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篇1

關(guān)鍵詞：土壤剖面野外形態(tài)；發(fā)育綜合指數(shù)；建模方法

中圖分類號(hào)：S151+.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2013）21-5182-04

Modeling Method of the Wild Morphalogical Development Integrated Index of Soil Profile

JIANG Ying-ying，ZHOU Chong-jun，SUN Zhong-xiu，ZHANG Guang-cai，LIU Yang，GAO Hua

（College of Land and Environment，Shenyang Agricultural University，Shenyang 110866，China）

Abstract： Based on the soil morphological properties of 17 representative soil profiles in Chaoyang of western Liaoning， a soil morphological index system was measured for evaluating the development of paleosol. The wild soil profile development integrated index model was established.

Key words： soil profile morphology； development integrated index； modeling method

成土母質(zhì)在各種自然因素和人為因素的影響下，發(fā)育成為具有不同屬性的土壤。這些土壤屬性的內(nèi)在表現(xiàn)為土壤物質(zhì)的轉(zhuǎn)化及其遷移，而這些土壤屬性的外在表現(xiàn)則反映于土壤剖面形態(tài)和土體構(gòu)造上。為了用簡(jiǎn)單的數(shù)量方法來(lái)表達(dá)復(fù)雜的歷史自然體——土壤的發(fā)育狀況，多年來(lái)，人們進(jìn)行了不斷的探索。土壤學(xué)家和地質(zhì)學(xué)家需要一種指數(shù)來(lái)定量評(píng)價(jià)土壤的發(fā)育程度，通過(guò)量化土壤野外形態(tài)如土壤顏色、膠膜、質(zhì)地和其他隨時(shí)間發(fā)生變化的性質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)性質(zhì)的量化和比較。

很多學(xué)者用土壤中微量元素間的比值作為判別土壤發(fā)育程度的手段，如黃成敏等[1]利用土壤中微量元素間的比值對(duì)海南島北部玄武巖上土壤發(fā)育進(jìn)行了研究；Dasch[2]曾對(duì)各種母巖在風(fēng)化作用下Rb、Sr遷移規(guī)律進(jìn)行了較詳細(xì)的研究，指出Rb/Sr反映了母巖風(fēng)化作用強(qiáng)度。Gallet等[3]也對(duì)洛川黃土剖面中的Rb/Sr分布進(jìn)行了初步研究，發(fā)現(xiàn)該比值可識(shí)別古土壤地層單元。國(guó)內(nèi)一些學(xué)者通過(guò)對(duì)我國(guó)北方黃土和長(zhǎng)江下游地區(qū)下蜀黃土典型剖面的Rb和Rb/Sr研究發(fā)現(xiàn)，它們能更精確地反映古氣候環(huán)境的變化，是區(qū)域環(huán)境演變研究中較理想的替代指標(biāo)[4，5]。

土壤發(fā)育指數(shù)是將量化的土壤野外屬性轉(zhuǎn)化成一個(gè)綜合指數(shù)來(lái)對(duì)整個(gè)土壤的發(fā)育程度進(jìn)行評(píng)價(jià)。土壤剖面野外形態(tài)發(fā)育綜合指數(shù)是評(píng)價(jià)、比較不同土壤發(fā)育程度的一種方法，是量化土壤野外屬性以便在野外研究成土過(guò)程的方法。這種方法對(duì)于土壤發(fā)生學(xué)、土壤形態(tài)學(xué)、土壤系統(tǒng)分類學(xué)、地貌學(xué)、地層學(xué)的研究都有十分重要的應(yīng)用價(jià)值。例如，當(dāng)時(shí)間序列缺失時(shí)，土壤發(fā)育指數(shù)可以初步指示土壤的相對(duì)年齡，而應(yīng)用土壤剖面形態(tài)發(fā)育綜合指數(shù)可以在野外方便、高效、相對(duì)準(zhǔn)確地鑒別古土壤[6]。

1977年Bilzi等[7]根據(jù)土層和母質(zhì)之間性質(zhì)的差異對(duì)土壤屬性賦分。Leamy等[8]提出土壤形態(tài)指數(shù)這一概念，是一種應(yīng)用幾個(gè)土壤屬性賦分平均值來(lái)評(píng)價(jià)土壤發(fā)育程度的方法。他們用這種方法對(duì)奧塔戈部分地區(qū)的古土壤的特征進(jìn)行了初步量化。何磊等[9]研究認(rèn)為剖面發(fā)育指數(shù)（PDI）和加權(quán)平均剖面發(fā)育指數(shù)（WPDI）作為剖面累積發(fā)育指標(biāo)，可以用于不同土壤序列的發(fā)育速率比較。隋玉柱[10]在確認(rèn)“黃土也是古土壤”的前提下，采用統(tǒng)一的半定量指標(biāo)（主要包括反映成土強(qiáng)度的Munsell色調(diào)、彩度、明度、結(jié)構(gòu)、粒度、色度、 CaCO3含量等）來(lái)確定古土壤的發(fā)育強(qiáng)度。

土壤剖面中土壤的形態(tài)屬性含有豐富的成土環(huán)境信息，是環(huán)境變化與恢復(fù)和重建氣候的重要依據(jù)，如基于古土壤的形態(tài)觀測(cè)推斷了洛川古土壤發(fā)育時(shí)期的古環(huán)境[11]。

總之，目前的研究主要集中于土壤發(fā)育程度方面，對(duì)應(yīng)用土壤發(fā)育指數(shù)來(lái)鑒別古土壤的研究資料較少。古土壤的鑒別是利用黃土—古土壤序列研究氣候與環(huán)境變化的重要手段。在野外識(shí)別古土壤有一定困難，尤其是識(shí)別弱發(fā)育的古土壤極其困難。李敘勇[12]用土壤發(fā)育指數(shù)來(lái)鑒別古土壤取得了令人滿意的結(jié)果。本研究借鑒Harden[6]和Bilzi等[7]的思想，通過(guò)對(duì)土壤的紅化作用、黑化作用、膠膜、結(jié)構(gòu)、干時(shí)結(jié)持性、潤(rùn)時(shí)結(jié)持性、總質(zhì)地、發(fā)生層邊界等綜合狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，建立土壤剖面野外形態(tài)發(fā)育綜合指數(shù)模型，反映土壤的發(fā)育程度，以期為遼西朝陽(yáng)古土壤鑒別研究奠定基礎(chǔ)。

1 研究方法

研究剖面位于朝陽(yáng)市鳳凰山、建平縣富山鄉(xiāng)馬家溝村、喀左縣公營(yíng)子鎮(zhèn)端正溝梁村東大梁和北票市桃花吐4個(gè)地點(diǎn)。這4個(gè)采樣點(diǎn)均有古土壤分布，并且存在一個(gè)從上到下紅土與黃土相互交錯(cuò)的大剖面，并在其周圍分布著由于上層被剝蝕掉而出露于地表（殘遺、剝露）的古土壤剖面。

在4個(gè)采樣點(diǎn)分別找到符合標(biāo)準(zhǔn)的剖面進(jìn)行采挖，挖好剖面后進(jìn)行土壤發(fā)生層的劃分。根據(jù)中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所土壤系統(tǒng)分類課題組《土壤剖面描述規(guī)范》進(jìn)行系統(tǒng)、規(guī)范的土壤剖面野外形態(tài)特征描述和記錄。最后根據(jù)發(fā)生層進(jìn)行土樣采集，共采集70個(gè)土壤發(fā)生層，17個(gè)土壤剖面的土樣。觀測(cè)的主要項(xiàng)目有顏色、結(jié)構(gòu)、質(zhì)地、膠膜、結(jié)持性、發(fā)生層邊界等。

2 土壤剖面野外形態(tài)發(fā)育綜合指數(shù)模型的建立

2.1 土壤剖面野外形態(tài)發(fā)育綜合指數(shù)的公式及確定

土地評(píng)價(jià)研究中，常用指數(shù)法和土地潛力分級(jí)法來(lái)評(píng)價(jià)土壤的生產(chǎn)力或農(nóng)業(yè)潛力。土壤剖面野外形態(tài)發(fā)育綜合指數(shù)的計(jì)算公式為：

PI=■ （1）

式中PI為某土壤剖面的野外形態(tài)發(fā)育綜合指數(shù)，Xjn為某層某個(gè)土壤形態(tài)屬性賦分后的標(biāo)準(zhǔn)化值，k為所選指標(biāo)數(shù)，hi為某土層的厚度。確定土壤剖面野外形態(tài)發(fā)育綜合指數(shù)的步驟如圖1所示。

2.2 土壤剖面野外形態(tài)發(fā)育指標(biāo)體系的確定

眾所周知，野外調(diào)查作為土壤學(xué)研究的傳統(tǒng)有效方法之一具有不可替代性，土壤剖面野外形態(tài)發(fā)育描述指標(biāo)不能定量制約了其應(yīng)用；土壤微形態(tài)的古環(huán)境意義雖然明確，但直觀性較低，形態(tài)描述與表達(dá)繁瑣，術(shù)語(yǔ)晦澀難懂，不能進(jìn)行定量等問(wèn)題仍然制約其應(yīng)用[13]。此次研究嘗試建立綜合量化指標(biāo)——土壤剖面野外形態(tài)發(fā)育綜合指數(shù)，以期解決這一矛盾，并且具有土壤發(fā)生學(xué)的理論依據(jù)[14]。反映土壤發(fā)育的土壤剖面野外形態(tài)發(fā)育指標(biāo)有很多，關(guān)鍵是所用指標(biāo)能反映成土強(qiáng)度，并能進(jìn)行定量或半定量研究。為了在野外方便、高效、相對(duì)準(zhǔn)確完成古土壤鑒別，結(jié)合研究剖面的具體情況，盡量選取通過(guò)野外觀察就能夠直接獲得的土壤剖面野外形態(tài)發(fā)育的指標(biāo)。在眾多反映成土強(qiáng)度的指標(biāo)中，土壤形態(tài)特征較好地反映了成土過(guò)程中成土母質(zhì)的累積變化。但土壤形態(tài)特征很多（如土壤顏色、土層厚度、質(zhì)地、膠膜、結(jié)持性、發(fā)生層邊界等），僅以某一特征不能全面反映土壤的發(fā)育狀況，也不能進(jìn)行土壤發(fā)育的定量評(píng)價(jià)。研究所建立的土壤野外形態(tài)發(fā)育指標(biāo)體系見(jiàn)表1。對(duì)表1的各單項(xiàng)野外形態(tài)發(fā)育指標(biāo)作以下說(shuō)明，并著重從土壤發(fā)生學(xué)角度作出解釋：

1）土壤顏色（Soil color）。土壤顏色是土壤對(duì)太陽(yáng)輻射在視覺(jué)器官能夠感受到的光譜范圍內(nèi)（280～760 nm）的選擇吸收和漫反射的結(jié)果。土壤反射的那部分可見(jiàn)光的顏色決定土壤的顏色。影響土壤顏色的因素有很多，如土壤中的腐殖質(zhì)含量、水分含量、暗色礦物（如氧化鐵、氧化錳、黑云母等）含量、淺色礦物（如二氧化硅、氧化鋁、碳酸鈣等）含量，因此，顏色是表征許多性質(zhì)的重要形態(tài)特征，它是人們認(rèn)識(shí)土壤最直接的依據(jù)之一。土壤發(fā)育程度通常以顏色變化為特征[15]。伴隨土壤發(fā)育，土壤中赤鐵礦增加，導(dǎo)致土壤色調(diào)變紅和土壤彩度增加[1]。土壤顏色跟土壤的成分和壘結(jié)狀態(tài)直接相關(guān)，劃分剖面發(fā)生層，顏色是首要的形態(tài)特征，顏色的各種變化是土壤內(nèi)在性質(zhì)變化的反映。土壤顏色的剖面變化對(duì)診斷土壤具有重要意義。根據(jù)土壤顏色也可以對(duì)土壤的形成過(guò)程、發(fā)育程度進(jìn)行初步判斷。研究將土壤顏色屬性分解為紅化作用和黑化作用兩個(gè)指標(biāo)，隨著土壤發(fā)育的增強(qiáng)，色調(diào)變紅、彩度變鮮艷的變化稱為紅化作用，黑化作用是指由于土壤有機(jī)質(zhì)累積而使土壤變暗的作用，它是用芒賽爾顏色值中的明度來(lái)表示的，隨明度的增加而降低。紅化作用和黑化作用的賦分參照Harden[6]的方法，但為了排除在低彩度時(shí)有機(jī)質(zhì)染色對(duì)彩度的干擾，將彩度為1～4時(shí)賦分的增值減小為5分。

2）土壤膠膜。土壤膠膜是在土壤形成發(fā)育過(guò)程中由土壤中的細(xì)粒物質(zhì)（如黏粒、游離氧化物、碳酸鹽、腐殖質(zhì)等）通過(guò)濃聚、淀積或析離等作用，在土壤裂隙或孔隙壁表面以及土壤結(jié)構(gòu)體或顆粒表面形成的膜狀物。它是與土壤孔隙、裂隙、孔道、土胚（Ped）和骨骼碎屑顆粒在自然表面相結(jié)合的一種可識(shí)別的土壤形成物。若將土壤物質(zhì)分為骨骼顆粒和細(xì)土物質(zhì)，黏粒膠膜是細(xì)土物質(zhì)中黏粒組分的擴(kuò)散、移動(dòng)或淀積形成的聚合物，或是黏粒組分原地變化形成的分離物。黏粒膠膜被認(rèn)為是“土壤顆?；蛲翂K的皮膚”，表示土壤表面或孔隙在經(jīng)過(guò)懸濁液淋洗后被沉淀的黏粒所覆蓋[16]。

土壤膠膜是土壤長(zhǎng)期演化過(guò)程中逐漸形成的，其物質(zhì)多來(lái)源于本體土壤的淋溶和淀積。膠膜的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和元素組成特點(diǎn)等是相應(yīng)成土過(guò)程和環(huán)境條件的產(chǎn)物，記錄著土壤的發(fā)生過(guò)程，包含了成土的氣候變化和環(huán)境變遷的信息，可作為識(shí)別土壤在不同時(shí)期的發(fā)生過(guò)程和環(huán)境變化的重要依據(jù)[17]。

3）土壤結(jié)構(gòu)。土壤結(jié)構(gòu)是指土壤顆粒（包括團(tuán)聚體）的排列與組合形式。主要功能是使土體中同一空間里同時(shí)存在固、液、氣三相，并且具有調(diào)節(jié)水、肥、氣、熱的作用。土壤結(jié)構(gòu)是土粒有規(guī)律性的結(jié)合體。結(jié)構(gòu)體內(nèi)部與結(jié)構(gòu)體之間有著截然不同的孔隙狀況，土壤結(jié)構(gòu)的功能就是靠它形成不同的孔隙及其分布密度的差異來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

土壤結(jié)構(gòu)是土壤中各種過(guò)程進(jìn)行的物理框架。觀察土壤剖面中的結(jié)構(gòu)類型，可大致判別土壤的成土過(guò)程。如具有團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的剖面與生草過(guò)程有關(guān)；淀積層中有柱狀或圓柱狀結(jié)構(gòu)則與堿化過(guò)程有關(guān)。土壤結(jié)構(gòu)影響土壤中水、氣、熱以及養(yǎng)分的保持和移動(dòng)，也直接影響植物根系的生長(zhǎng)發(fā)育。土壤結(jié)構(gòu)的定量化對(duì)土壤水、氣、熱和土壤生物、化學(xué)過(guò)程定量化研究具有重要意義。

4）干時(shí)結(jié)持性（硬結(jié)性）、潤(rùn)時(shí)結(jié)持性（堅(jiān)實(shí)性）。結(jié)持性是指土粒（

5）土壤質(zhì)地。土壤質(zhì)地是指土壤中各粒級(jí)重量占土壤重量的百分比組合。質(zhì)地野外判別采用Shaw的簡(jiǎn)易質(zhì)地類型進(jìn)行快速判定。土壤質(zhì)地是土壤的最基本物理性質(zhì)之一，對(duì)土壤的各種性狀都有很大的影響。因?yàn)橐巴忤b定的質(zhì)地類型無(wú)法對(duì)黏粒含量作出較準(zhǔn)確的估計(jì)，所以通過(guò)采用包括質(zhì)地類型、黏著性、可塑性在內(nèi)的綜合指標(biāo)即總質(zhì)地來(lái)評(píng)價(jià)某些質(zhì)地類型黏粒含量的較大差異性[6]。

6）發(fā)生層邊界。發(fā)生層邊界是指相鄰發(fā)生層之間的過(guò)渡狀況。土體是以土壤性質(zhì)側(cè)向變化的最大均一性為界限的土壤地理個(gè)體，它是土壤在空間上一個(gè)立體的單元。在土體內(nèi)由于物質(zhì)的重力和張力以及溶解和沉淀等影響，在垂直方向上產(chǎn)生了自然的質(zhì)地分異形成土層。因此，發(fā)生層邊界的類型可以很好地指示土壤的發(fā)育狀況[17]。

土壤剖面野外形態(tài)發(fā)育各項(xiàng)指標(biāo)分級(jí)賦分中，紅化作用、黑化作用參照李敘勇[12]的方案，總質(zhì)地、干時(shí)結(jié)持性、潤(rùn)時(shí)結(jié)持性參照Harden[6]的方案，發(fā)生層邊界參照Bilzi等[7]的方案。由此構(gòu)建了評(píng)價(jià)遼西朝陽(yáng)第四紀(jì)古土壤剖面野外形態(tài)發(fā)育的指標(biāo)體系（表1）。

