2020, Vol. 29
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2. 中国地质调查局 黑土地演化与生态效应重点实验室, 辽宁 沈阳 110034
2. Key Laboratory of Black Land Evolution and Ecological Effects, CGS, Shenyang 110034, China
土壤形成和发育过程中, 成土母质、地形条件、生物过程和气候条件等因素相互影响, 使土壤中地球化学元素表现出复杂性和多样性.地表中元素的地球化学行为(如赋存状态、迁移过程、沉淀特征)与化学风化过程密切相关, 而风化过程受控于气候环境的变化, 因此土壤中地球化学元素分布及变化规律记录了其形成时的化学风化及气候环境特征[1-2].
黑土是一种腐殖质层厚、自然肥力高的土壤类型.黑土的成土母质主要是第四纪黄土状沉积物[3-4].土壤母质是土壤形成的物质基础, 其化学组成、矿物组成及机械组成影响了土壤的形成及性质.土壤剖面的形成主要受气候、地形、母岩、生物和水等因素控制, 不同地理条件形成的土壤剖面各异[5-6].因此, 对土壤垂向剖面及其成土母质的质地、地球化学元素特征、物理化学性质以及矿物成分等的研究, 可以提供土壤形成的气候环境、地质背景、成土作用等重要信息.
东北黑土区是我国重要的商品粮生产基地, 由于不合理的开垦、耕作, 加之特有的气候、地貌条件, 黑土区土壤侵蚀严重, 黑土资源出现明显的退化现象[7].因此黑土形成演化、合理利用及防治保护成为近年来的农业和地质科学研究的热点.张明瑶等[8]通过研究鸭绿江冲积平原土壤剖面常量元素的特征, 揭示鸭绿江流域黑土风化过程及气候变化信息; 陆继龙等[3-4]通过对吉林地区黑土常量和微量元素地球化学特征及其影响因素的研究, 为该区黑土持续利用、合理施肥提供科学依据; 佟宝辉等[9]研究了吉林省中部黑土区土壤微量元素分布及空间变异规律.这些研究成果主要反映了东北典型黑土区南部地球化学元素特征, 但是, 目前对于黑土区北部研究有限, 且对典型黑土剖面微量元素特征、风化强度等研究相对缺乏.因此, 本文以拜泉地区典型黑土剖面为研究对象, 对其常量元素、微量元素的分布规律及其蕴含的环境信息进行研究, 以期为探索该区黑土风化成壤过程以及了解古环境气候信息提供科学依据.
1 研究区概况拜泉县位于北纬47°17′~47°54′、东经125°29′~126°31′, 地处黑龙江省西部, 小兴安岭南麓、松嫩平原北缘.区内地形特征是东北高西南低, 东部和中部属于小兴安岭山前高平原, 被沟谷切割, 地形起伏较大, 呈波状和岗阜状, 逐渐过渡到西南低平原地带, 地势起伏不大, 较为平坦, 沿双阳河两岸有一部分漫滩地[10-11].
该区自然资源丰富, 主要河流有乌裕尔河、双阳河和宝泉河, 均为季节性河流.属寒温带大陆性季风气候, 四季变化明显.冬季受西伯利亚冷空气侵袭, 寒冷干燥, 土壤冻结时间长, 日照时间短.夏季受海洋季风的影响, 气候温热多雨.春季多风少雨, 秋季凉爽干燥.全年日照时间长, 无霜期短.该区是国家重要的商品粮基地县之一, 盛产大豆、小麦、玉米、高梁、奶白花芸豆、向日葵、马铃薯等作物, 素有"大豆之乡"的美称.土地肥沃, 土壤类型以黑土为主, 另外有黑钙土、草甸土、沼泽土和盐土, 土壤结构与基础肥力较好.黑土分布在东部、北部、中部丘陵区, 黑钙土分布在西南部高平原上[11-12].由于受漫长地质年代和地质构造活动的影响, 全县成土母质多样, 主要有次生砂砾质残积母质、冲积淤积母质、第四纪沉积物[12].
