黃土高原生物結(jié)皮的風(fēng)化成土效應(yīng)

曹尤淞, 肖 波, 江子昊

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)土地科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部華北耕地保育重點(diǎn)實驗室, 100193, 北京;2.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實驗室, 712100, 陜西楊凌)

風(fēng)化作用是土壤形成和發(fā)育的基礎(chǔ),其實質(zhì)是原生礦物在外營力的驅(qū)動下發(fā)生崩解和分解,逐步演化為次生黏土礦物繼而形成土壤母質(zhì)的過程[1]。風(fēng)化作為地表圈層相互作用的主要形式,為自然生態(tài)系統(tǒng)輸入基本的礦質(zhì)養(yǎng)分,并參與構(gòu)成生物地球化學(xué)循環(huán)等重要過程[2]。物理、化學(xué)和生物風(fēng)化的協(xié)同作用使地質(zhì)大循環(huán)和生物小循環(huán)在土壤圈交匯,并進(jìn)一步推動以原始成土為起點(diǎn)的土壤形成過程。成土過程既深刻反映土壤分布區(qū)域的環(huán)境特點(diǎn),又是土壤特殊性狀和變異規(guī)律的本質(zhì)來源,是認(rèn)識和研究土壤及其成土環(huán)境的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。黃土高原具有特殊的風(fēng)化沉積成土過程,是世界上第四紀(jì)沉積物分布最廣且厚度最大的地區(qū)之一[3]。黃土高原的風(fēng)化成土特征是學(xué)界多年來持續(xù)關(guān)注和研究的熱點(diǎn)。主流觀點(diǎn)[4-5]認(rèn)為,黃土高原的沉積成土過程是粉塵堆積和風(fēng)化成壤協(xié)同作用的結(jié)果,其中風(fēng)化作用是粉塵堆積期后主導(dǎo)性的成土動力。然而,黃土高原作為典型的干旱和半干旱地區(qū),其地表水熱條件相對不足,并且風(fēng)蝕、水蝕作用強(qiáng)烈,導(dǎo)致該區(qū)域典型土壤(黃綿土和風(fēng)沙土)的風(fēng)化強(qiáng)度較低、成土過程單一、發(fā)育程度微弱[6];因此,黃土高原的黃綿土和風(fēng)沙土尚處于初育階段,保留明顯的母質(zhì)狀態(tài),而生物因素可能在初育土的風(fēng)化成土過程中起主導(dǎo)作用。

生物結(jié)皮是黃土高原重要的地表微自然景觀,其本質(zhì)是藻類、地衣、苔蘚和土壤微生物在分泌物、假根和菌絲等作用下與表層土粒膠結(jié)而成的復(fù)雜復(fù)合物[7]。自20世紀(jì)退耕還林(草)工程實施以來,生物結(jié)皮在黃土高原廣泛發(fā)育,特別在北部區(qū)域其蓋度最高可達(dá)60%～70%[8]。作為地表覆蓋物,生物結(jié)皮能顯著影響并改善表層土壤的物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì),同時具有調(diào)控水熱、固土抗蝕和提升肥力等多重生態(tài)功能[9]。生物結(jié)皮特殊的生理構(gòu)造使之能適應(yīng)極端生境,因此在原始成土和原生演替中起著先鋒類群的關(guān)鍵作用。有研究發(fā)現(xiàn)[10],藍(lán)藻是冰川凍土區(qū)最早定植的物種之一,其通過促進(jìn)硅酸鹽礦物風(fēng)化加速土壤形成和發(fā)育;在喀斯特地貌區(qū)[11],苔蘚結(jié)皮能通過溶蝕和沉積作用參與成土過程;在烏蘭布和沙漠[12],沙丘的發(fā)育程度和黏土礦物含量隨生物結(jié)皮演替而提升?？傮w上,生物結(jié)皮的風(fēng)化成土效應(yīng)仍然缺乏較為深入的定量化研究,特別是干旱和半干旱地區(qū)生物結(jié)皮對風(fēng)化成土過程的影響亟待系統(tǒng)的研究。由于風(fēng)化成土過程緩慢,現(xiàn)有研究手段難以定量監(jiān)測成土速率,而常量元素地球化學(xué)指標(biāo)可在一定程度上表征土壤的風(fēng)化發(fā)育特征[13]。土壤的風(fēng)化發(fā)育過程突出表現(xiàn)為土壤礦物的蝕變和演化,而礦物類型的轉(zhuǎn)化則進(jìn)一步導(dǎo)致化學(xué)元素的釋放、遷移和淋失。由于風(fēng)化過程中不同元素的釋放量和遷移性有所差異,因此元素地球化學(xué)指標(biāo)依據(jù)不同元素的計量關(guān)系表征土壤的風(fēng)化強(qiáng)度和發(fā)育程度。迄今,已有數(shù)10種常量元素地球化學(xué)指標(biāo)被先后提出并用于土壤風(fēng)化研究[14]。有部分學(xué)者[15-16]據(jù)此研究黃土高原的風(fēng)化成土特征。然而生物結(jié)皮作為黃土高原重要的先鋒類群,結(jié)皮層土壤的元素地球化學(xué)特征仍鮮有研究和報道。

