辽宁省白浆化土壤中白土层的特征及其形成①

王秋兵，王燕平，孙仲秀，孙忠戈

(沈阳农业大学土地与环境学院，沈阳 110866)

辽宁省白浆化土壤中白土层的特征及其形成①

王秋兵，王燕平，孙仲秀，孙忠戈

(沈阳农业大学土地与环境学院，沈阳 110866)

本文以辽宁省浑河在不同历史时期形成的阶地上的黄土状物质发育的土壤为研究对象，通过对剖面形态学特征、基本理化性质和母质均一性判定等研究，探讨了浑河三级阶地白浆化土壤的白土层特征及其形成机制。结果显示：①土壤粉粒中的稳定元素钛与锆分析结果表明在三级阶地上的21-003、21-009、07和21-076剖面和二级阶地上的21-001、21-200、03和04剖面的母质均一；②由于土体发育程度不同，一级阶地土体中无淀积层；二级阶地土体中有淀积层且无白土层，尚未出现白浆化现象；三级阶地土体中淀积层和白浆化现象明显，出现了白土层，其形成以黏粒的机械淋溶和潴育淋溶为主；三级阶地上土壤比二级阶地和一级阶地发育时间长，但尚未达到漂白层的标准。

白土层；白浆化土壤；黄土状物质；阶地；浑河流域

辽宁省东部的浑河阶地上保存着深厚的黄土状物质发育的土壤，不同阶地上发育的土壤剖面间特征存在明显的差异，三级阶地上的土壤剖面不仅发育有淀积层，而且还在淀积层之上形成了白土层，二级阶地只有淀积层并没有形成白土层，一级阶地无淀积层。白土层的形成，或是因生物气候，或是因发育时间[1–5]，不同学者持不同看法。目前，关于白浆化土壤和白浆土的研究主要集中在北亚热带和东北的三江平原，且主要是研究其基本性质、发生特性及铁氧化物和黏土矿物等[6–8]，而有关辽宁省浑河上游在不同历史时期形成的阶地上的白浆化土壤形成机制及白土层特征研究还鲜有报导。

本研究在判定浑河三级阶地和二级阶地上土壤剖面成土母质均一的基础上，通过对白浆化土壤的白土层与其他土壤发生层的剖面形态学特征[9]、基本理化性质[10]、地球化学及黏土矿物特征[11]的综合对比分析，并与一级阶地和二级阶地比较，探讨三级阶地白土层的形成，试图为探索温带地区白浆化土壤白土层形成原因及机制提供科学依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于浑河流域中上游地区，包括沈阳市的浑南区、沈北新区和抚顺市，地理位置123°23′17.00″～

125°31′04.85″E，41°50′02.00″～ 42°13′47.70″N。该区气候属于北温带湿润大陆性季风气候，四季分明，雨热同期，年均气温 5.0 ～ 8.1 ℃，≥10 ℃活动积温3 054 ～ 3 500 ℃，年平均无霜期147 ～ 164 d，年平均降水量为658 ～ 950 mm。研究区新构造运动以间歇性区域上升为主，区域内整体地貌由西南向东北抬升。后期受区域侵蚀夷平作用和河流侵蚀作用影响，地貌以山地为主，浑河河谷为骨架，不同类型阶地组合分布。在中更新世，地壳抬升形成三级阶地；到晚更新世，整体抬升，形成超河漫滩基座阶地即二级阶地；至全新世，地壳相对稳定，河流冲积塑造新的地貌层次，形成一级阶地[12]。

1.2 研究方法

1.2.1 样品采集 供试土样分别采自沈阳市的浑南区、沈北新区和抚顺市清原县。本研究区域主要水系为浑河。据资料记载[13–14]，浑河两岸出现明显阶地，一级阶地有清原部分地区，二级阶地有沈阳市浑南区、沈北新区、清原部分地区晚更新世超河漫滩基座阶地，三级阶地有清原部分地区的中更新世阶地，各阶地面平稳，面积较大。研究区域和采样点位置见图1，土壤剖面概况见表1。剖面21-013位于一级阶地上，剖面21-001、21-200、03和04位于二级阶地上，剖面21-003、21-009、07和21-076位于三级阶地上。

