不同成土母质及土地利用对红壤机械组成的影响

孙佳佳，王 培，王志刚，陈小平，潘晓颖

(1.长江科学院 水土保持研究所，武汉 430010；2.长江水资源保护科学研究所，武汉 430051)

不同成土母质及土地利用对红壤机械组成的影响

孙佳佳1，王 培2，王志刚1，陈小平1，潘晓颖1

(1.长江科学院 水土保持研究所，武汉 430010；2.长江水资源保护科学研究所，武汉 430051)

土壤机械组成是土壤最基础的资料之一，在土壤结构性等方面扮演重要角色，它受到成土母质、气候、地形、生物和人类活动等因素影响。根据《中国土种志》及部分地方土壤志记载的333个红壤剖面数据，研究了红壤机械组成受成土母质和土地利用的影响程度。结果表明：成土母质和土地利用均可以对红壤机械组成产生影响；成土母质与土地利用相比，前者对于红壤机械组成的影响更为深刻；土地利用对红壤机械组成影响不大。成土母质对红壤机械组成的解释程度随着深度的增加而增大，可解释红壤机械组成变异的25%左右。研究成果可为红壤性质的研究以及红壤的改良与农业利用提供理论支持。

土壤机械组成；成土母质；土地利用；红壤；变异

1 研究背景

土壤机械组成是构成土壤固相结构的主要组分[1]，决定了土壤渗透性、可蚀性[2]等物理行为，其受成土母质的特点和土地利用等因素的影响。红壤是我国亚热带地区具有富铝化特征的一类主要土壤类型[3]，土壤机械组成直接关系着土壤松紧程度、孔隙数量，从而影响着土壤通气、透水及环境背景值等性能，是评价土壤基本性质和形成环境的一个重要指标。因此开展红壤机械组成与成土母质及土地利用关系的研究对进一步了解我国红壤特征有重要意义。

已有研究表明[4-6]：红壤的机械组成与其成土母质密切相关，玄武岩风化壳上发育的红壤，机械组成以黏粒为主；而花岗岩风化壳上发育的红壤颗粒组成较粗。土地利用作为人类利用土地各种活动的综合反映[7]，也在一定程度上影响土壤的机械组成状况[8]。彭佩钦等[9]研究表明垦殖水田的土壤黏粒含量低于滩地，草地与森林和农田相比能维持较高的土壤黏粒含量[10]。苏永中等[11]通过研究认为，对退化沙质草地的开垦会大幅度降低土壤细颗粒组分的含量，围封恢复则会显著提高其含量。杨刚等[12]研究发现，以种植杨树作为湿地恢复模式的样地促进了黏粒和粉粒的形成。

目前研究多为定性表述成土母质及土地利用对土壤机械组成产生影响，然而两者各自的作用程度，研究尚不深入，且在土壤剖面层次上的分析较少。本文通过研究红壤与成土母质和土地利用的关系，试图定量地阐明成土母质、土地利用对于红壤的影响，期望能为红壤性质的研究以及红壤的改良与农业利用提供理论支持。

2 材料与方法

2.1 数据来源

本研究所用的数据引自全国第2次土壤普查，包括《中国土种志》1卷、3卷以及福建、浙江、江西、湖南、湖北、安徽、广东、广西、海南各省土种志中记载的333个信息较为齐全的典型红壤剖面。红壤剖面信息主要包括土壤类型、土壤机械组成、采样点位置、成土母质和土地利用方式等信息，典型剖面示例如表1所示。其中土壤粒径分级采用美国农业部提出的USDA制分类，即砂粒粒径为2～0.05 mm、粉粒粒径为0.05～0.002 mm和黏粒粒径为<0.002 mm。

333个红壤剖面中包括旱地143个、草地16个和林地174个，由于草地剖面数量较少，本文将草地与林地合并为一类，来探讨农业利用对于土壤机械组成的影响。根据记录，红壤的成土母质主要包括第四纪红黏土、花岗岩、砂页岩、石灰岩及玄武岩5个主要的类型。