2.3 土壤剖面野外形態(tài)發(fā)育綜合指數(shù)的計(jì)算

2.3.1 土壤剖面野外形態(tài)屬性的量化和標(biāo)準(zhǔn)化 經(jīng)詳細(xì)描述的土壤剖面野外形態(tài)發(fā)育各項(xiàng)屬性，按照表1中的標(biāo)準(zhǔn)賦予分值即是其數(shù)量化。標(biāo)準(zhǔn)化的目的是使各項(xiàng)土壤屬性的量化值在同一個(gè)數(shù)量級(jí)范圍之內(nèi)，使不同土壤之間具有可比性，其計(jì)算公式為表1中所列各標(biāo)準(zhǔn)化公式。

2.3.2 土壤剖面野外形態(tài)發(fā)育綜合指數(shù)的計(jì)算 土壤剖面野外形態(tài)發(fā)育綜合指數(shù)的計(jì)算按公式（1）進(jìn)行，計(jì)算步驟見(jiàn)圖1。據(jù)此計(jì)算了遼西朝陽(yáng)挖掘的具有代表性的17個(gè)土壤剖面的野外形態(tài)發(fā)育綜合發(fā)育指數(shù)。

3 小結(jié)

通過(guò)研究確定了評(píng)價(jià)古土壤發(fā)育的8項(xiàng)土壤剖面野外形態(tài)發(fā)育指標(biāo)體系，建立了土壤剖面野外形態(tài)發(fā)育綜合指數(shù)模型。土壤剖面野外形態(tài)發(fā)育綜合指數(shù)模型雖然已經(jīng)建立，但需要進(jìn)一步研究來(lái)驗(yàn)證其適用范圍和準(zhǔn)確性。

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篇2

1實(shí)驗(yàn)方法

1.1實(shí)驗(yàn)儀器與試劑

1.1.1主要實(shí)驗(yàn)儀器ZD-85氣浴恒溫振蕩器，天津市歐諾儀器儀表有限公司；FA1004電子分析天平，上海天平儀器廠；DH-101電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，天津市中環(huán)實(shí)驗(yàn)電爐有限公司；LD-2A離心機(jī)，北京醫(yī)用離心機(jī)廠；SB-4型可調(diào)式電熱板，北京科偉永興儀器有限公司；ELAN電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS）。

1.1.2主要藥品試劑硝酸鉀、硝酸鈉、硝酸鈣、硝酸鎂、氯化銨、硝酸銨、硫酸銨、碳酸氨、氯化鎂、醋酸鈉、醋酸、鹽酸羥氨、鹽酸、雙氧水、氫氟酸、高氯酸、硝酸鎘均為分析純?cè)噭ㄉa(chǎn)廠家：天津市北方化學(xué)試劑廠）；實(shí)驗(yàn)用水為三蒸水。

1.2土壤樣品的采集與制備

1.2.1土壤樣品的采集土壤樣品選自天津市農(nóng)用耕地中的土壤。采用對(duì)角線布點(diǎn)采樣法取表層土(深度0~20cm)，該深度正是農(nóng)作物根系所在深度且容易受周圍環(huán)境影響，混合均勻后采用四分法分取3kg左右土壤帶回實(shí)驗(yàn)室。采樣過(guò)程均使用木制工具，樣品用塑料袋盛裝。

1.2.2土壤樣品的制備土壤樣品經(jīng)自然風(fēng)干、磨細(xì)、篩分等常規(guī)處理，進(jìn)行土壤質(zhì)地、pH值、有機(jī)質(zhì)、鹽度等理化性質(zhì)等分析，得出土壤理化性質(zhì)——土壤為灰棕色，重壤質(zhì)，塊狀結(jié)構(gòu)，石灰反應(yīng)中等，pH值為8.4，弱堿性，有機(jī)質(zhì)含量為2%，鹽度為0.3%，屬于輕度氯化物型鹽化濕潮土。將制備好的土壤樣品準(zhǔn)確稱取2kg，均勻地加入的Cd(NO3)2溶液，平攤放在塑料薄膜上，按一定時(shí)間間隔加入適量去離子水，讓Cd(NO3)2與土壤充分反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)表明，外源Cd進(jìn)入土壤后，由于各種因素作用，鎘發(fā)生各種形態(tài)轉(zhuǎn)化，老化時(shí)間為35d左右，土壤中鎘的各種形態(tài)基本保持相對(duì)穩(wěn)定。因此將加入外源鎘的土壤自然風(fēng)干至40d，破碎、篩分。用ICP-OES法測(cè)試，土壤中鎘的含量為0.72mg•kg-1。將處理后的土壤樣品待之自然老化。土壤老化40d后，風(fēng)干，破碎，篩分備用。取制備好的供試土壤，每個(gè)樣品按50g稱量，分別加入NaNO3、KNO3、Ca(NO3)2、Mg(NO3)2溶液。溶液濃度分別為0.0、0.04、0.08mol•L-1。NaNO3、KNO3、Ca(NO3)2、Mg(NO3)2溶液的加入量各為50mL，以保證被加入的Na+、K+、Ca2+、Mg2+的濃度相同。室溫下穩(wěn)定30d。待自然風(fēng)干后將樣品破碎篩分，從每個(gè)樣品中采樣1g，利用Tessier連續(xù)提取技術(shù)，采用ICP-MS測(cè)試土壤樣品Cd的形態(tài)特征變化，特別是由水溶態(tài)和可交換態(tài)組成的生物效應(yīng)明顯的有效態(tài)特征，同時(shí)利用空白試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，分析土壤鹽堿化過(guò)程中陽(yáng)離子Na+、K+、Ca2+、Mg2+對(duì)土壤中Cd的形態(tài)特征變化影響。每個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)3個(gè)重復(fù)。

1.3測(cè)定方法土壤中鎘形態(tài)采用改進(jìn)后的Tessiers連續(xù)提取法[17]，將其分為有效態(tài)(Exc)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)(CARB)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)(oxFe-Mn)、有機(jī)結(jié)合態(tài)(BO)、殘?jiān)鼞B(tài)(Res)五種形態(tài)。提取后采用ICP-MS測(cè)試。

2結(jié)果及討論

2.1陽(yáng)離子種類對(duì)土壤鎘形態(tài)分布的影響以陽(yáng)離子0.04mol/L濃度為例，分析陽(yáng)離子種類對(duì)土壤鎘形態(tài)分布的影響（圖1）。從圖1可知，隨著Na+、K+、Ca2+、Mg2+等陽(yáng)離子的加入，土壤中鎘的有效態(tài)含量發(fā)生了明顯的增加，增加的幅度達(dá)到了52.71%~65.97%，其中Ca2+使土壤中有效態(tài)鎘增加的幅度最大，Mg2+次之，Na+、K+對(duì)鎘有效態(tài)的影響最小，二者大致相同。隨著Na+、K+、Ca2+、Mg2+等陽(yáng)離子的加入，鎘的其它形態(tài)含量普遍減少。鎘的碳酸鹽態(tài)含量減少的幅度為28.90%~63.14%，其中Na+的影響最大，Ca的影響最少；鎘的鐵錳態(tài)含量減少的幅度為13.66%~25.11%，其中Ca2+的影響最大，Na+的影響最少；鎘的有機(jī)態(tài)含量減少的幅度為21.89%~43.95%，其中Na+的影響最大，Ca2+的影響最少；鎘的殘?jiān)鼞B(tài)含量的減少幅度為4.44%~11.63%，其中Ca2+的影響最大，Mg2+的影響最少。土壤中鎘的有效態(tài)有明顯增加可能是由于金屬陽(yáng)離子與鎘離子競(jìng)爭(zhēng)土壤吸附位點(diǎn)，使得一部分鎘離子被添加進(jìn)的金屬離子所替代，使得其他各形態(tài)的鎘含量有所下降，而有效態(tài)則增加。對(duì)于不同的陽(yáng)離子，由于其所帶電荷數(shù)的多少以及離子半徑的大小等因素，也能影響吸附效果Na+是一價(jià)離子且離子半徑較小，影響較??；K+雖然也是一價(jià)離子，但其離子半徑相對(duì)大一些，影響比Na+大一些[18]。Ca2+與Cd2+半徑相近，且都是二價(jià)離子，其影響要比K+、Na+都大[19-20]。Ca2+半徑與Cd2+相近，故表現(xiàn)出了最大吸附競(jìng)爭(zhēng)作用，而Mg2+與Ca2+性質(zhì)相近，也表現(xiàn)出了與之類似的作用。它們的作用要強(qiáng)于K+和Na+。

2.2陽(yáng)離子濃度對(duì)土壤鎘形態(tài)分布的影響圖2顯示了各陽(yáng)離子濃度變化對(duì)土壤鎘形態(tài)分布的影響。從圖2可知，對(duì)于Na+，隨著離子濃度從0.02mol•L-1增大到0.08mol•L-1，有效態(tài)鎘含量逐漸增加；碳酸鹽態(tài)鎘在0.02mol•L-1時(shí)含量最大，0.04mol•L-1時(shí)含量最?。昏F錳氧化態(tài)、有機(jī)態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)鎘含量都隨著離子濃度的增大在逐漸減少。對(duì)于K+，隨著離子濃度從0.02mol•L-1增大到0.08mol•L-1，有效態(tài)鎘含量逐漸增加；碳酸鹽態(tài)鎘在0.08mol•L-1時(shí)含量最大，0.04mol•L-1時(shí)含量最??；鐵錳氧化態(tài)鎘隨著離子濃度的增大在逐漸減少；有機(jī)態(tài)鎘含量在離子濃度為0.04mol•L-1時(shí)最大，0.02mol•L-1時(shí)最??；殘?jiān)鼞B(tài)鎘含量在離子濃度為0.02mol•L-1時(shí)最大，在0.04mol•L-1和0.08mol•L-1時(shí)相當(dāng)；對(duì)于Ca2+，隨著離子濃度從0.02mol•L-1增大到0.08mol•L-1，有效態(tài)鎘含量增加；碳酸鹽態(tài)和鐵錳氧化態(tài)鎘含量隨著離子濃度的增大逐漸減??；有效態(tài)鎘含量在離子濃度為0.08mol•L-1時(shí)最大，0.02mol•L-1時(shí)次之，0.04mol•L-1時(shí)最小；殘?jiān)鼞B(tài)鎘含量在0.04mol•L-1時(shí)最大，0.08mol•L-1次之，0.02mol•L-1最少；對(duì)于Mg2+，隨著離子濃度從0.02mol•L-1增大到0.08mol•L-1，有效態(tài)鎘含量增加；碳酸鹽態(tài)鎘含量在0.04mol•L-1時(shí)最大，0.02mol•L-1和0.08mol•L-1時(shí)相當(dāng)；鐵錳氧化態(tài)、有機(jī)態(tài)、殘?jiān)鼞B(tài)鎘含量隨著離子濃度的增大，均有不同程度的下降。土壤中的陽(yáng)離子通過(guò)影響土壤溶液的離子強(qiáng)度、土壤pH值、土壤有機(jī)質(zhì)等土壤性質(zhì)，改變土壤鎘的吸附特性，使土壤膠體和粘土礦物對(duì)重金屬離子的吸附能力降低。陽(yáng)離子作為鎘的競(jìng)爭(zhēng)因子，與鎘競(jìng)爭(zhēng)土壤的吸附位點(diǎn)，主要是與鎘競(jìng)爭(zhēng)粘土礦物、氧化物和有機(jī)質(zhì)的陽(yáng)離子交換吸附位點(diǎn)，減弱土壤對(duì)鎘離子的吸附。陽(yáng)離子的含量增加，造成金屬陽(yáng)離子與Cd2+兩者對(duì)吸附劑表面空位的競(jìng)爭(zhēng)，從而降低了對(duì)鎘的吸附[21-22]。

篇3

1文化遺址區(qū)古土壤環(huán)境研究進(jìn)展

1.1土壤粒度粒度組成對(duì)于查明沉積物的物質(zhì)來(lái)源、搬運(yùn)介質(zhì)和動(dòng)力、沉積環(huán)境及其變化均有重要的意義［7］，且兼有相對(duì)完善的實(shí)驗(yàn)原理和技術(shù)方法，被廣泛應(yīng)用于古土壤沉積成因的環(huán)境研究中，是分析古土壤成因的有效途徑［8］。楊用釗［9］通過(guò)系統(tǒng)的環(huán)境研究江蘇綽墩古土壤不同粒徑土壤粒度的平均含量及眾數(shù)粒度，并與附近的鎮(zhèn)江下蜀黃土剖面的粒度特征進(jìn)行比較，初步認(rèn)定綽墩古土壤母質(zhì)為下蜀黃土。周華等［10］通過(guò)分析江蘇連云港藤花落遺址土壤粒度發(fā)現(xiàn)，遺址文明存在期間曾發(fā)生過(guò)大規(guī)?；蜷L(zhǎng)時(shí)間水患事件，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件被破壞，最終導(dǎo)致整個(gè)文明走向衰落，同時(shí)，結(jié)合重金屬環(huán)境研究結(jié)果，發(fā)現(xiàn)龍山文化時(shí)期人類社會(huì)的出現(xiàn)與繁榮恰逢自然環(huán)境相對(duì)良好時(shí)期，并且文明衰落與消亡正好對(duì)應(yīng)自然環(huán)境發(fā)生變遷階段，環(huán)境研究表明自然環(huán)境變遷是通過(guò)影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的興衰而導(dǎo)致文明的興盛與湮滅。張俊娜和夏正楷［11］運(yùn)用河南洛陽(yáng)二里頭南沉積剖面的粒度特征的分析結(jié)果指示了水動(dòng)力條件的強(qiáng)弱，并與氣候的暖濕變化相對(duì)應(yīng)，結(jié)合光釋光測(cè)年及磁化率環(huán)境研究結(jié)果，最終確定該剖面沉積過(guò)程經(jīng)歷了3個(gè)階段，其中剖面中部地層曾經(jīng)歷了一場(chǎng)河流階地被淹沒(méi)的特大洪水事件。

1.2土壤微形態(tài)土壤微形態(tài)是土壤組構(gòu)在微觀-超微觀尺度上的具體表現(xiàn)，包含有大量在宏觀上用肉眼無(wú)法觀察到的細(xì)微現(xiàn)象，因此長(zhǎng)期被作為環(huán)境研究土壤發(fā)展演替的重要途徑［12］。通過(guò)環(huán)境研究文化遺址內(nèi)土壤微形態(tài)特征來(lái)恢復(fù)歷史時(shí)期人類的活動(dòng)方式和環(huán)境特征是一種有效手段，近些年來(lái)在歐洲、中亞、中美洲等地的考古環(huán)境研究中開(kāi)展了大量土壤微形態(tài)環(huán)境研究工作，并取得了豐富的成果［12］。Cornwall［13］首次根據(jù)考古遺址中土壤微形態(tài)分析的結(jié)果重建古環(huán)境變化的歷史，并解釋了灰燼、居住面等人類活動(dòng)遺跡的特征;Biagi等［14］通過(guò)觀察土壤微形態(tài)對(duì)史前遺址周圍土地利用情況的影響進(jìn)行了環(huán)境研究，為認(rèn)識(shí)史前農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)等經(jīng)濟(jì)生活方式提供了重要信息;Courty等［15］在出版的《SoilMicromorphologyinArchaeology》中建立了一套相對(duì)獨(dú)立的土壤微形態(tài)環(huán)境研究方法，并通過(guò)對(duì)約旦河下游NetivHagdud和Salibiya前陶新石器遺址建筑遺存的土壤微形態(tài)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)所有用來(lái)建筑房屋的土坯均是采用從附近的河流沖積物中專門挑選的原料制成，但不同地面所用的材料有所區(qū)別;Kemp等［16］通過(guò)土壤微形態(tài)環(huán)境研究，初步恢復(fù)了古耕作土壤特征及農(nóng)耕方式;董廣輝等［17］對(duì)青海喇家遺址內(nèi)外砂壤土進(jìn)行顯微鏡觀察和土壤微結(jié)構(gòu)分析，認(rèn)為喇家遺址內(nèi)成壤環(huán)境較穩(wěn)定，受生物擾動(dòng)較少，局部淋溶作用較強(qiáng)和有人類作用的痕跡，而遺址外土壤微形態(tài)受到生物強(qiáng)烈的擾動(dòng)，并且經(jīng)歷了古水流的作用。

