西南典型水耕人为土诊断层黏土矿物特征.pdf

西南典型水耕人为土诊断层黏土矿物特征 徐祥明 1, 2， 覃灵华3 *， 杨 慧 2 （1. 赣南师范学院 地理与规划学院， 江西 赣州 341000；2. 国土资源部 / 广西岩溶动力学重点实验室中国地质科学院岩溶地质研究所， 广 西 桂林 541004；3. 赣南师范学院 脐橙学院， 江西 赣州 341000） 摘要 选择我国西南地区代表性水耕人为土剖面， 对其主要诊断层黏土矿物组成特征进行研究。采用沉降吸管法提取土 壤黏粒， 将其进行 Mg2饱和、 Mg2饱和加甘油处理、 K饱和加热 550 ℃三种处理后， 分别在 X- 射线衍射仪扫描， 对所获图 谱进行黏土矿物组成鉴定。实验结果显示西南地区代表性水耕人为土其诊断层黏粒黏土矿物组成特征主要为蛭石，高岭 石， 伊利石， 混层矿物等。 含少量其它黏土矿物如三水铝石， 蒙脱石等。 与旱地土壤比较， 水耕人为土的黏土矿物组成有明显 的不同。不同发育时间和水耕熟化的水耕人为土， 其黏土矿物组成和数量上也有明显差异， 研究结果对黏土矿物在水耕人 为土系统分类上的应用具有一定的理论意义。 关键词 水耕人为土； 土壤诊断层； 黏土矿物； 土壤系统分类 中图分类号 S153文献标识码A文章编号 0564-3945201402-0265-07 徐祥明, 覃灵华, 杨 慧. 西南典型水耕人为土诊断层黏土矿物特征[J]. 土壤通报, 2014, 452 265-271 XU Xiang-ming, QIN Ling-hua, YANG Hui. Clay Mineral Composition of Diagnostic Horizons in Stagnic Anthrosols Implications for Soil Taxonomic Classification [J]. Chinese Journal of Soil Science, 2014, 452 265-271 土壤通报 Chinese Journal of Soil Science 第45卷第2期 2014年4月 Vol.45,No.2 Apr.,2014 收稿日期2013-06-16；修订日期2013-07-18 基金项目国家自然科学基金 （41301226） 、 江西省自然科学基金 （20132BAB213020） 、 江西省教育厅青年科学基金 （GJJ13645） 、 岩溶动力学重点实 验室开放基金资助课题 （KDL2012-06， 201306） 资助 作者简介徐祥明 （1982-） ， 男， 讲师， 博士， 主要从事土壤地理与生态环境方向的科研和教学。E-mail xmingx2007 *通讯作者 E-mail qlhua2006 近年研究资料表明， 我国种植水稻的历史可以追 索到 12000 a B.P.，是世界灌溉稻田和古水稻土分布 最多的国家之一[1,2]。 水耕人为土 （土壤发生学分类称为 “水稻土” ） 在我国分布约有 31.04 104km2， 占全国 耕地面积的 25.35，占世界水耕人为土总面积约 23。我国水耕人为土绝大部分分布在秦岭淮河以南 的南方地区， 约占全国水耕人为土面积的 93。虽然 我国水耕人为土面积仅占耕地总面积的四分之一， 但 是每年粮食产量却占全国年总产量的 44， 所以加强 水耕人为土的基础研究， 对提高我国粮食生产水平和 稻田资源保护等都有非常重要的意义。 水耕人为土具有特殊的形成演化过程。主要如在 人工淹水条件下， 有独特的土壤水热状况； 人为耕作条 件下， 土壤定向熟化培肥； 土壤形成了特殊的诊断层和 构造特征。我国是最早研究水耕人为土的国家之一。 关于其土壤形成分类、 理化性、 肥力特性等基础研究都 有很多成果报道。土壤黏土矿物是土壤学基础研究的 重要内容， 但关于水耕人为土黏土矿物的研究一直都 很薄弱和落后， 迄今相关的研究报道屈指可数[3]。 土壤黏土矿物中， 晶质层状硅酸盐矿物是土壤物 质中最多的成分， 对土壤特性以及肥力的影响举足轻 重。 近几十年来， 随着差热分析技术、 X- 射线衍射分析 和电子显微镜技术等在土壤学的应用，使土壤黏土矿 物研究取得了长足的进步[4]。 在黏土矿物类型定性上更 准确， 在其定量分析上也有所突破[57]。 