干旱綠洲區(qū)運積物發(fā)育土壤的地球化學(xué)特征—以新疆焉耆盆地為例

李建剛，何 旋，趙 禹，劉 拓，白 金，梁 楠

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心，陜西西安 710054；2.西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系，陜西西安 710069)

0 引言

土壤的風(fēng)化程度是土壤的重要特征之一。土壤中不同的化學(xué)元素在地表風(fēng)化過程中通常表現(xiàn)出不同的化學(xué)活動性(劉東生，1985；文啟忠等，1989；刁桂儀等，1999)。不同的表生環(huán)境同樣影響土壤中化學(xué)元素的分異。土壤化學(xué)元素的賦存及含量變化既是當(dāng)?shù)仫L(fēng)化程度的直接記錄，又蘊含了沉積物的物源信息(Rutter和丁仲禮，1992；陳駿等，2001；Huang et al.，2009)。早在1975年P(guān)ettijohn就提出將石英/長石(Q/F)比值作為礦物成熟度指數(shù)，來表示沉積巖形成時母巖風(fēng)化的強(qiáng)度，現(xiàn)在Q/F比值已經(jīng)成為沉積物化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度的傳統(tǒng)性替代指標(biāo)(Pettijohn，1975；Wang and Miao，2006)，在黃土(盧演儔等，1982；Sylvain et al.，1996)、現(xiàn)代土壤變化過程(Leslie et al.，2004)等方面得到廣泛應(yīng)用 。隨后1982年Nesbitt et al.(1982)首次提出將化學(xué)蝕變指數(shù)(CIA)作為反映源區(qū)風(fēng)化程度的指標(biāo)，陳駿等(1997)通過CIA、Na/K等在洛川黃土-古土壤剖面中呈規(guī)律性的分布和演化，揭示了2.5 Ma以來黃土源區(qū)的化學(xué)風(fēng)化呈逐步減弱的趨勢，與同一時期全球冰量逐步增長、氣候越發(fā)干冷的趨勢相吻合?；瘜W(xué)風(fēng)化作用帶來的元素遷移及對應(yīng)的風(fēng)化指標(biāo)從不同角度揭示了土壤的風(fēng)化程度，對于了解土壤的成土過程具有重要意義(陳駿等，1997；毛沛妮等，2017；綦琳等，2021)。

焉耆盆地地處天山南麓，主要包括焉耆回族自治縣、博湖縣、和碩縣、和靜縣等4個縣，是我國新疆南疆干旱綠洲區(qū)工業(yè)西紅柿、色素辣椒、小茴香等經(jīng)濟(jì)作物的重要產(chǎn)地。本文選取盆地內(nèi)兩個典型土壤剖面，通過對土壤的粒度、礦物組成、主量、稀土及微量元素等指標(biāo)進(jìn)行分析，明確土壤的風(fēng)化特征，對于揭示干旱綠洲區(qū)土壤的發(fā)育過程具有重要意義。

1 材料及方法

1.1 研究區(qū)概況

焉耆盆地位于塔里木盆地東北側(cè)，新疆東、西天山交界處，介于82°40′E～88°20′E，41°20′N～43°30′N之間，總面積約5.88萬km2。氣候?qū)僦袦貛Т箨懶詺夂颍悄媳苯畾夂蚪诲e帶，年平均降水79.8 mm，年平均氣溫為8.5 ℃。盆地地形西北高、東南低，海拔介于1048～5200 m，山區(qū)面積占85.1%，平原區(qū)僅占14.9%。焉耆盆地是一個中新生代形成的復(fù)合型山間盆地，盆地內(nèi)主要出露古生界泥盆系、中生界侏羅系、新生界古近系、新近系和第四系。盆地被西側(cè)的霍拉山和東部的克孜勒山、南部的庫魯克塔格山和北部的薩爾名山所圍限，前兩者呈NW向展布，后兩者呈近EW向展布，使得焉耆盆地形態(tài)呈現(xiàn)為NW向菱形形態(tài)。盆地內(nèi)主要分為高山區(qū)、山間盆地、山前平原三大地貌單元(圖1)。

圖1 焉耆盆地剖面位置及遙感影像圖

1.2 采樣及測試

在盆地內(nèi)選擇焉耆、博湖兩個土壤剖面開挖并采樣(圖1)，兩個剖面均位于沖積扇形成的山前平原地貌單元。焉耆剖面(YQ)土壤類型為鹽土(圖2)，博湖剖面(BH)土壤類型為潮土(圖3)。剖面0～50 cm段按照2 cm間距采樣，50～200 cm段按照5 cm間距進(jìn)行采樣，每個剖面采集樣品55件，開展粒度、礦物、地球化學(xué)等相關(guān)測試。剖面描述如下：

