人工土

人工土

人工土是指自然土壤經人類活動的影響改變了原來土壤的成土過程而獲得新特性的土壤。中國農業歷史悠久,人類活動對土壤的影響十分深刻,因此,在土壤分類上,應十分重視人為因素的影響。例如,水稻土、灌淤土、綠洲土等都作為獨立的土類,其共同特點是經受人類活動的長期影響,獲得新的診斷層和診斷特性。我們把它們統歸為人工土綱。美國的土壤分類,對人為因素的影響只體現於亞綱以下的分類單元上,如在亞綱中的耕翻擾動新成土(Arent),土類中的耕作澱積濕潤淋溶土(Agrudalf)都是考慮到人為耕作活動這一因素。

地理分布

本土綱分布在人類開發較早、耕作歷史悠久的地區,或是人工排灌和耕作活動容易引起土壤深刻變化的地區。它廣泛分布於世界各地。水稻土主要分布於亞洲的南部和東南部,南美洲非洲也有小面積分布。在中國,水稻土分布遍及全國,集中分布在秦嶺淮河白龍江一線以南。灌淤土和綠洲土則主要分布於半乾旱和乾旱地區。

中國人工土總面積62.68萬平方公里,占全國土地面積的6.6%。

成土條件

本土綱土壤的形成受人類活動的長期影響,它的成片分布當然也有特定的歷史背景和地理環境。由於國外分類制對人工土壤並未普遍作為獨立分類研究,因此,對其分布區的成土條件很難概括,現只能就中國的四類人工土加以闡述。

人工土人工土
(一)人為作用
人工土的成土過程主要是在原有土壤的成土過程基礎上進行耕作熟化過程。也就是在人為活動的深刻影響下,通過灌排、耕作和施肥等一系列農業措施,不斷克服原有土壤的某些不良性狀,改善了保水、保肥性能和適種性,使土壤肥力不斷發展。熟化過程雖然表現了肥力的提高,但又相應帶來土壤其他性狀的相應變化。因此,人為作用是人工土形成的基本條件,人工影響的程度直接關係到人工土的發育。

(二)氣候
水稻土分布區的氣候條件相差極為懸殊。年平均溫度由-2—-5℃到23—25℃,≤10℃積溫由1600—10000℃,無霜期由110天到全年,年降水量東部和南部約為450—3000毫米,西北部一般少於450毫米,有的只有幾十毫米,當然,在不同氣候條件下,水稻土的形成發育的特點是不同的。

灌淤土分布區年降水量200—700mm,地區差異較大,從東到西呈現降水由多到少再增多的規律。年平均氣溫為2—14℃,最冷月平均氣溫-13—0℃,最熱月平均氣溫為14.7—27℃。綠洲土分布區主要在乾旱荒漠的綠洲地區,氣候更為乾旱,年降水量50—200mm,平均溫為5—12℃,≥10℃積溫為2700—4500℃。最冷月平均溫為-16—-10℃,最熱月均溫為24—28℃。土分布區年降水量600mm左右,氣候比較乾燥,雨熱同季,有春旱現象。年平均氣溫13.3℃,≥10℃的積溫4300℃,最冷月均溫為-1.3℃,最熱月均溫26—27℃。

(三)植被
本土綱人工植被的影響較大,水稻土主要種植水稻小麥等。灌淤土、綠洲土多種旱作物,如穀子高粱玉米芝麻大豆紅薯、小麥、大麥等。

人工土中國小麥種植區域
(四)地形、母質
人工土的分布也受地形影響。不同地形影響水稻土的空間分布。在大河流域、三角洲地區、河湖沖積堆積平原與盆地區,如長江三角洲珠江三角洲鄱陽湖太湖平原成都平原金衢盆地等,水稻土一般表現出“成片連續”分布。在低山丘陵區的分布則表現多種形式,但主要是沿河谷作樹枝狀或條帶狀分布,與地形、水系的形態基本一致,排列大致和山間谷地走向相似,如浙閩丘陵地多呈樹枝狀,川東平行嶺谷區是典型的帶狀。此外,還有串珠狀與小規模“成片”分布。如滇西龍川江的芒市河和大盈河谷上為串珠狀的分布。在浙江紹興淺丘山間盆地,因低平溫濕,土壤肥沃,分布有小規模的平原式的水稻土。高山高原區水稻土,海拔高,溫度低,水文條件差,地勢高低起伏不利水稻土生長發育,因而分布零散,呈現斑點狀。在現代新構造活躍地區,河流下切劇烈,成為峽谷,沒有平地,甚至連河漫灘也很少,就很難發育水稻土,如甘孜以南的深山峽谷區,僅在大河谷支流上或主支谷交會處的某些局部沖積平原上有水稻土分布。在山坡上的水稻土通常成為梯田式分布。水稻土大部分不直接發育於岩石風化物上,而是在人工條件控制下,起源於各種土壤和沖積物,而且發育較快。

