土壤的形态特征范文
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篇1
中图分类号：S151+.1 文献标识码：A 文章编号：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
成土母质在各种自然因素和人为因素的影响下，发育成为具有不同属性的土壤。这些土壤属性的内在表现为土壤物质的转化及其迁移，而这些土壤属性的外在表现则反映于土壤剖面形态和土体构造上。为了用简单的数量方法来表达复杂的历史自然体——土壤的发育状况，多年来，人们进行了不断的探索。土壤学家和地质学家需要一种指数来定量评价土壤的发育程度，通过量化土壤野外形态如土壤颜色、胶膜、质地和其他随时间发生变化的性质来实现性质的量化和比较。
很多学者用土壤中微量元素间的比值作为判别土壤发育程度的手段，如黄成敏等[1]利用土壤中微量元素间的比值对海南岛北部玄武岩上土壤发育进行了研究；Dasch[2]曾对各种母岩在风化作用下Rb、Sr迁移规律进行了较详细的研究，指出Rb/Sr反映了母岩风化作用强度。Gallet等[3]也对洛川黄土剖面中的Rb/Sr分布进行了初步研究，发现该比值可识别古土壤地层单元。国内一些学者通过对我国北方黄土和长江下游地区下蜀黄土典型剖面的Rb和Rb/Sr研究发现，它们能更精确地反映古气候环境的变化，是区域环境演变研究中较理想的替代指标[4，5]。
土壤发育指数是将量化的土壤野外属性转化成一个综合指数来对整个土壤的发育程度进行评价。土壤剖面野外形态发育综合指数是评价、比较不同土壤发育程度的一种方法，是量化土壤野外属性以便在野外研究成土过程的方法。这种方法对于土壤发生学、土壤形态学、土壤系统分类学、地貌学、地层学的研究都有十分重要的应用价值。例如，当时间序列缺失时，土壤发育指数可以初步指示土壤的相对年龄，而应用土壤剖面形态发育综合指数可以在野外方便、高效、相对准确地鉴别古土壤[6]。
1977年Bilzi等[7]根据土层和母质之间性质的差异对土壤属性赋分。Leamy等[8]提出土壤形态指数这一概念，是一种应用几个土壤属性赋分平均值来评价土壤发育程度的方法。他们用这种方法对奥塔戈部分地区的古土壤的特征进行了初步量化。何磊等[9]研究认为剖面发育指数（PDI）和加权平均剖面发育指数（WPDI）作为剖面累积发育指标，可以用于不同土壤序列的发育速率比较。隋玉柱[10]在确认“黄土也是古土壤”的前提下，采用统一的半定量指标（主要包括反映成土强度的Munsell色调、彩度、明度、结构、粒度、色度、 CaCO3含量等）来确定古土壤的发育强度。
土壤剖面中土壤的形态属性含有丰富的成土环境信息，是环境变化与恢复和重建气候的重要依据，如基于古土壤的形态观测推断了洛川古土壤发育时期的古环境[11]。
总之，目前的研究主要集中于土壤发育程度方面，对应用土壤发育指数来鉴别古土壤的研究资料较少。古土壤的鉴别是利用黄土—古土壤序列研究气候与环境变化的重要手段。在野外识别古土壤有一定困难，尤其是识别弱发育的古土壤极其困难。李叙勇[12]用土壤发育指数来鉴别古土壤取得了令人满意的结果。本研究借鉴Harden[6]和Bilzi等[7]的思想，通过对土壤的红化作用、黑化作用、胶膜、结构、干时结持性、润时结持性、总质地、发生层边界等综合状况进行评价，建立土壤剖面野外形态发育综合指数模型，反映土壤的发育程度，以期为辽西朝阳古土壤鉴别研究奠定基础。
1 研究方法
研究剖面位于朝阳市凤凰山、建平县富山乡马家沟村、喀左县公营子镇端正沟梁村东大梁和北票市桃花吐4个地点。这4个采样点均有古土壤分布，并且存在一个从上到下红土与黄土相互交错的大剖面，并在其周围分布着由于上层被剥蚀掉而出露于地表（残遗、剥露）的古土壤剖面。
在4个采样点分别找到符合标准的剖面进行采挖，挖好剖面后进行土壤发生层的划分。根据中国科学院南京土壤研究所土壤系统分类课题组《土壤剖面描述规范》进行系统、规范的土壤剖面野外形态特征描述和记录。最后根据发生层进行土样采集，共采集70个土壤发生层，17个土壤剖面的土样。观测的主要项目有颜色、结构、质地、胶膜、结持性、发生层边界等。
2 土壤剖面野外形态发育综合指数模型的建立
2.1 土壤剖面野外形态发育综合指数的公式及确定
土地评价研究中，常用指数法和土地潜力分级法来评价土壤的生产力或农业潜力。土壤剖面野外形态发育综合指数的计算公式为：
PI=■ （1）
式中PI为某土壤剖面的野外形态发育综合指数，Xjn为某层某个土壤形态属性赋分后的标准化值，k为所选指标数，hi为某土层的厚度。确定土壤剖面野外形态发育综合指数的步骤如图1所示。
2.2 土壤剖面野外形态发育指标体系的确定
众所周知，野外调查作为土壤学研究的传统有效方法之一具有不可替代性，土壤剖面野外形态发育描述指标不能定量制约了其应用；土壤微形态的古环境意义虽然明确，但直观性较低，形态描述与表达繁琐，术语晦涩难懂，不能进行定量等问题仍然制约其应用[13]。此次研究尝试建立综合量化指标——土壤剖面野外形态发育综合指数，以期解决这一矛盾，并且具有土壤发生学的理论依据[14]。反映土壤发育的土壤剖面野外形态发育指标有很多，关键是所用指标能反映成土强度，并能进行定量或半定量研究。为了在野外方便、高效、相对准确完成古土壤鉴别，结合研究剖面的具体情况，尽量选取通过野外观察就能够直接获得的土壤剖面野外形态发育的指标。在众多反映成土强度的指标中，土壤形态特征较好地反映了成土过程中成土母质的累积变化。但土壤形态特征很多（如土壤颜色、土层厚度、质地、胶膜、结持性、发生层边界等），仅以某一特征不能全面反映土壤的发育状况，也不能进行土壤发育的定量评价。研究所建立的土壤野外形态发育指标体系见表1。对表1的各单项野外形态发育指标作以下说明，并着重从土壤发生学角度作出解释：
1）土壤颜色（Soil color）。土壤颜色是土壤对太阳辐射在视觉器官能够感受到的光谱范围内（280～760 nm）的选择吸收和漫反射的结果。土壤反射的那部分可见光的颜色决定土壤的颜色。影响土壤颜色的因素有很多，如土壤中的腐殖质含量、水分含量、暗色矿物（如氧化铁、氧化锰、黑云母等）含量、浅色矿物（如二氧化硅、氧化铝、碳酸钙等）含量，因此，颜色是表征许多性质的重要形态特征，它是人们认识土壤最直接的依据之一。土壤发育程度通常以颜色变化为特征[15]。伴随土壤发育，土壤中赤铁矿增加，导致土壤色调变红和土壤彩度增加[1]。土壤颜色跟土壤的成分和垒结状态直接相关，划分剖面发生层，颜色是首要的形态特征，颜色的各种变化是土壤内在性质变化的反映。土壤颜色的剖面变化对诊断土壤具有重要意义。根据土壤颜色也可以对土壤的形成过程、发育程度进行初步判断。研究将土壤颜色属性分解为红化作用和黑化作用两个指标，随着土壤发育的增强，色调变红、彩度变鲜艳的变化称为红化作用，黑化作用是指由于土壤有机质累积而使土壤变暗的作用，它是用芒赛尔颜色值中的明度来表示的，随明度的增加而降低。红化作用和黑化作用的赋分参照Harden[6]的方法，但为了排除在低彩度时有机质染色对彩度的干扰，将彩度为1～4时赋分的增值减小为5分。
2）土壤胶膜。土壤胶膜是在土壤形成发育过程中由土壤中的细粒物质（如黏粒、游离氧化物、碳酸盐、腐殖质等）通过浓聚、淀积或析离等作用，在土壤裂隙或孔隙壁表面以及土壤结构体或颗粒表面形成的膜状物。它是与土壤孔隙、裂隙、孔道、土胚（Ped）和骨骼碎屑颗粒在自然表面相结合的一种可识别的土壤形成物。若将土壤物质分为骨骼颗粒和细土物质，黏粒胶膜是细土物质中黏粒组分的扩散、移动或淀积形成的聚合物，或是黏粒组分原地变化形成的分离物。黏粒胶膜被认为是“土壤颗粒或土块的皮肤”，表示土壤表面或孔隙在经过悬浊液淋洗后被沉淀的黏粒所覆盖[16]。
土壤胶膜是土壤长期演化过程中逐渐形成的，其物质多来源于本体土壤的淋溶和淀积。胶膜的形态、结构和元素组成特点等是相应成土过程和环境条件的产物，记录着土壤的发生过程，包含了成土的气候变化和环境变迁的信息，可作为识别土壤在不同时期的发生过程和环境变化的重要依据[17]。
3）土壤结构。土壤结构是指土壤颗粒（包括团聚体）的排列与组合形式。主要功能是使土体中同一空间里同时存在固、液、气三相，并且具有调节水、肥、气、热的作用。土壤结构是土粒有规律性的结合体。结构体内部与结构体之间有着截然不同的孔隙状况，土壤结构的功能就是靠它形成不同的孔隙及其分布密度的差异来实现的。
土壤结构是土壤中各种过程进行的物理框架。观察土壤剖面中的结构类型，可大致判别土壤的成土过程。如具有团粒结构的剖面与生草过程有关；淀积层中有柱状或圆柱状结构则与碱化过程有关。土壤结构影响土壤中水、气、热以及养分的保持和移动，也直接影响植物根系的生长发育。土壤结构的定量化对土壤水、气、热和土壤生物、化学过程定量化研究具有重要意义。
4）干时结持性（硬结性）、润时结持性（坚实性）。结持性是指土粒（
5）土壤质地。土壤质地是指土壤中各粒级重量占土壤重量的百分比组合。质地野外判别采用Shaw的简易质地类型进行快速判定。土壤质地是土壤的最基本物理性质之一，对土壤的各种性状都有很大的影响。因为野外鉴定的质地类型无法对黏粒含量作出较准确的估计，所以通过采用包括质地类型、黏着性、可塑性在内的综合指标即总质地来评价某些质地类型黏粒含量的较大差异性[6]。
6）发生层边界。发生层边界是指相邻发生层之间的过渡状况。土体是以土壤性质侧向变化的最大均一性为界限的土壤地理个体，它是土壤在空间上一个立体的单元。在土体内由于物质的重力和张力以及溶解和沉淀等影响，在垂直方向上产生了自然的质地分异形成土层。因此，发生层边界的类型可以很好地指示土壤的发育状况[17]。
土壤剖面野外形态发育各项指标分级赋分中，红化作用、黑化作用参照李叙勇[12]的方案，总质地、干时结持性、润时结持性参照Harden[6]的方案，发生层边界参照Bilzi等[7]的方案。由此构建了评价辽西朝阳第四纪古土壤剖面野外形态发育的指标体系（表1）。
2.3 土壤剖面野外形态发育综合指数的计算
2.3.1 土壤剖面野外形态属性的量化和标准化 经详细描述的土壤剖面野外形态发育各项属性，按照表1中的标准赋予分值即是其数量化。标准化的目的是使各项土壤属性的量化值在同一个数量级范围之内，使不同土壤之间具有可比性，其计算公式为表1中所列各标准化公式。
2.3.2 土壤剖面野外形态发育综合指数的计算 土壤剖面野外形态发育综合指数的计算按公式（1）进行，计算步骤见图1。据此计算了辽西朝阳挖掘的具有代表性的17个土壤剖面的野外形态发育综合发育指数。
3 小结
通过研究确定了评价古土壤发育的8项土壤剖面野外形态发育指标体系，建立了土壤剖面野外形态发育综合指数模型。土壤剖面野外形态发育综合指数模型虽然已经建立，但需要进一步研究来验证其适用范围和准确性。
参考文献：
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篇2
