以诊断层和诊断特性为基础、定量化为特点的土壤系统分类是目前国际土壤分类的主流,我国在这方面从20世纪80年代发展至今已经取得了卓越的成就[1-4]。地理发生分类中的紫色土是中国土壤学家确定的一类由紫色岩发育而成的岩性土,继承了母岩的颜色、颗粒组成、矿物组成、化学成分等明显特征[5],中国土壤系统分类为此拟定了“紫色砂、页岩岩性特征”这一诊断特性,其中对颜色的定义为“色调为2.5RP~10RP”。但从已有研究结果[6-12]来看,能够满足此条件的“紫色土”很少,因此该颜色的限定一直存在争议。就紫色母岩的颜色而言,存在紫、灰紫、红紫(2.5RP~10RP),红、红棕、红橙(2.5R~10R)以及橙(2.5YR~5YR)等诸多色调[13-14],因此以RP色调来定义“紫色”过于狭隘[15-16]。
四川省新、老地层出露齐全,沉积岩出露最广,尤其是集中在四川盆地和川西南山地的侏罗系与白垩系,沙溪庙组地层则居侏罗系面积之首[17]。沙溪庙组地层是指岩性为黄灰、紫灰色长石石英砂岩与紫红、紫灰色泥(页)岩不等厚韵律互层、与下伏新田沟组、千佛岩组及上覆遂宁组整合接触或平行不整合超覆于自流井组之上的地层[18],因沉积时期的区域抬升和古气候变化[19-20],这一地层的岩石及其发育的土壤颜色丰富多样,但能否满足现有的“紫色”定义还有待全面系统的研究。为此,本文依托国家科技基础性工作专项(2014FY110200A12),选取了四川盆地在四川省区域内的沙溪庙组地层岩石发育土壤的典型个体,依据《中国土壤系统分类检索(第三版)》对其进行系统分类研究,确定该地层发育的土壤在中国土壤系统分类中的归属,旨在进一步推动我国对紫色土系统分类的研究,并为紫色土因地制宜的利用和保护提供科学指导。
1 材料与方法 1.1 研究区概况四川盆地处于我国西南部,位于103°~108° E与28°~32° N之间,总面积达16.5×104 km2。盆地四周为大巴山、大娄山、大凉山、大相岭、峨眉山、邛崃山、龙门山等中山和低山所环绕,以海拔1 500~3 000 m的中低山地为主。四川盆地是我国同纬度范围内热量最丰富的地区,属亚热带季风气候,无霜期较长,达230~340 d;气温东高西低,南高北低,盆底高而边缘低,年均气温一般为16 ℃~18 ℃,1月平均气温为4 ℃~8 ℃,7月平均气温为26 ℃~28 ℃,> 10 ℃积温4 000 ℃~6 000 ℃;年降水量1 000~1 300 mm,但年内分配不均,70%~75%的雨量集中于6—10月。四川盆地沉积岩广布,出露地层中以侏罗系面积最大,约占红层面积的78%,其中沙溪庙组又约占侏罗系出露面积的48%[17]。
1.2 土壤调查、样品采集与测试依据四川省第二次土壤普查资料,综合研究区地质、地貌、植被、交通及土壤类型等信息,于2015年5月至2016年8月选定19个典型样点(表 1)进行土壤调查与采样。从表 1可见,典型土壤剖面所处区域海拔介于309~567 m,均位于800 m以下的低山、丘陵区的坡地部位。成土母质根据全国地质资料馆/数字地质资料馆1:25万地质图或沉积建造图和采集的母岩样本确定母岩所属地层,均为中生代侏罗系沙溪庙组沉积岩风化形成的坡积物或残坡积物。典型土壤剖面所处区域年均土温、降水量、蒸散量和干燥度根据四川省160个气象站点的地面气候资料(1951—1980年)通过GIS空间插值方法取得[21-22]。年均土温为17.7 ℃~19.9 ℃,表明供试土壤均为热性土壤温度状况,年均降水量为989.8~1220.8 mm,年均潜在蒸散量为658.6~847.1 mm,年均干燥度为0.5~0.8,但当年12月—次年2月的干燥度为1.05~3.28,结合所处地形,确定典型土壤剖面均为湿润土壤水分状况。土地利用现状以旱地和林地为主,少量草地和果园。
