浙江大学学报(农业与生命科学版), 2019, 45(1): 54-65 doi: 10.3785/j.issn.1008-9209.2018.03.281

资源利用与环境保护

中国南方碳酸盐岩发育土壤的成土特点与系统分类

章明奎,,, 姚玉才, 邱志腾, 毛霞丽, 杨良觎

1. 浙江大学环境与资源学院,杭州 310058

Pedogenetic characteristics and taxonomic classification of soils developed from carbonate rocks in the south of China

ZHANG Mingkui,,, YAO Yucai, QIU Zhiteng, MAO Xiali, YANG Liangyu

1. College of Environmental and Resource Sciences, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China

收稿日期: 2018-03-28   接受日期: 2018-04-16   网络出版日期: 2019-03-27

基金资助: 国家自然科学基金.  41571207
国家科技基础性工作专项.  2008FY110600,2014FY110200

Received: 2018-03-28   Accepted: 2018-04-16   Online: 2019-03-27

作者简介 About authors

章明奎(https://orcid.org/0000-0002-6563-0949) , E-mail:mkzhang@zju.edu.cn

摘要

中国南方是世界上碳酸盐岩分布面积最集中的区域之一,对这一类特殊地质体上发育土壤的性状、分类及开发利用的研究一直受到人们的重视,但至今对这些土壤的成土特点、理化性状的空间分布规律及土壤类型的定量划分仍存在不足。本文对贵州、广西、云南、浙江、江西、福建等省(自治区)的代表性碳酸盐岩发育土壤进行了调查、采样分析,对其成土特点和分类进行了探讨。结果表明:碳酸盐岩发育土壤在空间上具较大的异质性,其土体厚度、风化程度、理化性质和土壤类型可在较小空间内发生较大的变化。土体厚度和土壤质地主要受碳酸盐岩产状、岩性与分布区地貌等的影响;岩性、岩溶地貌和气候条件也制约着土壤发育程度及剖面构型,并影响着土壤类型的分化。碳酸盐岩发育土壤的颜色主要与其氧化铁的含量、形态和有机质积累有关,并受土壤湿度和地形等的控制,颜色可在一定程度上反映土壤风化的差异。研究认为,碳酸盐岩上深厚黑色土体的形成与低凹地形有关,是长期反复接受周围岩石的风化物质或周围土壤的表土物质堆积的结果。第2次土壤普查对碳酸盐岩发育土壤的划分过于简单,难以全面反映土壤类型之间的差别。根据中国土壤系统分类的诊断标准,可把中国南方碳酸盐岩发育土壤划分为富铁土、均腐土、淋溶土、雏形土和新成土等5个土纲,下分8个亚纲、15个土类和25个亚类。

关键词: 碳酸盐岩 ; 有机质积累 ; 颜色 ; 土壤发育 ; 诊断分类

Abstract

South China is one of the most concentrated areas of carbonate rock distribution in the world. The researches on the characteristics, classification and utilization of the soil developed on this special geological body have been paid much attention by scientists. But to date, knowledge about the characteristics, the spatial distribution of physical and chemical properties and quantitative classification of the soils are still insufficient. In this paper, the representative soils developed from carbonate rocks in Guizhou, Guangxi, Yunnan, Zhejiang, Jiangxi and Fujian provinces (municipality) were investigated and characterized, and their pedogenetic characteristics and classification were discussed. The results showed that there were great spatial heterogeneities in properties and types of the soils developed from carbonate rocks, and the thickness, weathering degree, physical and chemical properties and soil types could be changed greatly in a small space. The soil thickness and texture were mainly influenced by the formation and lithology of carbonate rocks, and geomorphology. The lithology, Karst geomorphology and climatic conditions simultaneously restricted the degree of soil development and the configuration of soil profiles, and thus affected the differentiation of soil types. The color of the soils developed in carbonate rocks was mainly related to the content, minerals of iron oxide and organic matter accumulation, and affected by soil moisture and topographic conditions. Color could reflect the difference of soil weathering to a certain extent. It was suggested that formation of black soil with high accumulation of organic matter from the carbonate rocks was associated with low-lying terrain, and it was the result of the repeated accumulation of the surface material of the weathered material of the surrounding rock or the surrounding soil for a long time. Soil genetic classification for the second national soil survey was too simple to divide the soils developed from carbonate rocks, and it was difficult to fully reflect the difference among soil types. According to the diagnostic criteria of the Chinese soil taxonomic classification, soils developed from carbonate rocks in the south of China could be divided into five soil orders, i.e., Ferrosols, Isohumosols, Argosols, Cambosols, and Primosols, and was further divided into eight suborders, 15 soil types and 25 subtypes.

Keywords: carbonate rocks ; accumulation of organic matter ; color ; soil development ; diagnostic classification

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本文引用格式

章明奎, 姚玉才, 邱志腾, 毛霞丽, 杨良觎. 中国南方碳酸盐岩发育土壤的成土特点与系统分类. 浙江大学学报(农业与生命科学版)[J]. 2019, 45(1): 54-65 doi:10.3785/j.issn.1008-9209.2018.03.281

ZHANG Mingkui, YAO Yucai, QIU Zhiteng, MAO Xiali, YANG Liangyu. Pedogenetic characteristics and taxonomic classification of soils developed from carbonate rocks in the south of China. Journal of Zhejiang University (Agriculture and Life Sciences)[J]. 2019, 45(1): 54-65 doi:10.3785/j.issn.1008-9209.2018.03.281

