宁夏山地土壤的发育规律及系统分类研究*

曲潇琳 龙怀玉 曹祥会 谢 平

（1 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081）

（2 农业部村部耕地质量监测保护中心，北京 100125）

土壤分类是土壤科学发展水平的反映［1］，也是土壤科学研究成果交流、推广和国际土壤交流的重要媒介［2］。目前，我国的土壤分类工作处在发生分类和系统分类并存，系统分类迅速发展的关键时期，虽然我国的土壤系统分类工作已经取得巨大成就［3-8］，但是现阶段土壤及相关学科的研究重点依然是传统农业土壤或者森林土壤［9］，基于山地土壤系统分类和发育特性的研究相对较少。宁夏回族自治区地处我国西北干旱区，土壤系统分类工作属于薄弱环节，近期的土壤系统分类研究对象主要集中为灌淤土和灰钙土等适耕土壤，对于山地土壤的研究则以发生分类为主，局限在分布特征、肥力特征等方面［10-12］。本文研究了10个发育在贺兰山山地和六盘山山地的土壤剖面，依据《中国土壤系统分类（第三版）》对其进行土壤系统分类的检索，并在理化性状和分类研究的基础上对山地土壤的发育特性及地带性变化等进行研究，以期为完善宁夏山地土壤的系统分类提供一定的参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区包括贺兰山山地与六盘山山地，二者是宁夏回族自治区境内主要的山地类型区。其中，贺兰山山地地处宁夏西北门户（105°49′～106°41′E，38°19′～ 39°22′N），位于银川平原与阿拉善高原之间，处于荒漠草原向荒漠过渡地带，森林覆盖率约70%。贺兰山山地的气候类型有明显的山地特征，采集自贺兰山山地的5个供试剖面分布于惠农区、平罗县和贺兰县，年均气温8.73～9.85 ℃，年均降水量约420 mm，年均蒸发量约2 000 mm［13］。贺兰山主要的植被类型为山地草原和旱生灌丛，受气候和海拔等因素的影响，呈现出一定的垂直分异特征，从发生分类的角度看土壤类型也呈现垂直地带性分布特征。六盘山山地位于宁夏南部（105°30′～106°30′E，34°30′～36°30′N），地处宁夏、甘肃、陕西三省交界地带，处于干旱草原向森林草原过渡的地带［14］，森林覆盖率达80%以上。六盘山山地年气温变化范围为-21.8℃～15.7 ℃，年均气温2.87℃～6.23 ℃，年降水量范围为536.4～687.5 mm，年均蒸发量1 425 mm［15］，植被主要为温带针叶林、落叶阔叶林等。

1.2 样品采集与处理

本研究从宁夏土系调查工作采集的123个样点中，选取10个发育在贺兰山、六盘山山地的样点作为研究对象。利用目的性采样和传统采样相结合的方法进行样点布设［16-17］，选择与土壤类型具有协同变化关系的环境因子，利用模糊聚类，获取环境因子组合类的典型部位作为待选采样位置，最后结合宁夏省级土壤图、土地利用现状图、行政区划等图件以及历史土壤调查资料，利用ArcGIS技术对选取的采样位置进一步筛选，确定最终采样点［18］。研究对象的选取充分考虑到山地土壤研究的典型性及代表性。

野外首先利用GPS对样点进行定位，获取土壤的成土环境信息，随后按照野外调查手册挖掘剖面、合理划分层次并对剖面形态信息进行描述与记载，最后，自下而上分层采集土壤样品供实验室分析化验。供试样点的成土环境参考表1，其中编号为3、11、13、14、108的5个供试土壤采集自宁夏西北贺兰山山地，编号为73、82、119、120、121的5个供试土壤采集自宁夏南部六盘山山地，受采集条件和宁夏山地管理条件的限制，贺兰山山地采集土壤海拔不高于1 700 m，六盘山山地海拔不高于2 500 m。

