基于粒度方法的大氣降塵對(duì)浙江省新嵊盆地土壤的物源輸入研究①

任玉成，阮 麗, 3，李 欣，徐 妍，張方方，李建武, 2*

基于粒度方法的大氣降塵對(duì)浙江省新嵊盆地土壤的物源輸入研究①

任玉成1，阮 麗1, 3，李 欣1，徐 妍1，張方方1，李建武1, 2*

(1浙江農(nóng)林大學(xué)浙江省土壤污染生物修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江臨安 311300；2中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所，南京 210008；3中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所，杭州 310008)

為揭示大氣降塵對(duì)亞熱帶季風(fēng)區(qū)土壤資源的影響，本文以亞熱帶地區(qū)典型玄武巖發(fā)育土壤為研究對(duì)象，采用土壤地理學(xué)和土壤粒度分析方法，分析表層土壤樣品的粒度組成、粒度頻率曲線和高含量的“風(fēng)塵基本粒級(jí)”(10 ～ 50 μm) 的粒度分布特征，結(jié)果表明大氣降塵對(duì)土壤表層的影響深遠(yuǎn)。土壤Sr-Nd同位素比值輔助證據(jù)也進(jìn)一步說(shuō)明表層也不斷受到來(lái)自大氣降塵的影響。研究剖面土壤表層樣品的粒度組成、頻率曲線、粒度參數(shù)和Sr-Nd同位素比值均指示顯著的風(fēng)塵特性，而底土層土壤樣品則大多數(shù)繼承了母巖的特性。揭示了大氣降塵對(duì)該區(qū)域土壤資源的重要補(bǔ)給作用和對(duì)土壤發(fā)生演變的重要影響。

大氣降塵；粒度；同位素；玄武巖

成土過(guò)程是控制地球關(guān)鍵帶的生物地球化學(xué)循環(huán)的重要過(guò)程，并能有效調(diào)節(jié)巖石圈、水圈、生物圈和大氣圈等地球圈層間的相互作用[1]。經(jīng)典土壤發(fā)生學(xué)通常假定“自下而上”的風(fēng)化漸進(jìn)模型來(lái)開(kāi)展研究，即原位風(fēng)化的土壤剖面是基于母質(zhì)或母巖自下而上漸進(jìn)風(fēng)化成壤發(fā)育而成的。這一土壤形成演化模型突出了母質(zhì)在成土過(guò)程中的重要作用。然而，最新研究表明，在受到長(zhǎng)期持續(xù)大氣降塵影響的土壤及景觀，除母質(zhì)之外的大氣降塵也對(duì)全球土壤的物質(zhì)來(lái)源有著重要的影響[2-3]，并已得到眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注[4-6]。大氣降塵在全球土壤的物質(zhì)補(bǔ)給和生物地球化學(xué)循環(huán)中起著重要的作用[7-11]。因此，如何有效鑒別大氣降塵對(duì)土壤的物質(zhì)添加及理化屬性的影響，對(duì)理解土壤的發(fā)生演化與大氣物源貢獻(xiàn)，都具有重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

粒度是土壤的基本物理特性之一，并且已經(jīng)被認(rèn)為是識(shí)別土壤和沉積物起源的一個(gè)有效指標(biāo)[12]。粒度分布已經(jīng)被廣泛地運(yùn)用于認(rèn)識(shí)沙丘的形態(tài)與動(dòng)力形成過(guò)程、揭露礦物質(zhì)組分、區(qū)分沉積環(huán)境、提供環(huán)境信息和揭露運(yùn)輸動(dòng)力[12-14]。在中國(guó)北方黃土高原的雙峰粒度分布說(shuō)明了風(fēng)塵沉積粗和細(xì)的兩個(gè)組分，并且它也通過(guò)擬合粒度分布函數(shù)進(jìn)行數(shù)值上劃分。對(duì)于風(fēng)塵的粒度分析反映了在中國(guó)北方一年中的風(fēng)塵季節(jié)低空環(huán)流的增強(qiáng)[15-16]。此外，粒度參數(shù)，例如粒度中位數(shù)/平均數(shù)和粒度比率，也被廣泛運(yùn)用于冬季風(fēng)歷史的重建。