2 样品及分析 2.1 样品采集及分析测试方法本研究主要在双阳河两岸典型黑土区布设7个垂向剖面, 由地表至200 cm深度, 每20 cm等间距连续采集土壤及成土母质样品, 共采集样品65件.土壤样品装入布袋后风干、敲碎, 用尼龙筛筛取20目部分, 送中化总局地质研究院和自然资源部东北矿产资源监督检测中心实验室分析测试.主要使用电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)、原子荧光光谱法(AFS)、发射光谱法(ES)等分析测试方法.测试指标包括: As、B、Cd、Cr、Cu、Ge、Hg、I、Mn、Mo、N、Ni、P、Pb、S、Se、Zn、SiO2、Al2O3、TFe2O3、K2O、Na2O、CaO、MgO、TC、Corg、pH.
2.2 分析结果1) 剖面特征
根据野外观察和室内实验数据对剖面进行了划分, 从上到下剖面可以划分为4个层位(图 1), 具体如下.
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图 1 拜泉地区典型黑土剖面野外照片 Fig.1 Field photographs of typical black soil sections in Baiquan area |
Ah层(腐殖质层):厚度20~60 cm, 厚者可达80 cm以上.黑色, 潮湿松软, 黏壤土, 团粒结构.土体疏松多孔, 多植物根系. pH 7.0~8.5.
Abs层(过渡层):厚度不等, 在30~70 cm之间.暗灰棕色, 黏壤土, 小块状结构, 偶见上部腐殖质淋溶的条带. pH 6.5~8.5.
Btq层(淀积层):厚50~160 cm.底土母质黏重时层次较薄且距地面较浅.颜色不均一, 黄棕色.土体紧实, 上部为小棱块状, 下部为柱状, 偶见铁锰结核等淀积物. pH 7.0~9.0.
C层(母质层):为黄土状堆积物.
2) 常量元素特征
拜泉土壤剖面常量元素SiO2含量平均值在54.87%~71.52%之间, Na2O平均值为0.75%~1.77%, 除个别剖面外, 总体上含量低于东北平原区均值; K2O平均值为1.92%~3.03%, CaO平均值0.64%~7.42%, Al2O3平均值为11.75%~14.68%, Fe2O3平均值为2.81%~5.63%, MgO平均值为0.61%~1.73%, 除个别剖面外, 总体上含量高于东北平原区平均值(表 1).常量元素含量由大到小的顺序为SiO2>Al2O3>Fe2O3>CaO>K2O>Na2O>MgO.淋溶元素Na2O、K2O随深度增大平均含量略有增加; Fe2O3随深度增大平均含量略有减少; MgO含量在腐殖质层到淀积层缓慢增加, 在母质层降低; 生物累积元素CaO随深度增大含量降低; 整体上SiO2和Al2O3比较稳定, 个别剖面母质层Al2O3降低(图 2).
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表 1 拜泉土壤剖面常量元素参数 Table 1 Contents of major elements in the soil sections, Baiquan area |
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图 2 拜泉土壤剖面常量元素分布特征 Fig.2 Distribution characteristics of major elements in the soil sections, Baiquan area |
3) 微量元素特征
从各剖面微量元素含量平均值(表 2)可以看出, 全磷、全氮、S、Mn、B、I、Ge、Se和有机碳平均值均明显高于松辽平原平均值. Mo元素含量与松辽平原均值基本一致.重金属元素As、Ni、Pb和Cr背景值高于松辽平原均值, 尤其As和Ni元素相对含量高, 这可能是由于区内存在几个极高值地点. Cu、Zn、Hg和Cd含量小于松辽平原均值.
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表 2 拜泉土壤剖面微量元素参数 Table 2 Contents of trace elements in the soil sections, Baiquan area |
土壤全氮、Se元素、有机碳和S元素含量存在表生富集现象, 符合寒冷干燥地区强碱性土壤营养元素垂向分布特征, 即随着深度的增加元素含量降低, 并且深度在1 m左右含量逐渐趋于稳定.表生富集现象主要受到淋滤作用、有机质、生物富集作用和人为因素的影响[13-14](图 3).
