全 文 ：第 25卷第 4期
2011 年 8 月 水土保持学报Journal of Soil and Water Conserv ation Vo l.25 No.4Aug., 2011
　
　　收稿日期:2011-04-14
　　基金项目:中国科学院知识创新工程重要方向项目(KZCX2-YW-442)
　　作者简介:伍铁牛(1983-),男 ,湖南益阳人 ,博士研究生 ,主要从事第四纪土壤侵蚀与土壤性质研究。 E-m ail:yuanshi040827@163.com
黄土与古土壤性质对坡面土生扭口藓分布的影响
伍铁牛1 , 3 , 王林华2 , 田 磊2 , 单志杰1 , 3 , 周淑梅1 , 3
(1.中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室 ,陕西 杨凌 712100;
2.西北农林科技大学资源环境学院 ,陕西 杨凌 712100;3.中国科学院研究生院 ,北京 100049)
摘要:在杨凌营盘的黄土-古土壤坡面上 , 出露黄土的层位生长有较好的土生扭口藓 ,而出露古土壤的层
位少有土生扭口藓分布 ,采样分析黄土与古土壤的物理性质和营养元素的含量 ,并进行室内培养实验。结
果表明:古土壤的细颗粒(≤0.02 mm)含量高于黄土的;古土壤的速效 K 、速效 Mn 、速效 Fe和有机质的含
量高于黄土的;古土壤的 CaCO3 含量和速效 P 含量低于黄土的。在 2 个月的培养实验中 ,并未发现4 个样
品的生长状况出现显著差异。因此 ,黄土与古土壤营养元素的差异不是导致土生扭口藓空间分异的直接
原因。由于古土壤粘粒含量较高 ,其表层更容易形成结皮 , 而且古土壤团聚体之间的粘合力较弱 , 在坡度
约 65°的坡面上 ,结皮在重力作用下脱落 ,而少有土生扭口藓分布。 CaCO3 含量与土生扭口藓分布的关联
性还有待进一步研究。
关键词:黄土;古土壤;土生扭口藓;土壤结皮
中图分类号:S153;Q948.113　　　文献标识码:A　　　文章编号:1009-2242(2011)04-0233-04
Effects of Loess and Paleosol Properties on the Distribution
of Barbula vinealis on the Slope
WU Tie-niu1 , 3 , WANG Lin-hua2 , TIAN Lei2 , SHAN Zhi-jie1 , 3 , ZHOU Shu-mei1 , 3
(1.State Key Laboratory o f Soi l E rosion and Dry land F arming on the Loess P lateau , Institute o f Soi l and Water
Conservation , Chinese Academy of S ciences and Ministry of Water Resources , Yangling , S haan xi 712100;
2.College of Resources and Env ironment , Northwest A &F University , Yangling , Shaan xi 712100;
3.Grad uate Univ ersity o f Chinese Academy o f Sciences , Bei jing 100049)
Abstract:On the loess-palaeosol slope in Yangling , there w as li tt le Barbula v inealis g row n on the paleo sol
outcrop , while it g rew w el l on the loess outcrop.The chemical and phy sical properties of loess and paleo sol
samples , and an indoor culture experiment w ere car ried out.The results show ed , fo r the contents o f fine
part icles , the avai lable K , avai lable Fe , available M n and o rg anic mat te r , the values of paleoso l w ere higher
than those o f loess , and as fo r the CaCO 3 and available P , the content values of loess w ere highe r than pal-
eosol.After tw o months incubation expe riment , obvious dif fe rence betw een the Barbula vineal is grow on
palaeo so l and loe ss w ere no t de tected.The refore , the nutrient content be tw een loess and paleo sol w as no t
the main cause of the dist ribution of Barbula vineal is on this slope.Paleoso l contained more clay than loess ,
i t w as more easily to form soil crust on the outcrop of palaeosol af te r some rainfall , and the gradient of this
slop was about 65°, as the adhesion betw een paleo sol ag gregates w as w eak , soi l crust peeled of f easily under
the action of gravity.So , li tt le Barbula v inealis could grow on the surface o f paleo so l.Further study w ould
be needed to find the relationship between the content o f CaCO 3 and the distribution o f Barbula vinealis.