利用手持GPS记录典型剖面的经纬度及海拔信息,按照《野外土壤描述与采样手册》[23]要求挖掘剖面(图 1),拍摄景观和剖面照片,划分土层、记录各层深度范围,自下而上采集各发生层分析样品,同时观察记录其颜色、质地、结构、新生体、岩石碎屑、石灰反应等信息,分析样品及时运回实验室,经风干、去杂、研磨、过不同孔径筛后待用。
土壤颜色室内测定:目测—采用《中国标准土壤色卡》[24]在标准光源箱内肉眼观察描述过2 mm筛土样干、润态颜色;仪器测定—采用日本Konica Minolta产CM600d型分光测色仪定量测定过2 mm筛土样干态颜色[25-26]。土壤理化指标参照《土壤调查实验室分析方法》[27]:pH-H2O/KCl浸提,电位法测定;颗粒组成采用吸管法测定;有机碳(SOC)采用重铬酸钾-硫酸消化法测定;阳离子交换量(CEC7)采用NH4OAc(pH7.0)交换法测定;交换性盐基采用NH4OAc(pH7.0)浸提,原子吸收光谱法(Ca、Mg)和火焰光度法(K、Na)测定;交换性氢、铝采用KCl交换—中和滴定法测定;游离铁采用DCB浸提,电感耦合等离子发射光谱仪(ICP-AES)测定;碳酸钙相当物采用容量滴定法测定;土壤矿物采用X射线衍射法测定。
1.4 数据处理方法统计分析及图表制作采用Microsoft Excel 2016。
2 结果 2.1 土壤剖面形态特征供试土壤主要呈A-(AB)-B-(C)-(R)和A-(AC)-C-R等剖面构型;在矿质土表到125 cm的深度范围内,有18个土壤剖面出现R层(母岩,准石质接触面),其中10个剖面R层出现深度小于50 cm。野外观察表明,土壤多为亚角块状结构体类型,仅剖面51-172、剖面51-175和剖面51-193表层土壤为屑粒状结构体;剖面51-172底层(32~74 cm)虽然黏粒含量较低(93~104 g·kg-1),但其土壤结构近似棱块状,且结构体表面可见明显的黏粒胶膜,表明其为黏化层。剖面51-172和剖面51-177部分土层结构体表面可见不同数量的锈纹锈斑,表明其具备氧化还原特征。51-136、51-138、51-142、51-145、51-156、51-169和51-176等7个剖面土体中均含有一定数量的岩石碎屑,其颜色分别为10RP 5/2、10RP 4/2、10RP 6/2、10RP 5/3、10RP 6/3、5RP 5/1、5RP 4/1,可判断为紫色砂、页岩碎屑,表明这7个剖面均具有紫色砂、页岩岩性特征。51-139、51-156、51-169和51-193全剖面均有轻度石灰反应,51-138全剖面有中度石灰反应,剖面51-175仅中部土层有中度石灰反应,51-136全剖面均有强石灰反应,剖面51-176各土层均具有轻度至强度石灰反应;其余剖面无石灰反应。
颜色是土壤的重要性质,也是反映土壤其他性质的重要指标。供试剖面的母岩/土壤色卡确定的色调(干态)有10RP、10R、2.5YR、5YR、7.5YR和10YR,其中以2.5YR最多;51-144全剖面色调均为5YR,51-136、51-138、51-139、51-142、51-146、51-169、51-175和51-176全剖面色调均为2.5YR,51-193全剖面色调均为10R,这10个剖面色调均为5YR或更红,表明其土体具有铁质特性。统计结果表明,各剖面发生层明度范围为4~7,主要为5和6;彩度范围为2~8,主要为3和4。51-137土壤剖面上部较下部偏黄,近1/2的土壤色调与母岩有异。有7个剖面含紫色砂页岩碎屑,其母岩色调满足“紫色砂、页岩岩性特征”的色调要求“2.5RP~10RP”。