變性土

變性土又稱“黑粘土”。富含膨脹性粘粒蒙脫石等的礦質土壤。為美國農業部土壤分類的一個土綱。其共同特徵：①粘粒含量高達30%以上；②隨著土壤水分含量的變化，土壤體積

可以產生明顯的變化；③在某些季節，土壤可以產生深而寬的裂隙（可達50厘米深和21厘米寬）；④從斷面擦痕的形態、小起伏的微地形以及在與水平方向成一定角度進行耕作時所產生的楔形結構體，可看出土壤移動的跡象。在成土作用中，整個土體經常被混合，以致影響了診斷層的發育。有機碳可以分佈得很深，但通體含量較低；粘粒含量和陽離子交換量通體較高。如腐殖質黑粘土、黑棉土，黑色火山灰土等。中國的砂姜黑土與其近似。

本土綱分佈在南、北緯45°之間，大面積出現在熱帶、亞熱帶季節性乾旱地區。世界上三大片變性土分佈區位於澳大利亞、印度的德干高原、非洲的蘇丹，其餘地區分佈面積較小。中國典型的變性土面積不大，分佈零散，多與其他土壤類型呈復區分佈，而變性土性土壤的分佈較為廣泛。

中國變性土和變性土性土壤的分佈區均在受夏季風影響的區域內。黃瑞采等報道過中國變性土和變性土性土壤的十大地理分佈區，指出中國變性土主要見於淮北平原、河南省西南部的南陽盆地、山東半島西部和北部平原、海南島北部和雷州半島四個地區，以淮北平原分佈最為廣泛，變性土性土壤則多分佈在其他六個地區。全世界變性土總面積約為340萬平方公里，占陸地面積的2.46%。中國變性土總面積尚未有過統計。

變性土在各種基性母質上發育，包括鈣質沉積岩、基性火成岩、玄武岩、火山灰以及由這些物質形成的沉積物。這些母岩母質中豐富的斜長石、鐵鎂礦物和碳酸鹽有利於變性土的發育。據報道，印度變性土的母岩為：從玻璃質玄武岩到粗粒玄武岩、泥質石灰岩等多種母岩。中國變性土涉及的母岩母質有石灰岩、玄武岩、第三紀河湖相沉積物以及近代河流沉積物等，但以石灰性母質為主。

變性土在海拔1000米以下的平坦地貌面（如高原面、平原和台地）或低洼地（坡地下段及盆谷地）都有分佈，以海拔低於300米的地形為多。地形坡度一般不超過2—3°，但有些地區（如火山地區）坡度達15—16°，也有變性土發生。中國變性土多分佈在低平窪地，但在一些低丘、台地上也有發育，如福建漳浦縣和龍海縣沿海、廣東省海康等地。變性土分佈區常可見到特殊的土壤發生地形——粘土小窪地（gilgai），這是一種小盆和小丘組成的微地形，起伏高度一般不超過1米，水平距離2至100米，是因不同的內壓力而引起地表面彎曲。粘土小窪地在各地出現的頻度不同。

氣候

變性土在熱帶、亞熱帶以至溫帶均可發生，分佈區氣候的最普遍特徵是季節性乾旱，但旱季的長短各地相差很大，包括乾濕季分明的季風氣候，一年內只有一兩個月濕季的較乾旱氣候和只有幾星期水分不足的濕潤氣候。年降水量少至150毫米，多可達2000毫米，但多數為500—1000毫米之間，年平均溫度一般為15.5—16.5℃。

變性土母質的絕對年齡可始自全新世至更新世之間，在基岩上發育的，則可追溯到中更新世或更早；而在經運移的土壤物質或其他沉積物上發育的，則在中更新世或更遲。變性土的相對年齡屬於幼年，原因如下：許多變性土是在沖積、湖積以及火山物質等近期母質上發育的；變性土的自翻轉作用是使其保持幼年性的另一個因素；在半乾旱氣候區，由於緩慢的風化速度限制了剖面發育；基性母質不斷釋放出豐富的Ca、Mg鹽基使土壤中蒙脫石礦物保持穩定；在坡地，則因迅速的剝蝕作用，表層不斷遭沖失，使土體保持淺薄和幼年狀態。

