浙江東部玄武巖發(fā)育土壤剖面風化特征

胡仲承，周金潔，陳吳文濤，李建武，程志超，王 孝

（浙江農(nóng)林大學 環(huán)境與資源學院，浙江 杭州 311300）

土壤是巖石圈、大氣圈、水圈和生物圈共同作用的產(chǎn)物，土壤也是全球生物地球化學循環(huán)重要參與者。土壤發(fā)生與地球化學特征研究是土壤地理學研究中的重要組成部分。在自然成土因素的影響下，土壤中的各種元素存在不同程度的遷移和再分配，不同土壤發(fā)生層中元素的含量與組成特征，較好地記錄了土壤形成時物質遷移和累積的信息，并通過這些信息指示土壤的發(fā)育程度。隨著成土時間的推移，風化成壤作用會不斷加深，土壤中常量元素的地球化學特征不斷發(fā)生變化。土壤的地球化學特征與其發(fā)育過程是密不可分的，土壤發(fā)育會使其地球化學特性發(fā)生變化，而土壤的地球化學特征則可以反映土壤的發(fā)育過程和程度[1]。土壤發(fā)育的本質就是土壤中不同元素進行一系列的重新組合與遷移的過程。由于常量元素地球化學特性的差異，在土壤剖面中會導致鈉（Na）、鉀（K）、鈣（Ca）、鎂（Mg）的淋失速度較快，硅（Si）的淋失速度較慢，而鋁（Al）、鐵（Fe）相對富集的現(xiàn)象[2-3]。許多學者運用元素地球化學手段對土壤發(fā)育過程進行了研究。EFFOUDOU-PRISO等[4]對喀麥隆杜阿拉沉積環(huán)境的風化過程中常量元素的研究發(fā)現(xiàn)：鐵鋁土中二氧化硅（SiO2）的含量最高，氧化鋁（Al2O3）、三氧化二鐵（Fe2O3）和二氧化鈦（TiO2）次之，氧化鉀（K2O）、氧化鈉（Na2O）、氧化鎂（MgO）和氧化鈣（CaO）的含量極低。陳武等[5]對貴州3個典型喀斯特地區(qū)土壤的研究發(fā)現(xiàn)：石灰土中礦物元素的淋溶較為強烈。RATE等[6]對伊拉克庫爾德斯坦地區(qū)鈣質森林土壤的元素地球化學特征研究表明：該地區(qū)土壤強烈的風化作用促進微量元素的淋失，Na、K、Ca和鍶（Sr）元素的土層深度分布差異能夠有效指示不同濃度溶質向下淋溶和向上蒸發(fā)對土壤水分平衡具有的重要作用。黃成敏等[7]對海南島北部玄武巖發(fā)育土壤的特性研究發(fā)現(xiàn)：隨著風化成土時間的增加，土體中Ca、Mg、K、Na元素大量淋失，SiO2含量也不斷降低，同時Al2O3、Fe2O3、TiO2的含量不斷增加。李建武等[8]關于海南島東北部玄武巖發(fā)育的紅色風化殼的研究表明：土壤中水溶性元素大量淋失，F(xiàn)e和Al等元素的遷移反映基巖發(fā)育土壤自上而下的風化漸進特征。楊艷芳等[9]對雷州半島玄武巖發(fā)育土壤的研究發(fā)現(xiàn)：硅鐵鋁率（Saf）和硅鋁率（Sa）在土壤風化早期具有一定的指示作用，土壤中的硅鋁率和硅鐵鋁率的變化也在一定程度上反映土壤中存在生物復硅現(xiàn)象。因此，土壤發(fā)生與地球化學特征研究不僅能為土壤形成的地質背景與氣候環(huán)境提供重要信息，也為探究土壤的發(fā)生與演化規(guī)律、完善土壤系統(tǒng)分類奠定基礎。中國不同地區(qū)的土壤的元素化學組成特征，主要受氣候、生物、地形、母質等因素的制約。因此，本研究通過玄武巖發(fā)育土壤的元素地球化學特征分析，對比研究不同剖面土壤的常量元素質量分數(shù)以及不同土壤發(fā)生層中常量元素的遷移特征，闡明亞熱帶地區(qū)玄武巖發(fā)育土壤的發(fā)育程度和演變規(guī)律，為浙江省玄武巖發(fā)育土壤的多元特征以及中國亞熱帶地區(qū)土壤的發(fā)生和演化過程提供參考。

