松嫩平原北部典型黑土剖面黏土礦物組成及其環(huán)境指示意義

韓曉萌，戴慧敏，劉凱

(1.中國地質調查局 沈陽地質調查中心，遼寧 沈陽 110034；2.自然資源部 黑土地演化與生態(tài)效應重點實驗室，遼寧 沈陽 110034；3.遼寧省黑土地演化與生態(tài)效應重點實驗室，遼寧 沈陽 110034)

0 引言

土壤礦物是土壤物質組成的重要形式，是土壤微量元素的主要載體。土壤礦物蘊含了土壤發(fā)生學、母質特征、成土過程及環(huán)境、土壤的發(fā)育程度和肥力水平等重要信息。對土壤礦物進行結構和物質組成的研究是科學指導環(huán)境保護、優(yōu)質生產和土壤改良的前提[1]。

黏粒礦物是在風化和成土過程中所形成的次生礦物。它的類型分布一方面受母巖、母質的礦物學組成的影響，其次也受區(qū)域氣候的溫度、降水以及土壤溶液的pH和鹽基淋溶量等因子影響，與風化、成土條件、氣候條件密切相關。在不同環(huán)境下，由于氣候、生物、母質、地形等因素的影響不一樣，黏土礦物組成和數(shù)量、土壤剖面內由母質到地表的差異性以及演變關系也具有不同的特點。因此，土壤黏粒礦物對其古氣候環(huán)境特征具有指示意義[2-8]。

在氣候與地形等條件相同的情況下，不同土地利用方式的土壤在養(yǎng)分平衡、理化性質、黏土礦物組成以及演變等方面存在顯著差異。土地利用方式的不同主要表現(xiàn)在植物生長和人為干預程度的不同。植被對土壤養(yǎng)分的吸收以及人為施肥和耕作等管理措施對土壤膠體性質、有機質及pH等理化性質的調控勢必將影響土壤黏土礦物發(fā)生演化、淋溶、沉積等行為[9-11]。

鄭慶福等[10]對不同利用方式下東北黑土進行研究，發(fā)現(xiàn)其土壤礦物風化程度不同，并且黑土水田利用后會出現(xiàn)蛭石綠泥石化現(xiàn)象，旱田利用后會使土壤結構破壞，水土流失加??；Liu[12]通過對不同利用方式下黑土黏土礦物組成進行研究發(fā)現(xiàn)，土壤有機碳與蛭石、蒙脫石的結合程度較高嶺石、伊利石高，導致黏土礦物的移動性存在差異；馮君等[13]通過對吉林西部不同利用方式土壤的研究發(fā)現(xiàn)，土壤在弱淋溶環(huán)境下，白云母轉變成伊利石再脫鉀轉化成蒙脫石和蛭石，土壤中間過渡的混層礦物較多。袁寧等[11]研究表明土壤只耕作不施肥有利于黏土礦物的風化轉化。

但是這些研究多是從表層分析土地利用對土壤風化程度及黏土礦物組成含量等的影響。而對于該區(qū)不同利用方式下土壤剖面礦物組成的研究相對缺乏。本文通過野外調查、土壤化學成分分析、土壤黏土礦物X-射線衍射(XRD)圖譜分析、土壤風化程度分析，對松嫩平原北部黑土區(qū)大豆/玉米輪作農田、林地、草地、退耕還林等多種土地利用方式土壤剖面黏土礦物組成進行研究，探究不同土地利用方式下土壤剖面化學成分、黏土礦物組成、風化程度變化規(guī)律及其對環(huán)境的指示意義。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于松嫩平原北部，小興安嶺南麓，地理位置介于47°54′～48°40′N,124°49′～126°8′E(圖1)。研究區(qū)域內一級河流主要為松嫩河、訥謨爾河，二級河流主要為烏裕爾河，二級以下河流包括雙陽河等。研究區(qū)地勢整體起伏變化小，大多區(qū)域地勢平坦，丘陵漫崗區(qū)地形起伏大，東西高西南低。區(qū)內屬于溫帶大陸性季風氣候，春季多風，干旱少雨；夏季溫暖多雨，陽光充足；秋季低溫，霜凍較早；冬季漫長且寒冷。