浙江省地處我國(guó)東南部地區(qū)，既有海洋源鹽分的影響，又可能具有北方沙塵的影響，大氣干沉降和濕沉降對(duì)該地區(qū)的土壤–植物生態(tài)系統(tǒng)和近地表環(huán)境有著重要的影響。新嵊盆地是我國(guó)東南沿海玄武巖發(fā)育地區(qū)之一，廣泛分布多期噴發(fā)的以玄武巖為主的火山巖。該地區(qū)相近的成土環(huán)境，第三紀(jì)末到更新世晚期多期噴發(fā)的玄武巖發(fā)育土壤，在中新世時(shí)期，浙江省東部在拉張作用下，沿著深大斷裂，玄武質(zhì)巖漿上涌，并隨著小規(guī)模地噴發(fā)形成了溢流相玄武巖，隨后進(jìn)入火山活動(dòng)間歇期，至更新世晚期，熔漿沿上述斷裂的不同火口源相繼涌出地表，期間共經(jīng)歷5次溢流式噴發(fā)，形成了簡(jiǎn)單巖流單元玄武巖，表層玄武巖經(jīng)強(qiáng)烈風(fēng)化后，多數(shù)發(fā)育為暗紅色風(fēng)化殼和紅黏土[17-18]，構(gòu)成了良好的土壤時(shí)間序列，為我們研究土壤時(shí)間序列的演化特征與大氣物源貢獻(xiàn)提供了良好的載體。因此，本文選取浙江省新嵊盆地典型玄武巖發(fā)育的土壤為研究對(duì)象，通過(guò)土壤粒度組成、粒度分布曲線和粒度參數(shù)及鍶釹(Sr、Nd)同位素輔助證據(jù)分析，揭示該地區(qū)土壤的發(fā)生學(xué)特征和大氣物源對(duì)土壤的影響，為系統(tǒng)理解我國(guó)亞熱帶地區(qū)土壤的發(fā)生和演變及土壤資源保護(hù)提供更全面的認(rèn)識(shí)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于我國(guó)東部的浙江省新嵊盆地(圖1)，該區(qū)域?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)區(qū)的北界，年平均降水量約1 500 mm，近七成集中在雨季(4—9月)。年平均溫度和相對(duì)濕度分別是16.6 ℃和53.2%，最低溫出現(xiàn)在1月，約為–5.3 ℃，最高溫則在8月，約為40.3 ℃。研究區(qū)主要河流是漕河，下伏母巖是玄武巖，植被類型主要包括楠木、青岡、苦櫧和山茶等常綠闊葉林。本研究選取浙江省新嵊盆地的回山鎮(zhèn)(HS)、雙彩鄉(xiāng)(SC)和三界鎮(zhèn)(SJ) 3個(gè)玄武巖原位風(fēng)化土壤剖面作為研究對(duì)象(圖1)。其中采樣點(diǎn)均位于紅色丘陵崗地的平臺(tái)區(qū)中央位置，以減少土壤侵蝕、堆積作用及地下水對(duì)土壤物源研究的干擾。根據(jù)中國(guó)土壤系統(tǒng)分類(CST)[19]，研究剖面土壤類型為普通鐵質(zhì)濕潤(rùn)雛形土(表1)。土壤向下挖至少1 m深，或者到基巖的深度，并按照發(fā)生層從C層向A層依次取樣。土壤剖面半風(fēng)化層出現(xiàn)大量玄武巖球狀風(fēng)化體，并在B層出現(xiàn)中量的鐵錳結(jié)核和棱柱狀裂隙。土壤剖面自下而上，顏色均由7.5YR4/6逐漸向7.5YR3/4過(guò)渡，土壤結(jié)構(gòu)由塊狀逐漸變化為團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，根系則由少量逐漸變?yōu)楸硗翆拥拇罅扛怠?/p>

圖1 新嵊盆地土壤采樣位置圖

表1 新嵊盆地土壤剖面描述與基礎(chǔ)理化性質(zhì)

1.2 實(shí)驗(yàn)分析

土壤樣品自然風(fēng)干后，挑出枯枝落葉、根系、高于2 mm非土壤物質(zhì)，四等分法取土，先后過(guò)10目、60目、100目、200目的尼龍篩，裝好備用。土壤常規(guī)理化性質(zhì)如土壤有機(jī)質(zhì)、LOI(燒失量)、CEC、pH等都按常規(guī)分析方法測(cè)定[20]，其中土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀–硫酸硝化法測(cè)定，土壤燒失量采用馬弗爐稱重法測(cè)定，pH(土水比1︰2.5，︰)采用電位法測(cè)定。過(guò)10目的土壤樣品 ( < 2 mm)進(jìn)行粒度組成測(cè)定，具體方法如下：①首先用30% 的H2O2溶液去除有機(jī)物質(zhì)；②隨后用過(guò)量的1:100 (︰)草酸來(lái)提取雜質(zhì)，③用六偏磷酸鈉溶液分散過(guò)夜，之后超聲震蕩處理20 min，土壤樣品的粒度用激光粒度分析儀(LS13320)來(lái)測(cè)量[12, 21]，測(cè)量范圍在0.02 ～ 2 000 μm。土壤樣品風(fēng)干并碾磨過(guò)200目后用于Sr-Nd同位素分析。通過(guò)樣品的分解、分離過(guò)程后，采用高分辨率熱電質(zhì)譜儀(TIMS)進(jìn)行樣品Sr–Nd同位素測(cè)定，具體方法詳見(jiàn)文獻(xiàn)[21]。

1.3 數(shù)據(jù)計(jì)算與分析

根據(jù)Folk和Ward公式[22]計(jì)算粒度參數(shù)，具體計(jì)算公式如下：Mφ=(Φ16+Φ50+Φ84)/3；σ=(Φ84– Φ16)/4+(Φ95–Φ5)/6.6；SKφ=(Φ84+Φ16-2Φ50)/2(Φ84– Φ16)+(Φ95+Φ5–2Φ50)/2(Φ95-Φ5)；Kg=(Φ95-Φ5)/2.24 (Φ75–Φ25)。其中Φ5、Φ16、Φ25、Φ50、Φ75、Φ84、Φ95分別代表累計(jì)曲線上百分含量為5%、16%、25%、50%、75%、84%、95% 7處的粒徑(Φ值)。εNd= ((143Nd/144NdMeasured)/(143Nd/144NdCHUR) –1) × 104，是現(xiàn)今標(biāo)準(zhǔn)化的同位素組成部分，其中CHUR值為0.512 638。

主要采用SPSS、Excel、Origin等分析軟件進(jìn)行相關(guān)分析、統(tǒng)計(jì)分析和數(shù)據(jù)處理、作圖等。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤基礎(chǔ)理化性狀

新嵊盆地玄武巖發(fā)育土壤的基礎(chǔ)理化性狀見(jiàn)表1。土壤樣品的pH范圍在5.4 ～ 6.7，大部分土壤樣品呈弱酸性。其中最大值出現(xiàn)在SJ剖面底土層樣品，最小值為HS剖面表層樣品。HS、SC和SJ 3個(gè)剖面土壤的燒失量(LOI)分別為5 ～ 22、6 ～ 25 和7 ～ 28，燒失量(LOI)隨著深度的增加而逐漸降低。土壤樣品的CEC值范圍為6.6 ～ 9.0，土壤有機(jī)質(zhì)含量的剖面分布特征符合一般的規(guī)律，其含量隨著深度的增加而逐漸降低，有機(jī)質(zhì)在表層呈富集趨勢(shì)。因此，各個(gè)研究剖面土壤樣品的基礎(chǔ)理化性狀均呈漸變過(guò)渡趨勢(shì)，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的異常。

