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  1. 新聞中心

    土壤質地分類及其在我國應用探討|研究

    發布時間:2018-11-15 瀏覽數:2887

    導  讀


    土壤質地是土壤重要的物理特性之一,嚴重影響土壤的持水、通氣等特性,研究統一土壤質地分類制意義重大。針對我國土壤質地分類制混用的現象,文章在介紹國內外主要的土粒分級標準,比較四種土壤質地分類制的特點,回顧第二次土壤普查初期采用前蘇聯的卡慶斯基制,后期采用國際制的基礎上,重點對比了我國的國標、各部門行標或規范等所運用的土壤質地分類標準。研究發現我國目前還沒有普遍采用統一的土壤質地分類系統。土壤質地分類推薦采用美國制。

        

    土壤質地很大程度上支配土壤的各種耕作性能,施肥反應,以及持水、通氣等特性,其分類標準是土壤科學的重要問題之一。19世紀后期,世界各國開始測定土壤機械組成并由此劃分土壤質地,至今全球已提出了二、三十種土壤質地分類制,但缺乏為各國和各行業公認的質地分類標準,我國土壤科技工作者于1975年制定了我國的土壤質地分類標準,此后進行了各種修訂。國內曾有學者對土壤質地分類問題進行討論,如鄧時琴曾在前人研究的基礎上對土粒分級、質地分類和土壤中礫石含量的分級做了一些修改和補充;付慶瑛認為我國1975年制定的土壤質地分類標準的土壤質地名稱仍有不方便及比較含糊的地方。我國目前土壤質地分類法還不統一,在各行各業相關土壤樣品分析測試工作的基礎上,結合國際上土壤質地分類相關研究,統一適合我國的土壤質地分類制的需求非常迫切。本文就國際上三種土壤質地分類制以及我國制定的質地分類標準,在土壤顆粒分級、土壤質地分類以及土壤質地測定方法上進行比較,為我國統一土壤質地分類標準應用提供參考。


    1  土壤粒級及分類標準


    土粒大小不均一,在自然狀況下大小不同的土粒,有的彼此不黏結的存在于土壤中,稱為單粒,有的相互黏結成為一個集合體,稱為復粒。將土壤顆粒按照直徑的大小劃分為若干個級別叫土壤粒級。土壤粒級的劃分標準各國采用的很不一致。我國在解放前采用美國制,解放后改用前蘇聯的卡慶斯基制。至今世界各國采用的標準不盡相同,甚至有的一個國家使用幾種分級標準,我國使用的就有國際制、美國制、卡慶斯基制和中國制,因此,使得各地研究成果難以相互比較與引用?,F將我國及國外主要的土粒分級標準總結于表1(表略)。

    國際制土壤顆粒大小按十進制劃分,容易記憶,但人為因素太強,粒級特性的變化并不在劃分的界限上;美國制將土粒分為5個基本粒級,細分為9個級別,土粒分級更顯科學可靠;卡慶斯基制著重于能導致陽離子交換量、最大吸濕水量、持水量、膨脹收縮性等發生急劇轉變的粒徑(0.01 mm和0.001 mm等)作為劃分粒級的界限;日本制是日本農學會將土粒劃分為5級,黏粒<0.01 mm,但日本實際采用的是國際制土粒分級標準;此外英國、澳大利亞、印度等地也有各自的土粒分級標準,因其適用范圍太小,本文不做詳細介紹。


    2  土壤質地分類標準


    土壤質地是土壤的重要農業現狀,它是各個級別土粒質量的百分含量,又稱為土壤顆粒組成或機械組成。土壤質地分類是根據土壤顆粒組成的相似與否,將土壤劃分為若干個類別。由于土壤顆粒分級標準不同,其對應的土壤質地分類有所不同,質地名稱也有一些差異,即使質地名稱相同,而它的各級粒級及其含量百分率也不一致。常見的土壤質地分類標準有:國際制、美國制、卡慶斯基制及我國習用的標準?,F將國際上常用的土壤質地分類標準以時間順序總結如下。


    2.1  國際制


    1912年瑞典土壤學家阿特伯(Atterberg)提出了土粒分級標準,1930年在第二屆國際土壤學會上被采納為國際土粒分級的基礎,并制定了土壤質地分類國際制(見表2)(表略),以等邊三角形(圖1)(圖略)所示。


