劉 剛，許文年，蔡崇法，劉普靈，楊明義，張 瓊

（1.三峽大學(xué) 三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點實驗室，湖北 宜昌443002；2.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室，陜西 楊凌712100；3.華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)業(yè)部長江中下游耕地保育重點實驗室，武漢430070）

土壤的形成過程漫長并且復(fù)雜，很難對其進行觀測，而通過研究土壤年齡序列則可以有效地對土壤發(fā)育過程進行定量研究［1－2］。土壤年齡序列是指在相似植被、地形、氣候和母質(zhì)條件下土壤理化特征隨時間因子發(fā)生變化［3］，它一方面可以通過土壤剖面對土壤理化特征進行長時間序列研究，另一方面還可以將土壤之間的空間差異轉(zhuǎn)化為時間差異。土壤年齡序列對于成土速率和土壤發(fā)育方向具有非常好的指示作用，并且為檢驗土壤發(fā)生學(xué)理論提供了寶貴的信息。近些年來，許多學(xué)者對土壤年齡序列進行了研究，大部分土壤年齡序列研究表明：土壤屬性與時間符合線性、冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)、對數(shù)函數(shù)關(guān)系［2，4－5］，而雙曲線、多項式或非線性函數(shù)不僅可以改進擬合效果，而且有助于提出對成土系統(tǒng)的新認(rèn)識，但土壤年齡函數(shù)的選擇既要符合客觀實際，又要有相應(yīng)的理論作為依據(jù)。當(dāng)土壤屬性—時間關(guān)系方程確定后，y截距可以被用來重建時間零點時的土壤屬性［6］。

黑壚土剖面是黃土高原地區(qū)保存較為完整的全新世土壤剖面，可以為研究全新世氣候環(huán)境演變提供重要信息。目前對于黑壚土剖面土壤年齡序列的研究較多［7－9］，但相應(yīng)的土壤年齡函數(shù)卻較為少見。本研究對陜西洛川全新世黑壚土剖面土壤理化特征及土壤14C年齡進行研究，通過構(gòu)建并選擇土壤年齡函數(shù)，增強對土壤形成和發(fā)育過程的認(rèn)識，從而為預(yù)測土壤修復(fù)速率提供理論依據(jù)［2］，同時為土壤發(fā)育模型的建立提供數(shù)據(jù)支撐［10］。

1 材料與方法

研究剖面位于陜西省洛川縣京兆鄉(xiāng)京兆村（35°42.561′N，109°23.952′E），本地區(qū)屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，年平均溫度9.2℃，年降雨量622 mm。剖面所處地形為平坦塬面，周圍長有蘋果樹。在地表挖開2.0m深剖面，用剖面刀對剖面進行整理，使得剖面各發(fā)生層清晰可見，接著用皮尺測量各發(fā)生層的深度，同時觀察各發(fā)生層特征，并作記錄、拍照。黑壚土剖面特征如表1所示。

表1 土壤剖面特征

表2 土壤剖面各采樣層14C年齡

在采集剖面樣品時，首先清理剖面表層土壤，防止被污染土壤混入樣品中，然后以10cm為一層，自上而下將各剖面分為連續(xù)的20層（表2），接著用環(huán)刀采集每一層土壤容重樣品，用塑料鏟子采集500g左右土壤樣品裝入密封袋中并編號帶回實驗室。

本實驗中采集的所有土壤樣品送至中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所加速器質(zhì)譜中心，完成土壤14C年齡樣品的測量工作。該中心擁有的主要設(shè)備包括一臺3MV的多核素分析加速器質(zhì)譜儀及其樣品制備系統(tǒng)，其現(xiàn)代樣品的14C測量精度優(yōu)于0.5%，可達0.2%～0.3%。

本實驗使用英國馬爾文公司生產(chǎn)的Mastersizer—2000型激光粒度儀測量土壤顆粒粒徑，使用雷磁公司PHBJ—260型酸度計測定樣品pH值，采用重鉻酸鉀容量法—外加熱法測量土壤有機質(zhì)含量，采用氣量法測定土壤中CaCO3含量，使用美國PE公司生產(chǎn)的ZL—5100型原子吸收分光光度計測量土壤中Mn，F(xiàn)e，K，Na，Ca，Mg元素含量，使用國產(chǎn) UV—VIS8500II型紫外可見分光光度計測量土壤中P元素含量。土壤Zr元素，送至中國原子能研究所進行處理與測量。

本研究采用最為常用的［2，6］線性函數(shù)（Y＝a＋bX）、對數(shù)函數(shù)（Y＝a＋blnX）和三階多項式（Y＝a＋bX＋cX2＋dX3）構(gòu)建黑壚土年齡函數(shù)，通過比較各擬合函數(shù)的決定系數(shù)（r2），輔以理論指導(dǎo)來選擇土壤年齡函數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤顆粒粒徑分布