中国南方广西、贵州和云南等省(自治区)境内分布着大面积的碳酸盐岩山地丘陵,是世界上分布面积最大的喀斯特区之一。在四川、湖北、湖南、江西、浙江、安徽、广东、福建等省也分布着一定面积的碳酸盐岩山地丘陵[1]。以上各省(自治区)的碳酸盐岩主要由以方解石、文石为主的石灰岩和以白云石为主的白云岩组成,也包括泥灰岩、白云质灰岩、灰质白云岩、硅质灰岩、泥质白云岩等。由于碳酸盐岩主要成分为碳酸盐,其风化发育的土壤有别于当地的地带性土壤[2],随着岩溶的发育,酸不溶物的残积,植物残落物的积累和腐殖化,便逐渐形成了富含碳酸盐的土壤。在以往的土壤分类中,曾将其归为隐域土纲、初育土纲[1,3],在我国第2次土壤普查中将其定名为石灰土(土类)[1]。自20世纪30年代以来,我国土壤工作者对该类土壤的性状、分布等做过较为广泛的调查[4,5,6,7,8],一般认为碳酸盐岩成土形成作用主要以化学风化为主,在湿润气候作用下其中的碳酸盐不断遭受淋失,最后成为土壤的物质来自碳酸盐岩中的杂质,因此,该类土壤形成需要漫长的时间。在纯度较高的碳酸盐岩上形成1 cm的土壤需要溶蚀627 cm厚的碳酸盐岩,需要的时间长达1.3万~3.2万年[3]。另外,碳酸盐岩发育的土壤中含有较高的钙,其对腐殖质有较好的保护作用[9,10,11],所以在植被良好的条件下碳酸盐岩发育的土壤有机质含量较高,并含有较高的水稳定性团聚体[12]。由于碳酸盐岩成土慢、形成的地貌坡度大、水土涵养能力和抗御自然灾害能力弱,不当开发易造成严重的水土流失,发生石漠化,因此,有关碳酸盐岩分布地区的生态环境问题也引起了人们广泛的关注[13,14,15,16]。中国南方地区碳酸盐岩分布广泛,各地区碳酸盐岩的成分组成变化大,水热条件差异大,因此,它们的成土特点、风化程度、土壤属性都可发生较大的变异,但至今对这一地区碳酸盐岩发育土壤的发生与分类及空间变异性的研究较少[17,18]。另外,把物质组成如此复杂的成土母质及分布环境多变的成土条件发育的土壤全都纳入石灰土一个土类是否合适也值得推敲。为此,本文在贵州、广西、云南、浙江、江西、福建等省(自治区)调查了碳酸盐岩发育土壤,对中国南方碳酸盐岩发育土壤的成土特点进行了分析,从土壤系统分类的角度探讨了其分类问题。

1 材料与方法

1.1 调查方法

采用路线调查与典型剖面采样分析相结合的方式进行调查研究。共调查了123个点位的碳酸盐岩发育土壤(贵州49个、广西22个、云南19个、浙江21个、江西7个、福建5个),其中采集了63个典型剖面的分层土样用于室内鉴定。田间调查内容主要包括土体厚度、发生层次、颜色、结构等形态特征及其与区位、海拔、坡度、植被、土地利用方式及周围小环境的关系。田间调查、剖面观察与描述、分层土样的采集及土壤形态观察均按中国土壤系统分类研究的相关要求进行[19]。喀斯特地区代表性景观与代表性土壤剖面分别见图1和图2

图1

图1   我国南方代表性喀斯特景观

Fig. 1   Representative Karst landscapes in the south of China


图2

图2   我国南方碳酸盐岩发育的代表性土壤剖面

Fig. 2   Representative soil profiles developed from carbonate rocks in the south of China


1.2 分析方法

采集的分层土样经风干处理、充分混匀后磨细过2 mm土筛,部分土壤进一步研磨过0.125 mm土筛。分析内容包括土壤颗粒组成、pH、阳离子交换量(cation exchange capacity, CEC)、有机质、全钾、全钠、全钙、全镁、全磷、氧化铁形态、黏粒硅铝率、黏土矿物类型,用标准方法测定[20]。其中:颗粒组成采用比重计法测定,pH用电位法测定,CEC用醋酸铵(pH 7)交换法测定,有机质用重铬酸钾-硫酸氧化法测定;全钾、全钠、全钙、全镁、全磷和全铁采用X射线荧光分析(XRF)法测定;游离氧化铁和无定形氧化铁分别采用连二亚硫酸钠还原法(DCB法)和草酸-草酸铵缓冲液提取,邻啡罗啉比色法测定铁;土壤黏粒(<2 µm)用沉降法提取,黏粒中硅、铝用碳酸钠碱熔法熔融,电感耦合等离子体光谱仪(ICP法)测定硅和铝;黏土矿物类型采用镁甘油饱和定向片及钾饱和定向片-X射线衍射法(XRD法)鉴定。黏粒经氢氧化钠处理浓集氧化铁后采用粉晶法鉴定氧化铁类型[21]。测定数据按石灰岩土类型在Microsoft Excel 2007和SPSS 20.0软件中进行统计分析,用最小显著差异法(LSD法)进行差异显著性检验。

2 碳酸盐岩发育土壤的成土特点

2.1 剖面发育特征及其影响因素

野外调查表明,中国南方地区碳酸盐岩发育土壤土体厚度(指母质层以上的土壤厚度)有很大的变化,大致为10~350 cm,多数为30~60 cm。与其他成土母质发育的土壤不同,碳酸盐岩发育土壤土体厚度具较大的空间变异性,可在近距离内发生突变,特别是在溶岩峰丛密布的区域。这类土壤剖面的土体构型主要有Ah-D(Ah为腐殖质层,D为基岩)、Ah-C(C为母质层)、Ah-Bw(或Bt)-D(Bw为风化层,Bt为黏化层)和Ah-Bw(或Bt)-C等类型。

