翟 橙， 周 清， 張偉暢， 馮 旖， 盛 浩，2， 歐陽寧相， 張楊珠，2

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖南長沙 410128； 2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)土壤研究所，湖南長沙 410125)

通信作者：周 清，博士，教授，主要從事農(nóng)業(yè)資源利用與遙感信息技術(shù)應(yīng)用及水土保持研究。E-mail：61939295@qq.com。

水稻土是在植稻或以植稻為主的耕作制度下，經(jīng)長期人為活動(dòng)，使土壤發(fā)生一系列獨(dú)特變化而形成的一種土壤，是在土壤經(jīng)常處于淹水還原、排水氧化、水耕黏閉，以及大量施用有機(jī)肥料等頻繁人為管理措施的影響下形成的[1]。水稻土是重要的耕地資源，對(duì)我國的糧食生產(chǎn)起重要的支撐作用。我國水稻土面積約為3 000萬hm2，占全國耕地面積的25.35%，占世界水稻土總面積的23.00%。我國水稻土因在不同生物氣候帶的廣泛分布而具有多樣性的特點(diǎn)，一方面具有在人為長期利用和管理?xiàng)l件下所形成的一系列共性，另一方面因受不同生物氣候條件和成土母質(zhì)類型等自然因素的影響而不同程度地保留著各種母土或母質(zhì)的特征[1]。

我國是最早研究水稻土的國家之一，早在20世紀(jì)30年代，朱蓮青首次提出水稻土剖面結(jié)構(gòu)、層次劃分的方法[1]。龔子同依據(jù)水稻土形成的本質(zhì)特點(diǎn)，按照氧化還原過程把水稻土劃分為氧化還原型、氧化型、還原型[2]，為后來的水稻土系統(tǒng)分類打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[3]。我國水稻土分類先后經(jīng)歷了水分類型發(fā)生分類、地理發(fā)生分類和氧化還原發(fā)生分類等3個(gè)階段，許多研究者就水稻土發(fā)生學(xué)分類進(jìn)行了深入的研究[4-6]。20世紀(jì)80年代以后，我國的土壤分類進(jìn)入了以診斷層和診斷特性為基礎(chǔ)的系統(tǒng)分類階段，實(shí)現(xiàn)了從定性向定量的跨越[7]。近半個(gè)世紀(jì)以來，我國對(duì)水稻土理化性質(zhì)的研究已經(jīng)取得有效的進(jìn)展，我國水耕土分類已經(jīng)走在世界前列，雖然水耕土系統(tǒng)高級(jí)分類已很完善，但基層分類還處在基礎(chǔ)階段，在土系指標(biāo)的定量化、命名等方面還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)[8]。當(dāng)前，水稻土的基層分類和土系調(diào)查多集中在東部地區(qū)，其中包括長江三角洲[9]、浙江省[10-11]、福建省[12]、湖北省[13-14]、海南省[15]、四川省[16-17]等。水稻土的成土母質(zhì)通過影響土壤質(zhì)地使其發(fā)育和理化性質(zhì)發(fā)生變化。顆粒大小級(jí)別和質(zhì)地差異是水稻土基層分類的主要指標(biāo)[18]，但目前在相同母質(zhì)條件下，顆粒大小級(jí)別在水稻土基層分類指標(biāo)中所起作用的相關(guān)研究仍較少，因此有待更深入的研究。

水稻土是湖南省重要的糧食、多種經(jīng)濟(jì)作物的生產(chǎn)基地，稻田面積約為275.6萬hm2，占全省耕地面積的79%。本研究以長沙地區(qū)起源于第四紀(jì)紅土的水稻土為研究對(duì)象，探索類似起源土壤條件下的基層系統(tǒng)分類指標(biāo)，建立代表性土族和土系，評(píng)述土系的生產(chǎn)性能，以期為當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)和作物布