通過對該剖面土壤顆粒粒徑進行分析發(fā)現(xiàn)，各層土壤中黏粒（＜0.002mm）、粉粒（0.002～0.02mm）和砂粒（0.02～2mm）均隨土壤年齡發(fā)生變化，利用線性函數(shù)、對數(shù)函數(shù)與三階多項式對其關(guān)系進行擬合，其結(jié)果如表3所示。由表3可知，利用三階多項式對不同土壤顆粒組成和土壤年齡進行擬合效果最佳，其決定系數(shù)均遠大于線性函數(shù)和對數(shù)函數(shù)擬合的結(jié)果。

表3 不同土壤顆粒組成與土壤年齡回歸結(jié)果

圖1 不同土壤顆粒組成隨土壤年齡變化及其三階多項式擬合曲線

這與一些學(xué)者的研究結(jié)果并不一致，Bockheim［2］和Merritts等［11］認(rèn)為，土壤黏粒含量與土壤年齡存在較好的對數(shù)關(guān)系，而Barrett［12］的研究結(jié)果表明土壤粉粒含量與土壤年齡線性相關(guān)。究其原因，可能是由于本研究剖面中存在黑壚土層，其黏粒和粉粒含量均高于上下層土壤，而砂粒含量低于上下層土壤（圖1）。黑壚土層中的黏粒增加不是從覆蓋土層淋洗淀積形成，而是土體內(nèi)部風(fēng)化作用的產(chǎn)物。因為石灰性土壤脫鈣以前有大量鈣和鎂，帶負(fù)電荷的硅酸鹽黏粒與鈣、鎂作用而凝聚，凝聚的黏粒不發(fā)生機械淋洗。但從圖1中可以看出，黑壚土層風(fēng)化程度較輕，粘化作用較弱，這是受到水熱條件限制的結(jié)果。三階多項式從理論和實際的角度［6］較好地反映了該剖面中存在黑壚土層這一特征，因此可以作為土壤顆粒組成的年齡函數(shù)。

2.2 土壤有機碳、CaCO3和pH值

由表4可以看出，利用三個函數(shù)對土壤有機碳含量和土壤年齡進行擬合，發(fā)現(xiàn)其決定系數(shù)均在0.8左右，二者相關(guān)性較高。但線性函數(shù)和三階多項式函數(shù)與y軸截距分別為0.57和0.60，這與實際情況并不相符，其值至少大于0.6（圖2a）。因為長有植被的土壤剖面頂部有機質(zhì)含量往往最高，向下迅速減小，至一定深度后有機質(zhì)含量減小速率變緩［13］。

唐克麗和賀秀斌［14］的研究亦表明洛川黑壚土剖面有機質(zhì)隨土壤年齡變化符合這一規(guī)律。因此，對數(shù)函數(shù)表明土壤表面有機碳含量無限接近于實測值1.68是符合客觀規(guī)律的，可以將其作為土壤有機碳含量的年齡函數(shù)。

表4 不同土壤屬性與土壤年齡回歸結(jié)果

利用線性函數(shù)和對數(shù)函數(shù)對土壤CaCO3含量與土壤年齡進行擬合，其決定系數(shù)分別為0.74和0.59，但y軸截距分別為－2.97和－0.15（表4），而土壤中CaCO3含量不可能為負(fù)值，因此這兩個函數(shù)不能反映土壤CaCO3含量變化規(guī)律。三階多項式擬合曲線則較好地反映了土壤CaCO3含量與土壤年齡之間的關(guān)系，其決定系數(shù)為0.85，并且曲線變化趨勢反映出了剖面表層土壤受到淋溶作用而導(dǎo)致CaCO3在下層發(fā)生淀積（圖2b），且黑壚土層CaCO3含量最低。唐克麗和賀秀斌［14］和趙景波等［15］的研究結(jié)果同樣表明CaCO3在黃土剖面上層受到淋溶作用而在下層發(fā)生淀積的趨勢，因此三階多項式符合理論及實際情況。

對數(shù)函數(shù)對土壤pH值和土壤年齡的擬合結(jié)果最好，決定系數(shù)為0.90。對數(shù)曲線的變化趨勢（圖2c）反映了土壤剖面受到淋溶作用導(dǎo)致堿化作用在土壤形成初始階段便很快發(fā)生，pH值在土壤表面迅速增大，而其下層pH值增大速率則減緩。這一結(jié)果與大多數(shù)學(xué)者的研究結(jié)果相似［16－17］。