1实验方法
1.1实验仪器与试剂
1.1.1主要实验仪器ZD-85气浴恒温振荡器，天津市欧诺仪器仪表有限公司；FA1004电子分析天平，上海天平仪器厂；DH-101电热恒温鼓风干燥箱，天津市中环实验电炉有限公司；LD-2A离心机，北京医用离心机厂；SB-4型可调式电热板，北京科伟永兴仪器有限公司；ELAN电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）。
1.1.2主要药品试剂硝酸钾、硝酸钠、硝酸钙、硝酸镁、氯化铵、硝酸铵、硫酸铵、碳酸氨、氯化镁、醋酸钠、醋酸、盐酸羟氨、盐酸、双氧水、氢氟酸、高氯酸、硝酸镉均为分析纯试剂（生产厂家：天津市北方化学试剂厂）；实验用水为三蒸水。
1.2土壤样品的采集与制备
1.2.1土壤样品的采集土壤样品选自天津市农用耕地中的土壤。采用对角线布点采样法取表层土(深度0~20cm)，该深度正是农作物根系所在深度且容易受周围环境影响，混合均匀后采用四分法分取3kg左右土壤带回实验室。采样过程均使用木制工具，样品用塑料袋盛装。
1.2.2土壤样品的制备土壤样品经自然风干、磨细、筛分等常规处理，进行土壤质地、pH值、有机质、盐度等理化性质等分析，得出土壤理化性质——土壤为灰棕色，重壤质，块状结构，石灰反应中等，pH值为8.4，弱碱性，有机质含量为2%，盐度为0.3%，属于轻度氯化物型盐化湿潮土。将制备好的土壤样品准确称取2kg，均匀地加入的Cd(NO3)2溶液，平摊放在塑料薄膜上，按一定时间间隔加入适量去离子水，让Cd(NO3)2与土壤充分反应。实验表明，外源Cd进入土壤后，由于各种因素作用，镉发生各种形态转化，老化时间为35d左右，土壤中镉的各种形态基本保持相对稳定。因此将加入外源镉的土壤自然风干至40d，破碎、筛分。用ICP-OES法测试，土壤中镉的含量为0.72mg•kg-1。将处理后的土壤样品待之自然老化。土壤老化40d后，风干，破碎，筛分备用。取制备好的供试土壤，每个样品按50g称量，分别加入NaNO3、KNO3、Ca(NO3)2、Mg(NO3)2溶液。溶液浓度分别为0.0、0.04、0.08mol•L-1。NaNO3、KNO3、Ca(NO3)2、Mg(NO3)2溶液的加入量各为50mL，以保证被加入的Na+、K+、Ca2+、Mg2+的浓度相同。室温下稳定30d。待自然风干后将样品破碎筛分，从每个样品中采样1g，利用Tessier连续提取技术，采用ICP-MS测试土壤样品Cd的形态特征变化，特别是由水溶态和可交换态组成的生物效应明显的有效态特征，同时利用空白试验进行对比，分析土壤盐碱化过程中阳离子Na+、K+、Ca2+、Mg2+对土壤中Cd的形态特征变化影响。每个实验设3个重复。
1.3测定方法土壤中镉形态采用改进后的Tessiers连续提取法[17]，将其分为有效态(Exc)、碳酸盐结合态(CARB)、铁锰氧化物结合态(oxFe-Mn)、有机结合态(BO)、残渣态(Res)五种形态。提取后采用ICP-MS测试。
2结果及讨论
2.1阳离子种类对土壤镉形态分布的影响以阳离子0.04mol/L浓度为例，分析阳离子种类对土壤镉形态分布的影响（图1）。从图1可知，随着Na+、K+、Ca2+、Mg2+等阳离子的加入，土壤中镉的有效态含量发生了明显的增加，增加的幅度达到了52.71%~65.97%，其中Ca2+使土壤中有效态镉增加的幅度最大，Mg2+次之，Na+、K+对镉有效态的影响最小，二者大致相同。随着Na+、K+、Ca2+、Mg2+等阳离子的加入，镉的其它形态含量普遍减少。镉的碳酸盐态含量减少的幅度为28.90%~63.14%，其中Na+的影响最大，Ca的影响最少；镉的铁锰态含量减少的幅度为13.66%~25.11%，其中Ca2+的影响最大，Na+的影响最少；镉的有机态含量减少的幅度为21.89%~43.95%，其中Na+的影响最大，Ca2+的影响最少；镉的残渣态含量的减少幅度为4.44%~11.63%，其中Ca2+的影响最大，Mg2+的影响最少。土壤中镉的有效态有明显增加可能是由于金属阳离子与镉离子竞争土壤吸附位点，使得一部分镉离子被添加进的金属离子所替代，使得其他各形态的镉含量有所下降，而有效态则增加。对于不同的阳离子，由于其所带电荷数的多少以及离子半径的大小等因素，也能影响吸附效果Na+是一价离子且离子半径较小，影响较小；K+虽然也是一价离子，但其离子半径相对大一些，影响比Na+大一些[18]。Ca2+与Cd2+半径相近，且都是二价离子，其影响要比K+、Na+都大[19-20]。Ca2+半径与Cd2+相近，故表现出了最大吸附竞争作用，而Mg2+与Ca2+性质相近，也表现出了与之类似的作用。它们的作用要强于K+和Na+。
2.2阳离子浓度对土壤镉形态分布的影响图2显示了各阳离子浓度变化对土壤镉形态分布的影响。从图2可知，对于Na+，随着离子浓度从0.02mol•L-1增大到0.08mol•L-1，有效态镉含量逐渐增加；碳酸盐态镉在0.02mol•L-1时含量最大，0.04mol•L-1时含量最小；铁锰氧化态、有机态和残渣态镉含量都随着离子浓度的增大在逐渐减少。对于K+，随着离子浓度从0.02mol•L-1增大到0.08mol•L-1，有效态镉含量逐渐增加；碳酸盐态镉在0.08mol•L-1时含量最大，0.04mol•L-1时含量最小；铁锰氧化态镉随着离子浓度的增大在逐渐减少；有机态镉含量在离子浓度为0.04mol•L-1时最大，0.02mol•L-1时最小；残渣态镉含量在离子浓度为0.02mol•L-1时最大，在0.04mol•L-1和0.08mol•L-1时相当；对于Ca2+，随着离子浓度从0.02mol•L-1增大到0.08mol•L-1，有效态镉含量增加；碳酸盐态和铁锰氧化态镉含量随着离子浓度的增大逐渐减小；有效态镉含量在离子浓度为0.08mol•L-1时最大，0.02mol•L-1时次之，0.04mol•L-1时最小；残渣态镉含量在0.04mol•L-1时最大，0.08mol•L-1次之，0.02mol•L-1最少；对于Mg2+，随着离子浓度从0.02mol•L-1增大到0.08mol•L-1，有效态镉含量增加；碳酸盐态镉含量在0.04mol•L-1时最大，0.02mol•L-1和0.08mol•L-1时相当；铁锰氧化态、有机态、残渣态镉含量随着离子浓度的增大，均有不同程度的下降。土壤中的阳离子通过影响土壤溶液的离子强度、土壤pH值、土壤有机质等土壤性质，改变土壤镉的吸附特性，使土壤胶体和粘土矿物对重金属离子的吸附能力降低。阳离子作为镉的竞争因子，与镉竞争土壤的吸附位点，主要是与镉竞争粘土矿物、氧化物和有机质的阳离子交换吸附位点，减弱土壤对镉离子的吸附。阳离子的含量增加，造成金属阳离子与Cd2+两者对吸附剂表面空位的竞争，从而降低了对镉的吸附[21-22]。
篇3
1文化遗址区古土壤环境研究进展
1.1土壤粒度粒度组成对于查明沉积物的物质来源、搬运介质和动力、沉积环境及其变化均有重要的意义［7］，且兼有相对完善的实验原理和技术方法，被广泛应用于古土壤沉积成因的环境研究中，是分析古土壤成因的有效途径［8］。杨用钊［9］通过系统的环境研究江苏绰墩古土壤不同粒径土壤粒度的平均含量及众数粒度，并与附近的镇江下蜀黄土剖面的粒度特征进行比较，初步认定绰墩古土壤母质为下蜀黄土。周华等［10］通过分析江苏连云港藤花落遗址土壤粒度发现，遗址文明存在期间曾发生过大规模或长时间水患事件，农业生产条件被破坏，最终导致整个文明走向衰落，同时，结合重金属环境研究结果，发现龙山文化时期人类社会的出现与繁荣恰逢自然环境相对良好时期，并且文明衰落与消亡正好对应自然环境发生变迁阶段，环境研究表明自然环境变迁是通过影响农业生产的兴衰而导致文明的兴盛与湮灭。张俊娜和夏正楷［11］运用河南洛阳二里头南沉积剖面的粒度特征的分析结果指示了水动力条件的强弱，并与气候的暖湿变化相对应，结合光释光测年及磁化率环境研究结果，最终确定该剖面沉积过程经历了3个阶段，其中剖面中部地层曾经历了一场河流阶地被淹没的特大洪水事件。
1.2土壤微形态土壤微形态是土壤组构在微观-超微观尺度上的具体表现，包含有大量在宏观上用肉眼无法观察到的细微现象，因此长期被作为环境研究土壤发展演替的重要途径［12］。通过环境研究文化遗址内土壤微形态特征来恢复历史时期人类的活动方式和环境特征是一种有效手段，近些年来在欧洲、中亚、中美洲等地的考古环境研究中开展了大量土壤微形态环境研究工作，并取得了丰富的成果［12］。Cornwall［13］首次根据考古遗址中土壤微形态分析的结果重建古环境变化的历史，并解释了灰烬、居住面等人类活动遗迹的特征;Biagi等［14］通过观察土壤微形态对史前遗址周围土地利用情况的影响进行了环境研究，为认识史前农业和畜牧业等经济生活方式提供了重要信息;Courty等［15］在出版的《SoilMicromorphologyinArchaeology》中建立了一套相对独立的土壤微形态环境研究方法，并通过对约旦河下游NetivHagdud和Salibiya前陶新石器遗址建筑遗存的土壤微形态进行分析，发现所有用来建筑房屋的土坯均是采用从附近的河流冲积物中专门挑选的原料制成，但不同地面所用的材料有所区别;Kemp等［16］通过土壤微形态环境研究，初步恢复了古耕作土壤特征及农耕方式;董广辉等［17］对青海喇家遗址内外砂壤土进行显微镜观察和土壤微结构分析，认为喇家遗址内成壤环境较稳定，受生物扰动较少，局部淋溶作用较强和有人类作用的痕迹，而遗址外土壤微形态受到生物强烈的扰动，并且经历了古水流的作用。
