人工土
人工土是指自然土壤经人类活动的影响改变了原来土壤的成土过程而获得新特性的土壤。中国农业历史悠久,人类活动对土壤的影响十分深刻,因此,在土壤分类上,应十分重视人为因素的影响。例如,水稻土、灌淤土、绿洲土等都作为独立的土类,其共同特点是经受人类活动的长期影响,获得新的诊断层和诊断特性。我们把它们统归为人工土纲。美国的土壤分类,对人为因素的影响只体现于亚纲以下的分类单元上,如在亚纲中的耕翻扰动新成土(Arent),土类中的耕作淀积湿润淋溶土(Agrudalf)都是考虑到人为耕作活动这一因素。
本土纲分布在人类开发较早、耕作历史悠久的地区,或是人工排灌和耕作活动容易引起土壤深刻变化的地区。它广泛分布于世界各地。水稻土主要分布于亚洲的南部和东南部,南美洲和非洲也有小面积分布。在中国,水稻土分布遍及全国,集中分布在秦岭、淮河、白龙江一线以南。灌淤土和绿洲土则主要分布于半干旱和干旱地区。
中国人工土总面积62.68万平方公里,占全国土地面积的6.6%。
本土纲土壤的形成受人类活动的长期影响,它的成片分布当然也有特定的历史背景和地理环境。由于国外分类制对人工土壤并未普遍作为独立分类研究,因此,对其分布区的成土条件很难概括,现只能就中国的四类人工土加以阐述。
(一)人为作用
人工土的成土过程主要是在原有土壤的成土过程基础上进行耕作熟化过程。也就是在人为活动的深刻影响下,通过灌排、耕作和施肥等一系列农业措施,不断克服原有土壤的某些不良性状,改善了保水、保肥性能和适种性,使土壤肥力不断发展。熟化过程虽然表现了肥力的提高,但又相应带来土壤其他性状的相应变化。因此,人为作用是人工土形成的基本条件,人工影响的程度直接关系到人工土的发育。
(二)气候
水稻土分布区的气候条件相差极为悬殊。年平均温度由-2—-5℃到23—25℃,≤10℃积温由1600—10000℃,无霜期由110天到全年,年降水量东部和南部约为450—3000毫米,西北部一般少于450毫米,有的只有几十毫米,当然,在不同气候条件下,水稻土的形成发育的特点是不同的。
灌淤土分布区年降水量200—700mm,地区差异较大,从东到西呈现降水由多到少再增多的规律。年平均气温为2—14℃,最冷月平均气温-13—0℃,最热月平均气温为14.7—27℃。绿洲土分布区主要在干旱荒漠的绿洲地区,气候更为干旱,年降水量50—200mm,平均温为5—12℃,≥10℃积温为2700—4500℃。最冷月平均温为-16—-10℃,最热月均温为24—28℃。土分布区年降水量600mm左右,气候比较干燥,雨热同季,有春旱现象。年平均气温13.3℃,≥10℃的积温4300℃,最冷月均温为-1.3℃,最热月均温26—27℃。
(三)植被
本土纲人工植被的影响较大,水稻土主要种植水稻、小麦等。灌淤土、绿洲土多种旱作物,如谷子、高粱、玉米、芝麻、大豆、红薯、小麦、大麦等。
(四)地形、母质
人工土的分布也受地形影响。不同地形影响水稻土的空间分布。在大河流域、三角洲地区、河湖冲积堆积平原与盆地区,如长江三角洲、珠江三角洲、鄱阳湖、太湖平原、成都平原和金衢盆地等,水稻土一般表现出“成片连续”分布。在低山丘陵区的分布则表现多种形式,但主要是沿河谷作树枝状或条带状分布,与地形、水系的形态基本一致,排列大致和山间谷地走向相似,如浙闽丘陵地多呈树枝状,川东平行岭谷区是典型的带状。此外,还有串珠状与小规模“成片”分布。如滇西龙川江的芒市河和大盈河谷上为串珠状的分布。在浙江绍兴浅丘山间盆地,因低平温湿,土壤肥沃,分布有小规模的平原式的水稻土。高山高原区水稻土,海拔高,温度低,水文条件差,地势高低起伏不利水稻土生长发育,因而分布零散,呈现斑点状。在现代新构造活跃地区,河流下切剧烈,成为峡谷,没有平地,甚至连河漫滩也很少,就很难发育水稻土,如甘孜以南的深山峡谷区,仅在大河谷支流上或主支谷交会处的某些局部冲积平原上有水稻土分布。在山坡上的水稻土通常成为梯田式分布。水稻土大部分不直接发育于岩石风化物上,而是在人工条件控制下,起源于各种土壤和冲积物,而且发育较快。
