土壤質(zhì)地分類及其在我國應用探討*

吳克寧 趙 瑞

（1 中國地質(zhì)大學（北京）土地科學技術(shù)學院，北京 100083）

（2 國土資源部土地整治重點實驗室，北京 100035）

土壤質(zhì)地很大程度上支配土壤的各種耕作性能，施肥反應，以及持水、通氣等特性，其分類標準是土壤科學的重要問題之一。19世紀后期，世界各國開始測定土壤機械組成并由此劃分土壤質(zhì)地，至今全球已提出了二、三十種土壤質(zhì)地分類制［1］，但缺乏為各國和各行業(yè)公認的質(zhì)地分類標準，我國土壤科技工作者于1975年制定了我國的土壤質(zhì)地分類標準［2］，此后進行了各種修訂［3］。國內(nèi)曾有學者對土壤質(zhì)地分類問題進行討論，如鄧時琴［4］曾在前人研究的基礎上對土粒分級、質(zhì)地分類和土壤中礫石含量的分級做了一些修改和補充；付慶瑛［5］認為我國1975年制定的土壤質(zhì)地分類標準的土壤質(zhì)地名稱仍有不方便及比較含糊的地方。我國目前土壤質(zhì)地分類法還不統(tǒng)一，在各行各業(yè)相關(guān)土壤樣品分析測試工作的基礎上，結(jié)合國際上土壤質(zhì)地分類相關(guān)研究，統(tǒng)一適合我國的土壤質(zhì)地分類制的需求非常迫切。本文就國際上三種土壤質(zhì)地分類制以及我國制定的質(zhì)地分類標準，在土壤顆粒分級、土壤質(zhì)地分類以及土壤質(zhì)地測定方法上進行比較，為我國統(tǒng)一土壤質(zhì)地分類標準應用提供參考。

1 土壤粒級及分類標準

土粒大小不均一，在自然狀況下大小不同的土粒，有的彼此不黏結(jié)的存在于土壤中，稱為單粒，有的相互黏結(jié)成為一個集合體，稱為復粒［6］。將土壤顆粒按照直徑的大小劃分為若干個級別叫土壤粒級。土壤粒級的劃分標準各國采用的很不一致。我國在解放前采用美國制，解放后改用前蘇聯(lián)的卡慶斯基制。至今世界各國采用的標準不盡相同，甚至有的一個國家使用幾種分級標準，我國使用的就有國際制、美國制、卡慶斯基制和中國制，因此，使得各地研究成果難以相互比較與引用。現(xiàn)將我國及國外主要的土粒分級標準總結(jié)于表1。

國際制土壤顆粒大小按十進制劃分，容易記憶，但人為因素太強，粒級特性的變化并不在劃分的界限上；美國制將土粒分為5個基本粒級，細分為9個級別，土粒分級更顯科學可靠；卡慶斯基制著重于能導致陽離子交換量、最大吸濕水量、持水

量、膨脹收縮性等發(fā)生急劇轉(zhuǎn)變的粒徑（0.01 mm和0.001 mm等）作為劃分粒級的界限；日本制是日本農(nóng)學會將土粒劃分為5級，黏粒＜0.01 mm，但日本實際采用的是國際制土粒分級標準；此外英國、澳大利亞、印度等地也有各自的土粒分級標準，因其適用范圍太小，本文不做詳細介紹。

表1 我國及國外主要的土粒分級標準［7-15］Table 1 Main standards for grading of soil particle size at home and abroad［7-15］

2 土壤質(zhì)地分類標準

土壤質(zhì)地是土壤的重要農(nóng)業(yè)現(xiàn)狀，它是各個級別土粒質(zhì)量的百分含量，又稱為土壤顆粒組成或機械組成［6］。土壤質(zhì)地分類是根據(jù)土壤顆粒組成的相似與否，將土壤劃分為若干個類別。由于土壤顆粒分級標準不同，其對應的土壤質(zhì)地分類有所不同，質(zhì)地名稱也有一些差異，即使質(zhì)地名稱相同，而它的各級粒級及其含量百分率也不一致［16］。常見的土壤質(zhì)地分類標準有：國際制、美國制、卡慶斯基制及我國習用的標準?，F(xiàn)將國際上常用的土壤質(zhì)地分類標準以時間順序總結(jié)如下。

2.1 國際制

1912年瑞典土壤學家阿特伯（Atterberg［17］）提出了土粒分級標準，1930年在第二屆國際土壤學會上被采納為國際土粒分級的基礎，并制定了土壤質(zhì)地分類國際制（見表2），以等邊三角形（圖1）所示，其要點為：

