陶景梅,王建國,劉欣玥,韓亞杰, 劉志川

1.吉林大學(xué) 博物館，長春 130061；2.吉林大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，長春 130061

0 引言

遼寧省興城地區(qū)，以綏中花崗巖作為成土母質(zhì)的酸性棕壤土是當(dāng)?shù)靥厣寥李愋停a(chǎn)的花生等大田作物以及蘋果、梨等園林產(chǎn)品具有很高品質(zhì)，推測與成土母質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)相關(guān)[1--2]，但一直缺乏深入的研究。因此，研究綏中花崗巖區(qū)基巖及成土母質(zhì)與土壤中礦質(zhì)元素的相關(guān)性特征與遷移規(guī)律對(duì)于因地制宜地配置農(nóng)作物產(chǎn)品、指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義[3--4]。

1 成土地質(zhì)條件

興城市處于遼西地區(qū)，大地構(gòu)造位置為華北克拉通東北緣，燕遼沉降帶和山海關(guān)古隆起的構(gòu)造復(fù)合部位[5]。東南為華北斷坳(新生代渤海灣盆地)，北鄰內(nèi)蒙地軸[5--6]。興城地區(qū)新生代以來，隨著渤海灣大陸裂谷盆地的不斷下降，燕山山地抬升，海陸差異性升降，全區(qū)處于剝蝕狀態(tài)，近海地區(qū)和山間溝谷地帶，接受剝蝕物質(zhì)的堆積[5]。在興城西南沿海至綏中及山海關(guān)地區(qū)分布著大量的花崗質(zhì)巖石。其中，大面積分布的綏中花崗巖，又稱綏中片麻雜巖，是遼西地區(qū)太古宙的古老地質(zhì)體[7]，由于剝蝕，這些巖石裸露出地表，遭受風(fēng)化侵蝕并形成土壤。

成土母巖及母質(zhì)的類型和特性決定了土壤的形態(tài)、物化性質(zhì)和養(yǎng)分組成，也直接影響土壤的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)特性。在興城地區(qū)以綏中花崗巖作為成土母質(zhì)發(fā)育形成的耕型酸性巖類棕壤土廣泛分布，面積達(dá)到361 km2，主要分布在丘陵緩崗地區(qū)。土層厚度30～150 cm，耕層下部為成土母質(zhì)及母巖。該類耕作土壤土層相對(duì)淺薄，但質(zhì)地疏松，孔隙豐富，通過保持水土等措施，是興城地區(qū)特色農(nóng)作物的優(yōu)質(zhì)土壤[8]。

2 樣品采集與分析

2.1 標(biāo)準(zhǔn)剖面的建立與樣本采集

根據(jù)母巖、成土母質(zhì)及土壤發(fā)育的空間分布確定以綏中花崗巖為成土母質(zhì)的棕壤土的典型土壤剖面。在興城市西南的望海鄉(xiāng)，是本區(qū)規(guī)模最大的太古宙綏中花崗巖分布區(qū)，其上發(fā)育興城地區(qū)典型的以綏中花崗巖為成土母質(zhì)的耕型酸性棕壤土，也是優(yōu)質(zhì)花生作物區(qū)。因此，在望海鄉(xiāng)北部建立典型土壤剖面(120°30′33″E，北緯40°25′44″N)。由于耕作，土表顏色變?yōu)闇\棕或黃棕色，耕作層質(zhì)地為沙壤，土體礫石含量較多。根據(jù)土壤發(fā)育特征將土壤層由頂?shù)降讋澐譃楦鲗?、心土層、底土層、母質(zhì)層和基巖層。其中：①耕作層(編號(hào)為W--1)：距地表0～15 cm，土壤呈棕黃色，含礫沙質(zhì)壤土，含有20%～30%的砂及礫石；②心土層(編號(hào)為W--2)：距地表15～45 cm，土壤呈棕紅色，作物根系發(fā)育，含有約15%的砂粒及礫石；③底土層(編號(hào)為W--3)：距地表45～105 cm，土壤中含有較多巖屑和礦物顆粒，約占土體總量的30%；這三層的砂及礫石由大量石英晶屑、少量長石晶屑及花崗巖巖屑構(gòu)成。④母質(zhì)層(編號(hào)為W--4)：距地表 105～145 cm，有大量的花崗巖巖屑和石英長石礦物顆粒，約占總量的60%以上，以礫石為主，礫徑在2～20 mm不等；⑤基巖(編號(hào)為W--5)：距地表145 cm，為碎屑狀二長花崗巖，質(zhì)地松散，風(fēng)化嚴(yán)重，由石英、長石及黑云母構(gòu)成。在上述各層位中間部位分別取樣，采回的樣本進(jìn)行陰干處理。

