水耕人为土时间序列铁氧化物与磁化率演变特征*

黄来明邵明安陈留美韩光中张甘霖

（1 生态系统网络观测与模拟院重点实验室，中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101）

（2 土壤与农业可持续发展国家重点实验室（中国科学院南京土壤研究所），南京 210008）

（3 中国科学院大学资源与环境学院，北京 100049）

（4 遵义师范学院资源与环境学院，贵州遵义 563002）

（5 内江师范学院地理与资源科学学院，四川内江 641112）

水耕人为土时间序列铁氧化物与磁化率演变特征*

黄来明1，2，3邵明安1，3†陈留美4韩光中5张甘霖2，3†

（1 生态系统网络观测与模拟院重点实验室，中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101）

（2 土壤与农业可持续发展国家重点实验室（中国科学院南京土壤研究所），南京 210008）

（3 中国科学院大学资源与环境学院，北京 100049）

（4 遵义师范学院资源与环境学院，贵州遵义 563002）

（5 内江师范学院地理与资源科学学院，四川内江 641112）

以我国亚热带地区不同母质起源的水耕人为土时间序列为研究对象，分析不同形态铁氧化物和磁化率随成土时间的动态演变特征及其影响因素。结果表明，石灰性母质起源的水耕人为土0～120 cm 土体中全铁（Fet）、游离铁（Fed）和游离度（Fed/Fet）随时间序列演变均逐渐增加，0～50 a内Fet、Fed和Fed/Fet增加速率分别为3.2 t hm-2a-1、1.2 t hm-2a-1和0.04% a-1，50～1 000 a内Fet、Fed和Fed/Fet增加速率分别为0.1 t hm-2a-1、0.15 t hm-2a-1和0.01% a-1；而酸性母质起源的水耕人为土0～120 cm 土体中Fet、Fed和Fed/Fet随时间序列演变均逐渐下降，0～60 a内Fet、Fed和Fed/Fet下降速率分别为0.2 t hm-2a-1、0.5 t hm-2a-1和0.03% a-1，60～300 a内Fet、Fed和Fed/Fet下降速率分别为0.9 t hm-2a-1、1.2 t hm-2a-1和0.06% a-1。土壤pH、Eh、以及外源铁输入与土体内铁淋失的相对强度是控制不同母质水耕人为土中铁氧化物转化速率与途径的主要因素。石灰性母质起源的水耕人为土中不同磁学指标随时间演变分为三个阶段：0～50 a内表现为质量磁化率（MS）、饱和等温剩磁（SIRM）和软剩磁（IRMs）的急剧降低；50～300 a内表现为MS、SIRM和IRMs的持续、缓慢降低以及硬剩磁（IRMh）的相对稳定发展；300～1 000 a内表现为MS、SIRM和IRMs的持续、缓慢降低以及IRMh的快速下降。酸性母质起源的水耕人为土0～20 cm 和20～120 cm土壤中磁学指标演变呈现截然不同的两个阶段：0～60 a 0～20 cm 内MS，SIRM和IRMs的急剧降低，IRMh具有明显增加；而20～120 cm内MS、SIRM和IRMs缓慢下降，IRMh明显降低。60～300 a 0～20 cm内不同磁学指标变化幅度均很小，而20～120 cm内IRMh相对比较稳定，MS、SIRM和IRMs在种稻150 a后快速下降。淹水还原条件下亚铁磁性矿物的破坏是不同母质水耕人为土演变过程中磁性衰减的主要机制。

水耕人为土；时间序列；铁氧化物；磁化率；成土母质

铁是地壳中丰度位于第四的元素（6.7 wt%）［1］，是生物所必需的微量矿质养分之一［2-4］。由于铁在自然界中分布广、化学活性强，其生物地球化学循环显著影响陆地生态系统中矿物风化［5］、养分循环［6］和污染物行为［7］等诸多过程。近年来研究表明，土壤或沉积物中铁的氧化还原作用与有机质的封存、分解和释放密切相关［8-9］，从而影响全球碳循环和气候变化［10］。