另外，研究剖面整個(gè)土體的形態(tài)特征都比較均一，剖面內(nèi)部土體上下層顏色沒(méi)有出現(xiàn)明顯的差異，呈漸變過(guò)渡趨勢(shì)；剖面自上而下，土體結(jié)構(gòu)由表層的團(tuán)粒狀向底土層的塊狀逐漸演變；土壤剖面中根系含量自上而下逐漸減少，由表層的大量中細(xì)根向底土層的少量細(xì)根轉(zhuǎn)變；土壤緊實(shí)度由表層向底土層呈現(xiàn)逐漸加強(qiáng)的趨勢(shì)，逐漸由松散向稍緊、緊實(shí)甚至堅(jiān)實(shí)轉(zhuǎn)變；所有剖面中也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)異源堆積特征。這些特征都指示各研究剖面內(nèi)部均一、漸變、連續(xù)的發(fā)生學(xué)特性，為后續(xù)更好地理解和開(kāi)展土壤發(fā)生研究提供了良好的前提條件。

2.2 新嵊盆地土壤的粒度分布

粒度粗細(xì)的時(shí)空變化有助于揭示土壤的物質(zhì)來(lái)源、源區(qū)距離的變化、成土環(huán)境的變化和成土風(fēng)化程度的時(shí)空差異[23-24]。因此，粒度組分分析在古氣候、古環(huán)境和土壤地理學(xué)研究方面有重要意義。新嵊盆地玄武巖發(fā)育土壤樣品的粒度組成結(jié)果表明，HS、SC和SJ 3個(gè)土壤剖面樣品的粒度組成具有較好的相似特征，即表層(0 ～ 30 cm)土壤樣品的10 ～ 50 μm含量顯著升高，高含量的“風(fēng)塵基本粒級(jí)”(10 ～ 50 μm)的粒度分布特征，指示大氣降塵對(duì)土壤表層的影響深遠(yuǎn)。HS、SC和SJ 3個(gè)土壤剖面樣品的粒度組成也具有較好的相似性(圖2)。具體表現(xiàn)在：①土壤剖面樣品的黏粒含量都較低而砂粒含量較高；<2 μm粒級(jí)均值都低于15 %；②< 2 μm、< 4 μm和4 ～ 10 μm的粒度分布，隨著深度加大，呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，而<63 μm粒級(jí)隨著深度加大，呈現(xiàn)上升趨勢(shì)；③10 ～ 50 μm粒級(jí)含量自下而上均呈現(xiàn)先減少后增加趨勢(shì)。尤其是在表層(如A層)，10 ～ 50 μm含量出現(xiàn)明顯的急劇升高現(xiàn)象，這可能與表層的外源物質(zhì)輸入有關(guān)[25]。

粒度頻率曲線對(duì)于指示土壤物源具有重要作用[13-14, 25]，研究剖面土壤粒度頻率曲線也說(shuō)明了大氣降塵對(duì)土壤物質(zhì)有顯著影響(圖3)。土壤粒度頻率曲線顯示HS、SC和SJ 3個(gè)剖面底土層(40 cm以下)表現(xiàn)為單峰分布模型，具有較高的粗顆粒組分(圖3D ～ 3F)。頻率曲線最大眾數(shù)粒徑在5.61 ～ 133.75 μm之間，并且峰值都低于4%。另一方面，HS、SC和SJ土壤剖面表層樣品(A層)的粒度頻率曲線與底土層樣品具有顯著不同，具體表現(xiàn)為：①表層樣品的粒度頻率曲線呈現(xiàn)顯著的雙峰分布模型(1 μm和10 μm附近)；②表層樣品的細(xì)顆粒組分明顯高于底土層樣品，即在0.5 ～ 4 μm處顯示有較高含量的細(xì)顆粒組分(圖3A ～ 3C)；③表層樣品的粗顆粒組分非常低，大于200 μm組分含量接近0。

(A、B和C分別代表在HS、SC和SJ 3個(gè)剖面土壤的樣品)

2.3 新嵊盆地土壤的粒度參數(shù)

土壤的粒度參數(shù)對(duì)于指示土壤物源也有重要作用[14]。粒度參數(shù)，包括均值(Mφ)、分選系數(shù)(σ)、偏度(SKφ)、峰度(Kg)。研究結(jié)果顯示(表2)：①粒度平均粒徑值(Mφ)越高，指示顆粒組成越細(xì)。表層土壤樣品(0 ～ 40 cm)的平均粒徑值(Mφ)較高(A層均值可達(dá)8.05φ)，而底土層樣品的平均粒徑值(Mφ)較低，在HS、SC和SJ 3個(gè)剖面C層均值分別為6.37φ、4.91φ和5.41φ；②偏度(SKφ)在HS、SC和SJ 3個(gè)剖面表層低于底土層，A層均值范圍在–0.04 ～ 0.16，呈現(xiàn)了正態(tài)分布和正偏度；底土層偏度(SKφ)均值范圍在0.55 ～ 0.89；③HS、SC和SJ土壤剖面的峰度(Kg)值都低于1.40，其中底土層土壤樣品的峰度(Kg)值略偏高于表土層，C層均值分別可達(dá)1.21、1.38和1.28；④分選系數(shù)(σ)越小，指示分選性越好。在HS、SC和SJ 3個(gè)剖面表層分選系數(shù)(σ)值明顯比底土層小，表明表層土壤存在一定分選性(圖4)。

(A、B和C分別代表HS、SC和SJ剖面表層(0 ～ 30 cm)土壤樣品；D、E和F分別代表這3個(gè)剖面的底土層(C層)土壤樣品)