1 材料與方法

本研究選擇浙江東部新嵊盆地玄武巖分布區(qū)作為研究區(qū)域。該區(qū)域是浙江新生代玄武巖中溢流相玄武巖最主要的分布區(qū)，以堿性橄欖玄武巖為主[10]。巖石主要呈黑色，為致密塊狀，在巖石頂部和底部具有杏仁構造和氣孔構造，有拉斑結構，斑晶成分以橄欖石為主，有少量輝石，基質有間隱結構，成分主要為基性斜長石[11-12]。研究區(qū)位于中國東部沿海浙閩丘陵的一帶，地貌類型多樣，以低山丘陵為主。區(qū)域內土壤主要為紅壤、黃壤等。研究區(qū)屬亞熱帶季風氣候，四季分明，年均氣溫為16.6℃。水熱條件豐沛，年均降水量為1 500.0 mm，雨熱同期，降水量夏季多冬季少，分配較不均勻，夏季受季風影響較大。

根據(jù)新嵊盆地玄武巖的分布情況，結合土壤地理學的工作方法開展野外實習調查，系統(tǒng)地采集巖石和土壤樣品，獲得較為全面的研究材料。選取研究區(qū)域內4個玄武巖發(fā)育土壤剖面，即：

AJ剖面： 位于嵊州市新昌縣庵基山（29°37′32″N， 120°47′52″E，海拔 197 m）。剖面上部 0～15 cm 為A層，土壤質地為壤黏土，土體黑色，潤，粒狀，團粒結構，松散，存在大量根系；15～25 cm為B層，土壤質地為黏土，土體棕黑色，潤，弱塊狀，稍緊，存在中量根系；50～100 cm為C層，土壤質地為黏壤土，土體棕褐色，潤，塊狀，緊實，存在中量原巖碎塊，存在半風化球體。

CR 剖面： 位于嵊州市崇仁鎮(zhèn)下五山（29°42′30″N， 120°43′44″E， 海拔 220 m）。 剖面上部 0～20 cm為A層，土壤質地為壤黏土，土體黑色，潤，粒狀，團粒結構，松散，存在大量根系；20～65 cm為B層，土壤質地為黏土，土體棕黃偏黑色，干，粉狀，疏松，存在半風化球體；65～163 cm為C層，土壤質地為黏壤土，土體棕黃色，干，松散，存在大量原巖碎塊。

SC 剖面： 位于嵊州市新昌縣雙彩鄉(xiāng)（29°35′19″N， 120°49′00″E， 海拔 203 m）。 剖面上部 0～10 cm 為A層，土壤質地為壤黏土，土體棕褐色，潤，粒狀，團粒結構，松散，存在大量根系；10～19 cm為B層，土壤質地為黏土，土體棕黃色，潤，小塊狀，稍緊，存在中量根系，存在大量黑色鐵錳；19～50 cm為C層，土壤質地為黏壤土，土體灰黃色，潤，稍緊，存在少量原巖碎塊及半風化球體。

SJ剖面： 位于嵊州市三界鎮(zhèn)砂廠附近（29°42′11″N， 120°53′54″E，海拔 188 m）。 剖面上部 0～10 cm為A層，土壤質地為壤黏土，土體黑色，潤，粒狀，團粒結構，松散，存在大量根系；10～30 cm為B層，土壤質地為黏土，土體棕黑色，潤，弱塊狀，稍緊；30～140 cm為C層，土壤質地為黏壤土，土體棕色，潤，緊實。