不同的碳酸盐岩因其产状和岩性的不同,其上形成的土体厚度、性质及分布特征有明显的差异,它们的母质大致可分为以下几种情况:一是残积型风化壳,多出现在岩丘、锥峰和溶洼、溶丘上,根据组分差异可进一步划分为岩间型和连续型2种情况,前者常含砾石块,无明显的半风化过渡层,后者有半风化母质层段;二是坡积型风化壳,主要出现在锥峰坡麓、谷坡、盲谷,因受后续性新近坡积物的影响,这类风化壳的颗粒常呈现上粗下细或多层性特征;三是异源型风化壳,由多元风化物混杂组成,多出现在深度发育的溶盆、槽谷的山口、地下河溢口及塌陷堆积坡地上,具有层积重叠特征;四是淋溶型风化壳,各种地形部位都有出现,风化壳较厚,存在碳酸盐淋溶和黏粒下移与淀积现象。在这些母质中,出现在岩丘、锥峰、溶丘上的残积型风化壳形成的土壤土体浅薄,厚度多在30 cm以下;出现在峰间溶洼位置的残积型风化壳、异源型风化壳及地面平缓区域的淋溶型风化壳发育土壤土体较厚,其厚度多为40~70 cm;而坡积型风化壳发育的土壤土体较为深厚,厚度多为50~125 cm,特别是位于平缓丘陵、山坡坡麓及大型峰丛洼地地带的坡积型风化壳发育的土壤,有时土体厚度可高达200 cm以上。

碳酸盐岩岩性对土体厚度的影响也较大,纯质石灰岩中含镁和酸不溶物很少,风化残留物少,其上形成的土壤土体浅薄,且呈现不连续分布,石芽与土壤相间。白云岩、白云质灰岩等岩石中酸不溶物相对含量稍高,风化残留物较多,土被连续性较强,局部区块有厚度较大的土层。硅质、泥质的碳酸盐岩的酸不溶物含量较高,形成的土壤土体较厚,其上也易发育成剖面层次较为完整的土壤。夹杂有页岩、泥岩、砂岩等与灰岩互层的成土母质,其酸不溶物含量可高达30%及以上,其形成的土壤较深厚,土壤剖面中有时可见土石相间排列的特征。

另外,坡度对碳酸盐岩发育土壤的土体厚度也有较大的影响,在云贵高原地壳抬升明显的地区,因抬升强烈,地表坡度较大,其上形成的土壤非常浅薄;相反,在地表稳定及地形较为平缓的地区,常常可形成深厚的土壤,例如,云贵高原不同海拔高度的高原面上,常常保留土体深厚的碳酸盐岩发育土壤,它们的土体厚度及发育程度常常要大于低海拔地区的土壤。人为开发利用后,因水土流失碳酸盐岩发育土壤的厚度均有下降的趋势。除因土地平整堆积形成的农地外,农地土壤的土体厚度一般小于林地土壤。

土体构型常常与土体厚度有关,形成于岩丘、锥峰和溶洼、溶丘上的碳酸盐岩发育土壤及地表不稳定、坡度较大区域的碳酸盐岩发育土壤,其剖面构型主要为Ah-D、Ah-C,常缺失明显的Bw层;而坡积型风化壳发育的土壤剖面构型主要为Ah-Bw(或Bt)-D、Ah-Bw(或Bt)-C。其中,纯质石灰岩发育的土壤剖面构型多为Ah-D和Ah-Bw(或Bt)-D,土体与岩石交接面清楚;而白云岩、白云质灰岩、泥灰岩及与砂页岩互层灰岩发育的土壤,在土体与岩石之间常常有明显的C层。

一般认为,碳酸盐岩主要通过化学风化逐渐演变为土壤,即碳酸盐与二氧化碳、水作用,形成溶解度较高的重碳酸盐,后者易随水淋失,逐渐产生土壤物质,并随时间土层逐渐加厚。有人把碳酸盐岩成土发育阶段归纳为初始期、幼年期、发育期和成熟期,其相应的土体构型依次为AD-D、A-D、A-AB-D、A-B-D[21]。按照这一成土观点,碳酸盐岩上土壤的形成与其他岩石一样,也是由上至下逐渐风化加厚的,即先形成A层,再形成B层。但在野外调查发现,真正以风化残积方式形成的这类土壤多分布在山丘基岩凹面上,土层很浅薄;而剖面较为完整、土体深厚的土壤(A-B-D)多处于坡麓和槽谷洼地中,它们是多次堆积形成的,由此推测深厚碳酸盐岩发育的土壤一般是经历多次侵蚀-堆积循环逐渐加厚的,从物质的成土时间来看,是先形成B层物质,后形成A层物质,这与其他岩石发育的土壤有所差别。这可很好地解释为什么深厚碳酸盐岩发育的土壤只分布在山丘坡麓、槽谷及基岩裂缝中。野外观察也表明,由于碳酸盐岩发育土壤土质较黏(见下文),限制了水分向下移动,因此随着土层的加厚,下伏碳酸盐岩风化、脱钙逐渐受到限制,这也表明在碳酸盐岩地区以残留方式土壤向深层推进常常是较为困难的。

2.2 土壤质地、黏化作用及其影响因素

室内分析表明,中国南方地区碳酸盐岩发育土壤质地有较大的变化,主要属黏土类和黏壤土类,包括黏土、粉砂质黏土、黏壤土、粉砂质黏壤土。土壤黏粒质量分数为200~700 g/kg,多数土壤的黏粒质量分数为350~450 g/kg。不同土壤间的对比发现,碳酸盐岩发育土壤的质地主要受母质岩性影响,受土壤发育强度的影响相对较小。纯度较高的石灰岩发育的土壤质地多为黏土,其黏粒质量分数多为400~700 g/kg;白云岩、灰质白云岩和白云质灰岩发育的土壤质地多为黏土和黏壤土,其黏粒质量分数多为300~550 g/kg;泥灰岩、硅质灰岩和泥质白云岩等发育的土壤质地可在粉砂质黏土、黏壤土、粉砂质黏壤土间变化,其黏粒质量分数一般为250~450 g/kg;而碳酸盐岩与砂岩互层母质发育的土壤质地多为黏壤土和粉砂质黏壤土,其黏粒质量分数一般为200~350 g/kg。土壤风化对碳酸盐岩发育土壤质地的影响主要体现在海拔与纬度上,随海拔增加土壤黏粒含量呈现下降的趋势,并随分布区纬度下降土壤黏粒含量增加。

调查也表明,在地形较为稳定的丘陵和山地上,部分剖面发育较为完整的土壤中普遍存在质地的明显分异,形成可识别的黏化层(Bt),这些黏化层的形成有残积黏化,也有淀积黏化,后者黏化层有明显的泉华状光性定向黏粒,结构面上胶膜明显,这显然与中国南方地区降水较为丰富有关。