圖1 研究區(qū)土地利用類型及典型黑土剖面位置Fig.1 Different land-use types and the location of typical black soil profiles in the study area

松嫩平原北部土壤類型主要為黑土、黑鈣土、暗棕壤、草甸土等，黑土主要位于東北部，土壤肥沃，土質優(yōu)良，具有較高的有機質含量和良好的保水能力。研究區(qū)土壤主要由沖洪積作用形成，母質大部分為黃黏土，由于地形與土壤肥力等方面的差異，土地利用方式主要以耕地(種植玉米、大豆、水稻等)、林地、草地為主。耕地面積占比大，是我國重要糧食生產基地。

2 樣品及分析

2.1 樣品采集及分析測試方法

根據(jù)研究區(qū)主要土地利用格局及變化，同時充分考慮海拔、坡度等相對一致的情況下，在松嫩平原北部典型黑土區(qū)選取分布相對集中的耕地(大豆、小麥、玉米)、林地、草地等多種土地利用方式典型黑土垂向剖面6條，由地表至最多200 cm深度，每20 cm等間距連續(xù)采集土壤及成土母質樣品，共采集樣品80件。土壤樣品裝入布袋后風干、敲碎，用尼龍篩篩取 20 目部分，送中化總局地質研究院和自然資源部東北礦產資源監(jiān)督檢測中心實驗室進行土壤元素全量分析測試，土壤礦物測試在中國科學院南京土壤研究所完成。

土壤礦物X射線衍射分析使用的儀器型號為日本理學Ultima IV；X光管：Cu靶；管壓：40 kV；管流：40 mA；濾波：石墨單色器；掃描步長：0.02°；掃描速度：1°/min。土壤樣品Mg2+飽和后，用甘油水溶液處理，制成定向薄膜，進行X衍射分析。其中，礦物種類的鑒定為：將樣品所得的衍射數(shù)據(jù)與國際衍射數(shù)據(jù)中心的礦物標準數(shù)據(jù)進行對比，以確定物象，使用分析樣品中礦物的最強衍射峰與標準礦物最強衍射峰的比值，來估算礦物百分含量。

2.2 分析結果

2.2.1 剖面特征

大豆地和玉米地(剖面PM1910、PM2010)多分布在研究區(qū)各坡面上，土壤以黑土為主，厚度在60～180 cm之間，作物根系含量高，質地黏重，透水性差，潛在肥力高，保水保肥能力強，成土母質為第四紀湖相沖積沉積物黃黏土物質(圖2)。

圖2 研究區(qū)典型黑土剖面野外照片F(xiàn)ig.2 Field photos of typical black soil profile in the study

林地(剖面PM2016)樹種為楊樹、松樹，林齡為30～40 a，林下草被層不發(fā)達，腐殖質層厚，指狀結構較發(fā)育，含有球狀鐵錳結核。

草地(剖面PM2005)位于河流階地或丘陵頂部，春季積水嚴重，夏季植被生長茂盛，土壤為草甸沼澤土，團粒結構，含有鈣質結核。

退耕還林(剖面PM1909、PM2022)土壤A層含有大量木本根系，AB層含有毛細根系以及鐵錳結核，B層中存在垂向節(jié)理被棕黃黏土充填。

2.2.2 常量元素特征

研究區(qū)土壤剖面常量元素SiO2含量在57.23%～66.87%，平均值為64.22%;Na2O 含量在 0.16%～2.11%，平均值為1.47%;K2O含量在1.77%～3.44%，平均值為2.49%;CaO含量在0.10%～3.76%，平均值為1.32%;有機碳含量在0.26%～4.16%，平均值為1.18%;除個別剖面外，總體上上述常量元素含量低于東北平原區(qū)表層土壤均值[14]。Al2O3含量在13.42%～20.80%，平均值為15.56%;Fe2O3含量在3.73%～7.61%，平均值為5.25%;MgO含量在0.17%～1.80%，平均值為1.26%;除個別剖面外，總體上上述常量元素含量高于東北平原區(qū)表層土壤平均值[14]。