图1 研究区及采样点分布示意图Fig. 1 The study area and sampling sites

1.2.2 测定项目与方法 按发生层采样，剖面描述依据中国科学院南京土壤研究所土壤系统分类课题组主编的《野外土壤描述与采样规范》[15]。所采集的土壤样品均经过自然风干、去除粗有机质、研磨、过筛处理，用于分析测定不同项目。pH的测定分别采用 1∶2.5(H2O)和 1∶2.5(KCl)电位法；交换性 H+和A+测定采用1mol/L KCl提取，中和滴定法测定；水解性酸采用醋酸钠浸提，中和滴定法测定；有机碳采用元素分析仪(Elementar verio Ⅲ，德国)测定；机械组成采用吸管法测定；游离铁采用柠檬酸钠–连二亚硫酸钠浸提，邻菲罗啉比色法测定；活性铁采用草酸–草酸铵浸提，邻菲罗啉比色法测定；络合铁采用焦磷酸钠浸提，邻菲罗啉比色法测定；粉粒中钛和锆采用三酸溶解，电感耦合等离子发射光谱仪法(ICPOES)测定；土壤矿质元素和黏粒矿质元素采用X射线荧光光谱仪法测定；黏土矿物组成采用 X射线衍射(XRD)法[16]测定。

1.2.3 数据处理 采用Excel 2010分析作图。

表1 供试土壤景观特征Table 1 Landscape features of studied soils

2 结果与分析

2.1 辽宁省浑河不同阶地上土壤剖面的形态及发育特征

三级阶地剖面土体构型为A-E-B-C，剖面中出现颜色偏白、质地较粗的发生层，即白土层，出现的上界介于9 ～ 36 cm，厚度介于14 ～ 30 cm，润态明度为6，彩度为4，漂白物体积介于25% ～ 40%，但尚未达到《中国土壤系统分类检索》中的漂白层的颜色标准；淀积层中可见大量斑纹、胶膜和结核(表2)；剖面 21-003可达砂黏土，其他主要为黏壤，白土层质地均为壤土，黏粒含量均低于淀积层(表 2和图2)；三级阶地上土壤剖面淀积层的水解性酸、交换性H+和Al3+明显高于白土层，分别高6.60、0.43和0.28 cmol(+)/kg；三级阶地剖面淀积层游离铁最高，表层次之，白土层最低，表层和白土层的活性铁均高于淀积层，分别高2.27 g/kg和2.21 g/kg (表3)；三级阶地各发生层土体硅铁铝率值均高于黏粒中硅铁铝率值，白土层的硅铁铝率值高于淀积层，高0.54；低于表层，低0.69(表3)。

二级阶地上剖面土体构型为A-B-C(表2)，剖面淀积层中有少量斑纹，质地主要为砂黏壤，黏粒相比上层略有增加(表2和图2)。剖面内交换性H+和Al3+变化不明显，其层次间水解性酸变化无规律性(表3)。

一级阶地上剖面土体构型为A-C，无淀积层，母质为河流冲积物(表1和表2)。

2.2 辽宁省浑河三级阶地上白土层的形成

2.2.1 成土母质均一性判定 三级阶地和二级阶地的母质均为黄土状物质，但淀积层黏粒含量差异明显(图2)，可能是由于它们的成土母质物质组成不同，黏粒含量原本就存在差异；也可能是由于三级阶地上土壤发育时间较长，黏粒的形成和淋溶淀积作用强度较大，使淀积层黏粒含量明显增加。为了证实是否由于发育时间长而使三级阶地上发育土壤的淀积层黏粒含量高，应先判定三级阶地和二级阶地上发育土壤的成土母质是否均一。