2.2 土壤礦物顆粒的形態(tài)特征

在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行土壤礦物初選。對(duì)各土壤發(fā)生層采集的樣品進(jìn)行詳細(xì)的區(qū)分與挑選，將原狀土塊剝?nèi)ニ闹苌僭S，置燒杯中，加水使之分散。洗凈表面浮沙后烘干，于實(shí)體顯微鏡下根據(jù)粒度分選出0.5～2 mm較大顆粒礦物和0.1～0.25 mm微小顆粒礦物兩組。較大顆粒礦物在實(shí)體顯微鏡下進(jìn)行觀察，可以觀察到各發(fā)生層(母質(zhì)層、底土層、心土層、耕作層)中的礦物顆粒構(gòu)成基本一致，都是由大量石英和少量長石組成；石英、長石多呈棱角狀--次棱角狀，少量呈次圓狀，由下至上各發(fā)生層中石英、長石礦物自形形態(tài)有所下降。

對(duì)小顆粒礦物進(jìn)行背散圖照射及能譜分析。背散射圖照射和能譜分析在吉林大學(xué)古生物中心電鏡掃描實(shí)驗(yàn)室采用JSM--6700F發(fā)射掃描電鏡進(jìn)行。根據(jù)能譜分析，土壤各發(fā)生層中微小礦物顆粒類型基本一致，由石英、鉀長石和鈉長石組成，在底土層發(fā)現(xiàn)有伊利石等黏土礦物；背散圖(圖1)顯示，石英礦物由母質(zhì)層、底土層、心土層及耕作層，其形態(tài)由半自形尖棱狀向棱角狀、次棱角狀過渡，在各層中的石英礦物表面都沒有明顯的凹陷痕跡。

(a)耕作層中鈉長石(Ab)；(b)耕作層中石英(Q)；(c)心土層中鉀長石(Kf)；(d)心土層中石英(Q)；(e)底土層中伊利石(Ill)；(f)母質(zhì)層中鉀長石(Kf)；(g)母質(zhì)層中石英(Q)。圖1 各采樣層面中掃描電鏡礦物能譜與背散射圖Fig.1 Scanning electron microscope images energy spectra and backscattering in each sampling layer

2.3 巖石與土壤化學(xué)

巖石及土壤化學(xué)分析由河北省區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查研究所實(shí)驗(yàn)室完成。采用Axios max X射線熒光光譜儀對(duì)樣品進(jìn)行常量元素的分析，用P124S電子分析天平對(duì)樣品進(jìn)行灼失量的分析，用X Serise2電感耦合等離子體質(zhì)譜儀對(duì)微量元素進(jìn)行測定。耕作層(W--1)、心土層(W--2)、底土層(W--3)、母質(zhì)層(W--4)及基巖(W--5)主量元素含量見表1，微量與稀土元素含量見表2。

