遼東山地冰緣地貌上覆土壤粒度及元素地球化學(xué)

劉劍剛, 張 華,2, 朱夏夏, 朱 巖, 何 紅, 劉玉國(guó), 蘭玉波, 王 穎, 馬明軍

(1.遼寧師范大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院, 遼寧 大連 116029; 2.遼寧師范大學(xué) 海洋經(jīng)濟(jì)與可持續(xù)發(fā)展研究中心,遼寧 大連 116029; 3.遼寧老禿頂子國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理局, 遼寧 桓仁 117218)

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遼東山地冰緣地貌上覆土壤粒度及元素地球化學(xué)

劉劍剛1, 張 華1,2, 朱夏夏1, 朱 巖1, 何 紅1, 劉玉國(guó)1, 蘭玉波3, 王 穎3, 馬明軍3

(1.遼寧師范大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院, 遼寧 大連 116029; 2.遼寧師范大學(xué) 海洋經(jīng)濟(jì)與可持續(xù)發(fā)展研究中心,遼寧 大連 116029; 3.遼寧老禿頂子國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理局, 遼寧 桓仁 117218)

對(duì)遼東山地典型冰緣地貌上覆土壤的粒度、常微量化學(xué)元素進(jìn)行測(cè)試分析，結(jié)果表明：土壤顆粒組成包括黏粒20.79%、粉粒69.54%和砂粒9.67%，平均粒徑整體偏細(xì)，約為6.45Ф，不同土壤類(lèi)型、地貌類(lèi)型及坡向的粒度分布存在一定差異。土壤元素化學(xué)組成以SiO2(45.60%)，Al2O3(12.90%)，F(xiàn)e2O3(3.90%)，K2O(2.17%)為主，最大比例可達(dá)73.36%。元素Ca，Na，P，Sr顯著淋溶，而Mn，Ti，Cu，Zn則相對(duì)富集，其他元素遷移不甚明顯。少數(shù)元素還表現(xiàn)出與粒度分布存在顯著關(guān)聯(lián)，其中K，Na，Sr，Ba多存在于砂質(zhì)土壤中，而元素Ti則容易在粒度更細(xì)致的黏土顆粒中留存?；瘜W(xué)風(fēng)化指數(shù)CIA均值約為65.50，Rb/Sr約為0.70，反映風(fēng)化程度較低，且長(zhǎng)期經(jīng)歷干冷氣候，A—CN—K三角模型表明，研究區(qū)土壤風(fēng)化以脫鈣鈉、富鋁為主，風(fēng)化水平尚處于低等風(fēng)化階段中后期。

冰緣地貌; 老禿頂子; 元素地球化學(xué); 粒度; 化學(xué)蝕變指數(shù)

土壤的化學(xué)風(fēng)化是地表圈層間相互作用的重要方式之一，化學(xué)元素的分布和遷移與土壤的發(fā)生及演化關(guān)系密切，同時(shí)，土壤的元素含量及粒度組成對(duì)植物群落的演替和生態(tài)系統(tǒng)的維持也具有重要意義[1-2]，良好的土壤環(huán)境是改善植被生境、降低山地災(zāi)害的必要條件[3]。遼東山地冰緣地貌廣布，常見(jiàn)碩大礫石的雜亂堆積，其上覆淺薄土壤難成規(guī)模，膠結(jié)作用微弱，植物根系難以穩(wěn)固，在暴雨、地震等誘發(fā)條件下，容易發(fā)生泥石流、山嘯等山地災(zāi)害，而且植被自然更新緩慢，生態(tài)系統(tǒng)一旦遭到破壞便難以恢復(fù)[4]。因此，掌握研究區(qū)土壤的質(zhì)地組成，合理利用土壤特性調(diào)節(jié)林分布局，加快演替進(jìn)度，促進(jìn)土壤進(jìn)程，提高生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性已成為本區(qū)水土保持的重要內(nèi)容。本文以典型冰緣地貌上覆土壤為研究對(duì)象，從元素地球化學(xué)角度給予初步研究，得到本區(qū)土壤特性的一些量化表達(dá)，為林業(yè)資源的經(jīng)營(yíng)管護(hù)、山地災(zāi)害的碎屑源研究及后續(xù)相關(guān)科考工作提供了有益的數(shù)據(jù)資料。