1.3土壤元素自然环境变化引起的土壤环境变化是造成土壤中元素迁移转化的根本原因，因此土壤中元素含量的多少及变化能很好地反映环境变化［18］。人类在某个地区定居下来，并进行各种人类活动必然会对周围的环境造成影响，并改变周围土壤中的地球化学元素组成［4］。不同的人类活动对周围环境中的土壤会造成不同的地球化学元素改变，而土壤中化学元素组成的空间并不会因为房屋或者遗址的废弃而改变，能更准确地反映遗址过去的空间分布［19］。当仅仅依靠发现的古器物不足以解释某一区域问题的时候，土壤的元素组成能够提供古人活动的重要线索［20-23］。Barba和Bello［24］在美国中部以及玛雅地区，环境研究验证了在中美洲可以运用化学元素推测古人类活动;Sandra和Christopher等［25］将卫星遥感影像分析和空间统计相结合，对多种化学元素进行叠加，用以鉴定马拉纳圣卢卡斯考古遗址的空间化学组合，结果表明当时的土壤条件难以生长自然植被，而地表化学富集受其他过程的影响。环境研究土壤元素在不同土层的富集和亏损可判断遗址的残留与迁移，可反映古人类对土壤的利用活动。元素磷在古遗址的寻找和解释中占有非常重要的席位［26-27］。1911年，埃及农学家Hughes注意到古人类居住地土壤磷含量高于周围相同时期自然土壤磷含量［28］，但最早系统地将土壤磷分析用作考古环境研究的是瑞典的Arrhenius，他于1929年发现包含维京农场和居民点遗骸地区的土壤中磷的含量高［29］，采用富磷指示古人类活动这一结论运用于北国遗址环境研究中，证明此地3名妇女曾因使用巫术而被焚烧，此后，考古学家开始考虑通过环境研究土壤化学元素来反映人类活动;1963年，Arrhenius［30］证实富磷指示结论同样适用于美国西南部考古遗址，跨文化跨地区却相近的环境研究结论确立了富磷可作为重要指标指示人类定居点，同时也证明了环境研究土壤元素对考古具有一定的价值。董广辉等［31］对河南大阳河遗址古土壤化学性质进行环境研究，发现文明起源时期的人类活动对古土壤化学性质产生了明显的影响，土壤中有机碳、全氮和有机磷质量分数明显增加，人类活动还使古土壤中元素质量分数的比值发生了明显的变化，由此说明环境研究地点的人类活动方式是生活和居住，而不是农作。与王湾三期相比，二里头时期土壤中有机碳、全氮和有机磷质量分数明显升高，这也说明环境研究地点二里头时期人类活动强度较王湾三期有所增强。查理思等［32］环境研究了河南洛阳二里头文化遗址区古人类活动对土壤化学成分的影响，结果表明古人类活动使土壤有机碳、全磷和有机磷含量显著增加，还使土壤中元素含量的比值发生了明显的变化，有机磷含量与全磷含量的比值明显增加，元素含量和比值变化特征说明环境研究地点为古人类的生活居住区。其他元素的分析也可以为古人类空间利用模式提供有效的线索，特别是一些重要的金属元素［4］。土壤中高含量Fe与古人类加工龙舌兰或者屠宰动物以及厨房区域有关［33］;Ca、Sr含量的高值与利用贝壳沙作肥料的农田、靠近炉边的位置密切相关［26，34］;Hg的含量与手工制作区有关［35］、并且辰砂(HgS)常被玛雅人用来作为装饰或者进行某种仪式(比如葬礼)时的大红颜料［36］，Hg的含量与宗教仪式或葬礼有关［37］;而Ba、La、Ce、Pr、K、Cs、Th和Rb在原先的小村落地区高度富集，可以指示当地古人的居住区域［26］;Ca、Ba、Sr、Zn、P和Pb可以反映古人类不同的活动方式［34］;而软锰矿(MnO2)、孔雀石(CuCO3•Cu(OH)2)、蓝铜矿也常被用作颜料［36］。李中轩等［38］对湖北辽瓦店遗址地层样品的氧化物含量和地球化学元素含量的分析结果表明，K、Mn、Sr、Ba含量骤降地层说明该时期人类活动减少，其原因可能为自然灾害，Pb含量的异常和Cu含量高值暗示遗址有青铜器制作活动，此外，Mg和Ca含量的高值与耕作区、墙壁灰浆、生活垃圾堆积等人类活动相关。周群英和黄春长［39］对陕西西周沣镐遗址区土壤样品中的Fe、Rb、和Se的含量进行分析，其结果揭示了与全新世环境变化相对应的成壤过程，土壤发育表现为边沉积边成壤，同时发现人类农业耕作活动主要是从西周人迁都至沣河岸边时开始的。高华中等［40］通过分析三峡库区中坝遗址(位于重庆市于忠县境内)土壤中有机碳含量及其与周围环境的关系，推测当人类活动强度大，地表自然植被破坏严重时，有机质的输入量减少，土壤侵蚀量增大，土壤有机碳含量随之降低;当气温下降时，往往降水随之减少，对植被生长不利，从而造成有机质输入量减少。
1.4土壤磁化率土壤磁化率是土壤各组分的磁性反映，是物质磁化性能的量度［41］。土壤磁性受环境控制，在评价气候、母质、生物、地形和时间等主要成土因子的基础上，能够反映全球环境变化、气候变迁和人类活动等综合信息。有关土壤磁化率特征与土壤性质的关系及影响因素已有大量环境研究报道，特别是在一些文化遗址区内，环境研究结果显示在土壤发生学、古气候和环境变化等方面的应用已经取得较大进展，为相关考古环境研究提供了具有价值的依据。磁化率在黄土高原地区古气候环境研究中被作为一种代用气候指标［42］。安芷生等［43］指出:古土壤的较高磁化率值在一定程度上反映了温湿气候条件下湿度增大促使植被密度增大、成壤作用增强;反之，低磁化率则指示了湿度较小、植被稀疏、发育黄土的干冷气候状况。霍俊杰等［44］对陕西大荔人遗址剖面进行了系统的岩石磁学性质环境研究，结果表明黄土-古土壤样品的频率磁化率曲线，古里雅冰芯氧同位素、细微粒浓度曲线，岐山五里铺剖面有机质含量曲线在古气候记录方面具有一致性，均展示出至少从MIS5以来，气候从冰期到间冰期的变化是渐变的，反之则表现了突变特征。洛阳盆地内二里头遗址南沉积剖面位于遗址所在二级阶地的前缘，属于河流堆积，张俊娜和夏正楷［11］对剖面的沉积物样品进行磁化率分析，发现磁化率的大小与水动力和气候条件相关，环境研究发现该沉积剖面记录了4000aBP前后龙山晚期发生的一次异常洪水事件，这次洪水事件对二里头城址的选择具有重要的影响。马春梅等［45］结合磁化率和地球化学元素提取出安徽尉迟寺遗址地层记录的环境演变信息，认为该区5050aBP以前即新石器时期为暖湿气候，大汶口文化阶段气候偏干冷且波动频繁，大汶口至龙山文化期间，气候由冷转向温湿，为水稻生产提供了有利条件，促进了龙山文化的繁荣。张振卿等［46］对河南安阳殷墟地区3个土壤剖面的岩性分析和磁化率测试，发现岩性和磁化率变化之间均存在较好的一致性。磁化率从地表向下均有明显降低的趋势，黄土-古土壤序列的磁化率埋藏效应在殷墟地区河流相沉积物中同样存在;土壤剖面中古土壤层磁化率相对其他层位明显降低，且波动幅度较小，这种规律有别于目前已被广泛接受的黄土中古土壤磁化率增强的土壤成因模式;殷墟地区土壤剖面磁化率在古土壤层上部急剧升高且波动剧烈，该层位年代和殷墟文化产生的年代相吻合。受人类干扰强烈的土壤，特别是文化层土壤，人类活动对磁化率起到了主要作用。史威等［47］对重庆中坝考古遗址多剖面地层进行高分辨率的质量磁化率(SI)分析，环境研究表明:磁化率分布表现异常，在很大程度上已掩盖了气候变化、成土作用等因素对地层磁化率分布的贡献，反映出遗址堆积物曾受到人类长期异常强烈的改造，而堆积物来源主要以文化器物碎片、人为带入的自然碎屑物和频繁的洪水沉积物为主。碎陶片集中(尤其红陶)的文化层表现为高磁化率，其中多次异常高值的出现可能与当时高强度用火、大规模燃烧等事件致使土层磁性矿物增加有关;而“洪水扰动层”则表现为低磁化率。
1.5多环芳烃多环芳烃(PAHs)是包括化石燃料煤、石油、煤焦油等有机化合物的热解或不完全燃烧的产物，广泛分布于大气、土壤、古土壤、沉积物、有机生物体中［48］，是人类活动的良好指示物［49］。曹志洪［50］在环境研究新石器时期水稻土时发现含有较高的多环芳烃(PAHs)等有机污染物，并通过实验证明其主要来源于古人焚烧的稻草秸秆，其中有少量也可能是还原条件下的生物自然合成的［51］。Ramdahl［52］认为惹烯也能通过松类树脂在低温燃烧下降解形成，邹胜利等［49］在金罗家遗址考古土壤中检测到了卡达烯和惹烯两种多环芳烃化合物，可推测高等植被是古人类生活用火的主要薪材。李久海等［53］运用聚类分析和主成分分析环境研究了多环芳烃(PAHs)在含6000a(马家浜文化时期)古水稻土剖面中的分布特征，环境研究表明、苯并(k)荧蒽、苯并(a)蒽、茚并(1，2，3-cd)芘、苯并(b)荧蒽、芘、苯并(a)芘、二苯并(a，h)蒽和荧蒽等化合物主要是人为产生，芴和菲由生物合成，而萘、二萘嵌苯和蒽则可能来源于人为产生和生物合成的共同作用。此外，荧蒽/菲、苯并(a)蒽/菲和苯并(a)芘/菲等可以作为与陆生植物和化石燃料燃烧有关的芳烃产物的标志，这些多环芳烃可能与人类活动有一定的关系，说明考古遗址土壤中的多环芳烃记录能够反映生活在该遗址上一些人类社会经济发展和活动的信息［49］。
1.6土壤植物遗存植物考古的环境研究不仅可以探索与人类文化活动相关的植物遗存，如食物生产的起源与发展过程、人类利用其他植物的活动等;同时能复原古代生态环境。植物考古旨在解决考古学环境研究中的全面复原人类社会的历史问题。通常在考古遗址中发现的植物遗存可归纳为三大类［54］:大植物遗存(Macroremains)、孢粉(PollenandSpores)和植物硅酸体(Phytolith，Plantopal)。大植物遗存主要包括木材、种子、果实、果核及外壳、茎秆等。由于植物产生大量的具有显著形态学特征的种子并广泛传播，且易于保存，所以最为醒目和可靠的当属能在遗址中找到较多的种子和果实［35］。考古遗址中的大植物遗存主要针对炭化过的植物遗存而言［55］。炭化的大植物遗存目前主要通过浮选的方法获得，可以作为标本来鉴定植物来源种属，并且方便进行直接的14C测年。如，闫雪等［56］通过浮选结果的量化分析，推测商代郑家坝地区经营以粟为主的旱作农业，并且有丰富的野生核果、浆果类以及其他植物资源。王育茜等［57］通过分析辽宁查海遗址的炭化植物遗存，初步了解到该遗址聚落周围广泛分布阔叶落叶林，且其植被组合可能与全新世初期温暖湿润的气候有关，聚落居民在房屋建筑材料和薪柴获取活动中利用了聚落周围的森林资源，而遗存的山杏、核桃楸、榛子和一些禾本科、豆科植物的发现说明采集是获取植物性食物的主要方式。孢粉形体微小、形态各异、广泛分布、易于保存，有助于环境研究史前时期地区较广范围的区域性植被的植物组成［54］。孢粉与遗址的各阶段气候、古环境变化和古人类的活动密切相关，而且显示了古人生产活动的程度和能力。利用孢粉分析结果分析古代的植被状况，推测当时的环境背景，有助于了解环境变化和人类文化演变之间的关系［58］。李珍等［59］在环境研究上海马桥遗址时，利用文化层中各孢粉组合的差异反映了古人类活动环境的变迁，孢粉组合特征说明从良诸文化时期农业已有发展，由出土的锛、铲刀等也可证实;孙雄伟和夏正楷［58］以土壤剖面为环境研究对象，通过高分辨率的孢粉分析表明该地区中全新世以来的孢粉组合以草本植物占绝对优势，并根据孢粉组合的变化将剖面分为5个孢粉组合带，探讨了各个时期的古植被和古环境变化;张玉兰［60］通过环境研究上海广富林遗址、马桥遗址探方样品的孢粉、藻类，并结合前人已有的资料推测太湖地区良渚文化突然消亡的原因是水泛。植硅体是土壤中生物硅的一种［61］。考古遗址文化层在堆积过程中，由于人类使用植物的活动，有可能积聚较多的植物茎和叶，茎和叶腐烂后，其中的硅化细胞和组织———植硅体能够得以保存，而且数量很大，在考古土壤、容器内含物、灰堆、陶器碎片、干粪中常可大量地发现。植硅体作为考古土壤中的原地腐烂的植物残余，能够反映细微的环境变化和过去人类对植物的选择以及利用有关的文化活动［49，62］。姜钦华［63］通过测定河南颍阳遗址区土壤样品中禾草类植硅石含量和花粉含量，结果表明在五千年前的仰韶文化中、晚期，登封地区的气候温暖湿润，并且当时登封地区可能已经有一定规模的水稻种植。吴妍等［64］对湖北郧西黄龙洞遗址区土壤中植硅体进行分析，发现地层中禾本科和木本科的植硅体特征显示遗址古植被环境较好;较多海绵状骨针反映古人类活动时期遗址周围有较好的水源条件;洞内遗址活动层中较多碳屑样品则反映郧西人在洞穴内可能曾有过对火的控制和利用。结果表明当时气候类型总体为温暖型，郧西人生活居住的洞内气候较温暖干燥，而洞外相对炎热湿润。
