尹國良， 張 立， 崔玉軍， 楊文鵬， 王恩寶

(黑龍江省地質(zhì)調(diào)查研究總院，哈爾濱 150036)

0 引言

哈爾濱-齊齊哈爾地區(qū)是黑龍江省糧食主產(chǎn)區(qū)之一，研究土壤常量元素分布特征對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)民增收具有重大意義。土壤元素分布與組成主要受成土母質(zhì)控制，土壤元素的組合特征在一定程度上也能反映成土母質(zhì)特征[1]。土壤常量元素組合特征目前多被用來分析成土母質(zhì)和表層土壤之間的關(guān)系[2-4 ]，筆者以黑龍江省哈爾濱-齊齊哈爾地區(qū)多目標(biāo)地球化學(xué)調(diào)查區(qū)為研究對象，對該地區(qū)土壤常量元素含量及其組合特征、表層土壤常量元素和成土母質(zhì)常量元素的關(guān)系及土壤元素組合特征等進行了初步探討。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于松嫩平原中南部(圖1)。區(qū)內(nèi)地質(zhì)背景：地層由老到新有古生界泥盆系、二疊系、中生界侏羅系、白堊系及新生界第四系等。新生界第四系占總面積的90%以上，巖性為河湖相沉積物及現(xiàn)代河流松散堆積物。古生界、中生界主要分布于東部山區(qū)、半山區(qū)，主要巖性為砂板巖、中酸性火山巖及其碎屑巖等，面積不到10%。

侵入巖集中分布于研究區(qū)的東部山區(qū)、半山區(qū)，主要為晚二疊世-早三疊世中酸性侵入巖、晚三疊世-早侏羅世中酸性侵入巖及早白堊世酸性侵入巖。晚三疊世-早侏羅世中酸性侵入巖規(guī)模最大，早白堊世酸性侵入巖規(guī)模最小。

區(qū)內(nèi)地貌按成因可劃分為侵蝕地貌和堆積地貌兩種類型。侵蝕地貌主要分布在研究區(qū)的東部及東南部鐵力、巴彥等地，表現(xiàn)為丘陵地貌；堆積地貌主要分布在哈爾濱市、大慶市、齊齊哈爾市、綏化市一帶,表現(xiàn)為平原地貌[5]。

圖1 研究區(qū)范圍圖Fig.1 Location map of the study area

2 樣品采集及分析方法

表層土壤樣品采樣密度為1件/km2，采樣深度為0 cm～20 cm，累計采取表層土壤樣品25 389件；深層樣品為1件/4 km2，采樣深度為150 cm～200 cm，累計采取深層土壤樣品6 428件；樣重為0.5 kg左右，裝袋、風(fēng)干，用木棒敲碎，過20目篩，混勻；研磨至200目，送實驗室測試分析。樣品分析按多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范( 1:250 000)[6]執(zhí)行，由黑龍江省地質(zhì)礦產(chǎn)局中心實驗室承擔(dān)。分析項目54項，筆者從中選取SiO2、Al2O3、TFe2O3、MgO、CaO、Na2O、K2O等7個常量元素開展研究。

3 計算方法

①將研究區(qū)表層土壤常量元素與松遼平原、中國東部平原的背景值進行對比[7],研究其含量及分布特征；②研究表層土壤常量元素和深層土壤常量元素之間的關(guān)系；③研究不同成土母質(zhì)區(qū)對表層土壤常量元素的影響；④研究表層土壤常量元素間相關(guān)關(guān)系。