Key words:loess;palaeoso l;Barbula vineal is;soil crust
关于黄土与古土壤的物理化学性质的研究表明 ,古土壤比黄土具有更为优越的植物生长条件[ 1-2] 。然而 ,
在杨凌营盘村去往武功镇的公路边坡上 ,黄土层的植被覆盖却比古土壤层更为丰茂。2007年由于该公路的拓
宽改造 ,对边坡进行了开挖与维护 ,出露了从 S0 ～ S6的黄土-古土壤地层。在新鲜的边坡上着生了以扭口藓
(Barbula v inealis)为主的先锋植物 ,其分布具有一定的规律性 ,在黄土坡面生长良好而在古土壤坡面少有分
DOI :10.13870/j.cnki.stbcxb.2011.04.009
布 ,二者区别较为明显。扭口藓是高等植物中最原始的类群之一 ,能在恶劣的环境中生长 ,对温度和干湿度的
变化都具有极强的适应能力[ 3] 。扭口藓属多生长在撂荒地和坡面上[ 4] ,对土表微形态具有一定的改善作用[ 5] ,
能促进土壤结皮的形成。而生物土壤结皮能提高表层土壤的抗蚀性和营养元素的含量[ 6] 。苔藓作为一种疏松
多孔物质 ,具有维持土壤结构 、蓄水保土的能力 ,对于维持生态系统的稳定和其他生物的生长具有重要意义 。
作为环境演替过程中主要的先锋植物 ,苔藓植物参与土壤结皮的形成 ,在生物防治 、保持水土和生态小环境的
改善中发挥着不可替代的作用 。土壤结皮是表层土壤在物理 、化学或生物作用下形成较原始土壤致密的薄土
层[ 7] 。影响土壤结皮形成的因素有土壤含水率 、降雨特性 、坡度 、土壤质地等[ 4] ,其中土壤质地是影响土壤结皮
形成的最主要因素 ,细颗粒填塞大孔隙是土壤物理结皮的主要形成机制[ 8] ,因此土壤细颗粒含量愈高土壤结皮
愈容易形成[ 9-10] ,细颗粒是表土结皮发育的物质基础。在新开挖的坡面上 ,由于降雨打击表层土壤形成结构结
皮 ,并随着藓类植物的迁入与繁殖 ,逐渐形成一个由藓类植物的假根系与土壤复合的生物结皮层[ 11] , Bradfo rd
等认为 ,坡度愈大 ,土壤结皮愈难形成 ,而且形成的结皮较薄[ 12] 。上述研究多是针对扭口藓的生态意义 、土壤
性质和植被类群对土壤结皮形成的影响展开的 ,而关于陡坡上黄土与古土壤坡面先锋植物的分布特征研究甚
为罕见。因此本研究拟对黄土和古土壤的理化性质进行测定 ,探讨在营盘的黄土-古土壤坡面上 ,黄土与古土
壤的营养元素含量 、物理性质和表土结皮与土生扭口藓分布的关系。
1　研究区概况与研究方法
1.1　自然概况
采样点位于陕西杨凌营盘村 ,湋水河南岸 ,杨凌-武功镇公路东侧的边坡上 ,地理坐标为 34°18′540″N ,
108°05′627″E ,海拔 476 m ,该边坡平均坡度约为 65°。本区属暖温带季风半湿润气候区 ,年均降水量 635.1
mm ,年均蒸发量 993.2 mm ,湿润指数 0.64 ,每年 7-10月为雨季 ,雨季降水量约占全年降水量的 60.29%,年
均气温 12.9 ℃,极端最高气温 42 ℃(1966年 6月 19日),极端最低气温-19.4 ℃(1977年 1月 30日)。地带
性植被类型为暖温带落叶阔叶林。本区位于渭河地堑 ,属渭河谷地新生代断陷沉降带。早更新世地层为湖积 、
洪积沙砾石层;中更新世至全新世地层为黄土-古土壤层 ,厚约 100 m ,在河沟地带出露了从 S0 ～ S7的地层 ,
局部可见 S9。主要土壤类型有塿土 、黄土 、新积土 、潮土等 ,其中表层土以塿土所占面积最大 ,分布最广 。