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图 3 拜泉土壤剖面植物吸收微量元素分布特征 Fig.3 Distribution characteristics of trace elements absorbed by plants in the soil sections, Baiquan area |
从垂直剖面上看, As和Hg元素比较好地继承了深层土壤含量特征, 受地表人为活动和外部影响不大; Cu和Cd元素主要积累在黑土表层, 而表层以下不同施肥处理间Cu、Cd含量的差异和变幅不大[15].在剖面BQPM05和BQPM08中, Cr、Zn、Pb和Ni在母质层存在明显的锐减现象(图 4), 表明受人为污染叠加作用明显.
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图 4 拜泉土壤剖面金属微量元素分布特征 Fig.4 Distribution characteristics of metal trace elements in the soil sections，Baiquan area |
化学蚀变指数(Chemical Index of Alteration, CIA)是判别由硅酸盐矿物组成的沉积物风化程度最常用的化学指标, 其计算公式为:
| $ {\rm{CIA = }}\frac{{{\rm{A}}{{\rm{I}}_{\rm{2}}}{{\rm{O}}_{\rm{3}}}}}{{{\rm{A}}{{\rm{I}}_{\rm{2}}}{{\rm{O}}_{\rm{3}}} + {\rm{Ca}}{{\rm{O}}^ * }{\rm{ + }}{{\rm{K}}_{\rm{2}}}{\rm{O + N}}{{\rm{a}}_{\rm{2}}}{\rm{O}}}} \times 100 $ | (1) |
式中氧化物均为分子摩尔数. CaO*为硅酸盐相, 采用McLennan [16]计算方法. CIA反映了长石风化成黏土矿物的程度, CIA值越高, 指示气候温暖湿润, 风化程度越高, 反之, 寒冷干燥, 风化程度低. CIA值介于50~60之间反映寒冷干燥气候条件下的弱风化程度, 60~80之间反映温暖湿润气候条件下的中等风化程度, 大于80反映炎热潮湿的热带-亚热带条件下强烈的化学风化程度[17-19].同时, 也常采用硅铝铁率(Saf)来衡量脱硅富铁铝程度, 即剖面遭受的风化作用程度, 计算公式为:
| $ {\rm{Saf = }}\frac{{{\rm{Si}}{{\rm{O}}_{\rm{2}}}}}{{{\rm{A}}{{\rm{I}}_{\rm{2}}}{{\rm{O}}_{\rm{3}}} + {\rm{F}}{{\rm{e}}_{\rm{2}}}{{\rm{O}}_{\rm{3}}}}} $ | (2) |
Saf值越小, 说明脱硅富铝化程度越强, 遭受风化强度越强[20].
拜泉土壤剖面CIA值在44~75之间, 平均值为58, 属于弱风化程度. Saf值在5.7~8.1之间, 高于北方土壤平均值, 说明盐基离子淋失程度低, 风化作用较弱.从图 5中可以看出, 随着深度的增加, CIA值有降低的趋势, Saf值有升高的趋势, 说明拜泉剖面在成土过程中氧化程度在逐渐增加, 风化程度在逐渐增强, 环境越来越潮湿.
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图 5 拜泉土壤剖面化学风化指数及硅铝铁率 Fig.5 The CIA and Saf diagrams for soil sections in Baiquan area |
微量元素的地球化学行为受常量元素的控制, As、Pb、Cd、Zn含量与Fe的含量呈现很好的相关性[20-21].拜泉土壤剖面重金属元素As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn、Hg与Fe的相关系数见表 3.由此可见, As、Cd、Cu、Pb、Hg含量与Fe含量具有显著正相关性, 说明这些重金属元素的含量及其剖面分布主要受常量组分Fe的控制, 其中As和Hg的垂向变化与Fe元素具有很好的偶合性. Cu、Cr、Cd和Pb具有较好的相关性, 研究认为, Cu、Cd和Pb易在酸性条件下以二价离子态发生活化迁移, 而在碱性条件下比较稳定; Cr在表生条件下易被氧化形成含氧酸根离子, 从而发生迁移[20, 22].因此这些元素在表层土壤风化条件下具有相似的分布特征.