表2 新嵊盆地土壤剖面的粒度參數(shù)

注：粒度參數(shù)值為每個(gè)土壤發(fā)生層的平均值，平均粒徑單位為φ。

圖4 新嵊盆地土壤粒度參數(shù)散點(diǎn)圖

另外，Sr和Nd同位素分析結(jié)果表明，研究剖面土壤表層樣品87Sr/86Sr值為0.711 3，底土層樣品的87Sr/86Sr值為0.704 5。同時(shí)，研究剖面近表層土壤樣品的εNd值介于–6.1 ～ –1.2，均為負(fù)值，而底土層樣品的εNd值介于1.1 ～ 2.5。

3 討論

3.1 母質(zhì)對(duì)成土過(guò)程的影響

母質(zhì)是土壤物質(zhì)的重要來(lái)源，也是土壤形成的一個(gè)關(guān)鍵因素[26-27]。本研究中的土壤剖面是玄武巖殘積風(fēng)化物原位發(fā)育而來(lái)，因而無(wú)論是土壤的物質(zhì)來(lái)源還是土壤的各項(xiàng)屬性，必然都深深地受到來(lái)自母質(zhì)要素的重要影響。即表現(xiàn)出顯著的母質(zhì)原位風(fēng)化的漸變特征和土壤對(duì)母質(zhì)的繼承性特征。土壤剖面自下而上，從母質(zhì)層(C)到淀積層(B)土壤的粒度組成均表現(xiàn)出較好的漸變趨勢(shì)(圖2)。從粒度組成來(lái)看，除表層(0 ～ 30 cm)土壤樣品可能受到大氣沉降和末次冰期風(fēng)塵沉積的影響外，其他層位土壤的細(xì)顆粒組成，包括<2 μm、<4 μm和4 ～ 10 μm粒級(jí)含量，均表現(xiàn)出沿剖面自下而上明顯的逐漸增加趨勢(shì)；而粗顆粒組分(>63 μm)則表現(xiàn)為沿剖面自下而上逐漸減少的趨勢(shì)(圖2)。因此，土壤剖面自下而上顯著的粒度組成漸變特征，揭示了土壤的粒度屬性受到了來(lái)自母質(zhì)的顯著影響。

從粒度頻率曲線來(lái)看，在供試土壤剖面底土層的頻率曲線具有較好的相似性(圖3D ～ 3F)，其可能的原因是三者具有相同的母質(zhì)，即玄武巖殘積風(fēng)化物。具體表現(xiàn)為：①底土層樣品的粒度頻率曲線呈現(xiàn)顯著的單峰分布模型；②底土層樣品的細(xì)顆粒組分明顯較低，而粗顆粒組分較高(圖3D ～ 3F)，這些特征均與土壤屬于玄武巖殘積母質(zhì)發(fā)育而來(lái)有關(guān)。

另外，從新嵊盆地土壤樣品的粒度參數(shù)來(lái)看，包括均值 (Mφ)、分選系數(shù)(σ)、偏度(SKφ)和峰度(Kg)，土壤剖面從底土層到表層，也呈現(xiàn)出較好的漸變趨勢(shì)(圖4)。因此，土壤剖面形態(tài)特征、粒度分布和粒度參數(shù)，均說(shuō)明研究區(qū)域土壤受到母質(zhì)的重要影響，并對(duì)母質(zhì)的相關(guān)屬性具有一定繼承性。

3.2 大氣降塵對(duì)成土物質(zhì)的影響

除了母質(zhì)，大氣降塵是土壤和沉積物的另一個(gè)重要來(lái)源，并且對(duì)土壤有重要影響。研究表明，作為世界沙塵中心之一的我國(guó)西北沙漠和黃土高原，其產(chǎn)生的亞洲降塵可以持續(xù)不斷地進(jìn)入土壤，并可能對(duì)我國(guó)的土壤資源產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響[21, 28]。新嵊盆地坐落中國(guó)東南部，北方的冬季風(fēng)能延伸到這個(gè)區(qū)域，并且亞洲降塵被認(rèn)為是一個(gè)潛在的重要土壤來(lái)源。季風(fēng)將大量沙塵向東運(yùn)移到東部和東南地區(qū)，亞洲降塵不僅可以影響到中國(guó)北方的廣大地區(qū)，還影響韓國(guó)、日本、南海海域和歐洲及廣闊的太平洋[28-29]。據(jù)IPCC[30]估計(jì)每年全球產(chǎn)生的氣溶膠為3 442 Tg，平均沉降到5.1×107km2的地球表面上，計(jì)有6.75 g/(m2·a) 的物質(zhì)進(jìn)入地表系統(tǒng)。目前在美國(guó)夏威夷島的研究已經(jīng)表明了亞洲源降塵對(duì)其土壤深刻的影響。Chadwick等[3]在美國(guó)夏威夷高度風(fēng)化玄武巖發(fā)育的土壤上研究指出，400萬(wàn)年以來(lái)來(lái)自東亞的大氣降塵是維系海島生態(tài)系統(tǒng)的重要養(yǎng)分來(lái)源。Li等[21]研究表明，即使在遠(yuǎn)離我國(guó)大陸的海南島土壤仍然受到來(lái)自亞洲降塵的物源輸入。另外，前人研究表明[31-33]，新嵊盆地末次間冰期以來(lái)土壤的粒度測(cè)定和地質(zhì)記錄分析表明：該區(qū)域共經(jīng)歷了末次間冰期夏季風(fēng)為主時(shí)期、末次冰期冬季風(fēng)為主時(shí)期和全新世夏季風(fēng)為主的不穩(wěn)定時(shí)期的3個(gè)演變時(shí)期。末次間冰期時(shí)，以夏季風(fēng)為主，氣候呈現(xiàn)溫濕特點(diǎn)，受夏季風(fēng)影響較強(qiáng)，成壤速率大于風(fēng)塵沉積速率，土壤粒度偏細(xì)，間冰期早期較晚期，夏季風(fēng)較強(qiáng)，土壤粒度較晚期偏細(xì)。到末次冰期時(shí)，由夏季風(fēng)為主轉(zhuǎn)化為以冬季風(fēng)為主，受冬季風(fēng)影響較強(qiáng)，氣候變得極其干冷，土壤發(fā)育緩慢，代之以風(fēng)塵沉積為主，大量風(fēng)塵物資隨著冬季風(fēng)搬運(yùn)沉積到長(zhǎng)江流域，風(fēng)塵沉積速率大于成壤速率，土壤粒度偏粗。隨后過(guò)渡到全新世時(shí)期，逐漸轉(zhuǎn)化為以溫濕氣候?yàn)樘攸c(diǎn)的夏季風(fēng)為主的不穩(wěn)定時(shí)期。早期全新世夏季風(fēng)逐漸強(qiáng)化階段，中期全新世夏季風(fēng)鼎盛階段，晚期全新世夏季風(fēng)衰弱階段，土壤粒度呈現(xiàn)了由細(xì)變粗的變化趨勢(shì)。晚更新末期，尤其在末次冰期鼎盛時(shí)期，古東季風(fēng)活動(dòng)強(qiáng)烈，不僅在中國(guó)西北地區(qū)形成廣闊的沙漠和黃土地貌，還源源不斷地南下，從晚更新世晚期中國(guó)東部古環(huán)境特點(diǎn)分析，中國(guó)南部當(dāng)時(shí)處于氣候干冷、植被稀少的草原環(huán)境。同時(shí)，當(dāng)時(shí)中國(guó)南部地形起伏不大，使古東季風(fēng)由西至東部移動(dòng)無(wú)地形阻隔，因而在干冷氣侯條件下風(fēng)所攜帶的風(fēng)塵物質(zhì)普遍沉降在中國(guó)南方，在南方多地形成風(fēng)成沙丘-風(fēng)塵堆積地貌景觀。但是在新嵊盆地地形地貌易形成“夾管效應(yīng)”，強(qiáng)化古東季風(fēng)風(fēng)力作用，風(fēng)塵堆積和風(fēng)蝕作用明顯[34-35]。