1 研究區(qū)概況

遼東山地老禿頂子國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)(124°41′13″—125°5′15″E，41°11′11″—41°21′34″N)位于遼寧省東部桓仁、新賓兩縣交界處，主峰海拔1 367.3 m，被譽(yù)為遼寧第一峰。受白頭山末次冰期影響，發(fā)育典型冰緣地貌，土壤類(lèi)型以棕壤、暗棕壤為典型代表，多由花崗巖殘積母質(zhì)發(fā)育而成。地帶性植被為溫性落葉闊葉林，植物區(qū)系屬長(zhǎng)白區(qū)系西南邊緣，兼有華北植物區(qū)系的過(guò)渡性。植物多樣性豐富且垂直帶譜明顯，森林覆蓋率達(dá)97%，屬典型的北溫帶中山山地森林生態(tài)系統(tǒng)。境內(nèi)氣候類(lèi)型屬于溫帶大陸性季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，年平均氣溫6.0℃，年降雨量651～1 315 mm，年平均相對(duì)濕度72%，年無(wú)霜期139 d[5]。

2 研究方法

于2013年6—7月，在遼東山區(qū)老禿頂子國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)核心區(qū)進(jìn)行野外調(diào)查研究，區(qū)分地貌類(lèi)型并采用樣地法(20 m×30 m)[6]，在不同海拔高度選取45處典型冰緣地貌，囿于上覆土壤沉積厚度普遍很薄，無(wú)法做完整剖面取樣，且顆粒無(wú)明顯粘連，故根據(jù)實(shí)際土層厚度取樣0—20 cm不等。凋落物收集采用樣方收獲法(設(shè)置0.5 m×0.5 m)[7]，經(jīng)緯度由易測(cè)寶T2 GIS采集器測(cè)定，地貌坡度、坡向、海拔高度均從1∶50 000 DEM中提取(圖1)。

圖1 研究區(qū)樣地分布情況

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤粒度

按烏頓—溫德華氏粒級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，區(qū)內(nèi)土壤顆粒組成主要為黏粒20.79%(<0.004 mm)、粉砂顆粒69.54%(0.004～0.063 mm)和砂顆粒9.67%(0.063～2 mm)。其中黏粒比例介于10.52%～26.85%，標(biāo)準(zhǔn)差為3.74%，后兩者則分別為56.32%～82.35%，1.40%～30.89%，標(biāo)準(zhǔn)差5.17，5.41，變幅稍大，是各樣品粒度分布差異的主要貢獻(xiàn)者。根據(jù)海洋地質(zhì)調(diào)查規(guī)范中分類(lèi)命名原則[10]，區(qū)內(nèi)土壤質(zhì)地可分為：黏土質(zhì)粉砂、粉砂、砂質(zhì)粉砂。供試樣品平均粒徑約為6.45Ф(5.41Ф～6.95Ф)，偏度以正偏為主(占55.6%)，峰態(tài)介于2.43～4.04，很窄峰(Kg<3.00)占83.3%，反映土壤顆粒整體較細(xì)、集中度高，粗粒度端拉長(zhǎng)趨勢(shì)明顯，但比重很低。對(duì)比不同土壤類(lèi)型，暗棕壤顆粒(平均粒徑約6.48Ф)細(xì)于棕壤(6.41Ф)，石海地貌土壤顆粒(6.40Ф)粗于石流坡(6.61Ф)，北坡(6.57Ф)土壤顆粒細(xì)于向陽(yáng)南坡(6.49Ф)。其中石海地貌以灌叢、灌草叢覆蓋為主，覆蓋率高；石流坡則植被覆蓋率較低；石河地貌植被覆蓋優(yōu)良，以高大喬木為主，林下凋落物量積累程度不高，反映微生物的分解作用顯著。

