土壤分类就是依据土壤性状质与量的差异,系统地划分土壤类型及其相应的分类级别,从而拟定土壤分类系统。土壤分类不仅是在不同的概括水平上认识和区分土壤的线索,也是进行土壤调查、土地评价、土地利用规划和交流有关土壤科学和农业生产实践研究成果以及转移地方性土壤生产经营管理经验的依据。
由于自然条件和知识背景的不同,还没有世界统一的土壤分类系统,各个国家的土壤分类系统还不尽相同。世界几个影响大的土壤分类体系有:①美国土壤诊断分类体系;②苏联的土壤发生分类;③西欧的土壤形态发生学分类;④FAO/UNESCO的土壤分类。
土壤分类代表着土壤学科的发展水平,随着社会经济特别是农业实践的需求和发展、土壤知识的积累和认识水平的提高,土壤分类也是不断前进和发展的。从古迄今,土壤分类发展大致经历了3个重要阶段:
①古代朴素的土壤分类阶段;
②近代土壤发生学分类阶段;
③定量化的土壤系统分类(或诊断分类)阶段。
古代的土壤分类是从形态着眼的,古希腊、古罗马的土壤分类如此,中国春秋战国时代的土壤分类也是如此。古代土壤分类的另一特点是高度实用性,还往往把土壤与某外在环境条件联系起来。至18世纪中叶,出现了按成因对土壤进行分类的方法。这些分类多根据某一成因将土壤在一个分类等级上划分为若干类型,而并非多分类等级的发生分类。
19世纪末,俄国土壤学家道库恰耶夫创立了土壤形成因素学说,并根据这一观点提出了土壤发生分类系统。道库恰耶夫创立的土壤发生分类思想和方法在国际上产生了广泛而深远的影响,20世纪以来的各国土壤分类无一不受其影响。
1960年,美国提出了土壤系统分类第七次草案,这是一个以诊断层和诊断特性为基础的诊断定量分类系统,是土壤分类历史上的一次革命。中国于20世纪80年代开始了我国的土壤系统分类研究,并制定了中国土壤系统分类体系,出版了土壤发生与分类等专著,在国内外产生了很大的影响。
俄国科学家道库恰耶夫是土壤发生学的奠基人。他通过研究俄罗斯黑钙土,首次提出土壤是成土因素长期、综合作用的产物,并建立了著名的成土因素方程式:
S = f(cl, o, r, p, t, …)
其中:S: 土壤;f: 函数关系;cl: 气候;o: 生物;r: 地形;p: 母质;t: 时间;…: 其他潜在因素(如人类活动)
这个公式表明,土壤的性质取决于所有成土因素的综合作用,改变任何一个因素,都会导致土壤发育方向和最终特性的改变。
2、成土因素
形成土壤的原始物质基础,通常是岩石风化的产物。
物质基础: 提供土壤所需的矿物质养分(如磷、钾、钙、镁等)。
初始特性: 影响土壤的物理性质(如质地、排水性)和化学性质(如pH值、矿质成分)。例如,花岗岩风化物形成的土壤通常偏沙性和酸性,而玄武岩风化物形成的土壤则较粘重和肥沃。
主要指降水和温度。
能量来源: 温度直接影响风化速率和生物活动(微生物分解、植物生长)。温度每增加10℃,化学反应速率约提高一倍。
物质迁移: 降水是许多成土过程(如淋溶、淀积)的驱动力。多雨地区土壤盐基离子易被淋失,导致土壤酸化;干旱地区则易发生盐分积聚。
包括植物、动物、微生物等,是最活跃的成土因素。
有机质来源: 植物通过光合作用固定碳,其凋落物和根系是土壤有机质的主要来源。
养分循环: 微生物分解有机质,释放养分,完成生态系统的物质循环。
