摘要： 针对不同母质发育水耕人为土（水稻土）中铁的形态及其剖面分异特征开展深入研究，对于正确认识稻田关键元素的分布与行为具有重要意义。本研究以湖南省花岗岩风化物（GR）、板页岩风化物（PS）、第四纪红色黏土（QRC）、石灰岩风化物（LS）、紫色砂页岩风化物（PSS）和近代河湖（冲）沉积物（FLD）共6种母质发育的水耕人为土为研究对象，通过30个典型剖面系统分析了剖面（0~100 cm）及水耕人为土不同土类间铁的形态及其分异特征，探讨土壤剖面铁的形态转变、剖面迁移转化规律。结果表明，湖南省6种典型母质发育的水耕人为土在中国土壤系统分类中的位置已经探明，检索出简育水耕人为土（HSA）、铁聚水耕人为土（FSA）和潜育水耕人为土（GSA）3个土类，暂未发现铁渗水耕人为土。水耕人为土剖面全铁（Fet）含量均值为44.66 g/kg，不同形态铁的构成表现为：晶质铁（Fec）>硅酸盐铁（Fesi）>活性铁（Feo）>络合铁（Fep）。铁的形态在剖面分布呈现出Fesi在剖面变化不大、Fec在剖面呈现先升后降、Feo和Fep在剖面呈现先降后升共三种趋势。PS、QRC和LS的Fec、FLD的Feo、GR的Fep含量均值分别高于其他母质；GR、PS和QRC发育的水耕人为土淀积系数高于LS、PSS和FLD。FSA的Fec含量均值和淀积系数、GSA的Fep含量均值分别显著高于其他土类。研究表明，湖南6种母质发育的典型水耕人为土中铁的不同形态发生转化并在剖面、母质、土类间体现出显著分异。铁的形态及淀积系数反映了水耕人为土的发育程度及成土环境，对于水耕人为土的发生学特性与系统分类具有指示作用。
关键词： 水耕人为土；铁的形态；剖面分异；成土母质；中国土壤系统分类
随着人为活动不断作用于土壤之上，「人为因素」对土壤的影响逐渐深化并逐步超过自然因素[1]。随着「人类世」概念的提出，现代土壤物质循环及其质量演化研究也逐渐从自然因素影响向人为因素影响发展过渡[2]。水耕人为土是研究「人类世」理想的载体，该土壤类型指中国土壤系统分类体系中受自然和人为双重因素作用下发育而成的具有可鉴别诊断层（特性）的植稻土壤类型，其对应于中国土壤发生分类体系中的水稻土[3]。水耕人为土因周期性的淹水与落干，其土体中铁等元素的生物地球化学循环过程明显区别于其他土壤生态系统[4]。因此，深入研究水耕人为土中铁的形态及其剖面分异特征，对了解铁的迁移机理及正确认识水耕人为土的发生学特性与系统分类具有重要意义。
湖南省是我国南方典型的双季稻种植区。该区域稻作历史悠久，考古界在湖南省澧县和道县分别发现了迄今为止最早的稻田和稻粒，把人类种植水稻的历史提前到一万年以前[14]。时至今日，湖南依然是中国重要的粮食生产基地，其稻田面积更是占到全省耕地面积的79%，稻谷种植面积和产量均排在我国各省份前列。湖南省地处南方典型红壤区，土壤母质类型多样，由于红壤区强烈的脱硅富铁铝化作用，铁含量相对较高，是研究植稻土壤铁元素迁移与转化的理想区域。因此，本研究选择并采集湖南省花岗岩风化物、板页岩风化物、第四纪红色黏土、石灰岩风化物、紫色砂页岩风化物和近代河湖（冲）沉积物共6种典型母质发育的稻田土壤，参照【中国土壤系统分类检索（第三版）】对高级分类单元的划分标准[3]，检索出简育水耕人为土、铁聚水耕人为土和潜育水耕人为土3个土类。通过系统分析水耕人为土剖面、不同母质、土类之间铁形态及剖面分异特征，探索母质及理化因子与土壤铁形态及分异的关系，揭示长期植稻对土壤剖面铁的形态转变、剖面迁移转化规律，以期为水耕人为土发生学特性研究和土壤系统分类体系完善提供依据。
1、材料与方法
1.1 研究区域与供试土壤
