羅賢冬,王 偉,安 邦,唐 偉,陳 雷

(安徽省勘查技術院,安徽 合肥 230031)

前人通過多目標區(qū)域地球化學調查和土地質量地球化學評價,對有益微量元素的地球化學分布特征進行了研究[1-3]。周俊等[4]對安徽省不同地質背景和土壤類型的土壤微量元素含量狀況進行分析,認為地質背景對土壤中有益微量元素的影響是多方面的,對不同類型基巖的風化母質即成土母質的界定只是基礎,全方位認識地質背景對土壤中有益微量元素的影響,需要更廣泛和深入的研究。不同類型基巖可以形成不同的成土母質,除了人類活動影響外,成土母質直接影響土壤微量元素豐缺[5-6]。成土母質決定土壤元素含量,是土壤含量水平的重要控制因素之一,其影響因素主要為巖石類型,源自同一母巖的土壤在成分和地球化學特征方面具有相似性[7],其次為母巖形成的地質時期[8]。地質背景對土壤中有益微量元素含量的影響程度如何、土壤類型是否對土壤有益微量元素含量有影響,這些問題需要進一步研究。本文以安徽省潛山縣土地質量地球化學調查評價結果為基礎,以潛山縣表層土壤為研究對象,探討以地質背景為基礎的成土母質和土壤類型對土壤有益微量元素豐缺的綜合影響。

1 地質地理概況

研究區(qū)為潛山縣全縣范圍,地處皖西南,大別山南麓,長江北岸,皖河上游,東與桐城縣、懷寧縣交接,南與懷寧縣、太湖縣毗連,西與岳西縣交界,北與舒城縣接壤,面積1 685.03 km2。

1.1 自然地理概況

潛山縣屬于長江沿江丘陵平原區(qū),地勢西北高、東南低,北部及西北部為大別山區(qū),中部為山前丘陵、崗地,東南部為皖水、潛水下游構成的沖積平原。全縣地形復雜,地勢高低懸殊較大,最低處王河鎮(zhèn)豐收圩海拔16.8 m,最高處官莊鎮(zhèn)豬頭尖海拔1 539 m,高差達1 522.2 m。

潛山縣位于北亞熱帶季風氣候區(qū),四季分明,氣候溫和。年平均氣溫16.3 ℃,各月平均氣溫差異較大,1月最低平均氣溫為3.5 ℃,7月最高平均氣溫為28.4 ℃,年溫差為24.9 ℃。累計年平均降水量為1 370.1 mm,山區(qū)降水量達1 400～1 544 mm。

1.2 地質概況

郯廬斷裂帶由西南至北東橫穿潛山縣,以郯廬斷裂帶為界,西北部位于秦嶺—大別造山帶,二級構造單元劃分上,大部分位于郯廬斷裂帶西側大別—闞集印支構造亞帶,小部分位于張八嶺印支構造亞帶;東南部位于揚子陸塊內,二級構造單元劃分上屬沿江褶斷帶。研究區(qū)主要構造線方向呈NE和NNE向,區(qū)內地層發(fā)育,構造變質作用強烈,巖漿活動頻繁。

1.3 成土母質分類與土壤類型

土壤類型是在一定生物、氣候、水文等自然條件和耕作制度下形成的,具有獨特的成土過程、剖面形態(tài)及相應的屬性。不同土壤類型之間存在差異。潛山市土壤共劃分為水稻土、黃棕壤、棕壤、紅壤、紫色土、石灰土和潮土等7個類型。

不同的地質背景決定了土壤中元素的富集與貧化[9]。根據安徽省土壤普查資料[10],潛山縣成土母質按母巖類型不同(圖1),可分為以下幾類:

圖1 安徽省潛山縣土壤成土母質分區(qū)圖Fig. 1 Parent material zoning map of soil in Qianshan County, Anhui Province

(1)酸性巖類風化物。主要分布于潛山縣西北部山丘地區(qū),主要母巖為花崗巖、混合花崗巖(花崗閃長巖、花崗斑巖),所處地質單元主要為白堊紀和侏羅紀酸性侵入體。礦物組成復雜,如石英、長石、角閃石、云母等,包含母巖中原生礦物以及黏土等次生礦物,晶粒粗大,物理崩解甚易,石英含量較高,風化物呈酸性反應。這種成土母質類型分布面積為440 km2,占全縣總面積的26.4%。該類母質中分布的土壤類型有水稻土、黃棕壤、紅壤、棕壤和石灰土,以黃棕壤和水稻土為主。

