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土壤时间序列在研究不同类型土壤演化速率与方向,进而建立土壤发生演化模型上具有重要的价值,并且能为土壤发生学理论的验证提供宝贵的信息。
本文依据史料记载中浙江慈溪不同地区的围垦历史,选择了由一系列发育于石灰性海相沉积物具有不同植稻年龄的水耕人为土构成的一个时间序列作为研究对象。在对时间序列中土壤剖面内与剖面间的母质均一性以及相对年龄判定的基础上,利用土壤形态、基本理化性质与铁锰氧化物形态以及矿物学,磁学,元素地球化学等手段对水耕人为土发生演化的动态过程进行了综合的分析。研究结果表明:
(一)通过去除黏粒的粉粒含量、粉粒中Ti/Zr比值、球粒陨石标准化后的稀土分布以及Ce/Eu对Eu/Sm的图表等多项母质不连续性判定指标的综合结果可以得出本研究挑选的具有不同耕种年龄的水耕人为土其剖面内和剖面间的土体是由同种母质发育而成。通过碳酸钙、磁化率以及游离铁的剖面分异程度对时间序列相对年龄的判定发现,在0、50、300、500、700、1000年的土壤剖面中,500年剖面与整个序列的变化趋势不吻合,在相关的性质演变研究中应该从序列中剔除。
(二)Fet与Fed在剖面中的分布以及随时间序列的演化表现为:剖面中铁的最大淀积量随植稻年龄的增加而增加,淀积深度随植稻年龄增加逐渐下移。因此可以使用游离铁的剖面分异程度来指示水耕人为土的发育程度或耕种年龄。
(三)水耕人为土时间序列的磁学性质演化特征表明:人为周期性的淹水导致亚铁磁性矿物还原分解,磁化率大幅度降低,并且淹水的周期与频率是决定磁学性质的关键因素,由于其测定简单快速,有望在水耕人为土分类中得以应用。MS,ARM,SIRM,IRMs与植稻年龄里极显著相关性,因此可以作为起源于相同母质的水耕人为土相对年龄的一个参照指标。
次生铁氧化物矿物在淀积层中随植稻年龄的演化过程表现为,在较年轻的水耕人为土中(50,300年)表现为不完整反铁磁性矿物(针铁矿)的逐渐形成与累积,到较老的水耕人为土中(700,1000年)转化为顺磁性矿物(纤铁矿与水铁矿)的形成与累积。
在复杂的影响因素当中,土壤水分状况是决定土壤磁性发展的主控因素。因此,基于磁性参数量化古气候与古环境以及指示土壤相对年龄时必须小心,尤其应该注意有可能经历过淹水还原的研究对象。
(四)除较老水耕人为土(1000年)表层绿泥石与云母有明显降低之外,黏粒矿物组成和含量在时间序列剖面以及层次之间都没有明显的变化,我们认为这种结果是由于土壤中主要离子在输入与输出上接近平衡,因此与之相对应的矿物含量变化不大。水稻土中变化较大的是那些受氧化还原条件影响较大的铁锰氧化物矿物,而其它矿物保持相对的稳定。
(五)以土体为计算基础的CIA与CIW由于一些碱金属和碱土金属的逐渐淋失而与水稻种植年龄呈极显著的对数相关,可以指示水耕人为土的发育程度。Sr/Nb和Sr/Th与水稻种植年龄呈极显著线性相关,可以指示水稻土的发育程度或年龄。
通过比较Ti、Zr、Hf、Nb、Ta、Th在水耕人为土发生过程中的相对稳定性,认为Ti、Nb与Th稳定性较强,尤其是Th稳定性最强,所以在进行水稻土发生过程中各种元素的质量平衡计算时,选择Th作为计算基础最为合适。
通过物质质量平衡计算的元素移动与再分配规律表明,在水稻种植初期Ca、Na、Mg、Sr与Ba就有一定程度的淋失,尤其是700年以后淋失尤为强烈。Fe与Mn迁移率在剖面中都呈现较大的分异,在表层淋失,在氧化还原层中富集。K与Si基本保持不变,Al有一定富集。在水稻种植700年内稀土元素保持相对稳定,达到1000年时,HREE有一定的淋失。
(六)水耕人为土中植硅体的主要来源和有机物质的输入有关,并且植硅体在水耕人为土剖面中不易移动。由于植硅体固定的碳在土壤环境中非常稳定,因此秸秆还田对于土壤短期与长期固碳能力都有重要意义。