基于此,筆者以黃土高原典型初育土(黃綿土和風(fēng)沙土)上發(fā)育約30 a的生物結(jié)皮為對象,研究結(jié)皮層土壤的常量元素地球化學(xué)特征,量化表征的成土過程不同風(fēng)化發(fā)育指標(biāo),并分析諸指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系和解釋程度,為進(jìn)一步認(rèn)識生物結(jié)皮對風(fēng)化成土和元素地球化學(xué)循環(huán)過程的驅(qū)動效應(yīng),為黃土高原脆弱生態(tài)區(qū)的土壤和生態(tài)恢復(fù)提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為黃土高原北部的六道溝小流域E 110°21′～110°23′,N 38°46′～38°51′ )。該流域位于陜西省神木市以西14 km處,為晉陜蒙3省的交界區(qū),總面積約6.9 km2,平均海拔1 184 m。在地貌類型上,六道溝流域?qū)冱S土高原向毛烏素沙地過渡的地帶,為典型的農(nóng)牧交錯帶和脆弱生態(tài)區(qū)。該流域?qū)僦袦貛О敫珊禋夂蝾愋?冬季寒冷干燥且大風(fēng)活躍,易造成風(fēng)蝕;夏季炎熱濕潤且暴雨頻發(fā),易引發(fā)水蝕。年平均氣溫為8.4 ℃,年平均無霜期為243～275 d,多年平均降水量為409 mm[17]。土壤類型方面,六道溝流域東部以黃綿土為主,西部則以風(fēng)沙土居多。流域內(nèi)的典型植物群落為沙柳(Salixcheilophila)、油松(Pinustabuliformis)、三芒草(Aristidaadscensionis)和紫花苜蓿(Medicagosativa)等。

2 材料與方法

2.1 試驗設(shè)計

共設(shè)黃綿土生物結(jié)皮、黃綿土無結(jié)皮、風(fēng)沙土生物結(jié)皮和風(fēng)沙土無結(jié)皮4種處理(圖1),每種處理5次重復(fù)。其中,黃綿土和風(fēng)沙土既是黃土高原區(qū)分布最廣的土壤類型,分別占黃土高原總面積的60.8%和13.3%;同時又是該區(qū)域最具典型性和代表性的非地帶性土壤,均屬初育土綱。此外,這2種土壤也是黃土高原生物結(jié)皮定植的主要土壤。黃綿土生物結(jié)皮蓋度一般為60%～70%,風(fēng)沙土生物結(jié)皮則可達(dá)80%～90%。

(a)和(b)為黃綿土生物結(jié)皮,(c)和(d)為風(fēng)沙土生物結(jié)皮。(a) and (b) are biocrusts on loess soil. (c) and (d) are biocrusts on aeolian sandy soil. 圖1 試驗樣地生物結(jié)皮的發(fā)育狀況Fig.1 Development status of biocrusts in the experimental plots

研究的指標(biāo)為常量元素氧化物含量和10項常量元素地球化學(xué)指標(biāo)(即土壤風(fēng)化發(fā)育指標(biāo)),包括:硅鋁鐵率、硅鋁率、淋溶指數(shù)、風(fēng)化指數(shù)、風(fēng)化淋溶系數(shù)、退堿系數(shù)、殘積系數(shù)、斜長石蝕變指數(shù)、鐵鎂質(zhì)蝕變指數(shù)以及化學(xué)蝕變指數(shù)。其中,常量元素氧化物含量為土壤中K、Na、Ca、Mg、Al、Si和Fe氧化物的絕對含量。硅鋁鐵率和硅鋁率通過土壤中SiO2和Al2O3、Fe2O3的含量比,表征土壤脫硅富鐵鋁化作用的強(qiáng)度。風(fēng)化指數(shù)通過土壤中K2O和Na2O的含量比,表征土壤中斜長石的風(fēng)化強(qiáng)度。淋溶指數(shù)、風(fēng)化淋溶系數(shù)和退堿系數(shù)反映風(fēng)化成土過程中K、Na、Ca和Mg等易遷移元素的淋失程度,而殘積系數(shù)則反映Fe、Al等穩(wěn)定性元素的相對富集程度。斜長石蝕變指數(shù)和化學(xué)蝕變指數(shù)通過土壤堿金屬氧化物的遷移比,表征長石(斜長石和鉀長石)蝕變?yōu)榇紊ね恋V物的程度。鐵鎂質(zhì)蝕變指數(shù)則表征土壤中鐵鎂質(zhì)礦物(黑云母和角閃石等)的風(fēng)化強(qiáng)度。