1.7土壤动物遗存动物考古旨在通过对遗址内动物的化石遗存环境研究，寻找人类与动物之间的关系。李新伟等［65］对河南灵宝西坡M27墓主腹部的土样进行提取并进行显微镜观测，发现有圆圆的寄生虫卵，这种寄生虫卵通常与食用猪肉有关;通过对骨骼内15N的分析同样也可以反映出墓主的食肉情况，15N的含量高一般就表明使用猪肉较多;此外，对墓主人头骨的环境研究，发现他的头骨形态与西坡聚落另一座大型墓葬M8的头骨形态非常相似，以此推测墓主极可能是一个当时社会上层家族的一员。国内外一些学者通过环境研究遗址出土动物牙釉质及骨骼来推测古环境。国际考古学界一般以出土的当地动物骨骼和牙釉质的锶同位素比值建立遗址当地的锶同位素比值标准。Ezzo和Price［66］测定了遗址出土啮齿动物的牙釉质及骨骼的锶同位素比值和同一遗址史前人类牙釉质的锶同位素比值，环境研究表明二者非常接近。Bentley等［67］对出土动物牙釉质的锶同位素比值的统计分析，得出猪的锶同位素标准偏差远远小于其他动物，而且由于猪吃的食物主要是人类食物的剩余，所以可以用猪骨骼和牙齿中锶同位素比值代表当地的锶同位素水平。国内学者在环境研究遗址出土动物骨骼的基础上推测当时的自然环境及生业模式，如，赵春燕等［68］通过测定河南瓦店遗址龙山文化晚期出土的鼠骨及猪、黄牛、绵羊牙釉质的锶同位素比值，推断由当地出产鼠的可能性最大，由出土鼠骨的锶同位素修正得到瓦店遗址当地的锶同位素比值范围，并根据该范围确定了出土的猪、绵羊和黄牛是否在当地出生;胡松梅等［69］对陕北横山杨界沙遗址出土的所有动物骨骼进行了科学的收集和分类鉴定，环境研究表明至少代表3纲7目10科11个属种，并推测遗址周围的自然景观以草原为主，草原上有草兔、绵羊等食草动物，不远处的沙漠曾有鹅喉羚出没，草原和沙漠间分布着一定面积的水域且有蚌类出现，饲养家畜和捕猎野生动物是当时人们的肉食来源，其中家养动物猪的肉量比例占到了整个食用动物群的87.9%;赵莹［70］通过鉴定、环境研究银梭岛遗址出土的动物骨骼标本，探讨了骨骼标本痕迹、骨角器的制作工艺以及该遗址先民的生存环境、生业模式、风俗习惯等;李永宪［71］通过环境研究卡诺遗址新出土的动物骨骼和生产工具，结果表明其用于“狩猎”、“畜牧”的石质工具从早到晚呈递增趋势，晚期狩猎业仍占有重要地位，农耕作物在很大程度上受到地理条件的限制。综上，目前能够反映古环境信息的土壤特性如表1所示。
2文化遗址区古土壤环境研究展望
2.1借鉴相关环境研究指标近年来文化遗址区古土壤的环境研究取得了很大的进展，但其环境研究方法主要是通过分析土壤粒度、土壤元素和土壤中的动植物遗存等方面来推测其所处时期的土壤条件、气候环境以及人类活动情况，而几乎没有运用第四纪古土壤环境研究中常用于反映古气候古环境的指标，如土壤颜色、土壤矿物、土壤黑碳等。
2.1.1土壤颜色土壤颜色是其在可见光波段的反射光谱特性，与土壤有机质含量、氧化铁含量、质地、黏粒含量、水分、主导黏土矿物类型等理化性状密切相关［72］。已有环境研究结果表明［72-78］，土壤的颜色记录在千万年尺度上，土壤颜度指标中的红度、黄度和亮度与气候变化指标磁化率、粒度和碳酸盐均有很好的相关性，能很好地再现气候变化的特征，并能指示成土过程。比如，土壤红化率指数可推断古红土成土母质风化成土作用［72］;土壤红度值与年降水量有一定的定量关系［73］;土壤颜色的空间变化则可以反映气候要素对土壤性状的制约性［74］。因此，在环境研究文化遗址区古土壤时，土壤颜色作为气候变化的代用指标是完全可行的［75］，通过其颜度指标中的红度、黄度、亮度及其与磁化率、粒度等的关系来反映遗址区的气候状况，从而推测当时的生业方式及农耕条件;亦可运用红化率指数推断成土母质风化成土作用。此外，若遗址区土壤中发现红烧土［79］、灰烬［80］等颜色明显的古土壤，可推断古人类居住点的空间变化情况。
2.1.2土壤黏土矿物、土壤氧化物类矿物黏土矿物的沉积分异、组合特征，矿物含量及矿物结晶度均从不同方面记录了环境变化的信息，使黏土矿物成为了环境变化信息的载体［81］。不少国内外学者［78，82-84］通过对黏土矿物的环境研究，解释了沉积物的来源、古气候变化以及古环境特征。此外，还有一些学者探讨了总有机碳与黏粒含量及黏土矿物含量的相关性［85］，或结合黏土矿物参数指标与土壤粒度特征、CH测年数据进行分析［86］，提取沉积物记录的古环境信息。因此，在环境研究文化遗址区古土壤的黏土矿物特征时，若发现由相同母质发育形成的古土壤中黏土矿物不同，可以推测其可能受到了古人类或古环境的扰动，进而对黏土矿物与有机碳、黏粒含量、粒度、测年数据等指标进行相关性分析，从而推测古气候及古环境状况。土壤中的氧化物常作为反映成土过程和成土环境的指示物，可以通过分析不同氧化物、氧化物分子比值特征来说明地层所反映的氧化-还原条件、古气候的冷(暖)-干(湿)变化情况［87］。如全氧化铁(TFe2O3)指标反映相对降水量变化，硅铝铁率(SiO2/(Al2O3+Fe2O3))指示风化强度变化，氧化度(Fe3+/Fe2+)指示古温度变化，残积系数((Al2O3+Fe2O3)/(CaO+M+Na2O))、化学蚀变指数(CIA)、硅铝率(SiO2/Al2O3)、退碱系数((Na2O+CaO)/Al2O3)等风化参数也可以指示古气候变化［87］。此外，铁能够很好地反映自然土壤和有人为扰动的农田土壤的特征［88］;在相同或相近的降雨量、气温、排水状况等成土环境下，氧化铁可用于评价和推断土壤发育程度和相对成土年龄［89］。上述实例说明，土壤氧化物可以作为一个良好的指标来分析文化遗址区古土壤特性及其反映的古环境信息。
2.1.3蜗牛蜗牛是黄土地层中一类最为丰富的生物化石，对气候环境的变化十分敏感，能够提供较物理、化学指标更为详细的古气候、古环境信息［90］。已有学者［91，92］根据蜗牛化石组合推测气候环境的波动情况，如粉华蜗牛代表耐干旱、寒冷气候的生态特征，而齿螺代表喜潮湿、温暖的生态学特征［93］。因此，环境研究文化遗址区古土壤时，可通过蜗牛化石的环境研究来推测古气候、古环境信息，进而结合其他指标推导古人类活动。
2.1.4土壤黑碳目前黑碳仍没有统一的定义［94-96］，唐扬等［94］总结国内外学者关于黑碳的环境研究，认为黑碳是有机物不完全燃烧产生的具有较高热稳定性的焦炭、木炭、烟灰和高度聚集的多环芳烃类物质，此外包括生物体自然降解的残余物以及微小的有机碎屑。土壤黑碳可用于推断特定区域内较大尺度时间(10000a)内所发生的大火事件，也可用于人类活动对土壤黑碳组分的影响［94］，并且何跃等［97-98］环境研究发现土壤黑碳与有机碳比值可以反映不同燃烧活动的物质来源。此外，Wang等［99］通过对全新世土壤的黑碳记录环境研究显示，表层土壤的质量沉积速率相对于下层土壤有大幅度的增加，可能与人类活动的影响有关。因此，通过测定文化遗址区的土壤黑碳浓度，可以重建古火灾事件，进而反映历史气候干湿变化及化石燃料的使用历史。
2.2进一步加强土壤学与考古学的结合考古地层学环境研究是现代文化遗址区时空界定的重要标尺，也是考古学中最为重要的理论。在发掘过程中，根据土质土色来判断层位关系，是考古发掘过程中最常用的方法。但是对土壤缺乏科学系统的认识是目前考古学不可回避的事实。如果能在考古发掘过程中引入土壤学的相关知识，以其理论和方法统一考古对土壤的描述，加深土壤的系统环境研究，不仅可以促进考古学的规范化，同时也方便学科间的交流;并且可利用土壤特性分析成土时期周边的气候环境状况，从而为我们环境研究古代文化提供便利。例如文化层的年代顺序主要根据考古器物的(如陶片、瓷片、砖瓦块等)颜色、图案、花纹和形态类型与已确定年代的考古器物特征进行对比分析来确定，其结果可辅证土壤14C、热释光等测年结果，也可为大致判断对应自然层的年代提供参考。程鹏和宋诚［100］在环境研究良渚文化时指出，考古遗址的环境研究包括对考古遗址的时空位置和遗址自身的环境研究，前者主要通过分析古人类居住点的空间变化，后者则是通过对遗址的地层堆积的环境研究，从全局到局部的环境研究思路，同样可运用到土壤学环境研究中，从全局土壤一般性质到局部土壤特殊性质，变化差异可印证区域性和地方性环境演变与古人类生存活动的关系。王建新［6］通过对河南渑池县班村遗址及周围地区地层堆积情况的环境研究，确认了四种不同的地层，从遗址中心到遗址以外，人的作用越来越小，自然的作用越来越大，从而总结了将遗址边缘区作为纽带连接文化层与自然层的环境研究思路，再通过人工制品遗物和土色土质这两种标准的对应和结合，就可以找到自然层与文化层之间的关系，将遗址及其周围地区的环境与气候的变迁环境研究与考古学文化的分期环境研究对应起来，从而准确地为考古学文化变迁的环境研究提供环境与气候的背景。此外，农耕土层和文化断层值得特别注意［6］，农耕土层往往与自然土层相似，但其堆积的原始书理被破坏，可通过检测其中植物孢粉和硅酸体等的种类及数量予以确认，将农耕土层与遗址内外的自然层和文化层对应起来，进而推测农耕土层的文化时期;而文化断层是自然灾害的指示物，可以通过寻找文化断层来寻找自然灾害信息［101］。
2.3建立文化遗址区古土壤的诊断技术指标曹志洪［50］通过对中国史前灌溉稻田和古水稻土连续4年多的环境研究，提出了一套诊断古水稻田和古水稻土的技术指标，并获得了新石器时期“火耕水溽”———原始灌溉稻作技术的科学证据，以揭示7000a以来我国稻作农业的兴衰与全球气候变化的关系以及灌溉稻田和水耕人为土起源及其对世界文明的贡献。古人类活动在土壤中留下了许多的肉眼看得见和看不见的信息，事实上，土壤是我们环境研究古人类活动信息最主要的来源，在我们能够破译这些信息之前，土壤也是保护这些珍贵古人类信息的最好载体。因此建议建立文化遗址区古土壤的定性与定量化诊断技术指标体系，通过土壤结构、元素、微形态、动植物遗存、遗物遗迹等具体指标来推测古土壤特性及其所反映的古环境信息，并进一步推测古人类活动，以此对文化遗址区古土壤环境研究提供技术支持，同时有助于更明确地保护和环境研究古文化遗产。