局提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況與成土環(huán)境

湖南省長沙市作為省會(huì)城市，位于湘江下游和湘瀏盆地的西緣，湖南省東部偏北地區(qū)(111°53′～114°15′E，27°51′～28°41′N)。全市轄芙蓉、天心、岳麓、開福、雨花和望城等6個(gè)城區(qū)，長沙、寧鄉(xiāng)等2個(gè)縣以及瀏陽市。長沙市屬典型的中亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，氣候溫和，熱量豐富，降水充沛，陽光充足，日照長，四季分明，生長季長。年平均氣溫為17.2 ℃；1月平均氣溫最低，為4～5 ℃；7月平均氣溫最高，為29～31 ℃；≥10 ℃積溫達(dá)5 457 ℃；年平均日照時(shí)數(shù)為1 500～1 850 h；年平均降水量為1 361 mm。

長沙地區(qū)成土母質(zhì)類型多樣，主要成土母質(zhì)包括花崗巖風(fēng)化物，板、頁巖風(fēng)化物，砂巖風(fēng)化物，第四紀(jì)紅色黏土，石灰?guī)r風(fēng)化物，紫色砂頁巖風(fēng)化物，河湖沉積物等7類。主要土壤類型有紅壤、黃壤、水稻土、紫色土、潮土等。長沙地區(qū)典型水稻土的剖面空間分布見圖1。

1.2 樣品采集與室內(nèi)分析

本研究參照《湖南土種志》[19]和《湖南土壤》[20]對(duì)第四紀(jì)紅土的描述與分類以及全國第2次土壤普查數(shù)據(jù)，結(jié)合母質(zhì)分布圖、土地利用現(xiàn)狀圖、高程圖、交通圖等確定5個(gè)水稻土野外取樣點(diǎn)，其中第四紀(jì)紅色黏土的分布信息與剖面成土環(huán)境見表1。

在取樣點(diǎn)依照中西部土系調(diào)查《野外土壤描述與采樣手冊(cè)》挖掘標(biāo)準(zhǔn)土壤剖面，并根據(jù)土壤發(fā)生學(xué)理論進(jìn)行分層，對(duì)土壤剖面進(jìn)行描述，拍照記錄剖面及周圍景觀。

土壤容重的測定采用環(huán)刀法；機(jī)械組成的測定采用吸管法，質(zhì)地分類參照美國農(nóng)業(yè)部(United States Department of Agriculture)分類標(biāo)準(zhǔn)；pH值的測定采用電位法(液土體積比 2.5 ∶1)；陽離子交換量及交換性鹽基組成的測定采用乙酸銨交換法[陽離子交換總量的測定采用凱氏定氮法；交換性K+、Na+含量的測定采用火焰光度法；交換性Ca2+、Mg2+含量的測定采用乙二胺四乙酸(ethylene diamine tetraacetic acid，簡稱EDTA)滴定法]；土壤游離鐵含量的測定采用連二亞硫酸鈉-檸檬酸鈉-重碳酸鈉法[21]。根據(jù)經(jīng)緯度、海拔推算土壤溫度，具體計(jì)算公式為：

Tsoil=55.89-0.645×緯度-0.004×海拔-0.153×經(jīng)度[22]。

表1 采樣點(diǎn)概況

注：Ap1為耕作層；Ap2為犁地層；Br為水耕氧化還原層；Br1為鐵淀積層；Br2為錳淀積層；Br21為錳淀積層亞層；Br22為錳淀積層亞層；Brg為氧化還原層有潛育斑；B為淀積層；BC為B層到C層過渡層；C為母質(zhì)層；C1、C2為母質(zhì)層亞層。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤剖面的形態(tài)特征

