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区域成土过程:认识与表达

罗友进  
【摘要】:土壤是在漫长地质年代里,在物理、化学和生物作用下由基岩风化产物、各种松散沉积物发育形成的近地表自然介质。因此,在人类生存时间内,土壤资源是一种不可更新资源。但是,由人类活动引起的压实、封盖、侵蚀、盐碱化、酸化、污染等都会对土壤产生破坏作用;此外,农业、其它土地利用措施以及全球气候变化也会对土壤演化产生影响。同时,作为一个具有物理、化学和生物功能的复杂体系,关于土壤形成和演化的研究一直是土壤学科研的挑战。关于这一方面的研究一直较少。目前,关于其的研究从先前的定性研究转向定量、模型方面的研究。基于土壤体系的复杂性,土壤科学学者在如何运用现代的数学和统计方法将其量化方面进行了一些尝试,但是,在这方面的研究仍然较少且还不完善。因此,本研究以土壤的基本属性、主要成土元素、地形地貌特征以及土地利用方式为研究对象,基于Al2O3-CN-K2O图(或风化指标)和质量平衡模型对四川盆地的土壤剖面以及区域(三峡库区重庆段)土壤的化学风化和主要成土元素的迁移进行了阐明,并在此基础上,结合母质、地形地貌特征以及土地利用方式等对区域成土过程进行了认识与表达。获得的主要研究结果如下: 1、土壤剖面形成与演化:元素分布与迁移 通过对四川盆地15个土壤剖面中物理、化学属性以及主要成土元素含量分布的分析,同时采用Al2O3-CN-K2O三角模型图对风化程度进行了描述。其结果表明:在剖面SCSI1 (SCSI为四川土壤调查缩写)的A层和AB层与BC层和C层存在着较大的差异,若将A和AB层、BC层和C层分别作为一个整体来看,它们各自具有较好的土壤剖面演化特征,因此,认为剖面SCSI1是由两个剖面组成,造成这种现象的最大可能是崩塌或滑坡造成的掩埋,当然也可能是人为覆土。在剖面SCSI2、3、6、9、11和14的A层、B层(AC或BC)与C层存在着差异较小,但其上层的风化程度要弱于下层,属于剖面倒置的现象,同时也发现其不属于剖面倒置,基于当地的地形地貌以及侵蚀情况,尤其是紫色母岩快速风化的特性,该类土壤剖面最大可能是在土层不断的侵蚀淋失以及母质不断的风化补充形成。在剖面SCSI4、7、12和13中,从Ti元素的剖面分布来看,其属于正常土壤发育历程,但是从其余属性的状况来看,其C层中的风化同样略强于上层,若不存在异源母质的混入的情况,造成这种现象最大的可能是壤中流或地下水的作用。剖面SCSI5和10,其各属性差异较小也未有一定的分布规律,同时其A层都较浅薄,风化程度差异较小,成土特征不明显。剖面SCSI15中,该剖面在水的作用下在33-50cm处形成明显的淀积层,存在着铁锰结核类物质,风化程度较为强烈且层次间差异较小,受到人为作用的影响较为明显。另外,采用质量平衡模型对土壤剖面中元素的累积/损失情况进行了阐述,其结果表明剖面SCSI1、2、3、8、9、13和14存在元素的损失,其中SCSI1中主要来源于Ca, SCSI9中主要来源于Al和Fe, SCSI13和14中主要来源于Si,其余剖面中主要来源于Si、Al和Fe;剖面SCSI4、5、6、10、12和15存在元素的富集,其主要来源于Si,除剖tt面SCSI12主要来源于Al和Fe外。总之,土壤剖面中元素的分布以及配比可以在一定程度上反映土壤剖面的形成和演化,但同时其也受到气候以及人为活动的影响。 