赣南地区南方红壤粒度与磁化率特征研究

李红琼，韩荣培

(1.贵州师范大学 地理与环境科学学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州省民族研究院，贵州 贵阳 550025)

1 引言

土壤粒径是土壤最基本的物理性质之一，它强烈地影响着水力性质、热力性质等土壤物理特性。近年来该指标被广泛应用于气候变化及环境演变研究中[1～3]。亚热带红壤是中国分布面积最大土类之一，其广泛分布于长江流域以南的广大地区。亚热带红壤对中国南方农业生产活动产生重要影响，探究其特征及其与磁化率的关系，对农业生产和古气候研究具有积极意义。

目前涉及该方面研究已经取得了一定的研究成果，如黄寻等研究重庆梁山土壤粒度与磁化率的关系[1]；朱丽东等对庐山红土磁化率的研究[3]，熊平生研究土粒度组合特征及其指示环境意义[4]；李敬卫等对江西九江红土堆积特征及其成因研究，得出九江红土堆积与中国北方黄土一样属于风尘堆积的结论[5]；熊尚发等就赣北红土与沙漠砂、黄土、古土壤粒度对比，发现赣北红土具有沉积上的渐变过渡性[6]。由于磁化率是物质被磁化难易程度的一种度量，是一种重要环境替代指标，常被应用于沉积物发育状态以及环境演化。如田庆春等对青藏高原腹地湖泊沉积物的研究，分析环境代用指标与磁化率之间关系，并说明其环境意义[7]；邓成龙等指出成土过程中新生成细粒磁性矿物含量变化是导致磁化率增强的主导因素，得出中国黄土沉积物磁气候学记录灵敏地反映第四纪亚洲内陆地区干旱化过程和东亚古季风演化历史[8]。由于土壤粒度与磁化率具有密切关系，近年来两者之间的关系研究也有一定进展。王建等对磁化率与粒度、矿物之间关系研究表明：沉积物粒度与磁化率的关系与物源及沉积动力密切相关[9]；王红艳等对临汾盆地褐土剖面磁化率和粒度相关性研究表明:磁化率及粒度对沉积环境和古气候的变化有一定的响应[10]。卢升高等通过对土壤频率磁化率与矿物粒度关系研究，表明其对风化成土过程中形成的土壤成因磁性矿物具有指示作用[11～13]。另外还有学者对沉积物粒度与磁化率关系进行研究[14～16]，土壤磁化率特征在现在土壤科学研究中具有非常重要的意义。

南方红土是第四纪以来中国南方古环境演化与气候变迁最佳载体之一，其记录了南方古地理、古气候等环境变迁信息，对于认识我国热带、亚热带地区第四纪气候变化过程和全球纬度效应以及探讨南北古气候演化区域差异的理想地质材料[17,18]。本文以赣南剖面红壤为研究对象，分析赣南红壤的粒度特征与磁化率变化特点，探讨两者相关性，以期为相关研究提供有用依据。

2 研究区概况、材料与方法

2.1 研究区概况

赣县是中国江西所辖县，位于江西南部，东经114°42′～115°22′、北纬25°26′～26°17′，总面积2993 km2。沙地镇是赣县辖下镇，地处丘陵山地，森林覆盖率达75%。海拔在500～1000 m，属亚热带季风湿润气候，年平均气温约19.4 ℃，年降雨量约1438.3 mm，无霜期281 d，年平均日照1855.2 h。该镇距赣州市区35 km，距县城43 km，105国道贯穿境内25 km，国土面积175 km2(图1)。

