摘要： 針對不同母質發育水耕人為土（水稻土）中鐵的形態及其剖面分異特征開展深入研究，對於正確認識稻田關鍵元素的分布與行為具有重要意義。本研究以湖南省花崗巖風化物（GR）、板頁巖風化物（PS）、第四紀紅色黏土（QRC）、石灰巖風化物（LS）、紫色砂頁巖風化物（PSS）和近代河湖（沖）沈積物（FLD）共6種母質發育的水耕人為土為研究物件，透過30個典型剖面系統分析了剖面（0~100 cm）及水耕人為土不同土類間鐵的形態及其分異特征，探討土壤剖面鐵的形態轉變、剖面遷移轉化規律。結果表明，湖南省6種典型母質發育的水耕人為土在中國土壤系統分類中的位置已經探明，檢索出簡育水耕人為土（HSA）、鐵聚水耕人為土（FSA）和潛育水耕人為土（GSA）3個土類，暫未發現鐵滲水耕人為土。水耕人為土剖面全鐵（Fet）含量均值為44.66 g/kg，不同形態鐵的構成表現為：晶質鐵（Fec）>矽酸鹽鐵（Fesi）>活性鐵（Feo）>絡合鐵（Fep）。鐵的形態在剖面分布呈現出Fesi在剖面變化不大、Fec在剖面呈現先升後降、Feo和Fep在剖面呈現先降後升共三種趨勢。PS、QRC和LS的Fec、FLD的Feo、GR的Fep含量均值分別高於其他母質；GR、PS和QRC發育的水耕人為土澱積系數高於LS、PSS和FLD。FSA的Fec含量均值和澱積系數、GSA的Fep含量均值分別顯著高於其他土類。研究表明，湖南6種母質發育的典型水耕人為土中鐵的不同形態發生轉化並在剖面、母質、土類間體現出顯著分異。鐵的形態及澱積系數反映了水耕人為土的發育程度及成土環境，對於水耕人為土的發生學特性與系統分類具有指示作用。
關鍵詞： 水耕人為土；鐵的形態；剖面分異；成土母質；中國土壤系統分類
隨著人為活動不斷作用於土壤之上，「人為因素」對土壤的影響逐漸深化並逐步超過自然因素[1]。隨著「人類世」概念的提出，現代土壤物質迴圈及其質素演化研究也逐漸從自然因素影響向人為因素影響發展過渡[2]。水耕人為土是研究「人類世」理想的載體，該土壤類別指中國土壤系統分類體系中受自然和人為雙重因素作用下發育而成的具有可鑒別診斷層（特性）的植稻土壤類別，其對應於中國土壤發生分類體系中的水稻土[3]。水耕人為土因周期性的淹水與落幹，其土體中鐵等元素的生物地理化學迴圈過程明顯區別於其他土壤生態系[4]。因此，深入研究水耕人為土中鐵的形態及其剖面分異特征，對了解鐵的遷移機理及正確認識水耕人為土的發生學特性與系統分類具有重要意義。
湖南省是中國南方典型的雙季稻種植區。該區域稻作歷史悠久，考古界在湖南省澧縣和道縣分別發現了迄今為止最早的稻田和稻粒，把人類種植水稻的歷史提前到一萬年以前[14]。時至今日，湖南依然是中國重要的糧食生產基地，其稻田面積更是占到全省耕地面積的79%，稻谷種植面積和產量均排在中國各省份前列。湖南省地處南方典型紅壤區，土壤母質類別多樣，由於紅壤區強烈的脫矽富鐵鋁化作用，鐵含量相對較高，是研究植稻土壤鐵元素遷移與轉化的理想區域。因此，本研究選擇並采集湖南省花崗巖風化物、板頁巖風化物、第四紀紅色黏土、石灰巖風化物、紫色砂頁巖風化物和近代河湖（沖）沈積物共6種典型母質發育的稻田土壤，參照【中國土壤系統分類檢索（第三版）】對高級分類單元的劃分標準[3]，檢索出簡育水耕人為土、鐵聚水耕人為土和潛育水耕人為土3個土類。透過系統分析水耕人為土剖面、不同母質、土類之間鐵形態及剖面分異特征，探索母質及理化因子與土壤鐵形態及分異的關系，揭示長期植稻對土壤剖面鐵的形態轉變、剖面遷移轉化規律，以期為水耕人為土發生學特性研究和土壤系統分類體系完善提供依據。
