土壤是生态系统所涉及岩石圈、水圈、大气圈、生物圈等多圈层物质和能量交换的重要媒介, 针对土壤的调查是生态地质调查的重要内容^{[1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]}。成土母质是土壤的物质基础和养分来源, 其差异是土壤分异的重要因素之一^{[8, 9]}, 成土母质的划分是开展土壤调查的基础。目前, 成土母质分类方案较多^{[8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15]}, 主要有: ①按搬运沉积情况分为残积母质、坡积母质、冲积母质、洪积母质、湖积母质、海积母质和风积母质等几种类型; ②按物源分为近源、远源及混源等类型; ③以岩石类型分为花岗岩类风化物、砂岩类风化物等若干类; ④基于地质地貌条件来划分, 如滨海平原岛屿风化物、山地丘陵风化物等。这些方案都从不同角度诠释了母质成因及其与土壤的关系。为了突出地质条件对土壤的制约, 更好地反映不同构造单元和成岩环境下的成土母质异同, 本文以四川大凉山区为例, 提出了基于地质建造的成土母质分类方案。

大凉山区位于青藏高原、云贵高原和四川盆地的过渡地带, 主要包括四川省凉山彝族自治州西昌市、冕宁县、德昌县、越西县、喜德县、普格县、宁南县、甘洛县、昭觉县、布拖县、美姑县、雷波县和金阳县13县市, 在大地构造位置上位于扬子地块西缘和青藏高原东缘交汇部位的康滇断隆带内(图1)。该地区构造演化复杂, 自古太古代以来, 经历多期次的构造活动^{[16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29]}, 形成了底部的前震旦纪变质基底、西部的复杂造山带(牦牛山— 磨盘山区)、中部的第四系河谷盆地(安宁河谷— 邛海盆地)和东部的震旦纪— 白垩纪沉积盖层。地层从前寒武系至第四系均有不同程度出露, 并以中生界陆源碎屑岩、古生界碳酸盐岩以及晚二叠世峨眉山玄武岩分布面积最广。变质岩主要分布在雅砻江两岸及德昌地区, 规模较小, 基本上为低温变质岩, 主要类型有变砂岩、变粉砂岩、板岩、大理岩、千枚岩等, 经历了前寒武纪到新生代的多期变质作用。主要的侵入岩出露在安宁河以西的牦牛山— 磨盘山地区, 以中酸性岩为主, 同时冕宁县南部还存在少量基性侵入岩, 时代跨越前寒武纪到古近纪。

图1

Fig.1

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图1 大凉山区大地构造位置[8, 17]Fig.1 Tectonic location of Daliangshan region[8, 17]

自太古宙以来, 大凉山区经历了陆核— 地块— 联合大陆— 大陆裂解— 陆缘增生— 碰撞造山的演化过程(表1), 具有构造复杂、岩浆活动频繁、变形变质强烈等特点^{[16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29]}。

表1

Tab.1

表1(Tab.1)

表1 大凉山区构造演化阶段划分 Tab.1 Division of tectonic evolution stages in Daliangshan region 地质年代 地质发展阶段 新生代 新生代陆内沉积阶段 中二叠世— 晚白垩世 中生代陆内沉积阶段 中震旦世— 早二叠世 被动大陆边缘沉积阶段 前震旦纪 结晶基底形成阶段

表1 大凉山区构造演化阶段划分 Tab.1 Division of tectonic evolution stages in Daliangshan region