灌淤土的地形部位是大河流两岸平原、阶地和洼地。成土母质为河流所携带的泥沙。
绿洲土分布的地形部位通常是冲积扇的中下部,或冲积平原沿河两岸的绿洲上,或沿河阶地上。地形稍有倾斜,地下水较为丰富,地下水矿化度较高,成土母质为冲积物。土的地形部位是低山、丘陵、平原、沿河阶地。它是在褐土上发育而成的。这些土壤类型所处的地形部位,无不受到人类活动的影响。
人工土的形成过程主要是熟化过程,熟化过程又有水耕熟化和旱耕熟化之分。
(一)水耕熟化过程
水稻土的形成就是经历着水耕熟化过程。土壤种稻以后进行季节性灌溉,改变了土壤的水热状况,表现出土壤氧化还原交替过程和相应的物质转移,又由于施用一些肥料的原因,导致土壤的复盐基作用。因此,水稻土的形成,产生以下许多变化:
1.有机质的变化与原有土壤(不包括沼泽土)相比,水稻土的有机质含量增加,表层尤为明显,形成松软的耕作熟化层。如红壤发育的水稻土,弱度熟化阶段的耕作层有机质含量由母质的5克每千克土左右增至1.5克每千克土左右,至高度熟化阶段可达30克每千克土左右。水稻土耕作层有机质的累积量约为同地区旱作土的1.3—1.6倍,但水稻土的腐殖质组成,胡敏酸/富里酸之比,芳构化程度和分子量都减低,也就是说,水耕熟化使土壤有机质增加,而组成变得更简单了。
2.盐基淋溶和复盐基作用植稻以后,土壤中交换性盐基将重新分布。在饱和的土壤中盐基淋溶,而在非饱和的土壤中发生复盐基作用。一般红壤中盐基饱和度只有20%左右,种稻以后可达50%以上,在某些情况下甚至达到饱和。盐基主要由钙组成。复盐基过程从耕层开始,而后逐渐向下扩展。
3.铁和锰的淋溶和淀积在淹水条件下,游离的氧化铁、锰被还原为低价铁、锰化合物,这些低价铁、锰化合物淋溶下移,使耕作层的铁锰含量不断减少,并氧化淀积于土壤下层。于是耕作层土色逐渐脱离母质的影响,而向灰色方向发展,严重者变为浅灰甚至灰白色。而氧化淀积于下层的铁锰化合物,出现黄棕、红棕色锈斑锈纹或暗棕、黑棕色铁锰斑块和结核。
4.机械淋溶作用水稻土中的粘粒、细粉砂粒等物质在水的重力作用下,一方面沿着土壤孔隙作垂直的运动,从而造成水稻土粘粒的下移,心土层比较粘重,特别是形成一层比旱作土更加明显的犁底层。另一方面这些物质又会作表面或侧面的移动,使一些水稻土会出现淀浆板结的层次。
(二)旱耕熟化过程
1.旱耕熟化没有水耕熟化那样明显的氧化还原交替作用和较强的淋溶作用和有机质积累,与水耕熟化过程一样,旱耕土壤的表层也出现有机质含量增加,形成疏松的耕作熟化层,而旱耕层一般有大量蚯蚓穴、蚯蚓粪和磷的富集。其下也可能出现犁底层,但犁底层不及水稻土那样明显。
2.由于施入大量土粪和富含有机质土壤或堆积其他矿质土壤的结果形成厚度可达50厘米的堆垫表层。其中还可能出现人为侵入体如煤渣、木炭、砖瓦等,这些侵入体反映了历史上人类活动的遗迹。
3.长期的农业灌溉,灌溉水中所含悬浮颗粒在土壤中逐渐淤积,并经耕作混合而成灌淤层。据统计,新疆克里亚河中等含沙量年份(2.5kg/m3)计算,每年在作物生长季节随灌溉水带入耕地的泥沙,平均每公顷达5000公斤以上,可淤地面0.2厘米,淤积层的深度一般在50厘米以上,厚者可达2—3米。灌淤层的颜色较为均一,呈浅灰色,颗粒组成和结构状况相当一致,并常有煤渣、木炭、砖瓦等人为侵入体。