表2表明，供試土壤剖面的潤態(tài)顏色色調(diào)分別為2.5Y、5Y、10YR，明度介于3～7，彩度介于1～8。土體較深厚，大多>1.3 m，除43-CS05、43-CS12剖面外，其他剖面耕作層(Ap1)較淺薄，僅12～14 cm，犁底層(Ap2)較厚且緊實(shí)，達(dá) 6～8 cm。犁底層容重是耕作層容重的1.09～1.70倍。剖面土壤結(jié)構(gòu)發(fā)育明顯，以棱塊狀、團(tuán)塊狀和塊狀為主，在結(jié)構(gòu)體表面普遍存在黏粒膠膜、鐵錳膠膜和鐵錳斑紋，數(shù)量從很少量到大量，在水耕氧化還原層(Br)數(shù)量最為豐富，甚至出現(xiàn)少量到大量的鐵錳結(jié)核。土體中有少量瓦片、磚塊、瓷片等侵入體。土壤剖面有典型的水耕表層、水耕氧化還原層。

表2 供試土壤的剖面形態(tài)特征

注：ND表示沒有侵入體；10YR、2.5Y、5Y分別表示色調(diào)、明度、彩度。

2.2 土壤主要理化性質(zhì)

從表3可以看出，土壤剖面無明顯礫石(巖石碎屑含量<5%)。顆粒分析表明，質(zhì)地以壤土類為主，黏粒含量介于238～381 g/kg，剖面的黏化率介于0.80～1.38。從表4可以看出，5個(gè)剖面各個(gè)層次的水提pH值為5.0～7.1，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[23]，剖面的控制層段的部分或全部pH值≥5.5，為非酸性。因此5個(gè)供試土壤為非酸性的。隨剖面加深，pH值整體呈升高趨勢。其中43-CS05剖面的pH值變異幅度較大，pH值為5.8～7.1，導(dǎo)致這一差異的原因一方面是受二元母質(zhì)發(fā)育的影響(因該采樣點(diǎn)在第四紀(jì)紅色黏土和石灰性紫色砂巖風(fēng)化物交錯(cuò)地帶，屬第四紀(jì)紅色黏土和石灰性紫色砂巖混合母質(zhì))，另一方面與耕作精細(xì)和施肥習(xí)慣有關(guān)[1]。游離氧化鐵含量介于11.4～44.8 g/kg之間，平均值為29.0 g/kg。

2.3 供試土壤的診斷層與診斷特性

診斷層與診斷特性是土壤系統(tǒng)分類的基礎(chǔ)和依據(jù)。依據(jù)供試剖面野外描述與理化性質(zhì)結(jié)果，參照《中國土壤系統(tǒng)分類檢索》(第三版)[24]有關(guān)診斷層、診斷特性及控制層段的定義，5個(gè)供試剖面都具備水耕表層和水耕氧化還原層等高級(jí)分類中的診斷層及相關(guān)診斷特性(表5)。

2.4 供試土壤在中國土壤系統(tǒng)分類中的歸屬

2.4.1 高級(jí)分類單元?jiǎng)澐?參照《中國土壤系統(tǒng)分類檢索》(第三版)對(duì)高級(jí)分類單元的劃分標(biāo)準(zhǔn)，檢索供試土壤的診斷層與診斷特性，5個(gè)剖面均屬于人為土土綱、水耕人為土亞綱。

表3 供試土壤的物理性質(zhì)

5個(gè)典型水稻土剖面的水耕表層下均無灰色鐵滲亞層，因此均不屬鐵滲水耕人為土類。43-CS10剖面水耕氧化還原層的游離氧化鐵含量為耕作層的1.5倍以上，屬鐵聚水耕人為土類；43-CS05、43-CS06、43-CS09和43-CS12剖面均屬于簡育水耕人為土類。在鐵聚水耕人為土類中，43-CS10剖面無變性現(xiàn)象和潛育特征，剖面垂直60 cm土層范圍內(nèi)也無漂白層，因此屬普通鐵聚水耕人為土亞類。在簡育水耕人為土類中，4個(gè)剖面均無變性、鹽積現(xiàn)象和人為復(fù)石灰作用，剖面垂直60 cm范圍內(nèi)也無漂白層，因此43-CS05、43-CS06、43-CS09、43-CS12等4個(gè)剖面均屬普通簡育水耕人為土亞類(表6)。

