不同耕作年限水稻土中鐵錳氧化物的變化及診斷意義

鐵錳氧化物在水稻土的分類和診斷中發(fā)揮著重要作用。根據(jù)我國現(xiàn)行的土壤發(fā)生分類系統(tǒng),水稻土被定義為水耕人為土(Anthraquicanthrosols),具有水耕表層(Anthraquicepipedon)和水耕氧化還原層(Anthraquicredoxichorizon)兩個診斷層。水耕表層由兩個亞層組成:上部亞層(相當(dāng)于耕作層)厚度≥18cm、半個月以上時間因受水耕攪拌而具泥糊化(puddling)、3個月以上時間淹水飽和且呈還原狀態(tài)、落干后具銹斑;下部亞層(相當(dāng)于犁底層)在上部亞層落干后濕態(tài)彩度≤2、體積質(zhì)量(容重)大于上部亞層。水耕氧化還原層為位于水耕表層以下具有水耕氧化還原特征的土層,其定義是:厚度≥10cm的Fe、Mn就地氧化還原形成的斑紋亞層;或者厚度≥10cm有Fe、Mn淀積斑塊、軟質(zhì)Fe、Mn結(jié)核新生體亞層;或者厚度≥10cm的Fe淋失亞層或淀積亞層;或厚度≥10cm的Fe強度淋失漂白層。這些診斷層和診斷特征的定義和表述都與鐵錳氧化物在剖面中形態(tài)變化和遷移有關(guān)。一般而言,水稻土是在起源土壤上經(jīng)過長期種植水稻,經(jīng)歷周期性氧化還原交替形成的,因此水稻土與起源土壤之間的界線就成為水稻土發(fā)生學(xué)分類的一個難題。現(xiàn)行分類系統(tǒng)只是通過規(guī)定可測定的指標(biāo)來定義和區(qū)分水稻土,回避了易引起爭論的發(fā)生學(xué)界線,但是難題并未解決。如何才能確定水稻土與起源土壤之間的界線?較好的辦法是考察經(jīng)歷不同年數(shù)淹水植稻以后土壤性狀發(fā)生變化的程度,如果水稻土和起源土壤之間在有關(guān)性狀方面存在統(tǒng)計學(xué)差異,則認(rèn)為水稻土已經(jīng)形成。要達到這一目標(biāo),關(guān)鍵在于選擇母質(zhì)相對一致、氣候條件沒有實質(zhì)性差別、種稻歷史長短不同的可比較旱地和水田樣品。浙江慈溪市沿海沉積物上發(fā)育的水稻土和旱地土壤可以滿足這一要求。本文以這些土樣為材料,主要研究水稻土形成的時間進程中鐵錳氧化物形態(tài)變化和在剖面中的遷移。1材料和方法1.1土樣、水稻、旱作土壤的改變土壤采自浙江慈溪市,慈溪位于東海之濱,杭州灣南岸,地處北亞熱帶南緣,屬季風(fēng)型氣候,無霜期246天;年平均氣溫16.3℃;年平均降水量1325mm。2006年3月采樣,挖掘深度為1m的土壤剖面,按剖面發(fā)生層次采取土樣。該區(qū)域在6000年前尚為淺海,陸地均由海涂在自然條件下沉積堆高形成。到公元5世紀(jì),民間隨海涂地形不同開始壘土筑塘,隨著海涂淤積的北移,不斷增筑海塘,至今大部分地段已筑至十塘;每筑一塘,當(dāng)?shù)厝嗣癖汩_始開墾,使其變?yōu)楦?而水稻則是當(dāng)?shù)亻L期一直種植的糧食作物。據(jù)《慈溪縣志》記載,在東漢光武帝時(公元25~57年)慈溪東部已廣栽水稻,由此,稻田耕作年限可根據(jù)所處地段海塘修筑年代來推算,得到種稻歷史約50、100、500、700、1000年5個植稻土壤和對應(yīng)的旱地土壤(表1)。植稻1000年的土壤沒有對應(yīng)的旱作土壤。土樣風(fēng)干,過篩60目保存待用。1.2fe、mn的提取全量Fe、Mn用HF-HClO4-HNO3酸溶法,游離態(tài)Fe、Mn用DCB(即連二亞硫酸鈉-檸檬酸鈉-重碳酸鈉)法提取,無定形態(tài)Fe、Mn用草酸銨-草酸緩沖液(pH3.0~3.2)提取,絡(luò)合態(tài)Fe、Mn用焦磷酸鈉溶液提取,提取液中Fe、Mn均用ICP測定。2結(jié)果與分析2.1種植水稻和開采鐵氧化資產(chǎn)的影響2.1.1個月內(nèi)fe的過程從不同耕作年限水田和旱地土壤剖面的全Fe含量及其變異結(jié)果(表2)可看出,無論旱地還是水田,隨著耕作年限的延長,全Fe在剖面中的變異系數(shù)不斷增大,但是水田增大的幅度大于旱地。