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
钼元素(Mo)是动植物必需的微量元素, 它的含量对动植物以及人类具有多重影响.对植物而言, 钼参于固氮酶和硝酸盐还原酶的合成, 可以直接影响植物体氮素代谢作用.当作物缺钼时, 主要表现出生长发育不良、植株矮小、叶片失绿、叶片枯萎以致坏死.而当作物钼超量时, 植物通常表现为以缺铜症状为主要症状的毒害作用[1-4].对人体而言, 钼参与黄嘌呤氧化酶、黄嘌呤脱氢酶、醛氧化酶的合成作用, 人体缺钼可引起这些酶活性下降, 导致儿童和青少年生长发育不良、神经异常、智力发育迟缓, 影响骨骼生长、龋齿, 引起克山病、肾结石、大骨节病等.人体内钼过多, 黄嘌呤氧化酶活性过度增加, 生产尿酸过多, 可导致痛风症.钼具有高度特殊的生理生化功能, 已经得到了当前生命科学研究者的广泛关注[5-8].
目前, 关于内蒙古鄂伦春自治旗土壤中钼含量相关调查和研究比较缺乏.中国地质调查局沈阳地质调查中心于2019~2020年, 在鄂伦春自治旗东部主要农耕区开展了1 : 25万土地质量地球化学调查工作, 系统调查了研究区内表层、深层土壤中钼的含量和分布特征.作者在此工作基础之上分析了研究区内土壤钼含量的主要受控因素, 为当地富钼土壤资源开发利用、农业产业结构调整提供基础依据.
1 研究区概况鄂伦春自治旗位于内蒙古自治区呼伦贝尔市东部, 与黑龙江省嫩江县和加格达奇相邻, 是呼伦贝尔市最大的旗县.研究区位于鄂伦春旗东南部农耕区, 面积为3 000 km2, 包括乌鲁布铁、大杨树、宜里、诺敏4个镇, 属于温带大陆性季风气候, 降水充足但不均匀, 昼夜、冬夏温差大, 积温不足.地貌类型以丘陵、低山为主, 局部为河流冲积平原.成土母质主要为花岗岩类风化物、中酸性火山岩风化物、中性玄武岩风化物、河流冲积洪积物.土壤质地以含砂黏土为主.土壤类型主要包括暗棕壤、黑土、草甸土、沼泽土.大豆、玉米、小麦为研究区内主要的农作物类型[9-10].
研究区位于大兴安岭北段钼矿集区内, 区内已发现多处钼矿化点, 主要出露岩性为花岗闪长岩、二长花岗岩、流纹岩、流纹质凝灰岩、安山岩、玄武岩.
2 材料与方法 2.1 样品采集与测试土壤样品采集按照网格式布设, 表层样品以1 km2为1个基本采样单元, 主要采集采样单元内大宗农田区域0~20 cm耕作层土壤, 每个样品在采样点附近30 m范围内采集3点土壤样品组合而成, 按照2 km ×2 km的网格将4个样品均匀组合为1个样品进行分析, 全区共组合分析样品750件.深层样品采集150~200 cm深的土壤, 每4 km2采集1个样品, 4 km × 4 km为1个网格进行组合分析, 共组合分析样品189件.所有组合样品送至具有MA认证资质的辽宁省地质矿产研究院有限责任公司测试完成, 钼全量采用ICP-MS方法的测试分析.样品分析方法、检出限及分析的精密度、准确度等均满足《1 : 25万多目标区域地球化学调查规范(DD2005-1) 》 [11]的要求.
2.2 数据处理使用ArcGIS10.4成图, 使用IBM SPSS Statistics 25和Excel 2016数据处理.
3 分析结果与讨论 3.1 土壤钼的地球化学特征研究区共分析表层土壤样品750件, 钼元素平均含量1.18×10-6(表 1), 最高含量为16.81, 最低含量为0.44×10-6.剔除异常高、低值后, 得出背景值为0.96×10-6, 略高于松嫩平原背景值(0.95×10-6), 显著低于全国A层土壤背景值(2×10-6) [12-13].变异系数1.00, 说明研究区内钼元素含量不均, 分异明显.
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表 1 研究区表层土壤钼含量特征 Table 1 The Mo content characteristics in surface soil of the study area |
根据土壤养分指标划分标准[14], 研究区内表层土壤钼元素全量丰富和较丰富级面积可达2 784 km2, 占总面积92.8%.存在钼污染风险的土壤面积共76 km2, 约占总面积的2.53%, 零星分布在二根河、都柿沟、诺敏镇等村镇周边(表 2、图 1).
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表 2 研究区表层土壤钼养分等级面积统计 Table 2 Area statistics by M o nutrient grades of surface soil in the study area |
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图 1 鄂伦春旗东部地区土壤钼元素养分等级图 Fig.1 Distribution of soil Mo nutrient grades in the east of Oroqen Qi 1-过剩级(excessive); 2-丰富级(rich); 3-较丰富级(relatively rich); 4-中等级(medium); 5-较缺乏级(relatively deficient); 6-缺乏级(deficient) |
研究区土壤的pH值为5.18~7.32, 平均值为5.89, 按照土壤酸碱度分级标准, 土壤整体呈酸性, 中性土壤仅占0.8%.将全区钼元素数据按照pH值升序排列, 每20个数据一组计算钼和pH平均值, 绘制散点图(图 2).由图可见, 土壤钼含量随pH增大逐渐减少, 即土壤钼含量与土壤pH值显示出负相关关系[15-16].