土壤中铁具有不同赋存形态，如原生硅酸盐矿物、次生黏土矿物、不同结晶度的铁氧化物或氢氧化物以及铁与有机质结合形成的络合物等［11］。不同形态铁之间的转化以及铁在土壤中的迁移和再分布是影响土壤物理、化学与矿物学特征的重要成土过程［12］。过去的研究表明，随着成土年龄的增加，排水良好的自然土壤中游离铁与全铁含量的比值逐渐升高，而无定形铁与游离铁含量的比值逐渐下降［13-15］。同时，铁氧化物的结晶度以及针铁矿中铁被铝的替代量随土壤发育程度的增强而增加［16-18］。不同成土环境下土壤中铁的赋存形态具有明显差异，在冷湿条件下有利于针铁矿的形成，而在干热条件下有利于赤铁矿的形成［19-21］。与土壤中含量较高的针铁矿和赤铁矿相比，磁铁矿与磁赤铁矿含量非常低，很难通过矿物分析直接鉴定，但可以通过测定磁化率来间接反演。许多学者研究表明，自然土壤演变过程中表层土壤磁化率显著增强［22-27］，并认为这是由于植物焚烧［22-23］、氧化还原反应［22，28］或微生物作用［29］使得成土过程中形成和富集亚铁磁性矿物而引起的。尽管前人对成土过程中铁氧化物与磁化率的演变特征进行了大量研究，然而这些研究主要集中在排水良好的自然土壤上，而受到人为活动强烈影响、氧化还原作用交替进行的水耕人为土长期演变过程中铁氧化物与磁化率的动态特征目前尚不清楚。

与自然成土过程相比，水耕人为土周期性淹水与排干导致土壤水分状况与氧化还原电位发生变化，进而影响其元素迁移和再分布［30-31］。研究表明，铁的还原淋失与氧化淀积使得水耕人为土中全铁和游离铁含量在土壤剖面中发生分异，并且随着种稻年限的增加剖面分异逐渐增强［32-34］。章明奎［35］对红壤性水耕人为土中晶态氧化铁及其来源进行了研究，认为针铁矿具有母质残余和再结晶作用两种来源，而赤铁矿仅来源于成土母质；随着种稻年限的增加，针铁矿含量基本保持不变但铁被铝替代的量有所下降，而赤铁矿含量不断降低直至完全消失。与起源土壤相比，水耕人为土的磁化率显著降低，这是由于周期性淹水与排干阻碍和破坏了亚铁磁性矿物的形成［25，36-37］。上述研究主要是针对水耕人为土发展的某一阶段以土体为尺度进行的静态对比研究，而关于水耕人为土长期演变过程中铁氧化物转化的途径、速率及磁化率的动态演变特征报道较少。土壤时间序列为研究成土过程中土壤属性演变的速率、方向及影响其变化的环境阈值提供了有利手段［38-39］。基于此，本研究选取我国亚热带地区二组不同母质发育的水耕人为土时间序列，通过化学提取和磁学测定，分析铁氧化物与磁化率随成土时间的动态变化特征，探讨水耕人为土长期演变过程中铁氧化物转化的途径、速率及其影响因素，以期为水耕人为土发生演化的定量模型提供数据支持。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本研究选取我国亚热带地区不同母质发育的水耕人为土从十年到千年尺度的时间序列（表1），分别为发育于浙江省慈溪市石灰性海相沉积物的水耕人为土时间序列（CX01，0 a；CX02，50 a；CX03，300 a；CX04，700 a；CX05，1 000 a）和发育于江西省进贤市酸性第四纪红黏土的水耕人为土时间序列（RC10，0 a；RC11，60 a；RC12，150 a；RC13，300 a）。研究区属亚热带季风气候，年均气温分别为16.3 和17.3 ℃，年均降水量分别为1 325和1 549 mm。不同母质发育的水耕人为土时间序列建立和判定的依据见文献［40］，采样点信息及土壤类型见表1。

1.2 样品采集与分析

结合史料分析与实地考察，选取不同母质发育的水耕人为土时间序列典型土壤剖面，按照土壤发生层采样法采集土样并描述土壤形态［41］，土壤颜色根据《中国标准土壤色卡》［42］确定，所有土样均在水稻收割排水后采取。土壤样品采集后在室内自然风干，挑出枯枝落叶、根系和大于2 mm的非土壤物质，四等分法取土，先后过10、60、100和200目的尼龙筛，装好备用。