2、区域成土过程:成土元素空间变化与化学风化 通过对三峡库区重庆段主要成土元素分布的分析,得到如下结果:本研究区土壤中SiO2平均含量为63.13%、Al2O3平均含量为14.34%、Fe2O3平均含量为5.13%、K2O平均含量为2.54%、CaO平均含量为2.52%、MgO平均含量为1.92%、Na2O平均含量为1.05%以及Ti的平均含量为4410mg·kg-1。整个研究区内表层土壤中Si/Al、Si/Fe和Si/R2O3的空间分布具有一定的相似性,其在巫山老地层区、涪陵老地层区的部分区域以及云阳—万州沿岸相对较低,即表明与其它地区相比这些区域土壤中有一定程度的富铝现象;渠马盆地北部、红岩盆地、新妙盆地与长寿盆地部分地区以及研究区内各背斜地区相对较高。同时,CIA(Chemical weathering index)和PWI(Parker's weathering index)的空间分布也具有较好的相似度,从整个研究区来看基本上呈条带状分布;在长江沿线地区相对较弱;奉节和云阳地区土壤化学风化最为强烈,以及新妙盆地和红岩盆地的部分区域也相对较强,即表明相对本研究区域的其它地区,这些地区土壤中的Ca, Mg, K和Na等元素淋失相对较为严重。 本区域深层土壤母质中SiO2平均含量为62.49%、Al2O3平均含量为14.15%、Fe2O3平均含量为5.25%、K2O平均含量为2.60%、CaO平均含量为1.65%、MgO平均含量为1.76%、Na2O平均含量为1.09%以及Ti的平均含量为4807mg·kg-1。整个研究区内土壤母质中Si/Al、Si/Fe和Si/R2O3的空间分布具有一定的相似性,其在巫山老地层区和涪陵老地层区的部分区域相对较低;渠马盆地、新妙盆地部分地区相对较高。同时,CIA和PWI的空间分布也具有较好的相似度,从整个研究区来看基本上呈条带状分布;其结果表明在云阳盆地的南部、巫山老地层区和涪陵老地层区的部分区域土壤母质的化学风化程度相对较低;渠马盆地、新妙盆地部分地区、以及各背斜地区土壤母质的化学风化程度相对较高。但总体上来说本研究区域内土壤的化学程度相对较弱。另外,需要指出的是,在某些区域还不如其相对地点的母质,其中CIA空间分布图这部分面积近占到总区域面积的77.39%。这可能是由于研究区域内母质地层以及地形地貌较为复杂,同时母质类型以泥岩、砂岩以及页岩为主,这些都导致研究区内泥石流、滑坡和崩塌等地质运动发生的较为频繁,从而造成母质来源较为复杂,即土壤可能发育于多种母质物质;另外,人为活动也会对土壤的化学风化产生影响,同时也导致土壤侵蚀、水土流失等现象也较为严重。 从质量平衡模型结果来看,只有Mn元素在土层中有相对损失(除侏罗系中下统自流井组地层母质发育的土壤外)。从各元素含量的变化占总含量变化的比值来看,Si含量的变化对土层总体的变化最大,其次是Fe和Ca含量。不同地层母质发育的土壤的M总间的差异不大,其平均值位于4.55~7.87 kg·m-2,但其内在的各元素之间仍存在着较大差异。各地层母质发育的土壤中各元素的损失累积情况各不相同,但总得来看MSiO2和MCaO是整个土体内元素量变化主要的来源,其中在发育于三叠系下统大冶组/嘉陵江组/飞仙关组的土壤中最为明显。虽然在各地层母质发育的土壤中各元素的损失或累积量与地形地貌参数存在着一定的线性关系,如侏罗系上统蓬莱镇组母质发育的土壤中高程和坡度、在侏罗系中统沙溪庙组发育的土壤中水平曲率和高程,但是更多可能是非线性关系,这可能是由于地形地貌相对较为复杂,侵蚀、剥蚀等现象严重,存在着较为严重的垂直混合现象。 3、区域成土过程:土壤碳 三峡库区重庆段土壤的总碳含量分布范围为0.19-12.95%之间,平均值为1.06%;有机碳含量范围值位于0.08-1.91%之间,平均值为0.46%;无机碳含量分布范围为0.02-12.27%,平均值为0.60%。