1、材料與方法
1.1 研究區域與供試土壤
本研究以稻作歷史綿延且連續的中國南方典型紅壤區湖南省為研究區域，該區屬於典型中副熱帶濕潤季風氣候，年均氣溫16.0~18.0 ℃，年降雨量1 200 ~1 700 mm。根據歷史資料中土壤的描述與分類情況確定不同母質分布的典型區域[15]，參照全國第二次土壤普查數據進行采樣[16]，樣點主要分布在丘陵和平原地區。湖南稻區成土母質多樣，選取該區分布範圍廣、代表性強的花崗巖風化物（GR）、板頁巖風化物（PS）、第四紀紅色黏土（QRC）、石灰巖風化物（LS）、紫色砂頁巖風化物（PSS）和近代河湖（沖）沈積物（FLD）共6種常見母質發育的水稻土剖面。每種母質采集5個典型剖面，合計共30個剖面。
采樣時間均是水稻收割、田間水分排幹後的冬閑期，時間集中在2014年11月—次年2月。土壤剖面（深、寬、長分別為1.2~1.5 m, 1.2 m, 2.5~3.0 m）自下而上在每個發生層均勻采集1.5~2.0 kg土壤樣品並裝至布袋中。土壤樣品帶回室內後，揀去石礫和植物根系殘體，經自然風幹，充分混勻後采用四分法留取1 kg，分別過10目、60目和100目土壤篩，以備分析。所選剖面均為同一氣候條件下，且稻田為人工淹水從而減弱氣候對成土過程影響的非地帶性土壤。因此，可認為氣候對本研究區土壤發生的影響作用基本一致。研究區剖面樣點分布見圖1。
圖1 研究區剖面樣點分布圖
1.2 測試分析方法
土樣室內風幹後，按照測定指標的要求進行分級過篩。土壤基本理化性質分析參考【土壤調查實驗室分析方法】[17]。土壤容積比重測定采用環刀法；機械組成測定采用吸管法；質地分類采用美國農業部份類標準；pH測定采用電位法；有機碳測定采用重鉻酸鉀—硫酸消化法。全鐵（Fet）含量用氫氟酸—高氯酸熔融—等離子發射光譜法；遊離鐵（Fed）含量用檸檬酸鈉—二亞硫酸鈉浸提—鄰菲羅啉比色法；活性鐵（Feo）用草酸銨浸提—鄰啡羅林比色法；絡合鐵（Fep）用pH 3.0的酸性草酸銨浸提—鄰啡羅林比色法。
1.3 供試土壤在中國土壤系統分類高級分類單元中的歸屬
土壤剖面診斷層（特性）的確定及土壤系統分類，均按中國土壤系統分類相關標準和方法確定[3]。本研究中的30個剖面均屬於人為土土綱、水耕人為土亞綱。對研究區內典型土壤剖面的土類進行劃分：從表層至60 cm範圍存在部份土層有>10 cm的潛育特征，劃分為潛育水耕人為土（GSA）；土壤剖面的水耕表層之下均無灰色鐵滲亞層，故本研究所涉剖面均不屬鐵滲水耕人為土；剖面水耕氧化還原層的遊離氧化鐵含量為耕作層的1.5倍以上，劃分為鐵聚水耕人為土（FSA）；其他劃分為簡育水耕人為土（HSA）。
1.4 數據計算與統計分析
矽酸鹽鐵（Fesi）的計算方法為全鐵（Fet）與遊離氧化鐵（Fed）的差值；晶質鐵（Fec）的計算方法為遊離氧化鐵（Fed）與活性鐵（Feo）的差值；澱積系數（Illuvial coefficient）的計算方法為水耕氧化還原層中各發生層Fed含量與水耕表層中Fed含量的比值。