本研究以稻作历史绵延且连续的中国南方典型红壤区湖南省为研究区域，该区属于典型中亚热带湿润季风气候，年均气温16.0~18.0 ℃，年降水量1 200 ~1 700 mm。根据历史资料中土壤的描述与分类情况确定不同母质分布的典型区域[15]，参照全国第二次土壤普查数据进行采样[16]，样点主要分布在丘陵和平原地区。湖南稻区成土母质多样，选取该区分布范围广、代表性强的花岗岩风化物（GR）、板页岩风化物（PS）、第四纪红色黏土（QRC）、石灰岩风化物（LS）、紫色砂页岩风化物（PSS）和近代河湖（冲）沉积物（FLD）共6种常见母质发育的水稻土剖面。每种母质采集5个典型剖面，合计共30个剖面。
采样时间均是水稻收割、田间水分排干后的冬闲期，时间集中在2014年11月—次年2月。土壤剖面（深、宽、长分别为1.2~1.5 m, 1.2 m, 2.5~3.0 m）自下而上在每个发生层均匀采集1.5~2.0 kg土壤样品并装至布袋中。土壤样品带回室内后，拣去石砾和植物根系残体，经自然风干，充分混匀后采用四分法留取1 kg，分别过10目、60目和100目土壤筛，以备分析。所选剖面均为同一气候条件下，且稻田为人工淹水从而减弱气候对成土过程影响的非地带性土壤。因此，可认为气候对本研究区土壤发生的影响作用基本一致。研究区剖面样点分布见图1。
图1 研究区剖面样点分布图
1.2 测试分析方法
土样室内风干后，按照测定指标的要求进行分级过筛。土壤基本理化性质分析参考【土壤调查实验室分析方法】[17]。土壤容重测定采用环刀法；机械组成测定采用吸管法；质地分类采用美国农业部分类标准；pH测定采用电位法；有机碳测定采用重铬酸钾—硫酸消化法。全铁（Fet）含量用氢氟酸—高氯酸熔融—等离子发射光谱法；游离铁（Fed）含量用柠檬酸钠—二亚硫酸钠浸提—邻菲罗啉比色法；活性铁（Feo）用草酸铵浸提—邻啡罗林比色法；络合铁（Fep）用pH 3.0的酸性草酸铵浸提—邻啡罗林比色法。
1.3 供试土壤在中国土壤系统分类高级分类单元中的归属
土壤剖面诊断层（特性）的确定及土壤系统分类，均按中国土壤系统分类相关标准和方法确定[3]。本研究中的30个剖面均属于人为土土纲、水耕人为土亚纲。对研究区内典型土壤剖面的土类进行划分：从表层至60 cm范围存在部分土层有>10 cm的潜育特征，划分为潜育水耕人为土（GSA）；土壤剖面的水耕表层之下均无灰色铁渗亚层，故本研究所涉剖面均不属铁渗水耕人为土；剖面水耕氧化还原层的游离氧化铁含量为耕作层的1.5倍以上，划分为铁聚水耕人为土（FSA）；其他划分为简育水耕人为土（HSA）。
1.4 数据计算与统计分析
硅酸盐铁（Fesi）的计算方法为全铁（Fet）与游离氧化铁（Fed）的差值；晶质铁（Fec）的计算方法为游离氧化铁（Fed）与活性铁（Feo）的差值；淀积系数（Illuvial coefficient）的计算方法为水耕氧化还原层中各发生层Fed含量与水耕表层中Fed含量的比值。
本文数据处理均基于SPSS 22.0软件平台，采用单因素方差分析比较不同发育母质、土类间土壤铁含量，显著性检验采用最小极差法；采用Pearson 相关性分析，研究铁和土壤基本理化性质的关系。显著性水平设为0.05，极显著水平设为0.01。
2、结果与分析
2.1 不同母质发育土壤剖面主要理化性质
供试土壤剖面主要理化性质中，剖面pH介于5.30~8.09之间，其中GR、PS和QRC母质发育土壤的pH剖面均值介于5.16~6.90之间，偏酸性；LS、PSS母质发育的土壤pH介于6.55~7.79之间，呈中性；而FLD母质发育的土壤pH介于6.97~8.09之间，偏碱性。GR、PS和QRC中砂粒含量剖面均值显著高于LS、PSS和FLD，而粉粒、有机碳和pH的趋势则相反（ P <0.05）。土壤容重剖面均值介于1.38~1.46之间，不同母质间无显著性差异。
2.2 水耕人为土剖面中铁形态分布特征分析
将30个水耕人为土剖面0~100 cm土体内共143个发生层全铁及各形态铁含量进行拟合（图2）。整体上，稻田土壤全铁含量均值为44.66 g/kg。不同形态铁含量均值以晶质铁占比最高，达50.43%，含量为22.52 g/kg，其次依次为硅酸盐铁、活性铁和络合铁，说明土壤剖面全铁的变化受晶质铁的影响较大。
