貴州成土母巖類型及其與耕地土壤關(guān)系探討

馬義波，李龍波，張美雪，莫春虎，孟 偉

(1.貴州省耕地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查評價領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室，貴州 貴陽 550004；2.貴州省地質(zhì)調(diào)查院，貴州 貴陽 550081；3.貴州省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，貴州 貴陽 550081)

1 概述

貴州位于上揚(yáng)子陸塊，出露距今Ca.870 Ma以來的地質(zhì)記錄，厚達(dá)數(shù)千米的巖石基底不僅是構(gòu)成貴州上地殼的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是土壤圈、水圈和生物圈等的載體。新近紀(jì)至今的新構(gòu)造運動使地殼不斷隆升，巖石暴露地表，在外動力地質(zhì)作用下，發(fā)生物理、化學(xué)和生物風(fēng)化作用，經(jīng)緩慢的水-巖反應(yīng)形成土壤，成為人類賴以生存發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)之一。

2017—2020年，貴州耕地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查評價摸清了全省耕地地球化學(xué)質(zhì)量“家底”(周琦，2020)。工作中獲取了1000余件成土母巖樣品和約50萬件表層土壤樣品的分析數(shù)據(jù)，為研究貴州成土母巖與土壤關(guān)系提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)支撐。本文將對貴州主要成土母巖進(jìn)行分類的基礎(chǔ)上，依托貴州省耕地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查評價的大量數(shù)據(jù)，探討成土母巖對土壤性質(zhì)及分布的影響和控制作用。

2 成土母巖類型

2.1 成土母巖分類

本文根據(jù)巖石學(xué)分類原理，在貴州巖石分為沉積巖、巖漿巖和變質(zhì)巖的基礎(chǔ)上，結(jié)合貴州耕地土壤實際與特點，綜合考慮特殊巖性對非地帶性土壤的影響，將貴州成土母巖分為碳酸鹽巖、硅質(zhì)陸源碎屑巖等6大類和灰?guī)r、白云巖等14種成土母巖類型，如表1所示。

表1 貴州成土母巖(母質(zhì))分類表Table 1 Soil forming rock (parent material) classification of Guizhou

2.2 主要成土母巖類型特征

2.2.1 灰?guī)r

灰?guī)r分布廣、厚度大，是貴州主要的成土母巖類型之一，除黔東南出露較少外，貴州廣泛分布，是組成古生代和中生代下部地層的重要組分?；?guī)r主要由方解石組成，CaO含量高，形成的土壤結(jié)構(gòu)好，鹽基豐富，易受風(fēng)化溶蝕，風(fēng)化溶蝕后殘留量少，形成土壤時間長，土層淺薄。通常純灰?guī)r等發(fā)育的土壤質(zhì)地粘重，含鈣豐富；不純灰?guī)r在地形平緩常形成地帶性土壤，鹽基含量少，土壤呈酸性。其風(fēng)化殘坡積物發(fā)育為相應(yīng)的石灰土。

2.2.2 白云巖

白云巖也是貴州主要成土母巖類型之一，貴州分布較廣，主要為震旦紀(jì)、寒武紀(jì)和早中三疊世地層組份。白云巖中主要礦石礦物為白云石，不易溶蝕，風(fēng)化后常呈“砂糖狀”，由其形成的土壤土層淺薄，砂性重。

2.2.3 紫紅色砂巖

紫紅色砂巖類包括紫紅色砂巖、紫紅色頁巖、紫紅色泥巖和紫紅色礫巖等，主要為侏羅紀(jì)、白堊紀(jì)地層的組份，集中分布于赤水、習(xí)水地區(qū)。該類巖石為半干旱氣候條件的內(nèi)陸沉積，巖石礦物成分復(fù)雜，含鹽基豐富，易于風(fēng)化成土。不同時期形成的巖石，由于其沉積物質(zhì)來源和沉積環(huán)境不同，其化學(xué)成分差別較大，由其發(fā)育的土壤肥力也有差異。風(fēng)化程度較低，養(yǎng)分淋溶少，除個別巖組發(fā)育的土壤肥力貧瘠外，該類巖石發(fā)育的土壤大多肥力較高。

2.2.4 黑色頁巖

黑色頁巖包括炭質(zhì)粘土巖、炭質(zhì)頁巖等，貴州均有分布。主要為寒武系渣拉溝組、牛蹄塘組，奧陶系-志留系龍馬溪組和五峰組，石炭系打屋壩組的組份。巖石呈黑色，主要礦物有石英、長石和白云母等硅酸鹽礦物、硫化物和有機(jī)質(zhì)等。該類巖石有機(jī)質(zhì)含量高，養(yǎng)分較豐富，富鐵、鋁、硒等元素，是富硒土地硒元素的主要來源之一，因其含硫較高，其發(fā)育的土壤多成酸性。