2.3 土壤风化程度及其变化规律

分析结果表明,因区域、海拔等的差异,研究区碳酸盐岩发育土壤脱钙及风化程度有较大的变化。对被调查的6省(自治区)碳酸盐岩发育土壤的碳酸钙进行测定,其质量分数为0.00~122.45 g/kg,平均为12.72 g/kg;土壤 pH为5.43~8.54,平均值为6.75;CEC为9.78~53.47 cmol/kg,平均值为25.21 cmol/kg;土壤含全铁11.44~153.67 g/kg,平均为65.26g/kg;氧化铁游离度为12.66%~63.47%,平均值为36.12%;风化淋溶系数为0.32~0.97,平均值为0.49;黏粒硅铝率为2.24%~4.07%,平均值为2.86%。不同土壤之间的黏粒矿物有一定的变化,但主要是伊利石、蛭石、蒙脱石等2∶1型矿物,多数土壤高岭石含量较低。与同一区域的地带性土壤比较,除土壤全铁外,其他指标均显示出该类土壤的弱风化特征,它们的富铁铝化程度多处在弱至中等之间。

调查表明,碳酸盐岩发育土壤的颜色差异可在一定程度上反映土壤风化发育的差异。表1为按土壤颜色统计的各类土壤发育度指标。从总体上看,红色土壤的风化程度最高,其次为棕色和黄色土壤,而黑色与白色土壤的风化程度最低。这一规律与土壤成土环境存在一定的关系,红色土壤主要分布在气温较高的低海拔地区,因成土母质多为坡积物,成土环境相对稳定,有利于风化作用的持续进行,因此风化度较高;棕色和黄色土壤分布的地区海拔较高,气温相对较低,因此它们的风化强度相对较弱;黑色和白色土壤因受周围石灰岩露头的影响,不利于土壤脱钙的进行,且白色土壤受侵蚀的影响,它们的风化程度均较弱。因此,碳酸盐岩发育土壤具有由白色、黑色土壤向黄色、棕色至红色土壤方向演变的趋势。

表1   不同颜色的碳酸盐岩发育土壤成土环境与发生学性状的差异

Table 1   Differences in soil forming environment and genetic properties in carbonate rocks-developed soils with different colors

项目

Item

红色土壤

Red soil

n=12)

棕色土壤

Brown soil

n=18)

黄色土壤

Yellow soil

n=17)

黑色土壤

Black soil

n=13)

白色土壤

White soil

n=3)

分布

Distribution

福建、浙江、江西、

云南、广西、贵州

贵州、浙江、广西、

云南、江西、福建

贵州、广西、云南 贵州、广西、浙江 江西、贵州

主要成土母质

Main soil parent

materials

各类碳酸盐岩 各类碳酸盐岩 各类碳酸盐岩 石灰岩、碳质灰岩、白云岩

(低铁)泥质灰岩、

钙质页岩、硅质灰岩

土壤水分状况

Soil moisture regime

湿润,干湿交替明显 湿润 常湿润 常湿润或湿润 湿润

地形

Relief

坡麓、低丘 高丘、低山 低山 丘陵或山地 丘陵坡顶、中坡

植被

Vegetation

次生植被,

覆盖度较低

次生植被,覆盖度中等

次生或原生植被,

覆盖度高

阔叶林或灌草地 裸地或荒草地

剖面构型

Profile pattern

Ah-Bw(Bt)-D,

Ah-Bw(Bt)-C

Ah-Bw(Bt)-D,

Ah-Bw(Bt)-C

Ah-Bw(Bt)-D,

Ah-Bw(Bt)-C

Ah-D, Ah-C Ah-C, Ah-(B)-C

物质垂直迁移

Vertical migration

of materials

有时有 有时有 有时有

黏粒矿物

Clay minerals

高岭石、蛭石、伊利石 蛭石、高岭石、伊利石

伊利石、蛭石、

蒙脱石、高岭石

伊利石、蛭石、

蒙脱石

伊利石、蛭石为主,

少量蒙脱石、高岭石

土体厚度

Soil thickness/cm1)

68±29a2) 54±21ab 51±23ab 38±21b 18±9c

w(黏粒)

Clay content/(g/kg)

425±113a 372±107ab 339±98ab 268±132b 371±118ab
pH 6.13±0.32c 6.64±0.34b 6.66±0.31b 7.42±0.48a 7.48±0.39a

w(CaCO3

CaCO3content/(g/kg)

0.35±0.14d 10.23±5.14c 8.54±2.28c 21.54±17.66b 62.54±24.14a
CEC/(cmol/kg) 19.87±5.68b 24.56±8.74ab 23.47±6.58ab 32.54±10.24a 28.65±8.47ab

w(全铁)

Total Fe content/(g/kg)

82.58±11.65a 71.48±8.56ab 62.58±7.45b 56.21±6.66b 13.14±3.54c

氧化铁游离度

Free degree of iron

oxide/%

47.56±12.56a 41.23±8.65ab 37.65±6.52ab 21.45±5.24b 14.56±4.23c

氧化铁活化度

Action degree of iron

oxide/(g/kg)

12.56±5.41b 15.47±4.89b 23.54±8.33a 26.98±5.47a 29.65±8.65a

风化淋溶系数

Weathering and

leaching coefficient

0.37±0.08b 0.45±0.06b 0.43±0.07b 0.68±0.11a 0.74±0.13a

黏粒硅铝率

Ratio of silicon to

aluminum in clay/%

2.49±0.24b 2.68±0.28b 2.89±0.33ab 3.28±0.24a 3.38±0.37a

注:1)表中数据为所有土体部分分析结果的统计值。2)同行数据后不同小写字母表示在P<0.05水平差异有统计学意义。

1) The data in the table are statistical values of all soil horizon. 2) The data in the same row followed by different lowercase letters indicate the significant difference at the 0.05 probability level.