表1 耕作層、心土層、底土層、母質(zhì)層和基巖主量元素含量

表2 耕作層、心土層、底土層、母質(zhì)層、基巖微量元素含量

3 討論

3.1 土壤物質(zhì)來源

由實(shí)體顯微鏡及掃描電鏡礦物組成與形態(tài)特征的觀察與分析，剖面各采樣層位中碎屑物質(zhì)、礦物顆粒構(gòu)成趨于一致，各層中的微小礦物顆粒特別是石英顆粒大部分為棱角狀形態(tài)及小顆粒石英表面都沒有明顯凹陷痕跡的特征，說明土壤物質(zhì)來源為花崗巖類的原地殘積或近地運(yùn)積[9]。以土壤基巖巖石化學(xué)元素為基準(zhǔn)，分別對(duì)土壤剖面各層土壤化學(xué)常量元素和微量元素進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，建立各層土壤化學(xué)/基巖巖石化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)化曲線(圖2)，土壤各發(fā)生層的標(biāo)準(zhǔn)曲線具有明顯的相似性，進(jìn)一步確定研究區(qū)的酸性棕壤土及成土母質(zhì)的物質(zhì)來源是由綏中花崗巖風(fēng)化后近地殘積或近地運(yùn)積形成。

3.2 元素的活性與遷移特征

由研究區(qū)各發(fā)生層土壤化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)化曲線可見，各發(fā)生層中常量元素除P、Ca、Mg相對(duì)較低外，其他元素相對(duì)含量與原巖的比值都在0.3以上的水平，其中Si、Fe、K、Mn等常量元素具有明顯高值，分別在1.0、0.6、0.8和0.9以上(圖2a)；研究區(qū)土壤中各發(fā)生層大部分微量元素都具有較高水平(表2)，這一方面是受到花崗巖類微量元素含量普遍較高的影響(表1)，另一方面是這些微量元素活性相較弱，在風(fēng)化過程中土壤層對(duì)礦質(zhì)元素繼承較強(qiáng)(圖2b-2d)。

(a)常量元素；(b)、(c)、(d)微量元素。圖2 以綏中花崗巖為基準(zhǔn)的棕壤土各發(fā)生層土壤化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)化曲線Fig.2 Standardized curves of each soil layer based on Suizhong granites

為了進(jìn)一步研究礦質(zhì)元素的活性與遷移特征，采用穩(wěn)定性元素Ti作為參照，耕作層、心土層、底土層和母質(zhì)層中元素的平均值計(jì)算樣品中元素的變化率，計(jì)算公式為：

Δ(%)=[(XS/IS)/(XP/IP)-1] ×100%

(1)

式中：XS和 IS代表樣品中元素X和參比I元素的含量；XP和IP為上述元素在原始母巖中的含量[10]，各元素變化率如圖3所示。

(a)常量元素;(b)、(c)、(d)微量元素.圖3 綏中花崗巖--棕壤土剖面元素遷移率Fig.3 Elemental migration between Suizhong granites and brunisolic soils

由圖3可知，常量元素在花崗巖風(fēng)化過程中的活動(dòng)性與遷移能力有以下順序：P2O5>CaO>Na2O>MgO>Fe2O3>Al2O3>K2O>SiO2>MnO。常量元素中除Mn、Si元素外，其他元素Δ值<0，其中P2O5、CaO、Na2O、MgO等∣Δ∣>50% ，說明發(fā)生了顯著的遷移，具有強(qiáng)活動(dòng)性元素的特征；Fe2O3、Al2O3和K2O的Δ值在-20%～0之間，表明這些元素相對(duì)于Ti元素也發(fā)生了一定的遷移，元素活動(dòng)性中等；常量元素中SiO2和MnO相對(duì)于Ti元素表現(xiàn)出富集的特征，表明MnO和SiO2相對(duì)穩(wěn)定，是剖面中典型的不活動(dòng)元素，以淀積為主。Nesbitt 等根據(jù)元素活動(dòng)性順序?qū)⒒瘜W(xué)風(fēng)化過程劃分為早期去 Na、Ca 階段、中期去K 階段和晚期去 Si 階段[11]。本研究的元素K、Fe與基巖相比，土壤層中保持有較高的水平(圖2a)，母質(zhì)層的Ca、Mg含量明顯高于其他發(fā)生層中的含量(圖2a)。對(duì)于花崗巖Ca、Mg主要賦存于易風(fēng)化的斜長石、角閃石中，在化學(xué)風(fēng)化的初始階段就會(huì)遭受強(qiáng)烈的淋濾；Na 賦存在堿性長石和云母類礦物中，在風(fēng)化過程中伴隨這些礦物的分解而淋失，發(fā)生過程更早。一般巖石礦物分解可以分為碎屑階段、鈣淀積階段、酸性硅鋁階段和富鋁化4個(gè)階段[12]。常量元素的上述特征以及底土層中伊利石比較發(fā)育的現(xiàn)象(圖1e)表明，研究區(qū)棕壤土礦物分解處于鈣淀積--酸性硅鋁階段，即綏中花崗巖--棕壤土剖面中的元素的活動(dòng)性順序表明其化學(xué)風(fēng)化作用過程完成了初步階段的去Ca、Na過程，進(jìn)入到去K的中級(jí)階段[11]。在此序列中，Mn和Si呈現(xiàn)富集的狀態(tài)，一是由于Mn是植物生長需要的元素，植物會(huì)把這種元素聚集在土壤表層(圖2a)，供自己生長使用[13]，并且Mn元素又容易被黏土礦物、有機(jī)質(zhì)等吸附而富集，能譜分析結(jié)果得到的底土層黏土礦物發(fā)育也證實(shí)了這一點(diǎn)。而Si元素的富集，從棕壤土發(fā)生上來看，主要由原巖近地或原地風(fēng)化殘積石英晶屑，以及在灰化作用過程中土體發(fā)生層淋濾淀積富集。