土壤结构: 植物根系和土壤动物(如蚯蚓)的活动能改善土壤结构,形成团粒结构。
特异性作用: 不同植被类型下形成的土壤截然不同(如森林下的灰化土与草原下的黑钙土)。
指地表的高低起伏(海拔、坡度、坡向等)。
再分配作用: 地形重新分配水和热。例如,山地的迎风坡降水多,背风坡降水少;阳坡温度高、蒸发强,阴坡则反之。
物质迁移: 坡度影响水土流失和物质沉积。山顶和山坡上部以侵蚀为主,土层薄;山脚和平原则以堆积为主,土层深厚肥沃。
成土序列: 在同一气候带内,由于地形变化,会形成一系列有规律分布的土壤类型。
演化过程: 土壤的形成是一个极其漫长的过程。从基岩风化到形成1厘米厚的表土,可能需要上百至数千年时间。
发育阶段: 土壤会随时间演化,经历幼年、成熟和老年阶段。时间越长,成土过程的表现越充分,土壤特征越明显。
在现代,人类活动已成为影响土壤形成和变化的强大力量,其影响可以是建设性的,也可以是破坏性的。
建设性: 施肥、灌溉、修筑梯田、轮作等农业措施可以培育肥力,形成如水稻土这样的人为土。
破坏性: deforestation(砍伐森林)、过度放牧、工业污染等会导致土壤侵蚀、盐渍化、酸化和肥力衰退。
3、主要成土过程
土壤是由裸露于地表的岩石,在较长的时间中,经过极其复杂的风化过程和成土过程而形成的。风化作用是指地壳表面或近地球表面的岩石在空气、水、温度和生物活动的影响下发生破碎和分解的过程。可分成物理风化、化学风化和生物风化。
岩石经风化作用后形成疏松的、粗细不同的矿物碎屑,即为成土母质,同时,植物与微生物在母质的基础上进行有机质的合成与分解,并参与矿物的风化作用,最终形成了能满足植物对空气、水分、养料需要的良好环境,成为成熟土壤。
在五大因素作用下,土壤内部发生着一系列复杂的物理、化学和生物过程,称为成土过程。主要包括:
(1)原始成土过程
从裸露的基岩或新鲜沉积物上开始形成土壤的最初阶段。
机制: 物理风化(如温度变化导致岩石崩解)和化学风化(如雨水溶解)使岩石破碎。随后,微生物(如细菌、蓝藻)和地衣、苔藓等低等植物开始着生。它们分泌有机酸加速岩石风化,并开始积累最初的有机物质。
表现: 形成极薄的、无分异的原始土壤层(O层或A层雏形)。
(2)有机质积聚过程
植物残体和动物遗体在土壤表层分解和转化的过程,是土壤肥力形成的核心。
机制: 包括腐殖化(有机质在微生物作用下合成为复杂、稳定的腐殖质)和矿质化(有机质被分解为简单的无机盐,供植物吸收)。
表现: 形成暗色的、有机质丰富的A层(腐殖质层)。根据环境不同,可分为:
腐殖化过程: 在气候温凉、排水良好的草原或森林下,腐殖质积累大于分解,形成深厚肥沃的A层(如黑钙土)。
泥炭化过程: 在积水缺氧的沼泽环境中,有机质分解极度缓慢,大量半分解有机质堆积,形成泥炭层(如泥炭土)。
(3)淋溶过程
可溶性物质或粘粒颗粒随重力水下渗从土壤上层迁移到下层或地下水中的过程。
机制: 降水超过蒸发时,水分向下移动,溶解盐基离子(如Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺, Na⁺)、盐类甚至粘粒,并将其带走。
表现: 土壤上层物质减少,颜色变浅,酸度增加。是许多土壤形成的普遍过程。
被淋溶下来的物质在土壤下层某一深度重新沉淀和积聚的过程。