（1）以黏粒含量為主要標準，＜15%為砂土和壤土質(zhì)地組；15%～25%為黏壤土質(zhì)地組；＞25%為黏土質(zhì)地組；

（2）當土壤含粉（砂）粒達45%以上時，在各組質(zhì)地的名稱前均冠以“粉（砂）質(zhì)”字樣；

（3）當土壤砂粒含量在55%～85%時，則冠以“砂質(zhì)”字樣；如85%～90%時，則稱為壤質(zhì)砂土，其中砂粒達90%以上者稱砂土。

表2 國際制土壤質(zhì)地分類標準Table 2 International standard for soil texture classification

2.2 美國制

1951年美國農(nóng)業(yè)部（USDA）根據(jù)土壤在農(nóng)田中的持水保肥、通氣透水特點，將土壤質(zhì)地劃分為4組12級［18］，美國制的質(zhì)地分類標準亦用等邊三角形（圖2）所示。等邊三角形的三個頂點分別代表100%的砂粒（0.05～2 mm）、粉粒（0.002～0.05 mm）及黏粒（＜0.002 mm）。其中4組分別為砂土組、壤土組、黏壤土組和黏土組。同時針對土壤剖面研究，根據(jù)土壤粒徑、礦物性質(zhì)、溫度等特點將土壤質(zhì)地劃分為7級。此外，將圖2中相鄰級類視為同一亞類，可將土壤分成相互重疊的28個亞類。

圖1 國際制土壤質(zhì)地分類三角坐標圖Fig. 1 Triangle coordinates of the international system of soil texture classification

圖2 美國制土壤質(zhì)地分類三角坐標圖Fig. 2 Triangle coordinates of the American system of soil texture classification

2.3 卡慶斯基制

卡慶斯基制是1957年前蘇聯(lián)著名土壤物理學家——卡慶斯基（H.A Kaчинский）根據(jù)蘇聯(lián)有關(guān)粒級性質(zhì)的資料擬定的［4］，它的粉粒及黏粒較其他各制均分得詳細，是雙極分類法，按物理性砂粒（＞0.01mm）和物理性黏粒（＜0.01 mm）的質(zhì)量分數(shù)，將土壤劃分為砂土、壤土和黏土三類九級，如表3所示。應用卡慶斯基質(zhì)地分類簡表分類時，首先確定所研究土壤的類型屬于分類簡表中的灰化土類、草原土和紅黃壤類、堿化和強堿土類三大類型中的哪一類?？梢杂梦锢硇陨傲＃ǎ?0.01 mm，%）和物理性黏粒（＜0.01 mm，%）兩個粒級的其中一個進行分類?？☉c斯基分類制包括三部分，即基本質(zhì)地分類、詳細質(zhì)地分類和補充分類。

表3結(jié)果中不包括大于1 mm的石礫，其含量另行計算，按表4標準，根據(jù)石礫含量，在質(zhì)地詳細名稱之前加上石質(zhì)描述，石礫含量小于0.5%為非石質(zhì)土，0.5%～5%為輕石質(zhì)土，5%～10%為中石質(zhì)土，大于10%為重石質(zhì)土。

表3 卡慶斯基土壤質(zhì)地分類制Table 3 Kakingski soil texture classification system

表4 土壤中所含石塊成分多少的分類（1972）Table 4 Classification of soils by content of stone (1972)

在實際土壤質(zhì)地分類中：

（1）先根據(jù)土壤的物理性砂粒(＞ 0.01 mm)或物理性黏粒（＜ 0.01 mm)的含量［19］，按照卡慶斯基分類簡表來確定土壤的基本質(zhì)地名稱——砂土、壤土和黏土。

（2）再將質(zhì)地進行詳細分類，將土粒細分為六組：石礫（3～1 mm）、砂粒（1～0.05 mm）、粗粉粒（0.05～0.01 mm）、中粉粒（0.01～0.005 mm）、細粉粒（0.005～0.001 mm）、黏粒（＜ 0.001 mm），將其作為形容詞分別稱為礫質(zhì)、砂質(zhì)、粗粉質(zhì)、中粉質(zhì)、細粉質(zhì)、黏質(zhì)。

（3）按優(yōu)勢粒級細分和定名。粗粉粒為粗粉質(zhì)，中細粉粒為粉質(zhì)，砂粒為砂質(zhì)，黏粒為黏質(zhì)， 如表5所示。

表5 優(yōu)勢粒級分類標準Table 5 Standards for classification of soils by dominant particle size