本文數據處理均基於SPSS 22.0軟件平台，采用單因素變方分析比較不同發育母質、土類間土壤鐵含量，顯著性檢驗采用最小極差法；采用Pearson 相關性分析，研究鐵和土壤基本理化性質的關系。顯著性水平設為0.05，極顯著水平設為0.01。
2、結果與分析
2.1 不同母質發育土壤剖面主要理化性質
供試土壤剖面主要理化性質中，剖面pH介於5.30~8.09之間，其中GR、PS和QRC母質發育土壤的pH剖面均值介於5.16~6.90之間，偏酸性；LS、PSS母質發育的土壤pH介於6.55~7.79之間，呈中性；而FLD母質發育的土壤pH介於6.97~8.09之間，偏堿性。GR、PS和QRC中砂粒含量剖面均值顯著高於LS、PSS和FLD，而粉粒、有機碳和pH的趨勢則相反（ P <0.05）。土壤容積比重剖面均值介於1.38~1.46之間，不同母質間無顯著性差異。
2.2 水耕人為土剖面中鐵形態分布特征分析
將30個水耕人為土剖面0~100 cm土體內共143個發生層全鐵及各形態鐵含量進行擬合（圖2）。整體上，稻田土壤全鐵含量均值為44.66 g/kg。不同形態鐵含量均值以晶質鐵占比最高，達50.43%，含量為22.52 g/kg，其次依次為矽酸鹽鐵、活性鐵和絡合鐵，說明土壤剖面全鐵的變化受晶質鐵的影響較大。
從剖面分布情況看，土壤表層全鐵含量均值為40.11 g/kg，顯著低於底層土壤（ P <0.05），說明稻田土壤中鐵的淋溶澱積明顯。土體內鐵的形態剖面分布呈現出三種趨勢：第一種為遷移不明顯，表現為矽酸鹽鐵含量均值在剖面不同土層深度並未體現出顯著性差異，表明該形態鐵趨於穩定；第二種為先升後降，表現為剖面25~50 cm和50~75 cm土層深度的晶質鐵含量均值均顯著高於剖面0~25 cm和75~100 cm（ P <0.05）；第三種為先降後升，表現為25~50 cm和50~75 cm土層深度的活性鐵含量均值分別顯著低於剖面0~25 cm和75~100 cm（ P <0.05）。絡合鐵與活性鐵的趨勢相似，但50~75 cm土層深度的絡合鐵含量均值顯著低於剖面其他土層深度（ P <0.05）。因第二種和第三種趨勢相反，而矽酸鹽鐵在剖面趨於穩定，表明晶質鐵與活性鐵兩種形態鐵存在相互轉換的關系。
圖2 全鐵及不同形態鐵含量在水耕人為土剖面（0~100 cm）的垂直分布
註：擬合曲線及其陰影區域表示100厘米土壤剖面中鐵的平均值和標準差。水平虛線顯示水耕表層（耕作層和犁底層）厚度均值（25 cm）
2.3 不同母質發育水耕人為土鐵形態差異分析
不同母質發育的水耕人為土鐵形態含量存在顯著性差異（圖3）。PS的全鐵含量剖面均值為60.54 g/kg，顯著高於其他母質，而LS的矽酸鹽鐵含量剖面均值為9.88 g/kg，顯著低於其他母質（ P <0.05）。PS、QRC和LS的晶質鐵含量剖面均值、FLD的活性鐵含量剖面均值、GR的絡合鐵含量剖面均值分別較高於其他母質（ P <0.05）。參考已有研究[5, 18-19]，本文用水耕氧化還原層中各層遊離氧化鐵含量與水耕表層遊離氧化鐵含量的比值計算澱積系數，來體現該層澱積現象並反映其分異程度。結果顯示，30個水耕人為土剖面澱積系數均值為1.29（>1），說明稻田土體中鐵的分異明顯。