4 統(tǒng)計結(jié)果及討論

4.1 元素含量及分布特征

從背景值的對比(表1)可以看出，SiO2質(zhì)量分數(shù)比松遼平原、中國東部平原背景值稍低，Al2O3、TFe2O3、MgO、Na2O質(zhì)量分數(shù)和松遼平原、中國東部平原背景值基本相當(dāng)，CaO質(zhì)量分數(shù)高于松遼平原、中國東部平原背景值，這是因為研究區(qū)存在大面積的黑鈣土所致。在變異系數(shù)方面，根據(jù)常量元素變異系數(shù)分布情況，將元素變異系數(shù)劃分為強分異、中等分異、弱分異三個區(qū)間，其中變異系數(shù)大于75%為強分異元素，75%～35%為中等分異元素，35%以下為弱分異元素。CaO變異系數(shù)為81 %，屬于強分異元素，說明Ca元素分異性強，易于富集；MgO變異系數(shù)為34.69%，接近中等分異，說明Mg元素分異性中等，比較容易富集；其他元素變異系數(shù)均在30%以下，分異性較弱，不易富集。

表1 表層土壤常量元素參數(shù)統(tǒng)計

正態(tài)分布檢驗(表1)顯示：研究區(qū)常量元素均不符合正態(tài)分布[8]，K2O、Na2O、CaO 、MgO偏度值大于0.977，屬于正偏態(tài)分布，SiO2、Al2O3、TFe2O3的偏度值小于-0.471，為負偏態(tài)分布；所有元素峰度值大于0.260，說明常量元素分布形態(tài)與正態(tài)分布相比較為接近，MgO的峰度為8.974，說明其分布較為集中。

4.2 表層土壤元素來源判斷

深層土壤是形成表層土壤的重要因素，它決定著表層土壤的物理、化學(xué)特性，肥力狀況及土層的厚薄、顏色等[9]。深層土壤是成土母質(zhì)層，受到的人為干擾較少，基本可以代表土壤形成的初始環(huán)境[10-11]。因此可以通過表層土壤常量元素和深層土壤常量元素對應(yīng)關(guān)系來判斷前者對后者的繼承性[11-14]，利用二者元素含量比值來推斷表層土壤元素富集或是貧化[15-16]。

研究區(qū)內(nèi)共獲得表層土壤常量元素分析數(shù)據(jù)及深層土壤常量元素分析對應(yīng)數(shù)據(jù)25 389組。

經(jīng)計算：表、深層土壤常量元素質(zhì)量分數(shù)的相關(guān)系數(shù)為在0.01雙側(cè)水平上顯著相關(guān)(表2)；表、深層土壤常量元素相關(guān)系數(shù)較小，SiO2、MgO、 K2O為弱相關(guān)，Al2O3、Na2O、TFe2O3、 CaO為較弱相關(guān)。

表2 表、 深層土壤常量元素相關(guān)系數(shù)

**表示在0.01雙側(cè)水平上顯著相關(guān),相關(guān)性臨界值為0.010, 統(tǒng)計樣本數(shù)為25 389

表3 表層、 深層土壤常量元素質(zhì)量分數(shù)比值

表3顯示：所有常量元素質(zhì)量分數(shù)比值在0.92～1.12之間，表明表層土壤與深層土壤之間富集及貧化作用不明顯；SiO2、Al2O3、K2O、Na2O在表層土壤中的含量均略小于深層土壤，說明上述元素發(fā)生了遷移，造成上述元素在表層土壤略有貧化；而TFe2O3、CaO在表層土壤中的含量均大于或等于深層土壤，表明上述元素發(fā)生了輕微富集，說明在黑龍江寒冷、半濕潤的氣候及氧化還原條件下，表層土壤常量元素含量發(fā)生了輕微的富集和貧化。

4.3 不同成土母質(zhì)區(qū)表層土壤常量元素富集特征

為研究不同成土母質(zhì)區(qū)對表層土壤常量元素的影響，按照成因類型，將成土母質(zhì)分為多來源子區(qū)及原地殘積子區(qū):前者又分為沖積砂礫石區(qū)、沖積粘質(zhì)土區(qū)、風(fēng)成土區(qū)、沖洪積黃土狀粘質(zhì)土區(qū)；后者分為鈣質(zhì)巖殘積物區(qū)、砂板巖殘積物區(qū)及中酸性巖殘積物區(qū)，共七個子區(qū)(表4)。

