贵州省第四纪红黏土发育土壤的性状及其系统分类研究

章明奎,姚玉才,邱志腾,毛霞丽,杨良觎

(浙江大学 环境与资源学院,浙江 杭州 310058)

中国南方地区分布着大面积的第四纪红黏土(又称红色风化壳、老风化壳、红黏土)。一般认为,第四纪红黏土主要形成于中更新世热带、亚热带湿润的气候条件下[1-2],以红色为基色,其上形成的土壤土体厚度和风化强度明显高于同一地区基岩发育的土壤,它们的分类地位也有别于其周边的土壤[3]。半个多世纪以来,我国土壤工作者对该类特殊成土母质发育土壤的特征、性状和分类已进行了较多的研究[4-9]；研究表明广泛分布于南方的铁铝土是由第四纪红黏土发育而来的[10-12]；但至今大多的此类研究的区域主要集中在东南部地区[13-17]。然而,我国西南喀斯特岩溶地区也分布有大面积的第四纪红黏土,它们的分布、性状与东南部地区的第四纪红黏土存在着一定的差异,地质部门的研究者已从其成因、物质来源、地球化学特点对此类风化壳作过较多的调查,但关于它们的成因仍有较大的分歧[18-19]。由于对西南喀斯特岩溶地区第四纪红黏土发育土壤的发生学特性及空间差异缺少系统研究,一些地区在应用地理发生分类划分土壤类型时,也主要参照其它母质上发育土壤的分类思路,根据第四纪红黏土分布的地理位置及海拔高度划分土壤类型,例如,贵州省根据这类风化壳分布的海拔差异,把它们分别归属于红壤亚类、黄红壤亚类和黄壤亚类[20],这种土壤类型的划分方式是否合理值得商榷。为此,我们在贵州省多地调查了第四纪红黏土发育的土壤,对这些土壤的成土特点进行了分析,从土壤系统分类的角度探讨了其分类地位，并与我国东南部第四纪红黏土发育的土壤进行了比较。

1 材料与方法

1.1 调查方法

采用路线考察的方法对贵州全省第四纪红黏土的分布进行了调查,同时选择代表性区域采集了23个典型剖面的分层土样用于室内鉴定。野外调查内容包括土体厚度、发生层次、颜色、结构等形态特征及其分布特征。野外调查、剖面观察与描述、分层土样的采集及土壤形态观察均按中国土壤系统分类研究的相关要求[21]进行。图1为部分代表性样点红黏土的断面。

图1 贵州省代表性第四纪红黏土的断面

1.2 分析方法

采集的分层土样经风干处理、充分混匀后磨细过2 mm土筛,部分土壤进一步研磨过0.125 mm筛；按标准方法测定土壤的颗粒组成、pH值、CEC，有机质、全钾、全钠、全钙、全镁、全磷含量，氧化铁形态、黏粒硅铝率和黏土矿物类型等[22]。其中,采用比重计法测定颗粒组成；用电位法测定pH值；用醋酸铵(pH 7)交换法测定CEC；用重铬酸钾-硫酸氧化法测定有机质含量；采用XRF法(X射线荧光分析法)测定全钾、全钠、全钙、全镁、全磷和全铁含量;采用DCB法提取游离氧化铁,用邻啡罗啉比色法进行测定;用沉降法提取土壤黏粒(<2 μm),用碳酸钠碱熔法熔融黏粒中的硅、铝,用ICP法进行测定;采用镁甘油饱和定向片及钾饱和定向片-XRD法鉴定黏土矿物类型。红色率(RR)按下式计算:RR=(10-H)×C/V,式中H、V、C分别表示门塞尔颜色的色调、色值和彩度[23]。另从50多篇已公开发表的研究文献(限于篇幅,本文不一一列出)中收集了我国东南部第四纪红黏土发育土壤的性状指标,统计分析了这些土壤的风化发育指标。

2 结果与分析

2.1 第四纪红黏土的分布

调查表明,第四纪红黏土在贵州全省各地都有零星分布,并以遵义市、黔西南、黔东南州的分布较为集中,其它地区包括铜仁、安顺、黔南、毕节、贵阳、六盘水的分布较少。与我国东南地区的第四纪红黏土分布不同,贵州省的第四纪红黏土主要分布在高海拔地区,多数分布在海拔800～1500 m之间；海拔800 m以下的第四纪红黏土分布面积较小,且主要出现在铜仁、黔南和黔西南等地。从地形部位来看,第四纪红黏土主要出现在坡麓地带或山前平缓丘陵及孤丘上,其周围常常可见海拔稍高的山地。