受青藏高原隆升挤压影响, 大凉山地区地貌类型独特, 在西缘和东南缘分布着雅砻江河谷和金沙江河谷等干热峡谷地貌, 在西部分布着牦牛山— 磨盘山等高寒山区地貌和安宁河谷— 邛海盆地等中山宽谷盆地地貌, 在东部则分布着碎屑岩褶皱山系、碳酸盐岩溶石山和玄武岩山系等中高侵蚀山区。大凉山区复杂多样的地貌及其所处的地理位置, 在环流的影响下, 形成独具特色的气候特点: 具有干湿分明的季风气候以及明显的垂直和水平分带性, 日较差大、年较差小, 气温适宜, 降雨丰富。大凉山区河流众多, 主要河流包括雅砻江、金沙江、大渡河等干流和安宁河、则木河、孙水河等支流, 水资源十分丰富。西昌市水热条件较好, 非常有利于增加植物的光合作用强度和干物质的积累, 也有利于土壤养分的释放、转化, 以及植物生理的协调。

土壤是在成土母质的基础上形成和发育的” 独立自然体” ^{[8, 9, 10, 11, 12, 30, 31]}。受不同地质背景、气候条件、水热条件、生物因素以及地形地貌影响, 大凉山区土壤类型较为丰富(图2), 从亚热带红壤到高山冰缘寒带寒漠土都有分布。根据凉山州土壤普查办公室1987年编纂的《凉山州土壤》, 大凉山区主要土壤类型可划分为8个土纲、17个土类, 包括: 高山土纲的草毡土和黑毡土, 淋溶土纲的黄棕壤、棕壤、暗棕壤和棕色针叶林土, 半淋溶土纲的褐土, 铁铝土纲的黄壤和红壤, 初育土纲的新积土、石灰土和紫色土, 半水成土纲的潮土和山地草甸土, 水成土纲的沼泽土、泥炭土, 以及人为土纲的水稻土。其中, 以紫色土和黄棕壤分布最为广泛, 分别占全区土壤面积的25.88%和23.43%, 其次为黑毡土、暗棕壤、棕壤、黄壤、红壤、石灰土、水稻土, 分别占全区土壤面积的6.25%、8.74%、9.46%、6.86%、7.72%、5.20%和3.15%。

图2

Fig.2

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图2 大凉山区土壤类型分布 注: 据凉山州土壤普查办公室《凉山州土壤》(1987)修改。Fig.2 Distribution of soil types in Daliangshan region

自然土壤的形成是岩石的风化作用和成土过程共同作用的结果, 土壤形成过程的实质是地质大循环和营养元素的生物小循环的矛盾统一。受地质建造背景、地形特征、气候和生物特征的影响, 土壤和植被在分布上表现出垂直分带性、横向分带性的特征。

新生代以来, 在青藏高原的挤压隆升作用下, 大凉山区形成一系列与区内地质构造线一致的连绵的南北向山脉、宽谷和峡谷。地形起伏, 地势复杂, 区内最高峰为越西与冕宁两县交接的小相岭铧头尖山, 海拔4 791 m, 最低为雷波县金沙江出境处, 海拔360 m。高山区湿冷, 局部山峰如螺髻山主峰、小相岭主峰等甚至终年冰雪覆盖; 雅砻江河谷、金沙江河谷等低热峡谷区则骄阳似火, 长夏无冬; 而安宁河谷等宽谷平原区则温暖湿润、气候宜人。

受不同海拔引起的气候变化的影响, 本区土壤和植被存在明显的垂向分带特征。在马鞍山、牦牛山、磨盘山、美姑北部和金阳北部等海拔2 800 m以上的高寒山区, 土壤类型主要为草毡土、黑毡土等高山土纲土壤, 植被类型主要为亚寒带灌丛草甸。在美姑、昭觉、布拖、马鞍山、牦牛山、磨盘山和螺髻山等海拔2 000~3 300 m的中高山区, 分布的土壤主要有黄棕壤、棕壤、暗棕壤和棕色针叶林土等淋溶土, 褐土等半淋溶土, 沼泽土和泥炭土等水成土, 以及山地草甸土等半水成土, 植被类型主要为常绿阔叶林、落叶阔叶林、针阔混交林、针叶林、暗针叶林、灌丛、草甸等。在海拔2 200 m以下的中低山区和干热河谷区, 相对高差大, 阶地狭窄, 人类活动较弱, 土壤的分布主要与下伏基岩相关性强, 主要土壤类型有黄壤和红壤等铁铝土, 紫色土、石灰土和新积土等初育土, 潮土等半水成土, 水稻土等人为土, 植被类型则主要有稀疏灌丛草被、常绿阔叶林、针阔混交林、针叶林、经济林、竹林和农作物。在海拔1 700 m以下的等宽谷平原和中低山丘陵区, 人类活动强烈, 城镇、村落和耕地集中, 土壤类型以水稻土、新积土、潮土为主, 还存在少量与地质建造分布相关的紫色土、石灰土、黄壤和红壤等土壤, 植被主要包括旱地作物、经济作物、水田作物、经济林、阔叶林、针阔混交林、针叶林和灌木林等。