3.2 土壤元素分布特征

研究區(qū)上覆土壤有機(jī)質(zhì)含量較高，常量元素氧化物以SiO2(45.60%)，Al2O3(12.90%)，F(xiàn)e2O3(3.90%)，K2O(2.17%)為主要組分，合計(jì)含量最高可達(dá)73.36%，Na2O，MgO，CaO含量較低，分別為1.44%，1.32%，1.14%，MnO，TiO2，P2O5含量均不足1%，各為0.09%，0.60%，0.24%。微量元素氧化物SrO為169.11 μg/g，BaO為484.89 μg/g，CuO為35.22 μg/g，ZnO為109.93 μg/g，Rb2O為115.53 μg/g(圖2)。海拔梯度上，常量元素Ca和Mn含量波動(dòng)顯著，變異系數(shù)達(dá)35.05%，37.35%，P元素(C.V.20.00%)含量明顯隨海拔降低呈波動(dòng)減小，是與針葉林下(石流坡地貌)土壤酸性淋溶有密切關(guān)系[11]，Si，Al，Ti變異系數(shù)約為10%，變化相對(duì)較小；微量元素含量整體波動(dòng)明顯，變異系數(shù)介于19.05%～31.01%，元素Rb，Sr含量變幅相對(duì)突出，余者相差不大。此分布形式緣于Rb，Sr，Ca，Mg，Na等都是水溶性較強(qiáng)的元素，易發(fā)生淋溶作用，極易在化學(xué)風(fēng)化過(guò)程中遷移，Si，Al化學(xué)活性比較穩(wěn)定，在表生環(huán)境中不易迅速風(fēng)化，即使被解析出來(lái)，也多轉(zhuǎn)變?yōu)榇紊ね恋V物存留下來(lái)，而Ti，F(xiàn)e穩(wěn)定性雖較前者稍差，但不易形成可溶化合物，所以元素含量變化并不顯著。

圖2 常、微量元素氧化物含量及燒失量、pH、凋落物量變化

對(duì)供試樣品常微量元素進(jìn)行上陸殼標(biāo)準(zhǔn)化處理(上陸殼UCC及陸源頁(yè)巖PAAS來(lái)源于文獻(xiàn)[12])得到圖3：常量元素?zé)o論按土壤類(lèi)型、地貌類(lèi)型，還是不同坡向，均表現(xiàn)為Mn和Ti高于UCC，Ca，Na，P依次呈低值，其他元素與UCC水平接近。其中Si，Al，F(xiàn)e等穩(wěn)定元素的含量比大連七頂山黃土、洛川黃土酸不溶相、鎮(zhèn)江下蜀黃土等都要低[12]，甚至表現(xiàn)出輕微的量虧損。根據(jù)pH值測(cè)試結(jié)果，供試樣品pH值約為4.69(圖2)，說(shuō)明本區(qū)土壤酸性較強(qiáng)，元素整體都發(fā)生了不同程度的淋溶?；钚栽谻a，Na多存在于碳酸鹽礦物中，在山地小氣候的豐富降雨條件下會(huì)因水溶而顯著淋失，微量元素Sr同樣在豐水條件下容易以游離態(tài)隨地表水、地下水流失或存在土壤溶液中。而Mn，Ti，Cu，Zn的相對(duì)富集一方面在于化學(xué)穩(wěn)定性較好(如Ti不易形成可溶化合物)，另一方面在于植物體在充分利用這些必需元素后，還會(huì)以凋落物的形式將元素返還地表，其含量多少及波動(dòng)狀況與植物量也有一定關(guān)系，而且游離的Cu，Mn，Zn也容易附著于有機(jī)質(zhì)及黏土礦物，所以其含量的多少在一定程度上也指示了土壤所受的風(fēng)化程度。另外，地處較高海拔的暗棕壤元素含量變幅較棕壤更大、海拔較低且植被覆蓋良好的石河地貌常微量元素變幅較小，冰緣遺跡較多的北坡常微量元素比向陽(yáng)南坡淋失更多、富集更少、元素含量變幅也更小，反映水熱條件差異及植被覆蓋程度對(duì)元素的分布存在一定影響，植物體在元素的遷移過(guò)程中起到一定的吸收、緩沖作用。

