2018, Vol. 55
有机土壤物质是指经常被水分饱和，具高量有机碳的泥炭、腐泥等物质，或被水分饱和时间很短，具有极高量有机碳的枯枝落叶质物质或草毡状物质[1]。具有机土壤物质特性的土壤在颜色、质地、结构、肥力和元素组成等各方面性状均与其他矿质土壤存在极为明显的区别[2-3]。因此，研究此类土壤在系统分类中的归属对土壤分类理论研究和土壤资源利用管理实践等有着重要的意义。
川西地区位于青藏高原东南缘，地势高亢，气候寒冷，干湿季分明。区内分布有大面积的草原和湿地，这些环境下有机质来源充足而矿化分解缓慢，导致土体中有机物质大量积累[4-7]，形成了丰富的泥炭资源[8]，具有巨大的研究和利用价值[9]。针对川西地区土壤有机质或有机碳的研究较多[10-12]，但这些研究多基于发生学分类。近年我国其他地区的土壤系统分类研究已经取得了较大进展[13-15]，并且对有机土建立了一定数量的土系[16]。但相比而言，川西地区土壤系统分类仍处于起步阶段。高以信和李明森[17]参考了《中国土壤系统分类(首次方案)》和《中国土壤系统分类(修订方案)》对横断山区土壤进行过研究，引入了明确的鉴定指标，但受当时研究条件的限制，命名仍然延续了发生学名称，其分类系统属于发生分类向系统分类的过渡。夏建国等[18]基于第二次土壤普查数据对四川土壤进行过系统分类的初步研究，但土壤普查数据大多难以达到系统分类的要求。何毓蓉等[19]对贡嘎山东坡林地6个土壤剖面进行过系统分类研究，划分为4个新成土和2个雏形土，除表层有2~5 cm枯枝落叶层或苔藓层外，其他土层不具有机土壤物质特性。综上所述，目前针对川西地区尤其是具有机土壤物质特性的土壤的系统分类研究仍极少报道。
基于此，本文选取川西地区6个具有机土壤物质特性的单个土体作为研究对象，根据其景观和剖面形态学特征的描述及土壤理化性质的分析，确定诊断层和诊断特性，进一步确定其在中国土壤系统分类中的归属，以期充实中国土壤系统分类，并为该类土壤合理利用与管理提供科学依据。
1 材料与方法 1.1 研究区概况川西地区是青藏高原东南缘和横断山脉的一部分，属于中国地势第一台阶向第二台阶的过渡地带。地理坐标大致在26°04′~34°20′N，97°22′~103°40′E之间，总面积约30×104 km2，占四川省总面积近2/3。平均海拔在2 800 m以上，是四川省地势最高的地区；地形地貌复杂，以丘状高原、高山峡谷为主；气候类型多样，垂直地带性明显，随海拔升高，依次出现亚热带、暖温带、寒温带、亚寒带、寒带和永冻带气候，但主要为温带气候，大部分地区夏季温凉，冬春寒冷，干湿季分明。植被类型主要受海拔和气候影响，海拔3 400~4 000 m的地区种植业基本绝迹，4 000~4 200 m的地区则为森林分布的上限，整个川西地区以高山草甸和亚高山草甸分布面积最广。区内砂岩、页岩、石灰岩和泥质岩类分布广泛，其残积和坡积风化物是川西地区最主要的成土母质，此外若尔盖、红原等地的沼泽湿地环境，形成了较大面积的湖积物[20]。受复杂的成土环境影响，川西地区土壤类型多样，垂直地带性明显，是研究土壤发生过程和系统分类的重要区域。
1.2 样品采集与气候数据统计依据第二次全国土壤普查资料，综合研究区地形、植被、土壤类型、交通条件等情况，于2015年7—9月选定6个样点(表 1)进行土壤调查与采样。利用手持GPS记录采样点的经纬度及海拔等信息，按照《野外土壤描述与采样规范》[21]要求挖掘土坑、修理剖面、划分土层，记录各层深度范围、颜色、质地、结构、新生体、侵入体、石灰反应和亚铁反应等信息，拍摄景观和剖面照片；自下而上分别采集各土层分析样品和纸盒标本。
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表 1 供试土壤的形成环境 Table 1 Soil forming environments of the soils studied |