土壤系统分类是以诊断层和诊断特性为依据的土 壤分类制， 而且特别强调定量化、 指标化和具有检索功 能。 在土壤系统分类中， 土壤黏土矿物组成常常是土壤 的重要诊断属性。 而我国此方面的基础研究很薄弱， 多 数都只能依据国外的研究数据和成果来进行分析和分 类。 我国在水耕人为土的系统分类研究上， 一直处于国 际前列[8]。但不可忽视我国在该类土壤诊断层黏土矿 物组成研究上还相对滞后。本课题组选择我国西南地 区几类不同发育程度的代表性水耕人为土，先后开展 了诊断层特性、 土壤结构性与分形特征、 土壤微形态及 SEM 特征等研究[911]。本文是在上述研究基础上， 对其 中几个典型剖面主要诊断层的黏土矿物组成特性进行 研究的初步结果。 1材料和方法 1.1研究样点土壤剖面选择 采样点选择西南地区成都平原广汉市三星堆（样 第 45 卷土壤通报 点 1， 104毅11忆 E， 30毅59忆 N） 、 云贵高原的贵阳市花溪区 （样点 2， 106毅42忆 E， 26毅24忆 N） 和大理市西门乡 （样点 3， 100毅15忆 E， 25毅55忆 N） 。 根据环境状况、 考古资料和农 耕史访问等，分别在每个样点选择 2 3 个不同耕作 史和土壤发育程度的典型土壤剖面开展调查和采样研 究。土壤剖面环境概况和主要特征见表 1。 剖面编号 Profile No. 1/GS01 2/GS02 3/GS05 4/GH14 5/GH15 6/YD12 7/YD13 土层 Soil layer A P B1 B2 C A P B BC C A P B1 B2 C A AB B C A P B BC A P B1 B2 C A P B BC C 深度 Depth （cm） 0 5 5 12 12 26 26 70 70 98 0 15 15 23 23 40 40 60 60 80 0 20 20 32 32 64 64 80 80 100 0 15 15 40 40 58 58 100 0 20 20 31 31 43 43 65 0 20 20 30 30 40 40 60 60 80 0 25 25 30 30 70 70 90 90 150 土色 Soil Color （Munsell, 干态） 灰黄棕 10YR 5/2 浊黄棕 10YR 5/3 灰黄 2.5YR 7/2 橙 7.5 YR 6/6 亮棕 7.5YR 5/6 灰黄 2.5Y 6/2 浊黄 2.5Y 6/3 浊黄 2.5Y 6/4 亮黄棕 2.5Y 6/6 亮黄棕 2.5Y 7/6 暗灰黄 2.5Y 5/2 灰黄 2.5Y 6/2 黄灰 2.5Y 5/1 淡灰 2.5Y 7/1 浊黄 2.5Y 6/3 浊黄2.5Y 6/4 浊黄 2.5Y 6/4 黄棕 2.5Y 5/6 黄棕 2.5Y 5/6 黄棕 2.5Y 5/6 黄棕 2.5Y 5/6 黄橙 10YR 7/8 黄橙 10YR 7/8 暗灰黄 2.5Y 5/2 灰黄 2.5Y 6/2 淡黄 2.5Y 7/3 浊黄 2.5Y 6/4 浊黄 2.5Y 6/3 灰黄 2.5Y 7/2 灰黄 2.5Y 7/2 淡黄 2.5Y 7/4 灰黄 2.5Y 7/2 浅淡黄 2.5Y 6/2 有机质 O.M （g kg-1） 30.9 15.7 6.8 － － 20.8 14.4 9.5 10.8 － 32.7 15.9 11.9 － － 7.2 10.2 7.1 9.2 6.6 5.4 5.1 5.7 65.8 56.1 22.7 28.6 － 80.1 51.4 23.2 24.5 － 2 0.05 mm 589 717 524 459 420 817 791 797 614 687 371 410 336 188 192 108 58 71 81 220 223 327 309 414 438 536 374 316 498 474 522 550 256 0.05 0.002 mm 252 132 112 97 166 45 100 84 264 205 414 373 343 389 285 414 413 412 470 385 419 413 447 524 502 402 542 578 440 468 430 412 680 0.002 mm 159 151 364 444 