中國土壤質(zhì)地分類系統(tǒng)的發(fā)展與建議修訂方案

何海龍，齊雁冰，呂家瓏*，彭佩佩，晏梓然，唐子茜，崔珂，張愷玥

（1.西北農(nóng)林科技大學資源環(huán)境學院，陜西 楊凌 712100；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西北植物營養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室，陜西 楊凌 712100）

土壤質(zhì)地是土壤相對穩(wěn)定的一種自然屬性，可表征土壤水、氣、熱、溶質(zhì)/鹽運移特征和機械力學等物理性質(zhì)，是開展土壤發(fā)生及分類學等研究的重要指標[1?2]。土壤質(zhì)地分類是土壤科學最重要的內(nèi)容之一，是土壤調(diào)查制圖的基礎(chǔ)，是因地制宜推廣農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)和進行工程設(shè)計與施工的依據(jù)，也是開展相關(guān)數(shù)值模擬研究的基本輸入?yún)?shù)[3?6]。一個成熟的土壤質(zhì)地分類制通常包含土粒分級（或土壤顆粒分級）表、土壤質(zhì)地分類表和土壤質(zhì)地三角圖，部分分類制還有配套的土壤質(zhì)地自動分類程序/軟件工具及全國/區(qū)域土壤質(zhì)地數(shù)據(jù)集或數(shù)據(jù)庫[7]。

土粒粒級一般劃分為2～11 級不等（瑞士、俄羅斯為2 級，其余國家一般為3～11 級），砂粒（如1 mm 或2 mm 等）和黏粒（如0.01、0.006、0.001 mm 及0.002 mm等）的上限粒徑也不盡相同，迄今為止尚無統(tǒng)一的標準[8]。1930 年，第二屆國際土壤學會（ISSS，現(xiàn)為IUSS）通過并決定采用瑞典土壤學家Atterberg[9]提出的土粒分級方案，以2、0.02、0.002 mm 為砂粒、粉粒、黏粒的粒徑上限分級標準，該分級按十進制劃分，方便記憶和使用，但未充分考慮粒級特性的變化。目前，僅有美國和前蘇聯(lián)等國的土粒粒級分類制（機械組成測定方法）考慮了粒級與吸濕水、持水量、脹縮性等理化性質(zhì)的關(guān)系。

土壤質(zhì)地分類建立在土壤顆粒分級標準之上，每一質(zhì)地分類對應(yīng)特定的砂粒、粉粒、黏粒含量組合，一般包含2～5組，再細分為7～31類（如德國1994版分類制包含31 類土壤質(zhì)地）[10]。與土粒分級一樣，世界各國制定了數(shù)十種土壤質(zhì)地分類系統(tǒng)[11?12]，但缺乏被各國和各行業(yè)公認的土壤質(zhì)地分類標準[13]。目前國際上較為廣泛使用的土壤質(zhì)地分類制包括國際土壤學會（International Society of Soil Science，ISSS）分類制（簡稱國際制）、美國農(nóng)業(yè)部（United States Department of Agriculture，USDA）分類制（簡稱美制、美國制、美國農(nóng)部制等）和前蘇聯(lián)的卡慶斯基制（Κачинский、Ka?zhinski或Kachinsky system，簡稱蘇制）等[11]。

土壤質(zhì)地分類制除了采用表格形式呈現(xiàn)外，為了查閱方便通常還利用基于三元相圖原理制作的土壤質(zhì)地三角圖來表達。由于土壤中砂粒、粉粒、黏?？偤繛?00%，因此只要已知其中兩種顆粒的含量便可計算第三種顆粒的含量。土壤質(zhì)地三角圖包含正三角圖和直角三角圖兩種形式，其中，土壤質(zhì)地正三角圖中每條邊分別表示砂粒、粉粒、黏粒百分含量，常見的有國際制、美國制、英國制、日本制三角圖；土壤質(zhì)地直角三角圖的兩條直角邊分別表示粉粒/黏粒、砂粒/黏粒或砂粒/粉粒百分含量，常見的有加拿大制、澳大利亞制和德國制[14]。

