0 引言

石英是一种化学性质稳定、硬度较大、在自然界中广泛存在的矿物。特定的搬运方式、沉积环境的影响都会在石英颗粒表面留下特定的形态特征及其组合^[1~3]。利用扫描电镜技术研究各种沉积环境下石英颗粒形态特征的研究报道有很多^[4~10]。石英颗粒形态特征可依据成因分为机械特征、化学特征和其他特征，其中机械特征包括擦痕刻痕、贝壳状断口、弧形阶梯状断口、平整解理面、V形坑、撞击沟、蝶形坑和新月形撞击坑等；化学特征包括鳞片状剥落、溶蚀坑和溶蚀沟、氧化硅沉淀和晶体增长等；其他特征主要是粘附在颗粒表面的各种微小颗粒^[2~3]。

近年来石英颗粒形态特征也被用于古气候重建、搬运营力和历史演化等领域的研究^[11~14]。国外学者研究发现气候、成土时间和有机酸都是影响石英风化的重要因素^[15~21]。国内也有少量研究探讨了成土因素对石英颗粒形态特征的影响，如张瑾等^[22]研究发现我国热带地区玄武岩母质发育的红壤剖面中，石英颗粒磨圆程度和溶蚀程度随着成土时间增加而有所增强；陈秀英等^[23]发现我国南北方海岸风成砂丘中石英颗粒的形态特征和气候带有关。

花岗岩中含有较多石英，在我国空间分布极为广泛，跨越了寒温带、中温带、暖温带、亚热带及热带。不同气候区的温度和降水之间的差异，不仅对土壤的成土过程和理化性质会产生不同的影响，也会对石英颗粒表面形态产生不同影响。总体而言，基于全国尺度的石英颗粒形态特征及其可见分异的研究尚未见报道，也没有能够指示成土环境的石英颗粒形态指标。为此，本文基于2009~2018年的全国土系调查成果，选取了北温带、暖温带、亚热带、南亚热带和热带花岗岩发育的18个典型土壤表层样品(表 1)，利用扫描电镜研究石英颗粒形态特征，尝试建立石英颗粒形态特征指标，旨在通过分析气候带与石英颗粒形态特征的之间的关系，进一步揭示气候对石英颗粒形态特征的影响。

1 材料与方法 1.1 土壤样品采集

依据我国典型土系调查成果^[24~28]，本研究分别在北温带(黑龙江，3个土系)、暖温带(北京，3个土系)、亚热带(浙江，3个土系)、南亚热带(广东，5个土系)和热带(海南，4个土系)选取花岗岩母质发育的合计18个典型土系(表 1)的表层土样，所有土壤均发育于低山丘陵的花岗岩残积物母质上，植被类型为林灌。

1.2 石英颗粒形态观察与分析 1.2.1 土样预处理及扫描电镜观测

土样前处理在中国科学院南京土壤研究所的土壤与环境分析测试中心进行，具体过程详见张瑾等^[22]的实验方法。扫描电镜观察在中国科学院南京地质古生物研究所电镜室进行，扫描电镜型号为ZEISS EVO 18。在每个土样中随机挑选30颗左右的石英颗粒^[29]，用于扫描电镜观察。在用扫描电镜观察石英颗粒的同时进行了能谱分析(EXD)，以确认其矿物类型。

1.2.2 石英颗粒形态特征

由于研究领域和研究目的不同，前人对石英颗粒形态特征类型的归纳也不尽相同，迄今已总结出几十种甚至更多的石英颗粒形态特征^[2~3]，但尚无统一的标准。Darmody^[30]在定义石英颗粒化学风化指标时，共选择了10个典型的石英颗粒机械特征和化学特征(表 2)。本研究对每颗石英颗粒的这10个形态特征进行目视解译与统计。

1.2.3 石英颗粒特征指标定义

经过对供试石英颗粒上述10种特征的统计分析，发现石英颗粒的圆化程度、溶蚀程度、机械特征发育程度在不同气候带土壤之间有明显差异，其他特征规律性不明显，因此选择圆化度、溶蚀度及机械度这3类特征建立石英颗粒的特征指标。本研究选取的石英颗粒均源于花岗岩残积物土壤，未经长距离搬运，石英颗粒的圆化作用主要是化学风化的结果。这里以圆化度为例，尝试将其文字描述转为定量化的公式表达：

(1)

