李紅瓊，韓榮培

(1.貴州師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.貴州省民族研究院，貴州 貴陽 550025)

1 引言

土壤粒徑是土壤最基本的物理性質(zhì)之一，它強(qiáng)烈地影響著水力性質(zhì)、熱力性質(zhì)等土壤物理特性。近年來該指標(biāo)被廣泛應(yīng)用于氣候變化及環(huán)境演變研究中[1～3]。亞熱帶紅壤是中國(guó)分布面積最大土類之一，其廣泛分布于長(zhǎng)江流域以南的廣大地區(qū)。亞熱帶紅壤對(duì)中國(guó)南方農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)產(chǎn)生重要影響，探究其特征及其與磁化率的關(guān)系，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和古氣候研究具有積極意義。

目前涉及該方面研究已經(jīng)取得了一定的研究成果，如黃尋等研究重慶梁山土壤粒度與磁化率的關(guān)系[1]；朱麗東等對(duì)廬山紅土磁化率的研究[3]，熊平生研究土粒度組合特征及其指示環(huán)境意義[4]；李敬衛(wèi)等對(duì)江西九江紅土堆積特征及其成因研究，得出九江紅土堆積與中國(guó)北方黃土一樣屬于風(fēng)塵堆積的結(jié)論[5]；熊尚發(fā)等就贛北紅土與沙漠砂、黃土、古土壤粒度對(duì)比，發(fā)現(xiàn)贛北紅土具有沉積上的漸變過渡性[6]。由于磁化率是物質(zhì)被磁化難易程度的一種度量，是一種重要環(huán)境替代指標(biāo)，常被應(yīng)用于沉積物發(fā)育狀態(tài)以及環(huán)境演化。如田慶春等對(duì)青藏高原腹地湖泊沉積物的研究，分析環(huán)境代用指標(biāo)與磁化率之間關(guān)系，并說明其環(huán)境意義[7]；鄧成龍等指出成土過程中新生成細(xì)粒磁性礦物含量變化是導(dǎo)致磁化率增強(qiáng)的主導(dǎo)因素，得出中國(guó)黃土沉積物磁氣候?qū)W記錄靈敏地反映第四紀(jì)亞洲內(nèi)陸地區(qū)干旱化過程和東亞古季風(fēng)演化歷史[8]。由于土壤粒度與磁化率具有密切關(guān)系，近年來兩者之間的關(guān)系研究也有一定進(jìn)展。王建等對(duì)磁化率與粒度、礦物之間關(guān)系研究表明：沉積物粒度與磁化率的關(guān)系與物源及沉積動(dòng)力密切相關(guān)[9]；王紅艷等對(duì)臨汾盆地褐土剖面磁化率和粒度相關(guān)性研究表明:磁化率及粒度對(duì)沉積環(huán)境和古氣候的變化有一定的響應(yīng)[10]。盧升高等通過對(duì)土壤頻率磁化率與礦物粒度關(guān)系研究，表明其對(duì)風(fēng)化成土過程中形成的土壤成因磁性礦物具有指示作用[11～13]。另外還有學(xué)者對(duì)沉積物粒度與磁化率關(guān)系進(jìn)行研究[14～16]，土壤磁化率特征在現(xiàn)在土壤科學(xué)研究中具有非常重要的意義。

南方紅土是第四紀(jì)以來中國(guó)南方古環(huán)境演化與氣候變遷最佳載體之一，其記錄了南方古地理、古氣候等環(huán)境變遷信息，對(duì)于認(rèn)識(shí)我國(guó)熱帶、亞熱帶地區(qū)第四紀(jì)氣候變化過程和全球緯度效應(yīng)以及探討南北古氣候演化區(qū)域差異的理想地質(zhì)材料[17,18]。本文以贛南剖面紅壤為研究對(duì)象，分析贛南紅壤的粒度特征與磁化率變化特點(diǎn)，探討兩者相關(guān)性，以期為相關(guān)研究提供有用依據(jù)。

2 研究區(qū)概況、材料與方法

2.1 研究區(qū)概況

贛縣是中國(guó)江西所轄縣，位于江西南部，東經(jīng)114°42′～115°22′、北緯25°26′～26°17′，總面積2993 km2。沙地鎮(zhèn)是贛縣轄下鎮(zhèn)，地處丘陵山地，森林覆蓋率達(dá)75%。海拔在500～1000 m，屬亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，年平均氣溫約19.4 ℃，年降雨量約1438.3 mm，無霜期281 d，年平均日照1855.2 h。該鎮(zhèn)距贛州市區(qū)35 km，距縣城43 km，105國(guó)道貫穿境內(nèi)25 km，國(guó)土面積175 km2(圖1)。