圖2 焉耆剖面

圖3 博湖剖面

(1)焉耆(YQ)剖面

0～34 cm，耕作層，灰白色鈣質(zhì)粉砂質(zhì)黏土。0～10 cm根須較多，向下根須變粗、變少。0～5 cm孔隙度大，較為松散。27 cm處可見團(tuán)塊狀蛭石，人為活動因素較大。

34～40 cm，有機(jī)質(zhì)層，灰褐色粉砂質(zhì)黏土。40 cm處可見褐色浸染狀鐵(硫)化物，以及團(tuán)塊狀蛭石。

40～120 cm，褐黃色黏土質(zhì)粉砂，可見鐵(硫)化物斑點。61～68 cm淺灰褐色黏土質(zhì)粉砂，向下鐵(硫)化物斑點變多，115 cm處可見1 cm厚的有機(jī)質(zhì)層。

120～134 cm，黑色有機(jī)質(zhì)層，粉砂質(zhì)黏土。

134～147 cm，土黃色粉土。

147～195 cm，土黃色粉砂。

195 cm向下，褐黃色中細(xì)砂，可見鐵(硫)化物斑點。

(2)博湖(BH)剖面

0～46 cm，耕作層，淺灰褐色～土黃色粉土，0～28 cm土壤疏松，植物根須較多，可見塑料薄膜，28～46 cm，土壤稍密，可見星點狀鈣質(zhì)結(jié)核。

46～69 cm，土黃色粉砂質(zhì)黏土，可見鐵(硫)化物，植物根須減少，鈣質(zhì)結(jié)核增多，粒徑增大。

69～88 cm，灰褐色粉質(zhì)黏土有機(jī)質(zhì)層，透鏡狀，邊部伴生明顯鐵化物。

88～96 cm，青灰色粉砂，含較多鐵(硫)化物。

96～108 cm，土黃色粉砂質(zhì)黏土，100 cm處可見植物根系炭化。

108～114 cm，青灰色粉砂，可見水云母，浸染狀鐵(硫)化物。

114～168 cm，土黃色粉砂質(zhì)黏土，水云母減少，可見粒狀鈣結(jié)核。

168～179 cm，灰黑色粉砂質(zhì)黏土，有機(jī)質(zhì)層，可見水云母。

179 cm向下，土黃色粉土，鐵(硫)化物較多。

2 結(jié)果

2.1 礦物特征

樣品XRD分析結(jié)果表明，兩剖面土壤主要由石英、鉀長石、斜長石、方解石、白云石及黏土礦物組成(附表1)。在沉積巖風(fēng)化過程中，石英是最普遍的穩(wěn)定礦物，抗侵蝕能力強(qiáng)，很難風(fēng)化；長石則是分布最廣的不穩(wěn)定礦物，抗風(fēng)化能力由強(qiáng)到弱依次為：鉀長石、鈉長石、鈣長石，但整體仍弱于石英(楊作升等，2008)。焉耆剖面，0～130 cm黏土含量均大于30%，130～200 cm黏土含量約20%，石英、長石各約20%，石英/長石0.41～1.10，大多數(shù)都小于1。博湖剖面，黏土含量整體約25%～30%，石英整體小于20%，長石大于25%，石英/長石0.34～0.95，均小于1。

粒度測試結(jié)果反映出焉耆盆地土壤的粒度大多低于0.02 mm，個別采樣點砂粒含量超過50%。焉耆剖面黏粒含量介于32%～66%，平均值為52.88%，粉粒含量介于18%～48%，平均值為35.84%，砂粒含量介于2%～46%，平均值為11.28%。博湖剖面黏粒含量介于50%～86%，平均值為65.37%，粉粒含量介于10%～38%，平均值為19.92%，砂粒含量介于2%～36%，平均值為14.70%。焉耆剖面自上而下黏粒、粉粒含量呈下降趨勢，而砂粒則增加，在距地表140 cm處激增(圖4)。博湖剖面自上而下黏粒、粉粒含量在距地表80 cm內(nèi)近似等比例增加而后趨于穩(wěn)定，砂粒含量的變化則與之相反(圖4)。

圖4 焉耆(YQ)與博湖(BH)剖面黏粒、粉粒和砂粒所占比例(a-YQ，b-BH)

2.2 主量元素組成特征

兩剖面的主量元素含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)以氧化物形式統(tǒng)計。主量元素含量從大到小依次為：SiO2，CaO，TFe2O3，MgO，K2O，Na2O，TiO2，P2O5，MnO。