2.4 中國制

我國現(xiàn)代的土壤質(zhì)地研究始于1937年，20世紀50—60年代，在全國土壤普查背景下，結(jié)合本國特點，擬定了中國土壤質(zhì)地分類，如粗砂粒級的劃分，但因缺乏深入研究，未能廣泛應用。1959年擬定了我國南方土壤質(zhì)地四級分類梯級表，1961年擬定了我國北京郊區(qū)土壤質(zhì)地分類。1975年在1959年和1961年兩個質(zhì)地分類的基礎上加以歸并、修改、補充而成1978年的中國土壤質(zhì)地分類標準［4］。結(jié)合中國土壤的特點，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中主要采用前蘇聯(lián)的卡慶斯基的質(zhì)地分類。1978年中國擬定的土壤質(zhì)地分類是按砂粒、粉粒和黏粒的質(zhì)量分數(shù)劃分出砂土、壤土和黏土三類11級，如表6所示。對石礫含量較高的土壤制定了石礫性土壤質(zhì)地分類標準。根據(jù)石礫含量，當其小于1%時為無礫質(zhì)（質(zhì)地名稱前不冠名），1%～10%時為少礫質(zhì)，大于10%為多礫質(zhì)，如表7所示。1987年《中國土壤》第二版公布了中國土壤質(zhì)地分類制，分為3組12種質(zhì)地名稱，分類標準見表8。中國制土壤質(zhì)地制有以下的特點：與其配套的粒級制是在卡慶斯基粒級制的基礎上修定而來的，主要是將黏粒的上限由0.001 mm提高至大家公認的0.002 mm，黏粒級分為粗（0.002 mm ～0.001 mm）和細（＜0.001 mm）兩個粒級。

表6 我國土壤質(zhì)地分類（1978年）Table 6 Soil texture classification in China (1978)

續(xù)表

表7 我國習用的礫石含量分類（1978年）Table 7 Classification of soils by gravel content used in China (1978)

表8 中國土壤質(zhì)地分類 ［4］（1985年）Table 8 China soil texture classification［4］ ( 1985)

縱觀各種土壤質(zhì)地分類制，盡管存在著一些差別，但大體上將土壤質(zhì)地分為砂土、壤土、黏土三類。國際制和美國制只在黏土類的壤質(zhì)黏土與粉砂質(zhì)黏土的排列順序上有差異，其余質(zhì)地名稱順序完全相同，而蘇聯(lián)的卡慶斯基制所考慮的粒級比較概括，只區(qū)分了物理性黏粒（＜0.01 mm）和物理性砂粒（＞0.01 mm）兩級的相對含量，而國際制和美國制同時考慮黏粒、粉粒和砂粒三種粒級的相對含量，應用時實際只要考慮兩個粒級就可以決定質(zhì)地名稱。中國土壤質(zhì)地分類制也是根據(jù)砂粒、粉粒、黏粒含量進行土壤質(zhì)地劃分。

3 土壤質(zhì)地分類應用

除中國制外，我國土壤學界曾先后采用過上述四種土壤質(zhì)地分類標準。第一次全國土壤普查采用了卡慶斯基制，第二次全國土壤普查前期在縣、地市級采用了卡慶斯基制，后期省級、國家級匯總中采用了國際制。據(jù)中國農(nóng)業(yè)科學院黃鴻祥先生回顧：1980年全國土壤普查辦公室顧問組在北京開會時，時任寧夏農(nóng)業(yè)勘察設計院院長王吉智先生提出全國匯總方式應該采用國際制。與會專家現(xiàn)場進行了激烈討論，在場的大多數(shù)人表示贊同。最后中國科學院南京土壤研究所的首席科學家席承藩先生綜合了各方意見，決定采用國際制。具體方法是應用換算公式將卡慶斯基制轉(zhuǎn)換為國際制［19］。《中國土壤》和《中國土種志》和各省的土壤志均采用國際制。龔子同先生領(lǐng)導的中國土壤系統(tǒng)分類，張甘霖研究員主持的我國土系調(diào)查與《中國土系志》編制均采用的是美國制?；谕寥蕾|(zhì)地分類標準應用不統(tǒng)一的問題，通過中國知網(wǎng)、ScienceDirect和百度學術(shù)等搜索統(tǒng)計國內(nèi)研究學者在國內(nèi)外學術(shù)期刊已發(fā)表研究成果中運用的土壤質(zhì)地分類標準。目前，國內(nèi)已有土壤質(zhì)地的相關(guān)研究［20-37］主要集中在國際制、美國制、卡慶斯基制和中國制（圖3）。

土壤質(zhì)地是擬定土壤分類、管理和改良的重要依據(jù)，土壤質(zhì)地分類制在我國各個部門標準、規(guī)范等應用多種多樣，現(xiàn)將我國各個部門相關(guān)土壤質(zhì)地應用情況總結(jié)如表9所示。

表9 中國相關(guān)部門土壤質(zhì)地分類應用情況Table 9 Application of soil texture classification in various departments in China