图1 研究区地理位置

2.2 样品采集与测试

采样点(114°44′4″E，26°7′43″N)位于赣县沙地镇西北京九加油站旁距105国道约1 km处，剖面厚度为1.68 m，上层土壤上覆盖有蕨类植物，略带黑褐色腐殖质层，中下层较均一层，颜色暗红色，粘性较好、土质松散。取样剖面采用一定间距连续采样共采得样品总数43个。土壤样品粒度及磁化率测定在西南大学地理科学学院实验室完成，粒度实验所涉及每个样品都是用英国马尔文公司生产的Mastersize2000激光粒度仪在遮光度为15%～20%条件下，经过3次测量并取其平均值作最终结果。该仪器测量范围是0.02～2000 um，精度±1%；磁化率测试采用卡帕桥多频各向异性磁化率仪(MFK1-FA)进行低频(976Hz)和高频(15616Hz)磁化率(分别用χlf和χhf表示)测试，换算成质量磁化率。具体步骤如下：①土壤样品自然风干，磨碎后过2 mm筛。称取0.5 g置于250 mL烧杯中。加入10%的H2O2溶液静置24 h；加入10%的HCl溶液直至烧杯中没有气泡产生，静置24 h，加入超纯水至溶液偏中性：随后样品中加入10 mL(NaPO3)6静置1 h后用激光粒度仪进行测试。②磁化率土壤样品过0.25 mm筛，将土壤样品装入10 m3的塑料盒中并进行密封，采用卡帕桥多频各向异性磁化率仪上机实验。

2.3 研究方法

2.3.1 偏度

偏度(skewness) 是统计变量数据分布偏斜方向和程度的度量，是统计变量数据分布的非对称数字特征[19]。偏度是利用三阶矩定义，所表示的是频率曲线对称性的参数，实质上反映的是粒度分布对称程度，按其形态可分为正态、正偏态、负偏态特征[20,21]。福克和沃德的偏度计算公式为：

(1)

若Sk>0，则呈正偏态(或右偏态)，表示峰偏向粗粒度一侧，说明沉积物以粗组分为主，细粒一侧表现为低的尾部；若Sk<0，则呈负偏态(或左偏态)，表示峰偏向细粒度一侧，说明沉积物以细粒为主，粗粒一侧有低的尾部，此时不对称的频率曲线可以是单峰曲线，也可以是双峰曲线，表现为在含量较少的尾部有一个低的次峰；若Sk=0，则呈正态，表示数值相对均匀的分布在平均值的两侧。

2.3.2 峰度

峰度是衡量粒度频率曲线的尖锐程度，即度量粒度分布的中部与两尾端的展形之比[22]。峰度是另一个反映随机变量分布形状的量，可以用来比较已标准化了的各随机变量分布的尾部厚度，是利用四阶矩进行定义。其计算公式为：

(2)

若KG= 0，表示不同数据间差距处于一个合适的“度”；若KG<0，则表示数据较分散，不同数据间差距较大，说明数据尾部比正态分布的尾部细；若KG>0，表示数据较集中，数据间差距较小，随机变量的尾部比正态分布的尾部粗；若KG为无穷大时，数据间无差距，曲线变成一条直线。

2.3.3 磁化率。

磁化率是指弱磁场(0.1mT)环境中样品磁化强度与磁场强度之比，是外磁场作用下物质磁化的能力，也是反映样品中铁磁性矿物含量指标[23,24]；频率磁化率是指在不同频率外磁场下，样品产生磁化率值变化程度，它是反映土壤中接近稳定单畴(SSD)—超顺磁性(SP)过渡态磁性颗粒存在指标，反映两者对磁化率的贡献，可作为土壤中SP颗粒浓度的量度[25]。频率磁化率(χfd)的定义是：

χfd=(χlf-χhf)/χlf×100%

(3)

其中，χhf是高频(15616Hz)磁化率，χlf是低频(976Hz)磁化率[26]

