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土壤质地分类及其在我国应用探讨|研究

发布时间:2018-11-15 浏览数:2455

导  读


土壤质地是土壤重要的物理特性之一,严重影响土壤的持水、通气等特性,研究统一土壤质地分类制意义重大。针对我国土壤质地分类制混用的现象,文章在介绍国内外主要的土粒分级标准,比较四种土壤质地分类制的特点,回顾第二次土壤普查初期采用前苏联的卡庆斯基制,后期采用国际制的基础上,重点对比了我国的国标、各部门行标或规范等所运用的土壤质地分类标准。研究发现我国目前还没有普遍采用统一的土壤质地分类系统。土壤质地分类推荐采用美国制。

    

土壤质地很大程度上支配土壤的各种耕作性能,施肥反应,以及持水、通气等特性,其分类标准是土壤科学的重要问题之一。19世纪后期,世界各国开始测定土壤机械组成并由此划分土壤质地,至今全球已提出了二、三十种土壤质地分类制,但缺乏为各国和各行业公认的质地分类标准,我国土壤科技工作者于1975年制定了我国的土壤质地分类标准,此后进行了各种修订。国内曾有学者对土壤质地分类问题进行讨论,如邓时琴曾在前人研究的基础上对土粒分级、质地分类和土壤中砾石含量的分级做了一些修改和补充;付庆瑛认为我国1975年制定的土壤质地分类标准的土壤质地名称仍有不方便及比较含糊的地方。我国目前土壤质地分类法还不统一,在各行各业相关土壤样品分析测试工作的基础上,结合国际上土壤质地分类相关研究,统一适合我国的土壤质地分类制的需求非常迫切。本文就国际上三种土壤质地分类制以及我国制定的质地分类标准,在土壤颗粒分级、土壤质地分类以及土壤质地测定方法上进行比较,为我国统一土壤质地分类标准应用提供参考。


1  土壤粒级及分类标准


土粒大小不均一,在自然状况下大小不同的土粒,有的彼此不黏结的存在于土壤中,称为单粒,有的相互黏结成为一个集合体,称为复粒。将土壤颗粒按照直径的大小划分为若干个级别叫土壤粒级。土壤粒级的划分标准各国采用的很不一致。我国在解放前采用美国制,解放后改用前苏联的卡庆斯基制。至今世界各国采用的标准不尽相同,甚至有的一个国家使用几种分级标准,我国使用的就有国际制、美国制、卡庆斯基制和中国制,因此,使得各地研究成果难以相互比较与引用。现将我国及国外主要的土粒分级标准总结于表1(表略)。

国际制土壤颗粒大小按十进制划分,容易记忆,但人为因素太强,粒级特性的变化并不在划分的界限上;美国制将土粒分为5个基本粒级,细分为9个级别,土粒分级更显科学可靠;卡庆斯基制着重于能导致阳离子交换量、最大吸湿水量、持水量、膨胀收缩性等发生急剧转变的粒径(0.01 mm和0.001 mm等)作为划分粒级的界限;日本制是日本农学会将土粒划分为5级,黏粒<0.01 mm,但日本实际采用的是国际制土粒分级标准;此外英国、澳大利亚、印度等地也有各自的土粒分级标准,因其适用范围太小,本文不做详细介绍。


2  土壤质地分类标准


土壤质地是土壤的重要农业现状,它是各个级别土粒质量的百分含量,又称为土壤颗粒组成或机械组成。土壤质地分类是根据土壤颗粒组成的相似与否,将土壤划分为若干个类别。由于土壤颗粒分级标准不同,其对应的土壤质地分类有所不同,质地名称也有一些差异,即使质地名称相同,而它的各级粒级及其含量百分率也不一致。常见的土壤质地分类标准有:国际制、美国制、卡庆斯基制及我国习用的标准。现将国际上常用的土壤质地分类标准以时间顺序总结如下。


2.1  国际制


1912年瑞典土壤学家阿特伯(Atterberg)提出了土粒分级标准,1930年在第二届国际土壤学会上被采纳为国际土粒分级的基础,并制定了土壤质地分类国际制(见表2)(表略),以等边三角形(图1)(图略)所示。


