澧阳平原杉龙岗遗址埋藏古水稻土磁性矿物特性①

谭 洁，周卫军，陈 恋，刘 沛，曹 胜，罗思颖

(湖南农业大学资源环境学院，长沙 410128)

澧阳平原杉龙岗遗址埋藏古水稻土磁性矿物特性①

谭 洁，周卫军*，陈 恋，刘 沛，曹 胜，罗思颖

(湖南农业大学资源环境学院，长沙 410128)

为探明埋藏古水稻土磁性矿物特征，采用环境磁学方法研究了澧阳平原杉龙岗遗址埋藏古水稻土的磁性矿物含量、组成和粒度。结果表明，埋藏古水稻土的磁化率平均值为6.2×10-8m3/kg，饱和等温剩磁平均值为16 338×10-5Am2/kg，软剩磁平均值为773×10-5Am2/kg，退磁参数S300平均值为72%。埋藏古水稻土亚铁磁性和不完全反铁磁性矿物含量随土层深度增加不断降低，其含量均低于现代耕作水稻土层；埋藏古水稻土磁化率主要来源于亚铁磁性矿物和不完全反铁磁性矿物，且亚铁磁性矿物占相对主导地位；相对于现代耕作水稻土层，埋藏古水稻土层中磁性矿物以较粗的磁铁矿颗粒为主。

澧阳平原；古水稻土；磁性矿物；磁性参数

古土壤是在古环境条件下气候、生物、地形、母质、时间和人为活动等综合作用下形成的，是反映不同地质时期的古环境、古气候、古生态以及重大地质事件的一面镜子[1]。通过对古土壤发生和演变的系统研究，了解历史上农业发展的历程及全球气候变化已成为国际土壤学界的研究热点[2-3]。水稻栽培在我国已有7 000 a以上历史，我国学者围绕古水稻土的时空分布特征[4]、肥力状况[5]、细菌和古细菌群落特性[6]、孢粉学[7]和有机质特征[8-9]及黏土矿物形态分布与演变[10-11]等方面开展了深入研究，阐明了古水稻土的物理、化学、数学和生物地球化学的一些特性。由于土壤中存在多种磁介质，土壤磁性可以用于评价地质、气候、植被、地形、有机质及时间等主要成土因子，能够反映全球环境变化、气候变迁和人类活动等综合信息[12]，将土壤磁化率作为记录古气候变迁和古季风环流变化的代用指标已广泛应用于中国北方黄土-古土壤研究[13-16]，还有不少研究者从不同角度对红土磁化率的古环境意义进行了探讨[17-20]。目前，关于水稻土的磁化率研究相对较少，针对古水稻土的磁化率研究仅见于江苏省昆山市绰墩遗址[21]。因此，本研究通过对位于澧阳平原的杉龙岗埋藏古水稻土剖面磁性矿物的相关特性研究，分析埋藏古水稻土层与现代耕作水稻土层磁性矿物变化规律及差异，旨在为进一步揭示水稻土发生、发育过程的生物地球化学机制提供理论和实际依据。

1 材料与方法

1.1 样品采集

样品采自湖南常德临澧县新安镇杉龙岗村古水稻考古点(29°40′3.97″N，111°30′ 41.11″E)，土壤剖面是湖南省文物考古研究所挖掘的2个考古剖面，分别为PB(29°40′3.96″N，111°30′41.52″E)、PC(29°40′4.61″N，111°30′41.13″E)。根据土壤剖面特性和年代测定结论，剖面可分为2个典型的层次(表1)，其中剖面PB(51 ～ 70 cm)和PC(39 ～ 67 cm)为距今约3 000 a的埋藏古水稻土层，剖面PB(0 ～ 51 cm)和PC(0 ～ 39 cm)为现代耕作水稻土层，在进行剖面观察确定层次后，自剖面底部向上每层采集土壤1 kg左右，土壤样品在实验室自然风干后过10目筛，装入密封袋备用。

1.2 分析测定方法

样品主要进行以下测量：①磁化率，将5 ～ 6 g自然风干的土样，过16目筛，置于10 ml圆柱状聚乙烯样品盆，压实密封，采用BartingtonMS2磁化率仪测定低频磁化率(χlf，0.47 kHz)和高频磁化率(χhf，4.7 kHz)。②等温剩磁和饱和等温剩磁，采用Molspin脉冲磁力仪(磁场范围在0～300 mT) 在系列磁场中磁化，Molspin旋转磁力仪测定等温剩磁(IRM)，并在1 T脉冲磁化仪磁化后测定饱和等温剩磁(SIRM)。③软剩磁(SOFT)，在20 mT磁场中测定的剩磁。④硬剩磁(HIRM)，根据SIRM与300 mT磁场下测定的剩磁计算，HIRM=(SIRM+IRM300mT)/2。并根据测量结果计算SIRM/χLF。以上试验在浙江大学环境与资源学院磁学实验室完成。

表1 古水稻土(PB和PC)剖面特征描述Table 1 Morphological characteristics of PB and PC profiles of ancient paddy soil