图 1　采样点分布
1.2　采样方法
采样前先去除表层生物土壤结皮及植物与根系 ,土壤样
品采用剖面法采集 ,并尽量采用表层土壤 ,是因为与土生扭口
藓生长有关的土层为表土层 。在土生扭口藓生长良好的 L2
和 L3各取 3个点(L21 、L22 、L23 、L31 、L32 、L33);在土生扭
口藓生长次之的 S5LL2取 3 个点(L51 、L52 、L53);在几乎没
有土生扭口藓分布的 S2和 S5-2各取 3个点(S21 、S22 、 S23 、
S51 、S52 、S53),采样点分布如图 1所示。共采集得到 15个样
品 ,其中黄土 6个 ,古土壤 6 个 ,弱发育古土壤 3个 。采样时
间为 2008年 10月 15日下午 ,晴天 ,气温 24.9 ℃,在 10月12
日曾有明显降雨 ,因此土壤含水量较高 。
1.3　样品分析测定
1.3.1　土壤理化性质的测定　土壤粒度组成所用仪器为英
国 Malve rn公司生产的 Maste rsizer2000 型粒度分析仪 。土
壤全 N 测定采用半微量开氏法;土壤速效 P 测定采用比色
法;土壤速效 K测定采用 l mol/L 乙酸铵浸提-火焰光度法;
土壤速效 Fe 和速效 Mn测定采用原子吸收分光光度法;土壤
有机质测定采用重铬酸钾氧化外加热法;土壤 pH 值测定采用电位法;土壤 CaCO3 含量测定采用气量法 。
1.3.2　培养实验　称取黄土和古土壤样品各 2份 ,每份(300±5)g ,按原状土容重装填入玻璃器皿中。从采
样点带回部分土生扭口藓 ,先洗净根部 ,再将其分成 4等份 ,分别植于黄土和古土壤中 。实验中黄土与古土壤
均水平放置 ,而与野外的斜坡有所区别 ,以判断土壤营养元素的含量对土生扭口藓的生长的影响。在培养过程
中 ,每天下午 15:00浇水一次 ,使用当地的地下水滴灌 ,至土壤田间持水量即可 。
234 水土保持学报　　　　　 第 25 卷
图 2　土壤 pH 值
2　结果与分析
2.1　土壤 pH 值
从图 2可以看出 ,各土样的 pH 值均在 8.5以上 ,土壤碱性较
强。黄土样品(L2 、L3)的均值为 8.58 ,古土壤样品(S2 、S5-2)的均
值为 8.61 ,弱发育古土壤样品(S5LL2)的均值为 8.69。最高为
L51 ,值高达 8.71 ,最低为 S51 ,值仅为 8.52。弱发育古土壤的碱
性最强 ,黄土的碱性相对最弱 ,古土壤的碱性居中 。pH 值的这种
分布与土生扭口藓的分布没有直接的对应关系。
表 1　土壤机械组成
地层 样品数 粒径/mm 范围值/ % 平均值/ % 标准差/ %
6 <0.02 56.388～ 63.625 60.039 2.642黄土
(L2和 L3) 6 0.02 ～ 0.2 36.049～ 43.495 39.352 2.751
6 0.2～ 2 0.117～ 1.054 0.609 0.319
6 <0.02 65.040～ 73.807 69.399 3.463古土壤
(S2 和 S5-2) 6 0.02 ～ 0.2 24.343～ 33.700 28.525 3.405
6 0.2～ 2 1.260～ 3.365 1.909 0.751
3 <0.02 63.911～ 65.324 64.840 0.657弱发育古土壤
(S5LL2) 3 0.02 ～ 0.2 33.459～ 35.006 34.037 0.690
3 0.2～ 2 1.030～ 1.258 1.124 0.097