机制: 由于环境条件突变(如pH变化、蒸发加剧、孔隙变窄),水中的溶解物质达到饱和而沉淀,或胶体颗粒被阻留。
表现: 形成各种淀积层,如:
粘化层: 粘粒积聚形成的质地粘重的土层(Bt层)。
钙积层: 碳酸钙(CaCO₃)白色斑状或结核状积聚层(Bk层)。
砂姜层: 碳酸钙进一步硬化形成的结核层。
盐积层: 可溶性盐(如NaCl)大量积聚的土层。
在冷湿气候、强酸性腐殖质和针叶林下发生的强烈淋溶过程。
机制: 酸性淋溶液(富里酸)将土壤表层的铁、铝氧化物淋失,而相对稳定的二氧化硅(石英砂)残留下来。
表现: 形成灰白色、沙质的灰化层(E层),其下为铁铝氧化物淀积形成的暗褐色灰化淀积层(Bh或Bs层)。是灰土(如Podzol)的典型特征。
在高温多雨的热带、亚热带气候下发生的强烈成土过程。
机制: 强烈的风化作用和淋溶作用几乎将所有矿物(如硅酸盐)彻底分解,可溶性的硅酸和盐基离子被大量淋失,而难溶的铁和铝的氧化物则相对富集。
表现: 土壤呈红色或砖红色,质地粘重,肥力较低,呈强酸性。形成氧化层。是铁铝土(如砖红壤)的典型特征。
(7)钙积过程
半干旱地区,碳酸钙在土体中部沉淀的过程。
机制: 季节性降水将碳酸钙向下淋溶,但在某一深度,由于蒸发,水分向上运动,碳酸钙因浓缩而沉淀。
表现: 土壤中下层出现假菌丝体、眼斑状或层状的钙积层(Bk层)。是干旱土、钙层土(如栗钙土、黑钙土)的常见特征。
在长期积水缺氧的还原环境下发生的成土过程。
机制: 微生物分解有机质消耗了所有氧气,使土壤处于还原状态。高铁(Fe³⁺)被还原为亚铁(Fe²⁺),锰也发生类似还原。亚铁化合物使土壤呈现蓝灰色或青灰色。
表现: 形成颜色灰暗、土体软糊的潜育层(G层)。是潜育土(如沼泽土、水稻土底层)的典型特征。
在季节性滞水的情况下,土壤表层发生还原性离铁离锰作用,形成的白色淋溶层。
机制: 雨季上层土壤滞水,铁锰被还原并侧向淋失,土壤脱色。
表现: 形成灰白色、板结的白浆层(E层)。是白浆土的典型特征。
各成土过程特点比较
成土过程
发生条件
主要机制
典型土壤类型
原始成土
裸露岩石
低等生物着生,初步风化
石质土、粗骨土
有机质积聚
多种环境
有机质分解与腐殖质合成
黑钙土、泥炭土
淋溶过程
湿润地区
可溶性物质向下迁移
灰化土、淋溶土
淀积过程
淋溶层之下
淋溶物质沉淀积聚
多种土壤的B层
灰化过程
冷湿、针叶林
铁铝淋失,硅残留
灰土
富铁铝化过程
高温多雨
硅和盐基淋失,铁铝富集
砖红壤、赤红壤
钙积过程
半干旱地区
碳酸钙沉淀
栗钙土、黑钙土
潜育化过程
长期积水
铁锰还原,呈蓝灰色
沼泽土、水稻土
4、成土过程特点
(1)组合性
任何一种自然土壤的形成,通常都不是单一过程的作用,而是两个或多个成土过程组合的结果。例如,黑钙土同时具有强烈的有机质积聚过程和钙积过程。
(2)主导性
在特定组合中,总有一个过程是主导过程,它决定了土壤的主要性质和发展方向。例如,在砖红壤中,富铁铝化过程是主导过程。
(3)人为过程
人类活动(如耕作、灌溉、施肥)也深刻地影响着成土过程,形成了独特的人为成土过程,最终培育出像水稻土这样的人为土。
四、中国土壤系统分类原则
1、发生学原则