2.4丰富文化遗址区古土壤的环境研究方法过程—响应关系是一种确定的土壤过程和由此产生的土壤特性之间的因果关系［102］。土壤过程会导致不同的、可量化的属性，如黏土淀积作用，并且这些特征是可诊断的［103-104］。考古土壤学的主要目标是以此联系某种土壤诊断指标和单一的因果过程或整套流程，下一步的环境研究目标则是量化这种关系［102］。这是因为文化遗址区考古土壤的过程—响应关系具有殊途同归性，即不同影响因素的组合可以产生相同的最终结果［105-106］。如Carter和Da-vidson［107］、Usai［108］通过土壤微形态探讨粉质黏粒胶膜与古耕作活动的关系，结果表明二者没有直接的相关关系，其形成可能与耕作，也可能与继承母质等非人为因素有关;Macphail的实验表明，经践踏和冻融过程后的粉质黏粒具有相似的特性;Courty［109］甚至对这种粉质黏粒胶膜给出了至少六种解释，以此例证了可能性解释的多样性。2014年9月在波兰托伦召开的第十三届古土壤大会上，主要由来自俄罗斯、墨西哥和中国的土壤学家介绍了遗址区古土壤环境研究新进展。TamaraCruz-y-Cruz在墨西哥北部和中部含有动物化石遗址区通过分析土壤中有机质、大型土壤动物骨骼化石、动物胶原蛋白和牙釉质的稳定碳同位素(δ13C)含量，还原出C3和C4植物含量比例，从而推导出古气候特征。Sycheva在旧石器文化Divnorie遗址运用土壤发生学推导古成土过程，并结合有机质、炭屑、连二亚硫酸盐和草酸盐含量分析以及孢粉谱测试结果，相互之间印证推导出古土壤成土环境。吴克宁在河南仰韶村文化遗址通过分析土壤的粒度、质地、磁化率、色度、孢粉和植硅体从而还原古环境特征，并推论出仰韶文化演变和气候变化的耦合关系。因此，可进一步探索运用新的气候替代指标和古人类活动检测方法来环境研究文化遗址区的古土壤，获取更多受古人类活动直接或间接影响的特殊指标数值，并分析各影响指标之间的相关关系，进而丰富文化遗址区古土壤的环境研究方法。
2.5加强对文化遗址区土壤的分类环境研究中国是历史悠久、文化辉煌的国家，其宝贵的文化遗产中蕴含着深厚的历史文化信息。对于文化遗址土壤这一特殊环境研究对象，土壤学家可通过考古资料推导不同时间尺度下古人类土地利用方式以及古气候环境;而考古专家在推测古人类生产生活方式需考虑土壤肥力、土地利用、土壤发育过程对遗存物含量及位置变化的影响。土壤学家和考古学家相互合作，有助于还原文化遗址区的景观环境和古人类活动，逐步加强土壤学和考古学的结合，不仅可以促进考古学的规范化，使环境研究成果更加科学，同时也方便学科之间的交流。环境研究古土壤已成为国际土壤学界新的环境研究热点，2006年在美国费城召开的世界土壤学大会上将“古土壤”增列为“土壤的时空演变(Division-1)”大专业下的“第6专业委员会”。
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关键词：水黄皮；半红树植物；培育习性
中图分类号 S723.1，S725.71 文献标识码 A 文章编号 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.）原产于广东、广西、海南和台湾。印度、日本、马来西亚、新几内亚、波利尼西亚群岛、澳大利亚、马斯卡群岛等地也有分布[1]。是一个既能在潮间带生存，并可在海滩上成为优势树种，又能在陆地环境自然繁殖的两栖木本植物，是典型的半红树植物。国内外对半红树植物的研究还较少[2]，在水黄皮研究中主要是探索其化学成分及药用价值的开发利用，有关水黄皮的种植有如下几篇报道；吕武杭等（2007）进行了水黄皮的引种栽培试验，韩静等（2010）开展了水黄皮发芽试验，林武星等（2010）阐述了水黄皮苗期生长特性和育苗技术，邱凤英等（2010）研究了水黄皮幼苗的耐盐性，刘滨尔等（2011）报道了不同基质对水黄皮幼苗生长及生理生化指标的影响。水黄皮具备独特的形态结构和生态功能，具有抗风、耐盐碱、抗旱和耐水浸的特性，它不仅是一个可做为沿海防护林树种栽培的滨海植物，也是重要的工业原料和药用原料，推广种植水黄皮，不仅能够给林产工业和医药行业提供原料来源，而且对丰富沿海防护林树种、特别是对红树林湿地的物种多样性具有重要的生态意义。2004年福建省漳浦县从台湾引种水黄皮，2007年开始开花结果，2008年从引种的水黄皮树上采种育苗、并应用于沿海滩T地带造林和陆地园林绿化，取得了良好的效果。针对于目前尚未对半红树植物水黄皮较为全面的总结报道，现依据多年来的栽培观测、着重对水黄皮的形态特征、生物学特性、主要用途、苗木培育及造林方法方面进行阐述，以便为水黄皮作为沿海防护林树种推广栽培及其他方面的利用提供较为全面的资料参考。
1 水黄皮的特征特性
1.1 形态特征 水黄皮属豆科Leguminosae（蝶形花科Papilionaceae）水黄皮属Pongamia的常绿或半落叶乔木，通常树高8～15m，奇数羽状复叶，长20～25cm，小叶对生5～7片，单片小叶长5～10cm，宽4～8cm，近革质，卵形至长椭圆形，托叶早落。总状花序腋生，花冠白色或淡红色。每年开2次花，首次花期4-6月，果期8-10月。木质荚果矩形扁平，长4～6cm，宽约1.5～2.5cm，种子单粒，肾形。因为果实能在水面上漂浮传播，也称“水流豆”。根系发达，能深扎于土壤之中，枝条韧性大，抗风性强，还有“九重吹”之别称。
1.2 生物学特性 水黄皮为中性植物，对光照要求不高，比较耐阴；生育适温在22～33℃，具有耐热之特性；对土壤要求不严，可在瘠薄的立地条件下生长，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；水黄皮幼苗在盐度为5～8g・kg-1处理下生长较好，盐度超过8g・kg-1后，不适生长，可见半红树植物水黄皮对土壤盐度具有一定的耐受性，可在盐度适合的沿海岸边造林生长[3]；水黄皮还有良好的耐风及抗污染能力。
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关键词：城市；地质环境；重金属含量；关系
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
中图分类号：F407.1 文献标识码：A
随着人类经济的发展，城市化成为必然的过程，而我国正处于快速城市化时期，相应对城市地质环境的研究日益增多。加强城市地质环境的研究是实现城市可持续发展的重要工作，而针对重金属与城市环境变化的联系的研究则较少见，本文将尝试阐述二者的关系，为城市地质环境的研究提供一些参考。
一、城市地质中重金属元素来源与分布
明晰城市地质环境变化与重金属元素关系首先要了解地质环境中的重金属元素的来源与分布。地质环境中的重金属元素来源广泛，首先是成土母质本身含有的重金属元素，不同的母质、成土所含有的重金属种类及含量均有较大的差异性。而城市人类活动频繁，也加重了重金属的元素对大气、水土的污染。
（一）大气中重金属沉降
大气中重金属主要来源于工业生产、汽车尾气排放及轮胎磨损，其载体为有害气体及粉尘。这些金属元素通过自然沉降或雨水沉降的方式，进入城市表层土壤，随着时间的延长而进入土壤深层或经雨水和风作用进入到河流或重入空气中。大气中主要的重金属元素主要是铅（Pb）、锌（Zn）、镉（Cd）、铬（Cr）、钴（Co）及铜（Cu）等，它们来自元含铅汽油及汽车轮胎磨损。重金属主要分布在以工业区为中心周边区域和公路两侧，大气重金属沉降是随着城市人口增多、土地利用率增大及机动车数量而增大的。工业越是发达，所带来的重金属也就越多。
（二）污水灌溉
在城市中，污水灌溉主要是指城市绿化地的用水。城市灌溉用水虽然经过了简单处理，而从实质上而言仍旧属于污水，水中含有多种重金属元素，如：汞（Hg）、镉（Cd）、砷（As），灌溉用水的初始来源仍旧是是工业废水。此类重金属元素主要分布在绿化地的土壤中。
(三)含重金属废弃物的堆积
重金属废弃物包含的范围极为广泛，有电子元件、电池、设备、生活垃圾等等。其主要含有的金属有镉（Cd）、汞（Hg）、铬（Cr）、锌（Zn）、锑（Sb）、铅（Pb）等，主要污染范围是以废弃堆为中心，向四周扩散。而由于废弃物的多样性，导致各重金属元素的含量污染程度不相同，例如以铬渣堆放区则镉（Cd）、汞（Hg）和铅（Pb）为重度污染，而锌（Zn）、铜（Cu）等污染程度相对较轻。
（四） 其他间接性污染
其他间接性的污染主要是重金属元素的迁移而进入城市地质环境中，如随着河流、地下水、空气粉尘及人类交通运输的材料等。由于此类重金属元素一般具有很好的迁移性，污染分布的范围极为广泛，并且包括了以上提及的各类重金属元素。
二、地质环境中重金属形态与地质环境变化
重金属元素的迁移性质与地质环境的水污染，土壤污染变化相关。而重金属的形态直接决定着其迁移性质，从而产生不同的环境效应，同时也直接影响到重金属的毒性和在自然界中的循环。重金属的形态分类较多，所以本文只选取几种共有和较为重要的形态进行论述。
（一） 可交换态重金属
可交换态重金属是指吸附在你粘土、腐殖质及其他成分上的金属，它对环境变化敏感，易于迁移转化，能被植物吸收。由于具有良好的可迁移性质，故能在某段时期内反映出人类近期排污及对生物的毒性强弱，间接的能反映出地质环境的变化。
（二）碳酸盐结合态重金属
碳酸盐结合态重金属是指地质中重金属元素在碳酸盐矿物上形成的共沉淀结合态。一般情况下，该形态能够稳定的存在，而当土壤条件发生变化时，容易从重新释放进入到环境当中，尤其容易受到pH值的影响。所以此类重金属元素的迁移释放表明了城市地质环境的变化。
（三）铁锰氧化物结合态重金属
矿物质外囊物和细小粉尘是铁锰氧化物结合态重金属主要存在的地方，重金属主要通过吸附或共沉淀阴离子的方式而形成。它对土壤中的pH值和氧化还原电位敏感，在pH值和氧化还原电位较高时，有利于形成铁锰氧化物，其主要反映的人文活动对地质环境的影响。
（四）有机结合态重金属
有机结合态重金属是土壤中各种有机物与土壤中的重金属螯合而成，如植物残体、腐殖质及矿物质颗粒等。在城市此类重金属形态主要存在与河流当中，反映地质环境中有机物污水或污染土的情况。
（五） 残渣态重金属
残渣态金属是在自然地质风化过程中产生的，一般存在与硅酸盐、原生和次生矿物中。此形态的重金属能够长期稳定的存在，自然条件下，需要经过漫长风化、侵蚀过程才能够释放到环境当中。其迁移情况反映的是地质环境的长期变化的情况，而在城市地质环境中相对少见。
三、重金属元素对城市地质环境的意义
重金属元素的分布规律是与土壤发生过程和/或其他过程的综合作用有关。研究表明，风化成壤的过程中土壤各层重金属元素含量特点基本上与母质的地球化学特征相似。而对于具体环境而言，对比不同层次的重金属含量与背景值的差异，可以反映出外源性重金属是否有加入和富集。地质土壤中金属元素主要以残渣态存在，短时期内能够保持稳定的状态，所以当存在人类活动作用时，重金属元素的变化就反映在了地质地层上，某些情况下，检测不同地层的重金属变化，还可以推断或预测地质变化历史和趋势。
四、结语
总体而言，重金属元素的分布不同及存在形态的不同反映了城市地质环境中水文，矿产资源以及人类活动的情况，重金属元素的分布越是广泛越表明地质环境污染变化越严重，而形态的多样性则进一步表明城市地质环境的多样性与多变性。检测城市地质中重金属元素的变化情况，有利于更为清楚了解城市地质所发生的变化。
参考文献
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[2]韩春梅,王林山,巩宗强等.土壤中重金属形态分析及其环境学意义[J];生态学杂志,2005,24(12):1499-1502.
