澧阳平原埋藏古水稻土腐殖质组成及空间分布特征研究

时间：2024-07-29

郭子川周卫军* 刘沛顾海滨谢天洋谭洁肖彦资

(1 湖南农业大学资源环境学院长沙 410128 2 湖南文物考古研究所长沙 410003)

腐殖质是土壤有机质的主要组成部分，一般占有机质总量的50%～70%。腐殖质并非单一的有机化合物，而是在组成、结构及性质上既有共性又有差别的一系列有机化合物的混合物，它主要由胡敏酸(HA)、富里酸(FA)和胡敏素(HU)构成。国内外关于土壤腐殖质的研究报道很多，但对古水稻土腐殖质的研究和认识十分有限，主要集中在古水稻土形成与演变、土壤肥力特征[1]、养分的释放、质量特征[2]、生物学特性[3]、植硅体形态及其矿化[4，5]等方面。本研究采集了澧阳平原杉龙岗遗址古水稻土样品，研究了该遗址水稻土壤的腐殖质组分特征以及变化规律，以期为揭示该遗址古水稻土质量演变提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

澧阳平原杉龙岗古水稻遗址(N 29°40′3.97″，E 111°30′41.11″)位于湖南常德临澧县新安镇杉龙村，地处澧阳平原澧水与澹水之间，横跨彭头山文化、大溪文化、屈家岭文化和石家河文化4个时期，是一处面积较大的新石器前期遗址。

1.2 供试土壤采集

供试土壤来自湖南省文物考古研究所挖掘的澧阳平原杉龙岗古水稻遗址剖面，共采集3处土壤剖面，分别为PA、PB、PC。根据土壤颜色、结构、新生体、松紧状况等特征，将3处土壤剖面分别划分为2个典型的断代层次，即现代耕作水稻土层和埋藏古水稻土层，每个断代层又分别划分为A1～C1、A2～C2土壤层次。土壤基本理化性质见表1。

土壤样品采集自下往上分层进行，每层采集土壤1 kg左右，捏碎，检出肉眼可见的根系等杂物，自然风干，用四分法分为2份，分别过10目和100目筛，保存备用。

表1 杉龙岗遗址古水稻土基本理化性质Tab.1 Basic properties of ancient paddy soils in Sanlonggang village site

1.3 分析测定方法

土壤有机质测定采用重铬酸钾外加热法，土壤pH值、碱解氮、有效磷、速效磷、速效钾等采用常规法测定, 具体测定方法参见土壤农化分析[6]。

土壤腐殖质组分测定参照M.M.科诺诺娃法[7]。取土样5 g，加入100 mL 0.1 M Na4P2O7和0.1 M NaOH混合液。室温1500 r/min离心10～15 min，滤液即为含有胡敏酸、富里酸的混合液。取50 mL滤液加入1 N硫酸进行酸化沉淀，上清液中含富里酸；将沉淀以0.05 N硫酸冲洗，再用0.1 N NaOH溶解，此溶液中含胡敏酸。将富里酸和胡敏酸溶液用1 N硫酸中和，直至出现混浊为止。在80 ℃水浴锅中蒸干，然后用重铬酸钾-外加热法测定其含量。

1.4 数据统计与分析

采用Excel软件对所测数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 古水稻土有机碳空间分布特征

土壤有机碳是土壤有机质的重要组成部分，且绝大部分参与到腐殖质的形成过程中去。杉龙岗遗址古水稻土腐殖质有机碳含量变化见表2。

表2 杉龙岗遗址古水稻土腐殖质组成及含量Tab.2 The humus composition and contents of ancient paddy soils in Sanlonggang village site

可以看出，杉龙岗遗址古水稻土有机碳含量变化范围为4.88～13.92 g/kg，其中3处剖面有机碳含量最高的均在耕作层，分别为PA 13.92 g/kg、PB 13.60 g/kg、PC 10.85 g/kg。随着土层深度的增加，3处剖面层有机碳含量逐渐降低。在现代耕作水稻土中，耕作层有机碳含量明显低于犁底层，PA减少了8.64 g/kg、PB减少了8.71 g/kg、PC减少了4.70 g/kg；而在埋藏古水稻土中，耕作层与犁底层有机碳含量的差值则明显小于现代水稻土，PA减少了1.28 g/kg、PB减少了0.26 g/kg、PC减少了0.23 g/kg。可见，长期耕作有利于现代耕作水稻土耕作层土壤有机碳的累积，且趋势较为明显，而对埋藏古水稻土土壤有机碳含量影响不大。