前人研究表明[1, 36]，10 ～ 50 μm粒級(jí)即風(fēng)塵基本粒級(jí)，是指示風(fēng)塵沉積的重要粒級(jí)。研究剖面土壤樣品的粒度組成具有較好的相似特征，即表層土壤樣品的10 ～ 50 μm含量顯著升高，尤其在0 ～ 10 cm層風(fēng)塵基本粒級(jí)增加幅度最為明顯(圖2)，揭示了大氣降塵對(duì)土壤表層的物質(zhì)輸入。土壤粒度頻率曲線的模式也能有效指示土壤物質(zhì)來(lái)源[37-38]。土壤表層(0 ～ 40 cm)土壤樣品的粒度頻率曲線模式明顯不同于底土層(圖3)。表層土壤細(xì)粒組分含量明顯高于底土層，并呈現(xiàn)雙峰結(jié)構(gòu)(圖3A ～ 3C)，即除主峰外在細(xì)顆粒部分也出現(xiàn)了明顯的峰值；而底土層則細(xì)顆粒含量很低而粗顆粒含量較高(>300 μm)，并呈現(xiàn)單峰結(jié)構(gòu)(圖3D ～ 3F)。通過(guò)3個(gè)剖面粒度分析結(jié)果對(duì)比分析，可知，HS、SC和SJ 3個(gè)剖面土壤表層樣品的粒度頻率曲線與前人[36-42]關(guān)于下蜀黃土和黃土高原樣品具有極好的相似性，研究剖面土壤表層樣品與下蜀黃土不僅具有極為相似的顆粒組成，而且存在著自西而東稍有變細(xì)的分布趨勢(shì)[32, 35]，指示它們有共同物源。因此，粒度組成和頻率曲線表明，亞洲降塵可能對(duì)新嵊盆地土壤有物質(zhì)輸入。

粒度參數(shù)散點(diǎn)圖已經(jīng)被廣泛用于區(qū)分沉積物的源頭和沉積環(huán)境。由圖4可知，新嵊盆地土壤的粒度參數(shù)散點(diǎn)圖可分為兩個(gè)投影區(qū)。第一個(gè)投影區(qū)集中在土壤剖面底土層樣品(圖4，空心點(diǎn)部分)，表現(xiàn)為分選很差，峰度值和平均粒徑較低特征。反之，另外一個(gè)投影區(qū)集中在表層樣品，分選系數(shù)較低(σ<1.83)，指示土壤樣品分選較好(圖4A)；平均粒徑顯著高于底土層樣品(Mφ>6.8φ)，表明表土層具有較多的細(xì)顆粒組分；偏度(SKφ)值呈現(xiàn)正態(tài)分布和正偏度；峰度值則略高于底土層并表現(xiàn)出較為集中特征(圖4，實(shí)心點(diǎn)部分)。另外，新嵊盆地表層土壤的粒度參數(shù)散點(diǎn)分區(qū)特征與中國(guó)黃土高原黃土十分吻合，進(jìn)一步揭示了它們可能具有相同的物源[43-45]。因此，HS、SC和SJ土壤剖面表層和底土層樣品的粒度參數(shù)散點(diǎn)投影分區(qū)也為大氣降塵和母質(zhì)物源鑒別提供了有效證據(jù)。