灌淤土的地形部位是大河流兩岸平原、階地和窪地。成土母質為河流所攜帶的泥沙。

綠洲土分布的地形部位通常是沖積扇的中下部,或沖積平原沿河兩岸的綠洲上,或沿河階地上。地形稍有傾斜,地下水較為豐富,地下水礦化度較高,成土母質為沖積物。土的地形部位是低山、丘陵、平原、沿河階地。它是在褐土上發育而成的。這些土壤類型所處的地形部位,無不受到人類活動的影響。

成土過程

人工土的形成過程主要是熟化過程,熟化過程又有水耕熟化和旱耕熟化之分。

人工土水耕
(一)水耕熟化過程
水稻土的形成就是經歷著水耕熟化過程。土壤種稻以後進行季節性灌溉,改變了土壤的水熱狀況,表現出土壤氧化還原交替過程和相應的物質轉移,又由於施用一些肥料的原因,導致土壤的復鹽基作用。因此,水稻土的形成,產生以下許多變化:

1.有機質的變化與原有土壤(不包括沼澤土)相比,水稻土的有機質含量增加,表層尤為明顯,形成鬆軟的耕作熟化層。如紅壤發育的水稻土,弱度熟化階段的耕作層有機質含量由母質的5克每千克土左右增至1.5克每千克土左右,至高度熟化階段可達30克每千克土左右。水稻土耕作層有機質的累積量約為同地區旱作土的1.3—1.6倍,但水稻土的腐殖質組成,胡敏酸/富里酸之比,芳構化程度和分子量都減低,也就是說,水耕熟化使土壤有機質增加,而組成變得更簡單了。

2.鹽基淋溶和復鹽基作用植稻以後,土壤中交換性鹽基將重新分布。在飽和的土壤中鹽基淋溶,而在非飽和的土壤中發生復鹽基作用。一般紅壤中鹽基飽和度只有20%左右,種稻以後可達50%以上,在某些情況下甚至達到飽和。鹽基主要由組成。復鹽基過程從耕層開始,而後逐漸向下擴展。

3.的淋溶和澱積在淹水條件下,游離的氧化鐵、錳被還原為低價鐵、錳化合物,這些低價鐵、錳化合物淋溶下移,使耕作層的鐵錳含量不斷減少,並氧化澱積於土壤下層。於是耕作層土色逐漸脫離母質的影響,而向灰色方向發展,嚴重者變為淺灰甚至灰白色。而氧化澱積於下層的鐵錳化合物,出現黃棕、紅棕色銹斑銹紋或暗棕、黑棕色鐵錳斑塊和結核。

4.機械淋溶作用水稻土中的粘粒、細粉砂粒等物質在水的重力作用下,一方面沿著土壤孔隙作垂直的運動,從而造成水稻土粘粒的下移,心土層比較粘重,特別是形成一層比旱作土更加明顯的犁底層。另一方面這些物質又會作表面或側面的移動,使一些水稻土會出現淀漿板結的層次。

人工土旱耕
(二)旱耕熟化過程
1.旱耕熟化沒有水耕熟化那樣明顯的氧化還原交替作用和較強的淋溶作用和有機質積累,與水耕熟化過程一樣,旱耕土壤的表層也出現有機質含量增加,形成疏鬆的耕作熟化層,而旱耕層一般有大量蚯蚓穴、蚯蚓糞和磷的富集。其下也可能出現犁底層,但犁底層不及水稻土那樣明顯。

2.由於施入大量土糞和富含有機質土壤或堆積其他礦質土壤的結果形成厚度可達50厘米的堆墊表層。其中還可能出現人為侵入體如煤渣木炭磚瓦等,這些侵入體反映了歷史上人類活動的遺蹟。

3.長期的農業灌溉,灌溉水中所含懸浮顆粒在土壤中逐漸淤積,並經耕作混合而成灌淤層。據統計,新疆克里亞河中等含沙量年份(2.5kg/m3)計算,每年在作物生長季節隨灌溉水帶入耕地的泥沙,平均每公頃達5000公斤以上,可淤地面0.2厘米,淤積層的深度一般在50厘米以上,厚者可達2—3米。灌淤層的顏色較為均一,呈淺灰色,顆粒組成和結構狀況相當一致,並常有煤渣、木炭、磚瓦等人為侵入體。