(2)片麻巖類風化物。主要分布于潛山縣中部(天柱山周邊)和東北角,母巖主要為變質變形的侵入體,巖性為花崗質片麻巖,以二長花崗質片麻巖為主,并有少量二云母花崗質片麻巖、奧長花崗質片麻巖等。風化物特點與酸性巖類風化物類似,礦物組成復雜,晶粒粗大,物理崩解甚易,石英含量較高,風化物呈酸性反應。這種成土母質類型分布的面積為370 km2,占全縣總面積的22%。該類母質中分布的土壤類型與酸性巖類相同,包含水稻土、黃棕壤、紅壤、棕壤和石灰土,以黃棕壤、水稻土和紅壤為主。

(3)深變質巖類風化物。主要分布在五廟鄉(xiāng)、水吼鎮(zhèn)橫中一帶和官莊鎮(zhèn)的局部山地,呈線狀分布。地質單元上屬大別雜巖變質表殼巖組合,母巖主要是淺粒巖、石英片巖、黑云母斜長片麻巖、二云斜長片麻巖夾大理巖,片麻巖為變質程度較深的副片麻巖。風化物中石灰反應較強烈(滴稀鹽酸起泡),形成的土壤富含Ca、P,質地偏黏,pH值為6.5～7.5。這種成土母質類型分布面積為305 km2,占全縣總面積的18.1%。該類母質中分布的土壤類型有水稻土、黃棕壤、紅壤、紫色土、棕壤和石灰土,以黃棕壤、水稻土和紅壤為主。

(4)紅色碎屑巖類風化物。分布于潛山縣大別山前沿崗地,母巖主要為下第三系紅色砂礫巖。母巖巖性松脆,抗蝕力弱,在濕熱條件下,物理風化作用強烈,成土過程常處于幼年發(fā)育階段,土壤較多保持母巖特性,其面積為270 km2,占全縣總面積的16.2%。該類母質中分布的土壤類型有水稻土、紫色土、黃棕壤、紅壤、潮土和石灰土,以水稻土、紫色土和黃棕壤為主。紫色土和石灰土主要分布在該母質范圍內。

(5)淺色碎屑巖類風化物。僅分布于王河鎮(zhèn)南部,面積約1.13 km2,占全縣總面積的0.07%。該成土母質屬于富鋁化的淺色風化殼,由這種母質發(fā)育的土壤土層深厚(達1 m以上),顏色淺,網紋層多為60～100 cm,全剖面土壤呈酸性反應,質地黏重。該類母質中分布的土壤類型有水稻土、潮土。

(6)晚更新世黃土。主要分布于余井鎮(zhèn)西南、縣東南角等坡狀起伏的崗地上,面積約4.1 km2,占全縣總面積的0.24%。更新世黃土是我國江淮地區(qū)低丘崗地上一種廣泛分布的成土母質,該母質發(fā)育形成的土壤質地黏重,耕性不良,常出現緊實、黏重的層次,即黏盤層[11]。該層透水性極差,豐水季節(jié)易造成土體上層滯水,影響根系的正常生長,對植物構成了漬害,嚴重時可引起樹木的爛根和死亡。潛山縣該母質發(fā)育的土壤,土層多較深厚,質地黏重,土壤底層有深棕色或褐色的黏盤層,極緊實,土壤易受地表徑流的沖刷侵蝕,致使黏盤層接近地表或露出地面。該類母質中分布的土壤類型只有水稻土。

(7)河流沖積物。風化物由近代流水搬運而堆積于河流兩岸及廣大圩畈地區(qū)的物質,面積290 km2,占全縣總面積的17%,分選性好,具有成帶性和成層性,土層深厚。土壤上層呈酸性,下層呈中性。該類母質中分布的土壤類型有水稻土、潮土、紫色土、石灰土、黃棕壤和紅壤,以水稻土、潮土和紫色土為主。水稻土、潮土、石灰土及紫色土主要分布在該母質范圍內。

