張文太，張佩佩，武紅旗，賈宏濤，魏影

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院/新疆土壤與植物生態(tài)過程重點實驗室，烏魯木齊 830052)

黏土礦物組成對天山北坡土壤變性特征的影響

張文太，張佩佩，武紅旗，賈宏濤，魏影

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院/新疆土壤與植物生態(tài)過程重點實驗室，烏魯木齊 830052)

【目的】調(diào)查天山北坡是否分布有變性特征的土壤，通過測定其黏土礦物組成，探討新疆變性土壤發(fā)育的內(nèi)在礦物學(xué)機制?！痉椒ā渴褂脗鹘y(tǒng)野外調(diào)查方法，研究天山北坡11個土壤剖面，根據(jù)裂隙、滑擦面、楔狀結(jié)構(gòu)等診斷特性的發(fā)育狀況劃分其變性化程度。測定了研究剖面28個土壤發(fā)生層的線脹系數(shù)和黏土礦物中蒙皂石的含量，并探討其相關(guān)性?！窘Y(jié)果】研究的11個土壤剖面中有4個剖面可相對劃分為強變性化的土壤，28個土層蒙皂石含量的平均值為38%。強變性化程度土壤中蒙皂石的含量顯著高于弱變性化程度的土壤。蒙皂石含量與線脹系數(shù)之間存在極顯著的冪函數(shù)關(guān)系。【結(jié)論】較低的蒙皂石含量是決定本研究調(diào)查的土壤變性化程度不高的內(nèi)在原因。未來在新疆開展變性土調(diào)查時，需要重點考慮蒙皂石含量高的成土母質(zhì)分布區(qū)。

變性土；蒙皂石；土壤變性化程度

0 引 言

【研究意義】土壤分類有助于人們正確理解不同土壤類型之間的內(nèi)在邏輯聯(lián)系以及土壤時空演變的發(fā)生學(xué)機制，進而更深刻地認識土壤的本質(zhì)。同時，土壤分類研究還是開展高精度土壤調(diào)查與制圖，指導(dǎo)不同區(qū)域土壤資源管理與持續(xù)利用的基礎(chǔ)?！厩叭搜芯窟M展】變性土是美國土壤系統(tǒng)分類和中國土壤系統(tǒng)分類劃分的一個重要土綱，前者包括潮濕變性土、寒變性土、夏旱變性土、干旱變性土、干潤變性土和濕潤變性土等六個亞綱[1]；后者只包括潮濕變性土、干潤變性土和濕潤變性土等三個亞綱[2]。近幾年研究認為，按照美國土壤系統(tǒng)分類，在黑龍江松嫩平原存在寒變性土[3]，在新疆存在干旱變性土和夏旱變性土，或者其他土綱的變性亞類[4]。裂隙、滑擦面、楔狀結(jié)構(gòu)和線脹系數(shù)等是劃分變性土，定量描述土壤變性化程度的主要診斷特性[1，2，5]，其物質(zhì)基礎(chǔ)是母質(zhì)中含有大量膨脹性蒙皂石等黏土礦物[6]。劃分變性土?xí)r，對于黏土礦物中蒙皂石的含量并沒有具體要求[2]?！颈狙芯壳腥朦c】目前，尚缺少詳細的關(guān)于新疆土壤變性特征的野外調(diào)查數(shù)據(jù)。關(guān)于蒙皂石含量對土壤變性化程度影響的研究更不多見。研究使用野外土壤剖面描述和室內(nèi)黏土礦物組成分析相結(jié)合的方法，以探討土壤變性特征發(fā)育程度與蒙皂石含量之間的關(guān)系?！緮M解決的關(guān)鍵問題】以新疆天山北坡有變性特征的土壤為研究對象，了解土壤變性特征的發(fā)育程度及黏土礦物的組成；研究土壤黏土礦物組成對外在土壤變性特征的影響。

1 材料與方法

1.1 材 料

在參考全國第二次土壤普查資料以及野外預(yù)考察的基礎(chǔ)上，認為天山北坡昌吉州一帶是紅黏土的集中分布區(qū)，有可能分布有變性土。將土壤調(diào)查路線設(shè)定為“克拉瑪依市—沙灣縣—石河子市—瑪納斯縣—呼圖壁縣—昌吉市—烏魯木齊市”。2014年7～8月，完成了24個土壤剖面的調(diào)查，研究僅分析了其中11個黏粒含量較高或變性特征較明顯的土壤剖面。