中國土地面積居世界第三，多變的成土因素決定了我國土壤類型豐富、分布情況復(fù)雜，因而土壤質(zhì)地類型和分布也具有顯著的中國特色，不能直接套用國外的土壤質(zhì)地分類制[3，15?17]。實際上，長期以來我國就有建立中國特色的土壤質(zhì)地分類系統(tǒng)的愿望。早在4 000 多年前，我國勞動人民就對土粒分級提出過定性概念，將其分為砂、壤、泥、埴、壚、涂6 級[18]。我國定量的土壤質(zhì)地分類制的建立先后經(jīng)歷了從借鑒外國分類制到形成中國土壤質(zhì)地分類體系，再到不斷完善修訂的過程。1937 年熊毅先生[19]基于1930 年美國土粒分級制（機械組成測定方法）創(chuàng)建了我國首個土壤質(zhì)地分類制，并進行了土壤質(zhì)地分類。之后經(jīng)數(shù)次修訂，我國土壤科技工作者在1959年、1961年分別提出了新的中國土壤質(zhì)地分類體系完善方案[20?21]。中國科學院南京土壤研究所與中國科學院水利部水土保持研究所等單位，在我國南方土壤質(zhì)地分類[22]和北京郊區(qū)土壤質(zhì)地分類[23]的基礎(chǔ)上，于1975 擬定了我國土壤質(zhì)地分類暫行方案[16]，并編入1978 年出版的《中國土壤》[24]（即1978 版土壤質(zhì)地分類制）。而關(guān)于我國土壤質(zhì)地分類制的討論仍一直在進行，付慶瑛[25]認為1975 年制定的土壤質(zhì)地分類標準對土壤質(zhì)地命名仍有不方便或比較含糊之處；鄧時琴[8]在1978版基礎(chǔ)上對土粒分級、質(zhì)地分類及土壤中礫石含量的分級進行了修訂和補充，這些修訂方案在文獻中通常引用或標注為1982 年或1985 年版土壤質(zhì)地分類制[26?27]，最后都編入了1986年出版的《中國土壤（第二版）》[28]（即1986版土壤質(zhì)地分類制）。

1986 版土壤質(zhì)地分類制既考慮到了我國氣候特征，又有效結(jié)合了群眾性命名經(jīng)驗，是現(xiàn)行的中國土壤質(zhì)地分類系統(tǒng)。我國土壤質(zhì)地北方粗、南方細，南北過渡帶土壤質(zhì)地居中。這是因為我國北方平均氣溫低、降水少，土壤風化較弱，土壤中砂粒、粉粒含量較多，而黏粒含量較少（局部流水作用形成的沉積物除外）；南方平均氣溫高、降水多，導(dǎo)致土壤風化（尤其是化學風化與生物風化）較強，土壤中黏粒含量較多，而砂粒含量較少?；诖朔N情況，砂土質(zhì)地分類中的砂粒含量等級主要以北方土壤的研究結(jié)果為依據(jù)，而黏土質(zhì)地分類中的黏粒含量的等級主要以南方土壤的研究結(jié)果為依據(jù)[8，28]。對于南北方過渡的黃綿土、塿土、褐土、黃褐土、黃壤等，以其中含量最多的粗粉粒作為劃分壤土的主要標準，再參照砂粒和黏粒的含量進行進一步區(qū)分，這種方式還可結(jié)合群眾性的命名。此外，各級土壤顆粒的理化性質(zhì)也是1986 版土壤質(zhì)地分類的重要依據(jù)之一[8]。因此，1986 年版的中國土壤質(zhì)地分類暫行方案具有相當高的科學性與實用性。