2 樣品采集及分析測試方法

2.1 采樣方法

采用“網格”采樣布局設計,以1∶5萬地形圖1 km2方里網格作為采樣布局設計網格單元(大格),每個網格單元的四分之一格(0.25 km2)為最小采樣單元格(小格)。每平方千米內二調圖斑數量較多、中心城鎮(zhèn)周邊地區(qū)、地形地貌和土壤類型及地質背景復雜、土地利用方式多樣、元素含量空間變異性大的地區(qū)增加布樣密度[12-14]。全域共采集表層土壤樣品8 116件(不含重復樣),平均采樣密度4.9個點/km2。采樣介質為耕作層土壤,果園地、林地采集表層土壤,采樣深度視耕作深度不同而不同,水稻、棉花、油菜和小麥等農業(yè)用地采樣深度為0～20 cm,不同深度連續(xù)取樣,瓜蔞種植、林業(yè)用地采樣深度為0～30 cm。

樣品加工嚴格按照設計流程進行,樣品懸掛晾曬、自然干燥,用10目尼龍篩完全過篩,“四分法”分裝樣品。樣品經野外加工組加工后,將主、副樣品分別按順序裝箱,及時填制送樣單,主樣送測試單位分析,副樣送樣品庫,管理人員依據采樣點位圖、送樣單驗收樣品。

2.2 分析測試方法

土壤樣品的分析測試在安徽省地質實驗研究所完成。各分析指標分析檢測方法[15-16]為:電感耦合等離子體光譜法(ICP-AES)測定P、K2O、V、Cr、Mn、Ni、Cu、Zn,電感耦合等離子體質譜法(ICP-MS)測定Co、Pb、Mo、Cd,發(fā)射光譜法(ES)測定B,原子熒光法(AFS)測定As、Hg、Se,容量法(VOL)測定N、有機質的分析方法配套方案。

表層土壤8 116件實際樣品測定P、K2O、V、Cr、Cu、Pb、Zn、B、Mn、Co、Ni、Mo、Cd、As、Hg、Se、N、有機質等18項元素全量,插入國家一級標準物質192件控制分析的準確度(500件樣品插入12件),lgC的波動范圍均小于《 DZ/T0258—2014 多目標區(qū)域地球化學調查規(guī)范》[14]規(guī)定的允許監(jiān)控限,各元素的一次合格率均為100%;隨機抽取480件樣進行重復性檢驗,一次總合格率為99.78%。

3 土壤有益微量元素主要特征

3.1 不同成土母質的土壤有益微量元素特征

用上述方法對8 116個樣品作了處理檢測,對結果進行統(tǒng)計分析(≤5件以下的成土母質不做統(tǒng)計分析),得出潛山縣7個主要成土母質發(fā)育的土壤中微量元素的算術平均含量及變化系數CV(表1)。

表1 安徽省潛山縣7種成土母質的土壤微量元素含量平均值、中位數及變化系數

分析結果顯示,深變質巖類成土母質形成的土壤中Cr、Cu、Ni、V、Co等5項指標平均含量最高,但Pb、Hg和N等3項指標平均含量最低;與深變質巖類成土母質形成的土壤相反的是,紅色碎屑巖類成土母質形成的土壤中Cu、Mn、Ni、P、V、Zn、K2O和Co等8項指標平均含量最低,尤其Mn、Ni遠低于其他成土母質,但B、As、Se、N和有機質等5項指標平均含量最高,變化系數最小;酸性巖類成土母質形成的土壤中P、K2O、Mo、Pb等4項指標平均含量最高,其中P平均含量高達831×10-6,遠高于其他成土母質形成土壤,Cr、Cd和Se等3項指標平均含量最低, Cr、Ni、Co、Pb、Hg、Se、N和有機質等8項指標變化系數最大,尤其Pb、Cr和Ni變化系數遠超過其他成土母質,其中Pb的變化系數為1.26,超過其他成土母質一個數量級,且Pb的變化系數平均值最高;樣品數最多的河流沖積物成土母質形成的土壤中各項指標除B外,離散程度小,其平均值接近全縣平均值。

