土壤剖面野外形态发育综合指数的建模方法.docx

1、第52卷第21期HubeiAgriculturalSciencesHubeiAgriculturalSciencesNov.,20132013年11月土壤剖面野外形态发育综合指数的建模方法姜荧荧，周崇峻，孙仲秀，张广才，刘洋，高华（沈阳农业大学土地与环境学院，沈阳110866）摘要：以江西朝阳挖掘的17个具有代表性的土壤剖面为例，基于系统观测和描述土壤野外形态特征，确定了评价古土壤发育的8项上填制面野外形态指标，定立了土填制而野外形态发育综合指数模型。关键词：土缜制面野外形态；发育综合指数；建模方法中图分类号：S151*.l文献标识码：A文章编号：0439-8114（2013）21-5182-

2、04ModelingMethodoftheWildMorphalogicalDevelopmentIntegratedIndexofSoilProfileJIANGYing-ying,ZHOUChong-jun,SUNZhong-xiu,ZHANGGuang-cai,LIUYang,GAOHua(CollegeofLandandEnvironment.ShenyangAgriculturalUniversity.Shenyang110866,China)Abstract:Basedonthesoilmorphologicalpropertiesof17representativesoilpro

3、filesinChaoyangofwesternLiaoning,asoilmorphologicalindexsystemwasmeasuredforevaluatingthedevelopmentofpaleosol.Thewildsoilprofiledevelopmentintegratedindexmodelwasestablished.Keywords：soilprofilemorphology；developmentintegratedindex；modelingmethod收稿日期：2013-01-21作者简介：姜荧荧（I987-）,女，辽宁鞍山人，在读硕士研究生，研究方向为植

4、物营养.（电话电子信箱）sun1987100lI；通讯作者，周崇峻（1967-）,男，辽宁沈阳人.实验师，主要从事土壤、肥料、植物检测方面的研究，（电话电子信箱）tcj.313。成土母质在各种自然因素和人为因素的影响下，发育成为具有不同属性的土壤。这些土壤属性的内在表现为土壤物质的转化及其迁移，而这些土壤属性的外在表现则反映于土壤剖面形态和土体构造上。为了用简单的数量方法来表达复杂的历史自然体一土壤的发育状况，多年来，人们进行了不断的探索。土壤学家和地质学家需要一种指数来定量评价土壤的发育程度，通过量化土壤野外形态如土壤颜色、胶膜、质地和其他

5、随时间发生变化的性质来实现性质的量化和比较。很多学者用土壤中微量元素间的比值作为判别土壤发育程度的手段，如黄成敏等工利用土壤中微量元素间的比值对海南岛北部玄武岩上土壤发育进行了研究；Dasch-2噌对各种母岩在风化作用下Rb、Sr迁移规律进行了较详细的研究，指出Rb/Sr反映了母岩风化作用强度oGallet等也对洛川黄土剖面中的Rb/Sr分布进行了初步研究，发现该比值可识别古土壤地层单元。国内一些学者通过对我国北方黄土和长江下游地区下蜀黄土典型剖面的Rb和Rb/Sr研究发现，它们能更精确地反映古气候环境的变化，是区域环境演变研究中较理想的替代指标心:。土壤发育指数是将量化的土壤野外属性转化成一

6、个综合指数来对整个土壤的发育程度进行评价。土壤剖面野外形态发育综合指数是评价、比较不同土壤发育程度的一种方法，是量化土壤野外属性以便在野外研究成土过程的方法。这种方法对于土壤发生学、土壤形态学、土壤系统分类学、地貌学、地层学的研究都有十分重要的应用价值。例如，当时间序列缺失时，土壤发育指数可以初步指示土壤的相对年龄，而应用土壤剖面形态发育综合指数可以在野外方便、高效、相对准确地鉴别古土壤气1977年Bilzi等根据土层和母质之间性质的差异对土壤腿性赋分。Leamy等屈提出土壤形态指数这一概念，是一种应用几个土壤属性赋分平均值来评价土壤发育程度的方法。他们用这种方法对奥塔戈部分地区的古土壤的特征