然而，1949年以前我國使用最廣泛的土壤質(zhì)地分類制是美國制和國際制，之后使用較多的是蘇聯(lián)制[13]，即使是第三次全國土壤普查也未采用我國1986 版的土壤質(zhì)地分類。究其原因：與相對成熟的土壤分類制標準相比，我國土壤質(zhì)地分類存在部分質(zhì)地類型分級界限不明確的問題，導(dǎo)致無法繪制易于查詢的土壤質(zhì)地三角圖，嚴重限制了中國土壤質(zhì)地分類制的推廣和應(yīng)用。建立一個更科學合理且適于我國國情的土壤質(zhì)地分類制的需求非常迫切[13]，完善并推廣中國制土壤質(zhì)地分類系統(tǒng)具有重要意義。因此，本研究借鑒現(xiàn)有國際先進的土壤質(zhì)地分類制經(jīng)驗，結(jié)合我國實際并改進1986版的分類制，提出新的中國土壤質(zhì)地分類制方案供學界討論，并建立對應(yīng)的土壤質(zhì)地正三角和直角三角圖。

1 中國土壤質(zhì)地分類制的修訂建議

1.1 中國制土粒分級

由于農(nóng)業(yè)土壤中的“土”可以泛指土壤及破碎的巖石，因此粒徑分級中使用“土”比“土壤”更準確，之后的闡述將使用“土?！眮泶硗寥篮蜕暗[、小石塊等。不同土壤質(zhì)地分類制本質(zhì)是相同的，它們之間的主要差別在于如何選取砂粒、粉粒、黏粒的有效直徑界限用于土粒分級（圖1）[29?30]，以及如何選取三者的百分含量組合用于定義某一土壤質(zhì)地類別[31]。除前蘇聯(lián)等國家外，其余大多數(shù)國家對砂粒、粉粒、黏粒的劃分是在國際制基礎(chǔ)上，根據(jù)本國的國情或應(yīng)用情況進行了修改或細化，總級數(shù)從3級至11級不等。

圖1 世界主要土壤質(zhì)地分類系統(tǒng)中土粒分級情況（坐標軸非等比例）Figure 1 Selected grain size limits for soil classification in the world（not to scale）

中國土粒基本分級包括石礫、砂粒、粉粒、黏粒4個基本粒級（4 組），與國際制、美國制、蘇聯(lián)制、法國制、北愛爾蘭/蘇格蘭制的基本粒級數(shù)相同或相近。其中，砂粒、粉粒、黏粒又再分為粗、中、細等共約5～9級（表1）。本研究在1986版土壤粒級分級基礎(chǔ)上，提出擬調(diào)整砂粒的上限為2 mm。調(diào)整的主要原因是：自第二次土壤普查以來我國使用的土壤質(zhì)地分類系統(tǒng)主要是美國制、國際制和卡慶斯基制，這些分類制的砂粒粒徑上限為2 mm，之前測定的土壤質(zhì)地數(shù)據(jù)便于修訂后的中國質(zhì)地分類制使用。調(diào)整后的砂粒和黏粒粒徑上限分別為2 mm 和0.002 mm，與國際制及美國制保持一致；粉粒粒徑上限為0.05 mm，與美國制及蘇聯(lián)制保持一致。此外，砂粒分級增加“中砂”一級，砂粒由原來的粗（1～0.25 mm）、細（0.25～0.05 mm）2 級變?yōu)榇郑?～1 mm）、中（1～0.25 mm）、細（0.25～0.05 mm）3 級，其余分級保持不變，調(diào)整后的土粒由原有5組9級變?yōu)?組10級（表1）。

表1 我國及國外主要土粒分級標準Table 1 The main types of Chinese and international soil particle size classification

1.2 中國制土壤質(zhì)地分類

1975、1978、1986 年版的中國土壤質(zhì)地分類系統(tǒng)沿用了蘇聯(lián)制的粒級分級方法（表1），以引起最大持水量、吸濕量、陽離子交換量、膨脹與收縮性等理化性質(zhì)發(fā)生劇變的粒級（即0.01 mm 和0.001 mm）作為粒級劃分界限（表2、附表1～附表3）。這種劃分方式?jīng)]有涵蓋0.01～0.001 mm之間的中、細粉粒，導(dǎo)致質(zhì)地分類時粗粉粒和細黏粒兩組土壤粒徑之間不連續(xù)（即砂粒、粗粉粒、細黏粒三組土粒含量不足100%），所以不能用于繪制土壤質(zhì)地三角圖，也影響到不同土壤分類制的轉(zhuǎn)換和對比研究。因此，筆者建議按照國際制和美國制采用的砂粒、粉粒和黏粒的粒徑界限（表1）進行中國土壤質(zhì)地的劃分。