利用分光测色仪测定供试剖面发生层土样的Munsell颜色特征(干态)并与目测色调比较,为了便于统计分析,将色调转换为数字,将10R计为-2.5、2.5YR计为2.5类推至2.5Y计为12.5。图 2显示,土壤色调在整个YR至1.4Y之间均有分布,较目测色调偏黄(图 2a);土壤明度范围为3.89~5.53,集中在4~5;彩度范围为1.66~4.61,集中在2~3(图 2b);仪器测得的明度和彩度均较目测偏低。所有母岩经仪器测色,也均显示为YR色调,无RP色调,但目测色调符合“紫色砂、页岩岩性特征”的母岩彩度明显更低。
除剖面51-146的40~83 cm层次外,供试剖面土体中石砾含量均不高(大多数 < 2%),结合石质接触面的深度可以判定剖面51-021和51-171为“石质”土类。各发生层土壤黏粒含量范围为35~327 g·kg-1,平均含量为156.7 g·kg-1,土壤质地包括砂土、壤质砂土、砂质壤土、壤土、黏壤土、粉质壤土等。各发生层pH范围为3.8~8.3,平均为6.26,pH总体较低,有不少土层pH < 5.5,结合盐基饱和度数据及其深度范围,可知剖面51-145具有“酸性”特征。各发生层的有机碳含量介于1.2~23.4 g·kg-1之间,平均含量为6.16 g·kg-1,有机碳主要积累在表层,其中4个剖面表层 < 6 g·kg-1,结合颜色特征可知所有剖面均为淡薄表层。各发生层细土部分DCB浸提游离铁的含量介于5.0~21.2 g·kg-1之间,平均为12.13 g·kg-1,各土层含量均较低,仅剖面51-144的B层中有2个亚层≥ 20 g·kg-1;铁游离度在23.0%~50.5%之间,平均为33.86%,仅有2个剖面≥40%;同时结合土壤色调可知,51-136、51-138、51-139、51-142、51-144、51-146、51-169、51-175、51-176和51-193等10个剖面具有铁质特性。各发生层CaCO3含量介于3~136 g·kg-1之间,平均值为26.43 g·kg-1,差异较大,仅51-136剖面的CaCO3含量超过100 g·kg-1;其中51-136、51-138、51-139、51-156、51-176和51-193等6个剖面从土表至50 cm范围内所有亚层的CaCO3含量均大于10 g·kg-1,结合其石灰反应可知,这些土体均具有石灰性。各发生层的黏粒CEC7含量范围为52.1~252.2 cmol·kg-1,平均含量为117.46 cmol·kg-1,均大于24 cmol·kg-1;KCl浸提Al含量在0.3~81.8 cmol·kg-1黏粒之间,变幅大,平均含量为22.61 cmol·kg-1黏粒,其中5个剖面的KCl浸提Al≥12 cmol·kg-1黏粒;铝饱和度介于0.5%~80.1%,平均为26.87%,总体较低,仅3个剖面的土层铝饱和度≥60%;结合pH及剖面分布情况,表明51-021、51-144、51-146等3个剖面具有铝质特性或铝质现象。各发生层盐基饱和度在18.3%~98.0%,平均为63.96%,仅51-144、51-145和51-146等剖面盐基不饱和,其余剖面为盐基饱和。
2.3 诊断层和诊断特性表 2列出了供试土壤具有的部分诊断层和诊断特性,所有剖面均为淡薄表层,故未列出。由表 2可知,共14个土壤具有雏形层,仅51-172剖面具有黏化层。