圖1 研究區(qū)地理位置

2.2 樣品采集與測(cè)試

采樣點(diǎn)(114°44′4″E，26°7′43″N)位于贛縣沙地鎮(zhèn)西北京九加油站旁距105國(guó)道約1 km處，剖面厚度為1.68 m，上層土壤上覆蓋有蕨類植物，略帶黑褐色腐殖質(zhì)層，中下層較均一層，顏色暗紅色，粘性較好、土質(zhì)松散。取樣剖面采用一定間距連續(xù)采樣共采得樣品總數(shù)43個(gè)。土壤樣品粒度及磁化率測(cè)定在西南大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院實(shí)驗(yàn)室完成，粒度實(shí)驗(yàn)所涉及每個(gè)樣品都是用英國(guó)馬爾文公司生產(chǎn)的Mastersize2000激光粒度儀在遮光度為15%～20%條件下，經(jīng)過3次測(cè)量并取其平均值作最終結(jié)果。該儀器測(cè)量范圍是0.02～2000 um，精度±1%；磁化率測(cè)試采用卡帕橋多頻各向異性磁化率儀(MFK1-FA)進(jìn)行低頻(976Hz)和高頻(15616Hz)磁化率(分別用χlf和χhf表示)測(cè)試，換算成質(zhì)量磁化率。具體步驟如下：①土壤樣品自然風(fēng)干，磨碎后過2 mm篩。稱取0.5 g置于250 mL燒杯中。加入10%的H2O2溶液靜置24 h；加入10%的HCl溶液直至燒杯中沒有氣泡產(chǎn)生，靜置24 h，加入超純水至溶液偏中性：隨后樣品中加入10 mL(NaPO3)6靜置1 h后用激光粒度儀進(jìn)行測(cè)試。②磁化率土壤樣品過0.25 mm篩，將土壤樣品裝入10 m3的塑料盒中并進(jìn)行密封，采用卡帕橋多頻各向異性磁化率儀上機(jī)實(shí)驗(yàn)。

2.3 研究方法

2.3.1 偏度

偏度(skewness) 是統(tǒng)計(jì)變量數(shù)據(jù)分布偏斜方向和程度的度量，是統(tǒng)計(jì)變量數(shù)據(jù)分布的非對(duì)稱數(shù)字特征[19]。偏度是利用三階矩定義，所表示的是頻率曲線對(duì)稱性的參數(shù)，實(shí)質(zhì)上反映的是粒度分布對(duì)稱程度，按其形態(tài)可分為正態(tài)、正偏態(tài)、負(fù)偏態(tài)特征[20,21]。?？撕臀值碌钠扔?jì)算公式為：

(1)

若Sk>0，則呈正偏態(tài)(或右偏態(tài))，表示峰偏向粗粒度一側(cè)，說明沉積物以粗組分為主，細(xì)粒一側(cè)表現(xiàn)為低的尾部；若Sk<0，則呈負(fù)偏態(tài)(或左偏態(tài))，表示峰偏向細(xì)粒度一側(cè)，說明沉積物以細(xì)粒為主，粗粒一側(cè)有低的尾部，此時(shí)不對(duì)稱的頻率曲線可以是單峰曲線，也可以是雙峰曲線，表現(xiàn)為在含量較少的尾部有一個(gè)低的次峰；若Sk=0，則呈正態(tài)，表示數(shù)值相對(duì)均勻的分布在平均值的兩側(cè)。

2.3.2 峰度

峰度是衡量粒度頻率曲線的尖銳程度，即度量粒度分布的中部與兩尾端的展形之比[22]。峰度是另一個(gè)反映隨機(jī)變量分布形狀的量，可以用來比較已標(biāo)準(zhǔn)化了的各隨機(jī)變量分布的尾部厚度，是利用四階矩進(jìn)行定義。其計(jì)算公式為：

(2)