續(xù)表

卡慶斯基制規(guī)定黏粒小于0.001 mm，提取費勁，國際上認可度不高，與我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)先進經(jīng)驗不一致；國際制標準雖然簡單方便記憶，但不適合我國土壤農(nóng)業(yè)生產(chǎn)特性［38］；美國制在國內(nèi)外相關(guān)科學研究中最廣泛，中國研究學者已發(fā)表成果中美國制的應用占比為62.86%（圖3）；中國土壤系統(tǒng)分類采用美國制［39］；美國康奈爾大學土壤健康評估手冊采用美國制［40］；聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織（FAO）網(wǎng)站的土壤門戶，超鏈接的是美國土壤學會網(wǎng)，只介紹了美國制。此外在Science Direct網(wǎng)站上所查相關(guān)文獻基本運用的是美國制，如：Bockheim［41］研究美國土壤結(jié)構(gòu)改變的成因；Vaezi等［42］在伊朗西北部半干旱地區(qū)估算土壤質(zhì)地的可蝕性；Chung［43］開發(fā)基于土壤圖像RGB特性的土壤質(zhì)地分類算法；Poggio和Gimona［44］對蘇格蘭土壤質(zhì)地進行三維映射研究；Quraishi和Mouazen［45］開發(fā)并校準了基于土壤質(zhì)地測量表層土壤容重的在線傳感器；Beuselinck等［46］通過激光衍射法進行晶粒尺寸分析并與篩吸移管法進行比較。

4 土壤質(zhì)地的相關(guān)測定方法

土壤質(zhì)地的室內(nèi)測定方法多種多樣，相關(guān)研究學者運用的有激光粒度儀分析法、比重計法 、吸管法和密度計法，如王勇輝等［47］根據(jù)美國制分級標準采用比重計法對0.25 mm的土樣測定土壤質(zhì)地。馮騰等［48］分別采用激光粒度儀和吸管法依據(jù)美國制對土壤質(zhì)地進行對比并建立激光粒度儀法向吸管法測試結(jié)果的轉(zhuǎn)換。鄧時琴等［49］對土壤機械分析在比重計的校正、比重計速測和土粒分散措施進行試驗。中國科學院南京土壤研究所分析室制成一種比重計適用于野外進行土壤機械分析，并對該比重計進行實驗分析［50］。楊詠元［51］通過對采用比重計法進行大量分析時導致超出時間誤差的情況，設計了能測讀15個樣本的讀數(shù)時間卡片。沈陽農(nóng)學院和中國科學院南京土壤研究所根據(jù)卡慶斯基制采用吸管法、比重計法和比重計速測法三種分析方法測算土壤的機械組成［52］。各種方法的使用原理及質(zhì)量控制總結(jié)如表10。

表10 實驗室內(nèi)土壤質(zhì)地測定方法及質(zhì)量控制Table 10 Soil texture determination and quality control in laboratory

我國土壤質(zhì)地實驗室測定方法需要匹配合適的粒徑范圍，土樣分析實驗室要根據(jù)選擇的分析方法配備完善的測試設備，對于粒徑范圍較寬、超出某一種分析方法的土樣，可選用幾種方法分別測定，并進行結(jié)果銜接處理，這些工作還需要國內(nèi)相關(guān)學者進行下一步研討。對比每種土壤質(zhì)地測試分析方法的使用原理和質(zhì)量控制發(fā)現(xiàn)：比重計法、吸管法和“密度計法”均是依據(jù)司篤克斯定律，而激光粒度儀分析法按光的Fraunhofer衍射和Mie散射理論，其測定土壤顆粒的黏粒含量明顯低于其他方法［26, 53］。

5 結(jié) 論

縱觀我國科學研究以及各行業(yè)運用的土壤質(zhì)地分類制，國內(nèi)研究學者在科學研究論文中應用土壤質(zhì)地分類標準最多的是美國制，其次是國際制和卡慶斯基制。關(guān)于土壤質(zhì)地分類國際間至今還沒有一個被普遍采用的系統(tǒng)，世界上有80多個國家和地區(qū)采用的是美國土壤系統(tǒng)分類，SCI等國際期刊發(fā)表的學術(shù)論文也普遍采用的美國制。我國環(huán)境保護部采用美國制，農(nóng)業(yè)部門先后采用卡慶斯基制和國際制，國土資源部采用卡慶斯基制或中國制等，但總體上更多應用美國制，中國制是中國科學院南京土壤研究所鄧時琴等按照卡慶斯基制改進的，級別多而繁雜，迄今為止中國土壤質(zhì)地分類標準還未得到應用。在今后的科研和相關(guān)部門的實踐工作中，尤其是可能開展的第三次全國土壤普查，統(tǒng)一使用美國土壤質(zhì)地分類標準，并采用激光粒度儀分析法進行測定。