现代耕作水稻土与埋藏古水稻土有机碳的变化趋势基本一致(图1)，均表现为耕作层>犁底层>潴育层>母质层，但现代耕作水稻土有机碳含量变化幅度较大，而埋藏古水稻土的变化幅度较小。这说明现代耕作水稻土有机碳的累积速度较快，向下的迁移量相对较大，而埋藏古水稻土随耕作年限的增加有机碳含量基本趋于稳定。这与李忠佩[8]和慈恩[9]的研究结果一致。

图1 杉龙岗遗址古水稻土有机碳含量空间分布Fig.1 The organic carbon content spatial distribution of ancient paddy soils in Sanlonggang village site

2.2 古水稻土胡敏酸空间分布特征

胡敏酸是腐殖质的重要组成部分，土壤腐殖化过程主要体现在胡敏酸部分。从表2可以看出，杉龙岗遗址古水稻土胡敏酸的变化范围为0.90～4.25 g/kg，其中3处剖面胡敏酸含量总体上以现代耕作水稻土的耕作层最高，分别为PA 4.25 g/kg、PB 1.53 g/kg和PC 2.21 g/kg。在现代耕作水稻中，随着土层深度增加胡敏酸含量整体呈下降趋势，但在母质层略有升高；而埋藏古水稻土中胡敏酸含量随着土层深度增加呈逐渐增加的趋势，但变化幅度不大。

杉龙岗遗址古水稻土胡敏酸含量变化趋势见图2。可以看出，在现代耕作水稻土中，3处剖面胡敏酸含量都呈先下降后略微增加的趋势，都是潴育层<犁底层<母质层<耕作层，整体变化幅度较大；在埋藏古水稻土中，3处剖面之间以及各剖面不同土层之间胡敏酸含量变化不大，整体分布较为均一。另外，从表2可以看出，埋藏古水稻土耕作层中胡敏酸占有机碳的比值分别为24.17%、23.33%、24.48%，犁底层比值分别为31.94%、22.88%、37.42%，这两层次的比值均高于现代耕作水稻土犁底层、潴育层和母质层。

综上，土壤胡敏酸的含量随着土层深度的增加而朝着更加稳定的趋势变化，这与于孝东[10]和崔婷婷[11]的研究结果一致。

图2 杉龙岗遗址古水稻土胡敏酸含量空间分布Fig.2 The humic acid content spatial distribution of ancient paddy soils in Sanlonggang village site

2.3 古水稻土富里酸空间分布特征

富里酸是土壤腐殖质分解后的小单位高能量物质。从表2可以看出，杉龙岗遗址古水稻土富里酸含量变化范围为0.07～6.78 g/kg，其中3处剖面中富里酸含量最高的均为现代耕作水稻土的耕作层，分别为PA 6.78 g/kg、PB 1.89 g/kg和PC 1.64 g/kg。在现代耕作水稻土中，随着土层深度增加富里酸含量明显下降，尤其是耕作层与犁底层富里酸含量差值较大，PA减少了3.31 g/kg，PB减少了1.15 g/kg，PC减少了1.42 g/kg；而在埋藏古水稻土中，随着土层深度增加，富里酸含量整体变化幅度不大，与现代耕作水稻土相比，耕作层与犁底层富里酸含量差值较小，仅在0.01～0.08 g/kg之间。

杉龙岗遗址古水稻土富里酸含量变化趋势见图3。可以看出，在现代耕作水稻土中，3处剖面富里酸含量均表现为母质层<潴育层<犁底层<耕作层，且变化幅度较大；在埋藏古水稻土中，胡敏素变化趋势与现代耕作水稻土一致，但变化幅度较小，各剖面富里酸平均含量均小于现代耕作水稻土。另外，从表2可以看出，不同水稻土层中富里酸占有机碳的比值不同，其中埋藏古水稻土耕作层富里酸占有机碳的比值：PA为22.99%、PB为16.36%、PC为10.14%，犁底层富里酸占有机碳的比值：PA为28.13%、PB为16.76%和PC为10.93%，耕作层与犁底层有机碳比值相差不大，这与富里酸含量变化结果基本一致。

综上，富里酸的含量在现代耕作水稻土中随着土层深度增加明显下降，而在埋藏古水稻土中变化差异不大。

图3 杉龙岗遗址古水稻土富里酸含量空间分布Fig.3 The fulvic acid content spatial distribution of ancient paddy soils in Sanlonggang village site