若KG= 0，表示不同數(shù)據(jù)間差距處于一個(gè)合適的“度”；若KG<0，則表示數(shù)據(jù)較分散，不同數(shù)據(jù)間差距較大，說明數(shù)據(jù)尾部比正態(tài)分布的尾部細(xì)；若KG>0，表示數(shù)據(jù)較集中，數(shù)據(jù)間差距較小，隨機(jī)變量的尾部比正態(tài)分布的尾部粗；若KG為無窮大時(shí)，數(shù)據(jù)間無差距，曲線變成一條直線。

2.3.3 磁化率。

磁化率是指弱磁場(chǎng)(0.1mT)環(huán)境中樣品磁化強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度之比，是外磁場(chǎng)作用下物質(zhì)磁化的能力，也是反映樣品中鐵磁性礦物含量指標(biāo)[23,24]；頻率磁化率是指在不同頻率外磁場(chǎng)下，樣品產(chǎn)生磁化率值變化程度，它是反映土壤中接近穩(wěn)定單疇(SSD)—超順磁性(SP)過渡態(tài)磁性顆粒存在指標(biāo)，反映兩者對(duì)磁化率的貢獻(xiàn)，可作為土壤中SP顆粒濃度的量度[25]。頻率磁化率(χfd)的定義是：

χfd=(χlf-χhf)/χlf×100%

(3)

其中，χhf是高頻(15616Hz)磁化率，χlf是低頻(976Hz)磁化率[26]

3 結(jié)果與討論

3.1 關(guān)于土壤粒度特征

據(jù)國(guó)家海洋局1975粒級(jí)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(黏粒(<4μm)、粉砂(4～64μm)、砂(>64μm))，剖面中平均含量分別為22.3%、72.36%、5.25%，整個(gè)剖面土壤屬粉砂質(zhì)地。粒度組成特征與贛南網(wǎng)紋紅土粒度特征相似，粗顆粒含量多，主要表現(xiàn)在沖積、洪積相特征[27]。選用平均粒度、標(biāo)準(zhǔn)差、偏度、峰度作為粒度特征參數(shù)，粒度參數(shù)見圖2、圖3。平均粒度變化范圍是6.19～7.3(φ)，平均值為6.77(φ)。洛川黃土研究中[28]，粒徑平均6.4～6.6φ、6.7～6.9φ、>6.9φ分別對(duì)應(yīng)黃土弱、中、強(qiáng)風(fēng)化程度。以此為參照，本文剖面弱、中、強(qiáng)風(fēng)化強(qiáng)度分別為32.6%、39.5%、27.9%，風(fēng)化程度相對(duì)較強(qiáng)；中值粒徑變化范圍是7.248～13.721μm，平均值10.125，，平均粒徑從上到下逐漸變小。標(biāo)準(zhǔn)差反映粒度粗細(xì)變化特征，紅壤剖面標(biāo)準(zhǔn)差基本介于1.45～2.31，根據(jù)?？撕臀值聦?duì)σ分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[29]，屬分選性差級(jí)。從圖2可以看出，土壤峰度在0～24 cm剖面范圍內(nèi)與平均粒徑成正相關(guān)關(guān)系，24 cm以下與平均粒徑成明顯反相關(guān)，粒徑值變小時(shí)峰度變大特征。標(biāo)準(zhǔn)差峰度與平均粒徑兩者之間反相關(guān)關(guān)系明顯，粒徑值變小時(shí)標(biāo)準(zhǔn)差相應(yīng)變大。偏度可判別粒度分布對(duì)稱性，偏度而言，該剖面大部分屬于正偏，土壤發(fā)育程度不對(duì)稱，粗顆粒占很大部分，這與土壤發(fā)育程度不夠成熟具有關(guān)系[30]。峰度大部處于2.62～2.99之間，小部分峰值>3，峰態(tài)為正值，屬于窄峰態(tài)[31]，呈現(xiàn)出尖銳趨勢(shì)，進(jìn)一步證明粗顆粒占較大比例，土壤發(fā)育不好。峰度值與偏度呈現(xiàn)明顯反相關(guān)關(guān)系，即峰度從上到下觀察，當(dāng)峰度值越來越大，偏度值就越小。剖面粒徑由上到下呈變小趨勢(shì)，且黏粒百分比含量由上到下有波動(dòng)變化增加趨勢(shì)。粉砂以及砂粒級(jí)百分比含量由上到下出現(xiàn)微小波動(dòng)增長(zhǎng)，但是總體減小。

