黏土矿物组成对天山北坡土壤变性特征的影响

张文太，张佩佩，武红旗，贾宏涛，魏影

(新疆农业大学草业与环境科学学院/新疆土壤与植物生态过程重点实验室，乌鲁木齐 830052)

黏土矿物组成对天山北坡土壤变性特征的影响

张文太，张佩佩，武红旗，贾宏涛，魏影

(新疆农业大学草业与环境科学学院/新疆土壤与植物生态过程重点实验室，乌鲁木齐 830052)

【目的】调查天山北坡是否分布有变性特征的土壤，通过测定其黏土矿物组成，探讨新疆变性土壤发育的内在矿物学机制。【方法】使用传统野外调查方法，研究天山北坡11个土壤剖面，根据裂隙、滑擦面、楔状结构等诊断特性的发育状况划分其变性化程度。测定了研究剖面28个土壤发生层的线胀系数和黏土矿物中蒙皂石的含量，并探讨其相关性。【结果】研究的11个土壤剖面中有4个剖面可相对划分为强变性化的土壤，28个土层蒙皂石含量的平均值为38%。强变性化程度土壤中蒙皂石的含量显著高于弱变性化程度的土壤。蒙皂石含量与线胀系数之间存在极显著的幂函数关系。【结论】较低的蒙皂石含量是决定本研究调查的土壤变性化程度不高的内在原因。未来在新疆开展变性土调查时，需要重点考虑蒙皂石含量高的成土母质分布区。

变性土；蒙皂石；土壤变性化程度

0 引 言

【研究意义】土壤分类有助于人们正确理解不同土壤类型之间的内在逻辑联系以及土壤时空演变的发生学机制，进而更深刻地认识土壤的本质。同时，土壤分类研究还是开展高精度土壤调查与制图，指导不同区域土壤资源管理与持续利用的基础。【前人研究进展】变性土是美国土壤系统分类和中国土壤系统分类划分的一个重要土纲，前者包括潮湿变性土、寒变性土、夏旱变性土、干旱变性土、干润变性土和湿润变性土等六个亚纲[1]；后者只包括潮湿变性土、干润变性土和湿润变性土等三个亚纲[2]。近几年研究认为，按照美国土壤系统分类，在黑龙江松嫩平原存在寒变性土[3]，在新疆存在干旱变性土和夏旱变性土，或者其他土纲的变性亚类[4]。裂隙、滑擦面、楔状结构和线胀系数等是划分变性土，定量描述土壤变性化程度的主要诊断特性[1，2，5]，其物质基础是母质中含有大量膨胀性蒙皂石等黏土矿物[6]。划分变性土时，对于黏土矿物中蒙皂石的含量并没有具体要求[2]。【本研究切入点】目前，尚缺少详细的关于新疆土壤变性特征的野外调查数据。关于蒙皂石含量对土壤变性化程度影响的研究更不多见。研究使用野外土壤剖面描述和室内黏土矿物组成分析相结合的方法，以探讨土壤变性特征发育程度与蒙皂石含量之间的关系。【拟解决的关键问题】以新疆天山北坡有变性特征的土壤为研究对象，了解土壤变性特征的发育程度及黏土矿物的组成；研究土壤黏土矿物组成对外在土壤变性特征的影响。

1 材料与方法

1.1 材 料

在参考全国第二次土壤普查资料以及野外预考察的基础上，认为天山北坡昌吉州一带是红黏土的集中分布区，有可能分布有变性土。将土壤调查路线设定为“克拉玛依市—沙湾县—石河子市—玛纳斯县—呼图壁县—昌吉市—乌鲁木齐市”。2014年7～8月，完成了24个土壤剖面的调查，研究仅分析了其中11个黏粒含量较高或变性特征较明显的土壤剖面。

按照《野外土壤描述与采样手册》完成了土壤剖面描述，记录了裂隙、滑擦面、楔状结构等土壤变性特征。用相机拍摄了土壤景观、土壤剖面和典型形态特征的照片。按照土壤发生层采样，采样深度一般为120 cm。当土壤剖面不足120 cm时仅采集到准石质接触面。

1.2 方 法

野外采集的土壤样品风干后过2 mm筛。使用沉降桶法测定土壤的机械组成[7]。选择黏粒含量较高的28个土壤发生层(通常是表土层和亚表层)的样品，采用泥条法[8]测定线胀系数；采用石油天然气行业标准方法[9]，用D/max-rA型X射线衍射仪测定土壤黏土矿物的组成。