按照《野外土壤描述與采樣手冊》完成了土壤剖面描述，記錄了裂隙、滑擦面、楔狀結(jié)構(gòu)等土壤變性特征。用相機拍攝了土壤景觀、土壤剖面和典型形態(tài)特征的照片。按照土壤發(fā)生層采樣，采樣深度一般為120 cm。當(dāng)土壤剖面不足120 cm時僅采集到準(zhǔn)石質(zhì)接觸面。

1.2 方 法

野外采集的土壤樣品風(fēng)干后過2 mm篩。使用沉降桶法測定土壤的機械組成[7]。選擇黏粒含量較高的28個土壤發(fā)生層(通常是表土層和亞表層)的樣品，采用泥條法[8]測定線脹系數(shù)；采用石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法[9]，用D/max-rA型X射線衍射儀測定土壤黏土礦物的組成。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

使用厚度加權(quán)方法計算得到了0～50 cm土層的黏粒含量和線脹系數(shù)。蒙皂石含量由伊蒙混層含量和混層比(%S)相乘得到。用SPSS軟件進行均值比較和相關(guān)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤變性特征

在世界土壤資源參比基礎(chǔ)、美國土壤系統(tǒng)分類和中國土壤系統(tǒng)分類等主要的土壤分類系統(tǒng)中，大都使用文字描述裂隙、滑擦面、楔狀結(jié)構(gòu)等土壤的變性特征[1，2，5]。天山北坡土壤剖面典型變性特征的形態(tài)照片，可以直觀形象地展示土壤的診斷特征，使初學(xué)者更容易掌握按照土壤系統(tǒng)分類劃分土壤類型的方法[10]。圖1

a：裂隙(剖面號XJV-14-02)；b：滑擦面(剖面號XJV-14-13)；c：楔狀結(jié)構(gòu)(剖面號XJV-14-24)

a: Cracks (Profile ID XJV-14-02); b: Slickensides (Profile ID XJV-14-02); c: Wedge-shaped soil aggregates (Profile ID XJV-14-02)

圖1 天山北坡土壤剖面典型變性特征的形態(tài)
Fig.1 Morphology of typical vertic characteristics of soil profiles in the North part of Tianshan Mountain

變性特征或變性現(xiàn)象的診斷通常需要考察0～100 cm是否存在裂隙、滑擦面和楔狀結(jié)構(gòu)[1，2]。研究調(diào)查的11個土壤剖面，裂隙深度最深的為39 cm，50 cm以下均未觀察到滑擦面或楔狀結(jié)構(gòu)。根據(jù)0～50 cm土層變性特征的發(fā)育程度，主觀定性地判定各個剖面的相對變性化程度是強或弱。各個土壤剖面變性特征的發(fā)育程度并不完全一致。除剖面XJV-14-13外，其他10個剖面0～50 cm土層黏粒的平均含量均在30%以上，大致符合變性土劃分對黏粒含量的要求[2]。事實上，按照美國土壤系統(tǒng)分類劃分某一土綱的變性亞類時，對黏粒含量并沒有明確要求[1]。表1

土壤裂隙的深度和寬度受灌溉、深翻等因素的影響，新疆的節(jié)水灌溉農(nóng)業(yè)和降水量較少均不利于土壤裂隙的發(fā)育。盡管剖面XJV-14-02的裂隙深度為39 cm，但其寬度卻不足0.5 cm(圖1a)。研究中滑擦面占土壤結(jié)構(gòu)體表面比例的最大值為20%，相關(guān)研究滑擦面發(fā)育較強的土層，這一比例可達到50%[11]。研究的11個剖面0～50 cm土層線脹系數(shù)的加權(quán)平均值最大為0.16。使用同樣測定方法，在黑龍江省北安市棄荒地測定的線脹系數(shù)的最大值為0.19[3]。研究的28個土層線脹系數(shù)的最大值為0.16，最小值為0.07，平均值為0.10。33 kPa水吸力干濕容重法是世界土壤資源參比基礎(chǔ)中推薦的測定線脹系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)方法[5]。不同方法測定的結(jié)果之間沒有可比性。