圖2 土壤平均粒徑與標(biāo)準(zhǔn)差

圖3 土壤偏度與峰度

3.2 關(guān)于土壤磁化率特征

圖4可以看出，剖面低頻磁化率為23.560×10-8～87.615×10-8m3/kg(30.11×10-5～115.3×10-5SI)，平均值為53.651×10-8m3/kg。磁化率值在剖面頂部到152 cm處呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，并在152 cm處達(dá)到最大值，有學(xué)者[32]認(rèn)為這是由于成壤過程中產(chǎn)生的磁顆粒(超順磁性顆粒)導(dǎo)致的；0～12 cm剖面最表層，磁化率值急劇增大，可能是由于人類活動(dòng)所產(chǎn)生外來物質(zhì)的積累，導(dǎo)致磁化率產(chǎn)生急劇變化；152～168 cm磁化率呈現(xiàn)逐漸降低趨勢(shì)，說明土壤成土過程中這兩個(gè)時(shí)期土壤顆粒較粗[33]。頻率磁化率呈波動(dòng)變化趨勢(shì)，變化范圍不是很大，總體上還是呈增大趨勢(shì)，說明土壤發(fā)育過程中穩(wěn)定單疇以及超順磁性顆粒在增加。在土壤風(fēng)化過程中，約0.03 μm的超順磁顆粒(SP)是成土作用所產(chǎn)生的次生磁性礦物。頻率磁化率值介于18.25%～20%之間，平均值為19.31%(圖4)。

圖4 質(zhì)量磁化率與頻率磁化率對(duì)比

研究區(qū)剖面是砂巖母質(zhì)上發(fā)育的紅壤，低頻磁化率總體變化趨勢(shì)是上部最小，并從上部急劇增大，且增長(zhǎng)到最大值后又急劇降低。俞勁炎等[34]在富鋁土綱的表述中，湖北砂巖母質(zhì)發(fā)育紅壤，其磁化率變化趨勢(shì)與本研究中磁化率變化特征具有相同的規(guī)律。本文中頻率磁化率雖然總體上增大，但變化很小，說明磁化率增長(zhǎng)并不是由穩(wěn)定單疇及超順磁性顆粒導(dǎo)致，而是砂巖母質(zhì)成分及巖性變化控制，母巖因素在很大程度上制約著其磁化率大小[35]。剖面接近地面的樣品，與贛南地區(qū)長(zhǎng)期高溫多雨氣候環(huán)境有關(guān)，濕熱氣候環(huán)境下，細(xì)顆粒和細(xì)粒磁性礦物會(huì)發(fā)生流失，從而造成低頻質(zhì)量磁化率降低[36]。

本研究區(qū)磁化率特征與相臨地區(qū)紅壤進(jìn)行比較：朱麗東等對(duì)九江廬山JL剖面紅壤磁化率研究中，JL剖面⑥～⑧棕色黃土-古土壤磁化率值變化范圍是22.45～133×10-5SI[37]；袁大剛等對(duì)南京雨花臺(tái)紅土磁測(cè)，13×10-8～83.1×10-8m3/kg[38]；本文中磁化率變化范圍比廬山JL剖面小，最小值大于JL剖，最大值比JL小，平均值比JL剖面??；本文磁化率總體大于雨花臺(tái)磁化率，其變化范圍比雨花臺(tái)小，最大值和最小值均小于雨花臺(tái)。以上比較說明以上兩地磁化率影響因素比本研究區(qū)要復(fù)雜得多(圖5)。

3.3 關(guān)于土壤粒度與磁化率關(guān)系

本文通過對(duì)實(shí)驗(yàn)得出粒度參數(shù)及磁化率與頻率磁化率分析，得表1、圖5。表1中可以看出：剖面中頻率磁化率增加與砂粒含量、黏粒含量、標(biāo)準(zhǔn)差、偏度、中值粒徑存在正相關(guān)性，其中與黏粒含量、中值粒徑和標(biāo)準(zhǔn)差相關(guān)系數(shù)分別為0.11983、0.45043與0.19049；而與粉砂含量、平均粒徑、峰度存在負(fù)相關(guān)性，與粉砂含量、平均粒徑和峰度相關(guān)性系數(shù)分別為-0.20807、-0.03637與-0.10618；低頻磁化率增加與黏粒含量、粉砂含量、平均粒徑、偏度、峰度存在負(fù)相關(guān)性，與粉砂含量、平均粒徑和峰度相關(guān)系數(shù)分別為-0.6765、-0.51839與-0.44735，而與砂粒含量、中值粒徑、標(biāo)準(zhǔn)差存在正相關(guān)性，其中與砂粒、中值粒徑、標(biāo)準(zhǔn)差的相關(guān)系數(shù)分別為0.57582、0.59251與0.64214。頻率磁化率相關(guān)性分析中，頻率磁化率與黏粒相關(guān)性系數(shù)是0.11983，呈現(xiàn)出正相關(guān)性，說明穩(wěn)定單疇與超順磁顆粒在紅壤磁性貢獻(xiàn)中占有一定比例。質(zhì)量磁化率又與黏粒含量相關(guān)系數(shù)為-0.21502，呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)性，說明剖面正處于土壤風(fēng)化過程過渡期的最明顯代表，其質(zhì)量磁化率呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)可能與同母巖本身礦物含量、礦物類型以及人為因素等相關(guān)，而穩(wěn)定單疇與超順磁顆粒并無大相關(guān)性。