土壤分类的理论基础就是土壤发生学理论。土壤是在五大成土因素(母质、生物、气候、地形、时间)和人为因素影响下变化着的客体。所谓变化着的客体是指其不断演化发展,包括空间和时间范畴的演变。土壤发生、发育、演变可高度概括为一句话:土壤与其环境相统一。土壤发生学原则是土壤分类的基本原则。
2、统一性原则
土壤是一个整体,耕种土壤是在自然土壤基础上发展起来的,具有发生上的联系,坚持土壤统一形成观点,用统一性原则来制定统一的分类系统。
成土过程与土壤属性统一:分类不能只停留在理论上的成土过程,必须找到该过程所导致的、具体的、可量化的诊断层和诊断特性(如黏化层、潜育层、盐积层、有机质含量、pH值等)。这是现代土壤分类定量化的基础。
自然土壤与耕作土壤统一:高度重视人类活动对土壤的深刻影响。将长期耕作、施肥、灌溉形成的土壤(如水稻土、灌淤土、菜园土)也纳入分类系统,并给予高级别的分类地位。这体现了中国悠久的农业历史对土壤的改造。
例如:水稻土是由各种自然土壤(如红壤、冲积土)经长期水耕熟化形成的一种独特的人为土,它具有特有的犁底层、潴育层等诊断层。由于对水稻土的发生分类已有较好的基础,故作为一个独立的土类纳入土壤分类系统中。
3、分级序位原则
中国土壤分类采用多级分类制,像一个金字塔,从上到下,逐级细分,层次清晰。目前主要采用土纲、亚纲、土类、亚类、土属、土种、变种七级分类单元。
高级分类单元(土纲 → 亚类):偏向理论性和区域性。主要依据主导成土过程、土壤属性的大格局差异。例如,土纲级别区分出有机土、人为土、盐成土等。
低级分类单元(土属 → 变种):偏向生产性和地方性。主要依据地方性成土因素(如母质类型、地形部位、水文地质等)和具体的土壤理化性状。土种是分类系统的基层单元,也是土壤普查和农业应用的核心,其性质相对稳定。
这种分级系统既反映了土壤发生学上的本质联系,又满足了不同层次(从国家级宏观规划到田间具体管理)的应用需求。
4、定量化与指标化原则
这是现代土壤分类区别于早期经验性分类的关键。系统定义了了一系列诊断层和诊断特性,并为其设定了明确的定量指标。诊断层:指在土壤中形成的、具有一系列定量化规定的特定土层(如有机表层、黏化层、灰化层、钙积层等)。
诊断特性:指具有定量规定的土壤性质(如土壤水分状况、土壤温度状况、盐基饱和度、n值等)。
这使得土壤分类从传统的定性描述走向了定量判断,大大提高了分类的客观性、精确性和可重复性,便于国际间的交流与对比。
中国土壤的发生分类,由于其与土壤地理学(空间地带性)联系紧密,与土壤的地方名关系密切,比较接地气,便于农业等生产活动应用,具有显著的生命力。
中国科学院南京土壤研究所作为主持单位,从1984年开始,先后与34个科研单位、高等院校合作,在国家自然科学基金委员会和中国科学院的资助下,进行了10年的研究。先后提出了《中国土壤系统分类(初拟)》(1985)、中国土壤系统分类(二稿)》(1987)和《中国土壤系统分类(三稿)》(1988),在此基础上,提出了《中国土壤系统分类(首次方案)》(1991,1993),并于1995年提出了《中国土壤系统分类》。
1、系统分类特点
以诊断层和诊断特性为基础的中国土壤系统分类既与国际接轨,又充分体现我国特色。除有分类原则、诊断层和诊断特性和分类系统外,还有一个检索系统,每一种土壤可以在这个系统中找到所属的分类位置,也只能找到一个位置。所谓“诊断层“,是用以识别土壤类别、在性质上有一系列定量说明的土层。诊断层和诊断特性是现代土壤分类的核心。没有诊断层和诊断特性,就谈不上定量分类。11个诊断表层、20个诊断表下层,2个其他诊断层和25个诊断特性。