414 138 109 119 122 108 215 217 321 423 523 478 529 517 449 395 358 260 244 62 60 62 84 106 62 58 48 38 64 pH 5.71 6.76 7.15 7.26 7.37 5.74 7.17 7.23 7.33 7.43 6.45 7.79 7.91 7.77 － 7.35 7.77 7.74 7.76 7.58 7.71 7.71 7.40 6.25 6.48 7.37 7.39 7.25 6.22 6.36 6.83 6.87 6.94 颗粒组成（g kg-1） Particle-size distribution 表 1典型土壤剖面诊断层特征和基本性状 Table 1Basic characteristics in typical diagnostic horizons of soil 注 pH 测定水土比为 1颐1。下同。 样点 1， 属成都平原的河成阶地地貌， 老阶地地势 较高， 不易受洪水影响， 常为古人聚落分布地带， 其周 边稻田开发也较古老， 一般土壤发育程度也较高， 低处 则反之。 所以分别根据离古遗址 （三星堆祭祀坑） 远近、 出土文物及离河距离等情，选择种稻历史分别近百年 （剖面 GS02） 、 约数百年 （剖面 GS01） 和近上千年 （剖面 GS05） 等 3 个典型剖面。 样点 2， 属石灰岩岩溶山地， 其 沟谷两侧分布由于侵蚀淤积年代和渍水状况不同， 形 成不同开发时期和土壤发育程度的稻田。分别选择发 育程度也较低 （剖面 GH14） 和较高 （GH15） 2 个剖面。 样点 3， 属山前河湖相冲沉积平原， 地处古城郊， 分布 有古老的稻田。根据距古城远近和湖水退缩年代差异 分别选择古稻田（剖面 YD12）和新稻田（剖面 13） 2 处。研究剖面的环境概况、 剖面土层 （诊断层） 组成、 形 态特征以及土壤基本理化性列表 1。 1.2研究实验方法 1.2.1土壤理化性实验土色测定采用风干后以 Munsell 比色卡比色。 颗粒组成采用简易比重计法。土 壤有机质采用湿烧法（重铬酸钾容量法－外加热法） 。 土壤酸碱度 （pH） 采用电极法测定 （水土比 1颐1） 。 266 2 期 徐祥明等院西南典型水耕人为土诊断层黏土矿物特征 1.2.2土壤黏土矿物分析和鉴定 （1） 样品在除有机 质、 除铁锰和碳酸钙后， 采用沉降吸管法提取土壤中 2 滋m 黏粒。（2） 将其进行以下处理 ① 用 1 N MgCl2溶 液饱和黏土； ② 将上述 MgCl2溶液饱和黏土制成薄膜 后加少量甘油； ③ 用 1 N KCl 溶液饱和后， 在高温炉 中加热 550 ℃保持 2 h。 （3）将上述处理后的黏土样 品， 分别在 X- 射线衍射仪扫描， 获得图谱后进行黏土 矿物鉴定。 （4） 鉴定黏土矿物， 主要根据 X- 射线衍射 图谱中， d （001） 晶面的特征衍射峰 （nm） 变化进行鉴 别。 如 伊利石的鉴别主要以各处都有 1.0 nm 峰出现。 蛭石根据镁饱和处理有 1.4 nm 峰出现， 同时在钾饱和 加热 550 ℃处理时该峰完全消失； 如果该峰不消失或 者增强， 则是绿泥石的特征。 蒙脱石主要依据镁饱和处 理有 1.4 1.5 nm 峰在甘油处理时该峰扩展至 1.7 1.8 nm。高岭石根据镁饱和处理 0.7 nm 峰出现， 同时 在钾饱和加热 550 ℃处理后该峰完全消失。 埃洛石根据 镁饱和处理，再加甘油处理后， 1.0 nm 峰扩展至 1.1 nm 峰特征[12]。 三水铝石根据镁饱和处理出现 0.48nm 和 0.44 nm 峰。混层 （或称夹层、 过渡） 矿物的鉴定比较困 难，一般可根据 1.4 nm 峰与 1.0 nm 峰间多个衍射峰 的出现； 或出现 2.4 nm， 2.8 nm 峰； 并结合其它黏土矿 物的有无进行判断。 氧化铁、 锰等氧化物和碳酸钙因为 在样品分散时， 进行了去除处理， 故未做鉴定。 2结果与讨论 2.1不同地区水耕人为土诊断层黏土矿物组成特征 四川、贵州和云南几个代表性水耕人为土剖面 主要诊断层黏粒 X- 射线衍射分析结果如图 1。对各 剖面主要诊断层黏粒的黏土矿物组成定性鉴定结果 列表 2。 