為了最大程度保留1986 版土壤質(zhì)地分類制的特點，本文主要調(diào)整了三個土顆粒組分及其對應(yīng)的粒徑區(qū)間：將“砂土”中“黏?！北壤稍瓉淼?30%改為<15%并增加了粉粒占比閾值；調(diào)整了“壤土”中“砂?！薄胺哿！薄梆ち！焙繀^(qū)間；另補充了“黏土”中“砂粒”和“粉?！钡恼急葦?shù)據(jù)。具體說明如下：

（1）顆粒組成的調(diào)整：1986 版顆粒組成中砂粒的粒徑區(qū)間從1～0.05 mm 調(diào)整為2～0.05 mm?！按址哿！闭{(diào)整為“粉?！保w了中、細粉粒部分，粒徑區(qū)間從0.05～0.01 mm 調(diào)整為0.05～0.002 mm?！凹氿ち！闭{(diào)整為“黏?！保w了粗黏粒部分，粒徑區(qū)間從<0.001 mm調(diào)整為<0.002 mm。該調(diào)整可以填補0.01 mm 和0.001 mm 之間的數(shù)值不連續(xù)問題，也可與國際其他分類制接軌。

（2）砂土中黏粒、粉粒占比的修正：1986 版土壤質(zhì)地分類制的砂土分類中，黏粒（<0.001 mm）的占比為<30%（表2）；國際制中黏粒（<0.002 mm）占比為<15%；蘇聯(lián)制中黏粒（<0.01 mm）占比為<10%，美國制中黏粒（<0.002 mm）占比為<15%。結(jié)合我國南北土壤的特點及繪制土壤質(zhì)地三角圖的需要，建議將黏粒的占比由原來的30%調(diào)整為15%，結(jié)合三角圖繪制確定粉粒含量區(qū)間，這樣可以避免砂粒、粉粒、黏?？偤砍^100%的情況，也可避免因粉粒無閾值導(dǎo)致土壤質(zhì)地三角圖中各類別的界限不明等問題。

表2 我國土壤質(zhì)地分類標準（1982/1986年版）Table 2 Standard for Chinese classification of soil texture in 1982/1986

（3）壤土中黏粒占比的保留：1986 版土壤質(zhì)地分類制中，細黏粒（<0.001 mm）占比為<30%，在0.002～0.001 mm 的粒徑處沒有要求。國際制中壤土類、黏壤土類中黏粒（<0.002 mm）的占比為<25%，美國制的壤土中黏粒（<0.002 mm）占比為<40%。蘇聯(lián)制是依據(jù)化學分類法而制定，粒級分類繁雜且無法繪制通用的質(zhì)地三角圖。經(jīng)過綜合考慮，筆者建議在將細黏粒改為黏粒的基礎(chǔ)上，保留<30%的閾值。

（4）壤土砂粒占比的修訂：1986 版土壤質(zhì)地分類制中，砂壤和壤土的區(qū)別只在砂粒的占比上，砂壤中砂粒的占比大于壤土。美國制中壤土的砂粒（2～0.05 mm）占比為30%～50%，國際制中壤土的砂粒（2～0.02 mm）占比為40%～55%。通過綜合我國經(jīng)過改造的土壤質(zhì)地三角圖中的空位置，決定將壤土中的砂粒占比改為30%～50%，砂壤中的砂粒占比改為≥50%。

（5）黏土中黏粒占比的保留：在國際制分類系統(tǒng)中，黏土中黏粒（<0.002 mm）的占比為>25%。在美國制中，黏土中的黏粒（<0.002 mm）占比為>40%，而且砂黏壤、黏壤、粉黏壤中黏粒占比約30%。1986 版土壤質(zhì)地分類制中黏粒占比保留原有閾值30%。