4.由于灌溉淋溶作用,土壤腐殖质和细小颗粒产生淋溶下移过程,从而产生耕作淀积层。这层的孔壁和结构体表面淀积有较暗色的腐殖质-粘粒胶膜或腐殖质-粉砂-粘粒胶膜,其亮度和彩度均低于周围土壤基质。在酸性土壤中这层的pH值和盐基饱和度高于未受耕作影响的下垫土层。
上述旱耕熟化过程不是在所有的旱耕人工土中都发生,灌淤土和绿洲土因灌溉水使细颗粒不断沉积,形成灌淤表层。土则不断施用大量的土粪,而形成深厚的熟化层,这与其下的原来土壤分界明显,但又紧密相接,形似楼房,故称土。土除熟化过程外,还有明显的粘化和石灰的淋溶淀积过程。灌淤土、绿洲土在熟化过程中形成的熟化层里常见炭片、瓷器、砖块等文化遗物,而且土中动物(主要是蚯蚓)活动频繁,还会出现多量蚯蚓穴和蚯蚓粪。
(一)诊断层
在美国土壤系统分类制中,考虑到人为因素只是以人为表层(Anthropicepipedon)和耕作淀积层(Agrichorizon)来确定的。
人为表层(耕作层)一般较深厚,色深,富含腐殖质,有较好的水稳性结构,既通气又爽水,交换性盐基一般以两价阳离子为主,粘土矿物以2∶1型为多,特别是人类长期耕作,施入许多骨头和贝壳,土壤中富含磷和钙,盐基饱和度高,这是区别于松软表层的重要标志。
耕作淀积层是指由于耕作而造成的淀积层,经过长期水旱耕作,紧接耕作层以下的土层可以发生明显的变化,在虫孔道内壁、根孔道内壁以及结构体表面,有一层有机质、粉粒和粘粒的暗色混合物,经久而成薄层,此薄层的颜色与土壤基质相比,一般具有较暗的亮度和较浓的彩度。不同生物气候条件下的耕作淀积层,可以呈现不同的形式。在温暖湿润的气候条件下,土壤具有较湿润的水分状况和较适中的温度状况,蚯蚓大量孳生,如果耕层下土层中蚯蚓孔洞及其内壁包被膜占该层土体容积5%以上,内壁包被膜的厚度超过2毫米,壁膜颜色湿时亮度≤4,彩度≤2,则这样的土层可定为耕作淀积层。在地中海气候条件下,土壤处于较干的水分状况,一般蚯蚓较少,淀积物质以薄片层的形式聚积在耕作层(Ap层)之下的土层中。如果淀积薄片层超过5毫米,膜的颜色湿时亮度小于4,彩度小于2,而且占10厘米以上厚度土层的容积的5%以上,则此层为耕作淀积层。
根据中国土壤系统分类研究,人工土有以下几个诊断层:
堆垫表层:厚度大于50厘米,有机质含量加权平均值≥10克每千克土;含有煤渣、木炭、砖瓦及其他。
厚熟表层:厚度大于50厘米;有机质含量加权平均值≥20克每千克土;0—20厘米内速效磷(0.5MNaHCO3法)含量>100毫克每千克土;有多量蚯蚓穴和蚯蚓粪,含多量煤渣、木炭、砖瓦及其他人类生活用品的碎屑。
灌淤表层:厚度大于50厘米;全层机械组成相当一致;有机质含量随深度逐渐减少,但至该层底部至少为5克每千克土;或全层含煤渣、木炭、砖瓦或其他人类生活用品的碎屑。
水耕淀积层:位于犁底层以下,若底层出现潜育层,则于潜育层之上;在淹水期间,大孔隙充满下渗水流,结构体内的闭合孔隙包含空气;多棕色、黄棕色锈纹;常见暗棕、黑棕色铁锰斑块或结核。铁的晶胶率比上伏土层高;粘粒、粉砂含量一般高于上伏土层;盐基饱和度高于上伏土层。
旱耕淀积层:位于紧接耕作层之下,其前身可能是原来的其他诊断层或某种诊断特性的B层;厚度大于10厘米;孔壁和结核体表面淀积有较暗色的腐殖质-粘粒胶膜或腐殖质-粉砂-粘粒胶膜,其亮度和彩度均低于周围土壤基质,数量应占该层体积的3%或更多,或者占薄片的1%或更多;在艳色土壤剖面中,此层颜色与未受耕作影响的下垫土层相比亮度增加,彩度降低,色调不变或偏黄;碳氮比一般小于8;在酸性土壤中,此层pH值和盐基饱和度高于或明显高于未受耕作影响的下垫土层。