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表 3 拜泉土壤剖面微量元素相关系数 Table 3 Correlation coefficient of trace elements in the soil sections, Baiquan area |
在化学风化过程中, 风化成壤作用改变沉积物的化学组成, 化学淋滤作用使土壤中的易溶元素淋溶出土壤, 从而造成稳定元素的相对富集.目前往往采用元素的变化率来反映元素的迁移与富集程度.采用某一种稳定元素(如Al、Ti、K)作为参照, 计算样品中其他元素的变化率:
| $ \mathit\Delta \left( \% \right) = \frac{{\frac{{{X_{\rm{s}}}}}{{{I_{\rm{s}}}}}}}{{\frac{{{X_{\rm{p}}}}}{{{I_{\rm{p}}}}} - 1}} \times 100 $ | (3) |
Xs、Is分别代表样品中元素X和参比元素I的含量, Xp、Ip为上述元素在原始母质中的含量. Δ < 0反映元素X相对参比元素迁出, Δ>0反映元素X相对富集[8, 17].本文选择稳定元素Al作为参考元素, 计算腐殖层和淀积层剖面元素平均含量的变化率(图 6).计算结果表明, 在腐殖层Na、Ca、Mg和K元素的Δ值小于0, Fe和Si元素的Δ值大于0, 说明Na、Ca、Mg、K元素相对Al元素发生了迁移, Fe和Si元素相对于Al元素发生了富集.根据Δ值绝对值的相对大小, Ca元素发生了显著迁移, Na和K元素发生了轻微迁移.由此得到土壤剖面腐殖层常量元素风化过程中的活动性和迁移能力为: Ca>Na>Mg>K>Al>Si>Fe.淀积层Na、Ca、Mg和Fe元素相对迁移, K和Si元素相对富集, 土壤元素迁移和活动性规律为: Na>Mg>Fe>Ca>Al>K>Si.
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图 6 拜泉土壤剖面常量元素迁移规律 Fig.6 Migration rule of major elements in the soil sections, Baiquan area a—腐殖层剖面(humus layer); b—淀积层剖面(illuvial layer) |
在温暖湿润时期, 土壤中活动性常量元素迁移现象明显; 在寒冷干旱时期, 淋溶作用相对较弱, 活动性弱的常量元素常出现富集现象.从常量元素的迁移结果看, 拜泉地区土壤腐殖层Ca、Na、Mg、K淋失强烈, 土壤成熟度高, K、Si组分发生一定程度的淋失贫化, 而表生活动性弱的Al、Fe则相对富集, 风化程度已达到脱硅富铝铁阶段, 说明成土过程中以温暖湿润气候为主; Ca元素在淀积层富集比在腐殖层更为明显, K离子易被土壤胶体所吸附, 土壤K的迁移能力比Na弱, 风化成土过程中K在土壤上的残留量比Na多, Si元素在淀积层富集最明显, Fe元素发生一定程度的淋失, 说明成土过程中气候属于相对寒冷干燥时期.
3.3 气候环境指示意义影响植物生长所必需吸收的N、P、S、Mn、B、I、Ge、Se、Mo等元素的因素主要为与气候环境相关的生物地球化学循环过程.风化成壤过程中生物活动特别是植物的生长需要吸收部分微量元素造成它们在土壤表层发生一定程度的聚集; 同时, 游离的微量元素又易被黏土矿物、有机质等吸附[23].综上所述, 拜泉地区黑土形成于温带季风气候条件下, 夏季温暖多雨, 微量元素向下淋失, 停留在黏粒矿物较多的淀积层, 成土母质质地较黏重, 微量元素难以达到.冬季寒冷漫长, 微生物活动性弱, 土壤表层积累大量腐殖质, 对微量元素具有较强的吸附固定作用.
4 结论1) 拜泉土壤剖面常量元素含量除SiO2和Na2O外, 总体上高于东北平原平均值; CIA平均值为58, Saf值较高, 属于弱风化强度.
2) 植物生长所必需的微量元素N、P、S、Mn、B、I、Ge、Se、Mo等在温暖气候条件下, 在表层和淀积层积累, 含量较高, 在淋溶层和母质层含量较低; 寒冷干燥条件下, 在表层积累.金属微量元素与Fe元素具有较强的相关性, 说明其垂向组分不仅受气候条件控制, 同时受常量元素控制.
3) 常量元素迁移规律表明, 剖面腐殖层土壤成熟度高, 成土过程中以温暖湿润气候为主; 淀积层可能处于脱Na、Ca阶段, 成土过程中气候相对寒冷干燥.
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