土壤剖面野外形態(tài)發(fā)育綜合指數(shù)的建模方法.docxVIP

1、第52卷第21期HubeiAgriculturalSciencesHubeiAgriculturalSciencesNov.,20132013年11月土壤剖面野外形態(tài)發(fā)育綜合指數(shù)的建模方法姜熒熒，周崇峻，孫仲秀，張廣才，劉洋，高華（沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)院，沈陽110866）摘要：以江西朝陽挖掘的17個具有代表性的土壤剖面為例，基于系統(tǒng)觀測和描述土壤野外形態(tài)特征，確定了評價古土壤發(fā)育的8項(xiàng)上填制面野外形態(tài)指標(biāo)，定立了土填制而野外形態(tài)發(fā)育綜合指數(shù)模型。關(guān)鍵詞：土縝制面野外形態(tài)；發(fā)育綜合指數(shù)；建模方法中圖分類號：S151*.l文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：0439-8114（2013）21-5182-

2、04ModelingMethodoftheWildMorphalogicalDevelopmentIntegratedIndexofSoilProfileJIANGYing-ying,ZHOUChong-jun,SUNZhong-xiu,ZHANGGuang-cai,LIUYang,GAOHua(CollegeofLandandEnvironment.ShenyangAgriculturalUniversity.Shenyang110866,China)Abstract:Basedonthesoilmorphologicalpropertiesof17representativesoilpro

3、filesinChaoyangofwesternLiaoning,asoilmorphologicalindexsystemwasmeasuredforevaluatingthedevelopmentofpaleosol.Thewildsoilprofiledevelopmentintegratedindexmodelwasestablished.Keywords：soilprofilemorphology；developmentintegratedindex；modelingmethod收稿日期：2013-01-21作者簡介：姜熒熒（I987-）,女，遼寧鞍山人，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)橹?/p>

4、物營養(yǎng).（電話電子信箱）sun1987100lI；通訊作者，周崇峻（1967-）,男，遼寧沈陽人.實(shí)驗(yàn)師，主要從事土壤、肥料、植物檢測方面的研究，（電話電子信箱）tcj.313。成土母質(zhì)在各種自然因素和人為因素的影響下，發(fā)育成為具有不同屬性的土壤。這些土壤屬性的內(nèi)在表現(xiàn)為土壤物質(zhì)的轉(zhuǎn)化及其遷移，而這些土壤屬性的外在表現(xiàn)則反映于土壤剖面形態(tài)和土體構(gòu)造上。為了用簡單的數(shù)量方法來表達(dá)復(fù)雜的歷史自然體一土壤的發(fā)育狀況，多年來，人們進(jìn)行了不斷的探索。土壤學(xué)家和地質(zhì)學(xué)家需要一種指數(shù)來定量評價土壤的發(fā)育程度，通過量化土壤野外形態(tài)如土壤顏色、膠膜、質(zhì)地和其他

5、隨時間發(fā)生變化的性質(zhì)來實(shí)現(xiàn)性質(zhì)的量化和比較。很多學(xué)者用土壤中微量元素間的比值作為判別土壤發(fā)育程度的手段，如黃成敏等工利用土壤中微量元素間的比值對海南島北部玄武巖上土壤發(fā)育進(jìn)行了研究；Dasch-2噌對各種母巖在風(fēng)化作用下Rb、Sr遷移規(guī)律進(jìn)行了較詳細(xì)的研究，指出Rb/Sr反映了母巖風(fēng)化作用強(qiáng)度oGallet等也對洛川黃土剖面中的Rb/Sr分布進(jìn)行了初步研究，發(fā)現(xiàn)該比值可識別古土壤地層單元。國內(nèi)一些學(xué)者通過對我國北方黃土和長江下游地區(qū)下蜀黃土典型剖面的Rb和Rb/Sr研究發(fā)現(xiàn)，它們能更精確地反映古氣候環(huán)境的變化，是區(qū)域環(huán)境演變研究中較理想的替代指標(biāo)心:。土壤發(fā)育指數(shù)是將量化的土壤野外屬性轉(zhuǎn)化成一

