微地形主导下紫色泥岩发育土壤的发生特征

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紫色土所在地区多为四川盆地的丘陵和山地,热量和水分在不同地形部分上重新分配,加之严重的水土流失,导致不同地形部位土壤的颗粒组成、养分含量、持水性、抗旱力和保肥性能出现差异,土壤发育程度不同。客观定量地评价土壤风化作用引起的土壤性质改变及土壤所处风化阶段是解译土壤环境变化和改善土壤环境的首要前提,我们不可以忽略土壤资源变化背后的土壤发育过程。如何有效地解决紫色土区的土壤侵蚀以及其所带来的土壤问题是目前我们面临的重要课题。因此,本研究以紫色泥岩发育的土壤为研究对象,通过对土壤形态特征、理化特征以及地球化学特征的分析,研究不同坡位(坡顶、坡肩、坡腰、坡脚及坡底)土壤的发育程度,探讨微地形条件下土壤风化发育的变化规律,为人为条件下调控紫色土成土过程提供定量依据,主要得出以下结论:(1)紫色土的形态特征通过对土壤剖面野外形态的观察和形态特征的描述,结果表明,土壤样品与母质之间存在极显著的相关性,而微地形条件下不同坡位发育的土壤表现出不同的形态特征。从丘陵坡顶到坡底,紫色土剖面构型由A-C型为主变为以A-B-C型为主,土体厚度明显增加,平均值分别为16.5 cm、35.5 cm、62.1 cm、93.6 cm,坡底土体厚度均超过100 cm;土壤对母岩岩石有继承性,土壤色调以2.5YR为主,少数为10R和5YR,土壤彩度在38之间,土壤明度在46之间;土壤质地多为砂壤土、壤土以及粘壤土,土壤结构基本都为块状结构,土壤质地和结构之间差异不大;仅少数坡脚和坡底剖面中的淀积层出现很少量的锈纹锈斑、锰质胶膜及粘粒胶膜;由于人为耕作,在土壤的耕作层内发现少数砖、瓦砾等侵入体。从土壤红化率(RR)角度分析土壤剖面发育状况,从坡顶到坡底,RR指数平均值分别为12.43、11.32、10.60、7.10、7.97,且不同发生层之间表现为C层>A层>B层,即坡脚发育的土壤红化率最低。RR指数与坡位呈负相关关系,但土壤剖面发育指数(PDI)与坡位则呈极显著的正相关关系。从坡顶到坡底,PDI指数平均值分别为6.22、15.03、26.57、41.87及45.54,即土壤剖面发育程度逐渐增大,而不同坡位土壤剖面土层发育指数(HI)表现为B层>C层>A层。RR在指示成土年龄和土壤发育具中有一定的局限性,因而PDI指数指示紫色土发育程度的效果最好,紫色土剖面的形态发育极大地受地形作用影响,坡脚和坡底的土壤发育形态程度相对较高。(2)紫色土的理化特征通过室内测定和分析土壤的物理化学性质,对比不同坡位发育土壤的理化特征,结果表明,土壤的理化特征随坡位的变化而产生差异,特别是坡腰以上(坡顶、坡肩和坡腰)和坡腰以下(坡脚和坡底)的土壤之间差异较大。土壤容重在1.21 g/cm31.89 g/cm3之间,孔隙度在25.59%52.48%之间,容重随坡位高程下降和土层深度增加而增加,孔隙度则相反;从坡顶到坡底,砂粒含量分别为43.70%、42.66%、40.98%、33.12%、24.59%,粉粒含量分别为43.68%、41.75%、40.04%、39.70%、38.88%,粘粒含量分别为12.63%、15.59%、18.98%、27.17%、36.52%,土壤颗粒逐渐细化,土壤的粉/粘比表现为坡顶>坡肩>坡腰>坡脚>坡底,坡底粉/粘比最低(平均值为1.07),土壤发育程度较大,即土壤颗粒组成对成土过程产生影响,粘粒含量是影响土壤特征决定因素的重要变量;坡顶剖面中的>0.25 mm水稳性团聚体含量最少(平均值为48.52%),坡腰剖面中的>0.25mm水稳性团聚体含量最多(平均值为56.65%),PAD表现为坡顶>坡肩>坡底>坡脚>坡腰,即坡腰发育的土壤团聚状况相对较好。从土壤化学性质来看,土壤pH在7.98.7之间,均为石灰性土壤,由于地形作用和人为耕作的扰动,相对于母质层,土壤pH降低了0.20.4;从坡顶到坡底,土壤有机质平均值分别为5.62g/kg、5.63 g/kg、8.31 g/kg、13.71 g/kg、18.39 g/kg,且坡脚、坡底、坡腰以上的土壤有机质差异显著,不同发生层之间表现为B层>A层>C层,即有机质在地形位置相对较低的淀积层累积;土壤全氮、全磷、全钾等养分元素和CEC表现为坡底>坡脚>坡腰>坡肩>坡顶,即坡脚和坡底养分累积,反映出地形位置相对较低处人为活动强度大和丘陵地区土壤侵蚀强烈的结果。(3)紫色土的地球化学特征不同坡位和不同发生层条件下,土壤地球化学特征产生差异,结果表明:从地球化学元素含量来看,SiO2含量50.00%54.62%,Al2O3含量13.47%16.55%,TFe2O3含量5.48%6.99%,MgO含量2.20%2.87%,CaO含量4.80%8.11%,Na2O含量0.59%0.87%,K2O含量2.54%3.27%,Ti2O含量0.60%0.69%,MnO含量0.08%0.12%,P2O5含量0.14%0.20%,坡脚和坡底剖面的A层和B层存在Al、Fe元素的富集,Ca、Na元素的淋失,但紫色土元素淋失并不强烈。从土壤化学风化指标来看,从坡顶到坡底,CIA值分别为71.78、73.17、72.51、74.55、74.50,CIW值分别为84.47、86.33、85.57、88.00、87.87,Na/K比值分别为0.44、0.38、0.40、0.33、0.34,化学风化程度表现为坡脚>坡底>坡腰>坡肩>坡顶,剖面中的B层CIA值、CIW值显著高于A层和C层;A-CN-K三角图中,土壤化学风化的趋势指向大致与A-CN连线平行,矿物成分仍以伊利石和蒙脱石为主,整个成土过程中化学风化程度较弱,土壤处于中等化学风化水平。从土壤元素迁移来看,地球化学元素在不同地形部位的迁移性存在差异,如Ca和Na元素在坡顶、坡腰和坡脚的平均迁移系数由正值变负值,迁移方向由富集变为淋溶,而Al、Fe和Mg元素则由先淋溶变为后富集,但土壤各元素相对于钛的迁移强度都较弱,仅坡脚剖面中的Ca迁移强度显著高于Ti元素。综上而言,丘陵中上部排水良好,风化物在重力和地表径流作用下搬运流失,新岩石常常被暴露,因而土壤发育程度较低;而在丘陵坡脚和坡底等地势较平坦的地方,水分条件充足,水分与土壤和沉积物长期接触发生进一步的化学风化,因而土壤发育程度较高。微地形条件下紫色土的发育除受母质影响,还与地形作用显著相关,丘陵地区的土壤侵蚀不仅使紫色土颗粒细化,物理风化加强,同时促进紫色土的化学风化。
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