區(qū)域成土過程-認識與表達.pdf

1、土壤是在漫長地質(zhì)年代里,在物理、化學和生物作用下由基巖風化產(chǎn)物、各種松散沉積物發(fā)育形成的近地表自然介質(zhì)。因此,在人類生存時間內(nèi),土壤資源是一種不可更新資源。但是,由人類活動引起的壓實、封蓋、侵蝕、鹽堿化、酸化、污染等都會對土壤產(chǎn)生破壞作用;此外,農(nóng)業(yè)、其它七地利用措施以及全球氣候變化也會對土壤演化產(chǎn)生影響。同時,作為一個具有物理、化學和生物功能的復雜體系,關于土壤形成和演化的研究一直是土壤學科研的挑戰(zhàn)。關于這一方面的研究一直較少。目前,

2、關于其的研究從先前的定性研究轉(zhuǎn)向定量、模型方面的研究。基于土壤體系的復雜性,士壤科學學者在如何運用現(xiàn)代的數(shù)學和統(tǒng)計方法將其最化方面進行了一些嘗試,但是,在這方面的研究仍然較少且還不完善。因此,本研究以土壤的基本屬性、主要成土元素、地形地貌特征以及土地利用方式為研究對象,基于Al2O3-CN-K2O圖(或風化指標)和質(zhì)壁平衡模型對四川盆地的土壤剖面以及區(qū)域(三峽庫區(qū)重慶段)土壤的化學風化和主要成土元素的遷移進行了闡明,并在此基礎上,結(jié)合母

3、質(zhì)、地形地貌特征以及土地利用方式等對區(qū)域成土過程進行了認識與表達。獲得的主要研究結(jié)果如下:1、土壤剖面形成與演化:元素分布與遷移
　　 通過對四川盆地15個土壤剖面中物理、化學屬性以及主要成土元素含量分布的分析,同時采用Al2O3-CN-K2O三角模型圖對風化程度進行了描述。其結(jié)果表明:在剖面SCSI1(SCSI為四川土壤調(diào)查縮寫)的A層和AB層與BC層和C層存在著較大的差異,若將A和AB層、BC層和C層分別作為一個整體來看,它

4、們各自具有較好的土壤剖面演化特征,因此,認為剖面SCSI1是由兩個剖面組成,造成這種現(xiàn)象的最大可能是崩塌或滑坡造成的掩埋,當然也可能是人為覆土。在剖面SCSI2、3、6、9、11和14的A層、B層(AC或BC)與C層存在著差異較小,但其上層的風化程度要弱于下層,屬于剖面倒置的現(xiàn)象,同時也發(fā)現(xiàn)其不屬于剖面倒置,基于當?shù)氐牡匦蔚孛惨约扒治g情況,尤其是紫色母巖快速風化的特性,該類土壤剖面最大可能是在土層不斷的侵蝕淋失以及母質(zhì)不斷的風化補充形成

5、。在剖面SCSI4、7、12和13中,從Ti元素的剖面分布來看,其屬于正常土壤發(fā)育歷程,但是從其余屬性的狀況來看,其C層中的風化同樣略強于上層,若不存在異源母質(zhì)的混入的情況,造成這種現(xiàn)象最大的可能是壤中流或地下水的作用。剖面SCSI5和10,其各屬性差異較小也未有一定的分布規(guī)律,同時其A層都較淺薄,風化程度差異較小,成土特征不明顯。剖面SCSI15中,該剖面在水的作用下在33～50cm處形成明顯的淀積層,存在著鐵錳結(jié)核類物質(zhì),風化程度較

6、為強烈且層次間差異較小,受到人為作用的影響較為明顯。另外,采用質(zhì)量平衡模型對土壤剖面中元素的累積/損失情況進行了闡述,其結(jié)果表明削面SCSI1、2、3、8、9、13和14存在元素的損失,其中SCSI1中主要來源于:Ca,SCSI9中主要來源于Al和Fe,SCSI13和14中主要來源于Si,其余剖面中主要來源于Si、Al和Fe;剖面SCSI4.、5、6、10、12和15存在元素的富集,其主要來源于Si,除剖tt面SCSI12主要來源于Al

7、和Fe外?？傊?土壤剖面中元素的分布以及配比可以在一定程度上反映土壤剖面的形成和演化,但同時其也受到氣候以及人為活動的影響。
　　 2、區(qū)域成土過程:成土元素空間變化與化學風化
　　 通過對三峽庫區(qū)重慶段主要成土元素分布的分析,得到如下結(jié)果:本研究區(qū)土壤中SiO2平均含最為63.13％、Al2O3平均含鼉?yōu)?4.34％、Fe2O3平均含量為5.13％、K2O平均含量為2.54％、CaO平均含量為2.52％、MgO平均含量