从剖面分布情况看，土壤表层全铁含量均值为40.11 g/kg，显著低于底层土壤（ P <0.05），说明稻田土壤中铁的淋溶淀积明显。土体内铁的形态剖面分布呈现出三种趋势：第一种为迁移不明显，表现为硅酸盐铁含量均值在剖面不同土层深度并未体现出显著性差异，表明该形态铁趋于稳定；第二种为先升后降，表现为剖面25~50 cm和50~75 cm土层深度的晶质铁含量均值均显著高于剖面0~25 cm和75~100 cm（ P <0.05）；第三种为先降后升，表现为25~50 cm和50~75 cm土层深度的活性铁含量均值分别显著低于剖面0~25 cm和75~100 cm（ P <0.05）。络合铁与活性铁的趋势相似，但50~75 cm土层深度的络合铁含量均值显著低于剖面其他土层深度（ P <0.05）。因第二种和第三种趋势相反，而硅酸盐铁在剖面趋于稳定，表明晶质铁与活性铁两种形态铁存在相互转换的关系。
图2 全铁及不同形态铁含量在水耕人为土剖面（0~100 cm）的垂直分布
注：拟合曲线及其阴影区域表示100厘米土壤剖面中铁的平均值和标准差。水平虚线显示水耕表层（耕作层和犁底层）厚度均值（25 cm）
2.3 不同母质发育水耕人为土铁形态差异分析
不同母质发育的水耕人为土铁形态含量存在显著性差异（图3）。PS的全铁含量剖面均值为60.54 g/kg，显著高于其他母质，而LS的硅酸盐铁含量剖面均值为9.88 g/kg，显著低于其他母质（ P <0.05）。PS、QRC和LS的晶质铁含量剖面均值、FLD的活性铁含量剖面均值、GR的络合铁含量剖面均值分别较高于其他母质（ P <0.05）。参考已有研究[5, 18-19]，本文用水耕氧化还原层中各层游离氧化铁含量与水耕表层游离氧化铁含量的比值计算淀积系数，来体现该层淀积现象并反映其分异程度。结果显示，30个水耕人为土剖面淀积系数均值为1.29（>1），说明稻田土体中铁的分异明显。
不同母质间的淀积系数也体现出差异。其中，GR、PS和QRC剖面的淀积系数高于PSS、LS和FLD，呈现出pH值低母质发育的水耕人为土较高于pH值为中性与钙质母质发育水耕人为土的趋势。
图3 不同母质发育水耕人为土全铁、不同形态铁含量和淀积系数
2.4 不同土类水耕人为土铁形态及剖面分异特征分析
不同土类水耕人为土剖面铁的形态均值和淀积系数存在差异。数据显示，铁聚水耕人为土的晶质铁剖面均值，潜育水耕人为土的络合铁剖面均值分别显著高于其他两种土类（ P <0.05），而硅酸盐铁与活性铁剖面均值并未在不同土类间体现出显著性差异，这说明晶质铁和络合铁分别在铁聚水耕人为土和潜育水耕人为土的判定上具有重要作用。淀积系数（剖面分异程度）在水耕人为土不同土类上也体现出趋势：铁聚水耕人为土>潜育水耕人为土>简育水耕人为土，这与【中国土壤系统分类检索】的划分标准相符。其中，铁聚水耕人为土氧化铁迁移淀积程度强于其他土类，而简育水耕人为土氧化铁迁移淀积较弱。
2.5 土壤氧化铁的相关性分析
采取Pearson相关性分析确定铁氧化物与土壤基本理化性质之间的关系。结果显示，晶质铁和黏粒之间存在极显著正相关性（ P <0.01）；络合铁与砂粒呈极显著正相关（ P <0.01），与粉粒和黏粒呈显著负相关（ P <0.05）。表明土壤颗粒组成是影响晶质铁和络合铁的主要因素。有研究表明，稻田表层土壤中铁的形态比率的变化尽管受到土壤水文条件的影响，但更取决于土壤本身的质地特性[20]。淀积系数和砂粒之间存在极显著正相关性（ P <0.01），与pH和粉粒呈极显著负相关（ P <0.01）。由此可见，稻田剖面铁的分异程度与土壤质地渗透性及其土壤的酸碱性密切相关。另一方面，全铁与硅酸盐铁、晶质铁呈极显著正相关（ P <0.01），硅酸盐铁与活性铁呈极显著正相关（ P <0.01），晶质铁与淀积系数呈显著正相关（ P <0.05）。