1.3土壤元素自然環(huán)境變化引起的土壤環(huán)境變化是造成土壤中元素遷移轉(zhuǎn)化的根本原因，因此土壤中元素含量的多少及變化能很好地反映環(huán)境變化［18］。人類在某個(gè)地區(qū)定居下來(lái)，并進(jìn)行各種人類活動(dòng)必然會(huì)對(duì)周圍的環(huán)境造成影響，并改變周圍土壤中的地球化學(xué)元素組成［4］。不同的人類活動(dòng)對(duì)周圍環(huán)境中的土壤會(huì)造成不同的地球化學(xué)元素改變，而土壤中化學(xué)元素組成的空間并不會(huì)因?yàn)榉课莼蛘哌z址的廢棄而改變，能更準(zhǔn)確地反映遺址過(guò)去的空間分布［19］。當(dāng)僅僅依靠發(fā)現(xiàn)的古器物不足以解釋某一區(qū)域問(wèn)題的時(shí)候，土壤的元素組成能夠提供古人活動(dòng)的重要線索［20-23］。Barba和Bello［24］在美國(guó)中部以及瑪雅地區(qū)，環(huán)境研究驗(yàn)證了在中美洲可以運(yùn)用化學(xué)元素推測(cè)古人類活動(dòng);Sandra和Christopher等［25］將衛(wèi)星遙感影像分析和空間統(tǒng)計(jì)相結(jié)合，對(duì)多種化學(xué)元素進(jìn)行疊加，用以鑒定馬拉納圣盧卡斯考古遺址的空間化學(xué)組合，結(jié)果表明當(dāng)時(shí)的土壤條件難以生長(zhǎng)自然植被，而地表化學(xué)富集受其他過(guò)程的影響。環(huán)境研究土壤元素在不同土層的富集和虧損可判斷遺址的殘留與遷移，可反映古人類對(duì)土壤的利用活動(dòng)。元素磷在古遺址的尋找和解釋中占有非常重要的席位［26-27］。1911年，埃及農(nóng)學(xué)家Hughes注意到古人類居住地土壤磷含量高于周圍相同時(shí)期自然土壤磷含量［28］，但最早系統(tǒng)地將土壤磷分析用作考古環(huán)境研究的是瑞典的Arrhenius，他于1929年發(fā)現(xiàn)包含維京農(nóng)場(chǎng)和居民點(diǎn)遺骸地區(qū)的土壤中磷的含量高［29］，采用富磷指示古人類活動(dòng)這一結(jié)論運(yùn)用于北國(guó)遺址環(huán)境研究中，證明此地3名婦女曾因使用巫術(shù)而被焚燒，此后，考古學(xué)家開(kāi)始考慮通過(guò)環(huán)境研究土壤化學(xué)元素來(lái)反映人類活動(dòng);1963年，Arrhenius［30］證實(shí)富磷指示結(jié)論同樣適用于美國(guó)西南部考古遺址，跨文化跨地區(qū)卻相近的環(huán)境研究結(jié)論確立了富磷可作為重要指標(biāo)指示人類定居點(diǎn)，同時(shí)也證明了環(huán)境研究土壤元素對(duì)考古具有一定的價(jià)值。董廣輝等［31］對(duì)河南大陽(yáng)河遺址古土壤化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行環(huán)境研究，發(fā)現(xiàn)文明起源時(shí)期的人類活動(dòng)對(duì)古土壤化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生了明顯的影響，土壤中有機(jī)碳、全氮和有機(jī)磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯增加，人類活動(dòng)還使古土壤中元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的比值發(fā)生了明顯的變化，由此說(shuō)明環(huán)境研究地點(diǎn)的人類活動(dòng)方式是生活和居住，而不是農(nóng)作。與王灣三期相比，二里頭時(shí)期土壤中有機(jī)碳、全氮和有機(jī)磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯升高，這也說(shuō)明環(huán)境研究地點(diǎn)二里頭時(shí)期人類活動(dòng)強(qiáng)度較王灣三期有所增強(qiáng)。查理思等［32］環(huán)境研究了河南洛陽(yáng)二里頭文化遺址區(qū)古人類活動(dòng)對(duì)土壤化學(xué)成分的影響，結(jié)果表明古人類活動(dòng)使土壤有機(jī)碳、全磷和有機(jī)磷含量顯著增加，還使土壤中元素含量的比值發(fā)生了明顯的變化，有機(jī)磷含量與全磷含量的比值明顯增加，元素含量和比值變化特征說(shuō)明環(huán)境研究地點(diǎn)為古人類的生活居住區(qū)。其他元素的分析也可以為古人類空間利用模式提供有效的線索，特別是一些重要的金屬元素［4］。土壤中高含量Fe與古人類加工龍舌蘭或者屠宰動(dòng)物以及廚房區(qū)域有關(guān)［33］;Ca、Sr含量的高值與利用貝殼沙作肥料的農(nóng)田、靠近爐邊的位置密切相關(guān)［26，34］;Hg的含量與手工制作區(qū)有關(guān)［35］、并且辰砂(HgS)常被瑪雅人用來(lái)作為裝飾或者進(jìn)行某種儀式(比如葬禮)時(shí)的大紅顏料［36］，Hg的含量與宗教儀式或葬禮有關(guān)［37］;而B(niǎo)a、La、Ce、Pr、K、Cs、Th和Rb在原先的小村落地區(qū)高度富集，可以指示當(dāng)?shù)毓湃说木幼^(qū)域［26］;Ca、Ba、Sr、Zn、P和Pb可以反映古人類不同的活動(dòng)方式［34］;而軟錳礦(MnO2)、孔雀石(CuCO3•Cu(OH)2)、藍(lán)銅礦也常被用作顏料［36］。李中軒等［38］對(duì)湖北遼瓦店遺址地層樣品的氧化物含量和地球化學(xué)元素含量的分析結(jié)果表明，K、Mn、Sr、Ba含量驟降地層說(shuō)明該時(shí)期人類活動(dòng)減少，其原因可能為自然災(zāi)害，Pb含量的異常和Cu含量高值暗示遺址有青銅器制作活動(dòng)，此外，Mg和Ca含量的高值與耕作區(qū)、墻壁灰漿、生活垃圾堆積等人類活動(dòng)相關(guān)。周群英和黃春長(zhǎng)［39］對(duì)陜西西周灃鎬遺址區(qū)土壤樣品中的Fe、Rb、和Se的含量進(jìn)行分析，其結(jié)果揭示了與全新世環(huán)境變化相對(duì)應(yīng)的成壤過(guò)程，土壤發(fā)育表現(xiàn)為邊沉積邊成壤，同時(shí)發(fā)現(xiàn)人類農(nóng)業(yè)耕作活動(dòng)主要是從西周人遷都至灃河岸邊時(shí)開(kāi)始的。高華中等［40］通過(guò)分析三峽庫(kù)區(qū)中壩遺址(位于重慶市于忠縣境內(nèi))土壤中有機(jī)碳含量及其與周圍環(huán)境的關(guān)系，推測(cè)當(dāng)人類活動(dòng)強(qiáng)度大，地表自然植被破壞嚴(yán)重時(shí)，有機(jī)質(zhì)的輸入量減少，土壤侵蝕量增大，土壤有機(jī)碳含量隨之降低;當(dāng)氣溫下降時(shí)，往往降水隨之減少，對(duì)植被生長(zhǎng)不利，從而造成有機(jī)質(zhì)輸入量減少。

1.4土壤磁化率土壤磁化率是土壤各組分的磁性反映，是物質(zhì)磁化性能的量度［41］。土壤磁性受環(huán)境控制，在評(píng)價(jià)氣候、母質(zhì)、生物、地形和時(shí)間等主要成土因子的基礎(chǔ)上，能夠反映全球環(huán)境變化、氣候變遷和人類活動(dòng)等綜合信息。有關(guān)土壤磁化率特征與土壤性質(zhì)的關(guān)系及影響因素已有大量環(huán)境研究報(bào)道，特別是在一些文化遺址區(qū)內(nèi)，環(huán)境研究結(jié)果顯示在土壤發(fā)生學(xué)、古氣候和環(huán)境變化等方面的應(yīng)用已經(jīng)取得較大進(jìn)展，為相關(guān)考古環(huán)境研究提供了具有價(jià)值的依據(jù)。磁化率在黃土高原地區(qū)古氣候環(huán)境研究中被作為一種代用氣候指標(biāo)［42］。安芷生等［43］指出:古土壤的較高磁化率值在一定程度上反映了溫濕氣候條件下濕度增大促使植被密度增大、成壤作用增強(qiáng);反之，低磁化率則指示了濕度較小、植被稀疏、發(fā)育黃土的干冷氣候狀況?；艨〗艿龋?4］對(duì)陜西大荔人遺址剖面進(jìn)行了系統(tǒng)的巖石磁學(xué)性質(zhì)環(huán)境研究，結(jié)果表明黃土-古土壤樣品的頻率磁化率曲線，古里雅冰芯氧同位素、細(xì)微粒濃度曲線，岐山五里鋪剖面有機(jī)質(zhì)含量曲線在古氣候記錄方面具有一致性，均展示出至少?gòu)腗IS5以來(lái)，氣候從冰期到間冰期的變化是漸變的，反之則表現(xiàn)了突變特征。洛陽(yáng)盆地內(nèi)二里頭遺址南沉積剖面位于遺址所在二級(jí)階地的前緣，屬于河流堆積，張俊娜和夏正楷［11］對(duì)剖面的沉積物樣品進(jìn)行磁化率分析，發(fā)現(xiàn)磁化率的大小與水動(dòng)力和氣候條件相關(guān)，環(huán)境研究發(fā)現(xiàn)該沉積剖面記錄了4000aBP前后龍山晚期發(fā)生的一次異常洪水事件，這次洪水事件對(duì)二里頭城址的選擇具有重要的影響。馬春梅等［45］結(jié)合磁化率和地球化學(xué)元素提取出安徽尉遲寺遺址地層記錄的環(huán)境演變信息，認(rèn)為該區(qū)5050aBP以前即新石器時(shí)期為暖濕氣候，大汶口文化階段氣候偏干冷且波動(dòng)頻繁，大汶口至龍山文化期間，氣候由冷轉(zhuǎn)向溫濕，為水稻生產(chǎn)提供了有利條件，促進(jìn)了龍山文化的繁榮。張振卿等［46］對(duì)河南安陽(yáng)殷墟地區(qū)3個(gè)土壤剖面的巖性分析和磁化率測(cè)試，發(fā)現(xiàn)巖性和磁化率變化之間均存在較好的一致性。磁化率從地表向下均有明顯降低的趨勢(shì)，黃土-古土壤序列的磁化率埋藏效應(yīng)在殷墟地區(qū)河流相沉積物中同樣存在;土壤剖面中古土壤層磁化率相對(duì)其他層位明顯降低，且波動(dòng)幅度較小，這種規(guī)律有別于目前已被廣泛接受的黃土中古土壤磁化率增強(qiáng)的土壤成因模式;殷墟地區(qū)土壤剖面磁化率在古土壤層上部急劇升高且波動(dòng)劇烈，該層位年代和殷墟文化產(chǎn)生的年代相吻合。受人類干擾強(qiáng)烈的土壤，特別是文化層土壤，人類活動(dòng)對(duì)磁化率起到了主要作用。史威等［47］對(duì)重慶中壩考古遺址多剖面地層進(jìn)行高分辨率的質(zhì)量磁化率(SI)分析，環(huán)境研究表明:磁化率分布表現(xiàn)異常，在很大程度上已掩蓋了氣候變化、成土作用等因素對(duì)地層磁化率分布的貢獻(xiàn)，反映出遺址堆積物曾受到人類長(zhǎng)期異常強(qiáng)烈的改造，而堆積物來(lái)源主要以文化器物碎片、人為帶入的自然碎屑物和頻繁的洪水沉積物為主。碎陶片集中(尤其紅陶)的文化層表現(xiàn)為高磁化率，其中多次異常高值的出現(xiàn)可能與當(dāng)時(shí)高強(qiáng)度用火、大規(guī)模燃燒等事件致使土層磁性礦物增加有關(guān);而“洪水?dāng)_動(dòng)層”則表現(xiàn)為低磁化率。

1.5多環(huán)芳烴多環(huán)芳烴(PAHs)是包括化石燃料煤、石油、煤焦油等有機(jī)化合物的熱解或不完全燃燒的產(chǎn)物，廣泛分布于大氣、土壤、古土壤、沉積物、有機(jī)生物體中［48］，是人類活動(dòng)的良好指示物［49］。曹志洪［50］在環(huán)境研究新石器時(shí)期水稻土?xí)r發(fā)現(xiàn)含有較高的多環(huán)芳烴(PAHs)等有機(jī)污染物，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明其主要來(lái)源于古人焚燒的稻草秸稈，其中有少量也可能是還原條件下的生物自然合成的［51］。Ramdahl［52］認(rèn)為惹烯也能通過(guò)松類樹(shù)脂在低溫燃燒下降解形成，鄒勝利等［49］在金羅家遺址考古土壤中檢測(cè)到了卡達(dá)烯和惹烯兩種多環(huán)芳烴化合物，可推測(cè)高等植被是古人類生活用火的主要薪材。李久海等［53］運(yùn)用聚類分析和主成分分析環(huán)境研究了多環(huán)芳烴(PAHs)在含6000a(馬家浜文化時(shí)期)古水稻土剖面中的分布特征，環(huán)境研究表明、苯并(k)熒蒽、苯并(a)蒽、茚并(1，2，3-cd)芘、苯并(b)熒蒽、芘、苯并(a)芘、二苯并(a，h)蒽和熒蒽等化合物主要是人為產(chǎn)生，芴和菲由生物合成，而萘、二萘嵌苯和蒽則可能來(lái)源于人為產(chǎn)生和生物合成的共同作用。此外，熒蒽/菲、苯并(a)蒽/菲和苯并(a)芘/菲等可以作為與陸生植物和化石燃料燃燒有關(guān)的芳烴產(chǎn)物的標(biāo)志，這些多環(huán)芳烴可能與人類活動(dòng)有一定的關(guān)系，說(shuō)明考古遺址土壤中的多環(huán)芳烴記錄能夠反映生活在該遺址上一些人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和活動(dòng)的信息［49］。

1.6土壤植物遺存植物考古的環(huán)境研究不僅可以探索與人類文化活動(dòng)相關(guān)的植物遺存，如食物生產(chǎn)的起源與發(fā)展過(guò)程、人類利用其他植物的活動(dòng)等;同時(shí)能復(fù)原古代生態(tài)環(huán)境。植物考古旨在解決考古學(xué)環(huán)境研究中的全面復(fù)原人類社會(huì)的歷史問(wèn)題。通常在考古遺址中發(fā)現(xiàn)的植物遺存可歸納為三大類［54］:大植物遺存(Macroremains)、孢粉(PollenandSpores)和植物硅酸體(Phytolith，Plantopal)。大植物遺存主要包括木材、種子、果實(shí)、果核及外殼、莖稈等。由于植物產(chǎn)生大量的具有顯著形態(tài)學(xué)特征的種子并廣泛傳播，且易于保存，所以最為醒目和可靠的當(dāng)屬能在遺址中找到較多的種子和果實(shí)［35］?？脊胚z址中的大植物遺存主要針對(duì)炭化過(guò)的植物遺存而言［55］。炭化的大植物遺存目前主要通過(guò)浮選的方法獲得，可以作為標(biāo)本來(lái)鑒定植物來(lái)源種屬，并且方便進(jìn)行直接的14C測(cè)年。如，閆雪等［56］通過(guò)浮選結(jié)果的量化分析，推測(cè)商代鄭家壩地區(qū)經(jīng)營(yíng)以粟為主的旱作農(nóng)業(yè)，并且有豐富的野生核果、漿果類以及其他植物資源。王育茜等［57］通過(guò)分析遼寧查海遺址的炭化植物遺存，初步了解到該遺址聚落周圍廣泛分布闊葉落葉林，且其植被組合可能與全新世初期溫暖濕潤(rùn)的氣候有關(guān)，聚落居民在房屋建筑材料和薪柴獲取活動(dòng)中利用了聚落周圍的森林資源，而遺存的山杏、核桃楸、榛子和一些禾本科、豆科植物的發(fā)現(xiàn)說(shuō)明采集是獲取植物性食物的主要方式。孢粉形體微小、形態(tài)各異、廣泛分布、易于保存，有助于環(huán)境研究史前時(shí)期地區(qū)較廣范圍的區(qū)域性植被的植物組成［54］。孢粉與遺址的各階段氣候、古環(huán)境變化和古人類的活動(dòng)密切相關(guān)，而且顯示了古人生產(chǎn)活動(dòng)的程度和能力。利用孢粉分析結(jié)果分析古代的植被狀況，推測(cè)當(dāng)時(shí)的環(huán)境背景，有助于了解環(huán)境變化和人類文化演變之間的關(guān)系［58］。李珍等［59］在環(huán)境研究上海馬橋遺址時(shí)，利用文化層中各孢粉組合的差異反映了古人類活動(dòng)環(huán)境的變遷，孢粉組合特征說(shuō)明從良諸文化時(shí)期農(nóng)業(yè)已有發(fā)展，由出土的錛、鏟刀等也可證實(shí);孫雄偉和夏正楷［58］以土壤剖面為環(huán)境研究對(duì)象，通過(guò)高分辨率的孢粉分析表明該地區(qū)中全新世以來(lái)的孢粉組合以草本植物占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，并根據(jù)孢粉組合的變化將剖面分為5個(gè)孢粉組合帶，探討了各個(gè)時(shí)期的古植被和古環(huán)境變化;張玉蘭［60］通過(guò)環(huán)境研究上海廣富林遺址、馬橋遺址探方樣品的孢粉、藻類，并結(jié)合前人已有的資料推測(cè)太湖地區(qū)良渚文化突然消亡的原因是水泛。植硅體是土壤中生物硅的一種［61］?？脊胚z址文化層在堆積過(guò)程中，由于人類使用植物的活動(dòng)，有可能積聚較多的植物莖和葉，莖和葉腐爛后，其中的硅化細(xì)胞和組織———植硅體能夠得以保存，而且數(shù)量很大，在考古土壤、容器內(nèi)含物、灰堆、陶器碎片、干糞中?？纱罅康匕l(fā)現(xiàn)。植硅體作為考古土壤中的原地腐爛的植物殘余，能夠反映細(xì)微的環(huán)境變化和過(guò)去人類對(duì)植物的選擇以及利用有關(guān)的文化活動(dòng)［49，62］。姜?dú)J華［63］通過(guò)測(cè)定河南潁陽(yáng)遺址區(qū)土壤樣品中禾草類植硅石含量和花粉含量，結(jié)果表明在五千年前的仰韶文化中、晚期，登封地區(qū)的氣候溫暖濕潤(rùn)，并且當(dāng)時(shí)登封地區(qū)可能已經(jīng)有一定規(guī)模的水稻種植。吳妍等［64］對(duì)湖北鄖西黃龍洞遺址區(qū)土壤中植硅體進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)地層中禾本科和木本科的植硅體特征顯示遺址古植被環(huán)境較好;較多海綿狀骨針?lè)从彻湃祟惢顒?dòng)時(shí)期遺址周圍有較好的水源條件;洞內(nèi)遺址活動(dòng)層中較多碳屑樣品則反映鄖西人在洞穴內(nèi)可能曾有過(guò)對(duì)火的控制和利用。結(jié)果表明當(dāng)時(shí)氣候類型總體為溫暖型，鄖西人生活居住的洞內(nèi)氣候較溫暖干燥，而洞外相對(duì)炎熱濕潤(rùn)。