表 2　土壤有机质及营养元素含量
地层 有机质/%
全 N/
(g· kg-1)
速效 K/
(mg · kg-1)
速效 Fe/
(mg· kg-1)
速效 Mn/
(mg· kg-1)
速效 P/
(mg· kg -1)
L2 0.3566 0.2808 96.3767 4.8657 8.1600 12.2567
S2 0.4077 0.2752 139.6900 7.0160 8.7207 10.2700
L3 0.2460 0.2077 86.9300 3.9933 8.7837 15.2800
S5-2 0.2714 0.2957 178.7050 8.2543 17.9230 6.5967
S5LL2 0.2766 0.2433 140.7500 5.1877 15.2093 7.0033
古土壤均值 0.34 0.2855 159.1975 7.6352 13.32 8.4334
黄土均值 0.30 0.2443 91.6533 4.4295 8.47 13.7684
2.2　土壤颗粒组成
按照国际制对土壤颗粒含量进行分
级(将粘粒和粉粒合并为细颗粒组),表 1
显示 ,黄土中细颗粒(<0.02 mm)含量
较低 ,同时粗颗粒含量也较低 ,这种粒度
结构由于颗粒间粒径差异较小且细颗粒
少 ,所以相对不易形成结皮;而古土壤不
仅细颗粒含量明显高于黄土 ,且粗颗粒
含量也高于黄土 ,这样古土壤中大孔隙
数量较多 ,在降雨的淋滤作用下 ,细颗粒
填塞大孔隙 ,易形成土壤结皮[ 7] 。在陡
坡上 ,由于重力的作用 ,古土壤表面的结
皮更容易脱落 。因此 , 黄土-古土壤坡
面上常常看到古土壤表面比黄土表面粗
糙 ,是由于古土壤表层结皮脱落所致。
2.3　土壤营养元素的含量
表 2显示了各地层全 N 、有机质 、速
效 K 、速效 Fe 、速效 Mn 、速效 P 的含量。
从表可以看出 ,各地层全 N 含量均较低 ,是由于长时间无 N 素补给 ,原有 N 素流失严重。其中古土壤全 N 含
量平均为 0.285 5 g/kg ,弱发育古土壤均值为0.243 3 g/kg ,而黄土的均值为 0.244 3 g/kg ,略低于古土壤。速
效 K含量最高的土层为 S5-2 ,平均值达 178.705 mg/kg ,含量最低的土层为 L3 ,平均值仅 86.93 mg/kg ,为
S5-2的 48.65%,古土壤的速效 K含量明显高于黄土层 ,速效 K 含量的高低与土壤发育程度有关。各土样有机
质含量差异较大 ,古土壤层平均含量为 0.34%,虽然高于黄土层的平均值 0.30%,但是 S5-2的有机质含量要
低于 L2 ,可能与二者距今时间长短不同等因素有关。黄土与古土壤速效 Fe 含量差异明显 ,古土壤含量最高达
8.2543 mg/kg(S5-2),是黄土层最高值(L2 ,4.8657 mg/kg)的 1.70倍 ,古土壤的最低值为 7.016 mg/kg(S2),
仍然要高于黄土层的最高值;古土壤速效Fe的平均含量是黄土层的 1.72倍 ,这主要是由于古土壤形成过程中
有明显的脱硅富铁铝的过程;而黄土层成土作用微弱 ,脱硅富铁铝过程也不甚显著 ,故 Fe 含量较低。黄土与
古土壤速效 Mn含量差异较为明显 ,古土壤层均值为 13.32 mg/kg ,黄土层均值为 8.47 mg/kg ,古土壤层的含
量高于黄土层。古土壤层速效 P含量要低于黄土层 ,可能与 P 元素易于淋溶迁移有关。