2.2 試驗方法

野外采樣和室內(nèi)分析工作于2021年9—11月開展。在前期調(diào)查的基礎(chǔ)上,選擇研究區(qū)內(nèi)黃綿土和風(fēng)沙土上生物結(jié)皮發(fā)育約30 a(根據(jù)退耕撂荒年限估算)的樣地為采樣區(qū)域。區(qū)域內(nèi)生物結(jié)皮廣泛發(fā)育而草灌植被稀疏,并且不受人為擾動。2種土壤的樣地面積均約200 m2,直線距離約800 m。其均位于陰坡、下坡位,坡度為0～10°。依照五點(diǎn)取樣法在每個樣地設(shè)置5個樣點(diǎn)(2 m×2 m)進(jìn)行采樣,采集包含生物結(jié)皮的0～1.5 cm表層土壤(即生物結(jié)皮層),同時采集附近的無結(jié)皮土壤作為對照(距離≤10 m)。其中,無結(jié)皮土壤作為未發(fā)育生物結(jié)皮的情況進(jìn)行對照,以探究有、無生物結(jié)皮發(fā)育對風(fēng)化成土過程的影響。

采樣區(qū)域生物結(jié)皮的主要類型為藻-蘚混生結(jié)皮。其中,黃綿土生物結(jié)皮的優(yōu)勢藻種為阿氏鞘絲藻(Lyngbyaallorgei);伴生藻種為狹細(xì)席藻(Phormidiumangustissimum)和小席藻(Phomidiumtenue)。其優(yōu)勢蘚種為尖葉對齒蘚(Didymodonconstrictus);伴生蘚種為黑對齒蘚(Didymodonnigrescens)和北地扭口蘚(Barbulafallax)。風(fēng)沙土生物結(jié)皮的優(yōu)勢藻種為顆粒顫藻(Oscillatoriagranulata);伴生藻種為珠點(diǎn)顫藻(Oscillatoriamargaritifera)和希羅鞘絲藻(Lyngbyahieronymusii)。其優(yōu)勢蘚種為雙色真蘚(Bryumdichotomum);伴生蘚種為叢生真蘚(Byumcaepiticium)和寬葉真蘚(Bryumfunkii)。如圖1所示,試驗樣地生物結(jié)皮發(fā)育狀況良好,已達(dá)到穩(wěn)定發(fā)育狀態(tài)。采樣點(diǎn)生物結(jié)皮與無結(jié)皮土壤的基本性質(zhì)見表1。

表1 采樣點(diǎn)生物結(jié)皮與無結(jié)皮土壤的基本性質(zhì)Tab.1 Fundamental properties of biocrusts and un-crusted soil in the sampling sites

樣品采集后置于室內(nèi)自然風(fēng)干并研磨和過2 mm篩。過篩后的樣品先通過硝酸-鹽酸-氫氟酸聯(lián)合微波消解法進(jìn)行消解,而后采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-AES)測定消解液中K、Na、Ca、Mg、Al、Si和Fe的全量元素質(zhì)量分?jǐn)?shù),以待進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理。

2.3 數(shù)據(jù)處理與分析

根據(jù)試驗測得的各元素含量換算得到其氧化物含量,并進(jìn)一步計算其氧化物的分子量(氧化物含量與其相對分子質(zhì)量之比)。再將氧化物的分子量代入下列計算式[18-19],即可求得各風(fēng)化發(fā)育指標(biāo)的數(shù)值。其中,風(fēng)化指數(shù)、殘積系數(shù)、斜長石蝕變指數(shù)、鐵鎂質(zhì)蝕變指數(shù)和化學(xué)蝕變指數(shù)與土壤風(fēng)化強(qiáng)度和發(fā)育程度成正相關(guān)關(guān)系,其余成負(fù)相關(guān)關(guān)系。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

式中:Saf為硅鋁鐵率;Sa為硅鋁率;β為淋溶指數(shù);μ為風(fēng)化指數(shù);ba為風(fēng)化淋溶系數(shù);Bc為退堿系數(shù);Ri為殘積系數(shù);Pi為斜長石蝕變指數(shù);Mi為鐵鎂質(zhì)蝕變指數(shù);Ci為化學(xué)蝕變指數(shù);各量綱均為1。各分子式為土壤中該氧化物的質(zhì)量分?jǐn)?shù),g/kg。

通過Microsoft Excel 2019對數(shù)據(jù)進(jìn)一步整理并初步分析,包括計算平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。使用OriginPro 2021進(jìn)行繪圖。通過IBM SPSS Statistics對不同處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析,并對不同風(fēng)化發(fā)育指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)分析和因子分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 生物結(jié)皮與無結(jié)皮土壤的常量元素氧化物含量