另外，在大氣降塵物質(zhì)添加的影響下，對(duì)土壤形成和性狀主要有以下潛在影響：①大氣降塵輸入可以改變土壤的物理性質(zhì)，導(dǎo)致表層土壤粒度組成中細(xì)顆粒含量增高，尤其引起表層土壤粒度組成中10 ～ 50 μm粒級(jí)即風(fēng)塵基本粒級(jí)異常增高。由于玄武巖原位風(fēng)化物母質(zhì)粗顆粒較多，而大氣降塵的物質(zhì)添加帶來(lái)了大量較細(xì)顆粒，從而使土壤細(xì)顆粒顯著增高。也有研究表明大氣降塵輸入甚至影響到土壤水鹽的運(yùn)移[46]；②大氣降塵能夠改變土壤的化學(xué)性質(zhì)，給土壤帶來(lái)養(yǎng)分和鹽分，是生態(tài)系統(tǒng)的重要養(yǎng)分來(lái)源[47-48]，也可能帶來(lái)酸化和富營(yíng)養(yǎng)化的潛在風(fēng)險(xiǎn)[49-52]。大氣降塵也可以改變土壤的同位素組成，從而也可以作為鑒別土壤中大氣沉降輸入的重要證據(jù)[21]。

3.3 其他輔助證據(jù)( Sr和Nd同位素)

Sr和Nd的同位素已被證明是理解土壤發(fā)生演化、元素生物地球化學(xué)循環(huán)和土壤物源示蹤的有效指標(biāo)[53-55]。本研究中大氣降塵、土壤和母巖都具有顯著差異的Sr和Nd同位素端元值[21]，因而利用Sr和Nd同位素指標(biāo)可為研究區(qū)土壤的大氣沉降物源輸入提供有效的輔助證據(jù)。研究剖面土壤表層樣品87Sr/86Sr值(0.711 3)顯著高于母巖(0.703 8)，而非常接近風(fēng)塵87Sr/86Sr = 0.724 6[3]，表明大氣降塵對(duì)表層土壤具有物源輸入。而底土層樣品的87Sr/86Sr值(0.704 5)則接近玄武巖母巖的87Sr/86Sr比值，反映了底層土壤主要繼承母巖的物質(zhì)來(lái)源而受大氣降塵影響較小。同樣HS、SC和SJ 3個(gè)剖面近表層土壤樣品的εNd均為負(fù)值，接近大氣降塵εNd值(?10.44)[21]；而底土層樣品的εNd值則均為正值，即接近母巖值(+2.6)，揭示其受母巖物源的影響較大。因此，土壤樣品的Sr和Nd同位素指標(biāo)與土壤粒度組成、粒度參數(shù)證據(jù)均表現(xiàn)出較好的一致性，即驗(yàn)證了研究剖面圖表層受到顯著的大氣降塵影響和物源輸入[56-57]。

4 結(jié)論

新嵊盆地玄武巖上發(fā)育土壤的粒度組成、頻率曲線、粒度參數(shù)和Sr-Nd同位素比值，均表明大氣降塵對(duì)土壤的表層物質(zhì)添加作用。研究區(qū)底土層土壤樣品大多數(shù)繼承了母質(zhì)的特性，受玄武巖殘積風(fēng)化物母質(zhì)的影響較大；與底土層土壤顯著不同，表層土壤則具有明顯的風(fēng)塵特性。因此，研究土壤剖面同時(shí)受到母質(zhì)和大氣降塵的雙重影響，揭示了大氣降塵及末次冰期風(fēng)塵沉積對(duì)土壤發(fā)生演變的重要影響和物源輸入，為區(qū)域土壤的發(fā)生演化和土壤資源合理利用提供科學(xué)依據(jù)。

[1] 胡雪峰, 龔子同.江西九江泰和第四紀(jì)紅土成因的比較研究[J].土壤學(xué)報(bào), 2001, 38(1): 1–9.

[2] Erel Y, Torrent J.Contribution of Saharan dust to Mediterranean soils assessed by sequential extraction and Pb and Sr isotopes[J].Chemical Geology, 2010, 275(1/2): 19–25.

[3] Chadwick O A, Derry L A, Vitousek P M, et al.Changing sources of nutrients during four million years of ecosystem development[J].Nature, 1999, 397(6719): 491–497.

[4] Kurtz A C, Derry L A, Chadwick O A.Accretion of Asian dust to Hawaiian soils: Isotopic, elemental, and mineral mass balances[J].Geochimica et Cosmochimica Acta, 2001, 65(12): 1971–1983.

[5] Pett-Ridge J C, Derry L A, Kurtz A C.Sr isotopes as a tracer of weathering processes and dust inputs in a tropical granitoid watershed, Luquillo Mountains, Puerto Rico[J].Geochimica et Cosmochimica Acta, 2009, 73(1): 25–43.

[6] Gross A, Palchan D, Krom M D, et al.Elemental and isotopic composition of surface soils from key Saharan dust sources[J].Chemical Geology, 2016, 442: 54–61.

[7] Nakano T, Yokoo Y, Nishikawa M, et al.Regional Sr-Nd isotopic ratios of soil minerals in Northern China as Asian dust fingerprints[J].Atmospheric Environment, 2004, 38(19): 3061–3067.

[8] Li J W, Zhang G L, Gong Z T.Nd isotope evidence for dust accretion to a soil chronosequence in Hainan Island[J].CATENA, 2013, 101: 24–30.

[9] Lin Y C, Feng J L.Aeolian dust contribution to the formation of alpine soils at Amdo (Northern Tibetan Plateau)[J].Geoderma, 2015, 259/260: 104–115.

[10] Han X F, Lu X W, Zhang Q H, et al.Grain-size distribution and contamination characteristics of heavy metal in street dust of Baotou, China[J].Environmental Earth Sciences, 2016, 75(6): 468.

[11] Rea D K.The paleoclimatic record provided by eolian deposition in the deep sea: The geologic history of wind[J].Reviews of Geophysics, 1994, 32(2): 159.

[12] 王兆奪.黃河中游—淮河上游全新世黃土土壤粒度與物源關(guān)系分析[D].西安: 陜西師范大學(xué), 2018.