在黄土风化成壤过程中 , Fe 、Al 、K 、Si 、Mg 相对富集 ,Ca 、Na相对淋溶[ 13] ,因此 ,古土壤全 N 、速效 K 、有机
图 3　土壤 CaCO3 含量
质 、速效 Fe 、速效 Mn的含量要高于黄土 。
2.4　土壤 CaCO3 含量
CaCO 3含量差异十分显著(图 3),黄土层的 CaCO 3 含量高达
12%～ 23%,平均值为15.98%,弱发育古土壤的 CaCO 3 含量则在
5%～ 8%之间 ,平均值为 6.37%,而强发育古土壤的 CaCO3 含量
则在 2%以内 ,平均值仅 1.05%。扭口藓属多生于钙质土或石灰岩
上[ 14] ,但CaCO 3含量的这种差异与坡面土生扭口藓的分布是否有
直接关系还不宜定论。
235第 4 期 　　　 　　伍铁牛等:黄土与古土壤性质对坡面土生扭口藓分布的影响
3　讨论
黄土与古土壤组成在表观上和理化性质上的差异主要是由于其成壤程度的不同 。古土壤在成壤过程中 ,
气候比较温湿 ,营养元素发生分异和再分配 , Mn 、Fe、K等元素在粘化层中相对聚集 ,以致古土壤中 Mn 、Fe 、K
等元素含量较高;而 Ca元素易淋溶 ,水分携带 Ca离子在古土壤下方或底部形成 CaCO 3 结核层。黄土在堆积
过程中 ,气候冷干 、降水稀少 ,Mn 、Fe 、K 等元素没有显著的相对富集 ,Ca元素也没有发生显著的淋溶移淀。因
此 ,黄土层中的 CaCO3含量高于古土壤层的 ,而 Mn 、Fe 、K等元素含量低于古土壤层的。古土壤表明了其形
成时期优良的植被条件 ,具有比黄土更丰富的植物养分 ,理应具有较好的植被覆盖 ,但在杨凌营盘公路旁新开
挖的坡面上 ,古土壤表层的土生扭口藓分布稀少 ,而黄土表层土生扭口藓生长茂盛 ,表明制约其生长的主要因
素不是土壤营养元素的含量 ,室内培养实验也进一步验证了这一点。
扭口藓属为喜钙植物类群 。在研究坡面上 ,黄土层 CaCO 3 含量明显高于古土壤层的 ,且土生扭口藓在黄
土表面生长良好而在古土壤表面少有分布 ,因此推测 CaCO 3 含量的差异可能是影响坡面土生扭口藓生长的因
素之一。但在 2个月的培养试验中 ,并未发现 4个培养样品的生长状况出现显著差异 。鉴于此 ,认为 CaCO 3
含量的差异不是导致该坡面土生扭口藓生长状况差异的主要因素。在土壤结皮的形成过程中 ,土生扭口藓产
生大量的假根 ,并将其附着于土壤表面 ,从而达到固定表土的目的。但是由于古土壤团聚体之间存在一定量的
裂隙 ,团粒之间的粘结力较小 ,在坡度约 65°的陡坡上 ,表土结皮一旦形成 ,便易于与内层古土壤脱离。在剥落
达到一定程度后 ,土生扭口藓也开始在古土壤坡面着生 。到 2010年 11月再观察此剖面 ,发现苔藓植物在此坡
面分布的空间分异已没有之前明显 。
在杨凌营盘黄土-古土壤坡面上 ,古土壤表土结皮典型 ,在坡脚堆积有一层脱落的结皮;黄土层表土结皮
远没有古土壤表层明显 ,在坡脚也没有见到大量脱落的黄土表土结皮 。说明在该陡坡上 ,表土结皮的形成和脱
落与土壤物理性质的差异有关 。在陡坡上 ,由土生扭口藓参与形成的生物土壤结皮 ,能增强陡坡上土层的稳定
性。苔藓结皮形成的微地貌较为粗糙 ,能滞留沉积物并减少表土的风蚀。因此 ,在黄土-古土壤序列出露的坡
面 ,克服古土壤结皮的缺陷对于护坡面的稳定具有一定的实际意义。
4　结论
(1)在杨凌营盘剖面 ,弱发育古土壤(S5LL2)的 pH 值最高 ,古土壤层(S2 和 S5-2)的次之 ,黄土层(L2和