土壤总碳和无机碳的空间分布极为相似,在巫山和涪陵老地层区即由二叠系和三叠系母质发育的土壤中含量较高,而在万州盆地区则相对较低。与土壤总碳和无机碳的分布不同,土壤有机碳含量总体来说相对较低,基本上位于1%以下,且在红岩盆地区、涪陵老地层区以及铁峰山—硐村背斜部分地区含量相对较高。 土壤碳含量明显受到土壤母质的影响。发育于二叠系和三叠系母质的土壤中总碳、无机碳含量要明显高于侏罗系母质发育的土壤中的;发育于三叠中统巴东组/雷口坡组母质的土壤中有机碳含量要明显高于其它三叠系母质发育的土壤中的。土壤中总碳、有机碳、无机碳含量与土壤的化学风化程度存在较强的相关关系,但其相关关系与母质的性质相关。总得来说,土壤总碳和无机碳含量随着风化程度的增加而减少,有机碳含量则与风化程度关系不大,即表明土壤总碳和无机碳含量主要受母质性质等客观环境条件影响,而有机碳含量则可能受到人为活动的影响。高程是影响土壤碳含量的主要地形地貌因素。除发育于二叠系地层的土壤外,发育于其余各地层母质的土壤中总碳、无机碳含量与高程呈显著负关系。其它地形地貌参数如坡度、坡向、地形湿度指数也在一定程度上影响着土壤总碳、有机碳以及无机碳含量。但总得来说,土壤有机碳含量与地形地貌参数之间的关系并不明确,地形地貌可能是影响有机碳分布的重要因素,但并不是主要因素。土地利用方式对土壤总碳和无机碳含量具有显著影响,但从发育于不同地层母质土壤中的总碳、有机碳和无机碳含量对土地利用方式的响应来看,各土地利用方式间均不存在显著性差异。总之,土壤碳含量及其分布是母质、地形地貌以及人为活动等各种因素共同作用的结果。 4、风化(成土)过程:区域性认识 在众多地质过程和地貌形成中,体系都处于不稳定状态,符合不稳定准则。在任何地貌中不稳定性发育是受限的。在任一尺度,地貌形态的不稳定性状态是受内在因素限制的。在特定的时空尺度下,这种不稳定状态可能是不存在的,也可能是不相关的。从微观尺度到宏观尺度(如平原),从瞬间到长期的地质时期,任一时空尺度都存在着不稳定状态。在尺度和分辨力发生变化时,稳态和非稳态表现出具有各自的特征。考虑到风化、风化与地形地貌以及景观演化之间的关系,在稳态与非稳态存在相似性时,需要确定特定的时空尺度。在其它尺度,稳态的出现伴随着特殊关系,比如风化与侵蚀之间的反馈程度。 区域/土体、景观单元、景观尺度的体系在多数环境条件下处于不稳定状态。在坡面尺度、或特定的过渡时空尺度中,稳定状态是可能存在的。当风化与侵蚀的反馈效应相对弱于外界因素对风化和侵蚀的控制作用时,体系处于稳定状态。当然更多得是体系处于非稳定状态,即风化与侵蚀的反馈效应强于外界因素对风化和侵蚀的控制作用。在更大的空间尺度或特定的情况下,体系处于稳定状态是存在的。根据尺度的不同,外界因素的控制作用和内在体系元素之间的区别也相应的不同。 综上所述,本研究中,以土体的基本属性和主要成土元素的含量与垂直分布阐明了四川盆地土壤剖面形成与演化的可能历程;以区域(三峡库区重庆段)中主要成土元素的空间分布与化学风化以及碳状况对区域成土过程进行了认识与表达;在这两者的基础上对不同尺度下风化与景观演化进行了理论探讨,不仅可丰富区域成土机理,同时也可为耕地培育以及构建三维土壤数字图提供科学基础。但本研究更多得是在认识上的探讨,涉及的具体成十过程较少,要更好的认识区域成土过程,需加强具体环境条件或人为措施下具体成土过程的研究。


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