1.3 数据统计与分析

所有野外调查与分析测定数据均用Excel 2003和PASW Statistics 18统计软件进行数据处理分析。

2 结果与讨论

2.1 土壤磁性矿物含量特征

磁化率(χlf)一般用于反映磁铁矿和磁赤铁矿等亚铁磁性矿物的总量[22]。磁学参数测定结果表明(表2)，埋藏古水稻土层剖面样品 χlf变化范围为(5.3 ～7.3)×10-8m3/kg，平均值为 6.2×10-8m3/kg，其值耕作层＞犁底层＞潴育层＞母质层，表明随着深度的增加，埋藏古水稻土层中亚铁磁性矿物含量呈逐渐下降的趋势，这与淹水导致母质中原有的强磁性矿物被还原分解、水化和无定形化成弱磁性矿物和无定形氧化铁有关。PB 剖面埋藏古水稻土层 χlf的变幅为(5.3 ～6.0)×10-8m3/kg，平均值为5.8×10-8m3/kg，变异系数7.0%；PC 剖面埋藏古水稻土层 χlf的变幅为(6.0 ～7.3)×10-8m3/kg，平均值为 6.5×10-8m3/kg，变异系数9.7%，均小于现代耕作水稻土层，说明埋藏古水稻土层中亚铁磁性矿物总量低于现代耕作水稻土层。

饱和等温剩磁(SIRM)是亚铁磁性和不完全反铁磁性矿物含量的近似度量[23]。由表2可知，PB和PC剖面埋藏古水稻土层的SIRM变幅分别为(13 761 ～20 652)×10-5Am2/kg和(10 187 ～ 21 645)×10-5Am2/kg，平均值分别为17 447×10-5Am2/kg和15 229.5×10-5Am2/kg，其变幅与平均值均小于现代耕作水稻土层，且耕作层＞犁底层＞潴育层，反映了埋藏古水稻土层中亚铁磁性和不完全反铁磁性矿物的含量整体低于现代耕作水稻土层，且有随着深度增加而不断降低的特点。磁化率、等温剩磁均随着土层深度的增加而下降，这与卢升高[24]关于红壤性稻土年限越长，其磁化率降低幅度越大，以及常跃畅[25]关于瀦育型水耕人为土剖面磁化率由上至下逐渐变小的研究结论一致。软剩磁(SOFT)可以用于指示亚铁磁性矿物，特别是低矫顽力的多畴(MD)和准单畴(PSD)磁性晶粒含量[26]；硬剩磁(HIRM)则能反映土壤中反铁磁性矿物的含量[27]。由表2可见，PB和PC剖面的埋藏古水稻土层和现代耕作水稻土层SOFT存在明显差异，埋藏古水稻土层SOFT平均值分别为817.7×10-5Am2/kg和729.0×10-5Am2/kg，远远低于现代耕作水稻土层平均值6 771.3×10-5Am2/kg和6 715.5×10-5Am2/kg；HIRM的测定结果也呈现同一特征，表明PB、PC剖面埋藏古水稻土层中亚铁磁性矿物以及反铁磁性矿物含量均低于现代耕作水稻土层。这与杨用钊等[21]在绰墩农业遗址全新世2个古水稻土层磁化率变化趋势一致。

表2 土壤磁性参数统计结果Table 2 Statistics of measured magnetic parameters

2.2 土壤磁性矿物组成

PB和PC剖面土壤样品χlf与SIRM之间的相关性分析表明(图1A、B)，PB和PC剖面χlf与SIRM之间存在显著正相关(PB剖面R2= 0.999 1，P＜0.01；PC剖面R2= 0.970 8，P＜0.01)，反映出样品中对 χlf的贡献主要来源于亚铁磁性矿物和不完全反铁磁性矿物。由图2A、B可见，PB和PC剖面χlf与SOFT亦存在极显著的正相关性(PB剖面R2= 0.992 1，P＜0.01；PC剖面R2= 0.993 8，P＜0.01)，更进一步证明了χlf主要受亚铁磁性矿物的主导。HIRM主要用于估计高矫顽力的不完全反铁磁性矿物[28]。从图3A、B可以看出，χlf与HIRM也存在正相关性(PB剖面R2= 0.972 9，P＜0.01；PC剖面R2= 0.922 3，P＜0.01)，但低于χlf与SIRM和SOFT相关性，表明不完全反铁磁性矿物对χlf的贡献度低于亚铁磁性矿物。

退磁参数(S300)反映了样品中亚铁磁性矿物和不完整反铁磁性矿物的相对比例，高值表明样品中亚铁磁性矿物居多，其值随着不完整反铁磁性矿物比例的增多而下降[29]。由图4可见，PB和PC剖面埋藏古水稻土层S300变幅为68.52% ～ 79.30%，平均值为72%，均低于现代耕作水稻土层，这反映出埋藏古水稻土层中亚铁磁性矿物低于现代耕作水稻土层，且不完全反铁磁性矿物相对比例有增高趋势。