    2.2  美國制


    1951年美國農業部(USDA)根據土壤在農田中的持水保肥、通氣透水特點,將土壤質地劃分為4組12級,美國制的質地分類標準亦用等邊三角形(圖2)(圖略)所示。等邊三角形的三個頂點分別代表100%的砂粒(0.05~2 mm)、粉粒(0.002~0.05 mm)及黏粒(<0.002 mm)。其中4組分別為砂土組、壤土組、黏壤土組和黏土組。同時針對土壤剖面研究,根據土壤粒徑、礦物性質、溫度等特點將土壤質地劃分為7級。此外,將圖2中相鄰級類視為同一亞類,可將土壤分成相互重疊的28個亞類。

     

    2.3  卡慶斯基制


    卡慶斯基制是1957年前蘇聯著名土壤物理學家——卡慶斯基(H.A Kaчинский)根據蘇聯有關粒級性質的資料擬定的,它的粉粒及黏粒較其他各制均分得詳細,是雙極分類法,按物理性砂粒(>0.01mm)和物理性黏粒(<0.01 mm)的質量分數,將土壤劃分為砂土、壤土和黏土三類九級,如表3所示。應用卡慶斯基質地分類簡表分類時,首先確定所研究土壤的類型屬于分類簡表中的灰化土類、草原土和紅黃壤類、堿化和強堿土類三大類型中的哪一類??梢杂梦锢硇陨傲#?gt; 0.01 mm,%)和物理性黏粒(<0.01 mm,%)兩個粒級的其中一個進行分類??☉c斯基分類制包括三部分,即基本質地分類、詳細質地分類和補充分類。


    2.4  中國制


    我國現代的土壤質地研究始于1937年,20世紀50—60年代,在全國土壤普查背景下,結合本國特點,擬定了中國土壤質地分類,如粗砂粒級的劃分,但因缺乏深入研究,未能廣泛應用。1959年擬定了我國南方土壤質地四級分類梯級表,1961年擬定了我國北京郊區土壤質地分類。1975年在1959年和1961年兩個質地分類的基礎上加以歸并、修改、補充而成1978年的中國土壤質地分類標準。結合中國土壤的特點,在農業生產中主要采用前蘇聯的卡慶斯基的質地分類。1978年中國擬定的土壤質地分類是按砂粒、粉粒和黏粒的質量分數劃分出砂土、壤土和黏土三類11級,如表6所示。對石礫含量較高的土壤制定了石礫性土壤質地分類標準。根據石礫含量,當其小于1%時為無礫質(質地名稱前不冠名),1%~10%時為少礫質,大于10%為多礫質,如表7所示。1987年《中國土壤》第二版公布了中國土壤質地分類制,分為3組12種質地名稱,分類標準見表8。中國土壤質地制有以下的特點:與其配套的粒級制是在卡慶斯基粒級制的基礎上修定而來的,主要是將黏粒的上限由0.001 mm提高至大家公認的0.002 mm,黏粒級分為粗(0.002 mm ~0.001 mm)和細(<0.001 mm)兩個粒級。


    縱觀各種土壤質地分類制,盡管存在著一些差別,但大體上將土壤質地分為砂土、壤土、黏土三類。國際制和美國制只在黏土類的壤質黏土與粉砂質黏土的排列順序上有差異,其余質地名稱順序完全相同,而蘇聯的卡慶斯基制所考慮的粒級比較概括,只區分了物理性黏粒(<0.01 mm)和物理性砂粒(>0.01 mm)兩級的相對含量,而國際制和美國制同時考慮黏粒、粉粒和砂粒三種粒級的相對含量,應用時實際只要考慮兩個粒級就可以決定質地名稱。中國土壤質地分類制也是根據砂粒、粉粒、黏粒含量進行土壤質地劃分。


    3  土壤質地分類應用


    除中國制外,我國土壤學界曾先后采用過上述四種土壤質地分類標準。第一次全國土壤普查采用了卡慶斯基制,第二次全國土壤普查前期在縣、地市級采用了卡慶斯基制,后期省級、國家級匯總中采用了國際制。據中國農業科學院黃鴻祥先生回顧:1980年全國土壤普查辦公室顧問組在北京開會時,時任寧夏農業勘察設計院院長王吉智先生提出全國匯總方式應該采用國際制。與會專家現場進行了激烈討論,在場的大多數人表示贊同。最后中國科學院南京土壤研究所的首席科學家席承藩先生綜合了各方意見,決定采用國際制。具體方法是應用換算公式將卡慶斯基制轉換為國際制?!吨袊寥馈泛汀吨袊练N志》和各省的土壤志均采用國際制。龔子同先生領導的中國土壤系統分類,張甘霖研究員主持的我國土系調查與《中國土系志》編制均采用的是美國制?;谕寥蕾|地分類標準應用不統一的問題,通過中國知網、ScienceDirect和百度學術等搜索統計國內研究學者在國內外學術期刊已發表研究成果中運用的土壤質地分類標準。目前,國內已有土壤質地的相關研究主要集中在國際制、美國制、卡慶斯基制和中國制(圖3)(圖略)。