1.3 数据统计

使用厚度加权方法计算得到了0～50 cm土层的黏粒含量和线胀系数。蒙皂石含量由伊蒙混层含量和混层比(%S)相乘得到。用SPSS软件进行均值比较和相关分析。

2 结果与分析

2.1 土壤变性特征

在世界土壤资源参比基础、美国土壤系统分类和中国土壤系统分类等主要的土壤分类系统中，大都使用文字描述裂隙、滑擦面、楔状结构等土壤的变性特征[1，2，5]。天山北坡土壤剖面典型变性特征的形态照片，可以直观形象地展示土壤的诊断特征，使初学者更容易掌握按照土壤系统分类划分土壤类型的方法[10]。图1

a：裂隙(剖面号XJV-14-02)；b：滑擦面(剖面号XJV-14-13)；c：楔状结构(剖面号XJV-14-24)

a: Cracks (Profile ID XJV-14-02); b: Slickensides (Profile ID XJV-14-02); c: Wedge-shaped soil aggregates (Profile ID XJV-14-02)

图1 天山北坡土壤剖面典型变性特征的形态
Fig.1 Morphology of typical vertic characteristics of soil profiles in the North part of Tianshan Mountain

变性特征或变性现象的诊断通常需要考察0～100 cm是否存在裂隙、滑擦面和楔状结构[1，2]。研究调查的11个土壤剖面，裂隙深度最深的为39 cm，50 cm以下均未观察到滑擦面或楔状结构。根据0～50 cm土层变性特征的发育程度，主观定性地判定各个剖面的相对变性化程度是强或弱。各个土壤剖面变性特征的发育程度并不完全一致。除剖面XJV-14-13外，其他10个剖面0～50 cm土层黏粒的平均含量均在30%以上，大致符合变性土划分对黏粒含量的要求[2]。事实上，按照美国土壤系统分类划分某一土纲的变性亚类时，对黏粒含量并没有明确要求[1]。表1

土壤裂隙的深度和宽度受灌溉、深翻等因素的影响，新疆的节水灌溉农业和降水量较少均不利于土壤裂隙的发育。尽管剖面XJV-14-02的裂隙深度为39 cm，但其宽度却不足0.5 cm(图1a)。研究中滑擦面占土壤结构体表面比例的最大值为20%，相关研究滑擦面发育较强的土层，这一比例可达到50%[11]。研究的11个剖面0～50 cm土层线胀系数的加权平均值最大为0.16。使用同样测定方法，在黑龙江省北安市弃荒地测定的线胀系数的最大值为0.19[3]。研究的28个土层线胀系数的最大值为0.16，最小值为0.07，平均值为0.10。33 kPa水吸力干湿容重法是世界土壤资源参比基础中推荐的测定线胀系数的标准方法[5]。不同方法测定的结果之间没有可比性。

表1 天山北坡调查土壤剖面0～50 cm的变性特征及变性化程度
Table 1 Vertic characteristics and their development degrees at 0-50 cm layer of surveyed soil profiles in the North part of Tianshan Mountain

剖面号ProfileID黏粒Claycontent(%)裂隙深度Depthofcracks(cm)滑擦面Slickensides(%)楔状结构Wedge-shapedsoilaggregates(%)线胀系数COLE(cm/cm)变性化程度DevelopmentdegreeXJV-14-01453900008弱XJV-14-0247939510008强XJV-14-08316580007弱XJV-14-113981055010弱XJV-14-1325752015016强XJV-14-163353055009强XJV-14-17364500009弱XJV-14-18396500009弱XJV-14-1936010510010强XJV-14-21456200010弱XJV-14-2443215820010强

2.2 黏土矿物组成

蒙皂石是2∶1型膨胀性含水层状硅酸盐的族名，包括蒙脱石亚族和皂石亚族。测定的28个土层的蒙皂石含量的平均值为38%，而伊利石(又称水云母)的平均含量为42%，略高于蒙皂石。表明总体上研究的11个土壤剖面的28个土层，黏土矿物组成以伊利石-蒙皂石为主。我国第二次土壤普查成果1∶1400万《中国土壤粘粒矿物图》[12]显示：天山北坡土壤黏土矿物以伊利石为主，以蒙皂石、伊利石为主要矿物的土壤在天山北坡也有零星分布。对新疆阜康的灌淤土剖面分析显示，该土壤的矿物组成也以伊利石为主，同时含有较多的高岭石和少量的蒙皂石[13]。28个土层中蒙皂石含量的最大值为58%，该土层伊利石的含量为31%，表明黏土矿物组成以蒙皂石为主。表2

表2 天山北坡研究土层黏土矿物的组成(n=28)
Table 2 Composition of clay minerals in studied soil layers in the North part of Tianshan Mountain (n=28)

伊蒙混层Mixedlayerofilliteandsmectite(%)伊利石Illite(%)高岭石Kaolinite(%)绿泥石Clinochlore(%)混层比Smectiteinmixedlayer(%S)蒙皂石Smectite(%)平均值Mean592110106438最小值Min358054022最大值Max723252259058

