類耕作灌溉等活動的影響。

不同土地利用方式對土壤顆粒組成影響較大，本研究中各剖面間粘粒和粉砂含量差異顯著，砂粒含量差異不明顯。灌木林和草地的粘粒含量較高可能是因為植被覆蓋度高而降低了降雨侵蝕力，且大量凋落物使得土壤腐殖質積累，有利于土壤細顆粒的形成［44-45］。喬木林粘粒含量最少、粉砂含量最高可能是由于其較好的植被群落結構和復雜的根系系統(tǒng)對土壤的穿插和纏結加速了土壤結構體的形成［46］，另外喬木林A層土壤砂粒含量異常高，可能與其位于山坡頂部，表層細顆粒易被沖刷流失有關。旱地和果園剖面粘粒含量較低，可能是受人類施肥、灌溉作用的影響，降低了土壤抗蝕性，導致細顆粒易流失，而且果園由于受人類頻繁踩踏，土體不斷被壓實，增強了顆粒的團聚性，導致其砂粒含量較高。

土壤微量元素中Sr元素化學性質比較活潑，易溶于水，其主要載體是碳酸鹽，受碳酸鹽流失控制［47-48］。旱地FX04剖面Sr元素在母質層富集原因可能與該剖面母質層有較高碳酸鹽含量有關。灌木林HX02剖面Zn元素含量在A層土壤中異常富集可能與該層異常高的有機質含量有關，有研究報道土壤中有效Zn與有機質含量具有高度的正相關關系，而土壤微量元素有效態(tài)含量主要取決于其全量含量［49］。

地球化學參數(shù)均顯示灌木林所受化學風化作用最強，其次為果園和旱地，喬木林所受的風化成壤作用最弱，這與粒度、碳酸鈣反映的成壤特征一致。除灌木林外，旱地和果園表現(xiàn)出的風化成壤強度比自然條件下的草地和喬木林較高，說明人類活動對土壤的形成演化會產(chǎn)生一定影響，在一定程度上可加快土壤的成土進程。而灌木林與草地和喬木林之間成土特征的差異說明在自然條件下植被覆蓋的差異也會對土壤的成土過程產(chǎn)生影響。

綜上，嘉陵江上游黃土整體上處于低等化學風化階段，土壤的成壤強度較弱；果園和旱地的風化成壤作用較草地和喬木林強，人類活動在一定程度上影響了土壤的形成演變過程，在今后的農業(yè)管理活動中，應該加強對土壤的保護，重視養(yǎng)分輸入和輸出平衡，改善土壤結構和性質。本研究存在的不足是土壤樣品數(shù)不夠多，還不能完全代表整個嘉陵江上游黃土發(fā)育土壤的成土特征對不同土地利用方式的響應情況，在今后的研究中應當提高樣品的代表性，以及在其他區(qū)域展開相關的類似研究。

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Pedogenic Characteristics of Loess in the Upper Reachesof Jialing River and Its Response to Land Use

WEN Mina，GOU Ming-zhonga，GE Lu-yuea，ZHOU Ru-yua，WEN Xing-yueb

（a.School of Geographical Sciences，b.College of Environmental Science and Engineering，China West Normal University，Nanchong Sichuan 637009，China）

Abstract：To investigate the pedogenic characteristics of loess under different land uses in the upper reaches of Jialing River，this study has selected soils developed from the loess as the research objects under five land uses，i.e.，dry land，orchard，grassland，shrub land and tree forest.Pedogenic indicators are analyzed，including pH，organic matter，magnetic susceptibility，frequency dependent susceptibility，calcium carbonate，particle size and the elemental geochemical characteristics.The results show that the soils are characterized by alkaline，dominant silt in particle composition，and poor particle sorting；significant differences are exhibited in soil calcium carbonate content，magnetic susceptibility，clay and silt content under different land uses；however，the change of element content between the soil genetic horizons of each soil profile shows no significant variation，basically inheriting the characteristics of parent material；the elemental geochemical characteristics show that the soils with weak pedogenesis are in a low chemical weathering stage，and the soil pedogenic intensity of orchard and dry land is more potent than that of grassland and tree forest，indicating that human activities can promote soil pedogenic progress to some extent.The study is expected to offer help for further understanding the relationship between land use and soil development.

Keywords：loess；pedogenic characteristics；land use；the upper reaches of Jialing River

收稿日期：2022-03-14 基金項目：國家自然科學基金項目（41671220）

作者簡介：文敏（1998—），女，碩士研究生，主要從事土壤地理研究。

通信作者：文星躍（1970—），男，博士，教授，碩士生導師，主要從事土壤地理與區(qū)域環(huán)境演變研究。

E-mail：wenxy@cwnu.edu.cn

引文格式：文敏，茍明忠，葛璐月，等.嘉陵江上游黃土成土特征及其對土地利用的響應［J］.西華師范大學學報（自然科學版），2023，44（4）：373-382.［WEN M，GOU M Z，GE L Y，et al.Pedogenic characteristics of loess in the upper reaches of JiaLing River and its response to land use［J］.Journal of China West Normal University （Natural Sciences），2023，44（4）：373-382.］