2.2 研究区概况

南方红壤丘陵区，以大别山为北屏，巴山、巫山为西障(含鄂西全部)，西南以云贵高原为界(包括湘西、桂西)，东南直抵海域并包括台湾、海南岛及南海诸岛。包括广东、广西、福建、台湾、江西、湖南、湖北、浙江、安徽、江苏等省的部分地区。总面积均118万km2，约占我国国土陆地面积的12.3%。记载的红壤剖面点主要处于我国地势中的第2，3级阶梯上，地形起伏较大。气候以热带、亚热带季风气候为主，年均降水量为900～2 100 mm，主要集中在4—9月份，强度大，地表风化作用强烈。

表1 典型剖面示例Table 1 Information of typical profile

2.3 数据处理

我国已有的土壤剖面调查方法都是建立在土壤发生的理论与方法上。土壤剖面层次均为土壤的发生层次，剖面层次采集的深度不一致。为进行统一的分析与比较，将红壤剖面发生层次的特征分析数据估算为剖面层次特征参数，各层次均转化为0～10，10～20，20～30，30～70，>70 cm。

估算方法的基本思路为，以发生土层厚度占该土层总厚度的百分数作为发生层次土壤特征数据值，并计算各层土壤特征数据值的贡献率(权重)。估算公式为

式中：y为计算层次的土壤特征值；Xi为计算层次所在发生层次i的土壤特征数据值；Ai为计算层次在发生层次i中的厚度；h为计算层次的厚度；n为与计算层次有关的发生层的个数，一般n=2。该计算方法的假设条件是每个发生层次的土壤特征值是均一的，这与土壤剖面发生层调查假设理论相一致[13]。

在对数据分析整理的基础上，应用统计分析软件SPSS13.0，成土母质和土地利用方式为分类变量，采用哑变量(Dummy variable)为其赋值[14]，运用方差分析、回归分析等方法，研究红壤机械组成与成土母质、土地利用之间的关系。

3 结果与讨论

3.1 红壤机械组成特征分析

将333个红壤剖面机械组成进行特征分析，由表2可知，从表层到底层，黏粒平均含量分别为28.12%，29.92%，32.04%，32.76%，32.54%，对照美国农部制土壤质地三角图，红壤整体质地偏黏，这主要是因为本区域气温高降水丰沛，矿物风化作用强烈。除0～10 cm表层外，其余层次均表现为砂粒变异系数稍大，且随着剖面深度的增加，砂粒变异系数逐渐增大，最大值出现在底层(>70 cm)，为51.95%；粉粒在整个剖面中变异较稳定，基本维持在30%；黏粒在0～10 cm表层和>70 cm底层的变异系数较大，分布范围为44.59%～44.74%，10～70 cm层次变异系数较小，分布为42.39%～42.99%内。

表2 红壤剖面机械组成特征(N=333)Table 2 Characteristics of mechanical compositionof red soil(N=333) %

总体来看红壤3种粒级间的变异系数差异不大，其砂粒、粉粒和黏粒均存在一定程度的变异。红壤地带是重要的农林垦殖基地，然而其整体特征为质黏、持水孔隙度高，其中包括大量的由束缚水所占有的孔隙，吸力大，根系难以利用，耕性较差[1]。在红壤利用过程中，可增加耕层沙粒和粗粉粒含量，改变红壤机械组成 ，人为改土培肥，提高作物产量。

3.2 成土母质对红壤机械组成的影响

3.2.1 林草地上不同母质对红壤机械组成的影响

在190个林草地剖面上分析6种母质对红壤机械组成的影响，由方差分析(表3)可知，从整个剖面上来看，第四纪红黏土与花岗岩对红壤的机械组成影响显著；第四纪红黏土与砂页岩对砂粒、黏粒的影响差异显著；同样，花岗岩与玄武岩亦存在对砂粒、黏粒影响差异显著；花岗岩与石灰岩对砂粒、粉粒的影响差异显著；石灰岩与玄武岩对粉粒、黏粒的影响差异显著；砂页岩与玄武岩对黏粒的影响差异显著。这是由于花岗岩、砂岩等的风化物含石英多，质地粗；玄武岩、页岩等的风化物，粗的石英颗粒含量少，细粒物质含量多[5]。