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图 2 钼含量与pH值关系图 Fig.2 Scatter diagram of Mo content vs. pH value |
研究区土壤中有机质含量为21.73×10-3~275.54×10-3, 平均值为60.82×10-3.按照大于40×10-3即为很丰富的标准, 调查区91%为有机质很丰富土壤.将全区钼元素数据按照有机质升序排列, 每20个数据一组计算钼含量和有机质平均值, 绘制散点图.由图 3可知, 钼含量与有机质呈弱负相关[1].
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图 3 钼含量与有机质含量关系图 Fig.3 Scatter diagram of Mo vs. organic contents |
研究区的土壤类型包括暗棕壤52.6%、沼泽土19.9%、黑土19.1%、草甸土8.3%、石质土0.1%.各土壤类型中钼含量特征值见表 3.
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表 3 不同土壤类型钼含量特征值 Table 3 Eigenvalues of Mo contents by soil types |
土壤中钼元素在沼泽土、草甸土中平均含量较大, 相对全区富集, 在暗棕壤、黑土中平均含量略小, 在石质土中平均值最低(图 4).暗棕壤中虽然钼平均含量不高, 但是特异值多, 全区最高值点分布于本区内, 说明本区钼元素比较活跃.按照土壤类型垂向分布特征, 根据地势从高到底依次为暗棕壤, 黑土, 草甸土, 沼泽土.根据本区土壤类型分布特征, 初步认为, 钼元素来源于暗棕壤对应的基岩中, 基岩中的辉钼矿经风化后形成细小颗粒, 由MoS2转化为MoS3, 在适当的条件下转为可溶性离子态, 随土壤溶液向下迁移到黑土、草甸土和沼泽土之中, 在土壤中有机质含量增加, pH值变化后被吸附固定下来[17].这与在本区内已发现的钼矿点分布区域基本吻合.石质土中钼元素含量低可能是因为石质土成土作用差, 土壤中黏土矿物少, 钼元素多存在于岩屑等粗颗粒中, 在样品加工中被过滤所导致的.
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图 4 不同土壤类型钼元素含量箱型图 Fig.4 Box diagram of Mo contents in different soil types 1-石质土(lithosol); 2-黑土(black soil); 3-草甸土(meadow soil); 4-暗棕壤(dark brown soil); 5-沼泽土(bog soil) |
研究区地形多为低山丘陵, 低洼处为河流冲积平原, 成土母质多为残坡积和河流冲积物.山地表层土壤主要为基岩就近风化形成, 保留了其成土母质的地球化学特征.基岩的钼元素含量和风化程度直接影响土壤中钼元素的丰度.
调查区已发现的多处钼矿化点, 其赋矿围岩均为二叠纪、泥盆纪花岗岩类[18-19].除石质土外, 其他成土母质中均存在特异值, 钼含量最大值出现在暗棕壤中, 为16.8×10-6, 基岩为二叠纪花岗闪长岩.
对深层样品分析数据进行插值, 得到表层分析样品位置对应的深层土壤分析结果, 通过计算表层和深层土壤钼含量的比值得到不同基岩上发育的土壤钼表层富集系数(见表 4).由表 4可知, 在花岗岩类中, 深层样钼含量最高, 火山岩中最低.变粉砂岩和花岗闪长岩为基岩的土壤, 钼表层富集系数较大, 而在其他岩性内深层钼含量均大于表层含量, 表明钼元素来源于深部, 其中花岗岩类应该是土壤钼的主要来源[18, 20].
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表 4 研究区不同基岩上发育的土壤钼表层富集系数 Table 4 Mo enrichment coefficients of surface soil on different bedrocks of the study area |
利用概率累积曲线的拐点, 可以大致判断沉积物组分不同的来源[21].从图 5可看出, 鄂伦春旗东部土壤中钼元素含量概率累积曲线拐点接近于100%.说明外源输入如人类活动、大气沉降等对土壤中钼含量影响很小, 与野外调查相吻合.鄂伦春旗东部地区人口稀少, 企业规模小, 大气沉降通量较小, 对钼的积累影响很小, 鄂伦春旗东部地区土壤钼主要来源于自然背景[22].
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图 5 研究区表层土壤钼元素概率累积分布图 Fig.5 Probability cumulative curve of Mo content in surface soil of the study area |
1) 研究区表层土壤钼含量丰富, 平均值为1.10×10-6, 高于东北地区背景值, 95%以上面积表土钼含量达到丰富级以上.同时存在约2.5%面积土壤钼含量具有污染风险.
2) 研究区多为酸性土壤, 土壤钼含量与土壤pH值均显示出负相关性.按土壤类型统计, 研究区内沼泽土、草甸土中土壤中钼平均含量较大, 相对全区富集, 而暗棕壤、黑土中钼平均含量略小, 在石质土中平均值最低.
3) 研究区存在多处钼矿化点, 且深层样品钼含量普遍高于表层样品, 作者认为土壤中钼元素主要由基岩风化而进入土壤, 人类影响等外在因素对土壤中钼含量影响很小.
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