不同母質間的澱積系數也體現出差異。其中，GR、PS和QRC剖面的澱積系數高於PSS、LS和FLD，呈現出pH值低母質發育的水耕人為土較高於pH值為中性與鈣質母質發育水耕人為土的趨勢。
圖3 不同母質發育水耕人為土全鐵、不同形態鐵含量和澱積系數
2.4 不同土類水耕人為土鐵形態及剖面分異特征分析
不同土類水耕人為土剖面鐵的形態均值和澱積系數存在差異。數據顯示，鐵聚水耕人為土的晶質鐵剖面均值，潛育水耕人為土的絡合鐵剖面均值分別顯著高於其他兩種土類（ P <0.05），而矽酸鹽鐵與活性鐵剖面均值並未在不同土類間體現出顯著性差異，這說明晶質鐵和絡合鐵分別在鐵聚水耕人為土和潛育水耕人為土的判定上具有重要作用。澱積系數（剖面分異程度）在水耕人為土不同土類上也體現出趨勢：鐵聚水耕人為土>潛育水耕人為土>簡育水耕人為土，這與【中國土壤系統分類檢索】的劃分標準相符。其中，鐵聚水耕人為土氧化鐵遷移澱積程度強於其他土類，而簡育水耕人為土氧化鐵遷移澱積較弱。
2.5 土壤氧化鐵的相關性分析
采取Pearson相關性分析確定鐵氧化物與土壤基本理化性質之間的關系。結果顯示，晶質鐵和黏粒之間存在極顯著正相關性（ P <0.01）；絡合鐵與砂粒呈極顯著正相關（ P <0.01），與粉粒和黏粒呈顯著負相關（ P <0.05）。表明土壤顆粒組成是影響晶質鐵和絡合鐵的主要因素。有研究表明，稻田表層土壤中鐵的形態比率的變化盡管受到土壤水文條件的影響，但更取決於土壤本身的質地特性[20]。澱積系數和砂粒之間存在極顯著正相關性（ P <0.01），與pH和粉粒呈極顯著負相關（ P <0.01）。由此可見，稻田剖面鐵的分異程度與土壤質地滲透性及其土壤的酸堿性密切相關。另一方面，全鐵與矽酸鹽鐵、晶質鐵呈極顯著正相關（ P <0.01），矽酸鹽鐵與活性鐵呈極顯著正相關（ P <0.01），晶質鐵與澱積系數呈顯著正相關（ P <0.05）。
3、討論
3.1 水耕人為土剖面各形態鐵的差異
鐵常被用於反映土壤的發生過程及成土環境，其形態成為評價土壤剖面發育程度的重要指標[21]。將本研究30個水耕人為土剖面全鐵及其形態研究值與歐陽寧相[22]、於康等[23]對該區域內旱地土壤研究結果對比顯示：從整體上看，水耕人為土全鐵含量均值顯著低於旱地土壤（ P <0.05），這與Chen等[24]、余展[25]研究結果一致。不論在何種景觀起源於何種母質類別的稻田土壤，其1 m土體內最終都會呈現出鐵流失的趨勢；從鐵的形態上看，水耕人為土晶質鐵含量均值顯著低於旱地土壤，而活性鐵均值有顯著提升（ P <0.05），矽酸鹽鐵含量均值在兩種土地利用方式之間並未體現出顯著性差異。因此，人為稻作加速了土體中鐵的流失和形態間轉換，特別是活性鐵的提升，從而改變了稻田生態系中鐵的迴圈[26]，這深化了對稻田土壤鐵形態轉化過程的認識。