6、個綜合指數(shù)來對整個土壤的發(fā)育程度進(jìn)行評價。土壤剖面野外形態(tài)發(fā)育綜合指數(shù)是評價、比較不同土壤發(fā)育程度的一種方法，是量化土壤野外屬性以便在野外研究成土過程的方法。這種方法對于土壤發(fā)生學(xué)、土壤形態(tài)學(xué)、土壤系統(tǒng)分類學(xué)、地貌學(xué)、地層學(xué)的研究都有十分重要的應(yīng)用價值。例如，當(dāng)時間序列缺失時，土壤發(fā)育指數(shù)可以初步指示土壤的相對年齡，而應(yīng)用土壤剖面形態(tài)發(fā)育綜合指數(shù)可以在野外方便、高效、相對準(zhǔn)確地鑒別古土壤氣1977年Bilzi等根據(jù)土層和母質(zhì)之間性質(zhì)的差異對土壤腿性賦分。Leamy等屈提出土壤形態(tài)指數(shù)這一概念，是一種應(yīng)用幾個土壤屬性賦分平均值來評價土壤發(fā)育程度的方法。他們用這種方法對奧塔戈部分地區(qū)的古土壤的特征

7、進(jìn)行了初步量化。何磊等，研究認(rèn)為剖面發(fā)育指數(shù)（PDI）和加權(quán)平均剖面發(fā)育指數(shù)（WPDI）作為剖面累積發(fā)育指標(biāo)，可以用于不同土壤序列的發(fā)育速率比較。隋玉柱在確認(rèn)“黃土也是古土壤”的前提下，采用統(tǒng)一的半定最指標(biāo)（主要包括反映成土強(qiáng)度的Munsell色調(diào)、彩度、明度、結(jié)構(gòu)、粒度、色度、CaC03含量等）來確定古土壤的發(fā)育強(qiáng)度。土壤剖面中土壤的形態(tài)屬性含有豐富的成土環(huán)境信息，是環(huán)境變化與恢復(fù)和重建氣候的重要依據(jù)，如基于古土壤的形態(tài)觀測推斷了洛川古土壤發(fā)育時期的古環(huán)境總之，目前的研究主要集中于土壤發(fā)育程度方面，對應(yīng)用土壤發(fā)育指數(shù)來鑒別古土壤的研究資料較少。古土壤的鑒別是利用黃土一古土壤序列研究氣候與環(huán)境

8、變化的重要手段。在野外識別古土壤有一定困難，尤其是識別弱發(fā)育的古土壤極其困難。李敘勇m用土壤發(fā)育指數(shù)來鑒別古土壤取得了令人滿意的結(jié)果。本研究借鑒Harden和Bilzi等的思想，通過對土壤的紅化作用、黑化作用、膠膜、結(jié)構(gòu)、干時結(jié)持性、潤時結(jié)持性、總質(zhì)地、發(fā)生層邊界等綜合狀況進(jìn)行評價，建立土壤剖面野外形態(tài)發(fā)育綜合指數(shù)模型，反映土壤的發(fā)育程度，以期為遼西朝陽古土壤鑒別研究奠定基礎(chǔ)。1研究方法研究剖面位于朝陽市鳳凰山、建平縣富山鄉(xiāng)馬家溝村、喀左縣公營子鎮(zhèn)端正溝梁村東大梁和北票市桃花吐4個地點(diǎn)。這4個采樣點(diǎn)均有古土壤分布，并且存在一個從上到下紅土與黃土相互交錯的大剖面，并在其周圍分布著由于上層被剝蝕掉

