黃土的成壤作用

黃土的成壤作用

人們對中國黃土的形成和環(huán)境進行了40多年的研究，取得了許多研究成果。然而過去是把黃土作為沉積物看待的,是從沉積地層學的角度對其研究的,所以過去沒有認識到黃土的形成過程是土壤化過程。雖然過去對黃土地層中的古土壤也開展了一些研究,但研究的是溫濕偏熱氣候條件下發(fā)育的紅褐色古土壤,沒有認識到冷干氣候條件下發(fā)育的黃土也是古土壤。因此,前人提出的黃土形成與演變模式是風塵演變?yōu)榛尹S色沉積物的模式。我們根據大量野外考察和室內研究,發(fā)現(xiàn)黃土具有典型的土壤特征,由此提出了黃土形成與演變的土壤化新模式和黃土所屬的土壤類型。1土壤學與微生物為使研究結果具有可靠性和代表性,作者對黃土高原的西安、長安、藍田、寶雞、洛川、長武、甘肅靖遠、天水、武山、靜寧、鎮(zhèn)原、西峰、定西、蘭州、正寧等30余個剖面進行了大量的野外調查和觀察。在野外研究的基礎上,選擇了西安劉家坡、寶雞何家村、洛川秦家寨、長武城東、西峰火巷溝、環(huán)縣山城、隴西文峰鎮(zhèn)、蘭州晏家坪和靖遠若籬等10個剖面的第1～5層黃土進行了土壤學的重點研究。由于黃土地層是由黃土與紅褐色古土壤構成的,所以研究剖面的5層黃土的各層之間為紅褐色古土壤。在所研究剖面的第1～5層黃土中,每層采集微結構鑒定樣品6～8塊,在第1～2層黃土中采集CaCO3與有機質分析樣品8～10塊。研究方法包括野外鑒別黃土中的宏觀土壤結構、生物結構、CaCO3與CaSO4等淀積產物的存在形式、分布特點,室內顯微鏡下鑒定土壤微結構、粘化特征、區(qū)分原生與次生CaCO3含量,用HCI溶解CaCO3的化學分析氣量法測定CaCO3含量和用焦磷酸鈉提取一重鉻酸鉀法測定有機質含量。2黃土的土壤特征和形成根據野外調查和室內分析、鑒定,我們在黃土中找到了許多土壤的標志,為確定黃土形成因素提供了有力證據。2.1土壤微結構類型30余個剖面的野外觀察、鑒別可知,黃土層中具有多種清楚的宏觀土壤結構,常見的類型有似棱柱狀結構、棱塊狀、團塊狀及團粒狀、根孔和蟲孔等結構。黃土中的土壤結構在不同地區(qū)存在很大差異,反映了不同地區(qū)成壤作用強度有所不同。在黃土高原東南部,黃土的結構以似棱柱狀和團塊狀為主;在黃土高原的中部以團粒狀為主,團塊狀少量;在黃土高原的西北部則以團粒狀和粒狀為主。在西安、長安和寶雞附近,黃土中的似棱柱狀結構體長40～60cm左右,棱柱體直徑約為0.5～1.5cm;團塊結構中的團塊大小為0.5～1.0cm,形狀為多角形,不規(guī)則形;團粒結構中粒徑大小為0.1～0.2cm左右。似棱柱狀結構的棱柱體和團塊結構中的團塊之間常有微裂隙和鈣質充填物,分界較明顯,易于識別。由于團粒的粒徑小,邊界不明顯,肉眼識別有一定困難,具這種結構的土體表面有團粒大小的起伏變化。粒狀結構在黃土中就是粉砂質粒狀結構,具這種結構的土體表面較平坦。在黃土高原西北部的干旱偏冷地區(qū),黃土中的土壤結構發(fā)育較弱,以粒狀和團粒狀為主。雖然這樣的結構不是土壤的有力證據,但與它們一同出現(xiàn)很多植物的根孔等生物結構則是土壤的有力證據。在西北干旱區(qū)現(xiàn)代土壤中,也以粒狀和團粒狀結構為主,不見團塊狀和棱柱狀結構發(fā)育。因此,不能認為不具似棱柱狀結構和團塊結構的黃土就沒有經過成壤作用和不是古土壤。為鑒別黃土中的土壤微結構,我們在西安劉家坡、藍田水家嘴、寶雞何家村、陜西洛川、長武和蘭州等剖面70萬年來各層黃土中共采集206塊樣品進行磨片觀察。通過412張薄片的顯微鏡鑒定,在黃土中發(fā)現(xiàn)了多種土壤微結構,主要有以下3種。第一種是淀積粘土膠膜與粉砂粒共同構成的粒狀孔隙膠結微結構(圖版Ⅰ-1,2)。在這一微結構類型中,膠結物以淀積光性粘土膠膜為主,另有一定量的非定向的粘土物質。