辽宁朝阳凤凰山古土壤铁锰胶膜及其基质矿质全量的比较研究

王丹丹　陶敬　马志强

摘要：对比分析辽宁省朝阳市凤凰山古土壤剖面的土壤与土壤铁锰胶膜的化学组成，从土壤微环境方面对剖面各层次的基本理化性质和水热条件进行探讨。研究结果表明：土壤铁锰胶膜在物质组成和化学性质上与整个土体和基质有明显差异，土壤铁锰胶膜的全量化学组成符合风化壳组成规律，以SiO2，Al2O3，Fe2O3为主；剖面的胶膜主要是大量的铁锰胶膜和少量的粘粒胶膜；S1—S4古红土地层代表的气候条件较L2—L4古黄土地层代表的气候条件湿润的多。

关键词：铁锰胶膜；古土壤；微环境；风化指标；朝阳

中图分类号：S153.6+1；S151+3 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2014）02-0010-04

古土壤是在过去成土条件影响下形成的、较稳定的地理环境因素载体，记录了大量的古环境信息。根据这一特点对古土壤进行研究，能够解译古气候、古环境信息，有助于恢复重建古地理、古生态和古景观。研究表明，古红土是湿热条件下形成的古土壤，古黄土则是冷干条件下形成的古土壤。然而，前人多以整个土体为研究对象，忽略了土壤是一个非均质体的事实。对古土壤微环境进行研究，能使古成土形成过程中留下的印迹清晰地展现出来，因此近年来相关研究越来越受到重视。

土壤铁锰胶膜是土壤微环境的记录体，是在土壤形成和发育过程中，由粘粒、游离氧化物、碳酸盐、腐殖质等细粒物质通过浓聚、淀积或析离，在土壤缝隙（或孔隙表面）以及机构体（或颗粒）表面形成的一种膜状结构。目前，关于热带、亚热带不同类型土壤中的铁锰胶膜研究较多，对不同气候条件下的土壤铁锰胶膜研究较少。

朝阳市地处辽宁西部，是东北地区第四纪古红土分布范围较大的地区，凤凰山古土壤剖面因当地建筑取土而成。其位于松岭山脉中段凤凰山附近的山间盆地内，是东北地区古红土研究的理想剖面。近年来，对辽宁朝阳凤凰山古土壤序列剖面的研究较多，但这些研究都是从土壤学整体进行分析的，在土壤微环境分析方面还是空白。为此，在前人研究的基础上，以土壤铁锰胶膜为研究对象，分析辽宁朝阳凤凰山古土壤剖面的微形态及微环境，旨在为微环境与古气候的关系研究奠定理论基础。

1 材料与方法

1.1 剖面介绍

供试土壤为辽宁省朝阳市双塔区凌凤街荒甸子村的凤凰山剖面，此剖面由当地建筑取土而成，地理坐标为E120°30′20.8″，N41°33′09.6″。剖面总厚度19.85 m，未见地层底界，顶部为棕色土层。根据颜色、结构、紧实度和层间接触关系等，将凤凰山古土壤剖面划分为10个土壤地层、41个土壤发生层。就土壤地层而言，最上部108 cm是发育在洪积物上的现代土壤层（S0），底部以一薄层灰岩砾石层（7 cm）与其下伏黄土层L1呈不整合接触；S0层以下相间分布5个黄土层（L1～L5）和4个红土层（S1～S4），向下为相间分布的5个黄色土层和4个红色土层（见图1）。经国家地震局采用电子自旋共振法（ESR法）测定，确定剖面的时间跨度约为0～423 Ka B.P.。

供试土壤按土壤地层采集，每个土壤地层选择具有典型土壤铁锰胶膜的部位。但是，受长时间自然因素及人为破坏等影响，只采集到红土地层S1～S4、黄土地层L2～L4的土样。S3与L4之间存在典型铁锰胶膜过渡层土壤，不具有代表性。

1.2 样品处理

土壤铁锰胶膜由铁和锰的氧化物（或水合氧化物）组成，包被在土粒外部，具有蜡状光泽表面，颜色为红色（或深褐色）或黑色。取样时，选取具有典型铁锰胶膜的土块。土块经自然风干后，用不锈钢刀片将带色的铁锰胶膜轻轻刮下（深褐色或黑色部分刮净），所刮胶膜的厚度一般小于1 mm，磨细，过筛，即为铁锰胶膜土样。刮净胶膜的土壤过筛，作为基质土样。

1.3 试验方法

pH值：2.5∶1.0水土比—pH计法；非晶质铁、锰：草酸铵缓冲液浸提原子吸收法；晶质铁、锰：用DCB法（柠檬酸钠—重碳酸钠—连二硫酸钠）提取，原子吸收法测定；交换性钾、钙、钠、镁：醋酸铵提取，原子吸收法测定；全量：碳酸锂—硼酸熔融法提取，ICP测定；有机质：元素分析仪测定。