土壤pH、容重、颗粒组成、有机碳以及碳酸钙含量等基本理化性质测定方法参照《土壤实验室分析项目及方法规范》［43］。游离铁、无定形铁与络合态铁氧化物分别用连二亚硫酸钠-柠檬酸钠-重碳酸钠、pH = 3的酸性草酸铵与pH = 10的焦磷酸钠溶液浸提。待测液中Fe浓度用原子吸收法（AA900F Flame Atomic Absorption Spectrum Spectrophotometer）测定。根据测定的不同层次铁浓度与容重数据可以计算出土体内铁储量，计算公式如下：

表1 土壤采样点信息及土壤类型Table 1 General information of the soil sampling sites and type of the soils

式中，Femass为土体铁储量（t hm-2），Ci为i土层中铁含量（g kg-1），Di为i土层的容重（g cm-3），Ei为i土层的厚度（cm），10为单位换算系数。

土壤磁化率（MS）用英国Bartington公司生产的MS-2B型磁化率仪分别在低频（0.47 kHz，MSlf）和高频（4.7 kHz，MShf）磁场中测定，每个样品连续测定2次取其平均值；滞后剩磁（ARM）用英国Molspin公司生产的交变退磁仪（交变磁场峰值100 mT，直流磁场0.04 mT）产生非滞后剩磁，以Minispin 旋转磁力仪测定；等温剩磁（IRM）用英国Molspin公司生产的脉冲磁化仪按照先后顺序获得样品在1 000 mT、-20 mT、-100 mT、-300 mT磁场下的等温剩磁，利用Minispin旋转磁力仪测定。IRM 1 000 mT 称为饱和等温剩磁（SIRM），IRM 20 mT 称为软剩磁（IRMs）。根据以上测定的磁性指标计算了硬剩磁（IRMh）和退磁参数（S-100mT，%），公式如下：

表2 不同形态铁及磁性指标的指示意义Table 2 Different forms of Fe and implication of their magnetic parameters

硬剩磁（IRMh）：IRMh=（SIRM+IRM-300mT）×0.5退磁参数（S-100mT，%）：S-100mT（%）=［（SIRMIRM-100mT）/（2×SIRM）］×100

不同形态铁氧化物及其提取剂类型，磁化率参数及其指示意义见表2。

2 结 果

2.1 不同母质发育的水耕人为土时间序列铁氧化物演变特征

水耕人为土的不同母质起源土壤（CX01，RC10）中全铁和不同形态铁含量都均一分布，随着时间序列演变，Fet、Fed、Feo和Fep在剖面中的分异逐渐增强，但演变的趋势有所不同（图1）。石灰性母质发育的水耕人为土120 cm土体内Fet和Fed含量加权平均值随时间序列呈增加趋势（CX01：Fet48.39 g kg-1，Fed11.81 g kg-1；CX02：Fet53.84 g kg-1，Fed14.25 g kg-1；CX03：Fet53.50 g kg-1，Fed15.56 g kg-1；CX04：Fet55.90 g kg-1，Fed20.71 g kg-1；CX05：Fet62.46 g kg-1，Fed23.51 g kg-1），而酸性母质发育的水耕人为土120 cm土体内Fet和Fed含量加权平均值随时间序列呈下降趋势（RC10：Fet63.51 g kg-1，Fed53.71 g kg-1；RC11：Fet57.69 g kg-1，Fed47.64 g kg-1；RC12：Fet50.97 g kg-1，Fed41.77 g kg-1；RC13：Fet52.31 g kg-1，Fed34.65 g kg-1）。不同母质发育的水耕人为土中Feo、Fep和 硅酸盐矿物结合态铁（Fet-Fed）含量均远低于Fed含量，表明所测土壤中含铁矿物主要为晶态游离铁氧化物。与Fet和Fed演变趋势不同，石灰性母质发育的水耕人为土120 cm土体内Feo含量加权平均值明显下降（CX01，7.27 g kg-1；CX02，2.24 g kg-1；CX03，2.64 g kg-1；CX04，1.84 g kg-1；CX05，3.46 g kg-1），而酸性母质发育的水耕人为土120 cm土体内Feo含量加权平均值随时间序列呈先上升后下降的趋势（RC10，2.87 g kg-1；RC11，7.64 g kg-1；RC12，5.24 g kg-1；RC13，4.05 g kg-1），石灰性和酸性母质发育的水耕人为土Fep含量随时间序列均没有明显的演变趋势。