2.2.5 板巖

板巖的礦物以絹云母、綠泥石等為主，粒度細(xì)小，較致密，其原巖主要為泥頁巖。主要集中分布于黔東南地區(qū)，是構(gòu)成新元古代烏葉組二段、番召組二段和平略組等主要巖性。由板巖風(fēng)化發(fā)育的土層淺薄，半風(fēng)化層深厚，多巖石碎片。

3 成土母巖與耕地土壤關(guān)系探討

成土母巖是土壤形成的原始物，其性狀和分布對土壤的物質(zhì)組成、理化性質(zhì)和分布有重要影響。研究表明，土壤中微量元素的分布取決于成土母質(zhì)類型及其地球化學(xué)性質(zhì)，成土母質(zhì)類型直接影響土壤微量元素在不同地域空間上的分布(付舜珍，1992；何亞琳，1992；吳次芳，1992；涂成龍 等，2011)。

3.1 成土母巖對耕地土壤性狀的影響

耕地土壤性狀受成土母巖、氣候、降水和地形地貌等多種因素的影響。在成土過程中，土壤PH值和微量養(yǎng)分元素等與成土母巖息息相關(guān)。因此，選取二者來討論成土母巖對土壤理化性質(zhì)的影響。

3.1.1 成土母巖對土壤PH值的影響

本次調(diào)查發(fā)現(xiàn)，貴州酸性耕地土壤比例較高，達(dá)64.76%，并廣泛分布，以黔東南州占比最高，達(dá)79.87%。強(qiáng)酸性土壤主要分布在黔南州、黔東南州和黔西南州，其成土母巖主要為淺變質(zhì)巖、砂巖；堿性土壤占比小，為14.33%，主要分布在畢節(jié)、六盤水和安順，強(qiáng)堿性土壤主要分布在六盤水，其成土母巖主要為碳酸鹽巖等(蔡大為 等，2020；貴州省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，2020)。

貴州以碳酸鹽巖為成土母巖的土壤顏色為黃色、黃棕色和灰棕色，因鈣、鎂含量較高，導(dǎo)致土壤呈弱酸性、中性或微堿性，全省均有分布；以砂巖為主要成土母巖的土壤顏色呈棕色或黃棕色，土壤多呈酸性，主要分布在黔南地區(qū)；以紫紅色砂巖為成土母巖的土壤顏色表現(xiàn)為紫紅色或紅棕色，土壤呈酸性或中性。因此，貴州省耕地土壤酸堿度受成土母質(zhì)影響較為明顯。

3.1.2 成土母巖對土壤微量養(yǎng)分元素的影響

成土過程中，由于大量養(yǎng)分元素受施肥等因素的影響，人為因素干擾太大，故本文僅選擇了受外界因素影響較小的Cu、Zn、Mn、Se等微量養(yǎng)分元素進(jìn)行討論。

成土母巖樣品與耕地表層土壤樣品中Cu、Zn等微量養(yǎng)分元素均值如表2、3所示可知，玄武巖及其發(fā)育的土壤中，Cu、Zn、Mn元素的均值很高，并高于其他成土母巖及其發(fā)育的土壤。

表2 不同成土母巖Cu、Zn等養(yǎng)分元素均值統(tǒng)計表Table 2 Average value statistics of Cu, Zn, etc in different soil forming rock

黑色頁巖Se元素均值含量遠(yuǎn)高于其他成土母巖；在其發(fā)育的土壤中，Se元素含量也高于其他成土母巖發(fā)育的土壤。

表3 不同成土母巖發(fā)育的土壤Cu、Zn等養(yǎng)分元素均值統(tǒng)計表Table 3 Average value statistics of Cu, Zn, etc in different soil forming rock developed soil

從圖1可知，①灰?guī)r、白云巖在成土過程中都出現(xiàn)了Cu、Zn、Mn、Se元素的富集；②Zn元素在碳酸鹽巖、碎屑巖和玄武巖的成土過程中均表現(xiàn)為富集；③玄武巖及其發(fā)育的土壤中，Cu、Zn、Mn元素的均值含量分布趨勢基本一致；④Se元素均值含量在土壤中表現(xiàn)相差不大，但在成土母巖中，表現(xiàn)為黑色頁巖最高值。