1.7土壤動(dòng)物遺存動(dòng)物考古旨在通過(guò)對(duì)遺址內(nèi)動(dòng)物的化石遺存環(huán)境研究，尋找人類與動(dòng)物之間的關(guān)系。李新偉等［65］對(duì)河南靈寶西坡M27墓主腹部的土樣進(jìn)行提取并進(jìn)行顯微鏡觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)有圓圓的寄生蟲(chóng)卵，這種寄生蟲(chóng)卵通常與食用豬肉有關(guān);通過(guò)對(duì)骨骼內(nèi)15N的分析同樣也可以反映出墓主的食肉情況，15N的含量高一般就表明使用豬肉較多;此外，對(duì)墓主人頭骨的環(huán)境研究，發(fā)現(xiàn)他的頭骨形態(tài)與西坡聚落另一座大型墓葬M8的頭骨形態(tài)非常相似，以此推測(cè)墓主極可能是一個(gè)當(dāng)時(shí)社會(huì)上層家族的一員。國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者通過(guò)環(huán)境研究遺址出土動(dòng)物牙釉質(zhì)及骨骼來(lái)推測(cè)古環(huán)境。國(guó)際考古學(xué)界一般以出土的當(dāng)?shù)貏?dòng)物骨骼和牙釉質(zhì)的鍶同位素比值建立遺址當(dāng)?shù)氐逆J同位素比值標(biāo)準(zhǔn)。Ezzo和Price［66］測(cè)定了遺址出土嚙齒動(dòng)物的牙釉質(zhì)及骨骼的鍶同位素比值和同一遺址史前人類牙釉質(zhì)的鍶同位素比值，環(huán)境研究表明二者非常接近。Bentley等［67］對(duì)出土動(dòng)物牙釉質(zhì)的鍶同位素比值的統(tǒng)計(jì)分析，得出豬的鍶同位素標(biāo)準(zhǔn)偏差遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他動(dòng)物，而且由于豬吃的食物主要是人類食物的剩余，所以可以用豬骨骼和牙齒中鍶同位素比值代表當(dāng)?shù)氐逆J同位素水平。國(guó)內(nèi)學(xué)者在環(huán)境研究遺址出土動(dòng)物骨骼的基礎(chǔ)上推測(cè)當(dāng)時(shí)的自然環(huán)境及生業(yè)模式，如，趙春燕等［68］通過(guò)測(cè)定河南瓦店遺址龍山文化晚期出土的鼠骨及豬、黃牛、綿羊牙釉質(zhì)的鍶同位素比值，推斷由當(dāng)?shù)爻霎a(chǎn)鼠的可能性最大，由出土鼠骨的鍶同位素修正得到瓦店遺址當(dāng)?shù)氐逆J同位素比值范圍，并根據(jù)該范圍確定了出土的豬、綿羊和黃牛是否在當(dāng)?shù)爻錾?胡松梅等［69］對(duì)陜北橫山楊界沙遺址出土的所有動(dòng)物骨骼進(jìn)行了科學(xué)的收集和分類鑒定，環(huán)境研究表明至少代表3綱7目10科11個(gè)屬種，并推測(cè)遺址周圍的自然景觀以草原為主，草原上有草兔、綿羊等食草動(dòng)物，不遠(yuǎn)處的沙漠曾有鵝喉羚出沒(méi)，草原和沙漠間分布著一定面積的水域且有蚌類出現(xiàn)，飼養(yǎng)家畜和捕獵野生動(dòng)物是當(dāng)時(shí)人們的肉食來(lái)源，其中家養(yǎng)動(dòng)物豬的肉量比例占到了整個(gè)食用動(dòng)物群的87.9%;趙瑩［70］通過(guò)鑒定、環(huán)境研究銀梭島遺址出土的動(dòng)物骨骼標(biāo)本，探討了骨骼標(biāo)本痕跡、骨角器的制作工藝以及該遺址先民的生存環(huán)境、生業(yè)模式、風(fēng)俗習(xí)慣等;李永憲［71］通過(guò)環(huán)境研究卡諾遺址新出土的動(dòng)物骨骼和生產(chǎn)工具，結(jié)果表明其用于“狩獵”、“畜牧”的石質(zhì)工具從早到晚呈遞增趨勢(shì)，晚期狩獵業(yè)仍占有重要地位，農(nóng)耕作物在很大程度上受到地理?xiàng)l件的限制。綜上，目前能夠反映古環(huán)境信息的土壤特性如表1所示。

2文化遺址區(qū)古土壤環(huán)境研究展望

2.1借鑒相關(guān)環(huán)境研究指標(biāo)近年來(lái)文化遺址區(qū)古土壤的環(huán)境研究取得了很大的進(jìn)展，但其環(huán)境研究方法主要是通過(guò)分析土壤粒度、土壤元素和土壤中的動(dòng)植物遺存等方面來(lái)推測(cè)其所處時(shí)期的土壤條件、氣候環(huán)境以及人類活動(dòng)情況，而幾乎沒(méi)有運(yùn)用第四紀(jì)古土壤環(huán)境研究中常用于反映古氣候古環(huán)境的指標(biāo)，如土壤顏色、土壤礦物、土壤黑碳等。

2.1.1土壤顏色土壤顏色是其在可見(jiàn)光波段的反射光譜特性，與土壤有機(jī)質(zhì)含量、氧化鐵含量、質(zhì)地、黏粒含量、水分、主導(dǎo)黏土礦物類型等理化性狀密切相關(guān)［72］。已有環(huán)境研究結(jié)果表明［72-78］，土壤的顏色記錄在千萬(wàn)年尺度上，土壤顏度指標(biāo)中的紅度、黃度和亮度與氣候變化指標(biāo)磁化率、粒度和碳酸鹽均有很好的相關(guān)性，能很好地再現(xiàn)氣候變化的特征，并能指示成土過(guò)程。比如，土壤紅化率指數(shù)可推斷古紅土成土母質(zhì)風(fēng)化成土作用［72］;土壤紅度值與年降水量有一定的定量關(guān)系［73］;土壤顏色的空間變化則可以反映氣候要素對(duì)土壤性狀的制約性［74］。因此，在環(huán)境研究文化遺址區(qū)古土壤時(shí)，土壤顏色作為氣候變化的代用指標(biāo)是完全可行的［75］，通過(guò)其顏度指標(biāo)中的紅度、黃度、亮度及其與磁化率、粒度等的關(guān)系來(lái)反映遺址區(qū)的氣候狀況，從而推測(cè)當(dāng)時(shí)的生業(yè)方式及農(nóng)耕條件;亦可運(yùn)用紅化率指數(shù)推斷成土母質(zhì)風(fēng)化成土作用。此外，若遺址區(qū)土壤中發(fā)現(xiàn)紅燒土［79］、灰燼［80］等顏色明顯的古土壤，可推斷古人類居住點(diǎn)的空間變化情況。

2.1.2土壤黏土礦物、土壤氧化物類礦物黏土礦物的沉積分異、組合特征，礦物含量及礦物結(jié)晶度均從不同方面記錄了環(huán)境變化的信息，使黏土礦物成為了環(huán)境變化信息的載體［81］。不少國(guó)內(nèi)外學(xué)者［78，82-84］通過(guò)對(duì)黏土礦物的環(huán)境研究，解釋了沉積物的來(lái)源、古氣候變化以及古環(huán)境特征。此外，還有一些學(xué)者探討了總有機(jī)碳與黏粒含量及黏土礦物含量的相關(guān)性［85］，或結(jié)合黏土礦物參數(shù)指標(biāo)與土壤粒度特征、CH測(cè)年數(shù)據(jù)進(jìn)行分析［86］，提取沉積物記錄的古環(huán)境信息。因此，在環(huán)境研究文化遺址區(qū)古土壤的黏土礦物特征時(shí)，若發(fā)現(xiàn)由相同母質(zhì)發(fā)育形成的古土壤中黏土礦物不同，可以推測(cè)其可能受到了古人類或古環(huán)境的擾動(dòng)，進(jìn)而對(duì)黏土礦物與有機(jī)碳、黏粒含量、粒度、測(cè)年數(shù)據(jù)等指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析，從而推測(cè)古氣候及古環(huán)境狀況。土壤中的氧化物常作為反映成土過(guò)程和成土環(huán)境的指示物，可以通過(guò)分析不同氧化物、氧化物分子比值特征來(lái)說(shuō)明地層所反映的氧化-還原條件、古氣候的冷(暖)-干(濕)變化情況［87］。如全氧化鐵(TFe2O3)指標(biāo)反映相對(duì)降水量變化，硅鋁鐵率(SiO2/(Al2O3+Fe2O3))指示風(fēng)化強(qiáng)度變化，氧化度(Fe3+/Fe2+)指示古溫度變化，殘積系數(shù)((Al2O3+Fe2O3)/(CaO+M+Na2O))、化學(xué)蝕變指數(shù)(CIA)、硅鋁率(SiO2/Al2O3)、退堿系數(shù)((Na2O+CaO)/Al2O3)等風(fēng)化參數(shù)也可以指示古氣候變化［87］。此外，鐵能夠很好地反映自然土壤和有人為擾動(dòng)的農(nóng)田土壤的特征［88］;在相同或相近的降雨量、氣溫、排水狀況等成土環(huán)境下，氧化鐵可用于評(píng)價(jià)和推斷土壤發(fā)育程度和相對(duì)成土年齡［89］。上述實(shí)例說(shuō)明，土壤氧化物可以作為一個(gè)良好的指標(biāo)來(lái)分析文化遺址區(qū)古土壤特性及其反映的古環(huán)境信息。

2.1.3蝸牛蝸牛是黃土地層中一類最為豐富的生物化石，對(duì)氣候環(huán)境的變化十分敏感，能夠提供較物理、化學(xué)指標(biāo)更為詳細(xì)的古氣候、古環(huán)境信息［90］。已有學(xué)者［91，92］根據(jù)蝸?；M合推測(cè)氣候環(huán)境的波動(dòng)情況，如粉華蝸牛代表耐干旱、寒冷氣候的生態(tài)特征，而齒螺代表喜潮濕、溫暖的生態(tài)學(xué)特征［93］。因此，環(huán)境研究文化遺址區(qū)古土壤時(shí)，可通過(guò)蝸牛化石的環(huán)境研究來(lái)推測(cè)古氣候、古環(huán)境信息，進(jìn)而結(jié)合其他指標(biāo)推導(dǎo)古人類活動(dòng)。

2.1.4土壤黑碳目前黑碳仍沒(méi)有統(tǒng)一的定義［94-96］，唐揚(yáng)等［94］總結(jié)國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于黑碳的環(huán)境研究，認(rèn)為黑碳是有機(jī)物不完全燃燒產(chǎn)生的具有較高熱穩(wěn)定性的焦炭、木炭、煙灰和高度聚集的多環(huán)芳烴類物質(zhì)，此外包括生物體自然降解的殘余物以及微小的有機(jī)碎屑。土壤黑碳可用于推斷特定區(qū)域內(nèi)較大尺度時(shí)間(10000a)內(nèi)所發(fā)生的大火事件，也可用于人類活動(dòng)對(duì)土壤黑碳組分的影響［94］，并且何躍等［97-98］環(huán)境研究發(fā)現(xiàn)土壤黑碳與有機(jī)碳比值可以反映不同燃燒活動(dòng)的物質(zhì)來(lái)源。此外，Wang等［99］通過(guò)對(duì)全新世土壤的黑碳記錄環(huán)境研究顯示，表層土壤的質(zhì)量沉積速率相對(duì)于下層土壤有大幅度的增加，可能與人類活動(dòng)的影響有關(guān)。因此，通過(guò)測(cè)定文化遺址區(qū)的土壤黑碳濃度，可以重建古火災(zāi)事件，進(jìn)而反映歷史氣候干濕變化及化石燃料的使用歷史。

2.2進(jìn)一步加強(qiáng)土壤學(xué)與考古學(xué)的結(jié)合考古地層學(xué)環(huán)境研究是現(xiàn)代文化遺址區(qū)時(shí)空界定的重要標(biāo)尺，也是考古學(xué)中最為重要的理論。在發(fā)掘過(guò)程中，根據(jù)土質(zhì)土色來(lái)判斷層位關(guān)系，是考古發(fā)掘過(guò)程中最常用的方法。但是對(duì)土壤缺乏科學(xué)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)是目前考古學(xué)不可回避的事實(shí)。如果能在考古發(fā)掘過(guò)程中引入土壤學(xué)的相關(guān)知識(shí)，以其理論和方法統(tǒng)一考古對(duì)土壤的描述，加深土壤的系統(tǒng)環(huán)境研究，不僅可以促進(jìn)考古學(xué)的規(guī)范化，同時(shí)也方便學(xué)科間的交流;并且可利用土壤特性分析成土?xí)r期周邊的氣候環(huán)境狀況，從而為我們環(huán)境研究古代文化提供便利。例如文化層的年代順序主要根據(jù)考古器物的(如陶片、瓷片、磚瓦塊等)顏色、圖案、花紋和形態(tài)類型與已確定年代的考古器物特征進(jìn)行對(duì)比分析來(lái)確定，其結(jié)果可輔證土壤14C、熱釋光等測(cè)年結(jié)果，也可為大致判斷對(duì)應(yīng)自然層的年代提供參考。程鵬和宋誠(chéng)［100］在環(huán)境研究良渚文化時(shí)指出，考古遺址的環(huán)境研究包括對(duì)考古遺址的時(shí)空位置和遺址自身的環(huán)境研究，前者主要通過(guò)分析古人類居住點(diǎn)的空間變化，后者則是通過(guò)對(duì)遺址的地層堆積的環(huán)境研究，從全局到局部的環(huán)境研究思路，同樣可運(yùn)用到土壤學(xué)環(huán)境研究中，從全局土壤一般性質(zhì)到局部土壤特殊性質(zhì)，變化差異可印證區(qū)域性和地方性環(huán)境演變與古人類生存活動(dòng)的關(guān)系。王建新［6］通過(guò)對(duì)河南澠池縣班村遺址及周圍地區(qū)地層堆積情況的環(huán)境研究，確認(rèn)了四種不同的地層，從遺址中心到遺址以外，人的作用越來(lái)越小，自然的作用越來(lái)越大，從而總結(jié)了將遺址邊緣區(qū)作為紐帶連接文化層與自然層的環(huán)境研究思路，再通過(guò)人工制品遺物和土色土質(zhì)這兩種標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)應(yīng)和結(jié)合，就可以找到自然層與文化層之間的關(guān)系，將遺址及其周圍地區(qū)的環(huán)境與氣候的變遷環(huán)境研究與考古學(xué)文化的分期環(huán)境研究對(duì)應(yīng)起來(lái)，從而準(zhǔn)確地為考古學(xué)文化變遷的環(huán)境研究提供環(huán)境與氣候的背景。此外，農(nóng)耕土層和文化斷層值得特別注意［6］，農(nóng)耕土層往往與自然土層相似，但其堆積的原始書(shū)理被破壞，可通過(guò)檢測(cè)其中植物孢粉和硅酸體等的種類及數(shù)量予以確認(rèn)，將農(nóng)耕土層與遺址內(nèi)外的自然層和文化層對(duì)應(yīng)起來(lái)，進(jìn)而推測(cè)農(nóng)耕土層的文化時(shí)期;而文化斷層是自然災(zāi)害的指示物，可以通過(guò)尋找文化斷層來(lái)尋找自然災(zāi)害信息［101］。

2.3建立文化遺址區(qū)古土壤的診斷技術(shù)指標(biāo)曹志洪［50］通過(guò)對(duì)中國(guó)史前灌溉稻田和古水稻土連續(xù)4年多的環(huán)境研究，提出了一套診斷古水稻田和古水稻土的技術(shù)指標(biāo)，并獲得了新石器時(shí)期“火耕水溽”———原始灌溉稻作技術(shù)的科學(xué)證據(jù)，以揭示7000a以來(lái)我國(guó)稻作農(nóng)業(yè)的興衰與全球氣候變化的關(guān)系以及灌溉稻田和水耕人為土起源及其對(duì)世界文明的貢獻(xiàn)。古人類活動(dòng)在土壤中留下了許多的肉眼看得見(jiàn)和看不見(jiàn)的信息，事實(shí)上，土壤是我們環(huán)境研究古人類活動(dòng)信息最主要的來(lái)源，在我們能夠破譯這些信息之前，土壤也是保護(hù)這些珍貴古人類信息的最好載體。因此建議建立文化遺址區(qū)古土壤的定性與定量化診斷技術(shù)指標(biāo)體系，通過(guò)土壤結(jié)構(gòu)、元素、微形態(tài)、動(dòng)植物遺存、遺物遺跡等具體指標(biāo)來(lái)推測(cè)古土壤特性及其所反映的古環(huán)境信息，并進(jìn)一步推測(cè)古人類活動(dòng)，以此對(duì)文化遺址區(qū)古土壤環(huán)境研究提供技術(shù)支持，同時(shí)有助于更明確地保護(hù)和環(huán)境研究古文化遺產(chǎn)。