表4 不同成土母質(zhì)區(qū)表層土壤常量元素背景值與全區(qū)表層土壤背景值比值

從表4可以看出：SiO2在各類成土母質(zhì)區(qū)中比值變化不大,與全區(qū)背景值比值為0.85～1.13，僅在風(fēng)成土子區(qū)中為較高背景，為 1.13，這是因為在風(fēng)積物中石英碎屑含量較高；在沖洪積黃土狀粘質(zhì)土區(qū)為較低背景，比值為0.85，說明沖洪積黃土狀粘質(zhì)土的沉積環(huán)境以湖相沉積為主，粘土含量較高；Al2O3在各類成土母質(zhì)區(qū)中比值變化不大,與全區(qū)背景值比值為0.86～1.05，僅在風(fēng)成土子區(qū)中為低背景，其比值為0.86，這是因為在風(fēng)積物中長石及粘土含量較低；TFe2O3在各類成土母質(zhì)區(qū)中比值變化不大,與全區(qū)背景值比值為0.41～1.16，僅在風(fēng)成土子區(qū)中為低背景，其比值為0.41，這是因為在風(fēng)積物中粘土含量較低，鐵質(zhì)往往吸附于粘土礦物上；K2O、Na2O比值在各類成土母質(zhì)區(qū)中比值變化不大,僅在風(fēng)成土子區(qū)中為較高背景，分別為1.24及1.38，這是因為風(fēng)成土呈堿性反應(yīng)，pH值為8.1～8.5[9]；CaO 、MgO比值在各類成土母質(zhì)區(qū)中為較低背景，僅在面積最大的沖洪積黃粘土子區(qū)中為較高背景，分別為1.15及1.06，是本地區(qū)存在大面積黑鈣土及小面積鹽堿地的反映。

表5 不同成土母質(zhì)區(qū)表層土壤常量元素變異系數(shù)

原位成土母質(zhì)SiO2、Al2O3、TFe2O3、Na2O、K2O含量無大的變化；原位成土母質(zhì)區(qū)顯示低CaO。多來源母質(zhì)區(qū)Na2O、K2O、CaO 、MgO均有不同程度的富集。

根據(jù)常量元素在不同子區(qū)中的變化情況，將元素變異系數(shù)仍劃分為強分異、中等分異、弱分異三個區(qū)間，其中變異系數(shù)大于75%為強分異元素，75%～35%為中等分異元素，35%以下為弱分異元素。

從表5 可以看出:常量元素變異系數(shù)在2.88%～87.32%之間，CaO在風(fēng)成土及沖積粘質(zhì)土子區(qū)中為強分異元素，說明其在上述兩子區(qū)中易于富集，CaO除砂板巖子區(qū)、鈣質(zhì)巖子區(qū)外，其變異系數(shù)仍在69.05%～72.60%，屬于中等分異元素，比較容易富集；這是研究區(qū)分布有大面積的黑鈣土的反映；MgO在風(fēng)成土子區(qū)及沖積粘質(zhì)土子區(qū)中屬于中等分異元素，表明MgO在上述二子區(qū)中比較容易富集；TFe2O3在風(fēng)成土子區(qū)中屬于中等分異元素，表明TFe2O3在該子區(qū)中比較容易富集；其他元素在各子區(qū)中變異系數(shù)較小，表明其離散程度較小，不易富集。

4.4 表層土壤常量元素間相關(guān)關(guān)系

對研究區(qū)內(nèi)所有樣品的原始數(shù)據(jù)進行標(biāo)準化處理后，利用SPSS統(tǒng)計軟件進行了表層土壤常量元素間相關(guān)關(guān)系分析，如表6所示。然后進行因子分析，首先得到的Bartlett球度檢驗和KMO檢驗分析結(jié)果(表7)。由表7可以看出，KMO檢驗值為0.696，Bartlett球度檢驗統(tǒng)計量為199 625.847，在自由度為21的條件下，概率P值為“0”，因此，通過Bartlett球度檢驗和KMO檢驗表明，本區(qū)數(shù)據(jù)比較適合作因子分析[17]。