在横向上, 从东向西, 地质建造单元、气候等条件差异导致土壤和植被的分布出现横向地带性变化。大凉山区从东向西出现4个土壤带: 东部边缘地区出现黄壤和石灰土带, 中部分别过渡到黄棕壤带, 紫色土、红壤带, 再到西部棕壤、红壤和石灰土带。对于中低海拔地区, 土壤的分带明显与地质建造单元相关: 紫色土呈团块或条带状分布在大凉山区中部如越西、喜德和普格等中生代盆地地区, 与侏罗纪— 白垩纪陆相泥质碎屑岩的分布区域大致相同; 石灰土主要出现在金沙江西岸以及雅砻江东岸的震旦纪— 二叠纪海相碳酸盐岩分布区; 红壤主要展布在安宁河谷西岸、牦牛山— 磨盘山以及普格— 宁南等地, 与大凉山主分水岭以西的三叠纪陆相砂质碎屑岩、三叠纪中酸性岩、二叠纪基性岩、前寒武纪中酸性岩的分布相关; 黄壤分布在大凉山分水岭以东, 如金沙江西岸的美姑— 雷波等地区, 与二叠纪基性岩等建造单元的分布范围相近; 水稻土、潮土、山地草甸土、沼泽土和泥炭土分布在河谷及湖泊沼泽地区, 与第四系的展布有很大的相关性。

构造运动及其演化是形成土壤和生态现状的驱动力, 建造环境则是形成现今土壤和生态现状的基础, 建造构造条件与海拔、地貌、气候和人类活动等其他地质生态条件一起塑造了现今生态环境特征。土壤和植被的分布特征是地质大循环和营养元素的生物小循环的矛盾统一^{[8, 9]}, 基于地质建造划分的成土母质类型对土壤的分带性具有明显的制约作用。

海拔直接影响局部的气温、降雨等气候, 从而影响基岩的风化速率和土壤的成土方向。在高海拔的高寒山区出现的土壤主要为草毡土、黑毡土等高山土, 而在较高山区出现的土壤主要为黄棕壤、棕壤、暗棕壤和棕色针叶林土等淋溶土; 这些高山土和淋溶土的分布与下伏建造单元的关联性不大, 土壤的类型主要受控于海拔等气候因素, 因而形成土壤和植被的垂向分带特征。而在中低山区和河谷区, 土壤类型分布则与下伏地质建造密切相关, 其中石灰土和紫色土等初育土以及红壤和黄壤等铁铝土为典型的岩性土, 分布范围直接与相应的地质建造密切相关。石灰土与碳酸盐岩的分布相关, 主要分布在震旦纪— 二叠纪海相碳酸盐岩建造区, 紫色土与泥质碎屑岩的分布相关, 主要分布在侏罗纪— 白垩纪陆相泥质碎屑岩建造区; 这些初育土分布主要受控于相应岩性基岩的分布。红壤和黄壤等则主要与砂质碎屑岩、中酸性岩浆岩和基性岩浆岩的分布一致, 同时还受气候的影响, 造成2种铁铝土出现明显的横向分带现象。在大凉山分水岭以西的西昌、普格、德昌等较低海拔地区, 受高温多雨的湿热条件影响, 砂质碎屑岩、中酸性岩浆岩和基性岩浆岩等富铁铝岩石强烈分解, 各种盐基离子和二氧化硅胶体相继淋失, 而铁铝因溶解度低逐渐积累起来(即脱硅富铝作用), 并且氧化铁发生脱水呈现红色, 从而形成大面积的湿热铁铝土— — 红壤。在雷波、金阳等远离河谷区的较低海拔地区, 由于降雨多, 温暖阴湿, 有利于矿物的水解作用又不至于发展很深的脱硅富铝化作用, 并且土壤中的氧化铁高度水化形成针铁矿(黄化过程), 使土壤呈黄色, 从而形成湿暖铁铝土— — 黄壤。水稻土为人为土, 是长期耕作形成的, 它的分布与第四系盆地和沟谷的分布范围相对应, 而新积土、潮土、山地草甸土、沼泽土、泥炭土则均与第四纪松散堆积建造相关, 主要分布在各大河谷和湖泊盆地区。