圖1 不同成土母巖及其發(fā)育土壤中Cu、Zn等微量養(yǎng)分元素均值含量對比圖Fig.1 Comparison of Cu, Zn and other trace nutrient in different soil forming rock and its developed soil

綜上，在碳酸鹽巖發(fā)育的耕地土壤分布區(qū)，土壤中Cu、Zn、Mn、Se等元素相對富集；在玄武巖發(fā)育的土壤分布區(qū)，耕地土壤中富集的元素有Zn、Se，虧損的元素有Cu、Mn。這與基巖中Cu、Zn、Mn高的地球化學(xué)背景有關(guān)；在黑色頁巖和含煤巖系分布區(qū)，耕地土壤往往有機(jī)質(zhì)含量較高，土壤肥力條件較好，土壤Se元素含量高。

3.2 成土母巖對耕地土壤分布的控制

本次調(diào)查發(fā)現(xiàn)，貴州成土母巖種類多，總體以碳酸鹽巖和硅質(zhì)陸源碎屑巖相間產(chǎn)出為主，另有黔北赤水紫紅色砂巖、黔南冊亨-羅甸砂巖、黔西畢節(jié)-六盤水峨眉山玄武巖和黔東南變質(zhì)巖等四個典型分布區(qū)，如圖2所示。

圖2 貴州成土母巖(質(zhì))分布圖Fig.2 Distribution of soil forming rock (parent material) in Guizhou1—灰?guī)r；2—白云巖；3—砂巖；4—泥(頁)巖；5—紫紅色砂頁巖；6—黑色頁巖；7—玄武巖；8—其他基-超基性巖；9—花崗巖；10—板巖；11—變余砂巖；12—變余凝灰?guī)r；13—千枚巖(片巖)；14—泥、砂、礫

貴州耕地土壤表現(xiàn)為地帶性土壤與非地帶性土壤相間分布的特征(貴州土壤，1994)。地質(zhì)條件和巖石特征是控制土壤分布的基礎(chǔ)(楊勝天，2000)。地帶性土壤主要有黃壤、黃棕壤等；非地帶性土壤包括紫色土、石灰土等。地帶性土壤往往由多種成土母巖發(fā)育而成，其分布上除了受成土母巖影響外，還受到氣候、地形等因素的影響。而非地帶性土壤受成土母巖的影響較大，例如，黔北赤水紫紅色砂巖分布區(qū)耕地土壤以紫色土為主；石灰土、粗骨土等非地帶性土壤常發(fā)育在灰?guī)r分布區(qū)。

4 結(jié)論

本文根據(jù)巖石學(xué)分類原理，在沉積巖、巖漿巖和變質(zhì)巖三大巖類的基礎(chǔ)上，結(jié)合貴州耕地土壤實際與特點對成土母巖類型進(jìn)行劃分，并通過貴州省耕地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查評價分析數(shù)據(jù)結(jié)果，對成土母巖與土壤之間的關(guān)系進(jìn)行探討，得出如下結(jié)論：

(1)貴州省耕地土壤成土母巖種類多，本次將貴州成土母巖劃分為碳酸鹽巖、硅質(zhì)陸源碎屑巖、層狀區(qū)域變質(zhì)巖、火山巖、侵入巖和松散堆積物6大類，分為灰?guī)r、白云巖、砂巖、泥(頁)巖、板巖、玄武巖等14種成土母巖類型。

(2)貴州成土母巖控制著耕地土壤類型的分布，主要表現(xiàn)在非地帶性土壤的分布上。例如石灰土分布在灰?guī)r出露地區(qū)，紫色土分布在紫紅色砂巖分布區(qū)。其分布特征表現(xiàn)為以碳酸鹽巖和硅質(zhì)陸源碎屑巖相間產(chǎn)出為主，另有，黔北赤水紫紅色砂巖、黔南冊亨-羅甸砂巖、黔西畢節(jié)-六盤水峨眉山玄武巖、黔東南變質(zhì)巖等四個典型分布區(qū)。

(3)成土母巖影響著Cu、Zn等微量養(yǎng)分元素在耕地土壤中的含量分布。例如玄武巖及其發(fā)育的土壤中，Cu、Zn、Mn元素的均值含量很高，且高于其他成土母巖及其發(fā)育的土壤；黑色頁巖Se元素均值含量遠(yuǎn)高于其他成土母巖，在其發(fā)育的土壤中，Se元素含量也高于其他成土母巖發(fā)育的土壤，這與基巖中Cu、Zn、Mn、Se等元素的高地球化學(xué)背景有關(guān)。

致謝：本文在編寫過程中得到了王硯耕研究員的悉心指導(dǎo)，在此表示衷心感謝。