原始气候数据源于四川省160个气象站点的地面气候资料(1951—1980年)。年均土温采用回归克里格法预测得到[22]；年均降水量直接由原始数据统计得到；年均潜在蒸散量由FAO推荐的Penman-Monteith公式计算得到[23]。供试土壤的形成环境见表 1。
1.3 指标测定土壤颜色按《中国标准土壤色卡》[24]比色，其余指标按《土壤调查实验室分析方法》[25]和《Kellogg Soil Survey Laboratory Methods Manual》[26]测定。颗粒组成采用吸管法测定，pH采用电位法测定(水提pH以无CO2蒸馏水浸提，土水比1：2.5；盐提pH以0.01mol·L-1CaCl2溶液浸提，土液比1：2[26])，碳酸钙相当物采用容量滴定法测定，阳离子交换量采用乙酸铵(pH 7.0)交换法测定，交换性盐基采用原子吸收光谱(Ca、Mg)和火焰光度计(K、Na)法测定，纤维物质采用对开半注射器体积估测法测定，有机物颜色采用焦磷酸钠浸提比色法测定，有机碳采用重铬酸钾-硫酸消化法测定，土壤矿物采用X射线衍射仪鉴定。
2 结果 2.1 土壤剖面特征由表 2可知，供试土壤干态颜色以黑棕色为主，润态颜色以黑色和黑棕色为主，色调均以10YR为主，干态明度大部分集中在2和3，润态明度绝大部分集中在2，干态彩度集中在2和3，润态彩度集中在1，除少数土层外，各剖面颜色均较深。51-100剖面颜色突变明显，三个土层呈不同颜色。土壤结构为团粒状或亚角块状。51-023剖面的118~150 cm处有中量锈纹锈斑，其形成与地下水位的升降有关。51-052剖面的58 cm以上和51-100剖面的40 cm以上层次有少量锈纹锈斑，且51-052剖面的20~58 cm有多量黏粒胶膜，反映出地表水长期淋溶与季节性滞留的并存。51-023和51-024的全土层均有较强的石灰反应，两个剖面采集地点接近，所含石灰应该均来源于河流冲积母质。51-096和51-100剖面的底层均有中度亚铁反应，说明其底层经历了较强烈的潜育化过程。
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表 2 供试土壤的剖面特征 Table 2 Morphological characteristics of the soil profiles studied |
由表 3可知，供试土壤矿质土层颗粒组成以粉粒为主，质地以粉砂壤土为主。对51-052和51-096剖面上部成土物质均匀的矿质土层计算黏化率，以51-052剖面20~58 cm的黏化率最大，为1.64。
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表 3 供试土壤的物理性质 Table 3 Physical properties of the soils studied |
由表 4可知，51-023全剖面和51-024剖面的150~190 cm土层pH (H2O)＞7，呈中性或偏碱性，其余土层pH (H2O)＜7，呈中性或酸性。51-105剖面pH (H2O)最低，全剖面均在5以下。51-023和51-024剖面全土层均有较高含量的碳酸钙。51-052的0~20 cm和51-096的21 cm以上两层也含有微量的碳酸钙，导致这三个土层的pH (H2O)高于同剖面其他土层而呈中性。供试土壤阳离子交换量(CEC)介于5.60~96.85 cmol·kg-1之间，变化范围大，其中仅有5个土层CEC＜20 cmol·kg-1，说明供试土壤具有良好的保肥供肥能力。盐基饱和度(BS)在各剖面的中性及石灰性土层中＞50%，达到饱和[1]，在酸性土层中则较低，尤其是51-105剖面，盐基饱和度仅在5.77%~15.38 %之间。