按照土壤發(fā)生層采樣，每層采取土樣6～8個。實驗室分析方法主要包括：①樣品處理。將土壤樣品放置陰涼處，自然風干后用木棒壓碎，然后在瑪瑙研缽中磨細，并分別過10、60、100、200目篩，儲存?zhèn)溆?。②基礎理化性質分析。采用水土比2.5∶1.0電位法，用酸度計測定土壤pH值。用重鉻酸鉀-硫酸硝化法測定土壤有機質（SOM）[13]。③土壤元素分析。常量元素：分析采用過100目篩的土壤樣品，用偏硼酸鋰熔融-等離子發(fā)射光譜儀（ICP-AES）法測定所采集的巖石和土壤樣品中的常量元素，并作全程空白實驗，然后插入國家標準土壤樣品（GSS-3和GSS-8）一同消化測定，同時進行質量控制[13]。痕量元素：主要指文中作為穩(wěn)定元素釷（Th）等。分析采用過200目篩的土壤樣品，用Finnigan ElementⅡ型高分辨率電感耦合等離子質譜儀（HR-ICP-MS）進行土壤樣品中痕量元素的測定[14]。

主要采用Excel、Origin、MapInfo等進行數(shù)據(jù)的相關分析和圖表的繪制。指標計算方法如下：①分子比率（硅鐵鋁率RSaf和硅鋁率RSa），用來說明土壤礦物的風化程度，在同一剖面的差異也可以說明剖面中的黏粒及鐵、鋁等物質的遷移或富集情況[15]。

式（1）和式（2）中： WSiO2、WAl2O3、 WFe2O3分別為 SiO2、 Al2O3和 Fe2O3在土壤和巖石中的質量分數(shù)。②化學風化指數(shù)（chemical index of weathering,ICIW）和化學蝕變指數(shù)（chemical index of alteration,ICIA），可以反映巖石風化、土壤成土過程中K、Na、Ca的相對損失量[16-17]。

式（3）和式（4）中：WAl2O3、WCaO、 WNa2O、WK2O分別為 Al2O3、 CaO、Na2O 和 K2O 在土壤和巖石中的質量分數(shù)。③元素變化率ΔX計算方法：本研究采用Th作為穩(wěn)定元素來計算元素變化率，公式為：

式（5）中：Xs、Xr分別為X元素在土壤和巖石中的質量分數(shù)；Is、Ir分別是穩(wěn)定元素在土壤和巖石中的質量分數(shù)。ΔX＞0表示該元素在成土過程中發(fā)生富集，ΔX＜0則表示該元素在成土過程中有虧損或遷移。

2 結果與討論

2.1 常量元素組成特征

表1表明：浙江省東部新嵊盆地玄武巖發(fā)育土壤剖面的常量元素組成以SiO2、Al2O3和Fe2O3為主，三者總量超過70%。其中SiO2質量分數(shù)最高，最大值可達48.63%，Al2O3和Fe2O3質量分數(shù)分別可達13%和11%以上。TiO2質量分數(shù)較高，為1.88%和2.92%。CaO、K2O、MgO、Na2O、MnO2和P2O5質量分數(shù)較低，其中K2O、Na2O、MnO2和P2O5質量分數(shù)均不足2.5%，MgO和CaO質量分數(shù)波動較大，分別為0.41%～5.62%和0.29%～6.97%。從剖面內部自上而下來看，土壤樣品的Al2O3、Fe2O3和TiO2質量分數(shù)均表現(xiàn)為母質層（C）低于表土層（A）和淀積層（B）。SiO2、CaO、K2O、MgO和Na2O的規(guī)律與Al2O3、Fe2O3相反，它們的質量分數(shù)沿土壤剖面自上而下逐漸增加。SiO2、CaO和MgO在0～50 cm變化較大，表明表層土壤淋失較為強烈，50 cm以下則淋失程度逐漸減弱。由于極易發(fā)生淋溶，Na2O、K2O的質量分數(shù)在整個土體中淋失嚴重，故隨土壤深度變化較小。值得說明的是，AJ剖面中常量元素的質量分數(shù)在70 cm深度處出現(xiàn)異常偏高值，這可能是由該處存在的半風化球體干擾造成。