3 结果与讨论

3.1 关于土壤粒度特征

据国家海洋局1975粒级分级标准(黏粒(<4μm)、粉砂(4～64μm)、砂(>64μm))，剖面中平均含量分别为22.3%、72.36%、5.25%，整个剖面土壤属粉砂质地。粒度组成特征与赣南网纹红土粒度特征相似，粗颗粒含量多，主要表现在冲积、洪积相特征[27]。选用平均粒度、标准差、偏度、峰度作为粒度特征参数，粒度参数见图2、图3。平均粒度变化范围是6.19～7.3(φ)，平均值为6.77(φ)。洛川黄土研究中[28]，粒径平均6.4～6.6φ、6.7～6.9φ、>6.9φ分别对应黄土弱、中、强风化程度。以此为参照，本文剖面弱、中、强风化强度分别为32.6%、39.5%、27.9%，风化程度相对较强；中值粒径变化范围是7.248～13.721μm，平均值10.125，，平均粒径从上到下逐渐变小。标准差反映粒度粗细变化特征，红壤剖面标准差基本介于1.45～2.31，根据福克和沃德对σ分级标准[29]，属分选性差级。从图2可以看出，土壤峰度在0～24 cm剖面范围内与平均粒径成正相关关系，24 cm以下与平均粒径成明显反相关，粒径值变小时峰度变大特征。标准差峰度与平均粒径两者之间反相关关系明显，粒径值变小时标准差相应变大。偏度可判别粒度分布对称性，偏度而言，该剖面大部分属于正偏，土壤发育程度不对称，粗颗粒占很大部分，这与土壤发育程度不够成熟具有关系[30]。峰度大部处于2.62～2.99之间，小部分峰值>3，峰态为正值，属于窄峰态[31]，呈现出尖锐趋势，进一步证明粗颗粒占较大比例，土壤发育不好。峰度值与偏度呈现明显反相关关系，即峰度从上到下观察，当峰度值越来越大，偏度值就越小。剖面粒径由上到下呈变小趋势，且黏粒百分比含量由上到下有波动变化增加趋势。粉砂以及砂粒级百分比含量由上到下出现微小波动增长，但是总体减小。

图2 土壤平均粒径与标准差

图3 土壤偏度与峰度

3.2 关于土壤磁化率特征

图4可以看出，剖面低频磁化率为23.560×10-8～87.615×10-8m3/kg(30.11×10-5～115.3×10-5SI)，平均值为53.651×10-8m3/kg。磁化率值在剖面顶部到152 cm处呈现增大趋势，并在152 cm处达到最大值，有学者[32]认为这是由于成壤过程中产生的磁颗粒(超顺磁性颗粒)导致的；0～12 cm剖面最表层，磁化率值急剧增大，可能是由于人类活动所产生外来物质的积累，导致磁化率产生急剧变化；152～168 cm磁化率呈现逐渐降低趋势，说明土壤成土过程中这两个时期土壤颗粒较粗[33]。频率磁化率呈波动变化趋势，变化范围不是很大，总体上还是呈增大趋势，说明土壤发育过程中稳定单畴以及超顺磁性颗粒在增加。在土壤风化过程中，约0.03 μm的超顺磁颗粒(SP)是成土作用所产生的次生磁性矿物。频率磁化率值介于18.25%～20%之间，平均值为19.31%(图4)。

图4 质量磁化率与频率磁化率对比

研究区剖面是砂岩母质上发育的红壤，低频磁化率总体变化趋势是上部最小，并从上部急剧增大，且增长到最大值后又急剧降低。俞劲炎等[34]在富铝土纲的表述中，湖北砂岩母质发育红壤，其磁化率变化趋势与本研究中磁化率变化特征具有相同的规律。本文中频率磁化率虽然总体上增大，但变化很小，说明磁化率增长并不是由稳定单畴及超顺磁性颗粒导致，而是砂岩母质成分及岩性变化控制，母岩因素在很大程度上制约着其磁化率大小[35]。剖面接近地面的样品，与赣南地区长期高温多雨气候环境有关，湿热气候环境下，细颗粒和细粒磁性矿物会发生流失，从而造成低频质量磁化率降低[36]。

本研究区磁化率特征与相临地区红壤进行比较：朱丽东等对九江庐山JL剖面红壤磁化率研究中，JL剖面⑥～⑧棕色黄土-古土壤磁化率值变化范围是22.45～133×10-5SI[37]；袁大刚等对南京雨花台红土磁测，13×10-8～83.1×10-8m3/kg[38]；本文中磁化率变化范围比庐山JL剖面小，最小值大于JL剖，最大值比JL小，平均值比JL剖面小；本文磁化率总体大于雨花台磁化率，其变化范围比雨花台小，最大值和最小值均小于雨花台。以上比较说明以上两地磁化率影响因素比本研究区要复杂得多(图5)。