2.3 土壤磁性矿物粒度分析

频率磁化率(χFD)可大致反映超顺磁性(SP)-稳定单畴(SSD)过渡态颗粒的含量[30]。由于澧阳平原杉龙岗遗址埋藏古水稻土磁化率过低，导致频率磁化率过高，故不宜采用频率磁化率作为古水稻土粒度分析依据。SIRM/χlf可用于分辨样品中磁性矿物类型和铁磁晶粒特征，当磁性颗粒的粒径大于SP时，SIRM/ χlf值越大，粒径小的磁性颗粒含量越大[22]。由表2可知，PB和PC剖面埋藏古水稻土层SIRM/χlf低于现代耕作水稻土层，且随着深度的增加呈现下降趋势，表明埋藏古水稻土层中磁性颗粒以粗颗粒为主，粒径大的磁性颗粒含量高于现代耕作水稻土层，且随着土层深度增加，铁磁晶粒平均粒径也不断增大。该结论与卢升高[24]认为红壤性水稻土中基本不存在超顺磁性和稳定单畴态铁磁性矿物一致。

3 结论

1) 磁化率、等温剩磁均随着土层深度的增加而下降，说明澧阳平原埋藏古水稻土在地表淹水和地下水双重影响下，土壤中的强磁性矿物不断转化成弱磁性矿物和无定形氧化铁，从而使得亚磁性和不完全反铁磁性矿物的含量随深度增加不断降低。埋藏古水稻土层的磁化率、饱和等温剩磁、软剩磁和硬剩磁明显低于现代耕作水稻土层，表明埋藏古水稻土层亚铁磁性和不完全反铁磁性矿物的含量均低于现代耕作水稻土层。

2) 磁化率与饱和等温剩磁、软剩磁、硬剩磁之间存在显著正相关关系，但磁化率与硬剩磁相关性低于其与饱和等温剩磁、软剩磁的相关性，说明土壤磁化率主要来源于亚铁磁性矿物和不完全反铁磁性矿物，且亚铁磁性矿物占相对主导地位；退磁参数的变化亦反映了磁铁矿、磁赤铁矿等亚铁磁性矿物在埋藏古水稻土层中的相对含量低于现代耕作水稻土层，且埋藏古水稻土层中针铁矿、赤铁矿等不完全反铁磁性矿物的相对比例有所增多。

图1 PB(A)、PC(B)剖面χlf与SIRM关系Fig.1 Correlation between χlf and SIRM in PB(A) and PC(B) profile

图2 PB(A)、PC(B)剖面χlf与SOFT关系Fig.2 Correlation between χlf and SOFT in PB(A) and PC(B) profile

图3 PB(A)、PC(B)剖面χlf与HIRM关系Fig.3 Correlation between χlf and HIRM in PB(A) and PC(B) profile

图4 土壤磁学参数IRM300mT/SIRM随剖面深度变化Fig.4 Changes of IRM300mT/SIRM in soil profile

3)现代耕作水稻土层和埋藏古水稻土层磁化率及SIRM/χLF的变化及差异，表明了埋藏古水稻土层中以较粗的多畴颗粒为主，且随着深度增加，粒径大的晶粒越加占主导地位。

4) 由于水稻土受到人类活动、自然气候、生物作用等各种因素的影响，磁化率信息发生了非常复杂的变化，而导致埋藏古水稻层与现代耕作水稻土层磁性矿物特征差异的因素及其作用机制还有待进一步深入分析。

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Magnetic Mineral Characteristics of Buried Ancient Paddy Soil in Shanlonggang Site of Liyang Plain

TAN Jie, ZHOU Weijun*, CHEN Lian, LIU Pei, CAO Sheng, LUO Siying
(College of Resources and Environment, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China)

Environmental magnetism method was applied in this study to discuss the content, composition and granularity of the magnetic minerals of the buried ancient paddy soil in Shanlonggang Site in Liyang Plain in order to disclose the characteristics of magnetic minerals. The results showed that the average MS, SIRM, ‘soft’ IRM, S300 ratios were 6.2×10-8m3/kg,16338.3×10-5Am2/kg, 773.35×10-5Am2/kg and 71.99%, respectively. It also showed that the frequency dependent susceptibility χlfwas over 10%. Furthermore, the magnetic susceptibility was mainly derived from ferrimagnetic mineral and the imperfect antiferromagnetic mineral, especially from ferrimagnetic mineral. Meanwhile, the contents of ferrimagnetic and the imperfect antiferromagnetic minerals decreased with the depth, and were lower than those of current paddy soils. Finally, the results of SIRM/χlfand magnetic susceptibility, which could be used as an indicator of the magnetic grain size, indicated that the sizes of magnetic particles of the buried ancient paddy soil may be larger than those of current paddy soils.

Liyang Plain; Ancient paddy soil; Magnetic parameters; Magnetic mineral

S153.2

A

10.13758/j.cnki.tr.2017.05.026

国家自然科学基金项目(41371288)资助。

* 通讯作者(wjzh0108@163.com)

谭洁(1979—)，女，湖南湘潭人，讲师，博士研究生，主要从事土地/土壤环境过程及模拟研究。E-mail： 37080689@qq.com