3、讨论
3.1 水耕人为土剖面各形态铁的差异
铁常被用于反映土壤的发生过程及成土环境，其形态成为评价土壤剖面发育程度的重要指标[21]。将本研究30个水耕人为土剖面全铁及其形态研究值与欧阳宁相[22]、于康等[23]对该区域内旱地土壤研究结果对比显示：从整体上看，水耕人为土全铁含量均值显著低于旱地土壤（ P <0.05），这与Chen等[24]、余展[25]研究结果一致。不论在何种景观起源于何种母质类型的稻田土壤，其1 m土体内最终都会呈现出铁流失的趋势；从铁的形态上看，水耕人为土晶质铁含量均值显著低于旱地土壤，而活性铁均值有显著提升（ P <0.05），硅酸盐铁含量均值在两种土地利用方式之间并未体现出显著性差异。因此，人为稻作加速了土体中铁的流失和形态间转换，特别是活性铁的提升，从而改变了稻田生态系统中铁的循环[26]，这深化了对稻田土壤铁形态转化过程的认识。
稻田季节性的干湿交替，土壤中铁受垂直和水平运移的影响，从而淋溶、淀积或流失到土体底层或周边区域[27]，故表层土壤全铁含量低于底层土壤，而铁在不同形态之间转化并在剖面中体现出三种趋势。本研究中硅酸盐铁在剖面迁移不明显的趋势，可能是由于土壤中硅酸盐铁相对稳定的缘故。这与广西、江西稻区的相关研究结果一致[9]。由于硅酸盐铁的水解过程不可逆，且种稻之后含量并未明显降低，表明水耕人为土在发育过程中硅酸盐铁对人为水耕的成土过程不敏感，这也说明了全铁含量分布特征主要受晶质铁和活性铁的影响。
本研究中晶质铁在剖面呈现先升后降的趋势，这是因为随着剖面深度的加深，稻田中的氧化还原逐渐剧烈的原因导致。已有研究表明，土壤系统中的铁氧化物在多次氧化还原振荡条件下向结晶形式转化并在土壤中积累[21, 28]。活性铁和络合铁在剖面先降后升的趋势，这是因稻田受淹水和施肥的影响，土壤表层中的铁结晶受到抑制并被活化，活性铁和络合铁含量升高[8, 29]，而水耕氧化还原层因干湿交替剧烈，抑制铁氧化物晶质化的环境减弱，移动性较差的活性铁和络合铁被转换[26]。至于晶质铁、活性铁和络合铁在75~100 cm土体范围分别有所下降、升高的趋势，这是随着稻田剖面的继续加深，氧化还原强度下降，土壤环境中铁的结晶抑制程度提升（晶质铁值降低），故稻田剖面活性铁和络合铁含量呈现上升的趋势。这与湖南澧阳平原[30]和浙江慈溪[8]等稻区的研究结果一致。可见，因土体内还原淋溶及氧化淀积强弱不一，抑制铁晶质化的程度各异，导致稻田晶质铁、活性铁与络合铁在剖面不同区域相互转换。
3.2 不同母质发育水耕人为土各形态铁的差异
土壤中的氧化铁是成土母质风化、淀积后的产物[31-32]，故不同母质发育土壤中铁的形态体现出差异。本研究中板页岩风化物、第四纪红色黏土和石灰岩风化物母质发育水耕人为土的晶质铁含量均值高于其他三种母质，可能是因为石灰岩风化物和板页岩风化物母质形成于时间较久的（前）古生代[33]，第四纪红色黏土母质的发育形成受干冷、湿热双重古气候的交替影响。母质风化物在长时间或干冷、湿热交替强烈的成土过程中不断的转化、淀积后会导致晶质铁含量不断提升[21]。此外，本研究中晶质铁与黏粒有较好的相关性，板页岩风化物、第四纪红色黏土和石灰岩风化物母质发育土壤的黏粒含量显著高于其他三种母质，故质地较黏，吸附晶质铁的能力较强。