L3)的最低;古土壤的全 N 、有机质 、速效 K 、速效 Fe 、速效 Mn的含量要高于黄土和弱发育古土壤的。古土壤
速效 P 的含量要低于黄土的 。这些差异都与土壤发育过程中物质的淋溶迁移和富集有关。
(2)室内培养实验说明 ,黄土与古土壤营养元素的差异不是导致土生扭口藓空间分异的直接原因。造成
这种分异的主要原因可能是古土壤团聚体之间粘着力小 、细颗粒含量较高 ,更容易形成表土结皮 ,在陡坡上 ,这
种结皮易于脱落 ,从而使古土壤表层较少附着土生扭口藓。
(3)黄土的 CaCO 3 含量要远高于古土壤 ,与土生扭口藓在坡面的分布情况类似 ,但是二者之间的关系尚
有待进一步的研究。
致谢:中国科学院水利部水土保持研究所李玉山研究员 、程积民研究员审阅全文并提出宝贵意见 ,西北大
学王玛丽副教授帮助鉴定苔藓植物种类 ,黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室李秋芳老师 、毕桂英高
级实验师和史竹叶高级实验师为测定土壤的理化性质提供了诸多便利 ,雷廷武研究员指导实验开展和论文写
作 ,在此一并表示诚挚谢意!
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236 水土保持学报　　　　　 第 25 卷
采样区均受到了煤矸石重金属一定的影响 ,采样区属于重金属 Cd和 Pb 风险突出区 ,应采取一定的修复措施 ,
减轻其潜在生态风险 。
综合潜在风险系数 R I 反映了 Cd 、Cr 、Cu 、Zn 、Pb的综合污染水平及潜在生态危害性。从综合潜在生态风
险系数看 ,随着煤矸石距离的增加 ,土壤重金属生态风险指数 R I 总体呈现减小趋势 ,风险等级由中等变为轻
微 ,5 ～ 10 m 处 R I 为 272.34和 164.34 ,属于中等潜在生态风险 ,其他各点 R I 范围为 94.62 ～ 141.79 ,都属于
轻微生态风险。
3　结论与讨论
(1)试验用煤矸石中重金属主要以残渣态存在 ,但也有一定量的酸溶态和氧化物结合态 ,大量堆积的煤矸
石在长期的雨水淋溶作用下 ,具有一定的释放性。重金属等有害元素被浸溶后在矸石堆周围土壤中的长期迁
移 、转化 ,并最终在土壤中累积 ,将对矸石山周围的土壤 、水体等生态环境产生了一定的危害。
(2)煤矸石山周边土壤重金属含量随着煤矸石山的距离增加呈现减少趋势 ,表明周边土壤受到了煤矸石的
影响 ,特别是下风向土壤 ,由于风的吹动致使煤矸石颗粒进入周边土壤 ,造成重金属污染 。从土壤剖面重金属
分布曲线看出 ,由于煤矸石重金属释放导致土壤表层重金属含量最高 ,加大了重金属进入食物链危害人体健康
的风险。
(3)采样区属于重金属 Cd和 Pb风险突出区 ,5 m 和 10 m 处采样点属于极强生态风险区 ,应采取一定的
修复措施 ,减轻其潜在生态风险。从综合潜在生态风险系数看 ,随着煤矸石距离的增加 ,土壤重金属生态风险
指数 R I 总体呈现减小趋势 ,风险等级由中等变为轻微。5 ～ 10 m 属于中等潜在生态风险 ,其他各点都属于轻
微生态风险。
重金属生态风险评价定量评价了区域生态环境质量 ,应依据风险评价等级确定降低风险的管理措施 ,在
强 、中等生态风险区实施污染治理 ,减少重金属特别是 Cd 和 Pb的生物有效性。在轻微潜在生态风险区应加
强管理 ,控制环境污染物的排放 ,以免加重土壤重金属污染 。
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