图1 石灰性和酸性母质发育的水耕人为土演变过程中全铁及不同形态铁氧化物动态演变特征Fig. 1 Dynamic changes in total Fe and different Fe oxides during the evolutions of stagnic Anthrosols from calcareous and acid parent materials separately

2.2 不同母质发育的水耕人为土时间序列磁化率演变特征

不同母质发育的水耕人为土的MS、SIRM和IRMs均随时间序列演变不断下降（图2）：石灰性母质发育的水耕人为土时间序列（CX01、CX02、CX03、CX04、CX05）120 cm土体内MS的加权平均值分别为52.73、15.75、15.55、8.95和8.91（单位：10-8m3kg-1），SIRM的加权平均值分别为71.01、18.89、20.04、5.66和5.07（单位：10-4Am2kg-1），IRMs的加权平均值分别为27.77、 5.07、4.62、1.20和1.02（单位：10-4Am2kg-1）；酸性母质发育的水耕人为土时间序列（RC10、RC11、RC12、RC13）120 cm土体内MS的加权平均值分别为315.45、119.62、39.76和6.19（单位：10-8m3kg-1），SIRM的加权平均值分别为53.33、34.47、21.52和9.51（单位：10-4Am2kg-1），IRMs的加权平均值分别为39.95、21.01、11.66和1.07（单位：10-4Am2kg-1）。不同母质发育的水耕人为土磁性指标剖面分布不同（图2）：石灰性母质发育的水耕人为土中MS、SIRM和IRMs的剖面分布相对比较均一，而酸性母质发育的水耕人为土的起源土壤中MS、SIRM和IRMs在表层和亚表层中富集，种稻后却表现为下层土壤中较高，随着时间序列的演变剖面分异逐渐减小。石灰性母质发育的水耕人为土起源土壤的IRMh剖面分布均一，在种稻初期（＜ 300 a）IRMh缓慢下降，此后（700 a和1 000 a）IRMh快速下降；酸性母质发育的水耕人为土剖面上部和下部IRMh随时间序列演变呈现相反的趋势，表层和亚表层土壤的IRMh均高于起源土壤，而50 cm以下土壤的IRMh均低于起源土壤。石灰性母质发育的水耕人为土120 cm土体内IRMh的加权平均值分别为 358、314、314、132和119（单位：10-6Am2kg-1），酸性母质发育的水耕人为土120 cm土体内IRMh的加权平均值分别为239、207、160和180（单位：10-6Am2kg-1）。

图2 石灰性和酸性母质发育的水耕人为土演变过程中磁学性质动态演变特征Fig. 2 Dynamic changes in magnetic properties during the evolution of Stagnic Anthrosols from calcareous and acid parent materials separately