從圖1中也可看出該趨勢。從圖1a中尚可看出,當(dāng)耕作年限只有50和100年時,水田土壤整個土壤剖面中全Fe沒有出現(xiàn)淀積現(xiàn)象;耕作年限為500年時,才在第三層出現(xiàn)Fe的輕微聚積;但耕作年限達700和1000年時,40cm以下土層中全Fe明顯增多,表明有Fe的淀積現(xiàn)象發(fā)生。與水田土壤相反,對應(yīng)的旱地土壤全Fe分布基本均勻,沒有出現(xiàn)明顯的Fe淀積現(xiàn)象。顯然在水稻土發(fā)育過程中,全Fe向下淋溶;發(fā)育年代越久,Fe淋溶得越多,在整個剖面的差異也越大。供試土壤中開始出現(xiàn)明顯的Fe淀積層的年代是700年。2.1.2游離fe剖面變異由表3不同耕作年限水田和旱地土壤剖面的游離Fe含量及其變異系數(shù)可看出,隨著耕作年限的延長,游離Fe在水田剖面的變異增大,尤其在500到700年間變異系數(shù)急速增大,由24.40%增到65.45%。相應(yīng)的旱地,耕作年限從50到100年間游離Fe剖面變異系數(shù)增大較多,100年后變化就不明顯了。與剖面全Fe含量的變異相比(表2),隨著耕作年限的延長,游離Fe剖面分異強于全Fe。如圖2a所示,水田耕作年限達700年時,游離Fe在40cm以下土層中明顯增多,表明有游離Fe淀積現(xiàn)象。而旱地卻無此現(xiàn)象(圖2b)。同時對比圖1a可以發(fā)現(xiàn)游離Fe產(chǎn)生淀積的年代和層次與全Fe相似。而且游離Fe和全Fe有顯著的正相關(guān)關(guān)系(r=0.878**,n=24)。前人對此也有所研究。綜上所述,在水稻土發(fā)育過程中游離Fe和全Fe在剖面的運移情況是相似的,但游離Fe變異的幅度強于全Fe。發(fā)生明顯Fe淀積現(xiàn)象大約在持續(xù)種植水稻700年后。2.1.3土壤、耕地、亞耕層無定形fe圖3表示無定形氧化Fe在剖面中的分布。無定形Fe隨著剖面深度的增加而減少,即使耕作年限達到1000年剖面下部也沒有明顯無定形Fe增多現(xiàn)象,與全Fe(圖1)和游離Fe(圖2)分布規(guī)律有很大不同。但是對比a、b兩圖可以發(fā)現(xiàn),水田土壤和旱地土壤耕層及亞耕層無定形Fe差異較大。這似乎表明,無定形Fe不是可移動的Fe形態(tài),而是原地Fe不同形態(tài)之間的一種轉(zhuǎn)化形態(tài)。比較水旱土壤耕層及亞耕層的無定形Fe(圖3),可以發(fā)現(xiàn),水田耕層無定形Fe含量均高于旱地;種植初期,水田亞耕層無定形Fe含量低于旱地,但耕作到500年時,水田亞耕層無定形Fe的量開始多于旱地。水田土壤無定形Fe和有機質(zhì)有顯著相關(guān)性(r=0.790**,n=24),這可能和有機質(zhì)抑制Fe的結(jié)晶化有關(guān)。2.1.4合態(tài)fe與有機質(zhì)的相關(guān)性5個不同耕作年限水稻土剖面共24個層次的絡(luò)合態(tài)Fe和有機質(zhì)有顯著的相關(guān)性(r=0.865**,n=24)。耕作年限對水稻土絡(luò)合態(tài)Fe的影響是通過對有機質(zhì)的影響而間接得到的。2.2不同水稻種植年份對錳氧化物的影響2.2.1全mn的淋溶特征表4為不同耕作年限水田和旱地土壤剖面的全Mn及其變異系數(shù)。隨著耕作年限的延長,水田全Mn在剖面的變異程度增大,而且高于相應(yīng)的旱地。耕作初期,水田的全Mn變異大于全Fe,但是到700年時,兩者在剖面的變異程度相似。即水稻土發(fā)育初期全Mn在剖面變異大于全Fe,但發(fā)育到700年時,兩者在剖面的變異程度相近。這就是說在水稻土發(fā)育的初期,水田土壤中全Mn的淋溶要強于全Fe,到一定時期全Fe的淋溶增強到大于全Mn,最終兩者在整個剖面的分異程度相近。從圖4a可看出,當(dāng)耕作年限達700年時,水田剖面中也出現(xiàn)了全Mn的淀積層。