（6）輕砂土與砂壤土重疊部分的劃分：在對1986版土壤質(zhì)地分類制進行質(zhì)地三角圖繪制時，會出現(xiàn)坐標（砂粒，黏粒，粉粒）為（50%，10%，40%）、（60%，0，40%）、（50%，0，50%）的三角形重疊區(qū)。這一重疊區(qū)內(nèi)土壤的性質(zhì)與壤土類似，因此劃為壤土，并依照就近原則，劃為砂壤土。

綜上，中國土壤質(zhì)地分類標準推薦修訂方案如表3所示。

表3 我國土壤質(zhì)地分類標準推薦修訂方案Table 3 Proposal for Chinese classification of soil texture

2 土壤質(zhì)地分類三角圖及自動分類程序/軟件工具

2.1 土壤質(zhì)地分類三角圖

土壤質(zhì)地分類三角圖是一種典型的三元相圖，通過某一土樣的機械組成（即砂粒、粉粒、黏粒所占的百分比）來確定其在土壤質(zhì)地分類三角圖中所處的區(qū)域，通過區(qū)域映射得到相應(yīng)的分類結(jié)果，其優(yōu)點是直觀化、形象化，能夠通過點移動經(jīng)過的區(qū)域確定土壤粒級的變化與土壤種類“從量變到質(zhì)變”的過程。國際制作為應(yīng)用范圍最廣的土壤質(zhì)地分類系統(tǒng)，其主要特征是分類連續(xù)，土壤質(zhì)地三角形中鄰域拓撲關(guān)系較為簡單（圖2a）。在不同土壤質(zhì)地三角圖繪制中，國際制三角圖充當了“原初模型”的角色，各國在此基礎(chǔ)上結(jié)合國情進行了修訂。盡管土壤質(zhì)地分類系統(tǒng)中土壤質(zhì)地分類的名稱、粒級劃分各異，但是總體上土壤劃分為砂土、壤土、黏土三大類的趨勢與粒級的總體分布趨勢是相近的，這也體現(xiàn)了土壤質(zhì)地分類多樣性與原則性的辯證統(tǒng)一。美國制土壤質(zhì)地分類主要是基于Baver等[32]的分類方式進行修訂的（圖2b）。英國制在美國制的基礎(chǔ)上，將范圍較為寬泛的壤土劃分到了砂質(zhì)黏壤土、黏壤土、砂質(zhì)壤土、粉砂質(zhì)壤土4 個鄰域之中（圖2c），并將粉壤土進行了鄰域上的歸并與細分。日本制在國際制的基礎(chǔ)上，針對砂土與砂壤土進行了細分，并結(jié)合本國國情對黏土與壤土的界限進行了修訂（圖2d）。由于砂粒、粉粒、黏粒含量總量為100%，所以只需已知其中兩類（如粉粒、黏粒）的含量就可以確定土壤質(zhì)地。因此，美國制除了正三角質(zhì)地圖外還有直角三角圖，而加拿大、澳大利亞、德國等則以直角三角圖為主。

圖2 國際土壤質(zhì)地分類三角圖Figure 2 Triangle plots of selected international soil texture classification systems

2.2 中國制土壤質(zhì)地三角圖

參照其他土壤質(zhì)地分類三角圖的繪制原理和方法，筆者根據(jù)中國制土壤質(zhì)地分類建議方案（表3）繪制了中國土壤質(zhì)地分類三角圖，包括土壤質(zhì)地正三角圖和直角三角圖2種形式（圖3）。