3 讨 论

3.1 不同母质发育的水耕人为土演变过程中铁转化的速率、途径及其影响因素

与起源土壤相比，二类不同母质发育的水耕人为土中铁氧化物的剖面分异都明显增强（图1），表现为Fet和Fed在水耕人为土的表层中相对亏缺而在淀积层中相对富集，此外不同母质发育的水耕人为土表土层中Fep有所增加，这与前人所得到的结果一致［30，32-34］。然而，时间序列方法研究结果表明不同母质发育的水耕人为土演变过程中0～120 cm土体内铁氧化物转化的速率与途径截然不同（图3）。石灰性母质发育的水耕人为土0～120 cm 土体中Fet与Fed含量以及游离度（Fed/Fet）随时间序列演变均逐渐增加，表现为种稻初期增速最快（0～50 a内Fet、Fed和Fed/Fet增加速率分别为3.2 t hm-2a-1、1.2 t hm-2a-1和0.04% a-1），此后缓慢增加（50～1 000 a内Fet、Fed和Fed/Fet增加速率分别为0.1 t hm-2a-1、0.15 t hm-2a-1和0.01% a-1）；而酸性母质发育的水耕人为土0～120 cm 土体中Fet与Fed含量以及游离度（Fed/Fet）随时间序列演变均逐渐下降，表现为种稻初期下降缓慢（0～60 a 内Fet、Fed和Fed/Fet下降速率分别为0.2 t hm-2a-1、0.5 t hm-2a-1和0.03% a-1），此后下降速率较高（60～300 a内Fet、Fed和Fed/Fet下降速率分别为0.9 t hm-2a-1、1.2 t hm-2a-1和0.06% a-1）。石灰性母质发育的水耕人为土0～120 cm 土体中Feo以及活化度（Feo/Fed）呈现下降趋势，而酸性母质发育的水耕人为土0～120 cm 土体中Feo以及活化度（Feo/ Fed）呈现上升趋势（图3）。不同母质发育的水耕人为土时间序列0～120 cm 土体中Fep占全铁含量的百分比均不到5%，表明水耕人为土中铁主要以无机铁氧化物形式为主。上述结果表明，位于平原地区石灰性母质发育的水耕人为土在千年尺度内铁循环是以土体内还原淋溶与氧化淀积为主的内循环过程；而位于丘陵地区酸性母质发育的水耕人为土在几十年至百年尺度内大量铁已随黏粒从土体中淋失，并可能参与区域或流域尺度下铁的生物地球化学循环过程。

图3 石灰性（A）和酸性（B）母质发育的水耕人为土演变过程中0～120 cm土体内铁氧化物转化规律Fig. 3 Transformation of iron oxides in the 0～120 cm soil profile during the evolution of Stagnic Anthrosols from calcareous（A）and acid（B）parent materials

土壤pH、氧化还原状况，以及外源铁输入与土体内铁淋失的相对强度是控制上述不同母质水耕人为土铁氧化物转化速率与途径的主要因素。过去的研究表明，渍水土壤中铁还原的临界Eh 在pH 为 6～7 时约100 mV，pH为 5 时约300 mV，而pH 为 8 时约-100 mV［44-45］。石灰性母质发育的水耕人为土的pH范围为6.3～8.6，起源土壤在淹水还原后呈弱碱性环境，阻碍了铁的活化、移动与淋溶损失［44-47］，使得土壤中铁淋失速率低于降尘或灌溉等铁的补给速率，因而种稻初期Fet和Fed含量明显增加（图 3）。随着时间序列的演变，石灰性母质发育的水耕人为土中CaCO3不断淋失，土壤pH由弱碱性趋于中性至弱酸性［48］，阻碍铁活化、移动与淋溶损失的环境条件相对减弱，因而老水耕人为土中Fet和Fed含量增速减缓（图3）。相反，酸性母质发育的水耕人为土的pH范围为 4.7～6.2，在淹水还原条件下酸性环境有利于促进土壤中铁的活化、还原溶解与淋溶损失［44-47］，并且酸性母质发育的水耕人为土位于丘陵阶地，淋溶强度高于平原地区［49］，从而导致其演变过程中Fet和Fed含量呈现下降而Feo呈现增加的趋势。过去的研究表明，游离度（Fed/Fet）和活化度（Feo/Fed）可以用来指示自然土壤的相对发育程度［50-51］。然而，不同母质发育的水耕人为土演变过程中游离度（Fed/Fet）和活化度（Feo/Fed）却呈现截然相反的规律。因此，在利用游离度（Fed/Fet）或活化度（Feo/Fed）来指示具有氧化还原特征土壤的发育程度时应注意成土微地形环境和土壤水分状况对不同形态铁氧化物转化、迁移与再分布的影响。

3.2 不同母质发育的水耕人为土演变过程中磁性矿物转化的速率、途径及其影响因素

图4 石灰性（A）和酸性（B）母质发育的水耕人为土时间序列磁学性质演变规律Fig. 4 Dynamic changes in magnetic properties along the chronosequences of the two Stagnic Anthrosols developing from calcareous（A）and acid（B）parent materials