表2 供试剖面形态特征Table 2 Morphological characteristics of studied profiles

图2 研究区土壤剖面黏粒含量Fig. 2 Contents of clay in studied profiles

表3 研究区土壤的基本性质Table 3 Basic properties of studied soils

土壤学研究中，只有在保证成土母质均一的基础上，土体性质变化才能归因于土壤发育过程，常用砂粒或粉粒中稳定元素的含量或比值来判定成土母质均一性[17–20]。本研究采用粉粒中钛、锆的含量及其比值来初步判定成土母质均一性(表 4)。辽宁省浑河三级阶地和二级阶地上发育土壤的粉粒中钛含量介于2.69 ～ 5.61 g/kg；锆含量介于0.06 ～ 0.12 g/kg，钛/锆比介于35.64 ～ 57.67。有研究认为若粉粒中钛/锆比在剖面内的变异大于22%，说明成土母质不均一[21]。本研究中三级阶地和二级阶地上所有剖面的钛/锆比在层次间的变异系数均介于5.30% ～ 14.93%，由此初步判定它们的成土母质具有均一性，三级阶地上发育土壤黏粒含量高是由于发育时间长造成的。同时，一级阶地上剖面21-013发育于全新世，其母质为河流冲积物，受洪水泛滥的影响，成土时间短，土壤发育程度弱，尚未形成淀积层。这可以进一步验证三级阶地上发育土壤淀积层黏粒含量高是由于发育时间长，发育程度强形成的。

2.2.2 淀积层形成 辽宁省浑河三级阶地上所有供试土壤剖面均存在黏重的淀积层和白土层；二级阶地上土壤剖面存在淀积层，无白土层；一级阶地上土壤剖面无淀积层。淀积层的形成是由于上部土层中黏粒经淋溶淀积于下部土层。母质黏重的土壤，当表层处于水分饱和的还原环境时，被分散的黏粒由于重力水的作用向下迁移并淀积在土体中一定部位；同时土壤在干湿交替和冻融交替作用下形成的裂隙，也会促

使土壤中黏粒随下渗水迁移，即沿非毛管孔隙下移，达到一定深度后，淀积于毛管孔隙中，这样随着干湿交替和冻融交替不断进行，下层黏粒逐渐积累，形成淀积层[22–23]。

表4 研究区土壤剖面粉粒中钛和锆的含量及钛/锆比在剖面中的变异系数Table 4 Contents of titanium and zirconium and variation coefficient of titanium/zirconium ratios in silts of studied profiles

2.2.3 白土层形成 三级阶地和二级阶地上发育土壤中均存在淀积层，而三级阶地上发育土壤中出现白土层，二级阶地上发育土壤中无白土层。这是由于该区干湿交替、冻融交替条件下，淀积层黏重而使土层通透性差、上层滞水，营造上层土壤还原条件，高价铁被还原活化成低价铁，被活化的铁随土壤溶液向下或侧向淋溶迁移；当土壤水分淋失后，迁移到土体底层的低价铁被氧化形成高价铁淀积于淀积层中，如此长期反复干湿交替和冻融交替作用，使上层土壤脱色形成白土层[24–28]，颜色上明显区别于下部土层。由表3和图3可知，三级阶地上发育土壤中淀积层的游离铁含量明显高于白土层，且高于二级阶地上发育土壤的淀积层，所以三级阶地上土壤发育程度比二级阶地高，三级阶地上发育土壤剖面中上层铁氧化物和黏粒含量大量减少，使土层脱色形成白土层；三级阶地上发育土壤硅铁铝率值均高于黏粒中铁铝率值，剖面土体白土层的硅铁铝率值均高于淀积层，铁主要富集于黏粒中，在白浆化土壤发育初期，铁随着黏粒向下迁移在淀积层聚积，当淀积层足够黏重时抑制富集铁的黏粒向下淋溶，发生侧向移动(表 3)；三级阶地上的 21-003、21-009、07剖面和二级阶地上的03和04剖面的主要黏土矿物均为伊利石，伴有一定量蛭石、高岭石，但三级阶地上发育土壤风化成土作用较强，已使伊利石发生蚀变，表现为结晶程度较差[29]，由此从矿物角度进一步证实了三级阶地上发育土壤的风化程度高于二级阶地。三级阶地上土壤中白土层和淀积层中黏土矿物基本相同，白土层的形成过程中黏土矿物蚀变速率较小(表5)。