根据前述成土条件、剖面形态特征和理化性质分析,供试土壤涉及岩性特征、石质或准石质接触面、土壤水分状况、氧化还原特征、土壤温度状况、铁质特性、铝质特性/铝质现象、石灰性、盐基饱和度等诊断特性。(1)岩性特征:7个剖面符合紫色砂、页岩岩性特征。(2)石质或准石质接触面:4个和14个剖面分别具石质接触面和准石质接触面。(3)土壤水分状况:19个剖面均为湿润土壤水分状况。(4)氧化还原特征:2个剖面具氧化还原特征。(5)土壤温度状况:19个剖面均为热性土壤温度状况。(6)铁质特性:依据土壤基质色调和/或B层细土部分DCB浸提游离铁的含量或游离度,10个剖面具铁质特性。(7)铝质特性/铝质现象:3个剖面具铝质特性或铝质现象。(8)石灰性:6个剖面具石灰性。(9)盐基饱和度:3个剖面盐基不饱和。
2.4 土壤分类与参比根据供试土壤的诊断层和诊断特性,依据《中国土壤系统分类检索(第三版)》,逐级检索、确定供试土壤的高级类别,并与地理发生分类参比。由表 3可知,19个供试土壤分别归属于淋溶土、雏形土和新成土3个土纲的3个亚纲、7个土类和12个亚类;以雏形土为主。
根据《中国土壤》[28],19个供试土壤剖面在地理发生分类中分别归属于铁铝土和初育土2个土纲的4个亚类,以中性紫色土和酸性紫色土最多,各有7个。系统分类的淋溶土与地理发生分类的酸性紫色土相对应,系统分类的雏形土与地理发生分类的紫色土3个亚类以及黄壤相对应,系统分类的新成土仅与地理发生分类的紫色土相对应。具有紫色砂、页岩岩性特征的7个剖面分别被划分为石灰紫色湿润雏形土、石灰紫色正常新成土、普通紫色湿润雏形土3个亚类,它们在地理发生分类中对应石灰性紫色土、中性紫色土和酸性紫色土3个亚类。
3 讨论 3.1 沙溪庙组地层发育土壤类型的多样性结合表 4可知,沙溪庙组地层岩石涉及砂岩、砂泥岩、砂页岩、粉砂岩等多种岩性,以砂岩和粉砂岩为主;其矿物组成复杂,长石等原生矿物较多;出露地表后,岩石中的泥质、硅质、铁质、钙质等胶结成分容易发生溶蚀,这一系列特性使得岩石极易崩解[5],风化成土迅速,因此其发育的土壤相对年轻,土壤的颗粒大小级别和矿物学类别也与母岩基本一致。沙溪庙组地层岩石发育的土壤在地理发生分类中主要为紫色土,涉及其所有亚类;但受成土条件、成土过程影响,发育的土壤类型也有黄壤。本研究中的3个黄壤剖面主要受母岩颜色和颗粒组成等性质和地形影响,土壤发育速度较快,缩短了向地带性土壤——黄壤的演化进程。这3个剖面海拔相对较高,但坡度较缓(5°~20°),侵蚀作用较弱。从表 4中可以看到,剖面51-173、51-177的母岩为灰色砂岩,剖面51-178的母岩为黄色粉砂岩,这类岩石的碳酸钙和其他盐基较少,且透水性好,水分易于下渗淋溶,因而很快完成了脱钙过程,并且已发生强烈的脱盐基酸化,同时伴随脱钙酸化过程,发生脱硅富铝化。
在系统分类中,沙溪庙组地层岩石发育为淋溶土、雏形土和新成土3个土纲的3个亚纲、7个土类和12个亚类。地理发生分类中的紫色土仅依靠pH和碳酸钙含量2个指标续分为3个亚类,而系统分类中高级类别的划分依据包括土壤颜色、新生体、岩性特征、石质接触面、土壤温度和水分状况、有机碳、pH、碳酸钙相当物、石灰性、游离铁、铁游离度、阳离子交换量、交换性铝、铝饱和度、盐基饱和度等形态特征和理化性质。
综上,无论是地理发生分类还是系统分类,沙溪庙组地层发育土壤类型丰富,但相比之下地理发生分类划分依据少,类型较少,而系统分类划分依据涉及指标多,类型更为丰富。