1.3 样品、数据的分析处理

在实验室将分层采集的土壤样品进行风干，剔除植物根系等，四分法进行土壤样品制备以供测试。土壤基本理化指标的测试包括机械组成、pH、碳酸钙、有机碳、全氮、有效磷及矿物组成等。土壤颗粒组成采用吸管法测定，pH采用pH计（土水比1∶2.5）测定，碳酸钙采用气量法进行测定，有机碳采用油浴重铬酸钾—外加热法测定，全氮采用浓硫酸消煮—凯氏定氮法测定，有效磷采用碳酸氢钠浸提—钼锑抗比色法测定，分析方法主要参照《土壤调查实验室分析方法》［19］和《土壤农化分析》［20］。此外，土壤矿物组成及黏土矿物含量测定采用X射线衍射分析法，土壤矿物组成及黏土矿物含量测定样品为供试剖面心土层或表土层土样。

供试剖面的形态和发育特征分析是根据剖面采集过程中获取的成土环境信息及土壤样品的测试数据，按照《野外土壤描述与采样规范》来进行，利用Microsoft Excel、ArcGIS 10.1对获取数据进行分析处理。

2 结 果

2.1 供试土壤的剖面形态特征

供试土壤剖面各层次色调相同，明度、彩度略有差异，从表层到底层土壤颜色逐渐变浅。从土壤形成环境来看，发育于贺兰山山地的供试土壤海拔高度均低于发育于六盘山山地的土壤剖面（表1）。海拔条件影响土壤腐殖质的积累程度［21］。总体而言，发育在贺兰山山地的供试剖面土壤颜色

较浅、以棕色为主，其中发育在海拔1 650 m的滚钟口景区的典型土壤其腐殖质积累量大于另外4个剖面，腐殖质层颜色较深呈现暗棕色；而发育在六盘山山地的剖面较贺兰山山地的剖面土壤颜色深，以暗棕色为主，其中发育在海拔高度2 460 m的120号剖面腐殖质层深厚，约95 cm，剖面颜色呈现黑棕色。

表1 供试土壤的成土环境Table 1Soil formingenvironment of the tested soils

受南北气候条件差异和样点采集时间的影响，发育于贺兰山山地的剖面土体干湿状况表现为干或润两种状况，发育于六盘山山地的土体干湿状况以润为主。上述供试剖面均有一定土壤结构的发育，受土壤水分交替变化的影响，供试土壤发育的土壤结构包括团块状、团粒状和棱块状结构等。其中，发育程度是表征土壤结构机械稳定度的指标，供试土壤的土壤结构发育状况介于弱或中等，随着剖面深度增加，土壤结构发育程度减弱，部分剖面底土层无土壤结构的发育。

此外，剖面11、13、73、82土体内部可见含量不等的碳酸钙结核；剖面73、82、119号有弱黏粒胶膜的发育，含量很少；120号剖面发育海拔高、水分条件好，土体底部滞水发生氧化还原过程，因而可见少量铁锰锈斑的发育。发育在海拔2 300 m以上六盘山山地的120、121号剖面由于海拔高、淋溶条件好导致碳酸盐淋洗完全，通体无石灰反应，其他剖面土体均有不同程度的石灰反应。

2.2 供试土壤的颗粒组成

据全国第二次土壤普查数据，供试土壤在发生分类系统下的土类有石质土、粗骨土、灰褐土、新积土、黑垆土、山地草甸土和亚高山草甸土（表1）。结合表3数据可知，总的来看，供试剖面土层质地较为均一，发育于贺兰山山地的3、11、13、14和108号等5个土壤剖面较六盘山山地的73、82、119、120、121号土壤剖面质地粗，这主要取决于成土母质的土壤颗粒组成并受植被等成土因素的影响［22］。洪积母质、坡积母质相较黄土状母质、页岩残积物发育的土壤颗粒组成粗。此外，六盘山山地森林覆盖率高于贺兰山山地，其植被以针叶林、阔叶林为主，较贺兰山山地发育的荒漠草原和低矮灌丛植被能更好地涵养水源、保持水土、抵抗侵蚀，而贺兰山山地位于腾格里沙漠边缘，风大沙多、侵蚀严重，也是导致土壤质地较粗的原因。供试土壤黏化率变化范围介于0.16～3.00，由供试剖面的形态特征分析可知，剖面73、82、119号土体中部均有微弱黏粒胶膜的发育，结合颗粒组成数据82号剖面B/A黏粒含量大于1.3，由此推断82号剖面可能有黏化层的发育。