图3 研究区土壤剖面铁氧化物游离度Fig. 3 The content of free iron (%) in studied profiles

Brinkman[24–25]研究认为白浆土中的绿泥石是白浆化作用过程中由蒙皂石和蛭石等黏土矿物转变而成的。本研究中三级阶地土壤中出现白浆化现象，矿物衍射峰中出现蛭石/绿泥石间层矿物(表5)，没有出现绿泥石峰，表明三级阶地土壤中白土层尚未达到漂白层的标准。

综上，三级阶地上发育土壤中白土层是经长时间发育而形成的。辽宁省地质局水文地质大队研究发现二级阶地上的黄土状物质沉积于晚更新世，三级阶沉积于中更新世[12]，本研究得出结果与资料记载吻合。随着时间推移，三级阶地土壤中上层黏粒向下淋溶迁移，形成质地黏重的淀积层，营造滞水环境，上层铁锰等有色元素被还原随土壤溶液向下淋溶，同时矿物发生微弱蚀变，导致三级阶上土壤中出现白土层；而二级阶地上土壤发育时间较短，土体中淋溶程度低，土壤剖面中有色元素铁锰的淋移和淀积量较少，土壤中黏土矿物被蚀变程度较低，尚未出现白浆化现象，仅出现少量黏粒淀积的黏粒淀积层；三级阶地上土壤中白土层也尚未达到漂白层的标准。

3 结论

1) 辽宁浑河一级阶地上发育土壤成土母质为河流冲积物，土体中未出现淀积层；二级阶地和三级阶地上成土母质均为黄土状物质，成土母质均一，但发育土壤特征差异明显。二级阶地土体中有淀积层无白土层，尚未出现白浆化现象；三级阶地上成土母质古老，土壤发育时间较长，土体中出现白浆化现象，形成白土层。

表5 研究区土壤剖面黏土矿物组成Table 5 The composition of clay minerals in studied profiles

2) 三级阶地上土壤发育以黏粒的机械淋溶作用、氧化还原作用为主，但因发育程度仍不够高，尚未达到漂白层的标准。

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Characteristics of the Pale Color Horizon in Albic Soils in Liaoning Province and Their Forming Processes

WANG Qiubing, WANG Yanping, SUN Zhongxiu, SUN Zhongge
(College of Land and Environment, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, China)

Albic bleached soils derived from loess-like materials on different terraces formed under different historical periods in the Hunhe River of Liaoning Province were studied. Profile morphological features, basic chemical properties and parental material uniformity were detected and used to ascertain the characteristics and formation mechanism of pale color horizons. The stable elements of titanium and zirconium in silts showed that profiles of 21-003, 21-009, 07 and 21-076 in the third terrace share the same parental material with profiles of 21-001, 21-200, 03 and 04 in the second terrace. Soils in the first terrace have no illuvial horizon; soils in the second terrace have illuvial horizons without albic bleached phenomenon or pale color horizon; soils in the third terrace have obvious illuvial horizons, albic bleached phenomena and pale color horizons. The formation of pale color horizon is mainly due to stronger eluviation and illuviation under a longer time period with significant depletions of clays in profiles when compared to soils in the first and second terraces. However, the properties of pale color horizon have not reached the standard regulation for an albic horizon.

The pale color horizon; Albic bleached soil; Loess; Terrace; Hunhe River basin

S151+.3

A

10.13758/j.cnki.tr.2017.02.028

国家自然科学基金项目(41371223)资助。

王秋兵(1962—)，男，河北邢台人，教授，博士生导师，主要从事土壤地理学、土地资源管理等方面的教学和科研工作。E-mail：qiubingwangsy@163.com