[13] 年秀清, 韓鳳清, 韓繼龍, 等.羅馬尼亞Mircea Voda剖面黃土粒度特征及其成因指示[J].鹽湖研究, 2018, 26(3): 20–25.

[14] 喬彥松, 郭正堂, 郝青振, 等.中新世黃土-古土壤序列的粒度特征及其對(duì)成因的指示意義[J].中國(guó)科學(xué) D輯: 地球科學(xué), 2006, 36(7): 646–653.

[15] 江艷平.粒度分析資料在沉積環(huán)境研究中的應(yīng)用[J].內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟(jì), 2015(11): 102–103.

[16] 李學(xué)林, 李福春, 陳國(guó)巖, 等.用沉降法和激光法測(cè)定土壤粒度的對(duì)比研究[J].土壤, 2011, 43(1): 130–134.

[17] 朱紅雷.浙江省第三系玄武巖的工程地質(zhì)特點(diǎn)及其對(duì)策[J].資源環(huán)境與工程, 2008, 22(S1): 70–75.

[18] 褚平利, 邢光福, 洪文濤, 等.陸相火山巖區(qū)填圖方法的實(shí)踐——以浙江嵊州新生代玄武巖為例[J].地質(zhì)通報(bào), 2017, 36(11): 2036–2044.

[19] 龔子同, 張甘霖, 陳志誠(chéng), 等.土壤發(fā)生與系統(tǒng)分類[M].北京: 科學(xué)出版社, 2007.

[20] 中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所土壤系統(tǒng)分類課題組.土壤實(shí)驗(yàn)室分析項(xiàng)目及方法規(guī)范[M].南京: 東南大學(xué)出版社, 1991.

[21] Li J W, Zhang G L, Ruan L, et al.Sr-Nd elements and isotopes as tracers of dust input in a tropical soil chronosequence[J].Geoderma, 2016, 262: 227–234.

[22] Folk R L, Ward W C.Brazos River bar: A study in the significance of grain size parameters[J].Journal of Sedimentary Research, 1957, 27(1): 3–26.

[23] 阿斯耶姆·圖爾迪, 李新國(guó), 靳萬(wàn)貴, 等.開(kāi)都河流域下游綠洲土壤粒度特征分析[J].土壤通報(bào), 2013, 44(6): 1343–1350.

[24] 丁延龍, 高永, 蒙仲舉, 等.希拉穆仁荒漠草原風(fēng)蝕地表顆粒粒度特征[J].土壤, 2016, 48(4): 803–812.

[25] 張玉蘭.東北典型黑土區(qū)耕作土壤粒度特征及其環(huán)境指示意義[D].哈爾濱: 哈爾濱師范大學(xué), 2017.

[26] 袁杰, 曹廣超, 鄂崇毅, 等.環(huán)青海湖表層土壤沉積物粒度分布特征及其指示意義[J].水土保持研究, 2015, 22(3): 150–154.

[27] 楊用釗, 李福春, 曹志洪, 等.昆山綽墩古土壤粒度特征及母質(zhì)判別[J].土壤通報(bào), 2007, 38(1): 1–5.

[28] Feng J L, Hu Z G, Ju J T, et al.The dust provenance and transport mechanism for the Chengdu Clay in the Sichuan Basin, China[J].CATENA, 2014, 121: 68–80.

[29] Lequy é, Conil S, Turpault M P.Impacts of Aeolian dust deposition on European forest sustainability: A review[J].Forest Ecology and Management, 2012, 267: 240–252.

[30] IPCC.Climate change 1995.The science of climate change[M].Cambridge: Cambridge University Press, 1996.

[31] 蔡方平, 胡雪峰, 杜艷, 等.安徽郎溪黃棕色土-紅土二元結(jié)構(gòu)土壤剖面的成因與長(zhǎng)江流域第四紀(jì)晚期古氣候演變[J].土壤學(xué)報(bào), 2012, 49(2): 220–229.

[32] 李徐生, 韓志勇, 楊達(dá)源, 等.末次冰期鄱陽(yáng)湖西南緣地區(qū)的風(fēng)塵堆積[J].海洋地質(zhì)與第四紀(jì)地質(zhì), 2006, 26(1): 101–108.

[33] 董光榮, 王貴勇, 李孝澤, 等.末次間冰期以來(lái)我國(guó)東部沙區(qū)的古季風(fēng)變遷[J].中國(guó)科學(xué)(D輯: 地球科學(xué)), 1996, 26(5): 437–444.

[34] 張慧, 潘保田, 徐樹(shù)建, 等.末次間冰期以來(lái)渭河上游氣候演化的黃土記錄研究[J].中國(guó)沙漠, 2007, 27(2): 182–186.

[35] 鄭祥民, 嚴(yán)欽尚.末次冰期蘇北平原和東延海區(qū)的風(fēng)塵黃土沉積[J].第四紀(jì)研究, 1995, 15(3): 258–266.

[36] 孫東懷, 鹿化煜, David Rea, 等.中國(guó)黃土粒度的雙峰分布及其古氣候意義[J].沉積學(xué)報(bào), 2000, 18(3): 327–335.

[37] 孫東懷, 鹿化煜.晚新生代黃土高原風(fēng)塵序列的粒度和沉積速率與中國(guó)北方大氣環(huán)流演變[J].第四紀(jì)研究, 2007, 27(2): 251–262.

[38] 侯吉立, 劉秀銘, 馬明明, 等.西寧盆地晚始新世泥巖地層粒度特征及其古環(huán)境指示意義[J].亞熱帶資源與環(huán)境學(xué)報(bào), 2017, 12(1): 1–12.

[39] 陳駿, 汪永進(jìn), 陳旸, 等.中國(guó)黃土地層Rb和Sr地球化學(xué)特征及其古季風(fēng)氣候意義[J].地質(zhì)學(xué)報(bào), 2001, 75(2): 259–266.