公式(1)中，M表示石英颗粒的圆化度；i表示石英颗粒的圆化等级；m_i表示i圆化等级的石英颗粒所对应的值；P_i表示样品中i圆化等级的石英颗粒所占的百分比；M越大，该样品石英颗粒的圆化程度越强。其中定义机械度用到的机械特征包括：擦痕、贝壳状断口、弧形台阶、“干净”光滑断口或解理面4类(表 2)，具体特征分类见表 3。

2 结果与讨论 2.1 石英颗粒形态特征

表 4为不同气候带花岗岩母质发育的表层土壤中典型石英颗粒形态特征统计，供试土壤石英颗粒的机械特征、圆化特征及溶蚀特征随气候带不同表现出明显的差异性。

北温带：HLJ-1土样棱角状颗粒(图 1a)，占82.7 %，机械特征发育较强，化学特征中等发育。HLJ-2土样棱角状颗粒占96.5 %，机械特征发育较强，其中93.3 %的颗粒表面存在光滑解理面(图 1b)，化学特征中等发育。HLJ-3土样中棱角状颗粒占59.9 %，机械特征与化学特征均中等发育。北温带供试土壤中的石英颗粒以棱角状为主，圆化度较低，机械特征发育较强，化学特征以溶蚀为主。

暖温带：BJ-1土样59.4 %的石英颗粒带有尖锐棱角，机械特征较为发育；87.5 %的颗粒表面有硅质球沉淀，部分颗粒表面有溶蚀坑出现。BJ-2土样90.6 %的石英颗粒为棱角状，90.6 %的颗粒表面出现贝壳状断口(图 1c)，鳞片状剥落(图 1d)中等发育。BJ-3土样83.3 %的石英颗粒为棱角状，机械特征以光滑断口为主，所有石英颗粒表面均出现氧化硅沉淀，其他化学特征发育不强。暖温带供试土壤中石英颗粒绝大部分为棱角状，圆化程度低，机械特征发育较强烈，少部分颗粒表面出现溶蚀特征，绝大部分颗粒表面的氧化硅沉淀以硅质球和硅质鳞片为主(图 1e)。

亚热带：ZJ-1土样85.3 %的石英颗粒带有尖锐棱角，机械特征较发育，少部分颗粒表面存在弧形台阶(图 1f)，化学特征以氧化硅沉淀和粗糙表面为主。ZJ-2土样69.7 %的石英颗粒出现圆化特征，机械特征发育程度不强。所有颗粒表面均有氧化硅沉淀，个别颗粒表面出现晶体生长(图 1g)。ZJ-3土样棱角磨蚀石英颗粒占80.6 %，机械特征发育较弱，90 %以上的颗粒表面存在氧化硅沉淀和粗糙表面，个别颗粒出现大面积深邃溶蚀坑及沉淀共生现象(图 1h)。亚热带样品中颗粒圆化程度增强，机械发育程度明显减弱，大部分颗粒表面的氧化硅沉淀以硅质膜为主(图 1i)。

南亚热带：GD-1土样59.4 %的石英颗粒为棱角状，光滑断口出现频率为90.6 %，机械特征以贝壳断口和光滑断口为主，化学特征发育较强。GD-2土样75.0 %的石英颗粒存在圆化特征，除光滑断口外机械特征发育较弱，96.4 %的颗粒表面存在溶蚀坑，其中部分颗粒表面可见深邃的溶蚀沟，并有颗粒裂解趋势(图 1j)，这是由石英晶体内部构造决定的^[3]。GD-3土样96.4 %的石英颗粒存在圆化特征(图 1k)，机械特征发育较弱，化学特征发育较强。GD-4土样所有石英颗粒均存在圆化特征，机械特征基本消失，溶蚀特征的出现频率为97.1 %。GD-5土样所有石英颗粒均存在圆化特征，机械特征中等发育，化学特征发育较强。南亚热带石英颗粒机械特征发育较弱，圆化程度、溶蚀程度进一步增强，溶蚀特征以方向性溶蚀坑为主(图 1l)。

热带：HN-1土样62.5 %的石英颗粒为棱角状，机械特征以贝壳状断口和光滑断口为主，部分颗粒表面布满沉淀及粗糙表面共生物，使得其机械特征基本消失(图 1m)。HN-2土样84.4 %的石英颗粒存在圆化特征，个别颗粒为浑圆状(图 1n)；机械特征发育较弱，溶蚀坑出现频率为81.3 %。HN-3土样92.9 %的石英颗粒存在圆化特征，机械特征、化学特征均中等发育。HN-4土样75.8 %的石英颗粒存在圆化特征，机械特征、化学特征发育相当；热带地区大部分颗粒存在圆化特征，机械特征略有增强，溶蚀特征以表面磨蚀及不规则溶蚀坑为主(图 1o)。