4.由於灌溉淋溶作用,土壤腐殖質和細小顆粒產生淋溶下移過程,從而產生耕作澱積層。這層的孔壁和結構體表面澱積有較暗色的腐殖質-粘粒膠膜或腐殖質-粉砂-粘粒膠膜,其亮度和彩度均低於周圍土壤基質。在酸性土壤中這層的pH值和鹽基飽和度高於未受耕作影響的下墊土層。

上述旱耕熟化過程不是在所有的旱耕人工土中都發生,灌淤土和綠洲土因灌溉水使細顆粒不斷沉積,形成灌淤表層。土則不斷施用大量的土糞,而形成深厚的熟化層,這與其下的原來土壤分界明顯,但又緊密相接,形似樓房,故稱土。土除熟化過程外,還有明顯的粘化和石灰的淋溶澱積過程。灌淤土、綠洲土在熟化過程中形成的熟化層里常見炭片、瓷器、磚塊等文化遺物,而且土中動物(主要是蚯蚓)活動頻繁,還會出現多量蚯蚓穴和蚯蚓糞。

主要性狀

(一)診斷層
美國土壤系統分類制中,考慮到人為因素只是以人為表層(Anthropicepipedon)和耕作澱積層(Agrichorizon)來確定的。

人為表層(耕作層)一般較深厚,色深,富含腐殖質,有較好的水穩性結構,既通氣又爽水,交換性鹽基一般以兩價陽離子為主,粘土礦物以2∶1型為多,特別是人類長期耕作,施入許多骨頭和貝殼,土壤中富含磷和鈣,鹽基飽和度高,這是區別於鬆軟表層的重要標誌。

人工土人工土
耕作澱積層是指由於耕作而造成的澱積層,經過長期水旱耕作,緊接耕作層以下的土層可以發生明顯的變化,在蟲孔道內壁、根孔道內壁以及結構體表面,有一層有機質、粉粒和粘粒的暗色混合物,經久而成薄層,此薄層的顏色與土壤基質相比,一般具有較暗的亮度和較濃的彩度。不同生物氣候條件下的耕作澱積層,可以呈現不同的形式。在溫暖濕潤的氣候條件下,土壤具有較濕潤的水分狀況和較適中的溫度狀況,蚯蚓大量孳生,如果耕層下土層中蚯蚓孔洞及其內壁包被膜占該層土體容積5%以上,內壁包被膜的厚度超過2毫米,壁膜顏色濕時亮度≤4,彩度≤2,則這樣的土層可定為耕作澱積層。在地中海氣候條件下,土壤處於較乾的水分狀況,一般蚯蚓較少,澱積物質以薄片層的形式聚積在耕作層(Ap層)之下的土層中。如果澱積薄片層超過5毫米,膜的顏色濕時亮度小於4,彩度小於2,而且占10厘米以上厚度土層的容積的5%以上,則此層為耕作澱積層。

根據中國土壤系統分類研究,人工土有以下幾個診斷層:

堆墊表層:厚度大於50厘米,有機質含量加權平均值≥10克每千克土;含有煤渣、木炭、磚瓦及其他。

厚熟表層:厚度大於50厘米;有機質含量加權平均值≥20克每千克土;0—20厘米內速效磷(0.5MNaHCO3法)含量>100毫克每千克土;有多量蚯蚓穴和蚯蚓糞,含多量煤渣、木炭、磚瓦及其他人類生活用品的碎屑。

灌淤表層:厚度大於50厘米;全層機械組成相當一致;有機質含量隨深度逐漸減少,但至該層底部至少為5克每千克土;或全層含煤渣、木炭、磚瓦或其他人類生活用品的碎屑。

水耕澱積層:位於犁底層以下,若底層出現潛育層,則於潛育層之上;在淹水期間,大孔隙充滿下滲水流,結構體內的閉合孔隙包含空氣;多棕色、黃棕色銹紋;常見暗棕、黑棕色鐵錳斑塊或結核。鐵的晶膠率比上伏土層高;粘粒、粉砂含量一般高於上伏土層;鹽基飽和度高於上伏土層。