2.2  美国制


1951年美国农业部(USDA)根据土壤在农田中的持水保肥、通气透水特点,将土壤质地划分为4组12级,美国制的质地分类标准亦用等边三角形(图2)(图略)所示。等边三角形的三个顶点分别代表100%的砂粒(0.05~2 mm)、粉粒(0.002~0.05 mm)及黏粒(<0.002 mm)。其中4组分别为砂土组、壤土组、黏壤土组和黏土组。同时针对土壤剖面研究,根据土壤粒径、矿物性质、温度等特点将土壤质地划分为7级。此外,将图2中相邻级类视为同一亚类,可将土壤分成相互重叠的28个亚类。

 

2.3  卡庆斯基制


卡庆斯基制是1957年前苏联著名土壤物理学家——卡庆斯基(H.A Kaчинский)根据苏联有关粒级性质的资料拟定的,它的粉粒及黏粒较其他各制均分得详细,是双极分类法,按物理性砂粒(>0.01mm)和物理性黏粒(<0.01 mm)的质量分数,将土壤划分为砂土、壤土和黏土三类九级,如表3所示。应用卡庆斯基质地分类简表分类时,首先确定所研究土壤的类型属于分类简表中的灰化土类、草原土和红黄壤类、碱化和强碱土类三大类型中的哪一类。可以用物理性砂粒(> 0.01 mm,%)和物理性黏粒(<0.01 mm,%)两个粒级的其中一个进行分类。卡庆斯基分类制包括三部分,即基本质地分类、详细质地分类和补充分类。


2.4  中国制


我国现代的土壤质地研究始于1937年,20世纪50—60年代,在全国土壤普查背景下,结合本国特点,拟定了中国土壤质地分类,如粗砂粒级的划分,但因缺乏深入研究,未能广泛应用。1959年拟定了我国南方土壤质地四级分类梯级表,1961年拟定了我国北京郊区土壤质地分类。1975年在1959年和1961年两个质地分类的基础上加以归并、修改、补充而成1978年的中国土壤质地分类标准。结合中国土壤的特点,在农业生产中主要采用前苏联的卡庆斯基的质地分类。1978年中国拟定的土壤质地分类是按砂粒、粉粒和黏粒的质量分数划分出砂土、壤土和黏土三类11级,如表6所示。对石砾含量较高的土壤制定了石砾性土壤质地分类标准。根据石砾含量,当其小于1%时为无砾质(质地名称前不冠名),1%~10%时为少砾质,大于10%为多砾质,如表7所示。1987年《中国土壤》第二版公布了中国土壤质地分类制,分为3组12种质地名称,分类标准见表8。中国土壤质地制有以下的特点:与其配套的粒级制是在卡庆斯基粒级制的基础上修定而来的,主要是将黏粒的上限由0.001 mm提高至大家公认的0.002 mm,黏粒级分为粗(0.002 mm ~0.001 mm)和细(<0.001 mm)两个粒级。


纵观各种土壤质地分类制,尽管存在着一些差别,但大体上将土壤质地分为砂土、壤土、黏土三类。国际制和美国制只在黏土类的壤质黏土与粉砂质黏土的排列顺序上有差异,其余质地名称顺序完全相同,而苏联的卡庆斯基制所考虑的粒级比较概括,只区分了物理性黏粒(<0.01 mm)和物理性砂粒(>0.01 mm)两级的相对含量,而国际制和美国制同时考虑黏粒、粉粒和砂粒三种粒级的相对含量,应用时实际只要考虑两个粒级就可以决定质地名称。中国土壤质地分类制也是根据砂粒、粉粒、黏粒含量进行土壤质地划分。


3  土壤质地分类应用


除中国制外,我国土壤学界曾先后采用过上述四种土壤质地分类标准。第一次全国土壤普查采用了卡庆斯基制,第二次全国土壤普查前期在县、地市级采用了卡庆斯基制,后期省级、国家级汇总中采用了国际制。据中国农业科学院黄鸿祥先生回顾:1980年全国土壤普查办公室顾问组在北京开会时,时任宁夏农业勘察设计院院长王吉智先生提出全国汇总方式应该采用国际制。与会专家现场进行了激烈讨论,在场的大多数人表示赞同。最后中国科学院南京土壤研究所的首席科学家席承藩先生综合了各方意见,决定采用国际制。具体方法是应用换算公式将卡庆斯基制转换为国际制。《中国土壤》和《中国土种志》和各省的土壤志均采用国际制。龚子同先生领导的中国土壤系统分类,张甘霖研究员主持的我国土系调查与《中国土系志》编制均采用的是美国制。基于土壤质地分类标准应用不统一的问题,通过中国知网、ScienceDirect和百度学术等搜索统计国内研究学者在国内外学术期刊已发表研究成果中运用的土壤质地分类标准。目前,国内已有土壤质地的相关研究主要集中在国际制、美国制、卡庆斯基制和中国制(图3)(图略)。