生物結(jié)皮與無結(jié)皮土壤中K2O、Na2O、CaO和MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低,而Al2O3、SiO2和Fe2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高(表2)。其中,生物結(jié)皮層土壤的K2O、Na2O、CaO和MgO 4種易遷移元素氧化物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著低于無結(jié)皮土壤(平均降低37.4%),而Al2O3、SiO2和Fe2O3的含量則高于無結(jié)皮土壤(平均提高36.0%)。此外,對于同種常量元素氧化物,黃綿土和風(fēng)沙土生物結(jié)皮的含量差異顯著。其中,黃綿土生物結(jié)皮的CaO、MgO、Al2O3和Fe2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于風(fēng)沙土生物結(jié)皮,而K2O、Na2O和SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)則低于風(fēng)沙土生物結(jié)皮。

3.2 生物結(jié)皮與無結(jié)皮土壤的風(fēng)化發(fā)育特征

生物結(jié)皮與無結(jié)皮土壤的不同風(fēng)化發(fā)育指標(biāo)均表現(xiàn)出明顯差異(圖2)。生物結(jié)皮層土壤的硅鋁鐵率、硅鋁率、淋溶指數(shù)、風(fēng)化淋溶系數(shù)和退堿系數(shù)均低于無結(jié)皮土壤,降幅分別為31.6%、54.0%、52.1%、23.4%和38.7%。生物結(jié)皮層土壤的風(fēng)化指數(shù)、殘積系數(shù)、斜長石蝕變指數(shù)和鐵鎂質(zhì)蝕變指數(shù)則相對較高,分別為無結(jié)皮土壤的2.2、1.5、1.4和1.1倍。這表明,相比于無結(jié)皮土壤,生物結(jié)皮層土壤的鹽基淋溶作用更強(qiáng),其斜長石、鉀長石等原生礦物向次生黏土礦物蝕變演化的程度更高。另一方面,不同類型土壤上生物結(jié)皮的風(fēng)化發(fā)育特征也具有明顯差異。黃綿土生物結(jié)皮的風(fēng)化指數(shù)、斜長石蝕變指數(shù)和鐵鎂質(zhì)蝕變指數(shù)均高于風(fēng)沙土生物結(jié)皮。其中黃綿土生物結(jié)皮的斜長石蝕變指數(shù)為54.1,相比風(fēng)沙土生物結(jié)皮提升1.4倍。黃綿土生物結(jié)皮的硅鋁鐵率、硅鋁率、淋溶指數(shù)、風(fēng)化淋溶系數(shù)和退堿系數(shù)則低于風(fēng)沙土生物結(jié)皮。其中淋溶指數(shù)的差異最大,黃綿土生物結(jié)皮的淋溶指數(shù)相比風(fēng)沙土降低74.4%。這表明,相比于風(fēng)沙土生物結(jié)皮,黃綿土生物結(jié)皮的鹽基淋溶作用更強(qiáng),原生礦物向次生黏土礦物蝕變演化的程度更高。

Saf:硅鋁鐵率,Sa:硅鋁率,β:淋溶指數(shù),μ:風(fēng)化指數(shù),ba:風(fēng)化淋溶系數(shù),Bc:退堿系數(shù),Ri:殘積系數(shù),Pi:斜長石蝕變指數(shù),Mi:鐵鎂質(zhì)蝕變指數(shù)。同一指標(biāo)不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)。Saf: silica-alumina-iron ratio; Sa: silica-alumina ratio; β: leaching index; μ: weathering index; ba: weathering and leaching coefficient; Bc: de-alkalization coefficient; Ri: residual index; Pi: plagioclase alteration index; Mi: mafic alteration index. Different lowercase letters in the same index indicate significant (P<0.05) differences among different treatments. 圖2 生物結(jié)皮與無結(jié)皮土壤的風(fēng)化發(fā)育指標(biāo)Fig.2 Weathering and pedogenic indicators of the biocrusts and un-crusted soil

生物結(jié)皮與無結(jié)皮土壤在A-CN-K(即Al2O3-CaO+Na2O-K2O)風(fēng)化趨勢圖3中的分布具有明顯差異。圖中的風(fēng)化趨勢線(黑色箭頭所示)平行于z軸時,表明土壤礦物中的斜長石處于風(fēng)化初期;風(fēng)化趨勢線越趨近y軸,意味著斜長石的風(fēng)化強(qiáng)度越高。本研究中,生物結(jié)皮和無結(jié)皮土壤的數(shù)據(jù)點(diǎn)均平行且趨近z軸分布,生物結(jié)皮的數(shù)據(jù)點(diǎn)位于風(fēng)化趨勢線前方,表明生物結(jié)皮層土壤斜長石的風(fēng)化強(qiáng)度更高,從而產(chǎn)生更多的水云母、蛭石和高嶺石等次生黏土礦物。同時,生物結(jié)皮和無結(jié)皮土壤的數(shù)據(jù)點(diǎn)均分布于PI-Ks連線2側(cè),且生物結(jié)皮更趨近Sm-IL連線,表明生物結(jié)皮層土壤中有更多的斜長石、鉀長石和黑云母風(fēng)化向蒙脫石、伊利石和白云母演化。