變性土在自然條件下的典型植被是草地或熱帶稀樹草原。

變性土的形成經歷了蒙脫化過程和開裂過程。

蒙脫石佔優勢的粘粒礦物組合是變性土中活躍成土過程的基礎。變性土的蒙脫石由兩個途徑而來：一是由母質中繼承下來，如較濕潤氣候下的沖積物、鈣質岩以及火山碎屑物質多富含蒙脫石礦物，成土環境延續了蒙脫石的存在；二是新生成作用，即在含有鹽基和二氧化硅的鹼性水溶液作用下，通過非膨脹性鋁硅酸鹽粘粒的復硅作用而產生，或者由原生礦物向次生礦物轉化而成。印度德干高原的一些變性土，蘇丹、埃及尼羅河沖積物發育的變性土、美國南部大平原的變性土，其蒙脫石礦物都是繼承母質而來；而南非、肯亞、以色列、澳大利亞昆士蘭的一些基性火山岩發育的變性土，蒙脫石的新生成作用是主要的。新生成作用也是中國一些變性土中蒙脫石的重要成因。在低洼地發育的變性土，由於地形因素引起地球化學過程中物質分異，風化物中豐富的溶解硅和鹽基有利於蒙脫石的合成；分佈於低丘、台地等正地形上的變性土，其蒙脫石則多由原生礦物轉化而來，如福建漳浦由暗黑色氣孔狀橄欖玄武岩風化物發育的變性土之所以富含蒙脫石礦物，是由於該種母質中的玻璃質在重結晶過程（又稱脫玻化）中，伴有廣泛的蒙脫石化，形成大量的蒙脫石，成土時間尚短，這些蒙脫石礦物得以大量保存於土體中。

開裂過程是變性土另一主要成土過程，這是富含2∶1型膨脹性礦物的粘質土壤在明顯乾濕季氣候條件下的必然結果。土壤乾燥時土體強烈收縮並形成縱橫裂隙，深可達1米以上，地表附近的寬度可達10厘米。深大裂隙的形成，對摻混土體具有特別重要的意義。乾燥時，大裂隙的邊緣受到降水、動物活動、人類耕作等作用，上層物質向下跌落，填充於裂隙內，重新濕潤時，土壤膨脹，裂隙閉合，土體底層因增添了額外物質，膨脹后必然要產生較大的體積，造成擠壓使土壤向上運動。如此經過多年循環，下層物質進到表層，而上層物質降到下層，這稱為自翻轉作用（又稱自冪作用）。這種機制賦予變性土剖面性狀的特殊性：一是剖面均一化，即在裂隙所達到的頗大深度內，土壤變成了均質體，發生層分異不明顯，土色、質地、有機質含量無顯著差異，有機質與礦物質充分混合而高度複合二是具有滑擦面和楔形結構，表下層土壤受擠壓而相對移動過程中造成明顯程度不同的劈理和磨光面（滑擦面）。楔形結構是土壤基塊受到由傾斜方向膨脹壓產生的剪切力作用而造成的；三是地表出現粘土小窪地，是由乾濕交替引起兩裂縫間土壤“隆起”而產生的小起伏微地形。此外，下列現象也是變性土中自翻轉作用的佐證：在新開挖剖面的心土層中夾有植物殘落物，說明有上部物質陷落到下部；有些質地勻細的變性土，表層卻常能見到石塊，是下部物質被擠到上部的結果；顯微鏡下觀察，有些變性土在不同深度局部可見破碎的澱積粘粒膠膜，這是由於土壤翻轉作用使原先形成的膠膜破碎，拌入整個土體。應該指出，開裂過程是變性土的普遍現象，但土壤自翻轉作用的強弱，與氣候乾濕交替強烈程度、植被茂密程度、人為利用頻繁與否密切相關，據報導，中國變性土的自翻轉作用不甚明顯。

變性土沒有特定的診斷層，以下列變性特徵作為診斷依據：①土體厚度超過50厘米；②各層中至少含30%粘粒；③在多數年份中的某些時候，土壤出現深而寬的裂縫（在50厘米深處的寬度≥1厘米）；④至少具備下列特徵之一：滑擦面、粘土小窪地、楔形結構（長軸與水平方向成10°—60°夾角，出現在25—100厘米深度範圍內）。

由於變性土形成過程中的自翻轉作用，使其剖面均一化，發生層分異不明顯，土體構型大致呈A或Ap-Bw－Ck或C，發生層之間漸變過渡。

變性土剖面還具有以下形態特徵：土色的色調一般為2.5Y或10YR，色值為2—3，彩度很少超過2，因變性土的腐殖質常與礦物質形成穩定的複合體，使其土色出現超過實際有機質含量水平通常所能呈現的暗色；剖面沒有淋溶或澱積作用的明顯跡象；表層具有明顯的團粒結構，其下是稜柱狀和楔形結構，結構體由上而下變大。

變性土膨脹係數很大，乾濕體積變化範圍為25—50%；持水量大，但有效性差；濕時可塑性強，耕性很差；有機質量不高（5—30克每千克土），C/N比值為10—14；粘粒含量＞35%；陽離子交換量大（25—80厘摩爾（＋）每千克土），交換性鹽基（尤其是Ca2+和Mg2+）含量也很高，鹽基飽和度多在50%以上，並隨深度遞增；pH值多在6.0至8.5；蒙脫石是佔優勢的粘土礦物，其次是雲母類礦物（石灰岩、珊瑚、泥灰岩發育的則少），高嶺石也是常見礦物，其含量隨風化度遞增，碳酸鹽和石膏可出現在心土層，常見於濕潤變性土和乾熱變性土的滑擦面上。