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2.4 土壤颜色的变化及其与成土环境的关系

2.3节所示,调查区内碳酸盐岩发育土壤的颜色大致可分为红色、棕色、黄色、黑色和白色等5种[1,22]。其中:红色土壤的色调主要为2.5YR和5YR,它们的色值为3~6,彩度为4~8。棕色土壤的色调主要为7.5YR,少数为5YR,它们的色值为3~6,彩度为2~8。黄色土壤的色调主要为10YR,少数为7.5YR,它们的色值为6~8,彩度为3~8。黑色土壤的色调主要为10YR,少数为7.5YR,它们的色值在5以下,彩度在3以下。白色土壤的色调主要为10YR,少数为7.5YR,它们的色值为6~8,彩度在3以下。

通过从研究土壤中提取黏粒,采用氢氧化钠处理黏粒以去除部分层状铝硅酸盐矿物浓集黏粒中氧化铁,采用XRD粉晶法对黏粒中氧化物进行鉴定,并根据相应的衍射峰强度结合黏粒游离氧化铁含量定量分析各类氧化铁的相对含量。鉴定结果(表2)表明:赤铁矿(Hm)只出现在红色和棕红色二类土壤中,针铁矿(Gt)在红色、棕色、黄色和黑色土壤中都有出现,但强度在黑色土壤中明显低于红色、棕色、黄色土壤中的;白色土壤因含铁量很低,没有鉴定出晶态氧化铁。红色土壤含有相对较高的赤铁矿,其赤铁矿化系数[Hm/(Hm+Gt)]也明显高于棕色土壤。表2中结果还表明,黑色石灰土中有机质含量明显高于其他土壤。可见,以上各类碳酸盐岩发育土壤的颜色差异主要与其氧化铁矿物类别及有机质含量有关。红色土壤因含有大量赤铁矿,土壤呈红色;棕色土壤因同时含有赤铁矿和针铁矿,但其赤铁矿含量相对较低,因此红化程度较低,呈棕色;黄色石灰土因只含有针铁矿,且有机质含量较低,土壤呈黄色;黑色石灰土因针铁矿含量较低,但有机质含量较高,因此被染为黑色;而白色石灰土因同时缺乏含铁矿物和有机质,土壤呈现较浅的白色。

表2   不同颜色的碳酸盐岩发育土壤的氧化铁和有机质的差异

Table 2   Differences in iron oxide and organic matter in carbonate rocks-developed soils with different colors

参量

Parameter

红色土壤

Red soil

棕色土壤

Brown soil

黄色土壤

Yellow soil

黑色土壤

Black soil

白色土壤

White soil

w(表土有机质)

Organic matter content in surface soil/(g/kg)

24.45±10.2c 40.67±18.76b 34.54±12.56bc 107.43±45.34a 13.67±7.68d

氧化铁矿物类别

Iron oxide minerals

针铁矿(Gt)、赤铁矿(Hm) 针铁矿、赤铁矿 针铁矿 少量针铁矿 无定形铁
Hm/(Hm+Gt) 0.38±0.14a 0.28±0.08a 0b 0b

注:同行数据后不同小写字母表示在P<0.05水平差异有统计学意义。

The data in the same row followed by different lowercase letters indicate the significant difference at the 0.05 probability level.

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以上这些土壤呈色的差异与它们的成土环境有关(表1)。红色石灰土多出现在低海拔的低丘缓坡地及岩溶平原上,地势较为平坦、开阔,由于分布区气温较高并存在着干湿交替的土壤水分条件,有利于氧化铁脱水形成赤铁矿,因此土壤红色明显。棕色石灰土广泛分布在峰丛、峰林及岩溶丘的坡面上,海拔跨度300~1 500 m,因分布区气温相对较低,影响了土壤的脱水,因此其红化程度相对较弱。黄色土壤分布在贵州、云南和广西等省(自治区)海拔600~1 500 m的地方,所处地土壤水分条件为常湿润(表1),不利于土壤脱水和赤铁矿的形成,土壤呈现黄色。黑色土壤广泛但零星地分布于岩溶丘陵顶部、基岩裂隙中或坡麓地带,有利于有机质的积累,故多呈深黑色。白色土壤仅零星出现在江西和贵州等地,其形成于低铁碳酸盐岩母质上(表1)且坡度较大,水土流失明显,故土壤显现浅色。

2.5 土壤有机质含量及积累方式

对土壤有机质的分析表明,碳酸盐岩发育土壤表土含有机质15.26~177.46 g/kg,平均值为49.42 g/kg,有机质积累水平较高。一般认为,该类土壤有机质的积累与腐殖质与钙的凝聚作用、不易矿化有关[3]。碳酸盐岩发育土壤有机质垂直分布大致有突变与缓变2种情况。其中:红色、棕色、黄色和白色土壤中有机质具明显的表聚特征,这些土壤的表土有机质明显高于下层土壤,向下突然下降;而黑色土壤剖面中有机质从上至下变化较缓,全剖面均具有较高的有机质积累,呈黝黑色。土壤剖面中有机质的表聚是土壤发育的正常现象,它是植物以枯枝落叶及死亡根系形式长期提供给土壤有机物质的结果,由于进入土壤的有机物质主要来自地表且提供数量有限,因此正常土壤的有机质主要集中在表土,向下显著地下降。有关黑色土壤剖面中有机质剖面的缓变特征(不同于其他碳酸盐岩土壤),目前一般认为是由该类土壤上植被覆盖良好、有机质富集能力强所导致的[3,23]。但本次调查发现,仅仅以植被覆盖良好、有机质富集能力强很难解释碳酸盐岩发育土壤有机质分布上的差异性。这是因为:1)在许多区域黑色土壤与棕色土壤常常呈复区分布,二者的植被覆盖很接近,有时棕色土壤上的生物量甚至要超过黑土土壤,因此从外部提供土壤有机物质的角度分析,黑色土壤并没有优势;2)部分地区黑色土壤剖面中有机质含量并不总是随深度增加而逐渐下降,有时甚至是中、下部某些层次的有机质含量超过了表层,这也很难解释有机物质以地表进入方式积累土壤有机质的特点;3)调查还表明,部分黑色土壤剖面底部或不同深度常可见颜色呈棕色或黄色的土壤,在不同颜色的土层间有机质含量可发生突变,这也很难用一般的土壤有机质积累模式进行解释;4)在某些特殊的情况下,黑色土壤物质甚至可出现在一些植物根系无法涉及的岩石裂隙及洞穴中,甚至出现在地表坡度较大的岩间凹地中。调查发现,黑色土壤在分布上具有特殊性,明显不同于其他碳酸盐岩土壤,几乎全出现在坡麓、峰丛凹地、露岩裂隙间,地形呈现明显的低洼特点,具有能时常接受周围风化或侵蚀物质的特征,且在空间上黑色土壤斑块面积很小,小的有数平方米,大的也不超过数公顷。