9、而出露于地表（殘遺、剝露）的古土壤剖面。在4個采樣點(diǎn)分別找到符合標(biāo)準(zhǔn)的剖面進(jìn)行采挖，挖好剖面后進(jìn)行土壤發(fā)生層的劃分。根據(jù)中國科學(xué)院南京土壤研究所土壤系統(tǒng)分類課題組土壤剖面描述規(guī)范進(jìn)行系統(tǒng)、規(guī)范的土壤剖面野外形態(tài)特征描述和記錄。最后根據(jù)發(fā)生層進(jìn)行土樣采集，共采集70個土壤發(fā)生層，17個土壤剖面的土樣。觀測的主要項(xiàng)目有顏色、結(jié)構(gòu)、質(zhì)地、膠膜、結(jié)持性、發(fā)生層邊界等。2土壤剖面野外形態(tài)發(fā)育綜合指數(shù)模型的建立土壤剖面野外形態(tài)發(fā)育綜合指數(shù)的公式及確定土地評價研究中，常用指數(shù)法和土地潛力分級法來評價土壤的生產(chǎn)力或農(nóng)業(yè)潛力。土壤剖面野外形態(tài)發(fā)育綜合指數(shù)的計(jì)算公式為：式中P/為某土壤剖面的野外形態(tài)發(fā)育綜合指數(shù),

10、為某層某個土壤形態(tài)屬性賦分后的標(biāo)準(zhǔn)化值M為所選指標(biāo)數(shù)，九為某土層的厚度。確定土壤剖面野外形態(tài)發(fā)育綜合指數(shù)的步驟如圖1所示。圖1確定土填剖面野外形態(tài)發(fā)育綜合指數(shù)的步驟2.1 土壤剖面野外形態(tài)發(fā)育指標(biāo)體系的確定眾所周知，野外調(diào)查作為土壤學(xué)研究的傳統(tǒng)有效方法之一具有不可替代性，土壤剖面野外形態(tài)發(fā)育描述指標(biāo)不能定量制約了其應(yīng)用；土壤微形態(tài)的古環(huán)境意義雖然明確，但直觀性較低，形態(tài)描述與表達(dá)繁瑣，術(shù)語晦澀難懂，不能進(jìn)行定扯等問題仍然制約其應(yīng)用仲。此次研究嘗試建立綜合量化指標(biāo)一土壤剖面野外形態(tài)發(fā)育綜合指數(shù)，以期解決這一矛盾，并且具有土壤發(fā)生學(xué)的理論依據(jù)"氣反映土壤發(fā)育的土壤剖面野外形態(tài)發(fā)育指標(biāo)有很

11、多，關(guān)鍵是所用指標(biāo)能反映成土強(qiáng)度，并能進(jìn)行定量或半定量研究。為了在野外方便、高效、相對準(zhǔn)確完成古土壤鑒別，結(jié)合研究剖面的具體情況，盡量選取通過野外觀察就能夠直接獲得的土壤剖面野外形態(tài)發(fā)育的指標(biāo)。在眾多反映成土強(qiáng)度的指標(biāo)中，土壤形態(tài)特征較好地反映了成土過程中成土母質(zhì)的累積變化。但土壤形態(tài)特征很多（如土壤顏色、土層厚度、質(zhì)地、膠膜、結(jié)持性、發(fā)生層邊界等），僅以某一特征不能全面反映土壤的發(fā)育狀況，也不能進(jìn)行土壤發(fā)育的定量評價。研究所建立的土壤野外形態(tài)發(fā)育指標(biāo)體系見表lo對表1的各單項(xiàng)野外形態(tài)發(fā)育指標(biāo)作以下說明，并著重從土壤發(fā)生學(xué)角度作出解釋：1）土壤顏色（Soilcolor）o土壤顏色是土壤對太陽輻