PI為斜長石,Ks為鉀長石,Bi為黑云母,Sm為蒙脫石,IL為伊利石,Mu為白云母,Ka為高嶺石。PI is plagioclase, Ks is potassium feldspar, Bi is biotite, Sm is montmorillonite, IL is illite, Mu is muscovite, and Ka is kaolinite. 圖3 生物結(jié)皮與無結(jié)皮土壤的A-CN-K風(fēng)化趨勢圖Fig.3 A-CN-K weathering trend diagram of the biocrusts and un-crusted soil

A-CN-K風(fēng)化趨勢圖的數(shù)據(jù)點(diǎn)可投影至縱坐標(biāo)軸得到其對應(yīng)的化學(xué)蝕變指數(shù)。該指標(biāo)具有重要的風(fēng)化指示意義,表征土壤礦物中長石的風(fēng)化強(qiáng)度。本研究中,生物結(jié)皮層土壤的化學(xué)蝕變指數(shù)平均為48.5,相比無結(jié)皮土壤提升18.6%,表明生物結(jié)皮處于初等化學(xué)風(fēng)化向中等化學(xué)風(fēng)化過渡的階段。此時其土壤礦物組成仍以長石等原生礦物為主,并逐步向次生黏土礦物蝕變演化。此外,不同類型土壤上生物結(jié)皮的化學(xué)蝕變系數(shù)有所差異。黃綿土生物結(jié)皮的化學(xué)蝕變指數(shù)相比風(fēng)沙土生物結(jié)皮提升7.7%,表明黃綿土生物結(jié)皮的長石風(fēng)化蝕變程度更高。

A-M-F(即Al2O3-MgO+CaO+Na2O+K2O-Fe2O3)和A-C-F(即Al2O3-CaO+Na2O+K2O-Fe2O3)風(fēng)化趨勢圖4中,相比于無結(jié)皮土壤,生物結(jié)皮的數(shù)據(jù)點(diǎn)更趨近風(fēng)化趨勢線的前方。這表明相比于無結(jié)皮土壤,生物結(jié)皮層土壤風(fēng)化過程中的脫鹽基作用較強(qiáng),其CaO、Na2O、K2O和MgO等易遷移元素氧化物的淋失量相對較大,而Al2O3和Fe2O3則相對富集。對于不同土壤類型,黃綿土生物結(jié)皮的數(shù)據(jù)點(diǎn)均位于風(fēng)沙土生物結(jié)皮上方,表明黃綿土生物結(jié)皮的易淋失元素氧化物含量低于風(fēng)沙土生物結(jié)皮,而Al2O3含量則高于風(fēng)沙土生物結(jié)皮。由此進(jìn)一步反映黃綿土生物結(jié)皮的風(fēng)化強(qiáng)度和土壤發(fā)育程度高于風(fēng)沙土生物結(jié)皮。

圖4 生物結(jié)皮與無結(jié)皮土壤的A-M-F和A-C-F風(fēng)化趨勢圖Fig.4 A-M-F and A-C-F weathering trend diagrams of the biocrusts and un-crusted soil