基于以上特征,认为黑色土壤是长期反复、持续接受周围岩石的风化物质或周围土壤的表土物质缓慢堆积并加厚的结果。因为这类土壤分布区植被较好,在堆积过程中也持续接受了大量的枯枝落叶,而这些落在土表的有机物质又被后期的岩石的风化物质或土壤物质所覆盖。由于来源于碳酸盐岩石地区的岩石风化物或土壤物质富钙,对腐殖化产生的腐殖质起到了保护作用,使有机质长期积累在不同深度的土层中。同时,由于黑色土壤在形成过程中不断接受新的岩石风化物,因此其风化程度明显低于其他碳酸盐岩发育的土壤。黑色土层的厚度取决于反复接受周围岩石的风化物质或周围土壤的表土物质的持续时间和强度,时间越长、来源于周围表土物质越充沛,黑色土层越厚,但若地形不利保存黑色土壤物质或形成时间较短,其黑色土层就较薄。若在某一时期,周围(上方)土壤发生严重水土流失(有一些非表土物质进入)或在形成过程中有机物质数量进入较少时,在黑色土壤中就可出现呈棕色或黄色的土层。正是由于黑色土壤是反复堆积形成的,因此即使在厚度较大的黑色土壤中也少见物质的垂直迁移淀积现象。

3 土壤的系统分类

3.1 出现的诊断层和诊断特性

调查表明,中国南方碳酸盐岩分布区的土壤温度状况主要有热性(16~23 ℃)和温性(8~16 ℃)2种,少数情况出现高热(>23 ℃),后者出现在广西、云南等地。土壤水分状况主要为湿润和常湿润,常湿润主要出现在贵州和广西等植被较好的高海拔区域。由于成土母质为碳酸盐岩,因此绝大部分碳酸盐岩发育的土壤具有碳酸盐岩岩性特征,但也有一些土体厚度超过125 cm,由于风化较强,土壤已基本脱离碳酸盐的影响,不具有碳酸盐岩岩性特征。其中的黑色土壤由于腐殖质分布深厚,若土体厚度超过50 cm,常常能满足均腐特性的要求。部分林地土壤因存在腐殖质的淋溶淀积或重力积累,心土中存在腐殖质淀积胶膜,具腐殖质特性。由于成土母质富含碳酸盐,大部分碳酸盐岩发育的土壤盐基饱和(大于50%),具石灰性反应;但少数风化较为强烈的土壤(主要为上文中的红色土壤)也可出现铁质特性、铝质特性(包括铝质现象)和盐基不饱和现象,但本次调查没发现能达到富铝特性的土壤。

调查表明,中国南方碳酸盐岩发育土壤虽然有机质积累较明显,但均没有达到有机表层的诊断要求。暗沃表层、暗瘠表层和淡薄表层等3种腐殖质表层在该类土壤中均可出现,前者主要出现在黑色土壤中。黏化层或雏形层是中国南方碳酸盐岩发育土壤常见的诊断层,前者土壤剖面有明显的质地差异,心土黏粒含量明显高于表层。在一些风化较强的红色土壤(主要出现在福建、广西、云南等地)中,有时可出现低活性富铁层,它们的土壤黏粒矿物中有大量的高岭石,其部分土层的黏粒CEC低于24 cmol/kg,但所有土壤均没有达到铁铝层的诊断要求。

3.2 高级分类单元

在我国第2次土壤普查的发生分类中,考虑到这类土壤成土母质的特殊性且土壤形成深受碳酸盐的影响,将南方地区的碳酸盐岩发育土壤合称为石灰土一个土类,以下续分为红色石灰土、棕色石灰土、黄色石灰土和黑色石灰土等4个亚类。从以上对不同颜色的碳酸盐岩发育土壤性状比较来看,它们之间确实存在成土环境及风化强度、矿物类别、有机质积累方面的差异,因此地理发生分类中对石灰土亚类的划分具有一定的科学依据。但以上分析也表明,在红色石灰土、棕色石灰土、黄色石灰土和黑色石灰土各亚类中,土体厚度、剖面发育及脱钙程度实际上还是存在较大的变异,但发生分类中并没有考虑这方面的差别,把这类土壤的分类过于简单化了。为此,我们按照国际上流行的诊断分类方法,采用中国土壤系统分类的检索[23],对中国南方碳酸盐岩发育土壤进行了全面的鉴定,共检索出均腐土、富铁土、淋溶土、雏形土和新成土等5个土纲,下分8个亚纲、15个土类和25个亚类。

3.2.1 均腐土

均腐土是具有深厚有机质积累、盐基饱和度较高的土壤,其零星分布在被调查的6省(自治区)内碳酸盐岩峰丛低洼地、丘陵和山地的坡麓及槽谷地带。研究区均腐土有岩性均腐土和湿润均腐土2个亚纲,其中,岩性均腐土土体较薄,125 cm内可出现碳酸盐岩体,主要分布在碳酸盐岩峰丛低洼地、丘陵和山地的坡麓,其续分的土类和亚类分别为黑色岩性均腐土、普通黑色岩性均腐土。湿润均腐土在125 cm土体内不出现碳酸盐岩体,主要分布在槽谷地带,因地势低凹、土壤滞水,黑色富盐基的土层厚达50 cm以上,其续分的土类和亚类分别为滞水湿润均腐土和暗厚滞水湿润均腐土。