光性粘土膠膜是粘化作用較明顯的成壤過程中產生的土壤微形態(tài)。黃土中的光性粘土膠膜主要以流膠狀和斑點狀形式出現(xiàn),塊狀少量,顏色以棕黃色為主,指示其發(fā)育不強,Fe2O3含量較低。黃土中的光性粘土膠膜主要見于西安和寶雞等黃土高原東南部地區(qū),在黃土高原中部的洛川地區(qū)只有少數層位發(fā)育。在這一微結構類型中,粗粒礦物常具定向排列的特征。第二種微結構是殘積粘土與粉砂粒構成的粒狀孔隙膠結微結構(圖版Ⅰ-3)。在這一微結構中,膠結物主要為不具光性特征的粘土塊,充填于粒間孔隙內。粘粒含量的明顯增加表明當時發(fā)生了一定的殘積粘化作用。這一微結構中的粗粒礦物一般不具定向排列特征,顯示其所受成壤作用較第一種微結構弱。第三種微結構是出現(xiàn)了土壤團聚體的團粒結構(圖版Ⅰ-4)和團塊結構。在這類結構中,粘粒含量也有明顯的增加,表現(xiàn)為團?；驁F塊內為粘土膠結物含量較高的粒狀孔隙膠結微結構(圖版Ⅰ-4)。鏡下鑒定還表明,在較干旱的甘肅六盤山以西地區(qū),黃土中的微結構主要為粒狀接觸膠結結構(圖版Ⅰ-5,6)。在這一微結構中,粘粒成分含量極少,結構性孔隙非常發(fā)育,顯示所受成壤作用弱。2.2黃土形成過程中具有成壤作用的因素土壤是生物起到了重要作用的成壤過程形成的,是含有機質的疏松土層。黃土發(fā)育時是否具有生物的重要作用對認識黃土形成作用的實質十分重要。土壤形成過程中的生物作用主要是植物和土層中微生物的作用,只要地表有植被發(fā)育,土層中就必然會有土壤微生物的活動。因此,只要確定了黃土發(fā)育時的地表有植被發(fā)育,就等于確定了所有生物作用的存在。黃土中根系殘體和大量根孔是植被發(fā)育的直接證據。通過寶雞何家村第1～5層黃土與紅色古土壤中30塊樣品的富里酸和胡敏酸測定(圖1)可知,黃土層中富里酸含量和胡敏酸總含量在0.46～0.55gkg-1之間,紅色古土壤中這兩種有機酸含量在0.52～0.61gkg-1之間。紅色古土壤經歷了漫長的成壤過程是公認的,黃土與紅色古土壤中有機酸含量差異不大應是黃土經歷了成壤過程決定的。通過對長武城東和洛川秦家寨第1層黃土中10塊樣品的氨基酸含量測定得知,該層黃土中氨基酸含量在74～170μgg-1之間,而且有些深層樣品的氨基酸含量高于淺層(圖1),這應當是當時生物作用強弱不同造成的,是黃土經歷了成壤過程的顯示。孢粉也表明黃土發(fā)育過程中具備形成土壤的生物作用。雖然孢粉可以是從荒漠地區(qū)搬運來的,但荒漠區(qū)的植被與草原和森林草原區(qū)的植被不同,這種差別是確定黃土經歷土壤化及其強度的依據。我們通過對陜西岐山城西馬蘭黃土中67塊孢粉樣品的分析可知,岐山地區(qū)馬蘭黃土發(fā)育時的植被為臭椿(Ailanthus)、櫟(Quercus)、榆(Ulms)、鵝耳櫪(Carpinus)、菊科(Compositae)、蒿屬(Artemsia)等構成的森林草原。這種植被與荒漠植被大不相同,指示該區(qū)黃土發(fā)育時具有森林草原地區(qū)的成壤作用。黃土中的動物化石同樣顯示黃土發(fā)育時具有明顯的生物作用。黃土層中數量最多,最能說明黃土形成時地表有植被發(fā)育的動物化石是蝸牛。這類動物遷移能力極弱,完全能夠認為蝸牛是當時當地生長的。研究表明,黃土中的蝸牛零散分布,幾乎都是旱地生長的成分,主要以禾本科和綠色雙子葉植物為食,這表明黃土發(fā)育過程中動植物的作用始終是存在的。黃土中的嚙齒類化石也是很常見的動物化石,也是遷移能力弱的當地生長的動物。嚙齒類的食物是植物的枝葉和種子,指示黃土發(fā)育過程中具備形成土壤的植被條件和生物作用。除生物因素外,形成土壤還有氣候、地形、母質和時間四種因素以及相互的作用。