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关键词：非光滑表面 工程仿生 几何形态 减粘脱附
引言
仿生被认为是原始创新的不竭动力和源泉，是一个无止境的科技前沿。仿生摩擦学是工程仿生的重要领域，是仿生学的一个重要分支。仿生摩擦学技术建立于生物摩擦学行为的认识和深入理解之上，仿生摩擦学研究内容包括仿生减摩（减阻）、仿生增摩（增阻）、仿生附着、仿生防粘（仿生自清洁）、仿生耐磨、仿生等。生物所具有的各种摩擦学行为是其生存所需要的。就防粘与附着而言，若生物体表面需要防粘，其表面即进化出有利于防粘的结构表面和物质构成，典型的如荷叶效应、土壤洞穴动物的防粘脱土功能，这种防粘结构和功能被用于多种人工表面的仿生防粘乃至减阻设计中。
1生物表面粘附性的仿生学研究
生物表面的粘附是生物进化出来的适应生存环境的功能，生物的一些部位需求粘附，因而在这些部位进化出强的粘附功能，典型的生物粘附或称附着，发生在昆虫、壁虎等动物足上。最近若干年对粘附的研究有明显的进展。许多动物能够利用各种附着装置附着或行走在光滑或粗糙表面如垂直壁面和天棚上，显示出优良的附着功能。许多动物爪上具有爪垫，对光滑表面以及各种粗糙表面有很强的附着能力。
按照附着方式可大致将动物足分为三类：爪子、光滑爪垫和刚毛爪垫。动物爪子能够在粗糙表面上附着，其附着能力与表面粗糙度、爪子尖端几何形状和尺寸及摩擦系数有关。动物的光滑爪垫软且可变形，能够在光滑表面上附着，如蟑螂、蜜蜂、蝗虫和臭虫的爪垫。动物(如壁虎、苍蝇、甲虫和蜘蛛)的刚毛爪垫覆盖有较长的可变形刚毛，如图1所示。由于这些刚毛易弯曲而与表面接触形成一系列接触微区，Peressadko和Gorb认为刚毛尖端部位总体上是平的，构成端部接触单元，端部单元承担着与表面的接触，爪垫的附着力取决于接触单元的数量和与外物表面产生紧密接触的能力。
仿生附着技术还在发展中，预计通过有效的应用基础研究，仿生附着技术将会在较多领域获得应用。
2生物表面防粘性的仿生学研究
粘湿的松散物料对机械部件的粘附现象在工程中具有普遍性，尤其是土壤粘附具有较为广泛的代表性。松软土壤与地面机械触土部件接触过程中产生的粘附现象有两种表现形式：一是表现为土壤与固体表面之间形成的粘附力，二是表现为因土壤粘附力的作用而导致土壤在触土部件上形成严重的粘附积留现象。土壤粘附严重降低地面机械的作业效率和作业质量，增大能耗，甚至使机械无法作业。
柔性是土壤动物体表乃至生物界存在的力学现象。蝼蛄、蚂蚱、蟋蟀、蜣螂、步甲、田鼠等土壤洞穴动物的许多部位生长着刚毛。土壤动物体表柔性主要体现在非光滑结构单元上，因此，称之为生物柔性非光滑。这种柔性非光滑除具有非光滑表面减粘作用外，单元体的柔性对来自土壤的作用力具有缓冲作用，并通过柔性单元体的相互位移、扭曲等动作使与其接触的土壤被脱掉。土壤动物体壁、节肢的柔性性质对它们的脱土功能也有贡献。基于土壤动物体表柔性非光滑特征设计的仿生装置用于铲斗、轮斗、挖斗、自卸车车厢等触土部件上取得了显著的脱附效果。
3生物表面摩擦的仿生学研究
生物表面摩擦性能及机理研究受到较大关注，吸引了较多的研究者从事生物摩擦及其仿生摩擦研究。摩擦研究关注两个不同的目标，一个是增大表面摩擦力，一个是减小表面摩擦力，而在许多情况下又需要将摩擦力或摩擦系数控制在一定的范围而满足于相应的技术需求（如制动摩擦技术）。通过研究生物摩擦，创造仿生摩擦技术及装置是仿生摩擦学研究和技术开发的发展方向之一。
流体介质中运动表面的仿生减阻技术得到了较多的研究，在流体中运动的表面与流体之间产生摩擦力，构成运动表面的前进阻力。Carpenter详细分析了运动表面几何形态对流体运动阻力的影响。鲨鱼皮肤的减阻功能被人们用作流体减阻技术研究与开发的仿效对象，鲨鱼皮表面排布着一系列的鳞片，鲨鱼鳞片具有肋条形态，如图2所示。受鲨鱼皮肤结构表面特征及其减阻机理的启发，发明了多种流体减阻结构表面。具有这种相同仿生微观表面形态的透明塑料薄膜，可使飞机阻力减小8%，这意味着节省燃油消耗约1.5%。
Sirovich和Karlsson的研究表明：对机飞行、燃料管道输送等高雷诺数情况下，涡流阻力是一个制约性能的重要因素。对于这种情况，当表面呈V-型突起形态(见图3)且为随机分布时，其阻力比光滑表面的阻力小，然而，其阻力会因V-型突起分布的微小的变化对阻力特性影响明显。表面突起减阻方法在飞机上应用涉及成本问题，对于巡航飞行的亚音速飞机而言，表面摩擦阻力是飞机全部阻力的30%，随机突起能够减阻3%左右，可使单个飞机的运行成本减小0.3%左右，就全世界而言这应该是巨大的节约技术，但考虑维修、安全因素，总体上可能会导致成本的增大，因此，这类仿生结构表面被认为在商业飞机上的应用前景不大。
水生动物和飞行动物中还有大量的未被认识的减阻结构，因此，可以推断流体减阻仿生结构表面还有广阔的研究空间。流体减阻仿生表面在车辆、水下航行器、各种飞行器上应用将有更大更快的发展，是国际科技领域竞争的热点，是值得我国重视和发展的高技术。目前，流体减阻研究还仅限于减阻及其与防粘相综合的研究，尚缺少可能导致新的先进的综合仿生技术的基础研究和技术开发。
4结束语
随着经济、社会和科技的发展，仿生摩擦学研究及其应用领域将会不断拓宽和深入。仿生摩擦学是典型的工程科学与生命科学交叉的技术领域之一，需要多学科人员的合作。国内一些研究机构在降低粘附和减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、减阻方面取得了显著进展并获得一定应用。流体减阻的仿生技术已经得到了广泛的关注。仿生粘附和仿生增阻研究有了一定的基础。但与国外的研究相比，在许多方面还有不小的差距，需要更多的原始创新研究工作。结合我国工业现代化和面向以精确农业为代表的新的农业科技革命及国防科技的需求，应对仿生摩擦学领域的国际竞争，大力开展仿生摩擦学的基础研究、应用基础研究和仿生摩擦学产品的产业化开发，这是仿生摩擦学的总体发展方向。
参考文献：
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篇7
关键词：佳木斯地区；百里香；引种栽培；园林应用
中图分类号 S688 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2013）16-29-02
百里香属（Thymus Linn.）为唇形科重要的8个属之一，该属植物花型优美，植株低矮，芳香四溢，是优良的观花地被植物。其生于沙质坡地、砾石坡地、沙质草地等瘠薄土壤，对于固土护坡和水土保持具有一定的作用，而且还具有很强的适应性，如抗寒、抗旱、耐瘠薄土壤等特性，应用于园林前景广阔。相关文献表明[1-3]，目前对百里香属植物的研究大多集中于挥发油成分以及提取物抑菌特性等方面，未见在北方高寒地区引种栽培的报道。笔者在佳木斯地区引种栽培芳香植物百里香（Thymus mongolicus Ronn.），探讨其在北方高寒地区的生长表现以及园林应用前景，为进一步研究和开发利用奠定基础。
1 材料与方法
1.1 试验地概况 佳木斯市（N45°56'～48°28'，E129°29'～135°05'）地处中温带湿润气候区，属大陆性季风气候，历年平均气温2.9℃，最低气温-41.1℃，最高气温38.1℃，年有效积温2 521℃，年平均降水量510.7mm，年平均日照2 525h[4]。冬长夏短，无霜期约131d[5]。试验地位于佳木斯大学校园内，周围为人工栽植的乔木和草坪，包括红皮云杉（Picea koraiensis）、青（Picea wilsonii）以及草地早熟禾（Poa pratensis）等草坪植物。试验地为黑土，光照充足、土壤疏松、通风透气性较好。
1.2 试验材料与方法 试验材料为2005年引自宁夏六盘山主峰亭的野生百里香，该种生于山顶坡地，喜光。引种的百里香定植于试验地内，定植前进行整地。为防止根部脱水，试验材料在运输过程中应用塑料布包好。选取典型植株作为观察材料，观察形态特征、物候期、生长状况等。定期进行浇水、中耕除草、病虫害防治等田间管理。
2 试验实施与结果
2.1 形态特征 百里香为半灌木，茎多数匍匐或上升，不育枝被短柔毛，由茎末端或基部生出，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。花序头状，花具短梗。花萼管状钟形或狭钟形，长4～4.5mm，内面在喉部有白色毛环；上唇具3齿，齿三角形，具缘毛或无毛，下唇较上唇长或近相等。花冠紫色，长6.5～8mm，被疏短柔毛，上唇直伸，微凹，下唇开展，3裂，中裂片较长。叶2～4对，基部有脱落的先出叶。叶片卵形，长4～10mm，宽2～4.5mm，先端钝或稍锐尖，基部楔形或渐狭，全缘或稀有1～2对小锯齿，两面无毛，侧脉2～3对，下面微突起，腺点明显；叶柄明显，下部叶柄长约为叶片的1/2，上部叶柄变短；苞叶与叶同形，边缘在下部1/3处具缘毛。坚果近圆形或卵圆形，压扁状，光滑。
2.3 栽培试验 百里香耐瘠薄、耐干旱、喜光、怕涝，对土壤的要求不很严格。百里香最好选择栽培在排水条件和透气性较好的土壤之中。故在选择试验样地时，尽量营造与其原生境相似的环境条件。
露地移栽前进行整地，苗床要适当加高15～20cm。移栽前3d，将苗床浇透水。百里香移栽至苗床时，应斜栽，尽量使植株的枝条接近地面，将土壤压实后，浇透水。引种后，百里香在引种地生长茁壮、长势良好，能够完成整个生活史。可露地越冬，第二年萌生新芽，长势较好。
2.4 田间管理 引种试验所用的百里香为野生地被植物，故管理较为粗放。为防止植株脱水和日灼，植于露地的植株，移栽初期1～4d覆盖遮荫网。植株移栽初期，每1～2d浇水1次，浇水时间以傍晚为宜。百里香抗旱性较强，移植1个月后，无需浇水，主要依靠自然降水。定期进行松土除草，以利于植株的生长。
2.5 病虫害防治 2006年6月，部分移栽的植株受到蚜虫、菜青虫危害，影响植株的生长。受虫害后，植株的根、茎、叶受损并萎蔫，有的甚至枯萎。遭受虫害与植株根、茎、叶皆具有芳香气味有一定的关系。用50%避蚜雾可湿性粉剂或抗蚜威可湿性粉剂防治蚜虫；用生物杀虫剂高效Bt可湿性粉剂800倍液或0.2%阿维虫清乳油3 000倍液喷雾防治菜青虫。
3 园林应用
结合百里香的形态特征、抗逆性以及生长表现，进一步探讨百里香的园林应用方式。其应用方式可分为群植和独植。百里香群植可作为观赏地被，其枝叶可遮盖的地面，且花期时，丰富了园林的色彩。将百里香栽植于林缘、岩石园或园路两侧，可丰富景观的层次和多样性。百里香还可独植作为盆栽观赏，其茎、叶、花所散发的芳香气味，在色、形、韵之外，又增添了嗅觉效果。
参考文献
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[4]穆丹，梁英辉.不同树种对空气负离子水平的影响[J].安徽农业科学，2010，38（3）：1 549-1 550，1 556.