12、射在視覺器官能夠感受到的光譜范圍內(nèi)（280760nm）的選擇吸收和漫反射的結(jié)果。土壤反射的那部分可見光的顏色決定土壤的顏色。影響土壤顏色的因素有很多，如土壤中的腐殖質(zhì)含最、水分含量、暗色礦物（如氧化鐵、氧化錠、黑云母等）含危、淺色礦物（如二氧化硅、氧化鋁、碳酸鈣等）含量，因此，顏色是表征許多性質(zhì)的重要形態(tài)特征，它是人們認(rèn)識土壤最直接的依據(jù)之一。土壤發(fā)育程度通常以顏色變化為特征?。?。伴隨土壤發(fā)育，土壤中赤鐵礦增加，導(dǎo)致土壤色調(diào)變紅和土壤彩度增加。土壤顏色跟土壤的成分和壘結(jié)狀態(tài)直接相關(guān)，劃分剖面發(fā)生層，顏色是首要的形態(tài)特征，顏色的各種變化是土壤內(nèi)在性質(zhì)變化的反映。土壤顏色的剖面變化對診斷土壤具有重

13、要意義。根據(jù)土壤顏色也可以對土壤的形成過程、發(fā)育程度進(jìn)行初步判斷。研究將土壤顏色屬性分解為紅化作用和黑化作用兩個指標(biāo)，隨著土壤發(fā)育的增強(qiáng)，色調(diào)變紅、彩度變鮮艷的變化稱為紅化作用，黑化作用是指由于土壤有機(jī)質(zhì)累積而使土壤變暗的作用，它是用芒賽爾顏色值中的明度來表示的，隨明度的增加而降低。紅化作用和黑化作用的賦分參照Harden的方法，但為了排除在低彩度時有機(jī)質(zhì)染色對彩度的干擾，將彩度為14時賦分的增值減小為5分。2）土壤膠膜。土壤膠膜是在土壤形成發(fā)育過程中由土壤中的細(xì)粒物質(zhì)（如黏粒、游離氧化物、碳酸鹽、腐殖質(zhì)等）通過濃聚、淀積或析離等作用，在土壤裂隙或孔隙壁表面以及土壤結(jié)構(gòu)體或顆粒表面形成的膜狀物

14、。它是與土壤孔隙、裂隙、孔道、土胚（Ped）和骨骼碎屑顆粒在自然表面相結(jié)合的一種可識別的土壤形成物。若將土壤物質(zhì)分為骨骼顆粒和細(xì)土物質(zhì)，黏粒膠膜是細(xì)土物質(zhì)中黏粒組分的擴(kuò)散、移動或淀積形成的聚合物，或是黏粒組分原地變化形成的分離物。黏粒膠膜被認(rèn)為是“土壤顆?；蛲翂K的皮膚”，表示土壤表面或孔隙在經(jīng)過懸濁液淋洗后被沉淀的黏粒所覆蓋m：。土壤膠膜是土壤長期演化過程中逐漸形成的，其物質(zhì)多來源于本體土壤的淋溶和淀積。膠膜的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和元素組成特點(diǎn)等是相應(yīng)成土過程和環(huán)境條件的產(chǎn)物，記錄著土壤的發(fā)生過程，包含了成土的氣候變化和環(huán)境變遷的信息，可作為識別土壤在不同時期的發(fā)生過程和環(huán)境變化的重要依據(jù)3）土壤結(jié)構(gòu)。

15、土壤結(jié)構(gòu)是指土壤顆粒（包括團(tuán)聚體）的排列與組合形式。主要功能是使土體中同一空間里同時存在固、液、氣三相，并且具有調(diào)節(jié)水、肥、氣、熱的作用。土壤結(jié)構(gòu)是土粒有規(guī)律性的結(jié)合體。結(jié)構(gòu)體內(nèi)部與結(jié)構(gòu)體之間有著截然不同的孔隙狀況，土壤結(jié)構(gòu)的功能就是靠它形成不同的孔隙及其分布密度的差異來實(shí)現(xiàn)的。土壤結(jié)構(gòu)是土壤中各種過程進(jìn)行的物理框架。觀察土壤剖面中的結(jié)構(gòu)類型，可大致判別土壤的成土過程。如具有團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的剖面與生草過程有關(guān)；淀積層中有柱狀或圓柱狀結(jié)構(gòu)則與堿化過程有關(guān)。土壤結(jié)構(gòu)影響土壤中水、氣、熱以及養(yǎng)分的保持和移動，也直接影響植物根系的生長發(fā)育。土壤結(jié)構(gòu)的定量化對土壤水、氣、熱和土壤生物、化學(xué)過程定量化研究具有重