黃土發(fā)育時的高原地形使得風塵堆積在旱地條件下,風塵細而均一的母質特征非常利于土壤化,黃土發(fā)育速度又非常緩慢,并處在氣候的直接作用下,所以黃土形成過程具備土壤發(fā)育的五大因素和相應的作用。CaCO3含量高是黃土的特點之一。黃土中CaCO3存在形式和分布形式也能指示黃土經歷了成壤作用。作者對洛川、長武和蘭州等地黃土中CaCO3測定表明,黃土高原中部第1～5層黃土中CaCO3含量為15%左右,黃土高原西北部蘭州附近黃土中CaCO3含量更高。然而,現(xiàn)代風塵中CaCO3含量明顯低于黃土。黃土是由風塵演變而來的,其中高的CaCO3含量是在其漫長的成壤過程中接受了大氣降水中的CaCO3造成的。大氣降水中的Ca(HCO3)2經蒸發(fā)后淀積在黃土中,長期的積累就產生了富含CaCO3的特征。美國西南部的研究表明,現(xiàn)代干旱區(qū)的土壤每平方米每年可從大氣降水中獲得1.0～5.1g的CaCO3。因此,可以確定黃土中CaCO3含量高是黃土形成過程中富鈣作用的結果。富鈣過程是CaCO3經過較弱的遷移而發(fā)生沉淀聚集的過程,CaCO3以次生斑點、薄膜和菌絲體等的形式出現(xiàn)是其重要特點。觀察可見,黃土高原中部和東南部黃土中的CaCO3主要是以上述次生CaCO3的形式出現(xiàn)的,具淀積CaCO3的特征。黃土中大量次生CaCO3實際上是黃土這類灰黃色古土壤的CaCO3淀積層,這種淀積層之所以不具有成層性是黃土發(fā)育過程中處于風塵連續(xù)堆積條件下造成的。風塵的連續(xù)淀積使土壤發(fā)育時的地面不斷變高,CaCO3淀積的層位也隨之上移,結果形成了不斷加厚的、分層不明顯的CaCO3淀積層。由于黃土發(fā)育時氣候是干旱和半干旱的,淀積CaCO3主要以非結核的形式出現(xiàn),這也是其成層性不明顯的原因之一。上述資料表明,黃土具有土壤的特征,黃土發(fā)育過程中具備形成土壤的五大因素和相應的成壤作用,所以黃土是在相對冷干氣候條件下發(fā)育的灰黃色古土壤。根據年代學的研究,黃土開始發(fā)育的年代為距今250萬年左右,黃土地層厚度一般為130m左右,由此計算絕大多數地區(qū)每萬年發(fā)育的黃土厚度小于1.0m。這表明黃土發(fā)育時有足夠的時間發(fā)育為成熟的土壤,它沒有變成紅褐色古土壤的原因是當時的冷干氣候條件決定的。3陰山山地的成壤作用前人對黃土形成作用進行過研究,但過去是從沉積物的角度探討其形成的,沒有從黃土形成土壤化的角度開展研究。由于黃土形成過程的實質是土壤化,所以從土壤學的角度研究黃土形成過程是認識黃土本質的正確途徑,只有這樣才不致于偏離對黃土本質的認識。過去一般所說的黃土形成過程是風塵堆積物在弱堿性的氧化環(huán)境中,受到雨水和生物等的作用,其中的碎屑方解石大部分被溶解,并轉入粒間溶液,再因強烈蒸發(fā),重新沉淀出來成為次生碳酸鹽,次生碳酸鹽與少量鐵錳氧化物包裹著粉塵顆粒,使之成為灰黃色、疏松多孔和具大孔隙的黃土。過去對黃土形成的研究較多地注意到了碎屑方解石向次生碳酸鹽的轉化,而對黃土發(fā)育時的生物作用、富鈣作用和粘化作用注意不夠,因而沒有認識到黃土中的許多土壤結構和黃土形成的土壤化過程?，F(xiàn)代黃土高原西北部為干旱草原區(qū),中部和東南部為半干旱的森林草原區(qū)和半濕潤的落葉闊葉林區(qū)。在黃土發(fā)育的冰期氣候比今冷干,黃土高原西北部為荒漠草原區(qū),中部為草原區(qū),東南部為森林草原區(qū)。由于黃土高原存在氣候、植被和成壤作用的差異,不同地區(qū)黃土形成作用及其強弱就會存在差別。根據黃土高原地區(qū)的氣候、植被和黃土所受成壤作用強度的差異,可將黃土形成過程分為以下3種。第一種是在黃土高原西北部干旱區(qū)發(fā)生的黃土形成過程。在這種地區(qū),黃土發(fā)育時的氣候比現(xiàn)今更為干旱,處在荒漠草原的氣候條件下。