剖面 Profile 1/GS01 2/GS02 3/GS05 4/GH14 5/GH15 6/YD12 7/YD13 诊断层① Diagnostic horizon A B A B A B A B A B A B A B 黏粒 （ 2 滋m） 主要黏土矿物②及相对丰度③ Clay mineral compositions Vt, Kt （） ， It （） ， Mt, C.L （） ， H.H （-） Vt, Kt （） ， It （） ， Mt, C.L （） ， H.H （-） Vt, Kt （） ， It （） ， Mt-, C.L （） ， Gb （） Vt, Kt （） ， It （） ， Mt-, C.L （） ， Gb （） Vt, Kt （） ， It （） ， Mt-, C.L （） ， Ch （-） Vt, Kt （） ， It （） ， Mt, C.L （） Vt, Kt （） ， It （） ， Mt-, C.L （） ， H.H （-） ， Ch （-） ， Gb （） Vt, Kt （-） ， It （） ， Mt-， C.L （） ， H.H （-） ， Gb （） Vt, Kt （） ， It （） ， Mt, H.H （-） ， C.L （） ， Gb （） Vt, Kt （） ， It （） ， Mt， H.H （-） ， C.L （） ， Gb （） Vt, Kt （） ， It （-） ， Mt, C.L （） ， Gb （） Vt, Kt （） ， It （） ， Mt, C.L （） ， Gb （） Vt, Kt （） ， It （） ， Mt, C.L （） ， Gb （） Vt, Kt （） ， It （） ， Mt, C.L （） ， Gb （） 表 2水耕人为土剖面的主要诊断层黏粒黏土矿物组成 Table 2Clay mineral compositions in diagnostic horizons of Stagnic Anthrosols 注 ① A 代表水耕表层和犁底层 （A 和 P） ， B 代表氧化还原层 （无说明者均指紧邻 P 层的亚层） 。②Vt- 蛭石， Mt- 蒙脱石， It- 伊利石， Kt- 高 岭石， Ch- 绿泥石， H.H- 埃洛石， Gb- 三水铝石， C.L- 混层矿物。③ 很多， 多， 少， 很少， - 未检出。 结果表明，水耕人为土代表性剖面主要诊断层黏 粒黏土矿物组成， 主要为蛭石， 高岭石， 伊利石， 混层矿 物等。其它黏土矿物在不同剖面或含三水铝石，蒙脱 石， 埃洛石等。 虽然所研究的剖面分属地理环境有较大 差异的地区， 成土母质等成土环境不同， 但可能因为都 经过长期的水耕熟化过程，土壤中黏土矿物的组成有 了较多的相似性。如黏土矿物的类型在主次矿物组成 上， 主矿物基本上都为蛭石， 次矿物大多都为高岭石。 以黏土矿物类型相对丰度比较看出，所含蛭石丰度大 多数剖面都属很多或多。 高岭石多数剖面属多， 特别是 云南剖面。 同时大多数剖面都含混层矿物， 丰度为很少 或少。 其次， 大多数剖面蒙脱石都属很少。 并且一般都 含三水铝石， 但差别较大， 如贵州剖面都为多或很多， 四川剖面则很少或没有。 值得一提的是， 从各剖面可发 现最突出的特征是基本上都不含绿泥石。 另外不同诊断层黏土矿物组成比较，大多数剖面 都有相似的黏土矿物组成特点，但也有剖面不同诊断 层黏土矿物组成有明显变化。如蛭石除云南剖面不同 诊断层黏土矿物没有明显变化外，其它剖面都有所不 同。 较多剖面不同诊断层的伊利石、 混层矿物等丰度也 有所变化。 此外因为蒙脱石很少， 因此其在剖面上的变 化也难区别。 267 第 45 卷土壤通报 图 1水耕人为土诊断层 X-射线谱 Fig. 1X-ray diffraction patterns of diagnostic horizons in Stagnic Anthrosols 角度 2兹 （毅）角度 2兹 （毅） 268 2 期 徐祥明等院西南典型水耕人为土诊断层黏土矿物特征 2.2不同熟化程度水耕人为土黏土矿物组成特征比较 本文的水耕人为土研究剖面可大致分为耕作时间 长、高度水耕熟化发育的剖面（剖面 GS05、 GH15 和 YD12） ，以及相对耕作时间短、发育程度较低的剖面 （GS02、 GH14 和 YD13） 。