不同母质发育的水耕人为土时间序列磁学指标演变的速率与阶段不同（图4）。石灰性母质发育的水耕人为土不同磁学性质（MS、SIRM、IRMs、IRMh）在土壤剖面上的分布相对比较均一（图2），随着时间序列的演变，其磁性发展与磁性矿物转化可以大致分为三个阶段（图4）：第一阶段从起源土壤至种稻50 a，表现为MS、SIRM和IRMs的急剧降低，与起源土壤相比，MS、SIRM和IRMs分别降低了78%、73%和80%。第一阶段土壤中磁性矿物以IRMs指示的亚铁磁性矿物（如磁赤铁矿）为主，少量反铁磁性矿物（如针铁矿）和顺铁磁性矿物（如纤铁矿）并存。第二阶段从种稻50 a至种稻300 a，表现为MS、SIRM和IRMs的持续、缓慢降低以及IRMh的相对稳定发展，其中MS、SIRM和IRMs下降的速率均不足第一阶段下降速率的1%。第二阶段土壤磁性矿物以反铁磁性矿物（如针铁矿）和顺铁磁性矿物（如纤铁矿）为主。第三阶段从种稻300 a至1000 a，表现为SIRM 和IRMs的持续、缓慢降低以及IRMh的快速下降，从而导致种稻1000 a后水耕人为土中磁性矿物含量达到最低（图4），此时土壤中磁性矿物以风化产生的弱结晶顺铁磁性矿物（如水铁矿和纤铁矿）为主，少量反铁磁性矿物（如针铁矿）并存。酸性母质发育的水耕人为土0～20 cm 和20～120 cm土壤中磁学性质（MS、SIRM、IRMs、IRMh）和磁性矿物转化呈现截然不同的两个阶段（图4）：第一阶段从起源土壤至种稻60 a，0～20 cm 表现为MS、SIRM 和IRMs的急剧降低，与起源土壤相比，MS、SIRM和IRMs分别降低了98%、86%和94%，IRMh具有明显增加。而20～120 cm 表现为MS、SIRM和IRMs的缓慢下降，IRMh明显降低。第一阶段0～20 cm土壤中磁性矿物以亚铁磁性矿物（如磁赤铁矿）为主逐渐转变为反铁磁性矿物 （主要是针铁矿）为主，20～120 cm 土壤中磁性矿物以亚铁磁性矿物（如磁赤铁矿）和反铁磁性矿物（主要是赤铁矿）并存；第二阶段从种稻60 a至300 a，0～20 cm 表现为不同磁学性质（MS、SIRM、IRMs、IRMh）变化幅度均很小，而20～120 cm 表现为IRMh相对比较稳定，MS、SIRM 和IRMs在种稻150 a后快速下降（图4）。此时整个土体中磁性矿物均以反铁磁性矿物为主，结合土壤颜色和磁学性质分析，0～20 cm以针铁矿占优势，而20～120 cm以赤铁矿占优势。

不同母质发育的水耕人为土中MS、SIRM均与IRMs的演变规律一致（图4），并且MS、SIRM均与IRMs呈现极显著相关（表3，r＞0.95，p＜0.001），表明不同母质发育的水耕人为土中磁性矿物的转化主要是IRMs所指示的亚铁磁性矿物（如磁赤铁矿）变化引起的。过去的研究表明，排水良好的自然土壤成土过程中形成亚铁磁性矿物是导致表层土壤磁化率增强的重要原因［22-24，52-54］。然而，不同母质发育的水耕人为土演变过程中表层土壤磁化率均出现衰减，尤其是在种稻初期，不同磁性指标（MS、SIRM、IRMs）均出现急剧降低，此后持续缓慢下降（图4）。许多研究表明，水耕人为土的磁性显著低于其起源土壤，并且认为这是由于水耕人为土淹水还原导致土壤中磁性矿物，尤其是IRMs所指示的亚铁磁性矿物还原溶解和/或机械淋失造成的［25，36-37］。石灰性母质发育的水耕人为土的表层长期受到人为淹水作用，而下层土壤受到地下水周期性升降的影响，从而导致整个土体中亚铁磁性矿物被还原溶解，表现为不同磁学性质（MS、SIRM、IRMs、IRMh）在剖面中的分布相对比较均一（图2）；而酸性母质发育的水耕人为土除坡底土壤外均不受地下水的影响，但其淋溶强度明显高于平原地区石灰性母质发育的水耕人为土，因而其亚铁磁性矿物除了受到还原溶解外还受到机械淋失的影响，表现为磁学性质（MS、SIRM、IRMs、IRMh）在剖面上部（0～20 cm）和下部（20～120 cm）演变规律不同（图2）。酸性母质发育的水耕人为土强淋溶条件导致种稻初期0～20 cm土壤向下层补充了一定量未及破坏的磁性矿物，而随着0～20 cm土壤中铁和黏粒的大量淋失，这种来自上层土壤的补给不断减少，因此20～120 cm土壤中不同磁性指标（MS、SIRM、IRMs）在种稻初期缓慢下降，300 a后出现快速下降（图4）。石灰性母质发育的水耕人为土种稻300 a内 IRMh相对稳定，而700 a和1000 a水耕人为土的IRMh快速下降。这是由于300 a前土壤中存在大量CaCO［48］，