圖2 土壤有機碳含量、碳酸鈣含量、pH值隨土壤年齡變化及其擬合曲線

2.3 土壤化學(xué)元素的遷移

土壤中易遷移元素與Ti或Zr等不易遷移元素的比值常被用來研究土壤元素隨時間的富集與淋溶［18］。但一些研究表明Ti也為可遷移元素，而Zr更不易遷移［19－20］，因此本文利用多種土壤元素與Zr的比值來研究土壤元素的遷移。由表5可知，利用三階多項式對各種元素同Zr元素的比值與土壤年齡進行擬合，其決定系數(shù)均最高。

表5 不同土壤化學(xué)元素同Zr元素的比值與土壤年齡回歸結(jié)果

從圖3中可以看出，Mn／Zr，F(xiàn)e／Zr及 K／Zr與土壤年齡雖然用三階多項式擬合效果最好，但其變化趨勢與對數(shù)函數(shù)比較接近。由此表明，Mn，F(xiàn)e和K元素在土壤表層受到淋溶作用相對較強，而在黑壚土層及其下層受到淋溶作用較小，并且沒有明顯富集現(xiàn)象發(fā)生。這與唐克麗和賀秀斌［14］的研究結(jié)果非常相似。但亦有研究表明，土壤中Mn，F(xiàn)e和K元素與土壤年齡呈線性或?qū)?shù)關(guān)系［18，20－22］，這可能與土壤類型及其發(fā)育程度有關(guān)。

Mg／Zr與土壤年齡的三階多項式擬合結(jié)果同線性函數(shù)擬合結(jié)果的決定系數(shù)非常接近，其變化趨勢也非常相似。不同之處在于，三階多項式表明Mg元素在土壤表層淋溶較快，而隨著土壤年齡的增加，其淋溶量逐漸減小，直至其含量在母質(zhì)層中穩(wěn)定。而線性函數(shù)則顯示Mg元素在土壤剖面中以恒定的速率發(fā)生淋溶，這與現(xiàn)實情況并不相符。但一些學(xué)者的研究結(jié)果表明土壤中 Mg元素與土壤年齡存在線性或?qū)?shù)關(guān)系［18，21－22］。

Ca／Zr，P／Zr與Na／Zr在剖面中隨土壤年齡變化表現(xiàn)出相同的趨勢，上層較年輕的土壤受到淋溶作用較強，在黑壚土層出現(xiàn)最低值，而Ca，P和Na這三種元素均在較老的下層土壤中發(fā)生富集。而三者中Ca元素的遷移作用最為強烈，其次是P元素，Na元素的遷移相對較小。Ca元素的遷移特征與CaCO3含量隨土壤年齡變化的趨勢是完全一致的。但在非石灰性土壤中，Ca，P和Na元素與土壤年齡仍表現(xiàn)出了線性或?qū)?shù)的關(guān)系［18，20，22］。

圖3 土壤 Mn／Zr，F(xiàn)e／Zr，K／Zr，Mg／Zr，Ca／Zr，P／Zr和 Na／Zr值隨土壤年齡變化及其擬合曲線

3 結(jié)論

本研究通過對洛川全新世黑壚土剖面土壤理化特征及土壤14C年齡進行研究，利用線性函數(shù)、對數(shù)函數(shù)和三階多項式對其進行擬合，結(jié)果表明不同土壤理化特征與土壤年齡之間的關(guān)系存在差異。

三階多項式對土壤黏粒、粉粒及砂粒與土壤年齡之間的關(guān)系擬合結(jié)果較好，而其它兩個函數(shù)擬合結(jié)果較差。三階多項式所反映的變化趨勢表明粘化作用導(dǎo)致黑壚土層黏粒和粉粒含量增高，砂粒含量減少，因此可以較好地反映該剖面存在黑壚土層的特征。

對數(shù)函數(shù)較好地反映了土壤有機碳和pH值隨土壤年齡變化的規(guī)律。二者所不同的是，土壤有機碳隨土壤年齡迅速減小至一定程度后減小速率變緩，而pH值隨土壤年齡迅速增大至一定程度后增大速率變緩。

CaCO3含量與土壤各種元素在土壤中遷移的規(guī)律可以用三階多項式進行描述。但Mn／Zr，F(xiàn)e／Zr和K／Zr的變化趨勢同對數(shù)函數(shù)擬合結(jié)果比較接近，由此表明Mn，F(xiàn)e和K元素在土壤表面受到較強的淋溶作用，而在黑壚土層及其下層遷移作用較為微弱。Mg／Zr的三階多項式擬合結(jié)果表明Mg元素在土壤表面受到淋溶作用較強，隨著土壤年齡增加逐漸減小直至穩(wěn)定。而 Ca／Zr，P／Zr，Na／Zr和 CaCO3含量隨時間變化的規(guī)律表明Ca，P，Na元素和CaCO3在剖面表層受到強淋溶，在黑壚土層出現(xiàn)極低值，并在剖面下層發(fā)生富集，這一變化規(guī)律與三階多項式的擬合結(jié)果最為接近。

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