表1 天山北坡調(diào)查土壤剖面0～50 cm的變性特征及變性化程度
Table 1 Vertic characteristics and their development degrees at 0-50 cm layer of surveyed soil profiles in the North part of Tianshan Mountain

剖面號ProfileID黏粒Claycontent(%)裂隙深度Depthofcracks(cm)滑擦面Slickensides(%)楔狀結(jié)構(gòu)Wedge-shapedsoilaggregates(%)線脹系數(shù)COLE(cm/cm)變性化程度DevelopmentdegreeXJV-14-01453900008弱XJV-14-0247939510008強XJV-14-08316580007弱XJV-14-113981055010弱XJV-14-1325752015016強XJV-14-163353055009強XJV-14-17364500009弱XJV-14-18396500009弱XJV-14-1936010510010強XJV-14-21456200010弱XJV-14-2443215820010強

2.2 黏土礦物組成

蒙皂石是2∶1型膨脹性含水層狀硅酸鹽的族名，包括蒙脫石亞族和皂石亞族。測定的28個土層的蒙皂石含量的平均值為38%，而伊利石(又稱水云母)的平均含量為42%，略高于蒙皂石。表明總體上研究的11個土壤剖面的28個土層，黏土礦物組成以伊利石-蒙皂石為主。我國第二次土壤普查成果1∶1400萬《中國土壤粘粒礦物圖》[12]顯示：天山北坡土壤黏土礦物以伊利石為主，以蒙皂石、伊利石為主要礦物的土壤在天山北坡也有零星分布。對新疆阜康的灌淤土剖面分析顯示，該土壤的礦物組成也以伊利石為主，同時含有較多的高嶺石和少量的蒙皂石[13]。28個土層中蒙皂石含量的最大值為58%，該土層伊利石的含量為31%，表明黏土礦物組成以蒙皂石為主。表2

表2 天山北坡研究土層黏土礦物的組成(n=28)
Table 2 Composition of clay minerals in studied soil layers in the North part of Tianshan Mountain (n=28)

伊蒙混層Mixedlayerofilliteandsmectite(%)伊利石Illite(%)高嶺石Kaolinite(%)綠泥石Clinochlore(%)混層比Smectiteinmixedlayer(%S)蒙皂石Smectite(%)平均值Mean592110106438最小值Min358054022最大值Max723252259058

2.3 蒙皂石含量對土壤變性化程度的影響

土壤變性化程度可以通過變性土診斷特性發(fā)育的程度來判定。在中國土壤系統(tǒng)分類和世界土壤資源參比基礎(chǔ)中，分別用變性現(xiàn)象和隱變性層來描述變性化程度較低的土壤[2，5]。研究中，強變性化土壤蒙皂石含量的平均值為43%，顯著高于弱變性化土壤蒙皂石含量的平均值33%。為了進一步揭示蒙皂石含量對土壤變性特征的影響，研究了蒙皂石含量與線脹系數(shù)之間的相關(guān)性。結(jié)果表明，研究使用的28個土層的數(shù)據(jù)，線脹系數(shù)隨著蒙皂石含量的升高而增大，兩者之間存在極顯著的冪函數(shù)關(guān)系。蒙皂石含量可以解釋35.4%的線脹系數(shù)的變異，表明內(nèi)在的土壤黏土礦物組成是決定土壤變性特征發(fā)育的重要原因。圖2，圖3

圖2 不同變性化程度土壤蒙皂石含量比較
Fig.2 Comparison of smectite contents in soils with different development degrees of vertic characteristics

圖3 蒙皂石含量與線脹系數(shù)之間相關(guān)性(n=28)
Fig.3 Correlation between smectite content and coefficient of linear extensibility (COLE) (n=28)