2.4豐富文化遺址區(qū)古土壤的環(huán)境研究方法過(guò)程—響應(yīng)關(guān)系是一種確定的土壤過(guò)程和由此產(chǎn)生的土壤特性之間的因果關(guān)系［102］。土壤過(guò)程會(huì)導(dǎo)致不同的、可量化的屬性，如黏土淀積作用，并且這些特征是可診斷的［103-104］?？脊磐寥缹W(xué)的主要目標(biāo)是以此聯(lián)系某種土壤診斷指標(biāo)和單一的因果過(guò)程或整套流程，下一步的環(huán)境研究目標(biāo)則是量化這種關(guān)系［102］。這是因?yàn)槲幕z址區(qū)考古土壤的過(guò)程—響應(yīng)關(guān)系具有殊途同歸性，即不同影響因素的組合可以產(chǎn)生相同的最終結(jié)果［105-106］。如Carter和Da-vidson［107］、Usai［108］通過(guò)土壤微形態(tài)探討粉質(zhì)黏粒膠膜與古耕作活動(dòng)的關(guān)系，結(jié)果表明二者沒(méi)有直接的相關(guān)關(guān)系，其形成可能與耕作，也可能與繼承母質(zhì)等非人為因素有關(guān);Macphail的實(shí)驗(yàn)表明，經(jīng)踐踏和凍融過(guò)程后的粉質(zhì)黏粒具有相似的特性;Courty［109］甚至對(duì)這種粉質(zhì)黏粒膠膜給出了至少六種解釋，以此例證了可能性解釋的多樣性。2014年9月在波蘭托倫召開(kāi)的第十三屆古土壤大會(huì)上，主要由來(lái)自俄羅斯、墨西哥和中國(guó)的土壤學(xué)家介紹了遺址區(qū)古土壤環(huán)境研究新進(jìn)展。TamaraCruz-y-Cruz在墨西哥北部和中部含有動(dòng)物化石遺址區(qū)通過(guò)分析土壤中有機(jī)質(zhì)、大型土壤動(dòng)物骨骼化石、動(dòng)物膠原蛋白和牙釉質(zhì)的穩(wěn)定碳同位素(δ13C)含量，還原出C3和C4植物含量比例，從而推導(dǎo)出古氣候特征。Sycheva在舊石器文化Divnorie遺址運(yùn)用土壤發(fā)生學(xué)推導(dǎo)古成土過(guò)程，并結(jié)合有機(jī)質(zhì)、炭屑、連二亞硫酸鹽和草酸鹽含量分析以及孢粉譜測(cè)試結(jié)果，相互之間印證推導(dǎo)出古土壤成土環(huán)境。吳克寧在河南仰韶村文化遺址通過(guò)分析土壤的粒度、質(zhì)地、磁化率、色度、孢粉和植硅體從而還原古環(huán)境特征，并推論出仰韶文化演變和氣候變化的耦合關(guān)系。因此，可進(jìn)一步探索運(yùn)用新的氣候替代指標(biāo)和古人類活動(dòng)檢測(cè)方法來(lái)環(huán)境研究文化遺址區(qū)的古土壤，獲取更多受古人類活動(dòng)直接或間接影響的特殊指標(biāo)數(shù)值，并分析各影響指標(biāo)之間的相關(guān)關(guān)系，進(jìn)而豐富文化遺址區(qū)古土壤的環(huán)境研究方法。

2.5加強(qiáng)對(duì)文化遺址區(qū)土壤的分類環(huán)境研究中國(guó)是歷史悠久、文化輝煌的國(guó)家，其寶貴的文化遺產(chǎn)中蘊(yùn)含著深厚的歷史文化信息。對(duì)于文化遺址土壤這一特殊環(huán)境研究對(duì)象，土壤學(xué)家可通過(guò)考古資料推導(dǎo)不同時(shí)間尺度下古人類土地利用方式以及古氣候環(huán)境;而考古專家在推測(cè)古人類生產(chǎn)生活方式需考慮土壤肥力、土地利用、土壤發(fā)育過(guò)程對(duì)遺存物含量及位置變化的影響。土壤學(xué)家和考古學(xué)家相互合作，有助于還原文化遺址區(qū)的景觀環(huán)境和古人類活動(dòng)，逐步加強(qiáng)土壤學(xué)和考古學(xué)的結(jié)合，不僅可以促進(jìn)考古學(xué)的規(guī)范化，使環(huán)境研究成果更加科學(xué)，同時(shí)也方便學(xué)科之間的交流。環(huán)境研究古土壤已成為國(guó)際土壤學(xué)界新的環(huán)境研究熱點(diǎn)，2006年在美國(guó)費(fèi)城召開(kāi)的世界土壤學(xué)大會(huì)上將“古土壤”增列為“土壤的時(shí)空演變(Division-1)”大專業(yè)下的“第6專業(yè)委員會(huì)”。

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關(guān)鍵詞：水黃皮；半紅樹(shù)植物；培育習(xí)性

中圖分類號(hào) S723.1，S725.71 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2017）12-0102-04

Abstract：In order to enrich coastal shelterbelt species and landscape planting species in Fujian Province. Semi-mangrove Pongamia pinnata which was introduced from Taiwen Province was planted at Zhangpu County in 2004.The morphological feature and the growth characteristics of Pongamia pinnata were observed. Seeds of Pongamia pinnata which were introduced from Taiwan were collected and were cultivated in nursery in 2008. And the planting experiment were tried in mudflat and landscape in Zhangpu County.Success on planting had been achieved.The result showed that Pongamia pinnata might be planted in coastal shelterbelt and landscape.The technique of seedling and planting of semi-mangrove Pongamia pinnata，which is summarized in this paper，can be used for reference.

Key words：Pongamia pinnata；Semi-mangrove plant；Seedling and planting habit

水S皮（Pongamia pinnata（L.）Merr.）原產(chǎn)于廣東、廣西、海南和臺(tái)灣。印度、日本、馬來(lái)西亞、新幾內(nèi)亞、波利尼西亞群島、澳大利亞、馬斯卡群島等地也有分布[1]。是一個(gè)既能在潮間帶生存，并可在海灘上成為優(yōu)勢(shì)樹(shù)種，又能在陸地環(huán)境自然繁殖的兩棲木本植物，是典型的半紅樹(shù)植物。國(guó)內(nèi)外對(duì)半紅樹(shù)植物的研究還較少[2]，在水黃皮研究中主要是探索其化學(xué)成分及藥用價(jià)值的開(kāi)發(fā)利用，有關(guān)水黃皮的種植有如下幾篇報(bào)道；呂武杭等（2007）進(jìn)行了水黃皮的引種栽培試驗(yàn)，韓靜等（2010）開(kāi)展了水黃皮發(fā)芽試驗(yàn)，林武星等（2010）闡述了水黃皮苗期生長(zhǎng)特性和育苗技術(shù)，邱鳳英等（2010）研究了水黃皮幼苗的耐鹽性，劉濱爾等（2011）報(bào)道了不同基質(zhì)對(duì)水黃皮幼苗生長(zhǎng)及生理生化指標(biāo)的影響。水黃皮具備獨(dú)特的形態(tài)結(jié)構(gòu)和生態(tài)功能，具有抗風(fēng)、耐鹽堿、抗旱和耐水浸的特性，它不僅是一個(gè)可做為沿海防護(hù)林樹(shù)種栽培的濱海植物，也是重要的工業(yè)原料和藥用原料，推廣種植水黃皮，不僅能夠給林產(chǎn)工業(yè)和醫(yī)藥行業(yè)提供原料來(lái)源，而且對(duì)豐富沿海防護(hù)林樹(shù)種、特別是對(duì)紅樹(shù)林濕地的物種多樣性具有重要的生態(tài)意義。2004年福建省漳浦縣從臺(tái)灣引種水黃皮，2007年開(kāi)始開(kāi)花結(jié)果，2008年從引種的水黃皮樹(shù)上采種育苗、并應(yīng)用于沿海灘T地帶造林和陸地園林綠化，取得了良好的效果。針對(duì)于目前尚未對(duì)半紅樹(shù)植物水黃皮較為全面的總結(jié)報(bào)道，現(xiàn)依據(jù)多年來(lái)的栽培觀測(cè)、著重對(duì)水黃皮的形態(tài)特征、生物學(xué)特性、主要用途、苗木培育及造林方法方面進(jìn)行闡述，以便為水黃皮作為沿海防護(hù)林樹(shù)種推廣栽培及其他方面的利用提供較為全面的資料參考。

1 水黃皮的特征特性

1.1 形態(tài)特征 水黃皮屬豆科Leguminosae（蝶形花科Papilionaceae）水黃皮屬Pongamia的常綠或半落葉喬木，通常樹(shù)高8～15m，奇數(shù)羽狀復(fù)葉，長(zhǎng)20～25cm，小葉對(duì)生5～7片，單片小葉長(zhǎng)5～10cm，寬4～8cm，近革質(zhì)，卵形至長(zhǎng)橢圓形，托葉早落?？偁罨ㄐ蛞干ü诎咨虻t色。每年開(kāi)2次花，首次花期4-6月，果期8-10月。木質(zhì)莢果矩形扁平，長(zhǎng)4～6cm，寬約1.5～2.5cm，種子單粒，腎形。因?yàn)楣麑?shí)能在水面上漂浮傳播，也稱“水流豆”。根系發(fā)達(dá)，能深扎于土壤之中，枝條韌性大，抗風(fēng)性強(qiáng)，還有“九重吹”之別稱。

1.2 生物學(xué)特性 水黃皮為中性植物，對(duì)光照要求不高，比較耐陰；生育適溫在22～33℃，具有耐熱之特性；對(duì)土壤要求不嚴(yán)，可在瘠薄的立地條件下生長(zhǎng)，其根部的根瘤菌具固氮作用，能改良土壤，有利于提高土壤肥力；在水分需求上具有其耐旱性；水黃皮幼苗在鹽度為5～8g?kg-1處理下生長(zhǎng)較好，鹽度超過(guò)8g?kg-1后，不適生長(zhǎng)，可見(jiàn)半紅樹(shù)植物水黃皮對(duì)土壤鹽度具有一定的耐受性，可在鹽度適合的沿海岸邊造林生長(zhǎng)[3]；水黃皮還有良好的耐風(fēng)及抗污染能力。

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關(guān)鍵詞：城市；地質(zhì)環(huán)境；重金屬含量；關(guān)系

Abstract: distribution and migration of heavy metal content in definite extent, reflect the change of geological environment situation, in view of the urban geological environment change, from the land of city, source and distribution of heavy metals in the changes of heavy metals in the geological environment and geological environment, and heavy metal elements in geologic environment three aspects discusses the significance of their relation to contain heavy metals, to offer some reference to improve the urban geological environment.

Key words: the city; Geological environment; Heavy metal content; Relationship between

中圖分類號(hào)：F407.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

隨著人類經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市化成為必然的過(guò)程，而我國(guó)正處于快速城市化時(shí)期，相應(yīng)對(duì)城市地質(zhì)環(huán)境的研究日益增多。加強(qiáng)城市地質(zhì)環(huán)境的研究是實(shí)現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展的重要工作，而針對(duì)重金屬與城市環(huán)境變化的聯(lián)系的研究則較少見(jiàn)，本文將嘗試闡述二者的關(guān)系，為城市地質(zhì)環(huán)境的研究提供一些參考。

一、城市地質(zhì)中重金屬元素來(lái)源與分布

明晰城市地質(zhì)環(huán)境變化與重金屬元素關(guān)系首先要了解地質(zhì)環(huán)境中的重金屬元素的來(lái)源與分布。地質(zhì)環(huán)境中的重金屬元素來(lái)源廣泛，首先是成土母質(zhì)本身含有的重金屬元素，不同的母質(zhì)、成土所含有的重金屬種類及含量均有較大的差異性。而城市人類活動(dòng)頻繁，也加重了重金屬的元素對(duì)大氣、水土的污染。

（一）大氣中重金屬沉降

大氣中重金屬主要來(lái)源于工業(yè)生產(chǎn)、汽車尾氣排放及輪胎磨損，其載體為有害氣體及粉塵。這些金屬元素通過(guò)自然沉降或雨水沉降的方式，進(jìn)入城市表層土壤，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而進(jìn)入土壤深層或經(jīng)雨水和風(fēng)作用進(jìn)入到河流或重入空氣中。大氣中主要的重金屬元素主要是鉛（Pb）、鋅（Zn）、鎘（Cd）、鉻（Cr）、鈷（Co）及銅（Cu）等，它們來(lái)自元含鉛汽油及汽車輪胎磨損。重金屬主要分布在以工業(yè)區(qū)為中心周邊區(qū)域和公路兩側(cè)，大氣重金屬沉降是隨著城市人口增多、土地利用率增大及機(jī)動(dòng)車數(shù)量而增大的。工業(yè)越是發(fā)達(dá)，所帶來(lái)的重金屬也就越多。

（二）污水灌溉

在城市中，污水灌溉主要是指城市綠化地的用水。城市灌溉用水雖然經(jīng)過(guò)了簡(jiǎn)單處理，而從實(shí)質(zhì)上而言仍舊屬于污水，水中含有多種重金屬元素，如：汞（Hg）、鎘（Cd）、砷（As），灌溉用水的初始來(lái)源仍舊是是工業(yè)廢水。此類重金屬元素主要分布在綠化地的土壤中。

(三)含重金屬?gòu)U棄物的堆積

重金屬?gòu)U棄物包含的范圍極為廣泛，有電子元件、電池、設(shè)備、生活垃圾等等。其主要含有的金屬有鎘（Cd）、汞（Hg）、鉻（Cr）、鋅（Zn）、銻（Sb）、鉛（Pb）等，主要污染范圍是以廢棄堆為中心，向四周擴(kuò)散。而由于廢棄物的多樣性，導(dǎo)致各重金屬元素的含量污染程度不相同，例如以鉻渣堆放區(qū)則鎘（Cd）、汞（Hg）和鉛（Pb）為重度污染，而鋅（Zn）、銅（Cu）等污染程度相對(duì)較輕。

（四） 其他間接性污染

其他間接性的污染主要是重金屬元素的遷移而進(jìn)入城市地質(zhì)環(huán)境中，如隨著河流、地下水、空氣粉塵及人類交通運(yùn)輸?shù)牟牧系取Ｓ捎诖祟愔亟饘僭匾话憔哂泻芎玫倪w移性，污染分布的范圍極為廣泛，并且包括了以上提及的各類重金屬元素。

二、地質(zhì)環(huán)境中重金屬形態(tài)與地質(zhì)環(huán)境變化

重金屬元素的遷移性質(zhì)與地質(zhì)環(huán)境的水污染，土壤污染變化相關(guān)。而重金屬的形態(tài)直接決定著其遷移性質(zhì)，從而產(chǎn)生不同的環(huán)境效應(yīng)，同時(shí)也直接影響到重金屬的毒性和在自然界中的循環(huán)。重金屬的形態(tài)分類較多，所以本文只選取幾種共有和較為重要的形態(tài)進(jìn)行論述。

（一） 可交換態(tài)重金屬

可交換態(tài)重金屬是指吸附在你粘土、腐殖質(zhì)及其他成分上的金屬，它對(duì)環(huán)境變化敏感，易于遷移轉(zhuǎn)化，能被植物吸收。由于具有良好的可遷移性質(zhì)，故能在某段時(shí)期內(nèi)反映出人類近期排污及對(duì)生物的毒性強(qiáng)弱，間接的能反映出地質(zhì)環(huán)境的變化。

（二）碳酸鹽結(jié)合態(tài)重金屬

碳酸鹽結(jié)合態(tài)重金屬是指地質(zhì)中重金屬元素在碳酸鹽礦物上形成的共沉淀結(jié)合態(tài)。一般情況下，該形態(tài)能夠穩(wěn)定的存在，而當(dāng)土壤條件發(fā)生變化時(shí)，容易從重新釋放進(jìn)入到環(huán)境當(dāng)中，尤其容易受到pH值的影響。所以此類重金屬元素的遷移釋放表明了城市地質(zhì)環(huán)境的變化。

（三）鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)重金屬

礦物質(zhì)外囊物和細(xì)小粉塵是鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)重金屬主要存在的地方，重金屬主要通過(guò)吸附或共沉淀陰離子的方式而形成。它對(duì)土壤中的pH值和氧化還原電位敏感，在pH值和氧化還原電位較高時(shí)，有利于形成鐵錳氧化物，其主要反映的人文活動(dòng)對(duì)地質(zhì)環(huán)境的影響。

（四）有機(jī)結(jié)合態(tài)重金屬

有機(jī)結(jié)合態(tài)重金屬是土壤中各種有機(jī)物與土壤中的重金屬螯合而成，如植物殘?bào)w、腐殖質(zhì)及礦物質(zhì)顆粒等。在城市此類重金屬形態(tài)主要存在與河流當(dāng)中，反映地質(zhì)環(huán)境中有機(jī)物污水或污染土的情況。

（五） 殘?jiān)鼞B(tài)重金屬

殘?jiān)鼞B(tài)金屬是在自然地質(zhì)風(fēng)化過(guò)程中產(chǎn)生的，一般存在與硅酸鹽、原生和次生礦物中。此形態(tài)的重金屬能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定的存在，自然條件下，需要經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)風(fēng)化、侵蝕過(guò)程才能夠釋放到環(huán)境當(dāng)中。其遷移情況反映的是地質(zhì)環(huán)境的長(zhǎng)期變化的情況，而在城市地質(zhì)環(huán)境中相對(duì)少見(jiàn)。

三、重金屬元素對(duì)城市地質(zhì)環(huán)境的意義

重金屬元素的分布規(guī)律是與土壤發(fā)生過(guò)程和/或其他過(guò)程的綜合作用有關(guān)。研究表明，風(fēng)化成壤的過(guò)程中土壤各層重金屬元素含量特點(diǎn)基本上與母質(zhì)的地球化學(xué)特征相似。而對(duì)于具體環(huán)境而言，對(duì)比不同層次的重金屬含量與背景值的差異，可以反映出外源性重金屬是否有加入和富集。地質(zhì)土壤中金屬元素主要以殘?jiān)鼞B(tài)存在，短時(shí)期內(nèi)能夠保持穩(wěn)定的狀態(tài)，所以當(dāng)存在人類活動(dòng)作用時(shí)，重金屬元素的變化就反映在了地質(zhì)地層上，某些情況下，檢測(cè)不同地層的重金屬變化，還可以推斷或預(yù)測(cè)地質(zhì)變化歷史和趨勢(shì)。

四、結(jié)語(yǔ)