3.2.2 富铁土

富铁土是风化较强且具有低活性富铁层的土壤,零星分布在福建、浙江、江西及云贵地区的丘陵坡麓地带,其分布区地形较为稳定,常形成于厚层石灰岩古老风化壳上,它是碳酸盐岩上发育最为古老、风化强度最高的土壤。它们的土壤水分状况均为湿润,因此全属于湿润富铁土亚纲。在这些土壤中,部分相对较薄的土体具有碳酸盐岩性特征,归属为钙质湿润富铁土土类,并根据出现黏化层、脱钙程度续分为黏化钙质湿润富铁土、淋溶钙质湿润富铁土和普通钙质湿润富铁土3个亚类。对于已不受碳酸盐岩岩性影响的土壤,根据是否存在黏化层,分为黏化湿润富铁土和简育湿润富铁土2个土类,对应的亚类分别为普通黏化湿润富铁土和普通简育湿润富铁土。

3.2.3 淋溶土

淋溶土是土壤剖面中具有黏化层的一类土壤,其广泛分布在中国南方碳酸盐岩地区。根据土壤水分状况,区内淋溶土可分为常湿淋溶土和湿润淋溶土2个亚纲。在常湿淋溶土中根据脱钙及是否具碳酸盐岩岩性特征可分为钙质常湿淋溶土和简育常湿淋溶土2个土类,这2个土类均根据土壤剖面中有机质垂直迁移差异续分为腐殖钙质常湿淋溶土、普通钙质常湿淋溶土、腐殖简育常湿淋溶土、普通简育常湿淋溶土等亚类。

在湿润淋溶土中根据脱钙及是否具碳酸盐岩岩性特征、铁质特性可分为钙质湿润淋溶土和铁质湿润淋溶土2个土类,前者根据土壤剖面中有机质垂直迁移差异续分为腐殖钙质湿润淋溶土和普通钙质湿润淋溶土2个亚类;铁质湿润淋溶土土类只有普通铁质湿润淋溶土1个亚类。

3.2.4 雏形土

雏形土是土壤剖面发育较差,但已具有风化B层(即Bw),在中国南方碳酸盐岩地区分布最广的一类土壤。根据土壤水分状况,区内淋溶土可分为常湿雏形土和湿润雏形土2个亚纲。在常湿雏形土中根据脱钙及是否具碳酸盐岩岩性特征可分为钙质常湿雏形土和简育常湿雏形土2个土类,前者根据土壤剖面中有机质垂直迁移差异、出现石质接触面等情况续分为腐殖钙质常湿雏形土、石质钙质常湿雏形土和普通钙质常湿雏形土等3个亚类。简育常湿雏形土土类只有铁质简育常湿雏形土1个亚类。

在湿润淋溶土中根据脱钙及是否具碳酸盐岩岩性特征、铁质特性可分为钙质湿润雏形土、铁质湿润雏形土和简育湿润雏形土3个土类,其中,钙质湿润雏形土土类根据土壤剖面中有机质垂直迁移差异、出现石质接触面、土壤颜色等情况,续分为腐殖钙质湿润雏形土、石质钙质湿润雏形土、棕色钙质湿润雏形土和普通钙质湿润雏形土等4个亚类。铁质湿润雏形土和简育湿润雏形土各下分为1个亚类,分别为红色铁质湿润雏形土和普通简育湿润雏形土。

3.2.5 新成土

新成土是一类土体非常浅薄的碳酸盐岩发育土壤,其土体构型一般为A-D或A-C,缺乏风化B层,主要分布在丘陵和山地的陡坡地,有时也可出现在平缓地带的浅薄土层直接覆盖在碳酸盐岩体的区域。其亚纲、土类及亚类都只有1个,分别为正常新成土、湿润正常新成土和钙质湿润正常新成土。

3.3 发生分类与系统分类的比较

我国第2次土壤普查的发生分类将中国南方碳酸盐岩发育土壤分为红色石灰土、棕色石灰土、黄色石灰土和黑色石灰土等4个亚类,本文根据有关研究[24],增加了白色石灰岩土一个类型。从表3可知,土壤发生分类的一个亚类在系统分类中对应多个类型。其中红色石灰土按系统分类进行划分,可检索出富铁土、淋溶土和雏形土3个土纲,湿润富铁土、湿润淋溶土和湿润雏形土3个亚纲及8个土类和11个亚类。棕色石灰土按系统分类进行划分,可检索出富铁土、淋溶土、雏形土和新成土4个土纲,湿润富铁土、常湿淋溶土、湿润淋溶土、常湿雏形土、湿润雏形土和正常新成土6个亚纲及7个土类和13个亚类。黄色石灰土按系统分类进行划分,可检索出淋溶土和雏形土2个土纲,常湿淋溶土和常湿雏形土2个亚纲及3个土类和6个亚类。黑色石灰土按系统分类进行划分,可检索出均腐土、淋溶土、雏形土和新成土4个土纲,岩性均腐土、湿润均腐土、常湿淋溶土、湿润淋溶土、常湿雏形土、湿润雏形土和正常新成土7个亚纲及9个土类和16个亚类。白色石灰土按系统分类进行划分,可检索出雏形土和新成土2个土纲,湿润雏形土和正常新成土2个亚纲及2个土类和3个亚类。从表3中还可以看出,系统分类的某些亚类可同时出现在发生分类对应的系统分类亚类中。以上结果表明,采用发生分类划分碳酸盐岩发育土壤较为简单,没有充分考虑土壤性状的变异性,同时,结果也说明发生分类划分的类别中存在明显的重叠现象。

表3   碳酸盐岩发育土壤发生分类与系统分类的参比

Table 3   Comparison of soil types derived from carbonate rocks between soil genetic classification and Chinese taxonomic classification

发生分类(亚类)