2.2 土壤发生学性状

2.2.1 厚度与垂直变化 贵州全省第四纪红黏土的厚度在2～30 m之间变化,多数在5～10 m之间,少数区域的第四纪红黏土厚度可超过30 m,明显高于我国东南地区第四纪红黏土的厚度(多在2～5 m之间)(表1)。据研究,我国东南地区及湖南、湖北等地的第四纪红黏土从上至下常常由均质红土层、网纹红土层和砾石红土层等不同特征的层次构成,在1～3 m以下经常可出现蠕虫状红白或红、黄、白网纹,底部普遍存在直径5～20 cm的半风化砾石。但贵州境内的第四纪红黏土除铜仁市玉屏县大龙镇观音坳断面4～7 m间出现似网纹状物质外(图2a),其它点位基本上无网纹和砾石出现,但其底部常下伏碳酸盐基岩,且起伏很大,基岩表面常有厚度20～100 cm的腐蚀石灰粉末(半风化岩体,见图1a～图1b);红土与基岩间呈不整合接触。另外,贵州省部分第四纪红黏土的不同剖面深度中有时可见铁锰结核或铁盘(图2b)。除土壤表层有机质积累明显外,其它土层有机质含量普遍较低。

图2 红黏土中出现的似网纹状物质(a)与铁锰结核(b)

2.2.2 土壤酸碱度与碳酸钙 贵州省第四纪红黏土上形成的土壤多呈现酸性甚至强酸性,pH值多在6.0以下,部分土壤的pH值低达4.5以下,多数在5.0～6.0之间；多数无石灰反应，但调查也发现区内部分第四纪红黏土的某些层次有明显的石灰反应,其碳酸盐含量高的可达50 g/kg以上,pH值可达8.0以上。这种现象明显不同于东南地区第四纪红黏土发育的土壤,后者的第四纪红黏土全无石灰反应(表1)。

表1 贵州省与东南地区第四纪红黏土发育的土壤的性状比较

2.2.3 土壤颜色与氧化铁组成 贵州省第四纪红黏土形成的土壤颜色多变,不同区域差异较大,可呈红色、棕红色、黄红色,也可呈褐黄色和黄色,其色调可在5Y、2.5Y、10YR、7.5YR、5YR、2.5YR之间变化。在一般情况下,同一剖面上下土层的颜色较为接近(图1);但少数情况下,上下层颜色可发生明显的变化,或上黄下红,或上红下黄。总体上,呈明显红色的红黏土主要分布在海拔600 m以下(图1a、图1b、图1c),并在贵州东部的铜仁市分布较为集中。

贵州省第四纪红黏土形成的土壤全铁含量在65.3～228.7 g/kg之间,游离氧化铁含量在19.15～86.52 g/kg之间;土壤铁的游离度在23.35%～57.45%之间。与我国东南地区比较(表1),贵州省第四纪红黏土形成的土壤全铁含量较高,游离氧化铁含量与东南地区较为接近,而氧化铁的游离度明显低于东南地区。红色率可反映土壤红化程度,贵州省第四纪红黏土形成的土壤红色浅于东南地区的(表1)。

2.2.4 黏粒含量与质地 贵州省第四纪红黏土发育土壤的黏粒(<0.002 mm)含量在250～850 g/kg之间,多数在400～550 g/kg之间;砂粒(2～0.02 mm)含量在40～450 g/kg之间,多数在80～150 g/kg之间。土壤质地为黏壤土、壤质黏土、粉砂质黏土、黏土、重黏土等类型,多数属黏土和重黏土。与东南地区比较(表1),贵州省第四纪红黏土发育土壤的平均黏粒含量高出约34.33%,同时砂粒含量则低48.39%。

2.2.5 风化强度 土壤风化淋溶系数(ba值)可反映土壤的风化强度,黏粒硅铝率(Sa值)可表征土壤的脱硅富铝化程度。由表1可知,贵州省第四纪红黏土发育土壤的ba值在0.205～0.423之间,平均为0.354,高于我国东南地区第四纪红黏土发育土壤的ba值(平均为0.243),表明贵州省第四纪红黏土发育土壤的平均风化强度低于我国东南地区。黏粒的Sa值的分析结果也表明,贵州省第四纪红黏土发育土壤的平均脱硅富铝化水平低于我国东南地区,前者平均Sa值为2.34,后者为2.17。