稻田季節性的幹濕交替，土壤中鐵受垂直和水平運移的影響，從而淋溶、澱積或流失到土體底層或周邊區域[27]，故表層土壤全鐵含量低於底層土壤，而鐵在不同形態之間轉化並在剖面中體現出三種趨勢。本研究中矽酸鹽鐵在剖面遷移不明顯的趨勢，可能是由於土壤中矽酸鹽鐵相對穩定的緣故。這與廣西、江西稻區的相關研究結果一致[9]。由於矽酸鹽鐵的水解過程不可逆，且種稻之後含量並未明顯降低，表明水耕人為土在發育過程中矽酸鹽鐵對人為水耕的成土過程不敏感，這也說明了全鐵含量分布特征主要受晶質鐵和活性鐵的影響。
本研究中晶質鐵在剖面呈現先升後降的趨勢，這是因為隨著剖面深度的加深，稻田中的氧化還原逐漸劇烈的原因導致。已有研究表明，土壤系統中的鐵氧化物在多次氧化還原振蕩條件下向結晶形式轉化並在土壤中積累[21, 28]。活性鐵和絡合鐵在剖面先降後升的趨勢，這是因稻田受淹水和施肥的影響，土壤表層中的鐵結晶受到抑制並被活化，活性鐵和絡合鐵含量升高[8, 29]，而水耕氧化還原層因幹濕交替劇烈，抑制鐵氧化物晶質化的環境減弱，移動性較差的活性鐵和絡合鐵被轉換[26]。至於晶質鐵、活性鐵和絡合鐵在75~100 cm土體範圍分別有所下降、升高的趨勢，這是隨著稻田剖面的繼續加深，氧化還原強度下降，土壤環境中鐵的結晶抑制程度提升（晶質鐵值降低），故稻田剖面活性鐵和絡合鐵含量呈現上升的趨勢。這與湖南澧陽平原[30]和浙江慈溪[8]等稻區的研究結果一致。可見，因土體內還原淋溶及氧化澱積強弱不一，抑制鐵晶質化的程度各異，導致稻田晶質鐵、活性鐵與絡合鐵在剖面不同區域相互轉換。
3.2 不同母質發育水耕人為土各形態鐵的差異
土壤中的氧化鐵是成土母質風化、澱積後的產物[31-32]，故不同母質發育土壤中鐵的形態體現出差異。本研究中板頁巖風化物、第四紀紅色黏土和石灰巖風化物母質發育水耕人為土的晶質鐵含量均值高於其他三種母質，可能是因為石灰巖風化物和板頁巖風化物母質形成於時間較久的（前）古生代[33]，第四紀紅色黏土母質的發育形成受幹冷、濕熱雙重古氣候的交替影響。母質風化物在長時間或幹冷、濕熱交替強烈的成土過程中不斷的轉化、澱積後會導致晶質鐵含量不斷提升[21]。此外，本研究中晶質鐵與黏粒有較好的相關性，板頁巖風化物、第四紀紅色黏土和石灰巖風化物母質發育土壤的黏粒含量顯著高於其他三種母質，故質地較黏，吸附晶質鐵的能力較強。
本研究中，近代河湖（沖）沈積物母質發育水耕人為土的活性鐵含量均值顯著高於其他母質。一方面是因為該母質形成於時間較短的近現代時期。有研究表明，成土年齡較短的土壤活性鐵含量高於成土年齡較長的土壤[21]；另一方面，近代河湖（沖）沈積物發育的土壤較肥沃[15]，加之湖積平原地形的氧化還原振幅頻率較低於丘陵地區[34]，土壤還原性增強，利於土壤中鐵的活化。本文結果顯示，花崗巖風化物發育水耕人為土中的絡合鐵含量均值顯著高於其他母質。有研究指出，絡合鐵與土壤腐殖質密切相關，土壤漬水還原狀況和低的pH環境有利於絡合鐵的形成[35]。花崗巖風化物發育土壤pH值顯著低於其他母質且剖面多現潛育特征，故該母質特質條件下利於絡合鐵的形成。雖然絡合鐵在鐵的形態轉化和移動中起著重要作用，但本研究中絡合鐵在全鐵含量中的占比不超過1%，這與Huang等[36]研究結果一致。研究結果顯示，水耕人為土0~120 cm土體中絡合鐵占全鐵含量的百分比不到5%，表明水耕人為土中鐵主要以無機鐵氧化物形式為主。