[40] 伊繼雪.第四紀(jì)加積型紅土與下蜀黃土理化特征對(duì)比及環(huán)境意義[D].金華: 浙江師范大學(xué), 2010.

[41] 王海力.中亞熱帶第四紀(jì)風(fēng)成沉積物地球化學(xué)特征[D].金華: 浙江師范大學(xué), 2012.

[42] 封珍.南方下蜀黃土的礦物組成及其對(duì)物源指示意義研究[D].長(zhǎng)春: 東北師范大學(xué), 2013.

[43] 胡雪峰, 鹿化煜.黃土高原古土壤成土過(guò)程的特異性及發(fā)生學(xué)意義[J].土壤學(xué)報(bào), 2004, 41(5): 669–675.

[44] Hu X F, Jiang W, Ye W, et al.Yellow-brown earth on Quaternary red clay in Langxi County, Anhui Province in subtropical China: Evidence for paleoclimatic change in late Quaternary period[J].Journal of Plant Nutrition and Soil Science, 2008, 171(4): 542–551.

[45] Xiong S F, Sun D H, Ding Z L.Aeolian origin of the red earth in southeast China[J].Journal of Quaternary Science, 2002, 17(2): 181–191.

[46] 孫艷偉, 李生宇, 徐新文, 等.大氣降塵沉積對(duì)塔克拉瑪干沙漠腹地土壤水鹽運(yùn)移的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2009, 20(8): 1905–1911.

[47] Likens G E, Driscoll C T, Buso D C.Long-term effects of acid rain: Response and recovery of a forest ecosystem[J].Science, 1996, 272(5259): 244–246.

[48] Schulze E D.Air pollution and forest decline in a spruce () forest[J].Science, 1989, 244(4906): 776–783.

[49] 劉鵬, 胡文友, 黃標(biāo), 等.大氣沉降對(duì)土壤和作物中重金屬富集的影響及其研究進(jìn)展[J].土壤學(xué)報(bào), 2019, 56(5): 1048–1059.

[50] 袁宇志, 郭穎, 張育燦, 等.亞熱帶典型小流域景觀格局對(duì)耕地土壤酸化的影響[J].土壤, 2019, 51(1): 90–99.

[51] 周玲紅, 黃晶, 王伯仁, 等.南方酸化紅壤鉀素淋溶對(duì)施石灰的響應(yīng)[J].土壤學(xué)報(bào), 2020, 57(2): 457–467.

[52] 王佳, 劉斌, 肖柏林, 等.重慶主城區(qū)空氣降塵中重金屬的特點(diǎn)及其在表層土壤中的累積量研究[J].土壤, 2019, 51(6): 1160–1167.

[53] Borg L E, Banner J L.Neodymium and strontium isotopic constraints on soil sources in Barbados, West Indies[J].Geochimica et Cosmochimica Acta, 1996, 60(21): 4193–4206.

[54] Zeng F M, Liang M Y, Peng S Z, et al.Sr-Nd-Pb isotopic compositions of theeolian deposits in the Xining basin and implications for their dust sources[J].Journal of Earth Science, 2015, 26(5): 669–676.

[55] Zhao W C, Balsam W, Williams E, et al.Sr-Nd-Hf isotopic fingerprinting of transatlantic dust derived from North Africa[J].Earth and Planetary Science Letters, 2018, 486: 23–31.

[56] 薛迪, 陳春強(qiáng), 黃蕾, 等.含氮?dú)怏w在海鹽表面的非均相反應(yīng)對(duì)中國(guó)近海大氣氮干沉降的影響[J].中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2020, 50(5): 19–30.

[57] 陳煥煥, 王云濤, 齊義泉, 等.北太平洋大氣沉降的時(shí)空特征及其對(duì)副極區(qū)海洋生態(tài)系統(tǒng)的影響[J].熱帶海洋學(xué)報(bào), 2021, 40(1): 21–30.

Atmospheric Dust Input to Soils in Xin-sheng Basin, Zhejiang Province Based on Grain Size Analysis

REN Yucheng1, RUAN Li1, 3, LI Xin1, XU Yan1, ZHANG Fangfang1, LI Jianwu1, 2*

(1 Key Laboratory of Soil Contamination Bioremediation of Zhejiang Province, Zhejiang A&F University, Ling’an, Zhejiang 311300, China; 2 Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 3 Tea Research Institute, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Hangzhou 310008, China)

In this paper, the typical soil profiles derived from the basalt were selected in the Xin-sheng Basin, Zhejiang Province of subtropical monsoon region of China, and the methods of soil geography and grain size analysis were used to reveal the impact of atmospheric dust on soil by measuring the composition and frequency curve of soil grain sizes and high content of “wind dust basic” (10–50 μm) of topsoil.The results showed that atmospheric dust had far-reaching effect on topsoil, which was also supported by Sr/Nd isotopic ratios of topsoil.The composition, frequency curve and parameters of grain size as well as Sr-Nd isotope ratio all indicated that topsoil had significant characteristics of wind dust, while most bottom soils inherited the characteristics of the parent rock.In conclusion, atmospheric dust has an important effect on the material supply, genesis and evolution of soil in the studied region.

Atmospheric dust; Grain size; Isotope; Basalt

P595

A

10.13758/j.cnki.tr.2021.04.026

任玉成, 阮麗, 李欣, 等.基于粒度方法的大氣降塵對(duì)浙江省新嵊盆地土壤的物源輸入研究.土壤, 2021, 53(4): 865–873.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41877006)、浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(LY21D010002)和浙江省新苗人才計(jì)劃項(xiàng)目(2020R412048)資助。

(jameslee@zafu.edu.cn)

任玉成(1995—)，男，安徽馬鞍山人，碩士研究生，研究方向?yàn)橥寥蕾Y源學(xué)。E-mail: 1720218786@qq.com