3.3 土壤風(fēng)化發(fā)育指標(biāo)的相關(guān)性和解釋程度

為從上述10種土壤風(fēng)化發(fā)育指標(biāo)中篩選和明確更具典型性和代表性者,進(jìn)一步分析各指標(biāo)的相關(guān)性和解釋程度。相關(guān)分析結(jié)果(表3)表明,不同風(fēng)化發(fā)育指標(biāo)間存在顯著的相關(guān)關(guān)系。其中風(fēng)化指數(shù)、化學(xué)蝕變指數(shù)、殘積系數(shù)、斜長石蝕變指數(shù)和鐵鎂質(zhì)蝕變指數(shù) 5種指標(biāo)間互成正相關(guān)關(guān)系;風(fēng)化淋溶系數(shù)、淋溶指數(shù)、硅鋁鐵率、硅鋁率和退堿系數(shù) 5種指標(biāo)間互成正相關(guān)關(guān)系;而前5種指標(biāo)與后5種指標(biāo)之間則成負(fù)相關(guān)關(guān)系。前5種指標(biāo)中,化學(xué)蝕變指數(shù)和斜長石蝕變指數(shù)通過土壤堿金屬氧化物的遷移比表征長石的風(fēng)化強(qiáng)度,與其他指標(biāo)的相關(guān)性較強(qiáng)。其與殘積系數(shù)和鐵鎂質(zhì)蝕變指數(shù)成極顯著正相關(guān)關(guān)系(R=0.772,P<0.001),與風(fēng)化指數(shù)成顯著正相關(guān)關(guān)系(R=0.477,P=0.035),同時還與風(fēng)化淋溶系數(shù)、淋溶指數(shù)和退堿系數(shù)成極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(R=-0.912,P<0.001)。后5種指標(biāo)中,風(fēng)化淋溶系數(shù)和退堿系數(shù)通過堿金屬氧化物與Al2O3的含量比,表征土壤脫鹽基和富鋁化作用強(qiáng)度,與其他指標(biāo)的相關(guān)性較強(qiáng)。其與淋溶指數(shù)成極顯著正相關(guān)關(guān)系(R=0.740,P<0.001),與化學(xué)蝕變指數(shù)、殘積系數(shù)、斜長石蝕變指數(shù)和鐵鎂質(zhì)蝕變指數(shù)成極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(R=-0.851,P<0.001)。

因子分析結(jié)果(表4)顯示,前2個公因子(F1和F2)可以解釋10種土壤風(fēng)化發(fā)育指標(biāo)所表征的大部分信息,累積貢獻(xiàn)率達(dá)到82.5%。其中,F1在化學(xué)蝕變指數(shù)、斜長石蝕變指數(shù)和鐵鎂質(zhì)蝕變指數(shù)上的因子載荷和得分較高,這類指標(biāo)表征土壤中長石和鐵鎂質(zhì)礦物的風(fēng)化強(qiáng)度。F2在硅鋁鐵率和硅鋁率上的因子載荷和得分較高,這類指標(biāo)表征土壤中脫硅富鐵鋁化作用的強(qiáng)度。綜合相關(guān)分析和因子分析的結(jié)果可見,化學(xué)蝕變指數(shù)和斜長石蝕變指數(shù)與其他指標(biāo)的相關(guān)性最強(qiáng),并且其對土壤風(fēng)化發(fā)育的解釋程度最高,可作為表征土壤風(fēng)化發(fā)育的典型性和代表性指標(biāo)。以此為依據(jù),生物結(jié)皮的化學(xué)蝕變指數(shù)和斜長石蝕變指數(shù)分別為48.5和45.7,相比無結(jié)皮土壤平均提升28.0%,表明生物結(jié)皮處于初等化學(xué)風(fēng)化向中等化學(xué)風(fēng)化過渡的階段,其風(fēng)化強(qiáng)度和土壤發(fā)育程度高于無結(jié)皮土壤。

表4 土壤風(fēng)化發(fā)育指標(biāo)的因子分析Tab.4 Factor analysis of soil weathering and pedogenic indicators

4 討論

4.1 生物結(jié)皮的常量元素地球化學(xué)特征及其風(fēng)化指示意義

筆者發(fā)現(xiàn),生物結(jié)皮層土壤的K2O、Na2O、CaO和MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于無結(jié)皮土壤,而Al2O3和Fe2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)則高于無結(jié)皮土壤。這表明生物結(jié)皮形成顯著促進(jìn)土壤中富K、Na、Ca和Mg礦物的風(fēng)化分解,并在降雨淋溶作用下向深層土壤遷移和淋失。同時,由于Al2O3和Fe2O3的遷移性弱于前4種元素氧化物,并且其多為原生礦物風(fēng)化的次生產(chǎn)物,因此在土壤中相對富集。本研究對土壤風(fēng)化發(fā)育指標(biāo)的分析表明,生物結(jié)皮層土壤的硅鋁鐵率和硅鋁率低于無結(jié)皮土壤,表明生物結(jié)皮形成促進(jìn)土壤的脫硅富鐵鋁化過程。土壤的脫硅富鐵鋁化作用在高溫多雨的熱帶和亞熱帶地區(qū)相對較強(qiáng),硅鋁鐵率一般僅為2～6[20]。而由于氣候類型和母質(zhì)特性不同,黃綿土和風(fēng)沙土尚屬初育階段,其脫硅富鐵鋁化過程微弱(硅鋁鐵率為12～25),但生物結(jié)皮形成仍在一定程度上促進(jìn)硅酸鹽礦物風(fēng)化和鐵鋁氧化物富集。另外,生物結(jié)皮層土壤的淋溶指數(shù)、風(fēng)化淋溶指數(shù)和退堿系數(shù)均低于無結(jié)皮土壤。此結(jié)果表明生物結(jié)皮的鹽基風(fēng)化釋放量相對較高,并且其脫鹽基作用較強(qiáng)。相關(guān)分析和因子分析表明,化學(xué)蝕變指數(shù)和斜長石蝕變指數(shù)可作為表征土壤風(fēng)化發(fā)育的典型性和代表性指標(biāo)。以此為依據(jù),本研究發(fā)現(xiàn)生物結(jié)皮層土壤的化學(xué)蝕變指數(shù)和斜長石蝕變指數(shù)均高于無結(jié)皮土壤,表明生物結(jié)皮形成促進(jìn)土壤礦物中長石的風(fēng)化蝕變,加速其向蒙脫石和伊利石等次生黏土礦物演化的進(jìn)程。