2.3 中國制土壤質(zhì)地自動分類軟件/程序工具

土壤質(zhì)地自動分類軟件可以幫助使用者查詢土壤質(zhì)地，同時簡化使用并促進土壤質(zhì)地分類制推廣。因此，主要的土壤質(zhì)地分類制都有對應(yīng)的土壤質(zhì)地自動分類程序/軟件工具。張麗萍等[7]綜述了基于Tex?ture AutoLookup（TAL）、TRIANGLE 和STAC 等國內(nèi)外土壤質(zhì)地自動分類程序。李建波等[33]建立了基于WPF 的三角圖自動識別系統(tǒng)構(gòu)建方法；本課題組基于Matlab GUI 開發(fā)了一款土壤質(zhì)地自動識別和分類軟件，可單獨或批量處理數(shù)據(jù)[34]；Moeys[10]基于R 語言編寫了包含美、英、法等國的10 余種土壤質(zhì)地查詢和分類軟件。為了便于中國制土壤質(zhì)地的查詢和分類，通過修訂USDA?NRCS Soil Texture Triangle 土壤質(zhì)地Origin 文件（下載網(wǎng)址：https：//www.originlab.com/file?Exchange/details.aspx?fid=300），筆者根據(jù)中國制土壤質(zhì)地分類建議修訂方案（表3、圖3）編寫了對應(yīng)的土壤質(zhì)地分類查詢軟件（圖4，該制圖包的下載地址：https：//xn?esp.github.io/download.html）。

圖4 中國制土壤質(zhì)地分類建議修訂方案質(zhì)地計算/查詢結(jié)果示意圖（附部分數(shù)據(jù)實例）Figure 4 Example of soil texture plotting using Chinese soil texture calculator（with superimposed measurements）

3 討論與展望

吳克寧等[13]通過統(tǒng)計中國知網(wǎng)、Science Direct 和百度學術(shù)上國內(nèi)學者發(fā)表的研究成果中所使用的土壤質(zhì)地分類制發(fā)現(xiàn)，美國制是應(yīng)用最多的分類制，其次是國際制、卡慶斯基制，最后才是中國制。我國環(huán)境、地質(zhì)、國土和農(nóng)業(yè)等部門開展的各種行業(yè)調(diào)查（包括第二次全國土壤普查）以及發(fā)布的各種國標、行標也主要基于美國制、國際制或蘇聯(lián)制[13，35]。1986 年版中國制土壤質(zhì)地分類是中國科學院南京土壤研究所鄧時琴研究員等老一輩土壤學家根據(jù)蘇聯(lián)制改進而來[8，28]，但因難與其他分類體系接軌及無法繪制三角圖等原因，推廣和應(yīng)用甚少[13]。至今距離第二次全國土壤普查已經(jīng)40 余年，在第三次全國土壤普查啟動之際，完善并推廣中國制土壤質(zhì)地分類系統(tǒng)具有重要意義。為了今后在科研和各個行業(yè)和領(lǐng)域的實踐工作中更好地推廣和應(yīng)用中國制土壤質(zhì)地分類，本研究對1986 版的方案進行了初步修訂，供學界繼續(xù)開展深入討論和完善，從而推動中國制土壤質(zhì)地分類體系的改進和優(yōu)化。同時，筆者繪制了土壤質(zhì)地分類三角圖并開發(fā)了查詢軟件/程序工具。

為了更好地銜接我國之前利用的美國制、國際制或蘇聯(lián)制調(diào)查的成果，同時與國際上其他土壤質(zhì)地分類制接軌，建議未來重點利用換算公式[36?37]或機器學習[38]等手段開展不同分類制之間的轉(zhuǎn)換研究工作，建立中國土壤質(zhì)地分類制與世界其他主要國家分類制的轉(zhuǎn)換關(guān)系并開發(fā)相關(guān)自動轉(zhuǎn)換軟件/程序工具，也可以更好地利用第二次全國土壤普查的數(shù)據(jù)為第三次土壤普查服務(wù)。同時，結(jié)合人工調(diào)查、地統(tǒng)計（考慮土壤質(zhì)地的空間變異）[39?40]、地理信息系統(tǒng)技術(shù)[41]、高光譜遙感技術(shù)[42?43]等進行土壤質(zhì)地分類特征提取與數(shù)據(jù)融合，創(chuàng)建基于中國土壤質(zhì)地分類制的全國土壤質(zhì)地分布電子數(shù)據(jù)集/庫，為不同尺度研究提供重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。此外，土壤質(zhì)地三角圖也可以結(jié)合容重等信息用于機械力學分析或工程設(shè)計等[31]。

附表1 熊毅先生擬定的土壤質(zhì)地分類標準（1937年版）Attached table 1 Chinese soil texture classification system proposed by XIONG Yi in 1937