2 结果与分析

2.1 主要氧化物在土壤铁锰胶膜及基质中的分布特征

对凤凰山古土壤及其胶膜元素成分的分析结果表明：基质和胶膜的化学组成均符合风华壳组成规律，以Fe2O3，Al2O3，SiO2为主，这3种成分在基质中的含量分别为53.22～68.43 g/kg，153.25～173.48 g/kg，520.73～715.39 g/kg，在胶膜中的含量分别为52.50～69.42 g/kg，156.13～174.06 g/kg，633.38～684.50 g/kg；胶膜中各元素的平均含量比基质高，但差异不大，说明Fe2O3，Al2O3，SiO2是比较稳定的化学元素，不易被淋洗和迁移，但过渡层和L4层基质中的SiO2含量明显高于胶膜，由于Si02是很难风化和迁移的，因此可能是由母质不同导致的。

主要氧化物在土壤铁锰胶膜及基质中的分布见图2。

从图2可以看出：3种元素无论是在基质中还是在胶膜中，在地层由上至下的分布都具有一定规律；在各个土壤地层中Fe2O3和Al2O3的规律一致，地古红土中的平均含量高于古黄土；SiO2与其相反，在古黄土中的平均含量高于古红土，说明古红土的脱硅富铝作用强于古黄土。

2.2 其他氧化物在土壤铁锰胶膜及基质中的分布特征

基质中的全量K，Na，Ca，Mg含量分别为27.70～29.00 g/kg，5.10～21.81 g/kg，6.00～10.14 g/kg，9.02～14.93 g/kg，而胶膜中的全量K，Na，Ca，Mg含量分别为27.87～30.00 g/kg，11.02～28.51 g/kg，10.99～28.17 g/kg，11.02～28.17 g/kg。

由图3可以看出，上述4种元素在胶膜中的含量均比在基质中高。T检验可以看出，除K元素外，其余3种元素均达到显著性或极显著性水平，说明Na2O，CaO，MgO较其他元素容易被淋洗出土体，并随淋溶作用加强而发生迁移。从图3还可以看出，CaO，Na2O的含量在古红土中的含量均比在古黄土中的低，显示出易移动元素的迁移特征，即这2种元素在古红土中较易迁移。

易淋溶氧化物在土壤铁锰胶膜及基质中的分布见图4。相关研究表明，胶膜的物质来源和形成机制是多方面的。曹升赓指出，氧化还原、溶解沉淀作用可在土壤结构体表面（或孔隙壁）形成主要组成物质为铁、铝、氧化锰及碳酸盐的胶膜。由图2可知，基质和胶膜中的Fe2O3，Al2O3含量没有明显差异。但由图4（3）可以看出，氧化物MnO2在基质（0.84～1.46 g/kg）和胶膜（1.58～3.65 g/kg）中的含量存在极显著性差异。这说明朝阳凤凰山剖面形成的铁锰胶膜主要成分为锰，明显特点是古红土中的锰含量明显高于古黄土，这与Fe2O3的规律是一致的，表明锰元素具有与铁相似的积聚特点。

TiO2在基质中的含量为7.81～8.53 g/kg，在胶膜中的含量为7.89～8.90 g/kg。由图4（1）可以看出，无论是在基质及铁锰胶膜中，还是在古红土和古黄土中，TiO2的变化规律与Al2O3一致，差异均不大，说明稳定的TiO2很难迁移。

P2O5在基质中的含量为0.33～0.85 g/kg，在胶膜中的含量为0.43～1.28 g/kg，略高于基质，但二者未达到显著性水平。从图4（2）中还可以看出，古红土和古黄土中的P2O5含量差异不明显，说明P2O5比较稳定，难迁移。

3 结论

1）土壤铁锰胶膜在物质组成和化学性质上与整个土体和基质有明显差异，且土壤铁锰胶膜的全量化学组成符合风化壳组成规律，以SiO2，Al2O3，Fe2O3为主。

2）朝阳凤凰山剖面的胶膜主要是大量的铁锰胶膜和少量的粘粒胶膜。

3）胶膜的基本性质和整个土体具有一定的规律性。土壤微域环境中的铁锰胶膜可以反映不同的水热条件。从朝阳凤凰山剖面的铁锰胶膜性质可以推断，经过多个气候变迁，S1—S4地层是在湿热条件下形成的，L2—L4是在冷干条件下形成的，与以往对朝阳凤凰山剖面规律的研究结论一致。

参考文献

[1] 胡雪峰，龚子同.江西九江泰和第四纪红土成因的比较研究[J].土壤学报，2001，38（1）：1-9.

[2] 潘美慧，宋春晖.甘肃天水地区中新世古土壤的微形态特征及其古环境意义[J].土壤学报，2009，46（7）：578-585.

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[7] 韩春兰，王秋兵.辽宁朝阳凤凰山剖面古土壤序列土壤发育特征研究[J].土壤通报，2010，41（6）：1 281-1 287.