一些中低海拔地区, 土壤随着成土母质的不同呈明显的横向分带性, 而在另一些地区, 同一成土母质存在一种或多种土壤类型, 同一土壤类型也发生在不同的成土母质上; 可见, 岩石和土壤之间既存在相关性, 也存在差异性。这种现象的原因可能是土壤形成过程不仅受成土母质控制, 同时也受气候、时间、生物等多种因素影响。因此, 部分学者将成土母质和土类进行空间融合, 建立土壤地质单元^{[8, 31]}, 用来表达” 基于地学意义的成土母质” 和” 土壤类型” 的关联。

张腾蛟等和刘洪等详细研究了大凉山区不同地质建造的元素含量, 发现不同地质建造中的岩石由于成因不同, 其元素组成存在较大差异^{[8, 9]}, 例如, 中生代河流-湖泊相碎屑岩建造中的砂岩富含Cu, 泥岩富含B, 而新生代沼泽相碎屑岩建造的泥岩却具有更高的B含量和相对少的Mo含量。成土母质、土壤和下伏岩石的微量元素基本上呈正相关变化, 表明建造单元及岩石类型是造成土壤元素含量空间分布形态的重要因素。不同建造中母岩岩性同时也对土壤含水性、机械物理性质和pH值等存在极大的影响, 可见, 地质建造单元对成土母质和土壤的理化特征具有明显的控制作用。地层岩性、成土母质和土壤的理化性质关联的现象并不只出现在大凉山区, 在山东、浙江、重庆等地岩土演化机制的研究中也存在此类现象^{[30, 31]}。因此, 基于地质建造的成土母质分类方案既能有效反映不同建造中成土母质的差异, 又能有效表征地质建造— 成土母质— 土壤的内在联系, 突出地质条件对土壤的控制作用, 可为土壤研究提供地质学依据。

前已述及, 目前成土母质分类方案众多, 最为常见的分类是根据母质形成和搬运分为残积母质、坡积母质、冲积母质、洪积母质、湖积母质、海积母质和风积母质等类型。这种分类能说明成土母质和下伏基岩是否存在” 生长” 关系以及成土母质的形成过程, 但很难反映出成土母质在成土过程中的本质特征和可能产生的差异, 因而很难与土壤发育特点相联系。

目前, 部分学者提出或基于岩石类型、或基于地质年代、或基于地质构造等因素的多种成土母质分类方案, 这些方案突出了地质条件对土壤的制约。但这些分类标准也存在不少的问题, 例如岩石分类混乱、地质年代替代了岩石成因等。岩石分类混乱问题在变质岩中尤为常见, 利用变质程度或变质作用分类的变质岩交替使用, 这就导致同一变质岩同时出现在不同的分类中。此外, 不同地质时代同一母质类型上发育土壤的微量元素存在差异的本质是因为岩石形成环境不同, 不应仅通过成岩时代去约束成土母质。基于地质建造的成土母质分类是在原有的基于地质条件的成土母质分类方案上进行补充和完善的。岩石采用理化性质分类, 能更好地体现出岩石理化性质对土壤特征的制约, 构造建造能反映出岩石形成的环境并控制着岩石的理化性质, 因而基于地质建造的成土母质分类能突出地质条件对土壤的控制, 更好地反映出岩土差异化发生的原因。