表3 林草地不同母质对红壤机械组成影响的方差分析(N=190)Table 3 Variance analysis of the impact of parentmaterials on red soil’s mechanical composition in forestand grass land(N=190)

注：同行相同字母表示差异不显著，不同字母表示差异显著。

目前，我国南部山地丘陵原始植被破坏，林地多退化为次生林，林下土壤表面裸露程度高，且季节性暴雨侵蚀严重，红壤表层沙化较严重[15-17]。然而以上分析说明，在林草地土地利用类型条件下，不同母质仍对红壤机械组成产生影响，这充分说明成土母质与红壤机械组成有着密切关系。

3.2.2 旱地上不同母质对红壤机械组成的影响

在143个旱地剖面上分析不同母质对红壤机械组成的影响，由方差分析(表4)可知，旱地上不同母质对红壤机械组成的影响与林草地稍有不同。从整个剖面上来看，砂页岩与石灰岩对红壤的机械组成影响显著(除>70 cm层黏粒外)；对砂粒、黏粒影响显著的有第四纪红黏土与花岗岩、第四纪红黏土与砂页岩、花岗岩与玄武岩；石灰岩与玄武岩对粉粒、黏粒的影响差异显著；第四纪红黏土与石灰岩对粉粒影响差异显著。坡积物与石灰岩仅在0～20 cm层对粉粒的影响差异显著。

表4 旱地不同母质对红壤机械组成影响的方差分析(N=143)Table 4 Variance analysis of the impact of parentmaterial on red soil’s mechanical compositionin arid land (N=143)

注：同行相同字母表示差异不显著，不同字母表示差异显著。

总结以上分析，从对黏粒、粉粒和砂粒影响来看，林草地上表现为第四纪红黏土与花岗岩对3个粒级均影响显著，而旱地上为砂页岩与石灰岩对其影响显著。对砂粒、黏粒影响，林草地表现为第四纪红黏土与砂页岩、花岗岩与玄武岩对两者影响显著，而旱地上第四纪红黏土与砂页岩、花岗岩与玄武岩、第四纪红黏土与花岗岩。对砂粒、粉粒的影响，林草地上为花岗岩与石灰岩。对粉粒、黏粒的影响，林草地与旱地相同，均为石灰岩与玄武岩对其影响显著。另外，林草地土地利用类型上砂页岩与玄武岩对黏粒的影响差异显著；旱地上第四纪红黏土与石灰岩对粉粒影响差异显著。

表5 成土母质对红壤机械组成回归判定系数Table 5 Regression coefficients of parent material’simpact on red soil’s mechanical composition

注：表中数据均达到0.01显著水平。

3.3 土地利用对红壤机械组成的影响

将红壤剖面按母质类型归类，在相同的母质条件下做土地利用对红壤机械组成的方差分析(表6)，以消除成土母质因素对机械组成的影响。在花岗岩母质上，红壤0～10 cm表层粉粒表现出受林草地与旱地土地利用方式的影响，这可能是由于发育在花岗岩上的土壤剖面具有显著的层次结构，各层次的颗粒组成有很大的差异，加之耕作植被地下根系分布及分泌物造成的[8]。玄武岩母质上，土地利用对>30 cm土层中的粉粒影响显著差异。在第四纪红黏土、砂页岩、石灰岩3类母质上，林草地和旱地两种土地利用方式没有对红壤机械组成表现出影响。

表6 相同母质下土地利用对红壤机械组成影响的T检验Table 6 T-test of the impact of different land use on red soil’s mechanical composition (the same parent material)