由於不同人為植稻區域、母質類別和地形等條件因素的復雜性，本文所獲得的數據僅能闡明中國南方特定稻區100 cm土體鐵的形態及剖面分異特征。因此，圍繞全球尺度下的稻區、非稻區的鐵遷移形式、途徑與去向開展系統量化研究，將有助於更好地評估植稻對鐵輸入輸出的貢獻。
3.3 水耕人為土鐵形態及分異對土壤發生與分類的指示意義
鐵在剖面中的分異隨著植稻年限的增加而不斷升高[7-8, 10, 34]，可指示水耕人為土的發育程度[18-19]。本研究顯示，pH值較低母質發育的水耕人為土澱積系數（分異程度）高於pH值為中性、鈣質母質發育的水耕人為土。一方面，本研究澱積系數與砂粒、粉粒密切相關，而花崗巖風化物、板頁巖風化物和第四紀紅色黏土母質發育土壤中砂粒含量、粉粒含量分別較高、較低於本研究其他三種母質，土壤通透性相對較好，易被淋濾。另一方面，有研究表明在淹水還原條件下酸性環境有利於促進土壤中鐵的活化、還原溶解與淋溶損失，而中性至鈣質土壤環境卻會阻礙[36-37]。研究表明，濱海沈積物發育的水稻土剖面中鐵的分異程度是土壤相對年齡判定參數之一，pH在判定過程中有一定的指示作用。
鐵的形態及分異程度在不同水耕人為土的土壤類別（土類）上體現出差異。由於植稻土壤中氧化鐵的淋溶與澱積，使鐵在土壤剖面的分布發生變化，中國土壤系統分類正是基於土體中有無顯現出氧化鐵澱積富集的鐵聚層、潛育特征、鐵遷出或損失的鐵滲亞層等變化特征，把水耕人為土劃分為鐵聚水耕人為土、潛育水耕人為土、鐵滲水耕人為土和簡育水耕人為土。其中，鐵聚水耕人為土因氧化還原作用交替強烈，氧化鐵澱積富集明顯，剖面分異程度（澱積系數）較高，土壤易於脫水使鐵老化並向結晶形式轉化，故晶質鐵在鐵聚水耕人為土中呈現出較好的分類指示作用。此外，鐵在剖面不斷澱積是水耕人為土最為顯著的成土過程，因此有研究認為鐵聚水耕人為土應是水耕人為土演變的主要方向[38]。潛育水耕人為土因水耕氧化還原層中出現潛育特征，土壤處於淹水飽和狀態導致還原性增強，抑制了土壤鐵的結晶化，有利於絡合鐵在土壤中不斷積累，故絡合鐵在潛育水耕人為土中呈現出較好的分類指示作用。
簡育水耕人為土因植稻時間較短，水耕氧化還原層中還原淋溶及氧化澱積程度較其他土類低，故剖面分異程度顯著低於鐵聚水耕人為土和潛育水耕人為土。因此，鐵的形態及分異程度可以反映水耕人為土的發育方向和程度並呈現出分類指示作用，可以作為水耕人為土土類劃分的依據之一。值得註意的是，本研究所選30個水耕人為土剖面的水耕表層平均厚度為25 cm，犁底層以下的第一個發生層厚度處於剖面25~50 cm深度範圍，該範圍晶質鐵和活性鐵分別達到最大和最小值，鐵的形態間轉換或遷移最為明顯。因此，該層在水耕人為土的類別判定上也具有重要的指示作用。
4、結論
研究表明，水耕人為土剖面鐵的形態分布特征呈現出矽酸鹽鐵相對穩定、晶質鐵先升後降、活性鐵和絡合鐵先降後升三種趨勢，這與稻田還原淋溶和氧化澱積強弱不一，剖面不同區域抑制鐵晶質化的程度各異相關。鐵的形態及剖面分異與母質的類別密切相關，其差異受土壤顆粒等級含量影響。鐵的形態及分異程度可以反映水耕人為土的發育方向和程度並呈現出分類指示作用。晶質鐵、絡合鐵分別在鐵聚水耕人為土、潛育水耕人為土中呈現出較好的分類指示作用。水耕表層以下的第一個發生層在水耕人為土的類別判定上也具有重要的指示作用。
原刊於：農業現代化研究