前四種氧化物平均含量之和分別為：87.14%、86.96%(附表2)。元素由于自身化學(xué)性質(zhì)的不同，在化學(xué)風(fēng)化過程中常具有不同的表現(xiàn)。兩剖面中Si的變異系數(shù)最高，Si大量虧損，整體呈現(xiàn)出富Ca、Mg，貧Si的特征，Al、Fe、Na、K、Ti出現(xiàn)一定程度的虧損但與大陸上地殼元素含量相近，元素Mn、P則與大陸上地殼(UCC)相差無幾。焉耆剖面SiO2、CaO、TFe2O3、Na2O、MgO、Al2O3、P2O5變異系數(shù)為中度變異，分別為40.2%、17.5%、14.51%、8.07%、7.72%、4.89%、2.36%。TiO2、K2O、MnO變異系數(shù)小，分別為0.92%、0.87%、0.16%。博湖剖面上SiO2、Na2O、TFe2O3、Al2O3、MgO、K2O變異系數(shù)為中度變異，分別為19.12%、19.06%、10.51%、8.70%、2.94%、1.74%。TiO2、CaO、MnO、P2O5變異系數(shù)小，分別為0.37%、0.32%、0.22%、0.21%。

易風(fēng)化的斜長石主要賦存元素Na，抗風(fēng)化的正長石主要賦存元素K(Hao et al.，2010)。因此，Na/K值可用來指示化學(xué)風(fēng)化中斜長石的分解程度(楊作升等，2008)。Na/K值越高，化學(xué)風(fēng)化越弱(Liu et al.，1993；陳駿等，1998；李徐生等，2007；喬彥松等，2010)。焉耆剖面的Na/K值在0～120 cm段介于0.6～1.0之間，在120～140 cm段增加至1.6，在140～200 cm段介于1.3～1.5之間(圖5)。博湖剖面的Na/K值曲線在近地表的15 cm內(nèi)由3.2下降到1.2，指示近地表為未風(fēng)化沉積物，在15～200 cm段值穩(wěn)定在0.8～1.2范圍內(nèi)(圖6)。

2.3 微量元素組成特征

除S元素外，兩剖面的微量元素平均含量大致相同，焉耆剖面中S元素的平均含量為253×10-6，博湖剖面中的平均含量高達(dá)4668×10-6，這主要受土壤鹽漬化程度影響(附表3)。Ba、N、S、F、Rb、Sr平均含量均>100×10-6，元素I、Co、Hg、B、As、Se、Mo、Ni、Pb、Cu、Zn、Gc、Nb、Cd的平均含量均處在(0～100)×10-6之間(附表3)。因Rb不易遷移，而Sr易受淋溶作用發(fā)生遷移，可利用Rb/Sr值反映淋溶作用的強(qiáng)弱程度(Rollinson，1993；陳駿等，1998；劉連文等，2002；Selvaraj and Chen，2006)。對于焉耆剖面Rb/Sr值(圖5)，在0～30 cm段約0.3，30～120 cm段約0.4，最大值為0.56，120～200 cm段約0.3。博湖剖面0～70 cm段約0.3，70～80 cm段出現(xiàn)峰值0.7，80～200 cm約0.3(圖6)。兩剖面Rb/Sr值曲線均與化學(xué)蝕變指數(shù)(CIA)、黏土礦物含量曲線均一致(圖5、圖6)，表明化學(xué)風(fēng)化作用增強(qiáng)，黏土礦物含量增加。因此，黏土礦物含量的變化可以表征一定氣候條件下化學(xué)風(fēng)化程度的強(qiáng)弱，是判斷成土作用的重要參考指標(biāo)。

圖5 焉耆(YQ)剖面風(fēng)化指數(shù)

圖6 博湖(BH)剖面風(fēng)化指數(shù)

2.4 稀土元素組成特征

稀土元素對巖石、礦產(chǎn)、土壤的物源、形成以及環(huán)境演變具有顯著的指示作用(文啟忠等，1981；Mclennan，1989；楊守業(yè)等，2003；Tanaka et al.，2007；Yang et al.，2007a，2007b；袁方等，2018；燕利軍等，2020)。兩剖面的稀土元素總量∑REE(不含Y)變化略小(附表4)，分別為104～156×10-6、113～160×10-6。焉耆剖面輕重稀土元素之比(LREE/HREE)為7.67～8.87，均值為8.05；博湖剖面輕重稀土元素之比(LREE/HREE)為7.45～8.55，均值為7.96。