从诊断层黏粒 X- 射线衍射 分析图谱 （图 1） 可看出差别， 熟化程度高的水耕人为 土其 X 衍射的 1.0 nm 峰都明显地弱化、歧化和钝化， 另外在 1.0 nm 1.4 nm 和 1.4 nm 2.8 nm 之间形成 了很多的不规则衍射峰。这表明高度水耕熟化发育的 水耕人为土， 黏土矿物发生了明显变化。 2.3水耕人为土与旱地土壤黏土矿物组成特征的对比 长期的淹水稻作， 改变了土壤形成过程， 土壤中的 黏土矿物有无改变 尚是存在争议的问题。 本文将所研 究的 GS01、 GS02 和 GS05 等剖面诊断层的黏土矿物特 征， 与地理环境条件相似的旱地土壤进行比较研究。 以 探讨水耕条件对水耕人为土的黏土矿物组成的影响。 用于对比研究的剖面之一为黄色简育湿润富铁土， 位 于 GS01 等剖面所在地东部的安县茶坪乡， 旱耕地， 并 且从未开田种稻。其次为普通钙质湿润富铁土，位于 GS01 等剖面所在地北部广元市上西乡，一直为荒草 地。 土壤剖面的其它地理环境概况和主要诊断层 （富铁 层 B）土壤基本理化性列表 3。两土壤该诊断层黏粒 X- 射线衍射分析结果如图 2 和图 3。 由图谱鉴定得出 黏土矿物组成特征分别为 图 1 （续） 水耕人为土诊断层 X-射线谱 Fig. 1X-ray diffraction patterns of diagnostic horizons in Stagnic Anthrosols 注（1） 诊断层代号意义同表 2。 （2） 1-Mg- Air-dry； 2-Mg- Air-dry glycerol； 3-K- Air-dry 550 ℃； 峰高数据为晶面间距。下同。 角度 2兹 （毅）角度 2兹 （毅） 土壤 Soils 黄色简育湿润富铁土 普通钙质湿润富铁土 诊断层 Diagnostic horizons B B 深度 Depths （cm） 10 25 20 40 有机质 O.M （g kg-1） 16.9 2.3 0.02 2 mm 456.5 468.6 0.02 0.002 mm 359.0 357.4 0.002 mm 184.5 174.0 pH 5.59 7.30 颗粒组成 （g kg-1） Particle-size distribution 表 3对比研究剖面环境概况及诊断层的土壤基本理化特性 Table 3Comparison of environmental profiles and basic physicochemical features of the study soil diagnostic horizons （1） 黄色简育湿润富铁土主要的黏土矿物除石 英外， 高岭石很丰富 （丰度 ） ， 次要矿物含较多伊 利石 （丰度 ） 。 从 1.4 nm 衍射峰分析， 在 Mg 饱和处 理时出现较强的峰， 但在钾饱和加热 550 ℃后， 该峰 虽有残留， 但强度大为减弱。由此判断以蛭石为主， 有 少量绿泥石，但较上述黏土矿物少（两者丰度分别为 和 ） 。不含其它如蒙脱石、 三水铝石和夹层矿物等 黏土矿物。 269 第 45 卷土壤通报 （2） 普通钙质湿润富铁土主要的黏土矿物与黄 色简育湿润富铁土相似。不同之处为 蛭石和绿泥石含 量较多，（其中蛭石丰度为 ， 绿泥石为 ） 。同时伊 利石明显较少 （丰度 ） 。 同样几乎不含其它黏土矿物。 水耕人为土诊断层黏粒的黏土矿物组成特征与之 比较， 差异是显著的。主要表现在 ①与之有相似地理 环境条件的水耕人为土诊断层黏粒的黏土矿物组合类 型主要为蛭石－高岭石－蒙脱石－伊利石型（不计石 英， 下同） ， 或者为高岭石－蛭石－三水铝石－埃洛石 或伊利石型。而旱地土壤黏土矿物组合主要为高岭 石－伊利石－蛭石 （绿泥石） 型或者高岭石－蛭石 （绿 泥石） －伊利石型。 矿物组合类型较为简单。 ②水耕人 为土有不同程度的过渡性的混层矿物形成、但旱地土 壤几乎未见黏土矿物的过渡矿物形成。③从 X- 射线 衍射峰形态特征看，水耕人为土与旱地土壤间差别很 大。 旱地土壤衍射峰峰形尖锐、 干净、 整齐。 而水耕人为 土有的特征衍射峰形明显萎缩、 不整齐， 或出现分化现 象等。这充分表明某些黏土矿物的晶层受到一定程度 的破坏； 或表明在水耕条件下， 黏土矿物类型出现蚀变 和多样化转化。 