本研究中，近代河湖（冲）沉积物母质发育水耕人为土的活性铁含量均值显著高于其他母质。一方面是因为该母质形成于时间较短的近现代时期。有研究表明，成土年龄较短的土壤活性铁含量高于成土年龄较长的土壤[21]；另一方面，近代河湖（冲）沉积物发育的土壤较肥沃[15]，加之湖积平原地形的氧化还原振幅频率较低于丘陵地区[34]，土壤还原性增强，利于土壤中铁的活化。本文结果显示，花岗岩风化物发育水耕人为土中的络合铁含量均值显著高于其他母质。有研究指出，络合铁与土壤腐殖质密切相关，土壤渍水还原状况和低的pH环境有利于络合铁的形成[35]。花岗岩风化物发育土壤pH值显著低于其他母质且剖面多现潜育特征，故该母质特质条件下利于络合铁的形成。虽然络合铁在铁的形态转化和移动中起着重要作用，但本研究中络合铁在全铁含量中的占比不超过1%，这与Huang等[36]研究结果一致。研究结果显示，水耕人为土0~120 cm土体中络合铁占全铁含量的百分比不到5%，表明水耕人为土中铁主要以无机铁氧化物形式为主。
由于不同人为植稻区域、母质类型和地形等条件因素的复杂性，本文所获得的数据仅能阐明中国南方特定稻区100 cm土体铁的形态及剖面分异特征。因此，围绕全球尺度下的稻区、非稻区的铁迁移形式、途径与去向开展系统量化研究，将有助于更好地评估植稻对铁输入输出的贡献。
3.3 水耕人为土铁形态及分异对土壤发生与分类的指示意义
铁在剖面中的分异随着植稻年限的增加而不断升高[7-8, 10, 34]，可指示水耕人为土的发育程度[18-19]。本研究显示，pH值较低母质发育的水耕人为土淀积系数（分异程度）高于pH值为中性、钙质母质发育的水耕人为土。一方面，本研究淀积系数与砂粒、粉粒密切相关，而花岗岩风化物、板页岩风化物和第四纪红色黏土母质发育土壤中砂粒含量、粉粒含量分别较高、较低于本研究其他三种母质，土壤通透性相对较好，易被淋滤。另一方面，有研究表明在淹水还原条件下酸性环境有利于促进土壤中铁的活化、还原溶解与淋溶损失，而中性至钙质土壤环境却会阻碍[36-37]。研究表明，滨海沉积物发育的水稻土剖面中铁的分异程度是土壤相对年龄判定参数之一，pH在判定过程中有一定的指示作用。
铁的形态及分异程度在不同水耕人为土的土壤类型（土类）上体现出差异。由于植稻土壤中氧化铁的淋溶与淀积，使铁在土壤剖面的分布发生变化，中国土壤系统分类正是基于土体中有无显现出氧化铁淀积富集的铁聚层、潜育特征、铁迁出或损失的铁渗亚层等变化特征，把水耕人为土划分为铁聚水耕人为土、潜育水耕人为土、铁渗水耕人为土和简育水耕人为土。其中，铁聚水耕人为土因氧化还原作用交替强烈，氧化铁淀积富集明显，剖面分异程度（淀积系数）较高，土壤易于脱水使铁老化并向结晶形式转化，故晶质铁在铁聚水耕人为土中呈现出较好的分类指示作用。此外，铁在剖面不断淀积是水耕人为土最为显著的成土过程，因此有研究认为铁聚水耕人为土应是水耕人为土演变的主要方向[38]。潜育水耕人为土因水耕氧化还原层中出现潜育特征，土壤处于淹水饱和状态导致还原性增强，抑制了土壤铁的结晶化，有利于络合铁在土壤中不断积累，故络合铁在潜育水耕人为土中呈现出较好的分类指示作用。
简育水耕人为土因植稻时间较短，水耕氧化还原层中还原淋溶及氧化淀积程度较其他土类低，故剖面分异程度显著低于铁聚水耕人为土和潜育水耕人为土。因此，铁的形态及分异程度可以反映水耕人为土的发育方向和程度并呈现出分类指示作用，可以作为水耕人为土土类划分的依据之一。值得注意的是，本研究所选30个水耕人为土剖面的水耕表层平均厚度为25 cm，犁底层以下的第一个发生层厚度处于剖面25~50 cm深度范围，该范围晶质铁和活性铁分别达到最大和最小值，铁的形态间转换或迁移最为明显。因此，该层在水耕人为土的类型判定上也具有重要的指示作用。
4、结论
研究表明，水耕人为土剖面铁的形态分布特征呈现出硅酸盐铁相对稳定、晶质铁先升后降、活性铁和络合铁先降后升三种趋势，这与稻田还原淋溶和氧化淀积强弱不一，剖面不同区域抑制铁晶质化的程度各异相关。铁的形态及剖面分异与母质的类型密切相关，其差异受土壤颗粒等级含量影响。铁的形态及分异程度可以反映水耕人为土的发育方向和程度并呈现出分类指示作用。晶质铁、络合铁分别在铁聚水耕人为土、潜育水耕人为土中呈现出较好的分类指示作用。水耕表层以下的第一个发生层在水耕人为土的类型判定上也具有重要的指示作用。
原刊于：农业现代化研究