2.4.2 基層分類單元?jiǎng)澐?/p>

2.4.2.1 土族劃分 參照《中國土壤系統(tǒng)分類(修訂方案)》土族和土系劃分標(biāo)準(zhǔn)[23]，土族控制層段為從診斷表下層的上界或從表土層、耕作層的下界往下至100 cm深處，或至淺于100 cm的根系限制層上界或石質(zhì)接觸面。在劃定土族控制層段的基礎(chǔ)上，以供試土壤控制層段內(nèi)的顆粒大小級(jí)別、礦物學(xué)類型、土壤溫度狀況以及石灰性的有無為依據(jù)進(jìn)行土族劃分。

根據(jù)相關(guān)劃分標(biāo)準(zhǔn)[23]對(duì)研究區(qū)內(nèi)5個(gè)典型水稻土剖面土族控制層段的土壤顆粒大小級(jí)別進(jìn)行劃分(表7)。5個(gè)剖面>2 mm巖屑的含量均<25%，其中43-CS06剖面的土族控制層段沙粒含量≥55%，被劃分為沙質(zhì)；43-CS05、43-CS09、43-CS10、43-CS12剖面的土族控制層段黏粒含量介于 20%～35% 之間，被劃分為黏壤質(zhì)。對(duì)研究區(qū)內(nèi)5個(gè)剖面土族控制層段的石灰性和土壤酸堿反應(yīng)級(jí)別進(jìn)行依次劃分，5個(gè)剖面均沒有鋁質(zhì)和石灰性，43-CS05、43-CS06、43-CS09、43-CS10、43-CS12剖面控制層段的部分或全部pH值 ≥5.5，為非酸性。5個(gè)剖面的顆粒大小級(jí)別為沙質(zhì)和黏壤質(zhì)，因此從上到下查看適用于所有顆粒大小級(jí)別或沙質(zhì)、黏壤質(zhì)顆粒大小級(jí)別的礦物學(xué)類型，5個(gè)剖面均屬混合型。按張慧智等的方法[22]得到5個(gè)剖面50 cm土深處的土溫介于19.9～20.0 ℃ 之間，檢索土壤溫度狀況屬于熱性?，F(xiàn)將所選的5個(gè)剖面劃為3個(gè)土族：43-CS05、43-CS09、43-CS12為黏壤質(zhì)混合型非酸性熱性-普通簡育水耕人為土，43-CS06為沙質(zhì)混合型非酸性熱性-普通簡育水耕人為土，43-CS010為黏壤質(zhì)混合型非酸性熱性-普通鐵聚水耕人為土(表8)。

表4 供試土壤的化學(xué)性質(zhì)

表5 供試土壤診斷層與診斷特性

表6 供試土壤在系統(tǒng)分類高級(jí)分類單元的歸屬

2.4.2.2 土系劃分 土系是土壤系統(tǒng)分類中最基層的劃分單元，是土壤的全息身份證，包含該類土壤的最基本信息。參照《中國土壤系統(tǒng)分類土族和土系建立的劃分標(biāo)準(zhǔn)》[23]，屬于不同亞類和不同土族，可劃分為不同的土系；屬于同一土族的，則須依據(jù)特定土層的深度和厚度、表層土壤的質(zhì)地以及土系控制層段中巖石碎屑、結(jié)核、侵入體等特征的差異進(jìn)行土系劃分。參照相關(guān)土系劃分標(biāo)準(zhǔn)[23]，供試土壤的土系劃分結(jié)果見表8。根據(jù)高級(jí)分類劃分標(biāo)準(zhǔn)，將供試土壤劃分為3個(gè)不同亞類，其中43-CS06與43-CS05、43-CS09、43-CS12屬于同一亞類但不同的土族，43-CS06的顆粒大小級(jí)別為沙質(zhì)屬性，因此可劃分為不同的土系。43-CS10與43-CS06屬于不同土類，因供試土壤為普通鐵聚水耕人為土，因此可以被劃分為獨(dú)立的土系。43-CS05、43-CS09、43-CS12等3個(gè)剖面屬于同一亞類、同一土族，理論上可以被劃分為同一土系。但43-CS05與43-CS12特定土層深度不同，43-CS05的特定土層深度為100～150 cm， 而43-CS12的特定土層深度為 92 cm，在50～100 cm范圍內(nèi)，被劃分為不同土系。43-CS09 在特定土層64～87 cm出現(xiàn)潛育現(xiàn)象，因此，將其劃分為不同的土系。因此，將5個(gè)剖面劃分為金鼎山系(43-CS05)、凌茯系(43-CS06)、羅巷新系(43-CS09)、白玉系(43-CS10)、馬戰(zhàn)系(43-CS12)。