稀土元素在表生環(huán)境下的遷移難以發(fā)生顯著的分餾作用，其配分模式可用于物源示蹤(王中剛等，1989；陳秀玲等，2013；楊帥斌等，2017)。兩剖面的稀土元素的UCC標(biāo)準(zhǔn)化配分模式相似，均接近上地殼稀土元素含量(圖7)。元素Ce在氧化條件下呈現(xiàn)四價狀態(tài)，與其他元素分離，因而δCe可反映成土過程中的氧化還原環(huán)境。焉耆剖面δCe值變化范圍為0.90～0.95，博湖剖面δCe值變化范圍為0.89～0.94，未見明顯的異常，表明風(fēng)化成土條件差，未發(fā)生明顯氧化還原作用，僅限于發(fā)生物理風(fēng)化。焉耆剖面δEu值變化范圍為0.95～1.09，博湖剖面中δEu值變化范圍為0.98～1.16。δEu變化較小，顯示出物源的一致性。

圖7 焉耆(YQ)與博湖(BH)剖面稀土元素大陸上地殼(UCC)標(biāo)準(zhǔn)化圖(a-YQ，b-BH)

3 討論

3.1 風(fēng)化指數(shù)

風(fēng)化作用在地表尤為常見，不同的風(fēng)化作用會對巖石產(chǎn)生不同的影響(毛沛妮等，2017)。巖石物理風(fēng)化的過程中不發(fā)生元素的變化，而化學(xué)風(fēng)化則會引起元素缺失或引進(jìn)。本文采用常見的化學(xué)風(fēng)化參數(shù)指標(biāo)：化學(xué)蝕變指數(shù)CIA{[Al2O3/Al2O3+Na2O+CaO*+K2O]×100}(Pettijohn，1975；Mclennan，1993；Guo et al.，1996)，成分變化指數(shù)ICV，淋溶指數(shù)Ba[(K2O+Na2O+CaO*+MgO)/Al2O3]，殘積系數(shù)Ki[(Al2O3+ TFe2O3)/(CaO*+MgO +Na2O)]。長石在化學(xué)風(fēng)化過程中會遭受蝕變，堿金屬元素K、Na、Ca發(fā)生遷移流失，同時會形成成分主要為Al2O3的黏土礦物，因而化學(xué)蝕變指數(shù)(CIA)指示了樣品中長石風(fēng)化成黏土礦物的程度，CIA值越高，說明化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度越高(Mclennan，1993；馮連君等，2003；張玉柱等，2012；郭媛媛等，2013；Song et al.，2014)。淋溶指數(shù)(Ba)用來反映風(fēng)化過程中K、Ca、Na等易溶性元素的淋溶遷移程度(陳玉美等，2014)。殘積系數(shù)(Ki)則反映了穩(wěn)定性元素Fe、Al等相對富集或殘積的程度(張玉芬等，2014)。

計算結(jié)果表明(附表5)：焉耆剖面CIA介于51.74～65.79，均值為60.97；Ba介于2.03～3.20，均值為2.86；Ki介于1.90～2.38，均值為2.13。博湖剖面CIA介于34.50～61.82，均值為55.60；Ba介于1.45～4.10，均值為3.42；Ki介于1.18～2.35，均值為1.88。兩剖面的化學(xué)蝕變指數(shù)(CIA)均小于65，證實其只經(jīng)歷了基本物理風(fēng)化及初等化學(xué)風(fēng)化過程。焉耆剖面的ICV分布在1.6～2.2之間，博湖剖面的ICV值介于1.2～2.8，兩剖面ICV值均大于1。

3.2 物源分析

結(jié)合焉耆盆地四面環(huán)山的地形特征，地勢上西北高，東南低，使得外部物質(zhì)無法進(jìn)入盆地。山前發(fā)育多個沖積扇，沉積物主要來源于四周山體的風(fēng)化剝蝕，盆地內(nèi)近地表也被第四紀(jì)細(xì)粒沉積物所覆蓋，細(xì)粒沉積物主要依靠地表徑流進(jìn)行搬運進(jìn)入盆地中心。焉耆、博湖兩個剖面均位于盆地主干流開都河匯入博斯騰湖的沖積扇上，由開都河搬運而來的近源物質(zhì)組成。綜上，土壤剖面的主微量、稀土元素配分模式、石英長石比值、化學(xué)風(fēng)化指數(shù)以及盆地地質(zhì)地貌特征均指示土壤為運積物風(fēng)化成土。

4 結(jié)論

(1)焉耆、博湖兩個剖面的土壤粒徑主要以黏粒和粉粒為主，礦物主要為石英、長石和黏土礦物。石英/長石多數(shù)小于1，且長石以斜長石為主，化學(xué)風(fēng)化作用極弱。

(2)兩個剖面的化學(xué)蝕變指數(shù)(CIA)均小于65，成分變化指數(shù)(ICV)均大于1，證實其只經(jīng)歷了基本物理風(fēng)化及初等化學(xué)風(fēng)化過程。

致謝：感謝匿名審稿專家提出的修改意見，對論文的修改有很大幫助，在此表示真誠的謝意。