2.2.6 CEC与黏粒矿物类型 土壤CEC与黏粒矿物类型有关,其可反映矿物演变及风化强度。从表1可以看出,贵州省第四纪红黏土发育土壤的CEC有较大的变化,在10.34～23.68 cmol/kg之间,平均为14.45 cmol/kg。根据土壤黏粒含量把土壤CEC换算为黏粒CEC,其值在20.32～39.87 cmol/kg之间,平均为30.23 cmol/kg。贵州省第四纪红黏土发育土壤的土壤CEC和黏粒CEC都高于我国东南地区的,表明贵州省这些土壤中含有较多的2∶1型矿物。对6个代表性土样的黏粒XRD鉴定结果也表明,贵州省第四纪红黏土发育土壤的黏粒主要由伊利石、高岭石组成,部分土壤还存在蒙脱石、绿泥石、蛭石以及绿泥石/蛭石混层矿物,但不同土壤之间最丰富的黏粒矿物可发生变化,或以高岭石为主,也可以是以伊利石为主。而我国东南地区的这些土壤黏粒矿物一般以高岭石为主,其次为伊利石和蛭石,不见蒙脱石和绿泥石。

2.3 诊断特征与系统分类

2.3.1 出现的诊断层和诊断特性 调查表明,贵州省第四纪红黏土发育土壤的土壤温度状况全为热性(16～23 ℃)。土壤水分状况主要为常湿润,少数为湿润,后者多分布在海拔800 m以下的区域。虽然贵州省第四纪红黏土分布于石灰岩地区,但由于基岩埋藏较深,2 m以内的土体中基本上无碳酸盐岩岩屑和风化残余物,土壤已无碳酸盐岩岩性特征。研究土壤的腐殖质表层全属淡薄表层,没有发现有暗沃表层和暗瘠表层。同时,研究土体中也没有发现腐殖质的淋溶淀积或重力积累,无腐殖质特性。

土壤脱硅富铁铝强度主要为中等至中下,缺乏强风化产生的氧化铝等矿物,土壤中存在较多的2∶1型矿物,黏粒的CEC全在16 cmol/kg以上,且细土的氧化钾含量高于10 g/kg,没有出现铁铝层,但部分土壤具有低活性富铁层(具较高的游离氧化铁,黏粒CEC为16～24 cmol/kg,它们的土壤黏粒矿物中有高量的高岭石);由于风化较弱,供试土壤也无富铝特性,但普遍具有铁质特性,少数酸化明显的土壤已具备铝质特性(包括铝质现象)和盐基不饱和现象。由于贵州省降水量大,许多地区的第四纪红黏土发育的土壤具有明显的黏化现象,土壤剖面有明显的质地差异,心土黏粒含量明显高于表层。

2.3.2 高级分类单元 按照中国土壤系统分类的检索标准,对贵州省代表性区域第四纪红黏土发育土壤进行了鉴定,共检索出富铁土、淋溶土和雏形土3个土纲,下分为6个亚纲、11个土类和14个亚类。

2.3.2.1 富铁土 富铁土是风化较强、具有低活性富铁层的土壤。贵州省第四纪红黏土发育的富铁土在高海拔区(800～1500 m)与低海拔区(<800 m)均有分布,相应的亚纲分别为常湿富铁土和湿润富铁土,表明这些古气候环境下形成的第四纪红黏土的性状可保留在土壤中,也表明以海拔高度来判断第四纪红黏土发育土壤的富铁铝化强度不合理。研究区内的常湿富铁土亚纲只有简育常湿富铁土一个土类,根据盐基淋溶状况继续分为盐基简育常湿富铁土和普通简育常湿富铁土;湿润富铁土亚纲有黏化湿润富铁土和简育湿润富铁土2个土类,前者可进一步分为黄色黏化湿润富铁土和盐基黏化湿润富铁土2个亚类,而简育湿润富铁土下只有普通简育湿润富铁土1个亚类。第四纪红黏土一般被认为已经历较强的脱盐基作用,盐基黏化湿润富铁土中盐基的积累可能是受周围碳酸盐岩风化物影响而复盐基的结果。