常量元素含量由大到小的順序為SiO2>Al2O3>Fe2O3>K2O>Na2O>CaO>MgO。淋溶元素Na2O、K2O隨深度增大平均含量略有增加，鉀和鈉含量依次為耕地>草地>林地>荒地；TFe2O3隨深度增大平均含量略有減少；MgO含量在腐殖質層到淀積層緩慢增加，在母質層降低；生物累積元素CaO隨深度增大含量降低，其含量同鉀一樣，在不同土地利用方式中含量由高到低為草地>耕地>林地>荒地；整體上SiO2和Al2O3比較穩(wěn)定，個別剖面母質層Al2O3降低;有機碳整體隨深度增加含量降低，在剖面60 cm以上有機碳含量為耕地>林地>草地>荒地，60～80 cm以下，有機碳含量為荒地>草地>林地>耕地(圖3)。

圖3 研究區(qū)土壤剖面常量元素分布特征Fig.3 Distribution characteristics of major elements of soil profile in the study area

2.2.3 礦物組成特征

通過XRD衍射圖譜分析土壤的黏粒礦物組成，不同土地利用類型土壤黏粒礦物種類基本一致，主要含有蒙脫石、高嶺石、蛭石、水云母和綠泥石，但在垂直分布上存在差異。不同土地利用類型黏土礦物組合及含量特征如下。耕地：水云母(3%～15%)+綠泥石(4%～12%)+蛭石(1%～11%)+高嶺石(1%～8%)+蒙脫石(2%～5%)；草地：蒙脫石(6%～13%)+綠泥石(5%～8%)+水云母(1%～6%)+高嶺石(3%～5%)+蛭石(2%～4%)；林地：水云母(7%～12%)+綠泥石(1%～9%)+高嶺石(2%～7%)+蛭石(2%～4%)；荒地：高嶺石(18%～62%)+蒙脫石(1%～14%)+水云母(4%～12%)。其中耕地、林地以2∶1型非膨脹性黏土礦物為主，草地以2∶1型膨脹性黏土礦物為主，荒地以1∶1型黏土礦物為主。不同土地利用方式土壤表層黏粒礦物組成在水平分布上基本一致；剖面垂向上，成土過程中，母質層的蒙脫石逐漸向蛭石和高嶺石轉化，少量向綠泥石轉化。不同土地利用類型剖面中，都普遍含有原生礦物石英、長石和閃石(圖4)。

圖4 研究區(qū)土壤剖面礦物組成及垂直分布特征Fig.4 Distribution characteristics of minerals of soil profile in the study area

3 討論

3.1 土壤風化程度

化學蝕變指數(shù)(chemical index of alteration，CIA)是判別由硅酸鹽礦物組成的沉積物風化程度最常用的化學指標，其計算公式為：

(1)

式中氧化物均為分子摩爾數(shù);CaO*為硅酸鹽相，采用McLennan[15]計算方法。CIA反映了長石風化成黏土礦物的程度，CIA值越高，指示氣候溫暖濕潤，風化程度越高；反之，寒冷干燥，風化程度低。CIA值介于50～60間反映寒冷干燥氣候條件下的弱風化程度，60～80間反映溫暖濕潤氣候條件下的中等風化程度，大于80反映炎熱潮濕的熱帶亞熱帶條件下強烈的化學風化程度[16-18]。此外，常采用硅鋁鐵率(Saf)來衡量脫硅富鐵鋁程度，反映剖面遭受的淋溶程度，計算式為：

(2)