2.3 供试土壤的酸碱度

由表2数据可知，供试土壤p H范围介于6.19～8.90，变化范围较大［23］，随着海拔高度的升高，碱性逐渐减弱甚至表现弱酸性。其中，贺兰山山地土壤pH变化介于8.14～8.90，若参考《中国土壤》中对我国土壤酸碱度的分级标准，则贺兰山山地土壤均处于pH＞7.5的I级，呈碱性；六盘山山地土壤酸碱度变异范围大，pH变化值介于6.19～8.43，土壤酸碱度介于Ⅲ级、Ⅱ级、Ⅰ级，呈现偏酸性、偏碱性和碱性。土壤pH或受成土环境的生物气候条件的影响，据国家气象局提供的宁夏气象数据显示，宁夏范围内年均降水量呈南高北低的规律递变，且随海拔升高，降水量逐渐增多。六盘山山地位于宁夏南部，地势海拔高，碳酸盐被淋洗甚至完全淋洗，使剖面土壤pH较西北部贺兰山山地土壤pH低。

2.4 供试土壤的养分特征

供试样点土壤养分指标的测试对于宁夏土壤地力研究具有重要意义。其中，土壤有机碳含量是表征土壤养分含量的重要指标，也是计算土壤有机碳库储量的重要依据［24-26］。由表2可知，贺兰山山地供试土壤表层有机碳含量变化范围介于3.62～22.00 g·kg-1，六盘山山地供试土壤表层有机碳含量变化范围介于8.82～55.85 g·kg-1，受成土环境条件的影响，贺兰山山地供试土壤表层有机碳平均含量为11.39 g·kg-1低于六盘山山地供试土壤表层有机碳平均含量22.52 g·kg-1。此外，供试剖面有机碳随剖面深度增加含量递减，均具有表聚性［27］。供试土壤无机碳含量波动较大，介于4.3～152.0 g·kg-1，这主要受成土母质中碳酸盐含量多寡的影响，且与土壤淋溶过程的强度有关。供试土壤全氮含量随剖面深度增加而降低，含量介于0.15～4.28 g·kg-1，两大山地土壤全氮含量的差异规律与土壤有机碳规律一致。供试土壤有效磷含量变化范围介于0.10～24.83 g·kg-1，其中南部高海拔的六盘山山地供试土壤的有效磷含量较西北部贺兰山山地高。120号剖面发育的海拔高度最高，腐殖质层厚度约 95 cm，其中土壤各养分指标含量在供

试土壤的养分指标含量中均为最大值，这与该点高海拔、气温低、降水多以及生物活动弱等因素利于养分的积累有关［28］。

表2 供试样点的基本化学性质Table 2Basic chemical properties of the tested profiles

供试土壤游离氧化铁的含量介于1.77～12.90 g·kg-1，全铁含量介于20.10～43.62 g·kg-1，随剖面深度增加表现出一定的富集趋势。此外，随海拔的增大，供试土壤铁的游离度、活化度呈递增趋势。其中，发育在六盘山山地的119、120、121号剖面游离氧化铁、活性铁和全铁含量明显较其他剖面高，且120号剖面土体底部有明显的铁锰锈斑，据表2数据可知上述三个剖面石灰反应呈现轻度或无石灰反应发生，剖面pH范围为6.19～7.66，可能是因为高海拔、降水多的成土条件促进了土体碳酸盐的淋洗，从而对铁的活化和富集产生影响。腐殖质储量比作为诊断土壤是否存在均腐殖质特性的重要指标［29］，对于土壤系统分类有重要意义，供试剖面腐殖质储量比变化范围为0.23～0.42。

2.5 供试土壤的诊断特征与高级单元划分

综合上述土壤发育的形态特征和理化性状的分析结果，依据《中国土壤系统分类检索（第三版）》［29］，对10个供试土壤的诊断特征进行鉴定和检索，为确定供试土壤在中国土壤系统分类中对应的高级分类单元归属奠定基础。

