不同景观和母质类型水耕人为土时间序列铁迁移与转化过程、速率及其控制因素

The chronosequence approach is a valuable research technique for investigating the rates and directions of pedogenic evolution. Knowledge of how management practices affect migration and transformation of iron under wet cultivation, especially those on different parent materials, is useful for the improvement and sustainable use of these important soil resources. In this proposal, five paddy soil chronosequences derived from calcareous, acid, and neutral materials under well-drained sloping uplands, and alluvial plains with groundwater fluctuation landscapes ranging in paddy cultivation history from 0 to ca.5000 years will be established, to understand rates of total iron loss, and dynamic changes of different extractable iron oxides, and iron oxides minerals migration and transformation during evolution of paddy soil chronosequence. By correlating iron migration and transformation variation in dynamic processes and rates with soil Eh values, pH, CaCO3, organic matter, and clay content which are among the most important indicators of paddy soil environment because they all have substantial impact on soil iron, the aim of the proposed research is to understand the controlling factors of paddy soil iron migration and transformation and to establish quantitative models of pedogenic transformation of iron during paddy soil development in soil landscapes and parent materials. These understandings will be helpful and fundamental for establishing of quantitative diagnostic criteria for classifying Hydragic Anthrosols.

水耕人为土铁迁移与转化过程的定量化研究对该重要土壤资源的可持续利用具有重要的意义。土壤时间序列在定量化研究土壤发生演化速率与方向上具有重要的价值。本项目拟在我国典型稻作区建立具有不同景观（阶地和冲积平原）和母质类型（石灰性、酸性与中性）的水耕人为土时间序列。通过各序列起源土与不同年龄水稻土剖面中发生层样品的全铁、不同形态铁与氧化铁矿物的含量，阐明每个序列全铁的流失速率与氧化铁矿物的迁移与转化过程和速率；通过系统对比各序列的差异，结合不同景观土壤水分变化特征与不同母质类型特性，揭示水耕人为土铁迁移与转化过程和速率的控制因素，进而建立不同起源水耕人为土铁迁移与转化的量化模型。本研究拓宽与深化了水耕人为土发生研究的手段与内容。研究结果将为建立水耕人为土基层单元的定量诊断指标提供基础和依据，进而保持我国在人为土壤发生和分类研究中的优势地位。

本项目在我国典型稻作区建立了7个水耕人为土时间序列，景观涵盖了排水良好的阶地、受地下水波动的冲积平原以及长期淹水的沼泽，起源母质为酸性的，中性的与石灰性的母质。通过对发生层样品不同形态铁、磁学性质、容重以及基本理化性质的测定以及不同景观和母质类型的对比，得出如下结果：水耕人为土演变过程中铁迁移与转化的过程及速率因不同景观与母质类型而产生差异，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不同景观与母质类型水耕人为土铁氧化物转化速率与途径的主要因素。. 7个土壤时间序列铁的演化可以分为三种模式：①沉积平原景观石灰性滨海沉积物发育的水耕人为土，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内循环过程，表现为全铁(Fet)与游离铁（Fed）在剖面内的分异随时间序列的演变逐渐增加。淹水初期磁化率 (χ)和软剩磁 (SOFT) 的急剧降低，亚铁磁性矿物遭到破坏，种稻300年后随着CaCO3淋洗出土体，硬剩磁（HIRM）快速下降，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。土壤CaCO3含量、人为周期性淹水与排干引起的土壤水分和氧化还原电位的变化，是该序列铁演变过程的主控因素；②泻湖型洼地景观中性湖相沉积物发育的水耕人为土，由于人为周期性的堆垫，增加了土壤中全铁的含量，随着堆垫高度的增加土体下部逐渐脱离长期淹水状况，从而导致剖面上部Fet含量高于下部，Fed随植稻年龄增加而增加；③阶地景观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从土体中淋失，植稻50年内铁流失速率最大，50年之后逐渐变慢。由地形控制的物质运移以及起源土较低的pH是该序列铁氧化物转化速率与途径的主控因素。. 通过收集与分析2017年出版的《中国土系志》中所有土壤全铁数据，计算得出我国植稻引起的铁流失总量为3001.2Tg。该研究结果对于评估水稻种植与全球 C 循环的贡献具有重要意义。