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表 4 供试土壤的化学性质 Table 4 Chemical properties of the soils studied |
由表 5可知，供试土壤有机土壤物质的搓后纤维含量介于4%~84%之间。其中10个土层含量小于16.7%(即小于1/6)，9个土层介于16.7%~75%(即1/6~3/4)，4个土层大于75%(即大于3/4)。用饱和焦磷酸钠溶液与有机土壤物质混合制成的泥浆，在白色滤纸上所显颜色以棕色和浊黄橙色为主。供试土壤有机土壤物质的有机碳含量介于117.83~464.79 g·kg-1之间，平均值为278.42 g·kg-1，远高于全国平均水平[27]。按照全国第二次土壤普查养分分级标准，有机碳含量均达到一级标准，可见供试土壤有机土壤物质中有机碳极为丰富。51-023和51-024剖面的有机土壤物质均为高腐有机土壤物质，51-052、51-096和51-100剖面均为半腐有机土壤物质，51-105剖面表层至43 cm深度为半腐有机土壤物质，下部为纤维有机土壤物质。
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表 5 有机土壤物质基本性质 Table 5 Basic properties of the organic soil materials |
(1)有机表层：51-023、51-024和51-105剖面表层常年超过一个月被水分饱和，水藓纤维按体积计小于75%，有机土壤物质为高腐或半腐，厚度分别为27、25和20 cm，黏粒含量少，而有机碳含量高，符合有机表层的泥炭质表层要求。(2)淡薄表层：51-052和51-096剖面表层土壤润态明度均小于3.5，干态明度均小于5.5，润态彩度均小于3.5，有机碳含量均大于6 g·kg-1，盐基饱和度均大于50%，呈粒状结构或亚角块状结构，但表层厚度分别为20、12 cm，均未达到暗沃表层要求的25 cm，应归属于淡薄表层。51-100剖面表层土壤颜色较淡，其润态明度和彩度均大于3.5，干态明度大于5.5，也属于淡薄表层。
2.4.2 诊断表下层黏化层：51-052剖面20~58 cm土层黏化率大于1.2，其上界位于淀积层上界向下30 cm范围内，厚度大于7.5 cm，属于黏化层[28]。
2.4.3 诊断特性(1)有机土壤物质：51-023和51-024剖面的控制层段中，搓后的纤维含量不足1/6，其焦磷酸钠提取液在滤纸上所显颜色的明度和彩度，均处于比色卡5/1的右方和下方范围内，属于高腐有机土壤物质。51-052、51-096和51-100剖面的控制层段及51-105剖面的表层段中，搓后的纤维含量介于1/6~3/4之间，属于半腐有机土壤物质。51-105剖面表下层段和底层段中，搓后的纤维含量超过3/4，属于纤维有机土壤物质。(2)土壤水分状况：结合川西地区历年气候资料，根据Penman经验公式估算出的年干燥度表明，供试土壤所处区域以半干润土壤水分状况为主。但由于51-023、51-024和51-105剖面分别处于河流近岸处、河流阶地和山间湖盆等平坦低洼处，全部或部分土层长期被地下水或毛管水饱和，应属于潮湿土壤水分状况。而51-052、51-096和51-100剖面土表至2 m内具有机土壤物质，使土层在大多数年份有相当长的湿润期，雨季被地表水或上层滞水饱和，土层中出现氧化还原特征或潜育特征，应属于滞水土壤水分状况。(3)土壤温度状况：基于四川省160个气象站点的地面气候资料(1951—1980年)，建立四川省土壤温度空间分布模型[22]。输入供试土壤的经纬度和海拔数据，提取其土壤温度状况。51-023、51-024、51-052、51-096和51-100剖面年平均土温介于0~8℃，但51-052剖面夏季平均土温高于寒性土壤温度状况的标准，所以51-023、51-024、51-096和51-100剖面为寒性土壤温度状况，而51-052为冷性土壤温度状况。51-105剖面年平均土温介于8~15℃，属于温性土壤温度状况。(4)潜育特征：51-096和51-100剖面底层的土壤基质色调分别为7.5YR和10YR，润态明度均为5，润态彩度均为1，湿土土块的新鲜断面遇到邻菲罗啉试剂显红色，符合潜育特征的诊断标准。(5)氧化还原特征：51-023剖面的底层、51-052和51-100剖面的表层分别出现了中量或少量的锈纹锈斑，说明土壤受季节性水分饱和，具有氧化还原特征。