 

土壤质地是拟定土壤分类、管理和改良的重要依据,土壤质地分类制在我国各个部门标准、规范等应用多种多样,现将我国各个部门相关土壤质地应用情况总结如表9(表略)所示。


卡庆斯基制规定黏粒小于0.001 mm,提取费劲,国际上认可度不高,与我国农业生产先进经验不一致;国际制标准虽然简单方便记忆,但不适合我国土壤农业生产特性;美国制在国内外相关科学研究中最广泛,中国研究学者已发表成果中美国制的应用占比为62.86%(图3);中国土壤系统分类采用美国制;美国康奈尔大学土壤健康评估手册采用美国制;联合国粮食及农业组织(FAO)网站的土壤门户,超链接的是美国土壤学会网,只介绍了美国制。此外在science direct网站上所查相关文献基本运用的是美国制,如:Bockheim研究美国土壤结构改变的成因;Vaezi等在伊朗西北部半干旱地区估算土壤质地的可蚀性;Chung开发基于土壤图像RGB特性的土壤质地分类算法;Poggio和Gimona 对苏格兰土壤质地进行三维映射研究;Quraishi和Mouazen开发并校准了基于土壤质地测量表层土壤容重的在线传感器;Beuselinck等通过激光衍射法进行晶粒尺寸分析并与筛吸移管法进行比较。


4  土壤质地的相关测定方法


土壤质地的室内测定方法多种多样,相关研究学者运用的有激光粒度仪分析法、比重计法 、吸管法 和密度计法,如王勇辉等根据美国制分级标准采用比重计法对0.25mm的土样测定土壤质地。冯腾等分别采用激光粒度仪和吸管法依据美国制对土壤质地进行对比并建立激光粒度仪法向吸管法测试结果的转换。邓时琴等对土壤机械分析在比重计的校正、比重计速测和土粒分散措施进行试验。中国科学院南京土壤研究所分析室制成一种比重计适用于野外进行土壤机械分析,并对该比重计进行实验分析。楊詠元通过对采用比重计法进行大量分析时导致超出时间误差的情况,设计了能测读15个样本的读数时间卡片。沈阳农学院和中国科学院南京土壤研究所根据卡庆斯基制采用吸管法、比重计法和比重计速测法三种分析方法测算土壤的机械组成。各种方法的使用原理及质量控制总结如表10(表略)。


我国土壤质地实验室测定方法需要匹配合适的粒径范围,土样分析实验室要根据选择的分析方法配备完善的测试设备,对于粒径范围较宽、超出某一种分析方法的土样,可选用几种方法分别测定,并进行结果衔接处理,这些工作还需要国内相关学者进行下一步研讨。对比每种土壤质地测试分析方法的使用原理和质量控制发现:比重计法、吸管法和“密度计法”均是依据司笃克斯定律,而激光粒度仪分析法按光的Fraunhofer衍射和Mie散射理论,其测定土壤颗粒的黏粒含量明显低于其他方法。


5 结 论


纵观我国科学研究以及各行业运用的土壤质地分类制,国内研究学者在科学研究论文中应用土壤质地分类标准最多的是美国制,其次是国际制和卡庆斯基制。关于土壤质地分类国际间至今还没有一个被普遍采用的系统,世界上有80多个国家和地区采用的是美国土壤系统分类,SCI等国际期刊发表的学术论文也普遍采用的美国制。我国环境保护部采用美国制,农业部门先后采用卡庆斯基制和国际制,国土资源部采用卡庆斯基制或中国制等,但总体上更多应用美国制,中国制是中国科学院南京土壤研究所邓时琴等按照卡庆斯基改进的,级别多而繁杂,迄今为止中国土壤质地分类标准还未得到应用。在今后的科研和相关部门的实践工作中,尤其是可能开展的第三次全国土壤普查,统一使用美国土壤质地分类标准,并采用激光粒度仪分析法进行测定。


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