表3 石灰性和酸性母质发育的水耕人为土磁性指标之间的相关关系Table 3 Correlations between soil magnetic parameters

3碱性条件下有利于土壤中弱结晶的顺铁磁性矿物（如水铁矿和纤铁矿）转化形成IRMh所指示的反铁磁性矿物（如针铁矿）［20］，而300 a后土体中CaCO3几乎完全淋失，pH下降加速了IRMh所指示的反铁磁性矿物（如针铁矿）的溶解和破坏。酸性母质发育的水耕人为土演变过程中IRMh在剖面上部（0～20 cm）具有增加趋势，而在剖面下部（20～120 cm）呈现下降趋势。研究表明随着土壤发育程度增加，针铁矿中铝同晶替代量逐渐增加［20］。第四纪红黏土是高度风化的土壤，因此种稻初期淹水条件导致第四纪红黏土母质中铝同晶替换量高的针铁矿还原溶解，并与溶液中高浓度铁结合从而在氧化条件下再结晶生成铝同晶替换量低的针铁矿可能是表层土壤IRMh增加的主要原因。

可见，人为周期性淹水与排干引起的水耕人为土干湿交替在几十年尺度内可以显著改变土壤磁性演变的速率与方向，因此，在应用磁学性质来反演土壤或沉积物形成的古气候和古环境时，应特别注意人为活动（如周期性淹水与排干）对成土环境和磁学性质带来的影响。由于水耕人为土表层和亚表层的MS均显著低于其起源土壤（图2），并且磁性测量经济、快捷，且对样品没有破坏性，因此，我们建议将表层和亚表层MS＜25（单位：10-8m3kg-1）作为水耕表层的诊断特性之一。

4 结 论

不同母质发育的水耕人为土演变过程中铁氧化物转化的速率与途径不同：石灰性母质发育的水耕人为土0～120 cm 土体中全铁（Fet）、游离铁（Fed）和游离度（Fed/Fet）随时间序列演变均逐渐增加，无定形铁（Feo）和活化度（Feo/Fed）呈现下降趋势；而酸性母质发育的水耕人为土0～120 cm 土体中Fet、Fed和Fed/Fet随时间序列演变均逐渐下降，Feo和Feo/Fed呈现下降趋势。人为周期性淹水与排干引起的水耕人为土干湿交替在几十年尺度内可以显著改变土壤磁性演变的速率和方向，因此在应用磁学性质来反演土壤或沉积物形成的古气候和古环境时，应特别注意人为活动（如周期性淹水与排干）对成土环境和磁学性质带来的影响。

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Evolution Characteristics of Iron Oxides and Magnetic Susceptibility in Stagnic Anthrosols along Chronosequences

HUANG Laiming1，2，3SHAO Ming’an1，3†CHEN Liumei4HAN Guangzhong5ZHANG Ganlin2，3†
（1 Key Laboratory of Ecosystem Network Observation and Modeling，Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100101，China）
（2 State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture，Institute of Soil Science，Chinese Academy of Sciences，Nanjing 210008，China）
（3 College of Resources and Envinonment，University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）
（4 College of Resources and Environment，Zunyi Normal College，Zunyi，Guizhou 563002，China）
（5 School of Geography and Resource Science，Neijiang Normal University，Neijiang，Sichuan 641112，China）