篇8
关键词：城市；土壤；绿色植物；影响
中图分类号：F291.1 文献标识码：A 文章编号：
前言
城市土壤是城市生态系统中必不可少的一部分，是城市绿化的根本。城市土壤质量的好坏，将直接对城市生态环境以及城市绿化建设产生影响，甚至对社会经济及人民生活也会产生影响。因此，研究城市土壤的特征以及做好城市土壤的开发和利用，不仅可以加强城市绿化建设，而且对提高城市的生态环境质量，提升城市人民的生活质量有着重要的作用。
城市土壤的特点
城市土壤是自然土壤在城市发展及人为干扰下发育形成的，其特征与自然土壤相比已经发生了明显的变化，其特征如下：
1.1土壤的形态和剖面结构混乱
城市在建设过程中往往需要进行挖掘、搬运、堆积和混合，同时还有大量的废弃物进行填充，因此，城市土壤的发育层次非常混乱，大多土层之间完全没有联系，其分异不连续，也没有统一的规律，甚至因为人为原因发生很多土层倒置的现象，比如新土壤层在下，古土壤层在上等情况。
1.2人工附加物含量高，土壤质地变性
城市中，由于居民生活、建设施工、工业生产等人类活动，给城市土壤带来了许多外来物，像碎石、煤渣、玻璃、砖块、塑料以及生活垃圾、工业废弃物等。因此，城市土壤的结构多为土、砾石和垃圾的混合物，颗粒组成中以砂粒和砾石居多，有些土壤中砂和砾石含量竟可高达80%~90%，粘粒及细粒少，土壤质地多为砂质和石质，其质地较粗，持水性差，不利于绿色植物的生长。
1.3土壤孔隙度小，容重大
城市人口比较密集，车流及人流量大，经过不断地人为践踏以及车辆的轧压，破坏了土壤本身的结构。因此，城市土壤的结构相对紧实，孔隙度小，容重大。一般来说，人流对土壤的影响深度为3~10厘米，土壤硬度为l4～18 kg／cm2；车辆的影响深度约30~35厘米，土壤硬度为l0~70 kg／cm2；而在机械反复碾压的区域，其深度则可达到1米以上，严重影响植物的生长。
1.4PH值偏高，主要偏碱性
在城市中，常常有不少的砖块、水泥等碱性废弃物混入土壤，导致城市土壤的PH值升高，大多呈碱性。据检测，南京市城区的土壤PH值变幅为5.19~9.15，几乎都呈碱性，而且有部分为强碱性，而在南京周边，其自然土壤的PH值变幅则为4.51~7.4，基本以酸性为主。因此，城市土壤PH值明显高于自然土壤，而且在土层的不同剖面中，PH值分布无规律。
1.5城市土壤养分少，肥力低
城市土壤中的养分元素主要来源有：废物、降雨、少量的生物残体以及土壤母质等，元素输入比较单一，而养分元素的主要输出有：淋溶流失、氧化挥发和植物吸收等，属于高输出、低输入的养分循环模式，容易导致植物生长所必需的元素含量低，肥力不足。
1.6城市土壤污染比较严重
城市土壤大多为零星、孤立分布，面积都比较小，其物质能量的代谢和循环转化单一而缓慢，生物种类少，环境容量小，对污染的自净能力小；而城市又属于重污染源，其工业三废、汽车尾气、生活及医药垃圾等都会带来土壤污染。因此，城市土壤污染的现象比较严重，尤其是重金属污染，其铜、铅的含量很高。
2.城市土壤对绿化栽植的影响
2.1植物的正常生长受到影响
城市土壤中养分低、透气性差、附加物多、物质循环的干扰因素多、结构紧实、污染严重等原因，将直接导致绿化植物营养缺失、长势不良；而且，由于城市土壤硬度高，影响了植物根系的发育，甚至根系死亡，继而影响植物地面部分的生长。
2.2城市的园林景观受到影响
以绿色植物为基础的城市园林景观将因植物的长势不同而展现不同的景象。若园林植物长势好，发育旺盛，形态优美，叶色光亮，则园林绿化就显得生机盎然，其景观效果好；若因为城市土壤状况不佳而导致园林植物长势不良，植株低矮、叶色暗淡，甚至叶焦花枯，则直接影响了园林景观的观赏性。
2.3增加城市园林绿化的建设及维护成本
城市土壤的土质不能充分满足植物的生长需求，因此，在绿化施工时必须对土壤进行处理，有的填充客土，有的则要全面换土，乔木种植时还要进行树穴换土，并对土壤进行施肥和消毒；由于城市土壤中的砖块、砾石多，植物根系不易下扎，导致树木稳定性差，易倒伏，因此往往需要搭设支撑；而城市路面多数封闭，自然降水很少能直接供给植物，需要人工补水；同时，由于城市土壤的肥力低，需要定期进行人工给肥等。以上这些，都将直接增加城市园林绿化的建设及维护成本。
3.做好城市土壤的利用及保护
为了促进城市的发展，满足人民的生活需要，满足城市园林植物正常生长的需要，我们必须科学地利用和保护城市土壤。
3.1 合理规划城市用地、充分保护利用土壤资源
如果土壤受到环境破坏，其恢复和治理均有一定的困难，导致经济增长，也不利于植物成长，所以在进行用地建设和规划的时候，应预先确定绿化位置并给予保护。对于城市建设中所占用的农田，需在施工前用推土机将肥沃土堆积存储，供绿化所用，或者由绿化部门运走。在城市的规划和建设初期，就应该综合考虑这些因素，将城市绿化区的位置确定，以避免该位置的土壤受到破坏难以恢复。
3.2 城市土壤监测与控制
要加强城市土壤资源的管理，防止城市的建设和生活中的有害垃圾混入土壤造成土壤污染；做好土壤污染的监测和控制工作，控制好三废的排放，提倡废物再回收及无害化处理，加强宣传和教育，提高公众的土壤保护意识，普及土壤保护知识，使大家能够更自觉有效地保护城市土壤。
3.3 城市土壤的调查和研究
城市土壤资源是城市绿地系统规划的基础资料，是决定城市绿化的重要依据，所以城市土壤和人为因素有非常大的影响。城市土壤是污染物汇集地，了解城市土壤的特征及其污染情况，对其进行科学的统计，以便更好地对绿地系统进行规划，才能根据不同的土质栽培不同的绿植品种。
3.4 要加强城市土壤的治理和改良
运用现代生物及生态工程技术，对已受污染或退化的土壤进行重建及生态恢复，通过掺入腐叶土或混入粗砂等措施改善土壤结构，增加通透性，此外，还可以通过人工施肥、化学方法治理、覆盖栽培等途径来增加土壤肥分，改善土壤结构，使其能够适合植物的生长。
4.结语
做好城市土壤的保护功在当代，利在千秋。通过加强对城市土壤的研究，进一步了解城市土壤特性，提高人们的土壤环境保护意识，一方面可以促进社会不断减少污染和破坏，另一方面对已破坏的土壤加强治理，为城市绿色植物的生长提供保障，也为城市人民生活提供优质的环境。
参考文献：
[1]王良睦，王文卿，林鹏.城市土壤与城市绿化[J].城市环境与城市生态，2003（06）:180-182.
[2]杨瑞卿，汤丽青.城市土壤的特征及其对城市园林绿化的影响[J].江苏林业科技，2006（03）:53-55.