就诊断层而言,36.4%直接引用美国系统分类的,27.2%是引进概念加以修订补充的,而有36.4%是新提出的。在诊断特性中,则分别为31.0%、32.8%和36.2%。作为一个系统不仅要有诊断层和诊断特性,而且要有一个应用诊断层和诊断特性的检索系统。而如果没有检索系统的分类,无法把定量的指标落实到具体类型上。在整个研究过程中,中国科学院南京土壤所的专家根据千百个土壤剖面的形态、理化性质进行验证,建立了我国第一个具有检索系统的土壤分类。进而,将检索的内容输入计算机,进行土壤系统分类的自动检索。
2、系统分类
中国土壤系统分类为多级分类,共七级,即土纲、亚纲、土类、亚类、土属、土种和变种。前四级为高级分类级别,主要供中小比例尺土壤因确定制图单元用,后三级为基层分类级别,主要供大比例尺土壤因确定制图单元用。
中国的土壤学家在系统分类体系中共提出了14个土纲(一级分类)及其判断的指标依据,其中七个与粮农组织的WRB一致,6个与美国土壤系统分类一致(二者之间有3个一致),自己建立了4个新土纲。
铁铝土、潜育土、淋溶土,雏形土4个土纲名称来自于WRB,新成土、灰(化)土、干旱土3个名称来源于美国土壤系统分类,有机土、火山灰土、变性土是WRB 和美国土壤系统分类共有的。人为土、盐成土、均腐土、富铁土4个土纲是中国土壤学家自己建立的。
该系统从上至下共设土纲、亚纲、土类、亚类、土属、土种和亚种等七级单元。
为最高级土壤分类级别,反映了土壤不同发育阶段中,土壤物质移动累积所引起的重大属性的差异,是土壤重大属性和差异的概括。
是在同一土纲中,根据土壤形成的水热条件和岩性及盐碱的重大差异划分。亚纲之间的差异在于热量条件和水分条件。一般地带性土纲可按此划分,而初育土纲可按岩性划分为土质初育土和石质初育亚纲。
是高级分类的基本单元,是在一定的自然或人为条件下产生独特的成土过程及与其相适应的土壤属性的一群土壤。同一土类的土壤,成土条件、主导成土过程和主要土壤属性相同。每一土类均要求具有一定的特征土层或其组合;具有一定的生态条件和地理分布区域;具有一定的成土过程和物质迁移的地球化学规律;具有一定的理化属性和肥力特征及改良利用方向。
是土类的续分,反应主导土壤形成过程以外其他附加的成土过程。一个个土类中有代表它典型特征的典型亚类,即它是在定义土类的特定成土条件和主导成土过程作用下产生的;也有表示一个土类向另一个土类过渡的亚类,它是根据主导成土过程之外的附加成土过程来划分的。
土属为中级分类单元,具有承上启下的作用。主要根据成土母质的成因、岩性及区域水分条件等地方性因素的差异进行划分的。对于不同的土类或亚类,所选择的土属划分具体的标准不一样。
是土壤基层分类的基本单元,它是处于一定的景观部位,是具有相似土体构型的一群土壤。土种主要反映了土属范围内量的差异,而不是质的差别。可根据土层厚度、黏粒含量或碎石含量划分土种,盐土可以根据盐分含量来划分土种。
又称为变种,它是土种的辅助分类单元,是根据土种范围内由于耕层或表层性状差异进行划分。如根据表层耕性、质地、有机质含量和耕层厚度等进行划分。亚种进过一定时间的耕作可以改变,但同一土种内各亚种剖面型一致。