旱耕澱積層:位於緊接耕作層之下,其前身可能是原來的其他診斷層或某種診斷特性的B層;厚度大於10厘米;孔壁和結核體表面澱積有較暗色的腐殖質-粘粒膠膜或腐殖質-粉砂-粘粒膠膜,其亮度和彩度均低於周圍土壤基質,數量應占該層體積的3%或更多,或者占薄片的1%或更多;在艷色土壤剖面中,此層顏色與未受耕作影響的下墊土層相比亮度增加,彩度降低,色調不變或偏黃;碳氮比一般小於8;在酸性土壤中,此層pH值和鹽基飽和度高於或明顯高於未受耕作影響的下墊土層。

(二)形態特徵
人工土剖面通常有:厚度較大、結構較好、養分較多的耕作層(人為表層、厚熟表層);厚度較薄、較緊實的犁底層和具有不同形式的澱積物、亮度較暗、彩度較濃的耕作澱積層。其主要特徵見診斷層所述。

(三)理化特性
人工土的理化性質有以下幾個特點:
1.人工土壤既然是在自然土壤的基礎上經人為因素影響而形成的土壤,那么它的理化性質必然受到原來土壤性狀和人為因素的影響,其變異也較大。例如,起源於紅壤的水稻土繼承母質的一些特性:養分較少,土壤有機質組成又較簡單,多呈酸性反應。粘粒的矽鋁率低(1.8—2.2),粘土礦物以高嶺石為主,氧化鐵含量較高,陽離子交換量較低,磷大部分以閉蓄態的磷酸鐵、鋁為主。起源於黃棕壤的水稻土,磷、鉀含量要比紅壤區水稻土高,無機磷中磷酸鈣的比例也較高,而陽離子交換量也有提高。粘粒的矽鋁率約為2.5—3.4,粘土礦物以水雲母為主。北方地區的水稻土,受冷凍的影響,生物化學作用較弱,耕層常有片狀結構,鐵鋁移動也不強烈,有機質組成中胡敏酸與富里酸的比值較高,陽離子交換量和pH值也較高,粘粒矽鋁率在3.5—4.0之間,粘粒礦物以水雲母為主。灌淤土和綠洲土地處乾旱和半乾旱地區,土壤富含礦質養分,一般有石灰性,呈鹼性反應,其許多性狀又決定於灌溉水的泥沙組成和灌溉系統的情況。土的性質與原來土壤褐土有許多共同之處,所以有的人主張不列成獨立的土類,而把它放在褐土的耕作類型中。

2.人工土經過熟化過程後,土壤肥力普遍得到提高,這主要表現為有機質和有效養分含量的增加,腐殖質層下延,增加厚度,腐殖質的活性提高,表現了較好的耕作、保肥供肥性能和緩衝能力。

3.人工土通常會改變或減弱原來土壤所存在的不利因素。例如紅壤存在酸性、有效磷含量低等不利因素,改為水稻土後,就可以使土壤的酸度降低,鹽基飽和度升高,並提高了磷的有效性。沼澤土的地面水和地下水是相連線的,全剖面處於還原狀態,還原性物質含量高,一般具有腐泥層,潛在養分高。一旦改為水稻土,便不斷圍繞排水和發揮土壤潛在肥力而進行著脫沼澤化作用。地下水位逐漸降低,灌溉水和地下水分離,潛育作用逐漸減弱,氧化還原作用進一步改善,潛在肥力得到發揮。此外人工土的原來土壤中原有的鹼化、鹽化和過強石灰化等不良性狀,一旦改變為人工土,這些不良性狀都會得到不同程度的改善。

利用與改良

人工土人工土
人工土都是已開發利用的土壤,在利用過程中可採取改造和培肥措施,加速熟化過程,定向培育土壤肥力。

改造熟化就是通過人為措施對土壤及其環境的障礙因素進行改造,促使土壤定向熟化,為進一步培肥奠定基礎。如水稻中潛育性水稻土,終年積水,土粒分散,結構不良,土溫低,有效養分缺乏,還存在還原性物質毒害,因此要開溝排水,降低地下水位,以改善土壤耕性和通氣透水性能,便於耕作,並促進養分活化。多年來,對南方低產水稻土,以改土治水為中心的農田基本建設,採取綜合治理,實現水稻田的大改造,成為高產穩產田。灌淤土、綠洲土的鹽鹼化也需要通過水利、耕作等措施加以治理,此外還通過客土法改造土壤過粘或過砂的性狀。

培肥熟化,在不利的障礙因素得到治理或控制的同時,還要採取增施有機肥,合理輪作和耕作的措施,增加熟化層的熟化度和厚度,不斷提高土壤肥力,做到用地和養地相結合。

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