2.5 高级分类单元的划分对于具有机土壤物质特性的土壤，首先要判断其是否属于有机土纲。根据上述诊断层和诊断特性，按照《中国土壤系统分类检索(第三版)》[1]，对供试土壤进行顺序检索，获得其高级分类位置(表 6)。
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表 6 供试土壤的诊断层、诊断特性和亚类命名 Table 6 Diagnostic horizons, diagnostic characteristics and subgroup of the soil profiles studied |
51-024和51-105剖面全土层无火山灰特性，无矿质土层，属于有机土。51-023剖面无火山灰特性，土壤长期被地下水或毛管水饱和，自土表至85 cm范围均为高腐有机土壤物质，属于有机土。51-096剖面无火山灰特性，土壤长期被上层滞水饱和，有84 cm厚的半腐有机土壤物质，其上界位于土表至40 cm范围内，属于有机土。51-100剖面仅有20 cm的半腐有机土壤物质，不足总土层2/3，不属于有机土，而在土表至50 cm范围内有大于等于10 cm土层呈现潜育特征，属于潜育土。51-052剖面土表至58 cm范围内均为矿质土壤，有机土壤物质上界出现位置过深，不属于有机土，而20~58 cm的矿质土层为黏化层，应属于淋溶土。
确定供试土壤的土纲之后，继续检索至亚类。其中51-105剖面控制层段中含有半腐和纤维两种有机土壤物质，但在有机土土类命名时以表层段占优势的半腐有机土壤物质命名。最终划分为6个不同亚类，结果见表 6。
2.6 基层分类单元的划分根据《中国土壤系统分类土族和土系划分标准》[29]，对供试土壤的基层分类单元进行检索，先确定土族鉴别特征(表 7)，再给土族命名，最后根据土系鉴定特征确定土系(表 8)。
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表 7 供试土壤土族控制层段内鉴别特征 Table 7 Identification characteristics of soil families in the control section of the soil profiles studied |
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表 8 供试土壤在系统分类基层分类单元的归属 Table 8 Attribution of the soils studied at the grass-root taxon level of the soil taxonomy |
如表 7所示，在土族划分时，对于矿质土壤要依据控制层段内的颗粒大小级别与替代，矿物学类型，石灰性和酸碱反应类别以及土壤温度等级四项鉴别特征来命名，而有机土因其特殊性，与矿质土壤有一定区别，颗粒大小级别仅用于有机土中的矿底亚类的土族名称，而且矿底亚类的矿质土层的矿物学类别检索与矿质土壤相同，对于形成于湖积物质的有机土，其矿物学类别有粪粒质型、硅藻质型和灰泥质型三种。矿质土壤的石灰性和酸碱反应类别包括铝质、石灰性、酸性和非酸性四类，而有机土的酸碱反应类别只有弱酸性和强酸性两类。