新嵊盆地玄武巖發(fā)育土壤中B層的Al2O3和Fe2O3的質量分數(shù)略高于A層，這種現(xiàn)象可能是由于亞熱帶氣候條件下較強淋溶作用下，Al和Fe易發(fā)生從土壤表層向下遷移并在B層淀積。與母巖對比，研究區(qū)域土壤剖面的不同常量元素的質量分數(shù)表現(xiàn)出不同的規(guī)律。Al2O3、Fe2O3和TiO2的質量分數(shù)較母巖具有富集特征，而CaO、K2O、MgO、Na2O等易溶性元素則淋失嚴重，質量分數(shù)遠低于母巖。由于研究區(qū)域玄武巖母巖屬堿性橄欖玄武巖，具有高鎂、低鋁、高鈦、高堿的特點[12]，同時研究區(qū)地處亞熱帶，水熱豐沛，化學風化較為強烈，生物循環(huán)較為活躍，元素遷移能力較強，礦物質風化形成的弱堿性條件使可溶性鹽，堿基離子和硅酸大量淋溶流失，而含水鐵、鋁氧化物相對聚集，形成富含鐵、鋁的土體。隨著鹽基的不斷淋溶，風化層上部變?yōu)樗嵝?。當酸性達到一定程度時，含水的Fe、Al氧化物開始溶解，并具有流動性，但一般向下移動不深，旱季可隨毛管水上升至表層，經(jīng)脫水以凝膠形式聚積或形成Fe、Al結核體，又因土體上部植物殘體礦化提供鹽基較豐富，酸性較弱，故含水Fe、Al氧化物活性也較弱，多淀積，更利于Fe、Al殘余積聚層的形成，從而造成Al和Fe在土壤中富集。綜上所述，新嵊盆地土壤常量元素的組成特征表明該地區(qū)玄武巖母質發(fā)育的土壤經(jīng)歷了較為強烈的化學風化過程和脫硅富鐵鋁作用。

表1 新嵊盆地玄武巖發(fā)育土壤的常量元素質量分數(shù)Table 1 Major element contents in the soils derived from basaltic in Xinchang-Shengzhou Basin

2.2 風化強度指標

分子比率（硅鐵鋁率RSaf和硅鋁率RSa）、化學蝕變指數(shù)（ICIA）、化學風化指數(shù)（ICIW）等指數(shù)，已被廣泛應用于土壤化學風化程度的評價。化學蝕變指數(shù)（ICIA）是判斷源區(qū)物質化學風化程度的地球化學指標[12]，ICIA越高指示該土壤經(jīng)歷的化學風化程度越強烈[18]。HARNOIS[16]提出ICIW與ICIA相似，但ICIW反映Na、Ca的相對損失量。新嵊盆地玄武巖發(fā)育土壤的平均ICIA介于42.81%～87.37%，ICIW平均值在45.04%～91.43%（表2），表明研究區(qū)土壤經(jīng)歷了較為強烈的化學風化過程，這與該區(qū)域位于亞熱帶氣候區(qū)有關[18]。ICIA和ICIW在同一剖面內的變化趨勢一致，土壤剖面自母巖到半風化層至土壤層ICIW與ICIA均呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，指示原位母巖發(fā)育土壤自下而上風化程度逐漸增強的成壤過程。半風化層中的ICIA和ICIW有個別偏高的現(xiàn)象，可能與這些層次中存在球狀風化物有關。

硅鋁率（RSa）和硅鐵鋁率（RSaf），能夠指示土壤的脫硅富鐵鋁的過程，反映土壤風化過程的強弱。RSa和RSaf越大，表明脫硅富鐵鋁程度越低，風化成壤作用也越弱[14]。研究區(qū)土壤自母巖到半風化層至土壤層，RSa和RSaf呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，指示剖面自下而上脫硅富鐵鋁程度逐漸增強。AJ和SC剖面表層土壤RSa和RSaf呈略有增加的趨勢，即A層的RSa和RSaf略高于B層，同時CR和SJ剖面A層上部土壤RSa和RSaf也略高于A層下部，這類現(xiàn)象可能與土壤表層的生物富硅現(xiàn)象有關。