3.2 同類型土壤的有益微量元素特征

本文采用相同土壤類型、不同成土母質的土壤有益微量元素(Cu、Zn、Mo、B和Se)含量進行比較(表2),反映了成土母質對土壤有益微量元素的影響程度。不同成土母質發(fā)育的土壤,即使土壤類型相同,有益微量元素含量差異性較大;相同成土母質發(fā)育的不同土壤,有益微量元素含量也有差異。由表2中微量元素Cu含量看,無論何種土壤類型,紅色碎屑巖形成土壤的Cu含量平均值均最低(潮土除外),淺色碎屑巖形成土壤的Cu含量較低;深變質巖形成土壤的Cu含量均較高,片麻巖類和酸性巖類Cu含量中等。不論何種成土母質,潮土的Cu和Zn平均含量及棕壤的Mo和Se平均含量明顯高于其他土壤類型。此外,其他土壤類型有益微量元素變化范圍均較接近。

表2 安徽省潛山縣同種土壤類型有益微量元素含量統(tǒng)計結果

4 成土母質、土壤類型對有益微量元素的影響

為了進一步揭示成土母質與土壤類型對土壤中有益微量元素的綜合影響,本文繪制同一土壤類型在不同成土母質的有益微量元素Zn的含量變化折線,并把各種土壤類型的變化折線疊加成圖(圖2)進行比較和差異分析,得出不同成土母質和土壤類型對微量元素Zn豐缺的綜合貢獻。

圖2 安徽省潛山縣7種類型土壤不同成土母質的Zn含量變化圖Fig. 2 Zn content variation of different parent materials of seven types of soil in Qianshan County,Anhui Province

由圖2可知,不同成土母質和土壤類型中Zn含量的變化呈一定的規(guī)律性。Zn的含量因成土母質的不同而不同:Zn在酸性巖類和片麻巖類成土母質的土壤中含量偏高;深變質巖類背景地質體中含量較高;在紅色碎屑巖類中除潮土外Zn含量偏低;在河流沖積物背景地質體中各土壤類型Zn平均含量變化范圍較大,但總體接近全區(qū)背景值。潮土的有益微量元素不隨成土母質的不同而變化,主要是由于潮土主要分布在潛山縣內較大河流沿岸的沙丘、漫灘、廢圩壩及城鎮(zhèn)附近地勢較高、未被開發(fā)為水田的沖積平原上,其母質源于上游山區(qū)的各種巖石風化物,母質來源復雜,不是固定的背景地質體。

地球化學基因在風化過程中具有很好的遺傳性(從巖石到風化產物) 和繼承性(從土壤到其源巖),利用地球化學基因可以對土壤樣品進行物源示蹤[16-17]。源自同一母巖的不同土壤類型在地球化學基因方面具有較好的相似性[7]。原位風化形成的土壤,其成土母質主要來源于基巖風化,土壤中元素含量特征很好地繼承了基巖的地球化學特征,土壤中有益微量元素的豐缺取決于基巖;非原位風化形成的土壤,成土母質來源非底部基巖,形成的土壤元素含量特征具有多樣性,土壤類型對土壤中有益微量元素豐缺具有較大影響,如河流沖積物類母質,其形成的各種類型土壤元素含量變化不一,可以利用不同類型土壤的地球化學特征對土壤樣品進行物源示蹤。潮土和棕壤中有益微量元素含量特征主要由土壤類型決定。

5 結論

(1)Cu、Ni、V和Co在深變質巖類形成的土壤中平均含量最高,在紅色碎屑巖類中最低,但B、Se、N和有機質等微量有益指標在紅色碎屑巖中最高;河流沖積物形成的土壤中各元素含量平均值最接近整個研究區(qū)背景值,含量變化程度也比較均勻。

(2)不論處于何種成土母質,潮土的Cu和Zn平均含量明顯高于其他土壤類型,棕壤的Mo和Se平均含量也明顯高于其他土壤類型。

(3)有益微量元素Zn在酸性巖類和片麻巖類形成的土壤類型中含量都偏高,深變質巖類含量較高,在紅色碎屑巖類中除潮土外其他土壤類型Zn含量都偏低。土壤中有益微量元素含量的豐缺主要決定于成土母質,其次為土壤類型。以地質背景為基礎的成土母質及土壤類型綜合影響潛山縣土壤有益微量元素含量特征。