(二)形态特征
人工土剖面通常有:厚度较大、结构较好、养分较多的耕作层(人为表层、厚熟表层);厚度较薄、较紧实的犁底层和具有不同形式的淀积物、亮度较暗、彩度较浓的耕作淀积层。其主要特征见诊断层所述。
(三)理化特性
人工土的理化性质有以下几个特点:
1.人工土壤既然是在自然土壤的基础上经人为因素影响而形成的土壤,那么它的理化性质必然受到原来土壤性状和人为因素的影响,其变异也较大。例如,起源于红壤的水稻土继承母质的一些特性:养分较少,土壤有机质组成又较简单,多呈酸性反应。粘粒的硅铝率低(1.8—2.2),粘土矿物以高岭石为主,氧化铁含量较高,阳离子交换量较低,磷大部分以闭蓄态的磷酸铁、铝为主。起源于黄棕壤的水稻土,磷、钾含量要比红壤区水稻土高,无机磷中磷酸钙的比例也较高,而阳离子交换量也有提高。粘粒的硅铝率约为2.5—3.4,粘土矿物以水云母为主。北方地区的水稻土,受冷冻的影响,生物化学作用较弱,耕层常有片状结构,铁铝移动也不强烈,有机质组成中胡敏酸与富里酸的比值较高,阳离子交换量和pH值也较高,粘粒硅铝率在3.5—4.0之间,粘粒矿物以水云母为主。灌淤土和绿洲土地处干旱和半干旱地区,土壤富含矿质养分,一般有石灰性,呈碱性反应,其许多性状又决定于灌溉水的泥沙组成和灌溉系统的情况。土的性质与原来土壤褐土有许多共同之处,所以有的人主张不列成独立的土类,而把它放在褐土的耕作类型中。
2.人工土经过熟化过程后,土壤肥力普遍得到提高,这主要表现为有机质和有效养分含量的增加,腐殖质层下延,增加厚度,腐殖质的活性提高,表现了较好的耕作、保肥供肥性能和缓冲能力。
3.人工土通常会改变或减弱原来土壤所存在的不利因素。例如红壤存在酸性、有效磷含量低等不利因素,改为水稻土后,就可以使土壤的酸度降低,盐基饱和度升高,并提高了磷的有效性。沼泽土的地面水和地下水是相连接的,全剖面处于还原状态,还原性物质含量高,一般具有腐泥层,潜在养分高。一旦改为水稻土,便不断围绕排水和发挥土壤潜在肥力而进行着脱沼泽化作用。地下水位逐渐降低,灌溉水和地下水分离,潜育作用逐渐减弱,氧化还原作用进一步改善,潜在肥力得到发挥。此外人工土的原来土壤中原有的碱化、盐化和过强石灰化等不良性状,一旦改变为人工土,这些不良性状都会得到不同程度的改善。
人工土都是已开发利用的土壤,在利用过程中可采取改造和培肥措施,加速熟化过程,定向培育土壤肥力。
改造熟化就是通过人为措施对土壤及其环境的障碍因素进行改造,促使土壤定向熟化,为进一步培肥奠定基础。如水稻中潜育性水稻土,终年积水,土粒分散,结构不良,土温低,有效养分缺乏,还存在还原性物质毒害,因此要开沟排水,降低地下水位,以改善土壤耕性和通气透水性能,便于耕作,并促进养分活化。多年来,对南方低产水稻土,以改土治水为中心的农田基本建设,采取山、水、田、林、路综合治理,实现水稻田的大改造,成为高产稳产田。灌淤土、绿洲土的盐碱化也需要通过水利、耕作等措施加以治理,此外还通过客土法改造土壤过粘或过砂的性状。
培肥熟化,在不利的障碍因素得到治理或控制的同时,还要采取增施有机肥,合理轮作和耕作的措施,增加熟化层的熟化度和厚度,不断提高土壤肥力,做到用地和养地相结合。
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