表2 玄武巖發(fā)育土壤的化學風化指標Table 2 Chemical weathering indexes of the soils derived from basilt

2.3 元素質量分數(shù)相關性分析

本研究采用Person相關分析對研究區(qū)土壤樣品中的常量元素質量分數(shù)進行了相關性分析（表3）。結果顯示：SiO2、CaO、K2O、MgO、Na2O、P2O5元素質量分數(shù)普遍與Al2O3、Fe2O3、TiO2、MnO元素質量分數(shù)呈負相關關系。這是因為研究區(qū)地處亞熱帶，氣候高溫多雨，水熱條件充沛，造成SiO2、CaO、K2O、MgO、Na2O、P2O5等易遷移元素大量淋濕，Al2O3、Fe2O3、TiO2、MnO等穩(wěn)定元素相對富集。

表3 玄武巖發(fā)育土壤中不同元素質量分數(shù)的相關性Table 3 Correlation between element contents of soils derived from basilt

2.4 常量元素遷移率

土壤中的礦質元素會隨著風化和成土作用發(fā)生遷移和再分配，從而出現(xiàn)虧損和富集的現(xiàn)象。通過元素的遷移率，探究元素在土壤剖面中的遷移規(guī)律是土壤發(fā)生與演化研究的重要方法之一。研究礦質元素在成土作用中的遷移是以穩(wěn)定元素作為計算基礎的，李建武等[8]研究表明：Th在亞熱帶和熱帶環(huán)境中相對更加穩(wěn)定，可作為遷移率計算的穩(wěn)定元素?？傮w來看，大多數(shù)土壤樣品相對于Th的遷移率均為負值，即ΔX＜0（圖1），表明大部分元素在風化成土過程中相較于母巖出現(xiàn)虧損。易溶元素（如Ca、Na、Mg、K）在剖面中的遷移率表現(xiàn)為明顯的負值 （最小值可達-99%），表明它們在土壤發(fā)育過程中發(fā)生了較為強烈的淋失。研究區(qū)土壤中Al、Fe、Ti、Mn等元素富集程度不高，在淋溶層存在一定程度的淋失，這可能與研究剖面地處中國亞熱帶氣候區(qū)，水熱條件充沛有關。

Al、Fe、Ti、Mn等元素在A層（淋溶）出現(xiàn)了一定程度的淋失，但在部分剖面B層（淀積層）及以下部位都有不同程度的富集，這是因為Al、Fe、Ti、Mn等元素在土壤中的存在形式多為穩(wěn)定不易淋失的化合物。而部分剖面中Si和P出現(xiàn)異常值（富集），這可能與玄武巖球狀風化體的存在有關。另外，研究剖面常量元素的遷移率隨土壤深度呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，指示出研究區(qū)玄武巖發(fā)育土壤自下而上的風化漸進特征。

3 結論

圖1 常量元素遷移率隨土壤剖面的變化圖Figure 1 Variation of constant element with soil profile

本研究得出以下結論：①土壤中常量元素以SiO2、Al2O3、Fe2O3和TiO2為主，Al2O3、Fe2O3和TiO2相對富集；CaO、K2O、MgO、Na2O等易溶元素質量分數(shù)極低，表明在亞熱帶高溫多雨的氣候條件下，常量元素發(fā)生了較大程度的遷移。②ICIA和ICIW均揭示了土壤經(jīng)歷了較為強烈的化學風化過程。ICIA、ICIW均沿土壤剖面自下而上逐漸增大，RSa和RSaf沿土壤剖面自下而上先減小后略有增大，反映了原位基巖上發(fā)育的土壤自母巖到半風化層到土壤層，風化逐漸加強成壤過程逐漸增強的趨勢。而部分剖面土壤表層的RSa和RSaf出現(xiàn)的略有增大趨勢，可能與土壤表層SiO2的生物歸還作用有關。③土壤中大部分元素的遷移率（ΔX）均為負值，表明土壤發(fā)育過程中發(fā)生了較為強烈的淋失，在亞熱帶高溫多雨氣候條件下，研究區(qū)內的土壤經(jīng)歷了較為強烈的化學風化過程。