8、為1.92％、Na2O平均含量為1.05％以及Ti的平均含量為4410mg·kg-1。整個研究區(qū)內(nèi)表層土壤中Si/Al、Si/Fe和Si/R2O3的空間分布具有一定的相似性,其在巫山老地層區(qū)、涪陵老地層區(qū)的部分區(qū)域以及云陽一萬州沿岸相對較低,即表明與其它地區(qū)相比這些區(qū)域土壤中有一定程度的富鋁現(xiàn)象;渠馬盆地北部、紅巖盆地、新妙盆地與長壽盆地部分地區(qū)以及研究區(qū)內(nèi)各背斜地區(qū)相對較高。同時,CIA(Chemicalweathering inde

9、x)和PWI(Parker's weathering index)的空間分布也具有較好的相似度,從整個研究區(qū)來看基本上呈條帶狀分布;在長江沿線地區(qū)相對較弱;奉節(jié)和云陽地區(qū)土壤化學風化最為強烈,以及新妙盆地和紅巖盆地的部分區(qū)域也相對較強,即表明相對本研究區(qū)域的其它地區(qū),這些地區(qū)土壤中的Ca、Mg、K和Na等元素淋失相對較為嚴重。
　　 本區(qū)域深層土壤母質(zhì)中SiO2平均含量為62.49％、Al2O3平均含量為14.15％、Fe2O3

10、平均含量為5.25％、K2O平均含量為2.60％、CaO平均含量為1.65％、MgO平均含量為1.76％、Na2O平均含量為1.09％以及Ti的平均含量為4807 mg·kg-1。整個研究區(qū)內(nèi)土壤母質(zhì)中Si/Al、Si/Fe和Si/R2O3的空間分布具有一定的相似性,其在巫山老地層區(qū)和涪陵老地層區(qū)的部分區(qū)域相對較低;渠馬盆地、新妙盆地部分地區(qū)相對較高。同時,CIA和PWI的空間分布也具有較好的相似度,從整個研究區(qū)來看基本上呈條帶狀分布;

11、其結(jié)果表明在云陽盆地的南部、巫山老地層區(qū)和涪陵老地層區(qū)的部分區(qū)域土壤母質(zhì)的化學風化程度相對較低;渠馬盆地、新妙盆地部分地區(qū)、以及各背斜地區(qū)土壤母質(zhì)的化學風化程度相對較高。但總體上來說本研究區(qū)域內(nèi)土壤的化學程度相對較弱。另外,需要指出的是,在某些區(qū)域還不如其相對地點的母質(zhì),其中CIA空間分布圖這部分面積近占到總區(qū)域面積的77.39％。這可能是由于研究區(qū)域內(nèi)母質(zhì)地層以及地形地貌較為復雜,同時母質(zhì)類型以泥巖、砂巖以及頁巖為主,這些都導致研究區(qū)

12、內(nèi)泥石流、滑坡和崩塌等地質(zhì)運動發(fā)生的較為頻繁,從而造成母質(zhì)來源較為復雜,即土壤可能發(fā)育于多種母質(zhì)物質(zhì);另外,人為活動也會對土壤的化學風化產(chǎn)生影響,同時也導致土壤侵蝕、水土流失等現(xiàn)象也較為嚴重。
　　 從質(zhì)量平衡模型結(jié)果來看,只有Mn元素在土層中有相對損失(除侏羅系中下統(tǒng)自流井組地層母質(zhì)發(fā)育的土壤外)。從各元素含量的變化占總含量變化的比值來看,Si含量的變化對土層總體的變化最大,其次是Fe和Ca含量。不同地層母質(zhì)發(fā)育的土壤的M總間

13、的差異不大,其平均值位于4.55～7.87kg·m-2,但其內(nèi)在的各元素之間仍存在著較大差異。各地層母質(zhì)發(fā)育的土壤中各元素的損失累積情況各不相同,但總得來看MSiO2和MCaO是整個土體內(nèi)元素量變化主要的來源,其中在發(fā)育于三疊系下統(tǒng)大冶組/嘉陵江組/飛仙關組的土壤中最為明顯。雖然在各地層母質(zhì)發(fā)育的土壤中各元素的損失或累積量與地形地貌參數(shù)存在著一定的線性關系,如侏羅系上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組母質(zhì)發(fā)育的土壤中高程和坡度、在侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組發(fā)育的土壤中

14、水平曲率和高程,但是更多可能是非線性關系,這可能是由于地形地貌相對較為復雜,侵蝕、剝蝕等現(xiàn)象嚴重,存在著較為嚴重的垂直混合現(xiàn)象。
　　 3、區(qū)域成土過程:土壤碳
　　 三峽庫區(qū)重慶段土壤的總碳含量分布范圍為0.19～12.95％之間,平均值為1.06％;有機碳含最范圍值位于0.08～1.91％之間,平均值為O.46％;無機碳含量分布范圍為0.02～12.27％,平均值為0.60％。土壤總碳和無機碳的空間分布極為相似,在巫