3.3 关于土壤粒度与磁化率关系

本文通过对实验得出粒度参数及磁化率与频率磁化率分析，得表1、图5。表1中可以看出：剖面中频率磁化率增加与砂粒含量、黏粒含量、标准差、偏度、中值粒径存在正相关性，其中与黏粒含量、中值粒径和标准差相关系数分别为0.11983、0.45043与0.19049；而与粉砂含量、平均粒径、峰度存在负相关性，与粉砂含量、平均粒径和峰度相关性系数分别为-0.20807、-0.03637与-0.10618；低频磁化率增加与黏粒含量、粉砂含量、平均粒径、偏度、峰度存在负相关性，与粉砂含量、平均粒径和峰度相关系数分别为-0.6765、-0.51839与-0.44735，而与砂粒含量、中值粒径、标准差存在正相关性，其中与砂粒、中值粒径、标准差的相关系数分别为0.57582、0.59251与0.64214。频率磁化率相关性分析中，频率磁化率与黏粒相关性系数是0.11983，呈现出正相关性，说明稳定单畴与超顺磁颗粒在红壤磁性贡献中占有一定比例。质量磁化率又与黏粒含量相关系数为-0.21502，呈现出负相关性，说明剖面正处于土壤风化过程过渡期的最明显代表，其质量磁化率呈现增长趋势可能与同母岩本身矿物含量、矿物类型以及人为因素等相关，而稳定单畴与超顺磁颗粒并无大相关性。

表1 红壤剖面粒度参数与质量磁化率、频率磁化率相关性

图5 黏土百分含量、中值粒径与质量磁化率对比

为反映粒度参数与磁化率间关系，建立磁化率与粒度参数间相关性关系。选择频率磁化率与质量磁化率作为变量，以<4μm、4～64μm、>64μm、中值粒径、平均粒径、标准差、偏度、峰度8个影响因子作为自变量。为确保两者关系可靠性，必须确定变量与自变量相关性关系具有统计学意义。结果显示，频率磁化率与黏粒、粉砂、砂粒、平均粒径、标准差、偏度、峰度以及质量磁化率与黏粒、偏度之间相关性不显著。频率磁化率主要与中值粒径存在显著相关性，质量磁化率与粉砂含量存在显著相关性。

4 结论

本文以赣南红壤剖面土为研究对象，分别测定其粒度和磁化率，探究该地区土壤粒度和磁化率关系，并讨论了其变化特征及其成土原因，研究结果可为相关研究提供一定的借鉴。根据以上分析，初步得出如下主要研究结论：

(1)红土剖面的土壤属于粉砂质地，平均粒径区间为6.19～7.3(φ)，标准差值基本介于1.45～2.31，分选性差，偏度属于正偏，说明土壤发育程度不够成熟，同时峰度值为正，峰态属于窄峰态，进一步说明粗颗粒占较大比例，土壤发育不好。

(2)土壤剖面的磁化率总体变化趋势是随深度增加而递增，其具体变化可经分为三段：剖面的表土样品χlf最小，这可能是与赣南气候环境有关，0～12 cm剖面χlf急剧增大，可能是由于人类活动影响导致的，之后χlf呈现明显增大趋势，并在152 cm达到最大值，152～168 cm呈现降低趋势。

(3)频率磁化率呈现波动起伏状，但其值变化较小，说明细颗粒物质对低频磁化率的影响较小。同时以湖北砂岩母质红壤磁化率为参考，说明本文中剖面磁化率变化是由砂岩母质成分及岩性变化控制，母岩因素在很大程度上制约着其磁化率大小。

(4)在磁化率与粒度参数相关性分析中，频率磁化率与粉砂含量、平均粒径与峰度均存在负相关关系，而与黏粒含量、砂粒含量、中值粒径、标准差和偏度均存正相关关系。质量磁化率与黏粒含量、粉砂含量、平均粒径、峰度以及偏度存在负相关关系，与砂粒含量、中值粒径和标准差存在正相关关系，并与砂粒含量和标准差相关性显著。