圖3 經(jīng)上陸殼標(biāo)準(zhǔn)化的常微量元素氧化物含量變化

3.3 化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度

供試土壤樣品CIA介于57.41～70.44，平均值為65.50，其中，介于55～70的樣品占97.8%，對(duì)比前人結(jié)果[13]，可知本區(qū)成土母質(zhì)來(lái)源于黃土和更新世冰川黏土，而礦物多以斜長(zhǎng)石風(fēng)化，轉(zhuǎn)向伊利石、蒙脫石為主，風(fēng)化水平不高。另外，對(duì)Rb/Sr[14]的計(jì)算結(jié)果顯示，比值介于0.35～1.54，平均值僅為0.70，指示風(fēng)化環(huán)境以干冷氣候占據(jù)主導(dǎo)，暖濕氣候則相對(duì)較少。對(duì)比暗棕壤(66.98)、棕壤(63.07)，石海(66.50)、石流坡(66.58)、石河(64.29)，山頂(66.50)、北坡(66.13)、南坡(68.02)、東坡(64.37)等不同土壤類(lèi)型、不同地貌、不同坡向的樣品CIA值，能夠發(fā)現(xiàn)較低植被覆蓋率(對(duì)應(yīng)石流坡地貌植被覆蓋)[5]和較高海拔有利于化學(xué)風(fēng)化，尤其是向陽(yáng)坡風(fēng)化強(qiáng)度將更大，而且，常微量元素的淋失和富集強(qiáng)度與不同環(huán)境下的CIA值變化具有一致性。風(fēng)化過(guò)程中元素的遷移行為，可以通過(guò)A-CN-K三角模型來(lái)表達(dá)，其原理：陸源頁(yè)巖(PAAS)是典型的上陸殼(UCC)初級(jí)風(fēng)化產(chǎn)物，UCC指向PAAS的方向代表典型的大陸初期風(fēng)化趨勢(shì)[12]。供試樣品數(shù)據(jù)點(diǎn)整體排列方向與UCC→PAAS方向一致，供試樣品CIA集中在60～70(83.3%)，小于PAAS(70.36)[15]，但遠(yuǎn)高于UCC(47.9)[16]，指示研究區(qū)土壤已經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期低等風(fēng)化，但尚未超過(guò)陸源頁(yè)巖的風(fēng)化程度。其中斜長(zhǎng)石礦物大量風(fēng)化，土壤進(jìn)程表現(xiàn)出脫鈣鈉、富鋁的主要趨勢(shì)，鉀長(zhǎng)石礦物比例在此間稍有上升，說(shuō)明土壤風(fēng)化水平處于低等風(fēng)化階段中后期，并將逐漸進(jìn)入脫鉀、富鋁階段。相對(duì)澧陽(yáng)平原沉積物(74.37)和洛川黃土(63.73)[17]，本區(qū)CIA更接近遼南馬蘭黃土(64.14)[12]，說(shuō)明風(fēng)化強(qiáng)度與其大體一致，或稍強(qiáng)于地處半島南端的馬蘭黃土，對(duì)應(yīng)的風(fēng)化環(huán)境主要為寒冷、干燥氣候。

圖4 A-CN-K三角圖解

4 討論與結(jié)論

研究區(qū)冰緣地貌上覆土壤在成土過(guò)程中長(zhǎng)期經(jīng)歷干冷環(huán)境，鮮有暖濕氣候交替變換，土壤厚度很薄、風(fēng)化程度尚處于初等階段末期，但自然肥力較強(qiáng)。對(duì)燒失量的計(jì)算結(jié)果(圖2)顯示，本區(qū)土壤中有機(jī)質(zhì)含量高達(dá)19.54%，此緣于冰緣期的冰凍條件對(duì)有機(jī)質(zhì)的積累和冰緣期后[18]溫暖、濕潤(rùn)氣候?qū)е碌臍鉁鼗厣⒔邓黾?、地表植被迅速覆蓋。同時(shí)，凋落物量也相應(yīng)增大，約為1 153.37 g/m2(圖2)，這既促進(jìn)了元素循環(huán)，又有利于土壤表層腐殖質(zhì)的累積，對(duì)增強(qiáng)土壤肥力，提高成壤水平起到積極作用[19]。