微量元素的計(jì)算結(jié)果顯示， Cd、Cs、Pr、Y、Tb、Dy、Ho、Th、Ce、Cr、Er、Pb、La、Yb、Tm、Ta、Zr、Lu、Hf等元素的Δ值>0，以富集為主；Nb、Sm、Rb、Gd、Be、Nd元素的|Δ|為0～10%，這些元素相對(duì)比較穩(wěn)定；Sr、Cu、Sc、Zn、U、Ba、V、Ni、Co、Eu、Ga等元素相對(duì)于Ti元素的Δ值<0，呈虧損狀態(tài)，因此，微量元素在風(fēng)化過程中活動(dòng)性較弱，淋失量較小，礦質(zhì)遷移不明顯。一般而言，巖石風(fēng)化過程中形成的層狀硅酸鹽類的黏土類，主要陽離子都位于八面體中，其中的過渡族元素的八面體擇位能差別很大，因而形成了不同的微量元素虧損與富集差異明顯的特征[14]，但本研究中微量元素總體上以富集為主；同時(shí)，土壤中的稀土元素(如Pr、Dy、Ho、Ce、Er、La、Yb、Tm、 Lu等)顯著富集，表明綏中花崗巖在成土過程中物理風(fēng)化作用具有更強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)；而 Cu、Zn為植物生長必須的微量元素，在土壤中的強(qiáng)淋失特征，可以推測其成土過程植物生命活動(dòng)微弱[15]。綜上所述，研究區(qū)棕壤土礦質(zhì)元素表現(xiàn)出母巖高物理風(fēng)化程度和棕壤土對(duì)有效元素的高繼承性的特征。這與興城地區(qū)新生代以來海陸差異性升降，全區(qū)處于剝蝕狀態(tài)的新構(gòu)造活動(dòng)以及氣候條件相對(duì)干旱密切相關(guān)。

4 結(jié)論

(1)研究區(qū)棕壤土各發(fā)生層中礦物組成和石英顆粒表面形態(tài)以及土壤與基巖的巖石化學(xué)特征的相似性表明，研究區(qū)的棕壤土物源為母巖風(fēng)化物的原地殘積或近地運(yùn)積。

(2)研究區(qū)棕壤土礦物分解處于鈣淀積--酸性硅鋁階段，其化學(xué)風(fēng)化作用過程完成了初步階段的去Ca、Na過程，進(jìn)入到去K的中級(jí)階段。

(3)研究區(qū)棕壤土各發(fā)生層中Si、Fe、K、Mn等常量元素具有明顯高值，稀土元素富集，礦質(zhì)元素表現(xiàn)為母巖高物理風(fēng)化程度和棕壤土對(duì)有效元素的高繼承性的特征。