總體而言，重金屬元素的分布不同及存在形態(tài)的不同反映了城市地質(zhì)環(huán)境中水文，礦產(chǎn)資源以及人類活動(dòng)的情況，重金屬元素的分布越是廣泛越表明地質(zhì)環(huán)境污染變化越嚴(yán)重，而形態(tài)的多樣性則進(jìn)一步表明城市地質(zhì)環(huán)境的多樣性與多變性。檢測(cè)城市地質(zhì)中重金屬元素的變化情況，有利于更為清楚了解城市地質(zhì)所發(fā)生的變化。

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篇6

關(guān)鍵詞：非光滑表面 工程仿生 幾何形態(tài) 減粘脫附

引言

仿生被認(rèn)為是原始創(chuàng)新的不竭動(dòng)力和源泉，是一個(gè)無(wú)止境的科技前沿。仿生摩擦學(xué)是工程仿生的重要領(lǐng)域，是仿生學(xué)的一個(gè)重要分支。仿生摩擦學(xué)技術(shù)建立于生物摩擦學(xué)行為的認(rèn)識(shí)和深入理解之上，仿生摩擦學(xué)研究?jī)?nèi)容包括仿生減摩（減阻）、仿生增摩（增阻）、仿生附著、仿生防粘（仿生自清潔）、仿生耐磨、仿生等。生物所具有的各種摩擦學(xué)行為是其生存所需要的。就防粘與附著而言，若生物體表面需要防粘，其表面即進(jìn)化出有利于防粘的結(jié)構(gòu)表面和物質(zhì)構(gòu)成，典型的如荷葉效應(yīng)、土壤洞穴動(dòng)物的防粘脫土功能，這種防粘結(jié)構(gòu)和功能被用于多種人工表面的仿生防粘乃至減阻設(shè)計(jì)中。

1生物表面粘附性的仿生學(xué)研究

生物表面的粘附是生物進(jìn)化出來(lái)的適應(yīng)生存環(huán)境的功能，生物的一些部位需求粘附，因而在這些部位進(jìn)化出強(qiáng)的粘附功能，典型的生物粘附或稱附著，發(fā)生在昆蟲(chóng)、壁虎等動(dòng)物足上。最近若干年對(duì)粘附的研究有明顯的進(jìn)展。許多動(dòng)物能夠利用各種附著裝置附著或行走在光滑或粗糙表面如垂直壁面和天棚上，顯示出優(yōu)良的附著功能。許多動(dòng)物爪上具有爪墊，對(duì)光滑表面以及各種粗糙表面有很強(qiáng)的附著能力。

按照附著方式可大致將動(dòng)物足分為三類：爪子、光滑爪墊和剛毛爪墊。動(dòng)物爪子能夠在粗糙表面上附著，其附著能力與表面粗糙度、爪子尖端幾何形狀和尺寸及摩擦系數(shù)有關(guān)。動(dòng)物的光滑爪墊軟且可變形，能夠在光滑表面上附著，如蟑螂、蜜蜂、蝗蟲(chóng)和臭蟲(chóng)的爪墊。動(dòng)物(如壁虎、蒼蠅、甲蟲(chóng)和蜘蛛)的剛毛爪墊覆蓋有較長(zhǎng)的可變形剛毛，如圖1所示。由于這些剛毛易彎曲而與表面接觸形成一系列接觸微區(qū)，Peressadko和Gorb認(rèn)為剛毛尖端部位總體上是平的，構(gòu)成端部接觸單元，端部單元承擔(dān)著與表面的接觸，爪墊的附著力取決于接觸單元的數(shù)量和與外物表面產(chǎn)生緊密接觸的能力。

仿生附著技術(shù)還在發(fā)展中，預(yù)計(jì)通過(guò)有效的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，仿生附著技術(shù)將會(huì)在較多領(lǐng)域獲得應(yīng)用。

2生物表面防粘性的仿生學(xué)研究

粘濕的松散物料對(duì)機(jī)械部件的粘附現(xiàn)象在工程中具有普遍性，尤其是土壤粘附具有較為廣泛的代表性。松軟土壤與地面機(jī)械觸土部件接觸過(guò)程中產(chǎn)生的粘附現(xiàn)象有兩種表現(xiàn)形式：一是表現(xiàn)為土壤與固體表面之間形成的粘附力，二是表現(xiàn)為因土壤粘附力的作用而導(dǎo)致土壤在觸土部件上形成嚴(yán)重的粘附積留現(xiàn)象。土壤粘附嚴(yán)重降低地面機(jī)械的作業(yè)效率和作業(yè)質(zhì)量，增大能耗，甚至使機(jī)械無(wú)法作業(yè)。

柔性是土壤動(dòng)物體表乃至生物界存在的力學(xué)現(xiàn)象。螻蛄、螞蚱、蟋蟀、蜣螂、步甲、田鼠等土壤洞穴動(dòng)物的許多部位生長(zhǎng)著剛毛。土壤動(dòng)物體表柔性主要體現(xiàn)在非光滑結(jié)構(gòu)單元上，因此，稱之為生物柔性非光滑。這種柔性非光滑除具有非光滑表面減粘作用外，單元體的柔性對(duì)來(lái)自土壤的作用力具有緩沖作用，并通過(guò)柔性單元體的相互位移、扭曲等動(dòng)作使與其接觸的土壤被脫掉。土壤動(dòng)物體壁、節(jié)肢的柔性性質(zhì)對(duì)它們的脫土功能也有貢獻(xiàn)?；谕寥绖?dòng)物體表柔性非光滑特征設(shè)計(jì)的仿生裝置用于鏟斗、輪斗、挖斗、自卸車車廂等觸土部件上取得了顯著的脫附效果。

3生物表面摩擦的仿生學(xué)研究

生物表面摩擦性能及機(jī)理研究受到較大關(guān)注，吸引了較多的研究者從事生物摩擦及其仿生摩擦研究。摩擦研究關(guān)注兩個(gè)不同的目標(biāo)，一個(gè)是增大表面摩擦力，一個(gè)是減小表面摩擦力，而在許多情況下又需要將摩擦力或摩擦系數(shù)控制在一定的范圍而滿足于相應(yīng)的技術(shù)需求（如制動(dòng)摩擦技術(shù)）。通過(guò)研究生物摩擦，創(chuàng)造仿生摩擦技術(shù)及裝置是仿生摩擦學(xué)研究和技術(shù)開(kāi)發(fā)的發(fā)展方向之一。

流體介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)表面的仿生減阻技術(shù)得到了較多的研究，在流體中運(yùn)動(dòng)的表面與流體之間產(chǎn)生摩擦力，構(gòu)成運(yùn)動(dòng)表面的前進(jìn)阻力。Carpenter詳細(xì)分析了運(yùn)動(dòng)表面幾何形態(tài)對(duì)流體運(yùn)動(dòng)阻力的影響。鯊魚(yú)皮膚的減阻功能被人們用作流體減阻技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)的仿效對(duì)象，鯊魚(yú)皮表面排布著一系列的鱗片，鯊魚(yú)鱗片具有肋條形態(tài)，如圖2所示。受鯊魚(yú)皮膚結(jié)構(gòu)表面特征及其減阻機(jī)理的啟發(fā)，發(fā)明了多種流體減阻結(jié)構(gòu)表面。具有這種相同仿生微觀表面形態(tài)的透明塑料薄膜，可使飛機(jī)阻力減小8%，這意味著節(jié)省燃油消耗約1.5%。

Sirovich和Karlsson的研究表明：對(duì)機(jī)飛行、燃料管道輸送等高雷諾數(shù)情況下，渦流阻力是一個(gè)制約性能的重要因素。對(duì)于這種情況，當(dāng)表面呈V-型突起形態(tài)(見(jiàn)圖3)且為隨機(jī)分布時(shí)，其阻力比光滑表面的阻力小，然而，其阻力會(huì)因V-型突起分布的微小的變化對(duì)阻力特性影響明顯。表面突起減阻方法在飛機(jī)上應(yīng)用涉及成本問(wèn)題，對(duì)于巡航飛行的亞音速飛機(jī)而言，表面摩擦阻力是飛機(jī)全部阻力的30%，隨機(jī)突起能夠減阻3%左右，可使單個(gè)飛機(jī)的運(yùn)行成本減小0.3%左右，就全世界而言這應(yīng)該是巨大的節(jié)約技術(shù)，但考慮維修、安全因素，總體上可能會(huì)導(dǎo)致成本的增大，因此，這類仿生結(jié)構(gòu)表面被認(rèn)為在商業(yè)飛機(jī)上的應(yīng)用前景不大。

水生動(dòng)物和飛行動(dòng)物中還有大量的未被認(rèn)識(shí)的減阻結(jié)構(gòu)，因此，可以推斷流體減阻仿生結(jié)構(gòu)表面還有廣闊的研究空間。流體減阻仿生表面在車輛、水下航行器、各種飛行器上應(yīng)用將有更大更快的發(fā)展，是國(guó)際科技領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)的熱點(diǎn)，是值得我國(guó)重視和發(fā)展的高技術(shù)。目前，流體減阻研究還僅限于減阻及其與防粘相綜合的研究，尚缺少可能導(dǎo)致新的先進(jìn)的綜合仿生技術(shù)的基礎(chǔ)研究和技術(shù)開(kāi)發(fā)。

4結(jié)束語(yǔ)

隨著經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和科技的發(fā)展，仿生摩擦學(xué)研究及其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?huì)不斷拓寬和深入。仿生摩擦學(xué)是典型的工程科學(xué)與生命科學(xué)交叉的技術(shù)領(lǐng)域之一，需要多學(xué)科人員的合作。國(guó)內(nèi)一些研究機(jī)構(gòu)在降低粘附和減小摩擦方面做了很好的工作，研制的仿生非光滑表面在防粘、減阻方面取得了顯著進(jìn)展并獲得一定應(yīng)用。流體減阻的仿生技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的關(guān)注。仿生粘附和仿生增阻研究有了一定的基礎(chǔ)。但與國(guó)外的研究相比，在許多方面還有不小的差距，需要更多的原始創(chuàng)新研究工作。結(jié)合我國(guó)工業(yè)現(xiàn)代化和面向以精確農(nóng)業(yè)為代表的新的農(nóng)業(yè)科技革命及國(guó)防科技的需求，應(yīng)對(duì)仿生摩擦學(xué)領(lǐng)域的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)，大力開(kāi)展仿生摩擦學(xué)的基礎(chǔ)研究、應(yīng)用基礎(chǔ)研究和仿生摩擦學(xué)產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)，這是仿生摩擦學(xué)的總體發(fā)展方向。

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篇7

關(guān)鍵詞：佳木斯地區(qū)；百里香；引種栽培；園林應(yīng)用

中圖分類號(hào) S688 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2013）16-29-02

百里香屬（Thymus Linn.）為唇形科重要的8個(gè)屬之一，該屬植物花型優(yōu)美，植株低矮，芳香四溢，是優(yōu)良的觀花地被植物。其生于沙質(zhì)坡地、礫石坡地、沙質(zhì)草地等瘠薄土壤，對(duì)于固土護(hù)坡和水土保持具有一定的作用，而且還具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，如抗寒、抗旱、耐瘠薄土壤等特性，應(yīng)用于園林前景廣闊。相關(guān)文獻(xiàn)表明[1-3]，目前對(duì)百里香屬植物的研究大多集中于揮發(fā)油成分以及提取物抑菌特性等方面，未見(jiàn)在北方高寒地區(qū)引種栽培的報(bào)道。筆者在佳木斯地區(qū)引種栽培芳香植物百里香（Thymus mongolicus Ronn.），探討其在北方高寒地區(qū)的生長(zhǎng)表現(xiàn)以及園林應(yīng)用前景，為進(jìn)一步研究和開(kāi)發(fā)利用奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況 佳木斯市（N45°56'～48°28'，E129°29'～135°05'）地處中溫帶濕潤(rùn)氣候區(qū)，屬大陸性季風(fēng)氣候，歷年平均氣溫2.9℃，最低氣溫-41.1℃，最高氣溫38.1℃，年有效積溫2 521℃，年平均降水量510.7mm，年平均日照2 525h[4]。冬長(zhǎng)夏短，無(wú)霜期約131d[5]。試驗(yàn)地位于佳木斯大學(xué)校園內(nèi)，周圍為人工栽植的喬木和草坪，包括紅皮云杉（Picea koraiensis）、青（Picea wilsonii）以及草地早熟禾（Poa pratensis）等草坪植物。試驗(yàn)地為黑土，光照充足、土壤疏松、通風(fēng)透氣性較好。

1.2 試驗(yàn)材料與方法 試驗(yàn)材料為2005年引自寧夏六盤山主峰亭的野生百里香，該種生于山頂坡地，喜光。引種的百里香定植于試驗(yàn)地內(nèi)，定植前進(jìn)行整地。為防止根部脫水，試驗(yàn)材料在運(yùn)輸過(guò)程中應(yīng)用塑料布包好。選取典型植株作為觀察材料，觀察形態(tài)特征、物候期、生長(zhǎng)狀況等。定期進(jìn)行澆水、中耕除草、病蟲(chóng)害防治等田間管理。

2 試驗(yàn)實(shí)施與結(jié)果

2.1 形態(tài)特征 百里香為半灌木，莖多數(shù)匍匐或上升，不育枝被短柔毛，由莖末端或基部生出，匍匐或上升。花枝高2～10cm；花序下密被向下曲或稍平展的疏柔毛?；ㄐ蝾^狀，花具短梗。花萼管狀鐘形或狹鐘形，長(zhǎng)4～4.5mm，內(nèi)面在喉部有白色毛環(huán)；上唇具3齒，齒三角形，具緣毛或無(wú)毛，下唇較上唇長(zhǎng)或近相等?；ü谧仙?，長(zhǎng)6.5～8mm，被疏短柔毛，上唇直伸，微凹，下唇開(kāi)展，3裂，中裂片較長(zhǎng)。葉2～4對(duì)，基部有脫落的先出葉。葉片卵形，長(zhǎng)4～10mm，寬2～4.5mm，先端鈍或稍銳尖，基部楔形或漸狹，全緣或稀有1～2對(duì)小鋸齒，兩面無(wú)毛，側(cè)脈2～3對(duì)，下面微突起，腺點(diǎn)明顯；葉柄明顯，下部葉柄長(zhǎng)約為葉片的1/2，上部葉柄變短；苞葉與葉同形，邊緣在下部1/3處具緣毛。堅(jiān)果近圓形或卵圓形，壓扁狀，光滑。

2.3 栽培試驗(yàn) 百里香耐瘠薄、耐干旱、喜光、怕澇，對(duì)土壤的要求不很嚴(yán)格。百里香最好選擇栽培在排水條件和透氣性較好的土壤之中。故在選擇試驗(yàn)樣地時(shí)，盡量營(yíng)造與其原生境相似的環(huán)境條件。

露地移栽前進(jìn)行整地，苗床要適當(dāng)加高15～20cm。移栽前3d，將苗床澆透水。百里香移栽至苗床時(shí)，應(yīng)斜栽，盡量使植株的枝條接近地面，將土壤壓實(shí)后，澆透水。引種后，百里香在引種地生長(zhǎng)茁壯、長(zhǎng)勢(shì)良好，能夠完成整個(gè)生活史?？陕兜卦蕉诙昝壬卵?，長(zhǎng)勢(shì)較好。

2.4 田間管理 引種試驗(yàn)所用的百里香為野生地被植物，故管理較為粗放。為防止植株脫水和日灼，植于露地的植株，移栽初期1～4d覆蓋遮蔭網(wǎng)。植株移栽初期，每1～2d澆水1次，澆水時(shí)間以傍晚為宜。百里香抗旱性較強(qiáng)，移植1個(gè)月后，無(wú)需澆水，主要依靠自然降水。定期進(jìn)行松土除草，以利于植株的生長(zhǎng)。

2.5 病蟲(chóng)害防治 2006年6月，部分移栽的植株受到蚜蟲(chóng)、菜青蟲(chóng)危害，影響植株的生長(zhǎng)。受蟲(chóng)害后，植株的根、莖、葉受損并萎蔫，有的甚至枯萎。遭受蟲(chóng)害與植株根、莖、葉皆具有芳香氣味有一定的關(guān)系。用50%避蚜霧可濕性粉劑或抗蚜威可濕性粉劑防治蚜蟲(chóng)；用生物殺蟲(chóng)劑高效Bt可濕性粉劑800倍液或0.2%阿維蟲(chóng)清乳油3 000倍液噴霧防治菜青蟲(chóng)。

3 園林應(yīng)用

結(jié)合百里香的形態(tài)特征、抗逆性以及生長(zhǎng)表現(xiàn)，進(jìn)一步探討百里香的園林應(yīng)用方式。其應(yīng)用方式可分為群植和獨(dú)植。百里香群植可作為觀賞地被，其枝葉可遮蓋的地面，且花期時(shí)，豐富了園林的色彩。將百里香栽植于林緣、巖石園或園路兩側(cè)，可豐富景觀的層次和多樣性。百里香還可獨(dú)植作為盆栽觀賞，其莖、葉、花所散發(fā)的芳香氣味，在色、形、韻之外，又增添了嗅覺(jué)效果。

參考文獻(xiàn)

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[2]馬莉，姚雷，吳亞妮，等.2種百里香的植物學(xué)性狀和精油成分的比較[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)：農(nóng)業(yè)科學(xué)版，2008，26（2）：150-152，160.