根據(jù)前人研究成果[20]，土壤粒度與元素的分布存在一定的控制關(guān)系。對(duì)本區(qū)土壤粒度和元素的相關(guān)分析結(jié)果表明(表1)，K，Na，Sr，Ba都呈現(xiàn)出與砂粒顯著正相關(guān)，與粉砂顯著負(fù)相關(guān)(Ba負(fù)相關(guān))，表明四種元素多存在于透水較好、粒度稍粗的砂質(zhì)土壤當(dāng)中，而當(dāng)顆粒細(xì)至粉砂、甚至到黏粒時(shí)，元素含量將隨風(fēng)化淋溶強(qiáng)度的增大逐漸減小。其中，元素Sr的分布與粒度關(guān)系密切，其元素活性強(qiáng)于Ba，吸附能力弱于K，在暖濕環(huán)境下的酸性土壤中，容易以Sr2+的游離態(tài)存在于土壤溶液中。而同樣顯著淋失的Ca并未與粒度表現(xiàn)出良好的相關(guān)關(guān)系，是由于淋失后的Ca會(huì)以其他化合物形式存留(如膠體沉淀、生物殼體)[21]，元素Ti則因化學(xué)性質(zhì)較穩(wěn)定，即使經(jīng)歷較強(qiáng)風(fēng)化，仍難形成可溶化合物，表現(xiàn)為隨風(fēng)化程度的加深而逐漸累積。本區(qū)土壤粒度與元素的關(guān)系特征大體契合了低等風(fēng)化階段元素的淋失與富集規(guī)律。

表1 元素含量與粒度的相關(guān)性

注：**表示p=0.01，極顯著相關(guān)； *表示p=0.05，顯著相關(guān)。

通過(guò)不同坡位的元素及粒度特征對(duì)比結(jié)果，能夠發(fā)現(xiàn)影響本區(qū)成土進(jìn)程的主要因素有兩方面：一是水熱條件直接影響土壤形成過(guò)程的方向和強(qiáng)度，如溫暖、濕潤(rùn)的氣候有利于氧化、水解等化學(xué)作用的進(jìn)行。二是植物體對(duì)土壤中元素的利用及歸還，不僅促進(jìn)了物質(zhì)循環(huán)，還通過(guò)制造有機(jī)質(zhì)推動(dòng)了土壤的形成和演化。由此可知，增加植被覆蓋，人為植苗造林(尤其混交林)是改善土壤質(zhì)量，提高地貌穩(wěn)定的實(shí)際工作需要。另外，淋溶土的肥力下降較快，容易發(fā)生水土流失，固土保肥和防止內(nèi)澇同樣是不可忽視的重要工作。綜上可概括本文結(jié)論為：

(1) 遼東山地冰緣地貌上覆土壤粒度組成以粉砂為主，平均粒徑6.45Ф，粒級(jí)較為集中且整體顆粒細(xì)致，在良好植被覆蓋和向陽(yáng)坡條件下，土壤粒度表現(xiàn)更粗。元素地球化學(xué)組成以SiO2，Al2O3，F(xiàn)e2O3，K2O為主，活性較強(qiáng)的常、微量元素Ca，Na，P和Sr顯著淋溶，而較穩(wěn)定元素Mn，Ti和Cu，Zn則相對(duì)富集，水熱條件及植被覆蓋對(duì)元素的遷移均有影響。