7、进行了初步量化。何磊等，研究认为剖面发育指数（PDI）和加权平均剖面发育指数（WPDI）作为剖面累积发育指标，可以用于不同土壤序列的发育速率比较。隋玉柱在确认“黄土也是古土壤”的前提下，采用统一的半定最指标（主要包括反映成土强度的Munsell色调、彩度、明度、结构、粒度、色度、CaC03含量等）来确定古土壤的发育强度。土壤剖面中土壤的形态属性含有丰富的成土环境信息，是环境变化与恢复和重建气候的重要依据，如基于古土壤的形态观测推断了洛川古土壤发育时期的古环境总之，目前的研究主要集中于土壤发育程度方面，对应用土壤发育指数来鉴别古土壤的研究资料较少。古土壤的鉴别是利用黄土一古土壤序列研究气候与环境

8、变化的重要手段。在野外识别古土壤有一定困难，尤其是识别弱发育的古土壤极其困难。李叙勇m用土壤发育指数来鉴别古土壤取得了令人满意的结果。本研究借鉴Harden和Bilzi等的思想，通过对土壤的红化作用、黑化作用、胶膜、结构、干时结持性、润时结持性、总质地、发生层边界等综合状况进行评价，建立土壤剖面野外形态发育综合指数模型，反映土壤的发育程度，以期为辽西朝阳古土壤鉴别研究奠定基础。1研究方法研究剖面位于朝阳市凤凰山、建平县富山乡马家沟村、喀左县公营子镇端正沟梁村东大梁和北票市桃花吐4个地点。这4个采样点均有古土壤分布，并且存在一个从上到下红土与黄土相互交错的大剖面，并在其周围分布着由于上层被剥蚀掉

9、而出露于地表（残遗、剥露）的古土壤剖面。在4个采样点分别找到符合标准的剖面进行采挖，挖好剖面后进行土壤发生层的划分。根据中国科学院南京土壤研究所土壤系统分类课题组土壤剖面描述规范进行系统、规范的土壤剖面野外形态特征描述和记录。最后根据发生层进行土样采集，共采集70个土壤发生层，17个土壤剖面的土样。观测的主要项目有颜色、结构、质地、胶膜、结持性、发生层边界等。2土壤剖面野外形态发育综合指数模型的建立土壤剖面野外形态发育综合指数的公式及确定土地评价研究中，常用指数法和土地潜力分级法来评价土壤的生产力或农业潜力。土壤剖面野外形态发育综合指数的计算公式为：式中P/为某土壤剖面的野外形态发育综合指数,

10、为某层某个土壤形态属性赋分后的标准化值M为所选指标数，九为某土层的厚度。确定土壤剖面野外形态发育综合指数的步骤如图1所示。图1确定土填剖面野外形态发育综合指数的步骤2.1 土壤剖面野外形态发育指标体系的确定众所周知，野外调查作为土壤学研究的传统有效方法之一具有不可替代性，土壤剖面野外形态发育描述指标不能定量制约了其应用；土壤微形态的古环境意义虽然明确，但直观性较低，形态描述与表达繁琐，术语晦涩难懂，不能进行定扯等问题仍然制约其应用仲。此次研究尝试建立综合量化指标一土壤剖面野外形态发育综合指数，以期解决这一矛盾，并且具有土壤发生学的理论依据"气反映土壤发育的土壤剖面野外形态发育指标有很

11、多，关键是所用指标能反映成土强度，并能进行定量或半定量研究。为了在野外方便、高效、相对准确完成古土壤鉴别，结合研究剖面的具体情况，尽量选取通过野外观察就能够直接获得的土壤剖面野外形态发育的指标。在众多反映成土强度的指标中，土壤形态特征较好地反映了成土过程中成土母质的累积变化。但土壤形态特征很多（如土壤颜色、土层厚度、质地、胶膜、结持性、发生层边界等），仅以某一特征不能全面反映土壤的发育状况，也不能进行土壤发育的定量评价。研究所建立的土壤野外形态发育指标体系见表lo对表1的各单项野外形态发育指标作以下说明，并着重从土壤发生学角度作出解释：1）土壤颜色（Soilcolor）o土壤颜色是土壤对太阳辐