因为6个供试土壤剖面划分为6个不同的土族，所以能够进一步划分为6个不同土系(表 8)。其中51-023和51-024剖面均采集于若尔盖县班佑乡多玛村，考虑到采集先后顺序及区域代表性，将51-023命名为班佑系，51-024命名为多玛系。51-052、51-096和51-100剖面也分别以中心村名称命名为葛卡系、黑斯系和壤口系。51-105剖面靠近乡镇所在地，以乡镇名称命名为书古系。
3 讨论 3.1 土壤发生分类与系统分类的参比关系根据《四川土种志》[30]等资料，认为6个供试土壤剖面在发生分类中应该归属于水成土土纲，矿质水成土、有机水成土2个亚纲，沼泽土、泥炭土2个土类，泥炭沼泽土、低位泥炭土2个亚类(表 9)。与系统分类划分的高级分类单元潜育土和有机土有一定的对应关系。但发生分类更为注重成土条件和推测的成土过程，而不重视土壤本身的属性，容易将同一区域具有近似生物气候条件的土壤均划分为同一类型。系统分类是建立在一系列定量化的诊断层和诊断特征基础上，注重土壤本身的属性，对于同一区域不同土壤类型的划分更为精准。
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表 9 土壤发生分类与系统分类在亚类的参比 Table 9 Reference between the soil genetic classification and the soil taxonomy at the subgroup level |
供试土壤剖面特征和理化性质分析均表明，具有机土壤物质特性的土壤和普通矿质土壤在肥力和物理机械性能等方面均有较大差异，与丁祖德等[31]研究结果一致。但从分类结果来看，除有机土外，其他土纲的系统分类命名并不能很好地反映出有机土壤物质的大量积累。以黏壤质硅质混合型非酸性-斑纹简育冷凉淋溶土(51-052)为例，该剖面58 cm以下均为半腐有机土壤物质，厚度超过110 cm，相比矿质的典型淋溶土有明显的区别[32]，但从其命名中难以看出两者的差异。因此，建议在土族或更高分类单元的命名中适当增加有机土壤物质特性的相关名称。例如，在土族划分标准中针对含有机土壤物质的矿质土壤增加有机土壤物质类型作为鉴别特征。
3.3 土壤系统分类划分要点由于有机土壤与矿质土壤有着显著的差异，所以要确定具有机土壤物质特性的土壤在系统分类中的归属，首先要判断其是否属于有机土纲。对于鉴别有机土纲，土壤水分状况是鉴别的基础；有机土壤物质的厚度，其占总土层厚度的比例以及其上界所处深度是鉴别的主要标准。确定为有机土纲后，根据是否含矿质土层和矿质土层所处深度不同又可以分为三类，即控制层段内无矿质土层，矿质土层位于土表起40 cm内(埋藏亚类)和矿质土层上界位于表下层段内(矿底亚类)。若不满足有机土纲的鉴别条件，则仅根据矿质土层的形态特征及理化性质来进行分类。
从诊断层和诊断特性来看，有机土并不一定具有机表层，如埋藏亚类的有机土(51-096)可以具腐殖质表层。要确定地形、气候条件复杂区域的土壤水分状况，除了分析历年气候资料外，还要结合土壤所处地形部位、周边水文状况和剖面形态特征等因素综合判断。
4 结论川西地区具有机土壤物质特性的土壤地表以草甸植物或沼泽植物为主，生物量大，有机土壤物质来源充足，而且多分布于海拔高且地形平缓的洼地，导致土壤长期处于阴冷潮湿缺氧的环境中，有机土壤物质被微生物分解矿化的速度慢，因此在剖面中大量积累。受有机土壤物质中腐殖酸的影响，土壤剖面的颜色整体偏深，结持疏松，pH多偏酸性，但阳离子交换量高。供试土壤系统分类归属于有机土、潜育土和淋溶土3个土纲，进一步细分为3个亚纲，4个土类和6个亚类，并建立了6个土族和6个土系。根据系统分类结果来看，具有深厚泥炭质有机土壤物质特性的土壤并不全是有机土，也可能是潜育土或淋溶土。根据系统分类与发生分类的参比结果，系统分类相比发生分类能够更准确地区分同一区域具有近似生物气候条件的土壤类型。
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