以上比较研究结果或可说明在长期水耕耕作熟化 过程中，土壤无机胶体最重要的成分黏土矿物组 成明显发生了变化。 因此与旱地土壤相比， 其黏土矿物 组合形成了类型多样化特征。不同黏土矿物具有不同 的特性如膨胀收缩性、 交换吸收性等。 多样化的黏土矿 物组成，显然有利于理化性的互补，在调节土壤结构 性，水分养分的释放和保持等土壤肥力特性上具有重 要的意义。 3结论 应用 X- 射线衍射分析技术和方法，选择我国西 南地区代表性水耕人为土剖面，对其主要诊断层黏粒 的黏土矿物进行了详实研究。 取得了以下主要结论 水 耕人为土主要诊断层黏粒黏土矿物组成， 主要为蛭石， 高岭石， 伊利石， 混层矿物等。其它黏土矿物在不同剖 面或含三水铝石， 蒙脱石， 埃洛石等。尽管有不同的成 土环境， 但因为共同的水耕熟化过程， 水耕人为土黏土 矿物组成仍有较多相似的特点。 如与旱地土壤对比， 黏 土矿物的类型有多样化趋向。不同水耕熟化程度的水 耕人为土的黏土矿物也有明显的差别。水耕人为土主 要诊断层黏土矿物组成的变化特征主要表现在伊利 石相对减少； 混层矿物出现； 多含少量蒙脱石、 三水铝 石等； 都不含绿泥石。 参考文献 [ 1 ]龚子同, 陈鸿昭, 袁大刚. 中国古水稻的时空分布及其启示意义 [J]. 科学通报, 2007, 525 562 - 567. 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Karst Dynamics Laboratory, MLR and GZAR, Institute of Karst Geology, CAGSGuilin, 541004; 3. College of Navel Sciences, Gannan Normal University, Jiangxi, Ganzhou, 341000 AbstractClay mineral compositions of diagnostic horizons in Stagnic Anthrosols at different developmental levels in southwestern China were compared. The clay sedimentations were extracted by pipette in three treatments, including Mg2saturation, Mg2saturation plus glycerol, and Ksaturation plus 550 ℃ heating. The clay composition was investigated by X-ray scanning. Results showed that the main clay mineral compositions of Stagnic Anthrosols were vermiculite, kaolinite, illite and mixmineral etc. as well as other minerals such as gibbsite and smectite. Compared to dry land, the clay compositions of Stagnic Anthrosols were different distinctly. Also, the clay mineral compositions in diagnostic horizons of Stagnic Anthrosols at different development and paddy management levels were different obviously. These results have certain theoretical significance for the application of Stagnic Anthrosols classification. Key words Stagnic Anthrosols; Diagnostic horizon; Clay mineral; Taxonomy 271