2.4 古水稻土胡敏素空间分布特征

其中3处剖面现代耕作水稻土的耕作层胡敏素含量最高，分别为PA 2.89 g/kg、PB 10.18 g/kg和PC 7.00 g/kg。随着土层深度增加，在现代耕作水稻土中，各剖面胡敏素含量变化幅度较大，且呈现不同的变化规律。其中，剖面PA呈先下降后上升的趋势，剖面PB呈“下降—上升—下降”趋势，PC则呈明显下降趋势；在埋藏古水稻土中，胡敏素含量整体变化幅度不大，剖面PA、PC的胡敏素含量呈下降趋势，PB则呈先增加后略微减少的趋势。

杉龙岗遗址古水稻土胡敏素含量变化趋势见图4。可以看出，在现代耕作水稻土中，胡敏素含量整体表现为犁底层<母质层<潴育层<耕作层，变化幅度较大，其中耕作层与犁底层之间胡敏素含量差值最大，PA减少了2.64 g/kg，PB减少了6.93 g/kg，PC减少了2.47 g/kg；在埋藏古水稻土中，胡敏素变化趋势与现代耕作水稻土基本一致，但变化幅度较小，分布比较均一。另外，从表2可以看出，胡敏素占有机碳的比值在现代耕作水稻土中比值范围为4.71%～74.85%，埋藏古水稻土中比值范围为39.93%～65.38%。

综上，胡敏素在现代耕作水稻土中随着土层深度增加变化幅度大，而在埋藏古水稻土中变化趋势逐渐平稳，并趋于一致。

图4 杉龙岗遗址古水稻土胡敏素含量空间分布Fig.4 The humin content spatial distribution of ancient paddy soils in Sanlonggang village site

2.5 古水稻土胡富比

水稻土中胡富比是反映土壤活性与腐殖化程度的一个主要指标。杉龙岗遗址古水稻土中胡富比表现出现代耕作水稻土(4.73)>埋藏古水稻土(2.58)，且随着土层深度增加，现代耕作水稻土和埋藏古水稻土的胡富比均呈现上升趋势(表2)。这种差异同土壤腐殖质形成过程、地形和气候等成土因素密切相关，现代耕作水稻土由于处于温湿适宜的环境，有利于腐殖质积累，而埋藏古水稻土在长期埋藏环境下，土壤活性较低，土壤腐殖化速率较慢。另外，通过对杉龙岗遗址古水稻土中各组分含量变化的比较发现，胡敏酸和富里酸的积累较明显，且胡敏酸增加量大于富里酸，尤其在埋藏古水稻土中表现更为明显，这可能是因为胡敏酸的理化性质相对稳定，长期埋藏条件使其稳定性得到提高，该结论与马力等的研究结果一致[12]。

3 结论与讨论

澧阳平原杉龙岗古水稻土遗址腐殖质含量大小顺序为：胡敏素>胡敏酸>富里酸，腐殖质组成中含量最大的为胡敏素，平均含量占有机碳的55.30%(4.71%～74.85%)；其次是胡敏酸，平均含量占有机碳的26.76%(11.25%～37.76%)；再次是富里酸，平均含量占有机碳的17.94%(1.37%～65.74%)。澧阳平原杉龙岗古水稻土遗址腐殖质各组分含量变化均表现为：在现代耕作水稻土中，随土层深度增加，腐殖质各组分含量变化总体明显下降；而在埋藏古水稻土中，随土层深度增加，耕作层与犁底层稍有上升，潴育层以下基本稳定。现代耕作水稻土中腐殖质随着深度的增加逐渐下降，说明土壤表层腐殖质的累积速度较快，同时从上向下的迁移量较大；而埋藏古水稻土中各形态腐殖质朝着更加稳定的趋势变化，结合耕作层与犁底层中腐殖质出现增加的状况，说明早期开垦的古水稻土有很大的固碳潜力。由于古代与现代的环境条件以及耕作方式存在差异，澧阳平原杉龙岗古水稻土腐殖质的分布特征受古代成土过程及现代成土过程双重影响。古水稻土成土过程中，发育初期，气候环境温暖湿润，适宜生物活动[12]，同时具备良好的地理位置，先民在“火耕水耨”条件下种植水稻，土壤矿质粘粒风化加强，有利于腐殖质的累积；现代耕作水稻土成土过程中，由于机械化耕作和大量化肥的施用，影响了水稻土中有机碳的分布迁移及稻田生态系统有机碳库动态平衡。

最后指出，本研究的结果仅体现杉龙岗古水稻土形成过程中2次成土过程对腐殖质分布特征的影响，而成土过程对腐殖质的不确定性亦需要高度关注。

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