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1植物根系护坡的作用
植物根系在增加边坡稳定、减少水土流失等方面有着很大的作用。通过根系吸水、植物的蒸腾作用，能有效降低坡体孔隙水压力；对坡体表面，纵横交错的根网将土颗粒紧紧束缚住，能有效抑制坡体表面土壤侵蚀；对坡体内部,根系和土体相互作用，形成根土复合体，增加土体的迁移阻力,提高土层对滑移的抵抗力，有效增加了含根土层的抗剪强度，粗根对土体中张拉裂缝的桥连作用，阻止了裂缝的繁衍，有效增加了边坡的稳定性。此外，根系与土壤接触发生有机物质的胶结作用，具有生理活性的吸收性根分解产生的糖类等物质与土壤接触面的黏粒矿物发生生物化学作用，能提高根土界面的摩擦作用，提高土体的黏聚力[4]。植物根系还具有“生物反馈”作用，能通过增加土壤有机胶结物质及团粒结构等，强化土壤通透入渗性能，提高土壤结构及孔隙的稳定性[5]，为生物的生存和繁衍提供了有利的场所，还能改善土壤的污染。
2根系固土护坡的机理
2.1水文效应
2.1.1根系提高土壤抗冲性的作用根系在其生长发育过程中，分泌大量高分子粘胶物质和多糖类物质，这些物质存在巨大的粘结作用，能将土颗粒缠绕连接起来；同时，数量众多发达的须根系统形成纵横交错的根网，将土颗粒紧紧束缚包裹住，犹如施加了层层套箍作用，能有效保护土粒免于被冲蚀。国内外学者对植物根系增强土壤抗冲性方面的作用进行了较为深入的理论研究，指出根系强化土壤抗侵蚀能力主要通过根径<1mm的须根发挥作用，土壤的抗冲性与根系(根径≤1mm)的分布密度呈指数关系[6-7]。
2.1.2根系的水分运移作用植物根系具有吸收土壤中的水分、降低土壤含水量、减小土壤孔隙水压力的作用。土壤有效水的消耗主要通过根系吸水，再由植物的蒸腾作用使水分消失掉，能有效降低土壤的含水量。根据Reynolds的报道，在亚马逊流域热带雨林区的2个典型盆地中，植被蒸腾量分别占到当地2000mm降水量的62%~48%，高人等对辽东山区5种主要森林植被的研究表明，生长季植物的蒸腾耗水量为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从几厘米到几米，甚至十几米，能穿过具有不同含水状态的土层，这样，通过根系吸水及植物的蒸腾作用，渗进土体内的雨水甚至很深土层中的有效渗水都能被消耗掉，从而降低土体的含水量，减小孔隙水压力，致使土体粘聚力增加，土体的抗剪强度提高，边坡的稳定安全系数提高。
2.2力学效应
2.2.1根增强理论由于根系相对土体具有较大的抗拉强度，在对土体加载的过程中，土体中的剪应力通过根土间的相互作用，逐渐转移到根系中，而使根系受拉，从而增加了土体的抗剪强度，已得到广泛认可。然而，根系对土增强效果的量化却存在一定的困难，尚处于前期研究阶段，有待发展。分布在土中的根系构成复杂混杂的生物网络，它们的几何特征、力学特征都随着时间和空间不断的发展进化着，要在野外对根系特征进行测量是有困难的，根对土增强作用的模拟也增加了挑战性。虽然已有众多学者对此进行了广泛研究，但最初的Wu[9]和Waldron[10]根增强模型几十年以来一直受到广泛应用，其原因也就在于此。
2.2.1.1Wu和Waldron根增强模型早在上世纪70年代，1976年Wu[9]和1977年Waldron[10]先后建立了根增强土的先驱模型，形成了根系固土的理论基础——加筋土理论。该模型以摩尔-库伦强度理论为基础来说明根的增强效果，假定所有根系垂直穿过剪切面，当受剪切时，根土之间发生相对错动，根系发生变形产生拉应力，通过根土之间的相互作用，土中的剪应力逐渐向根系转移，增加了土体的抗剪强度。该模型将根系对土的贡献模拟成增加土的视凝聚力Rc，即土的抗剪强度为'''Rτ=c+σtanφ+c。并指出抗剪强度的增量主要取决于根的平均抗拉强度Tr和根的面积比(Ar/A)。Wu和Waldron模型假定当土受剪切时，穿过剪切面的所有根在同一时刻全部达到抗拉强度，即同时被拉断。然而，2004年Pollen等[11]在对河岸含根土的室内和野外的强度测试中发现河岸可能在所有的根在理论上达到抗拉强度之前就已破坏。1994年Reinstenberg[12]、2005年Norris[13]在根的拉拔试验，2008年Docker等[14]在根的拉拔测试和含根土的直接剪切测试中也证实了根系的逐渐破坏现象。由此，Wu和Waldron模型假设所有的根同时破坏，使视凝聚力计算值Rc偏高。2005年Fannin等[15]对无粘性土进行了一系列的原位剪切测试，以探索在浅层平面滑动的过程中土体抵抗强度的调动情况，其中得到的一个含根土的原位剪切测试结果如图1所示。图1显示了根对土应力-应变关系的影响，图中黑色方点代表被测量的含根土的应力-应变关系，如果将土体和根的强度单独分开，则绿色曲线代表不含根土的应力-应变，而棕色曲线表示根的影响。从图中可以看出含根土有2个明显分离的剪切应力峰值，出现的第一个峰值是由土体本身的抗剪强度提供的，第二个峰值是由根的抗拉抗力提供的，且这2个峰值发生在不同的位移处，故如果仅简单地把根的抗拉抗力S加到土体的剪切强度上，则将高估土体的抗剪强度，将高估在滑坡中所调动的抗力。由此，Wu和Waldron模型将由根引起的视凝聚力Rc直接加到土的抗剪强度τ上，便高估了根的增强效果。美国农业部农业研究服务署（USDA-ARS）国家沉降实验室的Pollen等[16]（2005）用纤维模拟根，测试了一纤维束所承受的最大荷载值，结果得到的值比所有单根强度相加之和（按照Wu和Waldron模型所有根同时断的假定）要小得多。于是Pollen和Simon对Wu和Waldron增强模型进行了改进，建立了一种动态纤维束模型（theFiberBundleModel）来考虑剪切过程中根系逐渐断裂的行为。并且2010年Schwarz等[17]在对根束原位测试中发现，将实测的结果同Wu和Waldron模型计算的结果相比，Wu和Waldron模型高估根系的抗力达到60%~100%。
2.2.1.2纤维束根增强模型（FBM）纤维束模型假定不同直径的根具有不同的抗拉强度，每个根将在不同的位移处产生断裂。FBM模拟以一个应力加载步骤对一束含N根平行纤维的纤维束施加载荷，荷载被分配给束中的每根纤维，当载荷增加到其值超过了某单根的抗拉强度时，该根被拉断，而被该根分担的载荷被重新分配到剩下的（N-1）个完好的根中，接着，剩下的根中被分配到更多的载荷，更有可能被拉断，如果这次的载荷重新分配导致更多的根拉断，再一次的载荷重新分配将发生，直到没有更多的根拉断。如果重新分配后的荷载值不能引起更多的根拉断，最初施加的荷载必须增加，这个过程被重复，直到所有的根都拉断[16]。FBM模型在将整个载荷分配给纤维束中的每个平行纤维后，监测每根纤维所承受的荷载是否超过其抗拉强度，因此纤维束模型的控制方程能够写成：第n根纤维的拉断力=总的加载值×分配函数因此，确定总的载荷在根束中的分配函数是关键。2010年ino等[18]提出了根束中载荷相等均分的分配标准，也即根束中每个完好的单根将承受相等的载荷。也有学者提出考虑根直径的大小，按应力相等来分配总的载荷给根束中的每个单根。但是根据1996年Gray等[19]、2005年Genet等[20]提出的根的抗拉强度和根直径之间存在反幂函数关系，如果按应力相等分配总的载荷给根束中的每个单根，则最大的根将最先断，而最小的根将最后断。而且，2005年Pollen等[16]在野外和室内的剪切测试中发现最小的根趋于在土剪切开始时先断，2010年Thomas等[21]在剪切模拟中也发现当载荷被平均分配给穿过破坏面的每1个根时，最小的根最先断，而最大的根最后断。因此，在根束中考虑载荷相等均分的分配标准能更加恰当地模拟含根土体的受力破坏特征。然而受力过程中，根渐进破坏的特征主要依靠土变形及根的直径分布、几何性质、力学性质之间的相互作用和综合影响，而这些方面在FBM模型中没有被考虑。另外，FBM模拟中使用应力控制的加载过程，则根束的力-位移关系曲线在超过最大的载荷峰值后是不能得到的，这样将不能得到完整的力-位移关系曲线，同时也将妨碍对残余强度的评价。为了克服上述缺陷和进一步深入研究根的增强效应，2010年Schwarz等[22-24]在FBM模型的基础上，提出了根束模型（theRootBundleModel）来评价根的增强效应。
2.2.1.3根束增强模型（RBM）RBM模型是一个以位移控制加载过程的纤维束模型。在RBM模型中，根的强度、直径、长度、弯曲、分支，土的含水量、根土间的摩擦作用都被明确地考虑。通过以位移控制的加载代替以应力控制的加载过程，RBM模拟避免了同荷载重分配原则之间存在任何联系，产生了包括达到荷载峰值后根残余拉力在内的完整的力-位移关系曲线[22-24]。RBM模型考虑整个根束的拔出力是位移的函数，并被表示成单根的拔出力之和，如下所示[17]：?=Δ=ΔNjjjFxFxn1()()根束F(Δx)根束为整个根束的拔出力；F(x)jΔ为属于根径j类的单根的拔出力；nj为根束中属于根径j类的单根数量；N为根直径的分类数量。故RBM模型的关键在于探索拔出过程中根束中的每个单根沿根长的根强度的渐进积累过程，探索单根拔出力与位移间关系。
2.2.2根-土相互作用
2.2.2.1根系拔出机理根-土间的相互作用机理是决定根对土增强的关键。这里以根的拔出过程来分析根-土间的相互作用。1981年Waldron等[25]提出根要么被拔出，要么被拉断，2005年Norris[26]在对嵌入土中的单根的拔出测试的试验中也发现，根在经过一非线性弹性拉伸阶段后，要么被拔出，要么被拉断，其取决于根的几何和力学特征。根拔出时力与位移间的非线性关系也被1990年Ennos[27]、2007年Hamza等[28]在野外和室内试验中观察到。根系拔出的过程如图2所示。图2(a)显示了单根拔出时的力-位移关系，①代表根拔出的力-位移曲线的第一个阶段—根的拉伸阶段，为非线弹性，因为根土界面上的摩擦力沿着根的长度方向逐渐被激活，被调动的根长逐渐增加，见图2(b)中①所示，表示仅部分界面摩擦被激活，仅部分根长被调动。图2(a)中②点代表拔出力的峰值，②~③段代表所有根长被激活，达到最大的拔出力（对应图2(b)中②），而沿根长的根截面的最大抗拉强度却始终没有达到，根逐渐被拔出，见图2(b)中③所示；②~④虚线段代表在某一临界位移处，根长中某一截面上产生的拉力超过了其抗拉强度，根被拉断。根一旦被拉断，其上的荷载要么为零，要么因根土界面间的滑动摩擦而保持一个残余的载荷，其大小与仍然正在被拔出的根长成正比。根的几何特征对根系拔出力具有重要的影响作用。2011年Schwarz等[17]在根系拔出的原位和室内试验中发现，根长、根弯曲、根分支点是影响根系拔出力的关键参数，有分支点的根比无分支点的根拔出拉力要大得多，因为沿根分支锚固长度上的根的抗拉强度也被调动起来。分支点被定义成其侧根的直径>0.5mm，如图3所示，红色标记点即为分支点。弯曲根同直根相比，最大的拔出力及其相应位移值都要更大。而在根束的原位拔出测试中发现，多种情况下，在拔出力开始逐渐减小之前可能存在多个峰值点。
2.2.2.2根土界面摩擦根土间的摩擦作用随土类型、含水量而改变，并影响根拔出力-位移关系曲线。自然土中，根毛、根分泌物、根生长产生的压力和根对土的毛孔结构的适应性等都将增加根土间剪切强度。界面摩擦作用由根拉拔时拉伸阶段的静摩擦逐渐向根滑出阶段的动摩擦而变化。2010年Schwarz等[23]把根土间摩擦作用分成2部分：根土界面间的摩擦、分支点的摩擦。因为在分支点处，沿根分支锚固长度上的根土界面上的摩擦作用也被激活。Schwarz等[23]通过n个分支点将根长化分为n+1段，从根尾开始分别为0段、1段…n段，得到根系的总拔出力为：根土界面静摩擦力：
2.2.3根系的地下分布状况植物根系的形态决定了根对边坡加固作用的发挥。Green-way、Operstein等[29]先后总结指出根系密度、直径、长度及根的地下分布形态是影响根增强土的主要因素，地下生物量越大，根系分布越深，保持水土能力越强，植物的抗逆性也越强。2011年Schwarz等[17]在对根束拔出的原位测试和室内模拟试验中发现根束中根直径的分布形态、根长等将极大地影响根束的最大拔出力。Kozlowski对根的水平延伸规律作了探索，发现树根最少能延伸树冠半径的1.5倍。2010年Hubble等[30]对河岸植物的根系分布进行研究发现许多树种已进化了根，为了寻求夏季的低水位以便在干旱季节里能幸存更长久，根深度常大于5m，甚至超过20m，对土体失败的缓解更有效。早期，Nilaweera、Rutherfurd就发现根系数量在土壤表层0~50cm分布最多,在该深度范围以下根系密度随着垂直深度和水平距离增加而减少的规律[31-32]。近年来，许多学者也对根的形态分布及模型构建进行了一定的探索，如2004年Preston等[33]、2003年Vercambre等[34]、2004年Pages等[35]。2010年Scanlan等[36]、2011年Cohen等[37]还对根直径的密度分布规律进行了研究，发现利用Web分布和正态分布函数来分析根直径的分布形态，同实际测量的数据相比较，具有很好的适合性。
2.2.4边坡稳定分析根系对边坡的稳定增强通常通过以下2种途径进行：（1）将根系看成类似于土钉的杆件直接加入土体中进行分析；（2）将含根土层看成复合土体，用一个相当的增强层（具有根增强量Δs、根分布相同厚度）来代替含根土层而进行分析。在边坡的稳定分析中，数值模拟方法得到了广泛的应用。Robbin建立了所谓的无限边坡模型用于边坡稳定分析。Ekanayake等[38]研究了植被护坡与斜坡稳定极限问题。2005年Greenwood[39]以Wu和Waldron模型为基础建立了计算机程序—SLIP4EX，来综合考虑植物的力学效应和水文学效应对边坡稳定性的影响。2010年Der等[40]通过3D有限元程序，采用c?φ逐步递减方法，分析了不同根系分布深度分别对不同坡角的边坡安全稳定性的影响，发现边坡坡度在25°~40°之间，根系增强效果最好，能调动边坡最大的安全储备。国内学者陈丽华、姜志强、宋维峰等也采用有限元数值模拟的方法就根系增加边坡安全稳定性进行了分析，指出随着根系的加密,边坡的稳定安全系数在增加，并指出根系密度对边坡整体稳定性的贡献存在一上限值[3,41]。