     

    土壤質地是擬定土壤分類、管理和改良的重要依據,土壤質地分類制在我國各個部門標準、規范等應用多種多樣,現將我國各個部門相關土壤質地應用情況總結如表9(表略)所示。


    卡慶斯基制規定黏粒小于0.001 mm,提取費勁,國際上認可度不高,與我國農業生產先進經驗不一致;國際制標準雖然簡單方便記憶,但不適合我國土壤農業生產特性;美國制在國內外相關科學研究中最廣泛,中國研究學者已發表成果中美國制的應用占比為62.86%(圖3);中國土壤系統分類采用美國制;美國康奈爾大學土壤健康評估手冊采用美國制;聯合國糧食及農業組織(FAO)網站的土壤門戶,超鏈接的是美國土壤學會網,只介紹了美國制。此外在science direct網站上所查相關文獻基本運用的是美國制,如:Bockheim研究美國土壤結構改變的成因;Vaezi等在伊朗西北部半干旱地區估算土壤質地的可蝕性;Chung開發基于土壤圖像RGB特性的土壤質地分類算法;Poggio和Gimona 對蘇格蘭土壤質地進行三維映射研究;Quraishi和Mouazen開發并校準了基于土壤質地測量表層土壤容重的在線傳感器;Beuselinck等通過激光衍射法進行晶粒尺寸分析并與篩吸移管法進行比較。


    4  土壤質地的相關測定方法


    土壤質地的室內測定方法多種多樣,相關研究學者運用的有激光粒度儀分析法、比重計法 、吸管法 和密度計法,如王勇輝等根據美國制分級標準采用比重計法對0.25mm的土樣測定土壤質地。馮騰等分別采用激光粒度儀和吸管法依據美國制對土壤質地進行對比并建立激光粒度儀法向吸管法測試結果的轉換。鄧時琴等對土壤機械分析在比重計的校正、比重計速測和土粒分散措施進行試驗。中國科學院南京土壤研究所分析室制成一種比重計適用于野外進行土壤機械分析,并對該比重計進行實驗分析。楊詠元通過對采用比重計法進行大量分析時導致超出時間誤差的情況,設計了能測讀15個樣本的讀數時間卡片。沈陽農學院和中國科學院南京土壤研究所根據卡慶斯基制采用吸管法、比重計法和比重計速測法三種分析方法測算土壤的機械組成。各種方法的使用原理及質量控制總結如表10(表略)。


    我國土壤質地實驗室測定方法需要匹配合適的粒徑范圍,土樣分析實驗室要根據選擇的分析方法配備完善的測試設備,對于粒徑范圍較寬、超出某一種分析方法的土樣,可選用幾種方法分別測定,并進行結果銜接處理,這些工作還需要國內相關學者進行下一步研討。對比每種土壤質地測試分析方法的使用原理和質量控制發現:比重計法、吸管法和“密度計法”均是依據司篤克斯定律,而激光粒度儀分析法按光的Fraunhofer衍射和Mie散射理論,其測定土壤顆粒的黏粒含量明顯低于其他方法。


    5 結 論


    縱觀我國科學研究以及各行業運用的土壤質地分類制,國內研究學者在科學研究論文中應用土壤質地分類標準最多的是美國制,其次是國際制和卡慶斯基制。關于土壤質地分類國際間至今還沒有一個被普遍采用的系統,世界上有80多個國家和地區采用的是美國土壤系統分類,SCI等國際期刊發表的學術論文也普遍采用的美國制。我國環境保護部采用美國制,農業部門先后采用卡慶斯基制和國際制,國土資源部采用卡慶斯基制或中國制等,但總體上更多應用美國制,中國制是中國科學院南京土壤研究所鄧時琴等按照卡慶斯基改進的,級別多而繁雜,迄今為止中國土壤質地分類標準還未得到應用。在今后的科研和相關部門的實踐工作中,尤其是可能開展的第三次全國土壤普查,統一使用美國土壤質地分類標準,并采用激光粒度儀分析法進行測定。


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