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篇8

關(guān)鍵詞：城市；土壤；綠色植物；影響

中圖分類號(hào)：F291.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：

前言

城市土壤是城市生態(tài)系統(tǒng)中必不可少的一部分，是城市綠化的根本。城市土壤質(zhì)量的好壞，將直接對(duì)城市生態(tài)環(huán)境以及城市綠化建設(shè)產(chǎn)生影響，甚至對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)及人民生活也會(huì)產(chǎn)生影響。因此，研究城市土壤的特征以及做好城市土壤的開(kāi)發(fā)和利用，不僅可以加強(qiáng)城市綠化建設(shè)，而且對(duì)提高城市的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，提升城市人民的生活質(zhì)量有著重要的作用。

城市土壤的特點(diǎn)

城市土壤是自然土壤在城市發(fā)展及人為干擾下發(fā)育形成的，其特征與自然土壤相比已經(jīng)發(fā)生了明顯的變化，其特征如下：

1.1土壤的形態(tài)和剖面結(jié)構(gòu)混亂

城市在建設(shè)過(guò)程中往往需要進(jìn)行挖掘、搬運(yùn)、堆積和混合，同時(shí)還有大量的廢棄物進(jìn)行填充，因此，城市土壤的發(fā)育層次非?；靵y，大多土層之間完全沒(méi)有聯(lián)系，其分異不連續(xù)，也沒(méi)有統(tǒng)一的規(guī)律，甚至因?yàn)槿藶樵虬l(fā)生很多土層倒置的現(xiàn)象，比如新土壤層在下，古土壤層在上等情況。

1.2人工附加物含量高，土壤質(zhì)地變性

城市中，由于居民生活、建設(shè)施工、工業(yè)生產(chǎn)等人類活動(dòng)，給城市土壤帶來(lái)了許多外來(lái)物，像碎石、煤渣、玻璃、磚塊、塑料以及生活垃圾、工業(yè)廢棄物等。因此，城市土壤的結(jié)構(gòu)多為土、礫石和垃圾的混合物，顆粒組成中以砂粒和礫石居多，有些土壤中砂和礫石含量竟可高達(dá)80%~90%，粘粒及細(xì)粒少，土壤質(zhì)地多為砂質(zhì)和石質(zhì)，其質(zhì)地較粗，持水性差，不利于綠色植物的生長(zhǎng)。

1.3土壤孔隙度小，容重大

城市人口比較密集，車流及人流量大，經(jīng)過(guò)不斷地人為踐踏以及車輛的軋壓，破壞了土壤本身的結(jié)構(gòu)。因此，城市土壤的結(jié)構(gòu)相對(duì)緊實(shí)，孔隙度小，容重大。一般來(lái)說(shuō)，人流對(duì)土壤的影響深度為3~10厘米，土壤硬度為l4～18 kg／cm2；車輛的影響深度約30~35厘米，土壤硬度為l0~70 kg／cm2；而在機(jī)械反復(fù)碾壓的區(qū)域，其深度則可達(dá)到1米以上，嚴(yán)重影響植物的生長(zhǎng)。

1.4PH值偏高，主要偏堿性

在城市中，常常有不少的磚塊、水泥等堿性廢棄物混入土壤，導(dǎo)致城市土壤的PH值升高，大多呈堿性。據(jù)檢測(cè)，南京市城區(qū)的土壤PH值變幅為5.19~9.15，幾乎都呈堿性，而且有部分為強(qiáng)堿性，而在南京周邊，其自然土壤的PH值變幅則為4.51~7.4，基本以酸性為主。因此，城市土壤PH值明顯高于自然土壤，而且在土層的不同剖面中，PH值分布無(wú)規(guī)律。

1.5城市土壤養(yǎng)分少，肥力低

城市土壤中的養(yǎng)分元素主要來(lái)源有：廢物、降雨、少量的生物殘?bào)w以及土壤母質(zhì)等，元素輸入比較單一，而養(yǎng)分元素的主要輸出有：淋溶流失、氧化揮發(fā)和植物吸收等，屬于高輸出、低輸入的養(yǎng)分循環(huán)模式，容易導(dǎo)致植物生長(zhǎng)所必需的元素含量低，肥力不足。

1.6城市土壤污染比較嚴(yán)重

城市土壤大多為零星、孤立分布，面積都比較小，其物質(zhì)能量的代謝和循環(huán)轉(zhuǎn)化單一而緩慢，生物種類少，環(huán)境容量小，對(duì)污染的自凈能力??；而城市又屬于重污染源，其工業(yè)三廢、汽車尾氣、生活及醫(yī)藥垃圾等都會(huì)帶來(lái)土壤污染。因此，城市土壤污染的現(xiàn)象比較嚴(yán)重，尤其是重金屬污染，其銅、鉛的含量很高。

2.城市土壤對(duì)綠化栽植的影響

2.1植物的正常生長(zhǎng)受到影響

城市土壤中養(yǎng)分低、透氣性差、附加物多、物質(zhì)循環(huán)的干擾因素多、結(jié)構(gòu)緊實(shí)、污染嚴(yán)重等原因，將直接導(dǎo)致綠化植物營(yíng)養(yǎng)缺失、長(zhǎng)勢(shì)不良；而且，由于城市土壤硬度高，影響了植物根系的發(fā)育，甚至根系死亡，繼而影響植物地面部分的生長(zhǎng)。

2.2城市的園林景觀受到影響

以綠色植物為基礎(chǔ)的城市園林景觀將因植物的長(zhǎng)勢(shì)不同而展現(xiàn)不同的景象。若園林植物長(zhǎng)勢(shì)好，發(fā)育旺盛，形態(tài)優(yōu)美，葉色光亮，則園林綠化就顯得生機(jī)盎然，其景觀效果好；若因?yàn)槌鞘型寥罓顩r不佳而導(dǎo)致園林植物長(zhǎng)勢(shì)不良，植株低矮、葉色暗淡，甚至葉焦花枯，則直接影響了園林景觀的觀賞性。

2.3增加城市園林綠化的建設(shè)及維護(hù)成本

城市土壤的土質(zhì)不能充分滿足植物的生長(zhǎng)需求，因此，在綠化施工時(shí)必須對(duì)土壤進(jìn)行處理，有的填充客土，有的則要全面換土，喬木種植時(shí)還要進(jìn)行樹(shù)穴換土，并對(duì)土壤進(jìn)行施肥和消毒；由于城市土壤中的磚塊、礫石多，植物根系不易下扎，導(dǎo)致樹(shù)木穩(wěn)定性差，易倒伏，因此往往需要搭設(shè)支撐；而城市路面多數(shù)封閉，自然降水很少能直接供給植物，需要人工補(bǔ)水；同時(shí)，由于城市土壤的肥力低，需要定期進(jìn)行人工給肥等。以上這些，都將直接增加城市園林綠化的建設(shè)及維護(hù)成本。

3.做好城市土壤的利用及保護(hù)

為了促進(jìn)城市的發(fā)展，滿足人民的生活需要，滿足城市園林植物正常生長(zhǎng)的需要，我們必須科學(xué)地利用和保護(hù)城市土壤。

3.1 合理規(guī)劃城市用地、充分保護(hù)利用土壤資源

如果土壤受到環(huán)境破壞，其恢復(fù)和治理均有一定的困難，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，也不利于植物成長(zhǎng)，所以在進(jìn)行用地建設(shè)和規(guī)劃的時(shí)候，應(yīng)預(yù)先確定綠化位置并給予保護(hù)。對(duì)于城市建設(shè)中所占用的農(nóng)田，需在施工前用推土機(jī)將肥沃土堆積存儲(chǔ)，供綠化所用，或者由綠化部門運(yùn)走。在城市的規(guī)劃和建設(shè)初期，就應(yīng)該綜合考慮這些因素，將城市綠化區(qū)的位置確定，以避免該位置的土壤受到破壞難以恢復(fù)。

3.2 城市土壤監(jiān)測(cè)與控制

要加強(qiáng)城市土壤資源的管理，防止城市的建設(shè)和生活中的有害垃圾混入土壤造成土壤污染；做好土壤污染的監(jiān)測(cè)和控制工作，控制好三廢的排放，提倡廢物再回收及無(wú)害化處理，加強(qiáng)宣傳和教育，提高公眾的土壤保護(hù)意識(shí)，普及土壤保護(hù)知識(shí)，使大家能夠更自覺(jué)有效地保護(hù)城市土壤。

3.3 城市土壤的調(diào)查和研究

城市土壤資源是城市綠地系統(tǒng)規(guī)劃的基礎(chǔ)資料，是決定城市綠化的重要依據(jù)，所以城市土壤和人為因素有非常大的影響。城市土壤是污染物匯集地，了解城市土壤的特征及其污染情況，對(duì)其進(jìn)行科學(xué)的統(tǒng)計(jì)，以便更好地對(duì)綠地系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃，才能根據(jù)不同的土質(zhì)栽培不同的綠植品種。

3.4 要加強(qiáng)城市土壤的治理和改良

運(yùn)用現(xiàn)代生物及生態(tài)工程技術(shù)，對(duì)已受污染或退化的土壤進(jìn)行重建及生態(tài)恢復(fù)，通過(guò)摻入腐葉土或混入粗砂等措施改善土壤結(jié)構(gòu)，增加通透性，此外，還可以通過(guò)人工施肥、化學(xué)方法治理、覆蓋栽培等途徑來(lái)增加土壤肥分，改善土壤結(jié)構(gòu)，使其能夠適合植物的生長(zhǎng)。

4.結(jié)語(yǔ)

做好城市土壤的保護(hù)功在當(dāng)代，利在千秋。通過(guò)加強(qiáng)對(duì)城市土壤的研究，進(jìn)一步了解城市土壤特性，提高人們的土壤環(huán)境保護(hù)意識(shí)，一方面可以促進(jìn)社會(huì)不斷減少污染和破壞，另一方面對(duì)已破壞的土壤加強(qiáng)治理，為城市綠色植物的生長(zhǎng)提供保障，也為城市人民生活提供優(yōu)質(zhì)的環(huán)境。

參考文獻(xiàn)：

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專論與綜述

(857)生物炭研究進(jìn)展及其研究方向 謝祖彬 劉琦 許燕萍 朱春悟

(862)穩(wěn)定性同位素技術(shù)在土壤重要有機(jī)組分循環(huán)轉(zhuǎn)化研究中的應(yīng)用 田秋香 張威 閆穎 何紅波 張旭東 鄭立臣

(870)淡水湖泊河口區(qū)磷的輸入遷移及其對(duì)藻類生長(zhǎng)的影響 錢子俊 高海鷹 王曉龍

(876)耕地地力評(píng)價(jià)可持續(xù)研究發(fā)展方向探討 吳鵬飛 孫先明 龔素華 劉洪斌

研究報(bào)告

(883)施肥和秸稈還田對(duì)紅壤水稻土有機(jī)碳分布變異及其礦化特性的影響 馬力 楊林章 肖和艾 夏立忠 李運(yùn)東 劉曉春

(891)不同時(shí)期典型?v土剖面肥力特征與耕層肥力指數(shù)比較分析 攝曉燕 謝永生 王輝 張應(yīng)龍

(897)馬龍縣植煙土壤養(yǎng)分空間變異特征及適宜性評(píng)價(jià) 李強(qiáng) 周冀衡 楊榮生 張拯研 張一揚(yáng) 解燕 黃夸克 劉加紅

(903)不同施氮量對(duì)太湖地區(qū)新增設(shè)施菜地土壤硝態(tài)氮累積的影響 陸扣萍 謝寅峰 閔炬 施衛(wèi)明

(910)施用銨態(tài)氮對(duì)森林土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氦的影響 馬紅亮 王杰 高人 尹云鋒 孫杰

(917)氮水平和硝態(tài)氮比例對(duì)烤煙新品種yh05氮肥效應(yīng)的影響 徐照麗 盧秀萍 李梅云 焦芳嬋

(924)填充型烤煙栽培中氮磷鉀肥與產(chǎn)量的施肥模型 尹鵬達(dá) 朱文旭 趙麗娜 焦玉生 趙光偉 孫廣玉

(930)淹水時(shí)間對(duì)水稻土磷素形態(tài)轉(zhuǎn)化及其有效性的影響 薄錄吉 王建國(guó) 王巖 李偉 楊林章

(935)不同鉀肥用量對(duì)長(zhǎng)春花盛花期生長(zhǎng)和生物堿含量的影響 宋姍姍 隆小華 劉玲 劉兆普

(941)長(zhǎng)期施用化肥和稻草對(duì)紅壤性水稻土非交換性鉀釋放動(dòng)力學(xué)的影響 廖育林 鄭圣先 聶軍 謝堅(jiān) 魯艷紅 楊曾平

(948)珠江三角洲典型地區(qū)表層農(nóng)田土壤中多氯聯(lián)苯殘留狀況 江萍 趙平 萬(wàn)洪富 郭志興 張?zhí)毂?楊國(guó)義 侯梅芳

(954)竹炭固定化微生物對(duì)土壤中阿特拉津的降解研究 范玉超 劉文文 司友斌 崔紅標(biāo)

(961)轉(zhuǎn)基因抗蟲(chóng)棉對(duì)莖部?jī)?nèi)生細(xì)菌多樣性的影響 陳磊 汪峰 張祥志 高國(guó)慶 劉標(biāo) 陳良燕 崔中利 曹慧

(968)不同秸稈施用方式下接種蚯蚓對(duì)土壤團(tuán)聚體及其中碳分布的影響 袁新田 焦加國(guó) 朱玲 劉滿強(qiáng) 李輝信 胡鋒

(975)干旱區(qū)三種荒漠植被“肥島”土壤顆粒變異特征研究 劉耘華 盛建東 武紅旗 高軍 張瑾 張莉燕

(981)巢湖低丘山區(qū)典型植被群落與土壤環(huán)境因子特征研究 王曉龍 常龍飛 李恒鵬 張奇

(987)水耕年限對(duì)黃棕壤發(fā)育的水稻土的表面化學(xué)性質(zhì)的影響 姜軍 趙安珍 楊聰 朱大威 徐仁扣

(993)草萘胺在五種土壤及其膠體上的吸附行為 何任紅 馬愛(ài)軍

(998)不同尺度下土壤鹽分空間變異的指示克里格評(píng)價(jià) 楊奇勇 楊勁松 姚榮江

(1004)濱海鹽土暗管排水降漬脫鹽

果研究 劉永 王為木 周祥

(1009)一種土壤鹽分傳感器的敏感場(chǎng)分析及其校正研究 劉梅先 楊勁松 李曉明 余美

(1015)甘蔗渣微波輔助定向裂解制備糠醛聯(lián)產(chǎn)土壤改良劑研究 曾穩(wěn)穩(wěn) 劉玉環(huán) 李積華 王允圃 楊柳 阮榕生 萬(wàn)益琴

(1021)基于功能區(qū)的城市建設(shè)用地集約利用研究——以西寧市為例 宋成舜 翟文俠 陳志 劉成武

無(wú)

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1植物根系護(hù)坡的作用

植物根系在增加邊坡穩(wěn)定、減少水土流失等方面有著很大的作用。通過(guò)根系吸水、植物的蒸騰作用，能有效降低坡體孔隙水壓力；對(duì)坡體表面，縱橫交錯(cuò)的根網(wǎng)將土顆粒緊緊束縛住，能有效抑制坡體表面土壤侵蝕；對(duì)坡體內(nèi)部,根系和土體相互作用，形成根土復(fù)合體，增加土體的遷移阻力,提高土層對(duì)滑移的抵抗力，有效增加了含根土層的抗剪強(qiáng)度，粗根對(duì)土體中張拉裂縫的橋連作用，阻止了裂縫的繁衍，有效增加了邊坡的穩(wěn)定性。此外，根系與土壤接觸發(fā)生有機(jī)物質(zhì)的膠結(jié)作用，具有生理活性的吸收性根分解產(chǎn)生的糖類等物質(zhì)與土壤接觸面的黏粒礦物發(fā)生生物化學(xué)作用，能提高根土界面的摩擦作用，提高土體的黏聚力[4]。植物根系還具有“生物反饋”作用，能通過(guò)增加土壤有機(jī)膠結(jié)物質(zhì)及團(tuán)粒結(jié)構(gòu)等，強(qiáng)化土壤通透入滲性能，提高土壤結(jié)構(gòu)及孔隙的穩(wěn)定性[5]，為生物的生存和繁衍提供了有利的場(chǎng)所，還能改善土壤的污染。

2根系固土護(hù)坡的機(jī)理

2.1水文效應(yīng)

2.1.1根系提高土壤抗沖性的作用根系在其生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，分泌大量高分子粘膠物質(zhì)和多糖類物質(zhì)，這些物質(zhì)存在巨大的粘結(jié)作用，能將土顆粒纏繞連接起來(lái)；同時(shí)，數(shù)量眾多發(fā)達(dá)的須根系統(tǒng)形成縱橫交錯(cuò)的根網(wǎng)，將土顆粒緊緊束縛包裹住，猶如施加了層層套箍作用，能有效保護(hù)土粒免于被沖蝕。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)植物根系增強(qiáng)土壤抗沖性方面的作用進(jìn)行了較為深入的理論研究，指出根系強(qiáng)化土壤抗侵蝕能力主要通過(guò)根徑<1mm的須根發(fā)揮作用，土壤的抗沖性與根系(根徑≤1mm)的分布密度呈指數(shù)關(guān)系[6-7]。

2.1.2根系的水分運(yùn)移作用植物根系具有吸收土壤中的水分、降低土壤含水量、減小土壤孔隙水壓力的作用。土壤有效水的消耗主要通過(guò)根系吸水，再由植物的蒸騰作用使水分消失掉，能有效降低土壤的含水量。根據(jù)Reynolds的報(bào)道，在亞馬遜流域熱帶雨林區(qū)的2個(gè)典型盆地中，植被蒸騰量分別占到當(dāng)?shù)?000mm降水量的62%~48%，高人等對(duì)遼東山區(qū)5種主要森林植被的研究表明，生長(zhǎng)季植物的蒸騰耗水量為240~369mm，占同期降雨量的32%~45%[8]。植物根系能深入地表以下的深度從幾厘米到幾米，甚至十幾米，能穿過(guò)具有不同含水狀態(tài)的土層，這樣，通過(guò)根系吸水及植物的蒸騰作用，滲進(jìn)土體內(nèi)的雨水甚至很深土層中的有效滲水都能被消耗掉，從而降低土體的含水量，減小孔隙水壓力，致使土體粘聚力增加，土體的抗剪強(qiáng)度提高，邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)提高。