由表3可知，供试土壤的部分诊断特征有明显的南北分异性，发育在六盘山山地的供试土壤水分状况好于贺兰山山地的供试土壤， 5个供试土壤均呈湿润土壤水分状况，而贺兰山山地的供试土壤则呈干旱或半干润土壤水分状况［30］；发育在西北部贺兰山山地的土壤为温性状况，而发育在南部六盘山山地的土壤则为冷性状况［31］。此外，暗沃表层、淡薄表层的检索出现南北分异与上文土壤有机碳的南北分异规律吻合。

表3 供试土壤的诊断层和诊断特性Table 3 Diagnostic horizons and their characteristics of the studied soils

根据供试土壤的诊断特征（表3），10个供试土壤的高级单元可归属为新成土、雏形土、淋溶土和均腐土等4个土纲，正常新成土、干润雏形土、湿润雏形土、冷凉淋溶土、湿润均腐土等5个亚纲，各供试剖面在中国土壤系统分类高级分类单元的归属依次为：3号剖面和11号剖面属于石灰干旱正常新成土、13号剖面和14号剖面属于普通简育干润雏形土、108号剖面属于普通暗沃干润雏形土、73号剖面和121号剖面属于暗沃冷凉湿润雏形土、82号剖面属于普通简育冷凉淋溶土、119号剖面和120号剖面属于斑纹简育湿润均腐土。

2.6 供试土壤的土族特征与基层分类单元划分

矿质土壤颗粒大小级别是中国土壤系统分类基层分类单元土族划分的首要依据［5］。结合供试土壤的颗粒大小、土体岩石碎屑的统计情况，对各供试土壤的颗粒大小级别进行鉴定得到粗骨砂质、砂质、壤质-砂质、壤质、砂质-粗骨砂质等5种类型（表4）。

土壤矿物组成、土壤颗粒大小级别共同影响的土壤的矿物学类型是土族划分的重要依据。依据文献［5］，结合国家地质检测中心出具的供试土壤矿物组成的测试结果，对供试土壤的矿物学类型进行检索得到硅质混合型、长石型和长石混合型等3种类型（表4）。供试土壤的土族特征与基层分类单元归属如表4所示。

按照《中国土壤系统分类土族与土系划分标准》可将10个样点的供试土壤续分为10个土族，包括粗骨砂质硅质混合型温性—石灰干旱正常新成土，粗骨砂质长石型温性—石灰干旱正常新成土，壤质长石混合型石灰性冷性—普通简育冷凉淋溶土，砂质硅质混合型非酸性冷性—斑纹简育湿润均腐土等。10个供试剖面在土族完全分异，因此进一步续分为10个土系，包括葡萄泉系、一堆系、滚钟口系、六盘山公园系、绿塬腰系等10个土系。

3 讨 论

3.1 宁夏山地土壤的发育特征及地带性分布规律

山地土壤占宁夏土壤面积的11.9 %，贺兰山山地和六盘山山地是宁夏山地土壤的主要分布区。随着山地海拔高度的抬升，生物气候条件也发生相应的变化，因此，山地土壤的分布具有垂直地带性规律［14］。据全国第二次土壤普查形成的《宁夏土壤》可知，宁夏山地土壤自下而上垂直地带性分布依次为灰钙土/黑垆土/黄绵土、灰褐土、亚高山草甸土，粗骨土在浅山有所分布。结合表1供试土壤的成土环境分析可知，10个供试土壤的分布与宁夏土壤地带性分布规律基本相符。