表1 紅壤剖面粒度參數(shù)與質(zhì)量磁化率、頻率磁化率相關(guān)性

圖5 黏土百分含量、中值粒徑與質(zhì)量磁化率對(duì)比

為反映粒度參數(shù)與磁化率間關(guān)系，建立磁化率與粒度參數(shù)間相關(guān)性關(guān)系。選擇頻率磁化率與質(zhì)量磁化率作為變量，以<4μm、4～64μm、>64μm、中值粒徑、平均粒徑、標(biāo)準(zhǔn)差、偏度、峰度8個(gè)影響因子作為自變量。為確保兩者關(guān)系可靠性，必須確定變量與自變量相關(guān)性關(guān)系具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。結(jié)果顯示，頻率磁化率與黏粒、粉砂、砂粒、平均粒徑、標(biāo)準(zhǔn)差、偏度、峰度以及質(zhì)量磁化率與黏粒、偏度之間相關(guān)性不顯著。頻率磁化率主要與中值粒徑存在顯著相關(guān)性，質(zhì)量磁化率與粉砂含量存在顯著相關(guān)性。

4 結(jié)論

本文以贛南紅壤剖面土為研究對(duì)象，分別測(cè)定其粒度和磁化率，探究該地區(qū)土壤粒度和磁化率關(guān)系，并討論了其變化特征及其成土原因，研究結(jié)果可為相關(guān)研究提供一定的借鑒。根據(jù)以上分析，初步得出如下主要研究結(jié)論：

(1)紅土剖面的土壤屬于粉砂質(zhì)地，平均粒徑區(qū)間為6.19～7.3(φ)，標(biāo)準(zhǔn)差值基本介于1.45～2.31，分選性差，偏度屬于正偏，說明土壤發(fā)育程度不夠成熟，同時(shí)峰度值為正，峰態(tài)屬于窄峰態(tài)，進(jìn)一步說明粗顆粒占較大比例，土壤發(fā)育不好。

(2)土壤剖面的磁化率總體變化趨勢(shì)是隨深度增加而遞增，其具體變化可經(jīng)分為三段：剖面的表土樣品χlf最小，這可能是與贛南氣候環(huán)境有關(guān)，0～12 cm剖面χlf急劇增大，可能是由于人類活動(dòng)影響導(dǎo)致的，之后χlf呈現(xiàn)明顯增大趨勢(shì)，并在152 cm達(dá)到最大值，152～168 cm呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。

(3)頻率磁化率呈現(xiàn)波動(dòng)起伏狀，但其值變化較小，說明細(xì)顆粒物質(zhì)對(duì)低頻磁化率的影響較小。同時(shí)以湖北砂巖母質(zhì)紅壤磁化率為參考，說明本文中剖面磁化率變化是由砂巖母質(zhì)成分及巖性變化控制，母巖因素在很大程度上制約著其磁化率大小。

(4)在磁化率與粒度參數(shù)相關(guān)性分析中，頻率磁化率與粉砂含量、平均粒徑與峰度均存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，而與黏粒含量、砂粒含量、中值粒徑、標(biāo)準(zhǔn)差和偏度均存正相關(guān)關(guān)系。質(zhì)量磁化率與黏粒含量、粉砂含量、平均粒徑、峰度以及偏度存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，與砂粒含量、中值粒徑和標(biāo)準(zhǔn)差存在正相關(guān)關(guān)系，并與砂粒含量和標(biāo)準(zhǔn)差相關(guān)性顯著。