(2) 少數(shù)元素與粒度特征存在顯著關(guān)聯(lián)，元素K，Na，Sr，Ba多存在于透水較好、粒度稍粗的砂質(zhì)土壤中，其含量變化隨土壤顆粒變細(xì)逐漸減??；而穩(wěn)定元素Ti則易于留存在顆粒更細(xì)的黏粒中，其富集量在一定程度上能夠反映本區(qū)土壤的風(fēng)化進(jìn)程。

(3) CIA指數(shù)(57.41～70.44)和Rb/Sr(0.35～1.54)平均值各為65.50，0.70，結(jié)合A—CN—K圖解所示，本區(qū)土壤長(zhǎng)期處于寒冷、干燥的氣候環(huán)境，風(fēng)化水平尚處于低等風(fēng)化中后期，土壤進(jìn)程以脫鈣鈉、富鋁為主要趨勢(shì)，并將逐漸進(jìn)入脫鉀、富鋁階段。

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Grain Size and Geochemical Characteristics of Overlying Soil on Periglacial Landforms in Eastern Liaoning

LIU Jiangang1, ZHANG Hua1,2, ZHU Xiaxia1, ZHU Yan1, HE Hong1,LIU Yuguo1, LAN Yubo3, WANG Ying3, MA Mingjun3

(1.SchoolofUrbanandEnvironmentalScience,LiaoningNormalUniversity,Dalian,Liaoning116029,China; 2.CenterforStudiesofMarineEconomyandSustainableDevelopment,LiaoningNormalUniversity,Dalian,Liaoning116029,China; 3.AdministrationofLaotudingziNationalNatureReserve,Huanren,Liaoning117218,China)

The grain-size, major elements and microelements of the overlying soil in the typical periglacial landform in Mt. Laotudingzi have been analyzed. The results showed that most of the soil particles were fine, the mean grain size ranged from 5.41Ф to 6.95Ф with an average of 6.45Ф, and the soil particles were made up of clay (20.79%) and silt (69.54%) and sand (9.67%). The distribution of grain sizes varied in different soils, landforms and aspects. The geochemical composition of soil elements are mainly dominated by SiO2(average value 45.60%), Al2O3(12.90%), Fe2O3(3.90%) and K2O (2.17%), and the total proportion of them may reach up to 73.36%, which indicates that the silicate and aluminosilicate can be found widely in the soil. Under the condition of long-term chemical weathering, the amount of water soluble Ca leaching significantly increased, and it is the same as Na, P, Sr. However, the elements for low chemical reactivity are enriched at the same phase, such as Mn, Ti, Cu and Zn, and the transference of other elements is not obvious. All of the elements have been standardized by UCC. In addition, the correlation between grain-size and a few elements was observed, which could be interpreted that elements such as K, Na, Sr and Ba distributed widely in sandy soil and gradually dropped off in silt soil, while the element Ti was just reverse. The chemical index of alteration (CIA) was widely used as the index ascertaining the degree of chemical weathering, the value here ranged from 57.41 to 70.44 with an average of 65.50. With the addition of value of Rb/Sr, which ranged from 0.35 to 1.54 with an average of 0.70, it was reflected that the soil was slightly weathered and suffered long-term dry and cold climate. The introduction of the diagrammatize of A-CN-K made the research on chemical weathering intensity more direct and intuitive, as was indicated in the graph, the weathering level of samples was at mid-late stage of lower chemical weathering which was characterized by leaching of Na, Ca and enriching of Al.

periglacial landform; Mt. Laotudingzi; element geochemistry; grain size; chemical index of alteration

2015-02-24

2015-05-18

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“遼東山地老禿頂子冰緣地貌植物群落穩(wěn)定性研究”(41271064)

劉劍剛(1986—),男,吉林松原人,博士研究生,主要研究方向:區(qū)域生態(tài)與環(huán)境研究。E-mail:ljgemail@126.com

張華(1965—),女,山東東明人,教授,博士生導(dǎo)師,主要研究方向:植物地理和恢復(fù)生態(tài)研究。E-mail:zhanghua0323@sina.com

P595

1005-3409(2015)05-0331-05