注：同行相同字母表示差异不显著，不同字母表示差异显著。

4 结 论

成土母质和土地利用均可以对红壤机械组成产生影响，从以上阐述可知，成土母质与土地利用相比，前者对于红壤机械组成的影响更为深刻。相同的土地利用类型条件下，不同成土母质间相互比较，均可以发现母质对机械组成的影响，如林草地上，第四纪红黏土与花岗岩对黏粉砂3个粒级均影响显著，而旱地上为砂页岩与石灰岩对其影响显著。成土母质对红壤机械组成的解释程度随着深度的增加而增大，可解释红壤机械组成变异的25%左右。

花岗岩母质下，土地利用对剖面表层0～10 cm的粉粒产生差异影响，玄武岩母质上，土地利用对>30 cm土层中的粉粒影响显著差异。其他母质类型上，草地和旱地2种土地利用方式没有对红壤机械组成表现出影响。因此，土地利用对红壤机械组成影响不大。

[1] 黄昌勇.土壤学[M].北京:中国农业出版社,2000.(HUANG Chang-yong.Pedology[M].Beijing: China Agriculture Press,2000.(in Chinese))

[2] YU Dong-sheng,SHI Xue-zheng,WEINDORF D C.Relationships Between Permeability and Erodibility of Cultivated Acrisols and Cambisols in Subtropical China[J].Pedosphere,2006,(16):304-311.

[3] 全国土壤普查办公室.中国土壤[M].北京:中国农业出版社,1998.(The National Bureau of General Detailed Soil Survey.Chinese Soil[M].Beijing: China Agriculture Press,1998.(in Chinese))

[4] 史学正.扩展式土壤颗粒组成分析法[J].土壤,1993,(3):162-164.(SHI Xue-zheng.Extended Analysis of Soil Particle Composition[J].Soils,1993,(3):162-164.(in Chinese))

[5] 李庆逵.中国红壤[M].北京:科学出版社,1983.(LI Qing-kui.Chinese Red Soil[M].Beijing: Science Press,1983.(in Chinese))

[6] 钟继洪,李淑仪,林美莹,等.广东坡地红壤颗粒组成状况的研究[J].热带亚热带土壤科学,1998,(7):93-97.(ZHONG Ji-hong,LI Shu-yi,LIN Mei-ying,etal.Research on the Characteristics of Particle Composition of Red Soils in Guangdong[J].Tropical and Subtropical Soil Science,1998,(7): 93-97.(in Chinese))

[7] WILLIAM B,MEYER B,TURNER L.Changes in Land Use and Land Cover: A Global Perspective[M].Cambridge: Cambridge University Press,1994.

[8] 田佳倩,周志勇,包 彬,等.农牧交错区草地利用方式导致的土壤颗粒组分变化及其对土壤碳氮含量的影响[J].植物生态学报,2008,(32):601-610.(TIAN Jia-qian,ZHOU Zhi-yong,BAO Bin,etal.Variations of Soil Particle Size Distribution with Land-Use Types and Influences on Soil Organic Carbon and Nitrogen[J].Acta Phytoecologica Sinica,2008,(32): 601-610.(in Chinese))

[9] 彭佩钦,张文菊,童成立,等.洞庭湖湿地土壤碳、氮、磷及其与土壤物理性状的关系[J].应用生态学报,2005,(16):1872-1878.(PENG Pei-qin,ZHANG Wen-ju,TONG Cheng-li,etal.Soil C,N and P Contents and Their Relationships with Soil Physical Properties in Wetlands of Dongting Lake Floodplain[J].Chinese Journal of Applied Ecology,2005,(16): 1872-1878.(in Chinese))

[10]ISLAM K,WEIL R.Land Use Effects on Soil Quality in a Tropical Forest Ecosystem of Bangladesh[J].Ecosystems and Environment,2000,79(1): 9-16.