表7 供試土壤土族控制層段內(nèi)鑒別特征

表8 供試土壤土系劃分依據(jù)

3 討論

3.1 長沙地區(qū)第四紀(jì)紅土發(fā)育的水稻土在發(fā)生分類與系統(tǒng)分類中的參比關(guān)系

在發(fā)生學(xué)分類中，5個(gè)供試剖面分屬于人為土綱、水耕人為土亞綱、水稻土土類、潴育性水稻土亞類、紅黃泥土屬、紅黃泥、青膈紅黃泥土種。在系統(tǒng)分類中，5個(gè)剖面歸入人為土土綱、水耕人為土亞綱、鐵聚水耕人為土和簡育水耕人為土土類、普通鐵聚水耕人為土和普通簡育水耕人為土亞類，在基層單元上則分出3個(gè)土族和5個(gè)土系(表8)。因此從這5個(gè)第四紀(jì)紅土土壤的劃分中可看出，中國土壤發(fā)生分類與中國土壤系統(tǒng)分類呈不對(duì)應(yīng)關(guān)系。土壤發(fā)生分類重視成土條件和推測的成土過程，忽略土壤本身的屬性，結(jié)果是把同一地區(qū)、同一母質(zhì)處于不同發(fā)育階段的土壤都劃分為同一個(gè)土類或亞類[25]。而土壤系統(tǒng)分類是在遵循土壤發(fā)生學(xué)理論的基礎(chǔ)上，更為重視土壤本身性質(zhì)，以定量的診斷層和診斷特性為依據(jù)，劃分土壤類型。

把長沙地區(qū)劃分為3個(gè)土族和5個(gè)土系，可清晰地反映土體在發(fā)育程度、物質(zhì)組成等性質(zhì)上的突變差異，在指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐中更具有現(xiàn)實(shí)意義。另外，基于中國土壤系統(tǒng)分類土族和土系的劃分標(biāo)準(zhǔn)，在類似母土/母質(zhì)條件下，顆粒大小級(jí)別和質(zhì)地層次差異是劃分土系的敏感指標(biāo)。在長沙地區(qū)第四紀(jì)紅土發(fā)育的水耕人為土基層分類中土壤質(zhì)地和顆粒大小級(jí)別仍具有重要意義。

3.2 長沙地區(qū)第四紀(jì)紅土發(fā)育的水耕人為土土族與土系的生產(chǎn)性能

土族和土系的劃分主要服務(wù)于生產(chǎn)實(shí)踐。在長沙地區(qū)所建立的3個(gè)土族及下設(shè)的5個(gè)土系，具有地勢平坦、分布面積較大的特點(diǎn)，是當(dāng)?shù)刂匾牡尽?、稻—稻—油生產(chǎn)基地。田間排灌設(shè)施系統(tǒng)、完善，具有較好的農(nóng)田水利基礎(chǔ)條件，通常是當(dāng)?shù)氐母弋a(chǎn)田。耕層土壤結(jié)構(gòu)良好，土質(zhì)疏松，多以壤土為主，但底層土質(zhì)黏重、緊實(shí)，不易漏水漏肥。供試土壤水耕表層大部分淺薄(僅為10～18 cm)，特別是凌茯系(耕層僅為 12 cm)。因此，應(yīng)注重深耕深翻、加深耕層或種植根系生長力強(qiáng)的作物品種。其中金鼎山系、羅巷新系、馬戰(zhàn)系土壤耕作層呈非酸性反應(yīng)，土壤條件較好，其余的土壤呈酸性反應(yīng)，耕層的水提pH值<5.5，酸化嚴(yán)重，有必要因地制宜，施用石灰或堿性物質(zhì)，提升耕層pH值。