16、要意義。4）干時結(jié)持性（硬結(jié)性）、潤時結(jié)持性（堅(jiān)實(shí)性）。結(jié)持性是指土粒（2mm）間相互黏結(jié)在一起的性能，是通過土粒-水-土粒之間的引力而表現(xiàn)出來的。5）土壤質(zhì)地。土壤質(zhì)地是指土壤中各粒級重斌占土壤重童的百分比組合。質(zhì)地野外判別采用Shaw的簡易質(zhì)地類型進(jìn)行快速判定。土壤質(zhì)地是土壤的最基本物理性質(zhì)之一，對土壤的各種性狀都有很大的影響。因?yàn)橐巴忤b定的質(zhì)地類型無法對黏粒含量作出較準(zhǔn)確的估計(jì)，所以通過采用包括質(zhì)地類型、黏著性、可塑性在內(nèi)的綜合指標(biāo)即總質(zhì)地來評價某些質(zhì)地類型黏粒含量的較大差異性。6）發(fā)生層邊界。發(fā)生層邊界是指相鄰發(fā)生層之間的過渡狀況。土體是以土壤性質(zhì)側(cè)向變化的最大均一性為界限的土壤地理個

17、體，它是土壤在空間上一個立體的單元。在土體內(nèi)由于物質(zhì)的更力和張力以及溶解和沉淀等影響，在垂直方向上產(chǎn)生了自然的質(zhì)地分異形成土層。因此，發(fā)生層邊界的類型可以很好地指示土壤的發(fā)育狀況。土壤剖面野外形態(tài)發(fā)育各項(xiàng)指標(biāo)分級賦分中，紅化作用、黑化作用參照李敘勇的方案，總質(zhì)地、干時結(jié)持性、潤時結(jié)持性參照Harden的方案，發(fā)生層邊界參照Bilzi等的方案。由此構(gòu)建了評價遼西朝陽第四紀(jì)古土壤剖面野外形態(tài)發(fā)育的指標(biāo)體系（表1）0土壤剖面野外形態(tài)發(fā)育綜合指數(shù)的計(jì)算2.3.1 土壤劇而野外形態(tài)屬性的量化和標(biāo)準(zhǔn)化經(jīng)詳細(xì)描述的土壤剖面野外形態(tài)發(fā)育各項(xiàng)屬性，按照表1中的標(biāo)準(zhǔn)賦予分值即是其數(shù)量化。標(biāo)準(zhǔn)化的目的是使各項(xiàng)土壤屬

18、性的量化值在同一個數(shù)量級范圍之內(nèi)，使不同土壤之間具有可比性，其計(jì)算公式為表1中所列各標(biāo)準(zhǔn)化公式。2.3.2 上壤剖面野外形態(tài)發(fā)育綜合指數(shù)的計(jì)算土壤剖面野外形態(tài)發(fā)育綜合指數(shù)的計(jì)算按公式（1）進(jìn)行,計(jì)算步驟見圖1。據(jù)此計(jì)算了遼西朝陽挖掘的具有代表性的17個土壤剖面的野外形態(tài)發(fā)育綜合發(fā)育指數(shù)。表1土壤剖面野外形態(tài)發(fā)育指標(biāo)體系a.聯(lián)色色調(diào)5Y2.5Y10YR7.5YR5YR2.5YR10R5R賦分分1020304050607080b.顏色彩度12345678賦分分5101520304050601.紅化作用(Rubification)Xr=(色調(diào)*+彩度X)干+(色調(diào)彩度*)濕標(biāo)準(zhǔn)化：J,=280注：若