[11]苏永中,赵哈林,文海燕.退化沙质草地开垦和封育对土壤理化性状的影响[J].水土保持学报,2002,16(4):5-8.(SU Yong-zhong,ZHAO Ha-lin,WEN Hai-yan.Cultivation and Enclosure Effects on Soil Physicochemical Properties of Degraded Sandy Grassland[J].Journal of Soil and Water Conservation,2002,16(4):5-8.(in Chinese))

[12]杨 刚,谢永宏,陈心胜,等.退田还湖后洞庭湖区土壤颗粒组成和化学特性的变化[J].生态学报,2009,29(12): 6392-6400.(YANG Gang,XIE Yong-hong,CHEN Xin-sheng,etal.Changes of Soil Particle Composition and Chemical Characteristics after “Returning Farmland to Lake” in the Dongting Lake Area[J].Acta Ecologica Sinica,2009,29(12): 6392-6400.(in Chinese))

[13]陈泮勤,王效科,王礼茂,等.中国陆地生态系统碳收支与增汇对策[M].北京:科学出版社,2008.(CHEN Pan-qin,WANG Xiao-ke,WANG Li-mao,etal.Study on Carbon Budget in Terrestrial Ecosystems of China[M].Beijing: Science Press,2008.(in Chinese))

[14]ROGERSON P A.Statistical Methods for Geography[M].London: Sage Publications Ltd.,2001.

[15]杨武德,王兆骞,眭国平,等.红壤坡地不同土地利用方式土壤侵蚀的时空分布规律研究[J].应用生态学报,1998,(9):155-158.(YANG Wu-de,WANG Zhao-qian,SUI Guo-ping,etal.Temporal and Spatial Distribution of Soil Erosion on Red Soil Slope Field Under Different Land Use Patterns[J].Chinese Journal of Applied Ecology,1998,(9):155-158.(in Chinese))

[16]赵其国.我国南方当前水土流失与生态安全中值得重视的问题[J].水土保持通报,2006,26(2):1-8.(ZHAO Qi-guo.Some Considerations for Present Soil and Water Conservation and Ecology Security of South China[J].Bulletin of Soil and Water Conservation,2006,26(2):1-8.(in Chinese))

[17]顾祝军.水蚀区“林下流”发生机理与植被恢复度的遥感监测研究[D].南京:中国科学院南京土壤研究所.2008.(GU Zhu-jun.Occurrence Mechanism of Under-forest Soil Erosion and Remote Sensing of Vegetation Restoration Degree on Water-eroded Area[D].Nanjing: Institute of Soil Science of Chinese Academy of Sciences,2008.(in Chinese))

(编辑：赵卫兵)

Impact of Parent Material and Land Use Type onMechanical Composition of Red Soil

SUN Jia-jia1,WANG Pei2,WANG Zhi-gang1,CHEN Xiao-ping1,PAN Xiao-ying1

(1.Soil and Water Conservation Department,Yangtze River Scientific Research Institute,Wuhan 430010,China;2.Changjiang Water Resources Protection Institute,Wuhan 430051,China)

The mechanical composition is a most basic information of soil and plays important role in soil structure.It is affected by parent material,climate,topography,biological activity and human activity.According to 333 red soil profile data fromRecordsofSoilTypesinChinaand some local soil records,we researched the degree of parent material and land use influence on the mechanical composition of red soil.Results reveal that both parent material and land use have some impact on the mechanical composition,but the former has larger impact than the latter does.Parent material explains 25% of the mechanical composition variation,and that number increases with soil depth increase.This research is a theoretical support for red soil improvement and application.

mechanical composition of soil;parent material;land use;red soil;variation

2014-12-24；

2015-01-08

国家自然科学基金项目(41201269；41101191)；国家科技重大专项(2012ZX07503-002-03)；中央级公益性科研院所基本科研业务费资助项目(CKSF2014022/TB，CKSF2015011/TB)；长江科学院创新团队项目(CKSF2012052/TB)

孙佳佳(1983-)，女，山东泰安人，工程师，硕士，主要从事土壤侵蚀、水土保持方面的研究，(电话)027-82927942(电子信箱)hhzxinxiang@163.com。

10.3969/j.issn.1001-5485.2015.03.012

S152.72

A

1001-5485(2015)03-0054-05

2015,32(03):54-58