【Objective】The study is oriented to explore characteristics of the evolution of iron oxides and magnetic susceptibility in Stagnic Anthrosols，different in parent material，in subtropical China along chronosequence and their influencing factors. 【Method】Soil samples were collected for extraction of total Fe（Fet），free Fe oxides（Fed），amorphous Fe oxides（Feo）and organic-bound Fe（Fep）by the lithium metaborate fusion method，the dithionite-citrate-bicarbonate（DCB）method，acid ammonium oxalate （AAO）at pH=3 in the dark and Na-pyrophosphate at pH=10，separately. Magnetic susceptibility（MS）of the soils was measured at both low（0.47 kHz）and high frequencies（4.7 kHz）using a Bartington MS-2B meter with dual frequency sensor.【Result】Results show that along the chronosequence，weighted mean total Fe（Fet），free Fe oxides（Fed）and Fed/Fetin the 0～120 cm soil layer increased in the calcareous Stagnic Anthrosols，at a rate of 3.2 t hm-2a-1，1.2 t hm-2a-1and 0.04% a-1，respectively，during the first 50 years and at a rate of 0.1 t hm-2a-1，0.15 t hm-2a-1and 0.01% a-1，respectively，during the following 950 years（50～1 000 years），but decreased in the acid Stagnic Anthrosols at a rate of 0.2 t hm-2a-1，0.5 t hm-2a-1and 0.03% a-1，respectively，during the first 60 years and at a rate of 0.9 t hm-2a-1，1.2 t hm-2a-1and 0.06% a-1during the following 240 years（60～300 years），while weighted mean amorphous Fe oxides （Feo）and Feo/Fedin the 0～120 cm soil layer tended to decrease in the calcareous Stagnic Anthrosols，but did reversely in the acid Stagnic Anthrosols. Soil pH，Eh，and the balance between input of external Fe with irrigation and loss of internal Fe with leaching are major factors controlling the rates and pathways of Fe oxides transformation during the evolution of Stagnic Anthrosols. Along the chronosequence，the Stagnic Anthrosols derived from calcareous parent material underwent chronosequence demonstrated three phases of magnetic changes，i.e. the initial phase lasting a few decades dominated by rapid decreases in MS（magnetic susceptibility），SIRM（saturation isothermal remanent magnetization）and IRMs（soft isothermal remanent magnetization）；the second phase lasting a bit more than two centuries（50～300 years）demonstrating constant IRMh（hard isothermal remanent magnetization）and slow decline in MS，SIRM，and IRMs；and the third phase（300～1 000 years），witnessing minimal changes in MS，SIRM and IRMsbut drastic decline in IRMh，while the Stagnic Anthrosols derived from acid parent material did two phases，which in the 0～20 cm soil layer were completely different from those in the 20～120 cm soil layer：In the first phase（0～60 years），MS，SIRM and IRMsdeclined but IRMhincreased rapidly in the 0～20 cm soil layer，while all the magnetic properties declined in the 20～120 cm soil layer；However，in the second phase（60～300years），all the magnetic properties did not vary much in the 0～20 cm soil layer，while MS，SIRM，and IRMsdeclined rapidly in the 20～120 cm soil layer after 150 years of paddy cultivation.【Conclusion】The overall magnetic depletion in the Stagnic Anthrosols，though different in parent material was attributed to the reductive dissolution of ferromagnetic minerals under artificial submergence.

Stagnic Anthrosols；Chronosequence；Iron oxides；Magnetic susceptibility；Parent material

153.6

A

10.11766/trxb201605170194

（责任编辑：卢 萍）

* 国家自然科学基金国际合作与交流项目（41571130051）和土壤与农业可持续发展国家重点实验室开放基金项目（Y20160003）资助 Supported by the Projects of International Cooperation and Exchanges，National Natural Science Foundation of China（No. 41571130051）and Project from State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture（No. Y20160003）

† 通讯作者 Corresponding anthor，E-mail：shaoma@igsnrr.ac.cn；glzhang@issas.ac.cn

黄来明（1984—），男，浙江安吉人，博士，主要从事土壤发生与地球化学研究。E-mail：huanglm@igsnrr.ac.cn

2016-05-17；

2016-07-27；优先数字出版日期（www.cnki.net）：2016-10-31