2.3.2.2 淋溶土 淋溶土是土壤剖面中具有黏化层的一类土壤,研究区内有4个第四纪红黏土发育的亚类(普通铝质常湿淋溶土、普通简育常湿淋溶土、普通铝质湿润淋溶土和红色铁质湿润淋溶土)属于此土纲,它们在贵州省内分布较广,在高海拔与低海拔均有分布,相应的亚纲分别为常湿淋溶土和湿润淋溶土。贵州省内第四纪红黏土发育的淋溶土有部分仍然保留较强的酸性,具有铝质特性,相应的亚类分别为普通铝质常湿淋溶土和普通铝质湿润淋溶土。红化较明显的红色铁质湿润淋溶土亚类主要分布在低海拔地区。

2.3.2.3 雏形土 雏形土的土壤剖面发育较差，但已具有风化B层(Bw),它也是贵州省第四纪红黏土上发育的主要土壤类型。涉及的亚类共5个,包括普通铝质常湿雏形土、铁质简育常湿雏形土、普通铁质湿润雏形土、铝质酸性常湿雏形土和铁质酸性常湿雏形土。与富铁土、淋溶土相似,它们在低海拔和高海拔区均有分布,共有2个亚纲和4个土类。其中的普通铝质常湿雏形土和铝质酸性常湿雏形土也保存母质强酸性的特点。

3 讨论

3.1 贵州与东部地区第四纪红黏土的红化程度的比较

以上结果表明,除土壤黏粒含量较高外,贵州省第四纪红黏土发育土壤的众多风化淋溶指标都显示,其平均风化与红化程度低于东南部地区第四纪红黏土,其原因可能有以下几方面:(1)贵州省位于亚热带的中北部,其纬度略高于福建、江西、湖南等地,同时其第四纪红黏土主要分布在高海拔地区,因此相应的气温略低,这在一定程度上影响了土壤中矿物的风化;(2)贵州省气候较为湿润,土壤湿度较高,不利于氧化铁矿物的脱水,形成的赤铁矿物较少,因此,红色较浅,多数土壤呈黄色;(3)贵州省属典型的喀斯特地貌区,地表径流中含较高的钙等盐基离子,影响了土壤的脱盐基和脱硅富铝化的深度发展。

贵州省第四纪红黏土发育土壤的黏粒含量较高,可能与其红土形成的物质搬运距离较短、保留较多的细颗粒物质有关。而我国东南部地区的第四纪红黏土多形成于老的冲积物和洪积物上,这些物质在红化之前因已经历较长距离的搬运与分选,残留有较高含量石英等较难风化的矿物,后者不利于黏粒矿物的生成。而红土砾石层的出现可能与它们的母质主要为冲积物和洪积物有关。

3.2 碳酸盐岩上覆第四纪红黏土的成因

已有的研究表明,我国东南地区红色风化壳根据成因可分为冲积相、洪积相、坡积相和残积相,多数是在冲积、洪积物形成的基础上长时间风化、红化的结果,在基岩上直接风化残留的并不多,这已被众多学者所认同。但有关碳酸盐岩地区碳酸盐岩上覆第四纪红黏土的成因在土壤学界探讨不多,地质学界对此的研究结论也有较大的分歧[18-19],有风成、水成、火山灰沉积物风化形成及溶蚀残留等观点[19]。由于贵州等地的第四纪红黏土经常下伏石灰岩基岩,因此,许多学者认为它们是石灰岩长时间由上至下逐渐残留风化形成的。例如,李景阳等[24]的研究认为,在碳酸盐岩风化壳上存在碳酸盐矿物被溶蚀-交代的现象,其上的红色风化壳是地下水溶蚀-交代作用的结果,其强调地下水在碳酸盐可溶性矿物的溶出和新黏土矿物组分携入的重要作用。由此认为碳酸盐岩上的红色风化壳由下部基岩至表土存在基岩、溶滤层、杂色黏土层、黄色黏土层、红色黏土层、土壤层的变化层序,其成土是自下而上以残积方式形成的,下部最新,上部最老。曹星星等[25]通过对岩石、土壤的矿物学、地球化学指标进行分析，认为碳酸盐岩上覆红土主要受碎屑岩(非碳酸盐岩)风化的影响,而碳酸盐岩风化残留物也可加入红土演化的过程。符必昌等[18,26]反对残留的观点,认为红土与碳酸盐岩成分存在很大的差异，存在不整合关系,碳酸盐岩分布区的红色风化壳不是碳酸盐岩的残积土,而是由硅酸盐岩岩石经过红土化作用形成的特殊土体。