國外對變性土的分類研究較細，如美國土壤系統分類中變性土續分為4個亞綱7個土類。

中國變性土分類研究起步不久。據初步研究資料，中國的變性土可分為2個亞綱5個土類。潮濕變性土亞綱是中國學者提出的，指具備潮濕土壤水分狀況或土表50厘米深度內有斑紋特徵的變性土，該亞綱含有兩個土類：青粘土指原砂姜黑土中具變性特徵者；棕粘土指原潮土中具變性特徵者。濕潤變性土亞綱具備濕潤水分狀況，包括三個土類：黑粘土是在石灰岩地區平淺壩地上發育的原黑色石灰土中符合變性特徵者；暗粘土是玄武岩上發育的赤紅壤、磚紅壤中具備變性特徵者；紅粘土是在第三紀湖相沉積物上發育的紅色或棕色石灰土中有變性特徵者。現將各土類主要特徵簡介如下：

（一）青粘土（Greenclaysoil）

本土類分佈於安徽、河南、山東以及湖南、湖北等省，以淮北平原分佈最廣，與砂姜黑土呈復區分佈。除具有潮濕變性土的診斷特徵外，還具有下列特性：濕態亮度＜3.5，干態亮度＜5.5，濕態彩度＜2，有機質含量＜15克每千克土。形態特徵明顯，在暗灰色或灰棕色的表層（耕作層）之下，有一厚達40—60厘米的粘質黑土層，往下過渡到具有明顯水成特性的底土層，常見有各種形狀的砂姜（石灰結核）。

（二）棕粘土（Brownclaysoil）

棕粘土大致與原來潮土中的潮粘土和濕潮土相當，零散分佈於黃河中、下游沖積平原及其以南的淮北平原和長江中、下遊河谷平原的低平窪地上。棕粘土除具有潮濕變性土的診斷特徵外，還具備下列特性：表層濕態亮度≥3.5，干態亮度≥5.5，濕態彩度≥2，呈棕或紅棕色。與青粘土相比，本土類土色較艷，粘粒含量和陽離子交換量略低。

（三）黑粘土（Blackclaysoil）

黑粘土相當於美國分類的暗色濕潤變性土，是分佈在石灰岩地區平淺壩地上的黑色厚層粘重土壤，與黑色石灰土構成復區。黑粘土除符合濕潤變性土診斷特徵外，具有以下特性：表層濕態亮度＜3.5，干態亮度＜5.5，濕態彩度＜2，有機質含量≥40克每千克土，且有石灰反應。在中國各類變性土中，本土類有機質含量最高（多為50—100克每千克土）且有機質層深厚（20—30厘米）；碳酸鹽常以假菌絲、白色粉末或結核等形式出現於剖面中。

（四）暗粘土（Darkclaysoil）

暗粘土相當於美國分類的艷色濕潤變性土，零星分佈在海南島北部、雷州半島以及閩東南沿海一些低丘台地上，曾稱為黑赤土或暗赤土，與磚紅壤或磚紅壤性紅壤成復區分佈。本土類除具備濕潤變性土診斷特徵外，具有下列特性：表層濕態亮度＜3.5，干態亮度＜5.5，濕態彩度2—3.5，有機質含量＜50克每千克土，無石灰反應。暗粘土以其彩度較大、有機質含量較小、全剖面均無石灰反應等特徵區別於黑粘土，以具有變性特徵、風化淋溶作用和脫硅富鋁化作用微弱區別於磚紅壤或磚紅壤性紅壤。 （五）紅粘土（Redclaysoil）

紅粘土相當於美國分類的艷色濕潤變性土，主要見於中國南方，與紅色或棕色石灰土成復區分佈。本土類除符合濕潤變性土的診斷特徵外，還具備下列特性：表層濕態亮度≥3.5，干態亮度≥5.5，濕態彩度≥2。它以具有變性特徵且粘粒硅鋁率≥2.4區別於紅色或棕色石灰土。相對於中國其他變性土類型，本土類除土色呈艷色外，pH值和陽離子交換量均較低。

世界各地的變性土主要用於種植棉花、小麥、玉米、高粱、水稻、糖蔗或作為牧場，用於放牧的面積最大。變性土的自然肥力很高，但耕性差，水分有效性低，在有動力機具和灌溉條件下，其農業生產潛力才可得到發掘。農藝利用依氣候而異，但因其粘粒含量高和濕時滲透性低，使這些土壤適於種植淹水的作物，而不宜種植用材林。變性土的非農業利用常出現許多工程上的問題。

道路、房屋、管道等會受土壤脹縮的影響而移位和扭曲，應十分注意。這些土壤吸收污水性能差，應在土壤水分飽和、粘粒膨脹后測定其透水性數值才有意義，因為若在旱季土壤開裂時測定其透水性數值會使人誤解該土壤透水性特別大，這是環境管理上應予考慮的問題。