Subgroup in

soil genetic

classification

系统分类(亚类)

Subgroup in Chinese

taxonomic classification

发生分类(亚类)

Subgroup in

soil genetic

classification

系统分类(亚类)

Subgroup in Chinese

taxonomic classification

发生分类(亚类)

Subgroup in

soil genetic

classification

系统分类(亚类)

Subgroup in Chinese

taxonomic classification

红色石灰土

Terra rossa

淋溶钙质湿润富铁土

Leachic carbonati-udic

Ferrosols

腐殖钙质常湿雏形土

Humic carbonati-perudic

Cambosols

腐殖简育常湿淋溶土

Humic hapli-perudic

Argosols

黏化钙质湿润富铁土

Argic carbonati-udic

Ferrosols

普通钙质常湿雏形土

Typic carbonati-perudic

Cambosols

腐殖钙质常湿淋溶土

Humic carbonati-

perudic Argosols

普通钙质湿润富铁土

Typic carbonati-udic

Ferrosols

铁质简育常湿雏形土

Ferric hapli-perudic

Cambosols

普通钙质常湿淋溶土

Typic carbonati-

perudic Argosols

普通黏化湿润富铁土

Typic agri-udic Ferrosols

棕色石灰土

Brown rendzina

石质钙质湿润雏形土

Lithic carbonati-udic

Cambosols

腐殖钙质湿润淋溶土

Humic carbonati-udic

Argosols

普通简育湿润富铁土

Typic hapli-udic Ferrosols

腐殖钙质湿润雏形土

Humic carbonati-udic

Cambosols

黑色石灰土

Rendzina

普通钙质湿润淋溶土

Typic carbonati-udic

Argosols

腐殖钙质湿润淋溶土

Humic carbonati-udic

Argosols

棕色钙质湿润雏形土

Brown carbonati-udic

Cambosols

石质钙质常湿雏形土

Lithic carbonati-

perudic Cambosols

普通钙质湿润淋溶土

Typic carbonati-udic

Argosols

钙质湿润正常新成土

Carbonatic udic-orthic

Primosols

腐殖钙质常湿雏形土

Humic carbonati-

perudic Cambosols

普通铁质湿润淋溶土

Typic ferri-udic Argosols

腐殖钙质常湿淋溶土

Humic carbonati-perudic Argosols

普通钙质常湿雏形土

Typic carbonati-

perudic Cambosols

普通钙质湿润雏形土

Typic carbonati-udic

Cambosols

普通钙质常湿淋溶土

Typic carbonati-perudic

Argosols

石质钙质湿润雏形土

Lithic carbonati-udic

Cambosols

红色铁质湿润雏形土

Red ferri-udic Cambosols

普通简育常湿淋溶土

Typic hapli-perudic

Argosols

腐殖钙质湿润雏形土

Humic carbonati-udic

Cambosols

普通简育湿润雏形土

Typic hapli-udic

Cambosols

黄色石灰土

Yellow

calcareous soil

石质钙质常湿雏形土

Lithic carbonati-perudic

Cambosols

普通钙质湿润雏形土

Typic carbonati-udic

Cambosols

棕色石灰土

Brown rendzina

黏化钙质湿润富铁土

Argic crbonati-udic

Ferrosols

腐殖钙质常湿雏形土

Humic carbonati-perudic

Cambosols

钙质湿润正常新成土

Carbonatic udic-orthic

Primosols

腐殖钙质常湿淋溶土

Humic carbonati-perudic Argosols

普通钙质常湿雏形土

Typic carbonati-perudic

Cambosols

石质钙质湿润雏形土

Lithic carbonati-udic

Cambosols

普通钙质常湿淋溶土

Typic carbonati-perudic

Argosols

普通黑色岩性均腐土

Typic black-lithomorphic

Isohumosols

白色石灰土

White

calcareous soil

普通钙质湿润雏形土

Typic carbonati-udic

Cambosols

腐殖钙质湿润淋溶土

Humic carbonati-udic

Argosols

暗厚滞水湿润均腐土

Typic stagnic-udic

Isohumosols

钙质湿润正常新成土

Carbonatic udic-orthic Primosols

普通钙质湿润淋溶土

Typic carbonati-udic

Argosols

黑色石灰土

Rendzina

腐殖钙质常湿淋溶土

Humic carbonati-perudic Argosols

石质钙质常湿雏形土

Lithic carbonati-perudic Argosols

普通钙质常湿淋溶土

Typic carbonati-perudic Argosols

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4 结论

1)中国南方碳酸盐岩成因和岩性多变、结构较为复杂,其成土环境多样,因此,碳酸盐岩发育的土壤性质具有较大的空间异质性。由于岩石风化淋溶和土壤侵蚀交叠的发生致使这些土壤多数没有充分淋溶,土壤中钙离子较多,多呈微酸性至微碱性,土层薄,但受特殊化学风化成土过程的影响,细土物质黏粒含量较高。

2)南方碳酸盐岩形成土壤的土体厚度和土壤质地主要受碳酸盐岩产状、岩性与分布区地貌等的影响,纯质石灰岩上形成的土壤土体浅薄,白云岩、白云质灰岩等岩石土壤厚度较大。岩性、岩溶地貌和气候条件同时制约着土壤发育程度及剖面构型,并影响着土壤类型的分化。红色土壤多出现在低海拔的低丘缓坡地及岩溶平原上,具有干湿交替的土壤水分条件;与红色土壤相比,棕色土壤分布区气温相对较低;黄色土壤分布处常具湿润水分条件;黑色土壤主要分布在低凹地带。土壤颜色可在一定程度上反映土壤风化的差异和成土特点。

3)研究认为,碳酸盐岩上深厚黑色土体的形成与低凹地形有关,是长期反复接受周围岩石的风化物质或周围土壤的表土物质堆积的结果。

4)根据中国土壤系统分类的诊断标准,可把中国南方碳酸盐岩发育土壤划分为均腐土、富铁土、淋溶土、雏形土和新成土等5个土纲,下分8个亚纲、15个土类和25个亚类。

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