但是與全Fe及游離Fe相比,全Mn的淀積層顯然要高于Fe的淀積層。2.2.2游離fe在剖面的變異情況下的淀積時間由表5可以看出,水田土壤游離Mn的剖面變異和年代間沒有關(guān)系可循。與游離Fe相比(表2),耕作年限短時,游離Mn的變異程度高于游離Fe,但當(dāng)耕作年限達到700年時,游離Fe在剖面的變異強于游離Mn。從圖2a和圖5a中也可觀察到這種結(jié)果。從圖5a中還可看出,游離Mn在剖面的淀積時間較早,但出現(xiàn)明顯淀積現(xiàn)象的還是700年,這和全Fe、游離Fe、全Mn的淀積時間一致。圖中還顯示,游離Mn淀積的深度和全Mn一致,均高于Fe的淀積深度。3討論3.1還原活性期3232水稻土發(fā)育過程中Fe、Mn的移動特性過去一直是人們研究的熱點。有關(guān)水稻土的形成、發(fā)生及分類無不涉及這個主題。研究結(jié)果顯示,在水稻土發(fā)育初期,全Mn、游離Mn在剖面的淋溶要強于全Fe和游離Fe在剖面的淋溶。這是因為Fe、Mn在淋溶之前的活化過程遵循Fe、Mn體系的順序還原規(guī)律。按倫特斯關(guān)系,在Fe、Mn均可還原的條件下Mn2+生成量是Fe2+的32倍。也就是,只要耕層中無定形Fe/無定形Mn<32的話,Mn的還原應(yīng)占優(yōu)勢,反之Fe的還原多于Mn。而還原活化是Fe、Mn淋洗的關(guān)鍵。水稻土發(fā)育初期,Mn先于Fe淋洗,剖面的變異系數(shù)短時期內(nèi)增大,此時Fe的淋移受到Mn的抑制。隨著發(fā)育時間的延長,耕層中因活性Mn的淋失,使得無定形Fe/無定形Mn>32,則Fe先于Mn淋移,Mn的淋移受抑制,故剖面的Mn變異程度不再增加。當(dāng)耕作年限達一定時期時,Fe、Mn都在下層發(fā)生沉淀。正因為此,全Fe和游離Fe在剖面的變異會隨著發(fā)育年限的延長而變大,Mn的變異系數(shù)則在發(fā)育初期增長較快,當(dāng)Fe變異程度急速增大時,Mn的卻變化不大。試驗結(jié)果中顯示,Mn沉淀層高于Fe的沉淀層。但是黎成厚等認(rèn)為Mn的淀積層應(yīng)低于Fe;李慶逵認(rèn)為視不同土壤條件而不同,氧化錳的富集層不一定在氧化鐵之下,可以有例外。這可能和剖面中黏粒及水分的分布有關(guān)。無定形Fe和絡(luò)合態(tài)Fe、Mn的含量都和有機質(zhì)有關(guān);耕作年限對無定形Fe和絡(luò)合態(tài)Fe、Mn的影響是通過對有機質(zhì)的影響而間接實現(xiàn)的。3.2絡(luò)合態(tài)fe、mn淀積層關(guān)于Fe、Mn在水稻土剖面中移動和淀積已有不少研究報道。從本研究結(jié)果可以看出,植稻700年時全量Fe、Mn,游離態(tài)Fe、Mn以及無定形Mn都出現(xiàn)了淀積現(xiàn)象。且上述幾種形態(tài)Fe的淀積出現(xiàn)在同一層,幾種形態(tài)的Mn也在另一層中同時出現(xiàn)。同時測定的黏粒數(shù)據(jù)也顯示700年時出現(xiàn)了黏粒的淀積(結(jié)果未示)。這都說明,700年的土壤剖面已具有水稻土剖面特征,屬于水稻土。通過對各形態(tài)鐵錳氧化物的研究發(fā)現(xiàn),無定形Fe和絡(luò)合態(tài)Fe、Mn不因植稻年限的增長而出現(xiàn)淀積現(xiàn)象,因而對水稻土來說診斷意義不大。全Mn、游離Mn及無定形Mn雖然隨著植稻年限的增長在剖面中發(fā)生移動和淀積,但是只有在Fe出現(xiàn)淀積時,Fe、Mn在整個剖面才都有明顯的淀積層出現(xiàn)。因此,在各種形態(tài)鐵錳氧化物中,全Fe和游離Fe更具診斷意義。4鐵錳氧化物與有機質(zhì)的關(guān)系(1)土壤剖面中,全Fe、游離Fe及全Mn的變異隨著種稻時間的延長而增大。種植達到一定年限時,全Fe、全Mn以及游離Fe在土壤剖面下層出現(xiàn)淀積。在各種鐵錳氧化物中,對水稻土最具診斷意義的是游離Fe和全Fe。(2)無定形Fe以及絡(luò)合態(tài)Fe