3 討 論

在我國，變性土多發(fā)育于黏質(zhì)河湖沉積物、基性火成巖和鈣質(zhì)沉積巖風(fēng)化物等母質(zhì)。就地形而言，變性土在河湖平原、河谷平原、河谷階地、洼地等低地形部位更容易出現(xiàn)。這些區(qū)域鈣、鎂鹽基、硅酸、黏粒等大量積聚，形成蒙皂石等膨脹性黏土礦物的物質(zhì)基礎(chǔ)[14]。研究測定的蒙皂石的含量比松嫩平原寒變性土中蒙皂石的含量低約41%[3]，比淮北平原和山東半島變性土中蒙皂石的含量也低[4]。

新疆變性土和變性亞類主要分布在天山北麓老沖積平原、伊犁盆地等地區(qū)。根據(jù)先前土壤剖面描述資料，認為昌吉市城郊頭屯河沖洪積扇中下部發(fā)育的灰漠紅土土種可以劃分為變性土[4，15]。但是，由于該土種分布面積較小，研究尚未在昌吉市土壤類型圖中找到該土種的圖斑。后續(xù)研究還需要結(jié)合土系調(diào)查，進一步確定新疆變性土的分布范圍。

4 結(jié) 論

天山北坡土壤剖面的變性化程度總體偏低，11個土壤剖面中只有4個可以相對劃分為強變性化的土壤。就黏土礦物組成而言，蒙皂石含量的平均值僅為38%，大部分剖面以伊利石為主要礦物。強變性化土壤中蒙皂石的含量顯著高于弱變性化土壤，蒙皂石含量與線脹系數(shù)之間存在極顯著的冪函數(shù)關(guān)系，較低的蒙皂石含量是導(dǎo)致調(diào)查的土壤變性特征發(fā)育較弱的內(nèi)在原因。

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Supported by:National Natural Science Foundation of China "Soil vertic features and the formation in northern Mount Tian area of Xinjiang" (41301231), and Special Fund for National Science and Technology Basic Work of China "Survey and compilation of soil series in Xinjiang Uygur Autonomous Region" (2014FY110200A03)

Effects of Clay Mineral Composition on Vertic Characteristics in the Northern Slope of Tianshan Mountain

ZHANG Wen-tai, ZHANG Pei-pei, WU Hong-qi, JIA Hong-tao, WEI Ying

(CollegeofPrataculturalandEnvironmentalSciences,XinjiangAgriculturalUniversity,XinjiangKeyLaboratoryofSoilandPlantEcologicalProcesses,Urumqi830052,China)

【Objective】 To investigate whether there are vertic soils existing in the northern slope of Tianshan Mountain and explore the internal mineralogical mechanism of vertic soils in Xinjiang by measuring clay mineral composition.【Method】Eleven soil profiles in the northern slope of Tianshan Mountain were studied using traditional field survey approaches. Development degree of soil vertic characteristics was determined according to diagnostic criteria such as cracks, slickenside and wedge-shaped soil aggregates, coefficient of linear extensibility (COLE) and smectite content in clay mineral of 28 soil layers were measured, and their correlation was discussed.【Result】Among the eleven studied soil profiles, four could be relatively classified as soils with strongly developed vertic characteristics. The mean smectite content of the 28 soil layers was 38%. Smectite contents of soils with strongly developed vertic characteristics were significantly higher than those of soils with slightly developed vertic characteristics. A significant power relationship existed between smectite content and COLE.【Conclusion】Low smectite content is the internal mechanism that determines the low development degree of soil vertic characteristics in this study. Distribution area of parent material with high smectite content should be especially considered when surveying vertisols in Xinjiang in the future.

vertisols; smectite; development degree of vertic characteristics

10.6048/j.issn.1001-4330.2017.02.021

2016-11-03

國家自然科學(xué)基金青年基金項目“新疆天山北坡土壤變性特征與形成”(41301231)；國家科技基礎(chǔ)性工作專項“新疆維吾爾自治區(qū)土系調(diào)查與土系志編制”(2014FY110200A03)

張文太(1984-)，男，山東冠縣人，副教授，研究方向為土壤地理學(xué)，(E-mail)zwt@xjau.edu.cn

武紅旗(1974-)，男，甘肅酒泉人，副教授，研究方向為土壤調(diào)查與評價，(E-mail)hqwu7475@126.com

S159.2

A

1001-4330(2017)02-0371-06