由图3可以看出，上述4种元素在胶膜中的含量均比在基质中高。T检验可以看出，除K元素外，其余3种元素均达到显著性或极显著性水平，说明Na2O，CaO，MgO较其他元素容易被淋洗出土体，并随淋溶作用加强而发生迁移。从图3还可以看出，CaO，Na2O的含量在古红土中的含量均比在古黄土中的低，显示出易移动元素的迁移特征，即这2种元素在古红土中较易迁移。

易淋溶氧化物在土壤铁锰胶膜及基质中的分布见图4。相关研究表明，胶膜的物质来源和形成机制是多方面的。曹升赓指出，氧化还原、溶解沉淀作用可在土壤结构体表面（或孔隙壁）形成主要组成物质为铁、铝、氧化锰及碳酸盐的胶膜。由图2可知，基质和胶膜中的Fe2O3，Al2O3含量没有明显差异。但由图4（3）可以看出，氧化物MnO2在基质（0.84～1.46 g/kg）和胶膜（1.58～3.65 g/kg）中的含量存在极显著性差异。这说明朝阳凤凰山剖面形成的铁锰胶膜主要成分为锰，明显特点是古红土中的锰含量明显高于古黄土，这与Fe2O3的规律是一致的，表明锰元素具有与铁相似的积聚特点。

TiO2在基质中的含量为7.81～8.53 g/kg，在胶膜中的含量为7.89～8.90 g/kg。由图4（1）可以看出，无论是在基质及铁锰胶膜中，还是在古红土和古黄土中，TiO2的变化规律与Al2O3一致，差异均不大，说明稳定的TiO2很难迁移。

P2O5在基质中的含量为0.33～0.85 g/kg，在胶膜中的含量为0.43～1.28 g/kg，略高于基质，但二者未达到显著性水平。从图4（2）中还可以看出，古红土和古黄土中的P2O5含量差异不明显，说明P2O5比较稳定，难迁移。

3 结论

1）土壤铁锰胶膜在物质组成和化学性质上与整个土体和基质有明显差异，且土壤铁锰胶膜的全量化学组成符合风化壳组成规律，以SiO2，Al2O3，Fe2O3为主。

2）朝阳凤凰山剖面的胶膜主要是大量的铁锰胶膜和少量的粘粒胶膜。

3）胶膜的基本性质和整个土体具有一定的规律性。土壤微域环境中的铁锰胶膜可以反映不同的水热条件。从朝阳凤凰山剖面的铁锰胶膜性质可以推断，经过多个气候变迁，S1—S4地层是在湿热条件下形成的，L2—L4是在冷干条件下形成的，与以往对朝阳凤凰山剖面规律的研究结论一致。

参考文献

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[7] 韩春兰，王秋兵.辽宁朝阳凤凰山剖面古土壤序列土壤发育特征研究[J].土壤通报，2010，41（6）：1 281-1 287.

由图3可以看出，上述4种元素在胶膜中的含量均比在基质中高。T检验可以看出，除K元素外，其余3种元素均达到显著性或极显著性水平，说明Na2O，CaO，MgO较其他元素容易被淋洗出土体，并随淋溶作用加强而发生迁移。从图3还可以看出，CaO，Na2O的含量在古红土中的含量均比在古黄土中的低，显示出易移动元素的迁移特征，即这2种元素在古红土中较易迁移。

易淋溶氧化物在土壤铁锰胶膜及基质中的分布见图4。相关研究表明，胶膜的物质来源和形成机制是多方面的。曹升赓指出，氧化还原、溶解沉淀作用可在土壤结构体表面（或孔隙壁）形成主要组成物质为铁、铝、氧化锰及碳酸盐的胶膜。由图2可知，基质和胶膜中的Fe2O3，Al2O3含量没有明显差异。但由图4（3）可以看出，氧化物MnO2在基质（0.84～1.46 g/kg）和胶膜（1.58～3.65 g/kg）中的含量存在极显著性差异。这说明朝阳凤凰山剖面形成的铁锰胶膜主要成分为锰，明显特点是古红土中的锰含量明显高于古黄土，这与Fe2O3的规律是一致的，表明锰元素具有与铁相似的积聚特点。

TiO2在基质中的含量为7.81～8.53 g/kg，在胶膜中的含量为7.89～8.90 g/kg。由图4（1）可以看出，无论是在基质及铁锰胶膜中，还是在古红土和古黄土中，TiO2的变化规律与Al2O3一致，差异均不大，说明稳定的TiO2很难迁移。

P2O5在基质中的含量为0.33～0.85 g/kg，在胶膜中的含量为0.43～1.28 g/kg，略高于基质，但二者未达到显著性水平。从图4（2）中还可以看出，古红土和古黄土中的P2O5含量差异不明显，说明P2O5比较稳定，难迁移。

3 结论

1）土壤铁锰胶膜在物质组成和化学性质上与整个土体和基质有明显差异，且土壤铁锰胶膜的全量化学组成符合风化壳组成规律，以SiO2，Al2O3，Fe2O3为主。

2）朝阳凤凰山剖面的胶膜主要是大量的铁锰胶膜和少量的粘粒胶膜。

3）胶膜的基本性质和整个土体具有一定的规律性。土壤微域环境中的铁锰胶膜可以反映不同的水热条件。从朝阳凤凰山剖面的铁锰胶膜性质可以推断，经过多个气候变迁，S1—S4地层是在湿热条件下形成的，L2—L4是在冷干条件下形成的，与以往对朝阳凤凰山剖面规律的研究结论一致。

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