15、山和涪陵老地層區(qū)即由二疊系和三疊系母質(zhì)發(fā)育的土壤中含量較高,而在萬州盆地區(qū)則相對較低。與土壤總碳和無機碳的分布不同,土壤有機碳含量總體來說相對較低,基本上位于1％以下,且在紅巖盆地區(qū)、涪陵老地層區(qū)以及鐵峰山—硐村背斜部分地區(qū)含量相對較高。
　　 土壤碳含量明顯受到土壤母質(zhì)的影響。發(fā)育于二疊系和三疊系母質(zhì)的土壤中總碳、無機碳含量要明顯高于侏羅系母質(zhì)發(fā)育的土壤中的;發(fā)育于三疊中統(tǒng)巴東組/雷口坡組母質(zhì)的土壤中有機碳含量要明顯高于其它三

16、疊系母質(zhì)發(fā)育的土壤中的。土壤中總碳、有機碳、無機碳含量與土壤的化學風化程度存在較強的相關關系,但其相關關系與母質(zhì)的性質(zhì)相關?？偟脕碚f,土壤總碳和無機碳含量隨著風化程度的增加而減少,有機碳含量則與風化程度關系不大,即表明土壤總碳和無機碳含量主要受母質(zhì)性質(zhì)等客觀環(huán)境條件影響,而有機碳含量則可能受到人為活動的影響。高程是影響土壤碳含量的主要地形地貌因素。除發(fā)育于二疊系地層的土壤外,發(fā)育于其余各地層母質(zhì)的土壤中總碳、無機碳含量與高程呈顯著負關系

17、。其它地形地貌參數(shù)如坡度、坡向、地形濕度指數(shù)也在一定程度上影響著土壤總碳、有機碳以及無機碳含量。但總得來說,土壤有機碳含量與地形地貌參數(shù)之間的關系并不明確,地形地貌可能是影響有機碳分布的重要因素,但并不是主要因素。土地利用方式對土壤總碳和無機碳含量具有顯著影響,但從發(fā)育于不同地層母質(zhì)土壤中的總碳、有機碳和無機碳含最對土地利用方式的響應來看,各土地利用方式間均不存在顯著性差異?？傊?土壤碳含量及其分布是母質(zhì)、地形地貌以及人為活動等各種因素

18、共同作用的結(jié)果。
　　 4、風化(成土)過程:區(qū)域性認識
　　 在眾多地質(zhì)過程和地貌形成中,體系都處于不穩(wěn)定狀態(tài),符合不穩(wěn)定準則。在任何地貌中不穩(wěn)定性發(fā)育是受限的。在任一尺度,地貌形態(tài)的不穩(wěn)定性狀態(tài)是受內(nèi)在因素限制的。在特定的時空尺度下,這種不穩(wěn)定狀態(tài)可能是不存在的,也可能是不相關的。從微觀尺度到宏觀尺度(如平原),從瞬間到長期的地質(zhì)時期,任一時空尺度都存在著不穩(wěn)定狀態(tài)。在尺度和分辨力發(fā)生變化時,穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)表現(xiàn)出具有各

19、自的特征。考慮到風化、風化與地形地貌以及景觀演化之間的關系,在穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)存在相似性時,需要確定特定的時空尺度。在其它尺度,穩(wěn)態(tài)的出現(xiàn)伴隨著特殊關系,比如風化與侵蝕之間的反饋程度。
　　 區(qū)域/土體、景觀單元、景觀尺度的體系在多數(shù)環(huán)境條件下處于不穩(wěn)定狀態(tài)。在坡面尺度、或特定的過渡時宅尺度中,穩(wěn)定狀態(tài)是可能存在的。當風化與侵蝕的反饋效應相對弱于外界因素對風化和侵蝕的控制作用時,體系處于穩(wěn)定狀態(tài)。當然更多得是體系處于非穩(wěn)定狀態(tài),即風

20、化與侵蝕的反饋效應強于外界因素對風化和侵蝕的控制作用。在更大的空間尺度或特定的情況下,體系處于穩(wěn)定狀態(tài)是存在的。根據(jù)尺度的不同,外界因素的控制作用和內(nèi)在體系元素之間的區(qū)別也相應的不同。
　　 綜上所述,本研究中,以土體的基本屬性和主要成土元素的含量與垂直分布闡明了四川盆地土壤剖面形成與演化的可能歷程;以區(qū)域(三峽庫區(qū)重慶段)中主要成土元素的空間分布與化學風化以及碳狀況對區(qū)域成土過程進行了認識與表達;在這兩者的基礎上對不同尺度下風