19、多抻顏色，取平均值，2.黑化作用(Melanization)顏色亮度12345賦分分8070605040Xv=10(明度)干+(明度)濕673020810標(biāo)準(zhǔn)化：X803傲膜(Cutanicfeatures)賦分分土豐度/%厚度b. 位置102030很少(<2)少(25)中(5-15)薄中厚厚孔隙無粒間或結(jié)構(gòu)體表面40多(15-40)很多(40-80)50*痛&.匕_*廠201304.結(jié)構(gòu)(Stnicture)械分/分5102030a.發(fā)育程度弱中強(qiáng)b.聚合類型片狀團(tuán)塊狀或棱塊狀棱柱狀柱狀X產(chǎn)得分最高級的(豐度+厚度堆洗)+1/2(其他級豐度之和)X.H主要結(jié)構(gòu)的(發(fā)育程度+聚合

20、類型)+1/2:次要結(jié)構(gòu)的(發(fā)育程度+聚合類型)標(biāo)準(zhǔn)化：X«=主-605. 干時結(jié)持性(Dryconsistence)干時結(jié)持性松散賦分分10*舟10(干時結(jié)特性)標(biāo)準(zhǔn)化:；120潤時結(jié)持性(Moist)潤時結(jié)持性松散賦分/分10X10(潤時結(jié)特性AX)標(biāo)準(zhǔn)化：x.=4=-120兌,質(zhì)地(Totaltexture)&.質(zhì)地類型沙土松軟稍硬硬203040極疏松20疏松30很硬50極硬60堅(jiān)實(shí)40很堅(jiān)實(shí)極堅(jiān)實(shí)5060賦分分10203040b.黏若性(濕時)不黏稽站極新賦分分10203040C.可塑性(濕時)不塑稍墩中塑極塑賦分分10203040粉填土沙壤土填土Xt=10®

21、;地類5SAX+懿看性八*可塑性>黏壤土黏土50608.發(fā)生層邊界(Boundaryconditions)明顯度(交錯區(qū)厚度/cm)模糊(N】2)漸變(512)清晰(25)突變(<2)賦分分01020303小結(jié)通過研究確定了評價古土壤發(fā)育的8項(xiàng)土壤剖面野外形態(tài)發(fā)育指標(biāo)體系，建立了土壤剖面野外形態(tài)發(fā)育綜合指數(shù)模型。土壤剖面野外形態(tài)發(fā)育綜合指數(shù)模型雖然已經(jīng)建立，但需要進(jìn)一步研究來驗(yàn)證其適用范圍和準(zhǔn)確性。參考文獻(xiàn)：1黃成敏，龔子同.海南島北部玄武巖上土壤發(fā)育過程的定成研究J.地理科學(xué),2000,20(4):337-342.DASCHEJ.Strontiumisotopesinweathe

22、ringprofiles,deep-seasediments,andsedimentary-rocksJ.GeochimicaetCos-mochimicaActa,1969.33(2):1521-1552.：3GALLETS,JAHNBM,TOR11M.GeochemicalcharacterizationoftheLuochuanioess-pale(»solsequence,China,andpaleo-climaticimplicationsJ.ChemicalGeology,1996,133(1-4)：67-88.4 陳駿，汪永進(jìn)，季竣蜂，等.陜西洛川黃七剖面的Rb/Sr值及其旬候地層學(xué)意義J.第四紀(jì)研究,1999,19(4):350-356.5 李福春，謝昌仁，潘根興.南京老虎山黃土剖面的磁化率及Rb和Rb/Sr對占?xì)夂虻闹甘疽饬xJ.海洋地質(zhì)與第四紀(jì)地質(zhì)，2002,22(4):47-52.6 HARDENJW.AquantitativeindexofsoildevelopmentfromHelddescriptions：examplesfromachronosequenceincentralCaliforniaJ.Geoderma,1982,28：1-28.7 B1LZ1AF,CIOLKOSZEJ.A