表6 表層土壤常量元素間相關(guān)關(guān)系

表7 KMO檢驗和Bartlet球度檢驗分析表

通過因子分析求出相關(guān)系數(shù)矩陣的特征值，根據(jù)總特征值大于2和方差累計貢獻率大于44%，合理提取公共因子，共提取2個公共因子(表8、表9)。這2個公共因子共解釋了原7種變量總方差的84.467%，且旋轉(zhuǎn)前后總的累計貢獻率沒有發(fā)生明顯變化。這表明總的有效信息量沒有發(fā)生明顯變化，因子分析的效果較好。

表8 表層土壤常量元素R型因子分析特征值和累計方差貢獻率

表9表明：SiO2-K2O -CaO -MgO為第一因子組合， 因子載荷系數(shù)絕對值都大于0.72 ；Al2O3-TFe2O3-Na2O為第二因子組合， 因子載荷系數(shù)都大于0.79。

第一因子反映了土壤母質(zhì)成份。SiO2主要以石英形式存在于源區(qū)的中酸性侵入巖及砂板巖中，穩(wěn)定性較強，風(fēng)化后仍以細小石英顆粒形式存在于土壤中[14]。中酸性侵入巖石中鉀長石居多，含鈣的斜長石較少，含鎂的暗色礦物更少，故SiO2與K2O為顯著正相關(guān)；與CaO、MgO為顯著負相關(guān)。第二因子主要反映了表層土壤的風(fēng)化物成份及酸堿度，含鋁的長石類礦物多風(fēng)化為粘土類礦物，由于粘土礦物顆粒極細，對含鐵礦物膠體有較大的吸附性，故Al2O3與TFe2O3為顯著正相關(guān)；鈉成鹽后偏堿性，會消耗土壤中的酸性成份，鋁成鹽后偏酸性，會消耗土壤中的堿性成份，故Al2O3與Na2O為顯著負相關(guān)。

表9 工作區(qū)R型因子分析正交旋轉(zhuǎn)后的因子載荷矩陣

5 結(jié)論

1)研究區(qū)表層土壤常量元素質(zhì)量分數(shù)和比松遼平原、中國東部平原背景值相比，SiO2稍低，Al2O3TFe2O3、MgO、Na2O基本相當(dāng)，CaO則高于松遼平原、中國東部平原背景值。Ca元素分異性較強，較易于富集；Fe、Na、Mg元素分異性中等；SiO2、Al2O3、K2O變異系數(shù)較小，分異性很弱。

2)研究區(qū)內(nèi)表、深層土壤常量元素相關(guān)系數(shù)較小， Al2O3、Na2O、TFe2O3、CaO為較弱相關(guān)，SiO2、MgO、K2O為弱相關(guān)。表層土壤與深層土壤之間富集及貧化作用不明顯；SiO2、Al2O3、K2O、Na2O在表層土壤略有貧化；TFe2O3、CaO在表層土壤發(fā)生了輕微富集。

3)原位成土母質(zhì)區(qū)SiO2、Al2O3、TFe2O3、Na2O、K2O含量無大的變化；原位成土母質(zhì)區(qū)顯示低CaO。多來源母質(zhì)區(qū)Na2O、K2O、CaO、MgO均有不同程度的富集;CaO在大多數(shù)子區(qū)中易于富集；MgO在風(fēng)成土子區(qū)及沖積粘質(zhì)土子區(qū)中比較容易富集。TFe2O3在風(fēng)成土子區(qū)中比較容易富集。

4)研究區(qū)內(nèi)表層土壤常量元素經(jīng)因子分析表明：SiO2-K2O-CaO-MgO為第一因子組合， Al2O3-TFe2O3-Na2O為第二因子組合，第一因子反映了土壤母質(zhì)成份。第二因子主要反映了表層土壤的風(fēng)化物成份及酸堿度。

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