12、射在视觉器官能够感受到的光谱范围内（280760nm）的选择吸收和漫反射的结果。土壤反射的那部分可见光的颜色决定土壤的颜色。影响土壤颜色的因素有很多，如土壤中的腐殖质含最、水分含量、暗色矿物（如氧化铁、氧化锭、黑云母等）含危、浅色矿物（如二氧化硅、氧化铝、碳酸钙等）含量，因此，颜色是表征许多性质的重要形态特征，它是人们认识土壤最直接的依据之一。土壤发育程度通常以颜色变化为特征小）。伴随土壤发育，土壤中赤铁矿增加，导致土壤色调变红和土壤彩度增加。土壤颜色跟土壤的成分和垒结状态直接相关，划分剖面发生层，颜色是首要的形态特征，颜色的各种变化是土壤内在性质变化的反映。土壤颜色的剖面变化对诊断土壤具有重

13、要意义。根据土壤颜色也可以对土壤的形成过程、发育程度进行初步判断。研究将土壤颜色属性分解为红化作用和黑化作用两个指标，随着土壤发育的增强，色调变红、彩度变鲜艳的变化称为红化作用，黑化作用是指由于土壤有机质累积而使土壤变暗的作用，它是用芒赛尔颜色值中的明度来表示的，随明度的增加而降低。红化作用和黑化作用的赋分参照Harden的方法，但为了排除在低彩度时有机质染色对彩度的干扰，将彩度为14时赋分的增值减小为5分。2）土壤胶膜。土壤胶膜是在土壤形成发育过程中由土壤中的细粒物质（如黏粒、游离氧化物、碳酸盐、腐殖质等）通过浓聚、淀积或析离等作用，在土壤裂隙或孔隙壁表面以及土壤结构体或颗粒表面形成的膜状物

14、。它是与土壤孔隙、裂隙、孔道、土胚（Ped）和骨骼碎屑颗粒在自然表面相结合的一种可识别的土壤形成物。若将土壤物质分为骨骼颗粒和细土物质，黏粒胶膜是细土物质中黏粒组分的扩散、移动或淀积形成的聚合物，或是黏粒组分原地变化形成的分离物。黏粒胶膜被认为是“土壤颗粒或土块的皮肤”，表示土壤表面或孔隙在经过悬浊液淋洗后被沉淀的黏粒所覆盖m：。土壤胶膜是土壤长期演化过程中逐渐形成的，其物质多来源于本体土壤的淋溶和淀积。胶膜的形态、结构和元素组成特点等是相应成土过程和环境条件的产物，记录着土壤的发生过程，包含了成土的气候变化和环境变迁的信息，可作为识别土壤在不同时期的发生过程和环境变化的重要依据3）土壤结构。

15、土壤结构是指土壤颗粒（包括团聚体）的排列与组合形式。主要功能是使土体中同一空间里同时存在固、液、气三相，并且具有调节水、肥、气、热的作用。土壤结构是土粒有规律性的结合体。结构体内部与结构体之间有着截然不同的孔隙状况，土壤结构的功能就是靠它形成不同的孔隙及其分布密度的差异来实现的。土壤结构是土壤中各种过程进行的物理框架。观察土壤剖面中的结构类型，可大致判别土壤的成土过程。如具有团粒结构的剖面与生草过程有关；淀积层中有柱状或圆柱状结构则与碱化过程有关。土壤结构影响土壤中水、气、热以及养分的保持和移动，也直接影响植物根系的生长发育。土壤结构的定量化对土壤水、气、热和土壤生物、化学过程定量化研究具有重

16、要意义。4）干时结持性（硬结性）、润时结持性（坚实性）。结持性是指土粒（2mm）间相互黏结在一起的性能，是通过土粒-水-土粒之间的引力而表现出来的。5）土壤质地。土壤质地是指土壤中各粒级重斌占土壤重童的百分比组合。质地野外判别采用Shaw的简易质地类型进行快速判定。土壤质地是土壤的最基本物理性质之一，对土壤的各种性状都有很大的影响。因为野外鉴定的质地类型无法对黏粒含量作出较准确的估计，所以通过采用包括质地类型、黏着性、可塑性在内的综合指标即总质地来评价某些质地类型黏粒含量的较大差异性。6）发生层边界。发生层边界是指相邻发生层之间的过渡状况。土体是以土壤性质侧向变化的最大均一性为界限的土壤地理个