2.2力學(xué)效應(yīng)

2.2.1根增強(qiáng)理論由于根系相對(duì)土體具有較大的抗拉強(qiáng)度，在對(duì)土體加載的過(guò)程中，土體中的剪應(yīng)力通過(guò)根土間的相互作用，逐漸轉(zhuǎn)移到根系中，而使根系受拉，從而增加了土體的抗剪強(qiáng)度，已得到廣泛認(rèn)可。然而，根系對(duì)土增強(qiáng)效果的量化卻存在一定的困難，尚處于前期研究階段，有待發(fā)展。分布在土中的根系構(gòu)成復(fù)雜混雜的生物網(wǎng)絡(luò)，它們的幾何特征、力學(xué)特征都隨著時(shí)間和空間不斷的發(fā)展進(jìn)化著，要在野外對(duì)根系特征進(jìn)行測(cè)量是有困難的，根對(duì)土增強(qiáng)作用的模擬也增加了挑戰(zhàn)性。雖然已有眾多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了廣泛研究，但最初的Wu[9]和Waldron[10]根增強(qiáng)模型幾十年以來(lái)一直受到廣泛應(yīng)用，其原因也就在于此。

2.2.1.1Wu和Waldron根增強(qiáng)模型早在上世紀(jì)70年代，1976年Wu[9]和1977年Waldron[10]先后建立了根增強(qiáng)土的先驅(qū)模型，形成了根系固土的理論基礎(chǔ)——加筋土理論。該模型以摩爾-庫(kù)倫強(qiáng)度理論為基礎(chǔ)來(lái)說(shuō)明根的增強(qiáng)效果，假定所有根系垂直穿過(guò)剪切面，當(dāng)受剪切時(shí)，根土之間發(fā)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)，根系發(fā)生變形產(chǎn)生拉應(yīng)力，通過(guò)根土之間的相互作用，土中的剪應(yīng)力逐漸向根系轉(zhuǎn)移，增加了土體的抗剪強(qiáng)度。該模型將根系對(duì)土的貢獻(xiàn)模擬成增加土的視凝聚力Rc，即土的抗剪強(qiáng)度為'''Rτ=c+σtanφ+c。并指出抗剪強(qiáng)度的增量主要取決于根的平均抗拉強(qiáng)度Tr和根的面積比(Ar/A)。Wu和Waldron模型假定當(dāng)土受剪切時(shí)，穿過(guò)剪切面的所有根在同一時(shí)刻全部達(dá)到抗拉強(qiáng)度，即同時(shí)被拉斷。然而，2004年P(guān)ollen等[11]在對(duì)河岸含根土的室內(nèi)和野外的強(qiáng)度測(cè)試中發(fā)現(xiàn)河岸可能在所有的根在理論上達(dá)到抗拉強(qiáng)度之前就已破壞。1994年Reinstenberg[12]、2005年Norris[13]在根的拉拔試驗(yàn)，2008年Docker等[14]在根的拉拔測(cè)試和含根土的直接剪切測(cè)試中也證實(shí)了根系的逐漸破壞現(xiàn)象。由此，Wu和Waldron模型假設(shè)所有的根同時(shí)破壞，使視凝聚力計(jì)算值Rc偏高。2005年Fannin等[15]對(duì)無(wú)粘性土進(jìn)行了一系列的原位剪切測(cè)試，以探索在淺層平面滑動(dòng)的過(guò)程中土體抵抗強(qiáng)度的調(diào)動(dòng)情況，其中得到的一個(gè)含根土的原位剪切測(cè)試結(jié)果如圖1所示。圖1顯示了根對(duì)土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的影響，圖中黑色方點(diǎn)代表被測(cè)量的含根土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，如果將土體和根的強(qiáng)度單獨(dú)分開(kāi)，則綠色曲線代表不含根土的應(yīng)力-應(yīng)變，而棕色曲線表示根的影響。從圖中可以看出含根土有2個(gè)明顯分離的剪切應(yīng)力峰值，出現(xiàn)的第一個(gè)峰值是由土體本身的抗剪強(qiáng)度提供的，第二個(gè)峰值是由根的抗拉抗力提供的，且這2個(gè)峰值發(fā)生在不同的位移處，故如果僅簡(jiǎn)單地把根的抗拉抗力S加到土體的剪切強(qiáng)度上，則將高估土體的抗剪強(qiáng)度，將高估在滑坡中所調(diào)動(dòng)的抗力。由此，Wu和Waldron模型將由根引起的視凝聚力Rc直接加到土的抗剪強(qiáng)度τ上，便高估了根的增強(qiáng)效果。美國(guó)農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究服務(wù)署（USDA-ARS）國(guó)家沉降實(shí)驗(yàn)室的Pollen等[16]（2005）用纖維模擬根，測(cè)試了一纖維束所承受的最大荷載值，結(jié)果得到的值比所有單根強(qiáng)度相加之和（按照Wu和Waldron模型所有根同時(shí)斷的假定）要小得多。于是Pollen和Simon對(duì)Wu和Waldron增強(qiáng)模型進(jìn)行了改進(jìn)，建立了一種動(dòng)態(tài)纖維束模型（theFiberBundleModel）來(lái)考慮剪切過(guò)程中根系逐漸斷裂的行為。并且2010年Schwarz等[17]在對(duì)根束原位測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，將實(shí)測(cè)的結(jié)果同Wu和Waldron模型計(jì)算的結(jié)果相比，Wu和Waldron模型高估根系的抗力達(dá)到60%~100%。

2.2.1.2纖維束根增強(qiáng)模型（FBM）纖維束模型假定不同直徑的根具有不同的抗拉強(qiáng)度，每個(gè)根將在不同的位移處產(chǎn)生斷裂。FBM模擬以一個(gè)應(yīng)力加載步驟對(duì)一束含N根平行纖維的纖維束施加載荷，荷載被分配給束中的每根纖維，當(dāng)載荷增加到其值超過(guò)了某單根的抗拉強(qiáng)度時(shí)，該根被拉斷，而被該根分擔(dān)的載荷被重新分配到剩下的（N-1）個(gè)完好的根中，接著，剩下的根中被分配到更多的載荷，更有可能被拉斷，如果這次的載荷重新分配導(dǎo)致更多的根拉斷，再一次的載荷重新分配將發(fā)生，直到?jīng)]有更多的根拉斷。如果重新分配后的荷載值不能引起更多的根拉斷，最初施加的荷載必須增加，這個(gè)過(guò)程被重復(fù)，直到所有的根都拉斷[16]。FBM模型在將整個(gè)載荷分配給纖維束中的每個(gè)平行纖維后，監(jiān)測(cè)每根纖維所承受的荷載是否超過(guò)其抗拉強(qiáng)度，因此纖維束模型的控制方程能夠?qū)懗桑旱趎根纖維的拉斷力=總的加載值×分配函數(shù)因此，確定總的載荷在根束中的分配函數(shù)是關(guān)鍵。2010年ino等[18]提出了根束中載荷相等均分的分配標(biāo)準(zhǔn)，也即根束中每個(gè)完好的單根將承受相等的載荷。也有學(xué)者提出考慮根直徑的大小，按應(yīng)力相等來(lái)分配總的載荷給根束中的每個(gè)單根。但是根據(jù)1996年Gray等[19]、2005年Genet等[20]提出的根的抗拉強(qiáng)度和根直徑之間存在反冪函數(shù)關(guān)系，如果按應(yīng)力相等分配總的載荷給根束中的每個(gè)單根，則最大的根將最先斷，而最小的根將最后斷。而且，2005年P(guān)ollen等[16]在野外和室內(nèi)的剪切測(cè)試中發(fā)現(xiàn)最小的根趨于在土剪切開(kāi)始時(shí)先斷，2010年Thomas等[21]在剪切模擬中也發(fā)現(xiàn)當(dāng)載荷被平均分配給穿過(guò)破壞面的每1個(gè)根時(shí)，最小的根最先斷，而最大的根最后斷。因此，在根束中考慮載荷相等均分的分配標(biāo)準(zhǔn)能更加恰當(dāng)?shù)啬M含根土體的受力破壞特征。然而受力過(guò)程中，根漸進(jìn)破壞的特征主要依靠土變形及根的直徑分布、幾何性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)之間的相互作用和綜合影響，而這些方面在FBM模型中沒(méi)有被考慮。另外，F(xiàn)BM模擬中使用應(yīng)力控制的加載過(guò)程，則根束的力-位移關(guān)系曲線在超過(guò)最大的載荷峰值后是不能得到的，這樣將不能得到完整的力-位移關(guān)系曲線，同時(shí)也將妨礙對(duì)殘余強(qiáng)度的評(píng)價(jià)。為了克服上述缺陷和進(jìn)一步深入研究根的增強(qiáng)效應(yīng)，2010年Schwarz等[22-24]在FBM模型的基礎(chǔ)上，提出了根束模型（theRootBundleModel）來(lái)評(píng)價(jià)根的增強(qiáng)效應(yīng)。

2.2.1.3根束增強(qiáng)模型（RBM）RBM模型是一個(gè)以位移控制加載過(guò)程的纖維束模型。在RBM模型中，根的強(qiáng)度、直徑、長(zhǎng)度、彎曲、分支，土的含水量、根土間的摩擦作用都被明確地考慮。通過(guò)以位移控制的加載代替以應(yīng)力控制的加載過(guò)程，RBM模擬避免了同荷載重分配原則之間存在任何聯(lián)系，產(chǎn)生了包括達(dá)到荷載峰值后根殘余拉力在內(nèi)的完整的力-位移關(guān)系曲線[22-24]。RBM模型考慮整個(gè)根束的拔出力是位移的函數(shù)，并被表示成單根的拔出力之和，如下所示[17]：?=Δ=ΔNjjjFxFxn1()()根束F(Δx)根束為整個(gè)根束的拔出力；F(x)jΔ為屬于根徑j(luò)類的單根的拔出力；nj為根束中屬于根徑j(luò)類的單根數(shù)量；N為根直徑的分類數(shù)量。故RBM模型的關(guān)鍵在于探索拔出過(guò)程中根束中的每個(gè)單根沿根長(zhǎng)的根強(qiáng)度的漸進(jìn)積累過(guò)程，探索單根拔出力與位移間關(guān)系。

2.2.2根-土相互作用

2.2.2.1根系拔出機(jī)理根-土間的相互作用機(jī)理是決定根對(duì)土增強(qiáng)的關(guān)鍵。這里以根的拔出過(guò)程來(lái)分析根-土間的相互作用。1981年Waldron等[25]提出根要么被拔出，要么被拉斷，2005年Norris[26]在對(duì)嵌入土中的單根的拔出測(cè)試的試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)，根在經(jīng)過(guò)一非線性彈性拉伸階段后，要么被拔出，要么被拉斷，其取決于根的幾何和力學(xué)特征。根拔出時(shí)力與位移間的非線性關(guān)系也被1990年Ennos[27]、2007年Hamza等[28]在野外和室內(nèi)試驗(yàn)中觀察到。根系拔出的過(guò)程如圖2所示。圖2(a)顯示了單根拔出時(shí)的力-位移關(guān)系，①代表根拔出的力-位移曲線的第一個(gè)階段—根的拉伸階段，為非線彈性，因?yàn)楦两缑嫔系哪Σ亮ρ刂拈L(zhǎng)度方向逐漸被激活，被調(diào)動(dòng)的根長(zhǎng)逐漸增加，見(jiàn)圖2(b)中①所示，表示僅部分界面摩擦被激活，僅部分根長(zhǎng)被調(diào)動(dòng)。圖2(a)中②點(diǎn)代表拔出力的峰值，②~③段代表所有根長(zhǎng)被激活，達(dá)到最大的拔出力（對(duì)應(yīng)圖2(b)中②），而沿根長(zhǎng)的根截面的最大抗拉強(qiáng)度卻始終沒(méi)有達(dá)到，根逐漸被拔出，見(jiàn)圖2(b)中③所示；②~④虛線段代表在某一臨界位移處，根長(zhǎng)中某一截面上產(chǎn)生的拉力超過(guò)了其抗拉強(qiáng)度，根被拉斷。根一旦被拉斷，其上的荷載要么為零，要么因根土界面間的滑動(dòng)摩擦而保持一個(gè)殘余的載荷，其大小與仍然正在被拔出的根長(zhǎng)成正比。根的幾何特征對(duì)根系拔出力具有重要的影響作用。2011年Schwarz等[17]在根系拔出的原位和室內(nèi)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，根長(zhǎng)、根彎曲、根分支點(diǎn)是影響根系拔出力的關(guān)鍵參數(shù)，有分支點(diǎn)的根比無(wú)分支點(diǎn)的根拔出拉力要大得多，因?yàn)檠馗种у^固長(zhǎng)度上的根的抗拉強(qiáng)度也被調(diào)動(dòng)起來(lái)。分支點(diǎn)被定義成其側(cè)根的直徑>0.5mm，如圖3所示，紅色標(biāo)記點(diǎn)即為分支點(diǎn)。彎曲根同直根相比，最大的拔出力及其相應(yīng)位移值都要更大。而在根束的原位拔出測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，多種情況下，在拔出力開(kāi)始逐漸減小之前可能存在多個(gè)峰值點(diǎn)。

2.2.2.2根土界面摩擦根土間的摩擦作用隨土類型、含水量而改變，并影響根拔出力-位移關(guān)系曲線。自然土中，根毛、根分泌物、根生長(zhǎng)產(chǎn)生的壓力和根對(duì)土的毛孔結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性等都將增加根土間剪切強(qiáng)度。界面摩擦作用由根拉拔時(shí)拉伸階段的靜摩擦逐漸向根滑出階段的動(dòng)摩擦而變化。2010年Schwarz等[23]把根土間摩擦作用分成2部分：根土界面間的摩擦、分支點(diǎn)的摩擦。因?yàn)樵诜种c(diǎn)處，沿根分支錨固長(zhǎng)度上的根土界面上的摩擦作用也被激活。Schwarz等[23]通過(guò)n個(gè)分支點(diǎn)將根長(zhǎng)化分為n+1段，從根尾開(kāi)始分別為0段、1段…n段，得到根系的總拔出力為：根土界面靜摩擦力：

2.2.3根系的地下分布狀況植物根系的形態(tài)決定了根對(duì)邊坡加固作用的發(fā)揮。Green-way、Operstein等[29]先后總結(jié)指出根系密度、直徑、長(zhǎng)度及根的地下分布形態(tài)是影響根增強(qiáng)土的主要因素，地下生物量越大，根系分布越深，保持水土能力越強(qiáng)，植物的抗逆性也越強(qiáng)。2011年Schwarz等[17]在對(duì)根束拔出的原位測(cè)試和室內(nèi)模擬試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)根束中根直徑的分布形態(tài)、根長(zhǎng)等將極大地影響根束的最大拔出力。Kozlowski對(duì)根的水平延伸規(guī)律作了探索，發(fā)現(xiàn)樹(shù)根最少能延伸樹(shù)冠半徑的1.5倍。2010年Hubble等[30]對(duì)河岸植物的根系分布進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)許多樹(shù)種已進(jìn)化了根，為了尋求夏季的低水位以便在干旱季節(jié)里能幸存更長(zhǎng)久，根深度常大于5m，甚至超過(guò)20m，對(duì)土體失敗的緩解更有效。早期，Nilaweera、Rutherfurd就發(fā)現(xiàn)根系數(shù)量在土壤表層0~50cm分布最多,在該深度范圍以下根系密度隨著垂直深度和水平距離增加而減少的規(guī)律[31-32]。近年來(lái)，許多學(xué)者也對(duì)根的形態(tài)分布及模型構(gòu)建進(jìn)行了一定的探索，如2004年P(guān)reston等[33]、2003年Vercambre等[34]、2004年P(guān)ages等[35]。2010年Scanlan等[36]、2011年Cohen等[37]還對(duì)根直徑的密度分布規(guī)律進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)利用Web分布和正態(tài)分布函數(shù)來(lái)分析根直徑的分布形態(tài)，同實(shí)際測(cè)量的數(shù)據(jù)相比較，具有很好的適合性。

2.2.4邊坡穩(wěn)定分析根系對(duì)邊坡的穩(wěn)定增強(qiáng)通常通過(guò)以下2種途徑進(jìn)行：（1）將根系看成類似于土釘?shù)臈U件直接加入土體中進(jìn)行分析；（2）將含根土層看成復(fù)合土體，用一個(gè)相當(dāng)?shù)脑鰪?qiáng)層（具有根增強(qiáng)量Δs、根分布相同厚度）來(lái)代替含根土層而進(jìn)行分析。在邊坡的穩(wěn)定分析中，數(shù)值模擬方法得到了廣泛的應(yīng)用。Robbin建立了所謂的無(wú)限邊坡模型用于邊坡穩(wěn)定分析。Ekanayake等[38]研究了植被護(hù)坡與斜坡穩(wěn)定極限問(wèn)題。2005年Greenwood[39]以Wu和Waldron模型為基礎(chǔ)建立了計(jì)算機(jī)程序—SLIP4EX，來(lái)綜合考慮植物的力學(xué)效應(yīng)和水文學(xué)效應(yīng)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。2010年Der等[40]通過(guò)3D有限元程序，采用c?φ逐步遞減方法，分析了不同根系分布深度分別對(duì)不同坡角的邊坡安全穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)邊坡坡度在25°~40°之間，根系增強(qiáng)效果最好，能調(diào)動(dòng)邊坡最大的安全儲(chǔ)備。國(guó)內(nèi)學(xué)者陳麗華、姜志強(qiáng)、宋維峰等也采用有限元數(shù)值模擬的方法就根系增加邊坡安全穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，指出隨著根系的加密,邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)在增加，并指出根系密度對(duì)邊坡整體穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)存在一上限值[3,41]。