2.3 蒙皂石含量对土壤变性化程度的影响

土壤变性化程度可以通过变性土诊断特性发育的程度来判定。在中国土壤系统分类和世界土壤资源参比基础中，分别用变性现象和隐变性层来描述变性化程度较低的土壤[2，5]。研究中，强变性化土壤蒙皂石含量的平均值为43%，显著高于弱变性化土壤蒙皂石含量的平均值33%。为了进一步揭示蒙皂石含量对土壤变性特征的影响，研究了蒙皂石含量与线胀系数之间的相关性。结果表明，研究使用的28个土层的数据，线胀系数随着蒙皂石含量的升高而增大，两者之间存在极显著的幂函数关系。蒙皂石含量可以解释35.4%的线胀系数的变异，表明内在的土壤黏土矿物组成是决定土壤变性特征发育的重要原因。图2，图3

图2 不同变性化程度土壤蒙皂石含量比较
Fig.2 Comparison of smectite contents in soils with different development degrees of vertic characteristics

图3 蒙皂石含量与线胀系数之间相关性(n=28)
Fig.3 Correlation between smectite content and coefficient of linear extensibility (COLE) (n=28)

3 讨 论

在我国，变性土多发育于黏质河湖沉积物、基性火成岩和钙质沉积岩风化物等母质。就地形而言，变性土在河湖平原、河谷平原、河谷阶地、洼地等低地形部位更容易出现。这些区域钙、镁盐基、硅酸、黏粒等大量积聚，形成蒙皂石等膨胀性黏土矿物的物质基础[14]。研究测定的蒙皂石的含量比松嫩平原寒变性土中蒙皂石的含量低约41%[3]，比淮北平原和山东半岛变性土中蒙皂石的含量也低[4]。

新疆变性土和变性亚类主要分布在天山北麓老冲积平原、伊犁盆地等地区。根据先前土壤剖面描述资料，认为昌吉市城郊头屯河冲洪积扇中下部发育的灰漠红土土种可以划分为变性土[4，15]。但是，由于该土种分布面积较小，研究尚未在昌吉市土壤类型图中找到该土种的图斑。后续研究还需要结合土系调查，进一步确定新疆变性土的分布范围。

4 结 论

天山北坡土壤剖面的变性化程度总体偏低，11个土壤剖面中只有4个可以相对划分为强变性化的土壤。就黏土矿物组成而言，蒙皂石含量的平均值仅为38%，大部分剖面以伊利石为主要矿物。强变性化土壤中蒙皂石的含量显著高于弱变性化土壤，蒙皂石含量与线胀系数之间存在极显著的幂函数关系，较低的蒙皂石含量是导致调查的土壤变性特征发育较弱的内在原因。

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Supported by:National Natural Science Foundation of China "Soil vertic features and the formation in northern Mount Tian area of Xinjiang" (41301231), and Special Fund for National Science and Technology Basic Work of China "Survey and compilation of soil series in Xinjiang Uygur Autonomous Region" (2014FY110200A03)

Effects of Clay Mineral Composition on Vertic Characteristics in the Northern Slope of Tianshan Mountain

ZHANG Wen-tai, ZHANG Pei-pei, WU Hong-qi, JIA Hong-tao, WEI Ying

(CollegeofPrataculturalandEnvironmentalSciences,XinjiangAgriculturalUniversity,XinjiangKeyLaboratoryofSoilandPlantEcologicalProcesses,Urumqi830052,China)

【Objective】 To investigate whether there are vertic soils existing in the northern slope of Tianshan Mountain and explore the internal mineralogical mechanism of vertic soils in Xinjiang by measuring clay mineral composition.【Method】Eleven soil profiles in the northern slope of Tianshan Mountain were studied using traditional field survey approaches. Development degree of soil vertic characteristics was determined according to diagnostic criteria such as cracks, slickenside and wedge-shaped soil aggregates, coefficient of linear extensibility (COLE) and smectite content in clay mineral of 28 soil layers were measured, and their correlation was discussed.【Result】Among the eleven studied soil profiles, four could be relatively classified as soils with strongly developed vertic characteristics. The mean smectite content of the 28 soil layers was 38%. Smectite contents of soils with strongly developed vertic characteristics were significantly higher than those of soils with slightly developed vertic characteristics. A significant power relationship existed between smectite content and COLE.【Conclusion】Low smectite content is the internal mechanism that determines the low development degree of soil vertic characteristics in this study. Distribution area of parent material with high smectite content should be especially considered when surveying vertisols in Xinjiang in the future.

vertisols; smectite; development degree of vertic characteristics

10.6048/j.issn.1001-4330.2017.02.021

2016-11-03

国家自然科学基金青年基金项目“新疆天山北坡土壤变性特征与形成”(41301231)；国家科技基础性工作专项“新疆维吾尔自治区土系调查与土系志编制”(2014FY110200A03)

张文太(1984-)，男，山东冠县人，副教授，研究方向为土壤地理学，(E-mail)zwt@xjau.edu.cn

武红旗(1974-)，男，甘肃酒泉人，副教授，研究方向为土壤调查与评价，(E-mail)hqwu7475@126.com

S159.2

A

1001-4330(2017)02-0371-06