這種地區(qū)風塵經受的成壤作用較弱,包括生物的作用,碎屑CaCO3溶解和微弱遷移、淀積作用,來自大氣降水中的Ca(HCO3)2經蒸發(fā)導致的CaCO3富集和淀積作用和CaSO4的弱淋溶、淀積作用。由于這種地區(qū)植被稀疏,生物作用較弱,有機質含量低。微弱的淋溶導致CaCO3呈粉末、斑點狀,薄膜狀少見。氣候干旱,成壤過程中的化學作用弱,沒有粘化作用發(fā)生,形成的土壤結構為粒狀和團粒狀。微弱的淋溶造成CaCO3遷移深度很小便發(fā)生淀積,并在CaCO3淀積層之下形成石膏淀積層。風塵經這一地區(qū)的成壤作用之后,形成的是棕鈣土和棕漠土。第二種是在黃土高原中部半干旱區(qū)發(fā)生的黃土形成過程。在黃土形成時,這種地區(qū)以干旱的草原氣候為主,處在草原土壤形成的條件下。這種地區(qū)的風塵經受的成壤作用也包括生物作用,原生碎屑CaCO3溶解、遷移和淀積作用,來自大氣降水中Ca(HCO3)2的蒸發(fā)和富鈣作用。與荒漠草原區(qū)黃土的形成相比,這種地區(qū)的生物作用較強,形成了清楚的團粒結構和豐富的根孔和蟲孔;CaCO3的遷移深度加大,多以薄膜、斑點形式出現(xiàn);CaSO4的淋溶明顯,一般沒有石膏淀積層發(fā)育。在草原區(qū)的成壤過程中,化學作用仍較弱,沒有粘化作用發(fā)生或僅有微弱殘積粘化的表現(xiàn)。經過這一地區(qū)的成壤作用形成的黃土主要是栗鈣土、灰鈣土以及部分黑鈣土。第三種是在黃土高原東南部發(fā)生的黃土形成過程。在這種地區(qū),黃土形成時為森林草原植被和半干旱的氣候。這種地區(qū)的風塵堆積后經受的成壤作用較前兩種地區(qū)強,形成的團粒結構更為明顯,除發(fā)育了大量草本植物根孔之外,還發(fā)育了許多直徑較大的木本根孔。碎屑CaCO3的溶解、遷移深度較大,并與來自大氣降水中的CaCO3一起聚集成為CaCO3薄膜和部分結核。該區(qū)成壤過程中化學作用較為明顯,發(fā)生了一定的粘化作用,土層中普遍有粘粒含量增加的表現(xiàn)和粘粒聚集形成的粘土塊。然而粘粒的特點顯示這種地區(qū)發(fā)生的主要是殘積粘化作用。粘化作用的結果使黃土具有典型的土壤的團塊結構。經過這種成壤作用形成的黃土主要是粘化黑壚土、黑焦土、黑麻土等。上述荒漠草原區(qū)、草原區(qū)和森林草原區(qū)的成壤作用是形成黃土的主要作用。另在黃土高原東南部和秦嶺山區(qū)以及中國南方地區(qū)部分黃土發(fā)育時出現(xiàn)過半濕潤、甚至濕潤的氣候和森林植被,這部分黃土經受的成壤作用更強,發(fā)生了淀積粘化作用,具有似棱柱狀結構與褐色土的特征。根據黃土形成所受成壤作用的不同,可將黃土形成模式示于圖3。根據作者對黃土地層古土壤和黃土性質的研究和前人研究,可知黃土形成后的演變可分為四種情況。一是黃土形成后氣候發(fā)生變化而引起的黃土演變。當氣候變得溫暖濕潤時,成壤作用加強,已形成的黃土會受到后期較強成壤作用的改造而變?yōu)榧t褐色古土壤。這種變化可以發(fā)生在溫濕偏熱的亞熱帶氣候條件下,也可以發(fā)生在溫暖半濕潤、半干旱的氣候條件下。雖然不能說紅褐色古土壤的物質都是由已形成的黃土轉變而來的,但根據紅褐色古土壤的下部具黃土的特征可以確定至少有一部分物質是由黃土轉變而來的。在紅褐色古土壤形成后還會發(fā)生變化,這就是經成巖作用變?yōu)榧t色泥巖。二是黃土形成后受成巖過程影響而發(fā)生變化。黃土形成后受上覆土層壓力作用而變密實,受水溶液的作用而發(fā)生膠結,都屬成巖作用。成巖作用使黃土失去原有的許多特點,最后變成灰黃色、無層理的粉砂巖(圖2)。三是黃土形成后的再搬運作用而使黃土發(fā)生的變化。黃土形成后受水力、重力等動力的作用而發(fā)生搬運