17、体，它是土壤在空间上一个立体的单元。在土体内由于物质的更力和张力以及溶解和沉淀等影响，在垂直方向上产生了自然的质地分异形成土层。因此，发生层边界的类型可以很好地指示土壤的发育状况。土壤剖面野外形态发育各项指标分级赋分中，红化作用、黑化作用参照李叙勇的方案，总质地、干时结持性、润时结持性参照Harden的方案，发生层边界参照Bilzi等的方案。由此构建了评价辽西朝阳第四纪古土壤剖面野外形态发育的指标体系（表1）0土壤剖面野外形态发育综合指数的计算2.3.1 土壤剧而野外形态属性的量化和标准化经详细描述的土壤剖面野外形态发育各项属性，按照表1中的标准赋予分值即是其数量化。标准化的目的是使各项土壤属

18、性的量化值在同一个数量级范围之内，使不同土壤之间具有可比性，其计算公式为表1中所列各标准化公式。2.3.2 上壤剖面野外形态发育综合指数的计算土壤剖面野外形态发育综合指数的计算按公式（1）进行,计算步骤见图1。据此计算了辽西朝阳挖掘的具有代表性的17个土壤剖面的野外形态发育综合发育指数。表1土壤剖面野外形态发育指标体系a.联色色调5Y2.5Y10YR7.5YR5YR2.5YR10R5R赋分分1020304050607080b.颜色彩度12345678赋分分5101520304050601.红化作用(Rubification)Xr=(色调*+彩度X)干+(色调彩度*)湿标准化：J,=280注：若

19、多抻颜色，取平均值，2.黑化作用(Melanization)颜色亮度12345赋分分8070605040Xv=10(明度)干+(明度)湿673020810标准化：X803傲膜(Cutanicfeatures)赋分分土丰度/%厚度b. 位置102030很少(<2)少(25)中(5-15)薄中厚厚孔隙无粒间或结构体表面40多(15-40)很多(40-80)50*痛&.匕_*厂201304.结构(Stnicture)械分/分5102030a.发育程度弱中强b.聚合类型片状团块状或棱块状棱柱状柱状X产得分最高级的(丰度+厚度堆洗)+1/2(其他级丰度之和)X.H主要结构的(发育程度+聚合

20、类型)+1/2:次要结构的(发育程度+聚合类型)标准化：X«=主-605. 干时结持性(Dryconsistence)干时结持性松散赋分分10*舟10(干时结特性)标准化:；120润时结持性(Moist)润时结持性松散赋分/分10X10(润时结特性AX)标准化：x.=4=-120兑,质地(Totaltexture)&.质地类型沙土松软稍硬硬203040极疏松20疏松30很硬50极硬60坚实40很坚实极坚实5060赋分分10203040b.黏若性(湿时)不黏稽站极新赋分分10203040C.可塑性(湿时)不塑稍墩中塑极塑赋分分10203040粉填土沙壤土填土Xt=10®

21、;地类5SAX+懿看性八*可塑性>黏壤土黏土50608.发生层边界(Boundaryconditions)明显度(交错区厚度/cm)模糊(N】2)渐变(512)清晰(25)突变(<2)赋分分01020303小结通过研究确定了评价古土壤发育的8项土壤剖面野外形态发育指标体系，建立了土壤剖面野外形态发育综合指数模型。土壤剖面野外形态发育综合指数模型虽然已经建立，但需要进一步研究来验证其适用范围和准确性。参考文献：1黄成敏，龚子同.海南岛北部玄武岩上土壤发育过程的定成研究J.地理科学,2000,20(4):337-342.DASCHEJ.Strontiumisotopesinweathe

22、ringprofiles,deep-seasediments,andsedimentary-rocksJ.GeochimicaetCos-mochimicaActa,1969.33(2):1521-1552.：3GALLETS,JAHNBM,TOR11M.GeochemicalcharacterizationoftheLuochuanioess-pale(»solsequence,China,andpaleo-climaticimplicationsJ.ChemicalGeology,1996,133(1-4)：67-88.4 陈骏，汪永进，季竣蜂，等.陕西洛川黄七剖面的Rb/Sr值及其旬候地层学意义J.第四纪研究,1999,19(4):350-356.5 李福春，谢昌仁，潘根兴.南京老虎山黄土剖面的磁化率及Rb和Rb/Sr对占气候的指示意义J.海洋地质与第四纪地质，2002,22(4):47-52.6 HARDENJW.AquantitativeindexofsoildevelopmentfromHelddescriptions：examplesfromachronosequenceincentralCaliforniaJ.Geoderma,1982,28：1-28.7 B1LZ1AF,CIOLKOSZEJ.A