综合前文的性质分析，可知宁夏山地土壤的发育特征自下而上的变化规律为：腐殖质积累过程逐渐明显，腐殖质层加厚，土体颜色由黄棕色逐渐加深为黑棕色；土体淋溶过程加剧，土体石灰反应逐渐减弱直至消失，发育于低海拔位置的山地土壤土体内有明显的碳酸钙假菌丝体的淀积，海拔升高，碳酸钙逐渐淋溶完全；土壤水分条件逐渐改善，其中处于高海拔位置的山地土壤土体底部有氧化还原反应的发生，形成铁子和铁锰胶膜；土壤pH逐渐减小，土壤酸碱性等级发生变化，土壤碱性逐渐减弱甚至表现非酸性。结合表3供试土壤的诊断依据从中国土壤系统分类的角度来看，受成土环境和成土因素的作用，供试土壤的诊断表层随海拔高度的抬升由淡薄表层演变为暗沃表层；土壤水分状况经干旱/半干润土壤水分状况向湿润土壤水分状况演化；土壤温度状况由温性土壤温度状况变为冷性状况，有一定的垂直分异规律。

3.2 关于系统分类增设暗沃正常新成土土类及亚类的建议

系统分类是一个不断探索完善的过程［32-33］，虽然我国土壤系统分类工作已经取得阶段性进展，但尚不能完全满足土壤资源信息系统建设和其他学科应用的需要，仍需要不断的修订和完善。由上文可知，10个供试土壤按照现行2001年出版的《中国土壤系统分类（第三版）》可归属为4个土纲，5个亚纲，6个土类，6个亚类。其中，将11号剖面归为石灰干旱正常新成土、73号剖面为暗沃冷凉湿润雏形土、120号剖面为斑纹简育湿润均腐土、121号剖面为暗沃冷凉湿润雏形土，其中73号剖面与121号剖面分类单元相同。

采集自泾源县绿源林场的120号和121号两个剖面，分别位于山顶和山腰。山顶发育的120号剖面土体腐殖质层深厚，土壤颜色呈现黑色/黑棕色，厚度可达95 cm以上，发育有暗沃表层、雏形层，土体有均腐殖质特性，95 cm以下受滞水氧化还原作用的影响出现少量铁锰锈斑，土体表现氧化还原特征；山腰发育的121号剖面土体表层颜色呈现暗棕色，暗沃表层厚度达30 cm，土体40 cm以下出现准石质接触面，如图1所示。因此，在鉴定土壤均腐殖质特性时，121号剖面不满足有效土层的厚度要求，因而剖面构型不同的120号和121号剖面在土纲级别上有分异。

参考图1所显示的供试土壤剖面形态特征可知，73号剖面与121号剖面同属暗沃冷凉湿润雏形土，而剖面构型大相径庭，笔者认为依据现行分类将73号与121号剖面归为同一亚类的分类不够合理。参考图1剖面形态特征，将121号剖面与11号剖面对比来看，土体颜色差异明显，表征土壤腐殖

质含量差异，土体准石质接触面出现深度不同，相较于将73号和121号剖面归为同一土纲、亚纲的现行分类，笔者认为11号与121号剖面特征更为相似，因此笔者建议将11号与121号剖面归为同一土纲——新成土。依据现行土壤系统分类，新成土土纲中无法找到符合剖面121号特征归属的土类，而以121号剖面特征为代表的土壤，在宁夏、河北等地土系调查工作中均屡有发现，其土体母质特征明显，上覆厚30～50 cm的暗沃表层，土体构型为A-C型。因此笔者建议在正常新成土亚纲中增设：暗沃正常新成土，对于建议增设亚类的检索位置［9］，笔者认为应分别位于N4.1黄土正常新成土之前，即列于正常新成土亚纲下检索土类的第一次序，对于暗沃正常新成土土类的检索，则可依次序为石质暗沃正常新成土、石灰暗沃正常新成土和普通暗沃正常新成土，如下所示。若按笔者建议进行增设，剖面121号亚类当归属为石质暗沃正常新成土。

表4 供试土壤的土族特征与基层分类检索结果Table 4Soil family characteristics andbasic level classification of the studiedsoils

图1 编号为11、73、120、121的供试土壤剖面形态特征Fig. 1 Morphological characteristics of Profile 11，73，120 and 121