風(fēng)化趨勢圖(圖4)是基于質(zhì)量平衡原理對地表化學(xué)風(fēng)化趨勢的綜合預(yù)測,能直觀反映礦物風(fēng)化強(qiáng)度及其蝕變規(guī)律[21]。圖中結(jié)果表明,生物結(jié)皮層土壤的風(fēng)化強(qiáng)度和發(fā)育程度高于無結(jié)皮土壤。此外,研究結(jié)果還顯示,黃綿土生物結(jié)皮的風(fēng)化強(qiáng)度和土壤發(fā)育程度高于風(fēng)沙土生物結(jié)皮,而這可能是多方面原因的綜合影響所致。黃綿土和風(fēng)沙土作為不同類型土壤,其自身的發(fā)育程度和礦物組成有所差異。黃綿土的發(fā)育程度相比風(fēng)沙土更深,因而其原生礦物含量低于風(fēng)沙土而次生黏土礦物含量相對較高。如齊雁冰等[6]和崔穎穎等[22]研究表明,黃綿土的石英和高嶺石質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別約17.5%和1.8%,而風(fēng)沙土則為34.7%和0.1%。其次,相比于風(fēng)沙土,黃綿土的水熱特性較好且養(yǎng)分含量和有效性更高[23],從而有利于區(qū)域生物多樣性的提升并促進(jìn)了生物結(jié)皮的發(fā)育演替,因此生物結(jié)皮的風(fēng)化成土效應(yīng)更強(qiáng)。此外,2種土壤上生物結(jié)皮的藻、蘚和微生物群落組成均有差異,因而假根和菌絲的分布狀況、分泌物的組成和活性也不相同,致使生物風(fēng)化的驅(qū)動機(jī)制和作用強(qiáng)度存在差異。不僅如此,不同土壤上生物結(jié)皮的水熱效應(yīng)也差異顯著,并間接影響熱力、水合和溶解等風(fēng)化作用強(qiáng)度,進(jìn)而導(dǎo)致風(fēng)化成土效應(yīng)的差異。

4.2 生物結(jié)皮產(chǎn)生風(fēng)化成土效應(yīng)的機(jī)制

本研究顯示,生物結(jié)皮形成顯著驅(qū)動了風(fēng)化成土過程,促進(jìn)土壤原生礦物向次生黏土礦物的蝕變演化。生物結(jié)皮的風(fēng)化機(jī)制可歸為生物物理和生物化學(xué)2類途徑。其中,生物物理風(fēng)化主要借助結(jié)皮中苔蘚假根和藻類菌絲的作用。假根和菌絲能產(chǎn)生極強(qiáng)的機(jī)械穿透力,可深入土壤礦物晶體內(nèi)部加速其破壞和解體。如Fisk等[24]研究表明,藻類菌絲可在礦物內(nèi)部形成孔道,且孔道數(shù)量隨菌絲密度提升而增大。另外,苔蘚和藻類的假根和菌絲還具有較強(qiáng)的脹縮特性,干濕交替下生物結(jié)皮的膨脹率是無結(jié)皮土壤的8.7倍[25],而脹縮產(chǎn)生的機(jī)械力也可破壞礦物結(jié)構(gòu)。此外,土壤水分和鹽分可隨假根和菌絲的生長滲入礦物晶體內(nèi),并在蒸發(fā)和凍融作用下產(chǎn)生鹽崩和冰劈作用,進(jìn)一步加速了礦物晶體的崩解。與物理風(fēng)化相比,生物結(jié)皮的化學(xué)風(fēng)化機(jī)制則更為復(fù)雜。生物結(jié)皮可通過呼吸作用產(chǎn)生CO2,其溶解產(chǎn)生的H2CO3可驅(qū)動碳酸鹽礦物的風(fēng)化反應(yīng)[11]。在此基礎(chǔ)上,結(jié)皮中的苔蘚和藍(lán)藻能分泌具有催化作用的碳酸酐酶,使風(fēng)化反應(yīng)速率進(jìn)一步提升。同時,苔蘚和藻類生命活動產(chǎn)生的諸多化學(xué)物質(zhì)也能直接參與風(fēng)化反應(yīng),如有機(jī)酸的絡(luò)合作用、H+的酸解作用、鐵載體的螯合和氧化還原作用等[26]。不僅如此,由于礦物風(fēng)化的部分產(chǎn)物同時也是生物結(jié)皮發(fā)育演替所需的礦質(zhì)養(yǎng)分,因此生物結(jié)皮對養(yǎng)分的吸收也能促使風(fēng)化反應(yīng)平衡持續(xù)正向進(jìn)行。除直接作用外,生物結(jié)皮還可通過改善土壤水熱條件而間接影響成土進(jìn)程。如在黃土高原的研究發(fā)現(xiàn)[27-28],生物結(jié)皮發(fā)育顯著提升了表層土壤的水分有效性,在冬季可使表層土壤溫度提升1～3 ℃。由于化學(xué)風(fēng)化反應(yīng)大多需要水分參與,因此水熱條件的改善對風(fēng)化成土過程具有重要促進(jìn)意義。