近年来, 随着生态地质学、农业地质学、土壤地质学、健康地质学和医学地质学等直接服务于民生建设的交叉地质学科的兴起, 人们开始重点关注地质条件对生物或生态环境的影响。中草药素来讲究” 道地性” , 地质背景系统制约着中药材的分布、生长发育及产量和品质, 道地药材的微量元素特征谱与土壤中微量元素含量具有正相关关系。地质背景对中草药微量元素控制和影响是通过土壤来实现的, 例如道地三七主要产于云南省碳酸盐岩和碎屑岩混合型黄红壤区^[32], 而河北承德地区道地药材黄芩种植的适宜性也与地质背景有关^[39], 因此, 我们可以通过基于地质建造的成土母质分类快速圈定有利的种植区。无独有偶, 特色农作物的生长也明显受地质背景制约, 农作物生长在不同地层组内, 必然由于土壤元素丰缺而导致生长状况存在差异。例如: 在浙江省的调查研究中发现地质条件直接影响土壤微量元素在不同空间上的分布^[13]; 渝北地区的地层(岩)组对元素含量分布起主控作用, 土壤元素含量分布形状在空间上与地层组相对应^[37]; 在相近的气候条件下, 承德地区不同地质建造环境下土壤具有不同的性质和养分, 使地区特色林果资源分布具有明显的地域性, ” 京东板栗” 集中于片麻岩区, ” 兴隆山楂” 集中于白云岩区^[3]; 在湖北宜昌鸦鹊岭地区岩石-土壤元素迁移特征研究中发现, 土壤元素大多会继承其在成土母岩中的含量水平^[40]。基于地质建造的成土母质分类能了解不同地质背景下山地土壤肥力特性, 判别优势作物生长范围和指导分区施肥。地质过程对生态系统特性具有非常重要的控制作用, 母岩的风化对生物多样性有较大的直接影响, 并且通过与生物多样性和当代环境的相互作用, 间接影响生态系统功能。基于地质建造的成土母质分类有利于快速了解不同单元的生态功能属性, 便于以地质条件为依据, 因地制宜, 开展针对性的生态地质调查评价^[41]和生态保护修复工作。

(1)成土母质划分应以岩石/沉积物类型为基础, 兼顾地质地貌、时代、构造等因素的影响, 而在对岩石分类时应更多体现理化性质差异。按照上述成土母质分类原则, 大凉山区成土母质可划分为12个类型。

(2)成土母质单元的建立和成土母质图的编制, 能有效反映土壤差异性的发生和地质条件对土壤类型的制约, 可为农林部门在规划布局和种植业结构调整时提供地质学依据。

致谢: 中国自然资源航空物探遥感中心聂洪峰正高级工程师、肖春蕾高级工程师和郭兆成高级工程师, 中国地质调查局成都地质调查中心李建星教授级高级工程师、李富正高级工程师和陈敏华高级工程师, 中国地质大学(北京)张振杰副教授, 四川省地质矿产勘查开发局攀西地质队谢恩顺高级工程师、李雁龙高级工程师、肖启亮高级工程师、曾建高级工程师、文登奎高级工程师和侯谦工程师, 成都理工大学赵银兵教授、李樋博士生, 以及华东冶金地质勘查局段声义助理工程师对本研究的开展提供了大量帮助, 土壤数据收集自凉山彝族自治州农村农业局, 在此一并表示衷心的感谢。

(责任编辑: 沈效群)