此外，雏形土与新成土土纲的界限应该更加具体，对于新成土土纲的检索指标应该更加明确、细化，确保在进行土壤系统分类工作时更加定量化、标准化，减少模糊分类状况的发生。

N4.1 暗沃正常新成土亚类的检索

N4.1.1 暗沃正常新成土中在矿质土表至50 cm范围内有石质接触面，或无石质接触面，但在该深度范围内有一半以上土层≥2 mm的砾岩或岩屑≥70%（按体积计）。

石质暗沃正常新成土

N4.1.2 其他暗沃正常新成土中有石灰性。

石灰暗沃正常新成土

N4.1.3 其他暗沃正常新成土。

普通暗沃正常新成土

3.3 修订系统分类土族划分指标——土壤矿物学类型的建议

在野外土系调查和土壤考察工作中，土壤调查工作者针对所挖掘的土壤剖面，在描述其形态特征的同时也会结合剖面发育的成土环境进行土壤分类的高级单元以及基层单元土族的初判。前文提到，土壤的矿物学指标是土族划分的重要依据，土壤矿物学类型的划分需要依据控制层段内土壤颗粒大小级别和土壤矿物组成加以确定。土壤颗粒大小级别主要依据岩石碎屑含量和土壤颗粒组成判别，经验丰富的野外土壤调查工作者具备土壤质地的野外判别方法，因此该指标对土族的野外初判影响不大。而土壤矿物组成则很难在野外进行定量分析，只能粗略估计。我国土壤系统分类基层单元土族的划分不仅是土壤分类高级单元的补充，兼有为土地利用和评价服务的目的，而土壤矿物学指标划分土族尚未显示出为生产服务的功能，不利于实地指导农业利用。此外，该指标检索时忽略了强对比颗粒大小级别对应的土壤矿物学类型的检索，因此建议专家组重新考虑这一指标。

在宁夏土系调查过程中，野外调查工作者挖掘到许多异源母质发育的土壤，但在土壤分类中尚未体现异源母质对土壤利用的影响，建议工作组是否可以考虑用母质类型的均一型/混合型替代土壤的矿物学类型，这既减少了野外判别的难度，也有利于指导农业生产利用和土壤改良，可以充分体现土族划分的功能性。

4 结 论

总体而言，宁夏山地土壤的发育特征随海拔自下而上的变化规律为：腐殖质积累过程逐渐明显；土体淋溶过程加剧，土体石灰反应逐渐减弱直至消失；土壤水分条件改善，处于高海拔位置的山地土壤土体底部有氧化还原反应的发生；土壤pH逐渐减小，土壤碱性逐渐减弱甚至表现非酸性。受成土环境和成土因素的作用，土壤发育规律在诊断特征上的反映为随海拔高度的抬升呈现一定的垂直分异规律，其中诊断表层由淡薄表层演变为暗沃表层；土壤水分状况经干旱/半干润土壤水分状况向湿润土壤水分状况演化；土壤温度状况由温性土壤温度状况变为冷性状况。

从中国土壤系统分类的角度来看，依据现行分类发育在宁夏山地的10个供试土壤高级单元归属为新成土、雏形土、淋溶土和均腐土等4个土纲，正常新成土、干润雏形土、湿润雏形土、冷凉淋溶土、湿润均腐土等5个亚纲，干旱正常新成土、简育干润雏形土、暗沃干润雏形土、冷凉湿润雏形土、简育冷凉淋溶土、斑纹湿润均腐土等6个土类，石灰干旱正常新成土、普通简育干润雏形土、普通暗沃干润雏形土、暗沃冷凉湿润雏形土、普通简育冷凉淋溶土、斑纹简育湿润均腐土等6个亚类，续分为10个土族，包括粗骨砂质硅质混合型温性—石灰干旱正常新成土，粗骨砂质长石型温性—石灰干旱正常新成土，壤质长石混合型石灰性冷性—普通简育冷凉淋溶土，砂质硅质混合型非酸性冷性—斑纹简育湿润均腐土等，10个供试剖面在土族完全分异，因而续分为10个土系，包括葡萄泉系、一堆系、滚钟口系、六盘山公园系、绿塬腰系等10个土系。此外，中国土壤系统分类是一个不断探索完善的过程，以满足土壤资源信息系统建设和其他学科应用的需要。