除苔蘚和藻類等隱花植物外,土壤微生物及其分泌物也是生物結(jié)皮的重要組分。微生物的風(fēng)化機(jī)制可歸為3類主要途徑。礦物表面的微生物具有附著效應(yīng),能在礦物表面形成與外界物理化學(xué)條件迥異的微域環(huán)境,使礦物風(fēng)化加速。研究發(fā)現(xiàn)[29-30],微生物及其分泌物可在礦物表面形成生物膜,從而擴(kuò)大礦物表面的風(fēng)化面積,并使礦物風(fēng)化速率提升10倍以上。同時,微生物的附著可在礦物表面形成較大體積的溶蝕坑[31],加速礦物形態(tài)演化和內(nèi)部元素溶出。此外,微生物及其分泌物還可參與多種化學(xué)風(fēng)化反應(yīng),如H+的質(zhì)子交換作用、胞外聚合物的吸附和絡(luò)合作用等[32]。在養(yǎng)分脅迫下某些微生物還能利用氧化還原反應(yīng),在促進(jìn)礦物風(fēng)化的同時吸收自身所需的礦質(zhì)養(yǎng)分。如Bennett等[33]研究表明,缺磷環(huán)境下某些微生物可還原Fe-P和Al-P,從而促進(jìn)含磷礦物的風(fēng)化;Borch等[34]則發(fā)現(xiàn),鐵還原菌在還原鐵錳氧化物的同時促進(jìn)針鐵礦等次生礦物的形成,并且其分泌的電子中介體還有利于蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)化。不僅如此,土壤微生物還是推動礦質(zhì)養(yǎng)分生物小循環(huán)的關(guān)鍵因子,主導(dǎo)養(yǎng)分活化和有機(jī)質(zhì)合成等過程[35],因而也對風(fēng)化成土過程產(chǎn)生積極影響。

5 結(jié)論

1)生物結(jié)皮層土壤中K2O、Na2O、CaO和MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于無結(jié)皮土壤,而Al2O3和Fe2O3則相對富集。黃綿土生物結(jié)皮的CaO、MgO、Al2O3和Fe2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于風(fēng)沙土生物結(jié)皮,而K2O、Na2O和SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)則低于風(fēng)沙土生物結(jié)皮。

2)生物結(jié)皮層土壤的硅鋁鐵率、硅鋁率和淋溶指數(shù)等相比無結(jié)皮土壤平均降低40.0%,而風(fēng)化指數(shù)、殘積系數(shù)和斜長石蝕變指數(shù)等則平均為無結(jié)皮土壤的1.6倍。黃綿土生物結(jié)皮的風(fēng)化指數(shù)、斜長石蝕變指數(shù)和鐵鎂質(zhì)蝕變指數(shù)等均高于風(fēng)沙土生物結(jié)皮,而硅鋁鐵率、硅鋁率和淋溶指數(shù)等則相對較低。

3)生物結(jié)皮促進(jìn)土壤礦物風(fēng)化,其礦物組成以原生礦物為主,并逐步向次生黏土礦物和鐵鋁氧化物蝕變演化。黃綿土生物結(jié)皮的風(fēng)化強(qiáng)度和土壤發(fā)育程度高于風(fēng)沙土生物結(jié)皮。

4)化學(xué)蝕變指數(shù)和斜長石蝕變指數(shù)與其他指標(biāo)的相關(guān)性最強(qiáng),并且其對土壤風(fēng)化發(fā)育的解釋程度最高,可作為表征土壤風(fēng)化發(fā)育的典型性和代表性指標(biāo)。

綜上,生物結(jié)皮顯著驅(qū)動黃綿土和風(fēng)沙土這2種初育土的風(fēng)化成土過程,增強(qiáng)鹽基淋溶作用,并且提升土壤風(fēng)化強(qiáng)度和發(fā)育程度。這在黃土高原脆弱生態(tài)區(qū)的土壤發(fā)育和生態(tài)恢復(fù)方面具有積極意義。