基于本调查中观察到的第四纪红黏土分布的地形特征及组分分析的结果,从土壤形成的角度,我们认为碳酸盐岩上覆的深厚第四纪红黏土的成因较为复杂,不能单纯用碳酸盐岩直接风化形成进行解释。这些红土可能是堆积于古岩溶面上的特殊土体,即经地质作用首先形成有利于堆积的古岩溶面,在此基础上周围山体的一些硅质岩经过红壤化作用形成红土,部分碳酸盐岩经较弱的岩溶作用产生难溶性物,两者一起为碳酸盐岩地区的红土堆积提供了物源,并通过坡积、洪积等地质作用堆积在古岩溶面上,这些堆积作用多次反复形成了深厚的红土层。红土化作用可以在堆积之前发生,也可以在堆积以后发生。野外观察到的红土下伏的起伏状碳酸盐基岩可能是古环境风化残留的。

认为深厚第四纪红黏土不完全是由碳酸盐岩直接风化形成的理由有以下几点:(1)一般认为,碳酸盐岩的溶蚀需有足够的水分和二氧化碳,它们需要暴露在大气或水(地表水或地下水)中遭受溶蚀才可能使碳酸盐岩体积减小[26],源源不断地产生形成土壤的难溶性物。但碳酸盐岩地区上覆的第四纪红黏土质地很黏重,透水性较差,一旦形成较厚的红土层,下伏的碳酸盐岩溶蚀风化将受到抑制(风化产物难以迁移),成土作用难以深度发展。野外观察也表明,除存在地下暗河的区域外,深厚红土下伏的基岩多数不透水,存在滞水现象,携带风化物的水流下移并不通畅；(2)假设第四纪红黏土是由下伏基岩直接风化形成的,其土壤的形成是由上至下发展的,由于在碳酸盐岩上形成深厚土层需要很长的时间(达数十至数百万年),表土的风化强度应该远远高于近下伏基岩上部的土壤,但野外观察与采样分析(黏粒硅铝率、风化淋溶系数、黏粒矿物)都表明,深厚红土层上下的风化强度并没有显示出上强下弱有规律的变化。虽然许多红土下伏碳酸盐基岩表面常有厚度20～100 cm的腐蚀石灰粉末(半风化岩体),但分析表明(表2),这些半风化岩体的化学组成与基岩很接近,它们主要受到腐蚀作用而基本未受溶蚀。但多处红土剖面的观察都没有发现存在具一定程度钙、镁的淋失及硅、铁、铝富集的由半风化岩体向土壤发展的红土化程度较弱的过渡土壤物质。由此我们认为半风化岩体是基岩被红土覆盖后受上覆土壤产生的酸性物质作用的结果,由于作用程度有限,它们始终保留在初始风化阶段(物质组成与基岩相似),难以向土壤方向演变；(3)若第四纪红黏土是由下伏基岩直接风化形成的,则因碳酸盐岩中风化成土的非可溶成分很低(多数在3%以下),当它们溶蚀形成土壤后,由于岩体中主要成分的损失,势必导致后期形成的土壤中生成大量的空洞,后者可引起上覆土体的塌陷,造成红土出现差异沉降裂缝及陷落裂隙,造成地表的起伏不平,但实际上调查的土壤地表都是很平缓的,呈完整的块状构造,并没有见到上述现象。李景阳等[24]认为,碳酸盐岩中因风化损失的碳酸盐矿物的部位可被由地下水带入的矿物组分(可形成新的黏粒矿物)所交代(充填),我们认为这种交代在风化过程中确实存在于石灰岩风化的土壤中,但用这种机理来解释深厚红土层的形成值得商榷。另外,在遵义市余庆县白泥镇长坪村等样点(图1c)的观察还表明,某些深厚红土层从上至下变得越来越坚实,下层土壤甚至存在石化的现象,这很难解释红土是由上向下发展的历程。

表2 红土与下伏基岩化学成分的比较g/kg

4 结论

与我国东南部地区第四纪红黏土比较,贵州省第四纪红黏土主要分布在高海拔区域,具有厚度大、风化强度和红化程度较弱的特点,多数情况无网纹和红土砾石层出现。

根据中国土壤系统分类的诊断标准,从贵州省第四纪红黏土发育的土壤中共检索出富铁土、淋溶土和雏形土3个土纲,下分为6个亚纲、11个土类和14个亚类。

研究认为贵州省深厚第四纪红黏土由碳酸盐岩直接风化形成的可能性较小,周围稍高的山体上其它岩石(可以是硅质岩,也可以是碳酸盐岩)的风化产物是其形成的物源,后者通过多次反复搬运堆积在古岩溶面上,从而形成了深厚的红土层。