2.2 石英颗粒形态特征指标

图 2为不同气候带花岗岩发育的表层土壤石英颗粒特征指标均值。从图 2中可以看出，石英颗粒的圆化度、溶蚀度及机械度均随气候带的不同呈现出一定的规律性。北温带地区的石英颗粒圆化度最低，为0.37；随着纬度的降低，圆化度逐渐增高，热带地区的圆化度最高，可达2.58；北温带、暖温带、亚热带地区石英颗粒的圆化度分别与南亚热带及热带地区有显著性差异，北温带石英颗粒的圆化度与亚热带地区也有显著差异。溶蚀度与圆化度表现出相似的规律性，暖温带地区溶蚀度最低，为0.1；随纬度降低溶蚀度呈升高趋势，在南亚热带地区最高，为2.73；北温带、暖温带、亚热带地区石英颗粒的溶蚀度分别与南亚热带及热带地区有显著性差异。暖温带地区的石英颗粒机械度最高，为1.95；机械度随纬度降低呈减小趋势，南亚热带地区的机械度最低，为0.18，机械特征基本消失；北温带、暖温带地区石英颗粒的机械度分别与南亚热带地区有显著性差异，暖温带石英颗粒的圆化度与热带地区也有显著差异。

2.3 石英颗粒形态特征指标与环境因子相关性分析

选择地理纬度、年均温及年降水为气候参数，探讨其与石英颗粒特征指标之间的关系。由表 5可知，圆化度与地理纬度呈极显著负相关关系，与年降水和年均温呈极显著正相关关系；溶蚀度与地理纬度呈极显著负相关关系，与年降水和年均温呈极显著正相关关系；机械度与地理纬度呈极显著正相关关系，与年降水和年均温呈极显著负相关关系。这表明气候因素会对石英颗粒形态特征产生影响。图 3建立了地理纬度与石英颗粒圆化度、溶蚀度及机械度之间的函数关系式。

本文选取的土壤属性包括pH和粉/粘比，见表 1。Pye和Mazzullo^[21]认为降雨、低pH及植被根系产生的有机酸会使得灰壤表层石英颗粒的溶蚀和风化现象较下层明显。由表 1可知，土壤pH在暖温带最高，随纬度降低呈先减小后上升趋势，不同气候带土壤pH差异并不明显；从表 5中可知，pH与石英颗粒的3个特征指标没有相关性。

由表 1和表 5可知，粉/粘比在暖温带最高，南亚热带最低，随纬度降低呈减小趋势，土壤粉/粘比与圆化度呈极显著负相关关系，和溶蚀度呈显著负相关关系，与机械度呈显著正相关关系。Marcelino和Stoops^[31]指出土壤颗粒组成特别是粘粒的含量会影响石英颗粒的风化程度。从北温带到热带地区，随着地理纬度的降低，土壤中粘粒含量相对增多，使得土壤的持水力增强，温度和降雨程度逐步增强，高能的化学环境使得土壤中的石英颗粒更易风化，进而石英颗粒圆化特征、溶蚀特征和机械特征随着气候带的不同产生地带性差异。

3 结论

本文分析了不同气候带花岗岩发育的表层土壤中石英颗粒形态特征的差异。基于典型的石英颗粒形态特征定义了半定量的特征指标：圆化度、溶蚀度及机械度，探讨了其与气候因子之间的关系，可初步得到以下结论：

(1) 在高纬度地区，土壤中的石英颗粒多呈棱角状，贝壳状断口、平行解理等机械特征出现频率较高，化学溶蚀发育不强，氧化硅沉淀以硅质球和硅质鳞片为主。随着纬度降低，磨圆状石英颗粒逐渐增多，机械特征发育呈减弱趋势，化学溶蚀增强。

(2) 本文定义的石英颗粒特征指标圆化度、溶蚀度及机械度可以有效地反映出不同气候带供试石英颗粒的特征变化：随着地理纬度的降低，圆化度及溶蚀度均逐渐增强，机械度逐渐降低。

(3) 石英颗粒特征指标圆化度、溶蚀度及机械度分别与气候因子之间呈极显著相关关系。随着地理纬度的降低，供试土壤中粘粒相对含量、降水量、气温等作用的增强使得石英颗粒更易风化，造成石英颗粒圆化特征、溶蚀特征及机械特征随着气候带的不同产生地带性差异。

致谢: 感谢中国科学院南京地质古生物研究所方艳老师在扫描电镜观测实验过程中的指导和帮助。