3.2 “紫色砂、页岩岩性特征”的色调条件与鉴定方法 3.2.1 色调限定范围系统分类将地理发生分类的紫色土根据反映紫色母质特性的“紫色砂、页岩岩性特征”划分出紫色湿润雏形土和紫色正常新成土两个土类[13],对细土或 < 4 cm石砾的色调要求十分苛刻,为2.5RP~10RP,近年来关于修订其中色调规定的呼声越来越高。本研究中检出“紫色砂、页岩岩性特征”的剖面仅7个,只占16个紫色土典型剖面中的43.75%,多数紫色土为红棕、橙、黄橙等颜色,达不到该色调要求。通过分析、归纳本研究中的紫色土剖面发生层土壤及其母岩的色调、明度和彩度,并结合近年来国内提出的修订“紫色砂、页岩岩性特征”色调的讨论[12, 14],建议在“紫色砂、页岩岩性特征”原色调定义中增加“或色调为2.5YR~5YR,干态明度为4~6,干态彩度为3~4”条件,则51-021、51-139、51-146和51-175 4个剖面可划分至紫色湿润雏形土中,符合该诊断特征的剖面数量将达到64.71%。之前检出的7个剖面中只有 < 4 cm的石砾符合原“2.5RP~10RP”色调要求,而细土均为YR色调,不符合该要求,若按上述建议则其中4个剖面的细土亦符合要求,这样更符合人们对土壤颜色的认识。
3.2.2 色调鉴别方法《中国土壤系统分类》推荐使用《中国标准土壤色卡》和日本《标准土色贴》测定土壤颜色,但《中国标准土壤色卡》自1989年发行第一版后长达三十年未再重制而难以购买,日本《标准土色贴》虽不断更新重印,但色调信息还有待丰富完善。目视测定主观性较强,受人眼的光谱响应特性、光源、样品表面特性等影响[29],存在无法消除的误差,在实际操作中容易混淆。尤其是在紫色土颜色的判定中,由于R~5YR色调中中等明度和较低彩度的色片与RP色调的色片极其相似,肉眼难以准确分辨,测色结果存在不确定性,这也侧面印证了“紫色砂、页岩岩性特征”色调规定的不合理性。
在追求定量化、标准化、可比较的土壤系统分类中,这种结果模糊的主观测色方式已经不能适应科学技术的飞速发展,应当寻求一种更为客观合理的测色方式。近年来测色技术有了极大的发展,研究人员已经开发出平板扫描仪、数码相机、颜色传感器等多种平价便携式测色仪器[30-32],通过内置光源、选择镜面反射等方法消除误差,能够客观准确地测量土壤颜色。且测色仪器所得数据能在Munsell HV/C、CIE L*a*b*、XYZ等各个表色系统参数间互相转换,在土壤调查制图等实际应用中十分便捷[33-34]。另一方面,色卡限制了土壤颜色的数据量,土壤色卡上的色调数值为2.5的倍数,明度和彩度为1或2的倍数;而仪器测色的色调数值可达到小数点后一位,明度和彩度可达到小数点后两位,相比之下仪器测色明显更精确,因此也有建议使用测色仪辅助色卡比色[25-26]。综上所述,建议《中国土壤系统分类》推荐使用现代测色仪器开展土壤颜色测定。
由图 2可知,色卡目视比色与仪器测色的结果有一定差异,后者结果中无一符合“紫色砂、页岩岩性特征”原色调要求,即使如上所述增加色调范围,也仅有51-139、51-144和51-146等3个剖面符合该诊断特征,且诊断结果与目测并不完全一致。因此,若在系统分类中采用仪器测色,则涉及颜色的诊断特征也应在土壤调查后重新拟定相关颜色范围。
4 结论供试的19个沙溪庙组地层岩石发育的土壤剖面在发生分类中主要归属于紫色土,受母岩性质和地形影响,偶见黄壤;在中国土壤系统分类中被划分为淋溶土、雏形土、新成土3个土纲及下属3个亚纲、7个土类、12个亚类中,其中紫色土共对应了10个亚类。与地理发生分类相比,系统分类更注重紫色土本身多样的性质,划分出的类型更丰富。本研究中仅检出7个符合“紫色砂、页岩岩性特征”的剖面,在分析紫色土剖面样品的颜色后建议在原有色调之外增加“2.5YR~5YR,干态明度为4~6,干态彩度为3~4”色调范围。利用土壤色卡进行目视比色的测色方式误差较大,建议《中国土壤系统分类》推荐使用现代测色仪器开展土壤颜色测定,部分诊断特征的颜色范围也需重新拟定。
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