土壤肥力是衡量土壤作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地，進(jìn)行農(nóng)作物生產(chǎn)的重要指標(biāo)[26]，是土壤的本質(zhì)屬性和主要功能[25]，科學(xué)評(píng)價(jià)土壤肥力可以更好地利用土地資源，可為調(diào)整作物布局和科學(xué)合理地施肥提供依據(jù)。而土壤養(yǎng)分等肥力指標(biāo)是土壤肥力的物質(zhì)基礎(chǔ)，其豐缺狀況直接影響作物產(chǎn)量和品質(zhì)[27-30]。參照第二次土壤普查的水田土壤生產(chǎn)性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[24]，高產(chǎn)水稻土有機(jī)質(zhì)含量在2.5%～3.8%之間，屬于有機(jī)質(zhì)含量高的高產(chǎn)水稻土。由表9可知，長沙地區(qū)所建立的5個(gè)土系耕層剖面有機(jī)質(zhì)豐富，其含量在23.90～45.50 g/kg范圍內(nèi)，其中羅巷新系有機(jī)質(zhì)含量極高，為45.49 g/kg；馬戰(zhàn)系有機(jī)質(zhì)含量適宜，為23.90 g/kg；其他3個(gè)剖面有機(jī)質(zhì)含量高，在30.00～40.00 g/kg范圍內(nèi)。耕層全氮含量的變化范圍為0.76～2.13 g/kg，其中43-CS05和43-CS06耕層的全氮含量較低，應(yīng)增施氮肥，分別增加土壤氮的供應(yīng)強(qiáng)度和有效性。其他土壤剖面的氮肥含量很高，均屬“極高”級(jí)別，生產(chǎn)中應(yīng)考慮適當(dāng)減少氮肥投入。耕層全磷含量變化范圍為 0.73～2.03 g/kg，其中43-CS05、43-CS10、43-CS12全磷含量較低，低于 1 g/kg，表明土壤磷的供應(yīng)潛力不足，適量施用磷肥對(duì)防止土壤磷素的缺乏具有很好的防范作用；43-CS06、43-CS09 耕層的全磷含量大于1g/kg說明該研究區(qū)土壤磷豐富。土壤剖面耕層的鉀肥含量范圍為13.08～41.13 g/kg，含量約為1%～4%。43-CS05耕層全鉀含量低于2%，低于湖南省全鉀含量的平均水平[20]， 應(yīng)及時(shí)施用鉀肥， 其他剖面耕層的全鉀含量大于2%，應(yīng)減少鉀肥的投入[31]。

表9 供試土壤剖面養(yǎng)分的平均含量

4 結(jié)論

在長沙地區(qū)第四紀(jì)紅色黏土條件下，按照我國土壤系統(tǒng)分類方案，在水耕人為土亞綱下檢索出鐵聚水耕人為土和簡育水耕人為土2個(gè)土類，普通鐵滲水耕人為土和普通簡育水耕人為土2個(gè)亞類，劃分出3個(gè)土族和5個(gè)土系。在同一地區(qū)，類似母質(zhì)發(fā)育土壤的基層分類上，系統(tǒng)分類的定量化指標(biāo)比發(fā)生分類的定性化指標(biāo)更為敏感，能劃分出更多的基層土壤類型，其中顆粒大小級(jí)別和質(zhì)地層次差異是劃分土系的敏感指標(biāo)。

我國土壤系統(tǒng)分類可有效地將第四紀(jì)紅色黏土發(fā)育水耕人為土的生產(chǎn)性能體現(xiàn)出來，對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物生產(chǎn)和土壤改良具有指導(dǎo)意義。

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