Saf值越小，說明脫硅富鋁化程度越強，遭受風化強度越強[19]。

研究區(qū)不同土地利用方式土壤風化程度為退耕、荒地>林地>耕地>草地，隨深度增加，林地CIA值升高，耕地略有升高，荒地有降低的趨勢，草地先升高后降低。土壤淋溶程度為荒地>草地、林地>耕地，隨深度增加，耕地淋溶程度升高，草地具有升高趨勢，林地明顯升高，荒地降低(圖5)。在其他成土因素相對穩(wěn)定的情況下，表層土壤有機質含量常隨大氣濕度的增加而增加，濕度較大，可促進風化產物的遷移，有利于礦物風化。因此，濕潤地區(qū)土壤風化程度較高，而干旱地區(qū)土壤風化程度則較弱。由于礦物穩(wěn)定性的差異，不同風化階段的土壤中礦物組成有較大的差異。在風化初期形成的年幼的土壤中，化學風化作用微弱，角閃石、方解石、黑云母等保持穩(wěn)定；在風化中等程度的土壤中，如黑土、黑鈣土、棕壤中，常有較多的石英、伊利石、蛭石、蒙脫石；在濕熱區(qū)高風化強淋溶土壤中，土壤黏粒礦物主要為高嶺石等。

圖5 研究區(qū)土壤剖面化學風化指數(shù)(CIA)及硅鋁鐵率(Saf) Fig.5 Chemical weathering index (CIA) and silica-aluminum-Iron ratio (Saf) of soil profile in the study area

3.2 土壤化學組成對環(huán)境的指示意義

根據(jù)中國氣候大區(qū)劃分指標，森林屬于濕潤氣候大區(qū)，年干燥度小于1.0；草原屬于半干旱氣候大區(qū)，年干燥度為1.6～3.5。木本植物和草本植物因有機碳的數(shù)量、性質和積累方式不同，它們在成土過程中的作用也不同。不同土地利用類型的土壤可以形成一定的微氣候，在一定程度上控制土壤有機碳的形成和分解過程，草地及林地土壤根系較多，剖面下層土壤溫度低，土壤濕度較高，凍結時間長，這些條件都有利于土壤有機碳的積累，而土壤黏粒在此起次要作用。研究區(qū)有機碳整體隨深度增加含量降低，反映所有土地利用類型的土壤有機碳均受到根系深度的控制。所有研究剖面耕地、草地、林地植物根系深度基本相當。退耕還林剖面(PM1909)60 cm以淺深度土壤有機碳含量為所有研究剖面中最高，與觀測到的PM1909剖面土壤A層含有大量木本根系有關。

研究表明，除植被、氣候、人為干擾等影響因素外，研究區(qū)土壤成土發(fā)育過程中黏粒含量同樣對土壤有機碳在土壤中的穩(wěn)定性產生影響。土壤有機碳與土壤黏粒比例之間呈顯著的正相關。耕地上層黏粒含量明顯大于林地和草地，黏土礦物高的比表面積和極強的吸附能力可能有助于有機碳形成和穩(wěn)定。

土壤礦物是土壤物質組成的重要形式，是土壤元素的主要載體。因此，不同土地利用類型的土壤剖面元素的分布模式與其土壤礦物組成緊密相關。研究剖面中，耕地剖面(PM2010)和草地剖面(PM2005)貧K而富含Na和Ca，與該剖面中大量形成的蒙脫石有關。林地剖面各深度Ca、Na和K含量均較低，可能是木本植物生長時吸收土地營養(yǎng)元素所致。兩個退耕還林剖面(PM1909和PM2022)元素隨深度分布模式差異巨大，可能與退耕前的土地使用類型或耕種作物種類不同有關。

3.3 礦物組成對環(huán)境的指示意義

大量的黏土礦物是地表母巖在表生風化作用中形成的，氣候條件是控制黏土礦物形成和轉化的主要因素。在不同氣候條件下，土壤類型和風化作用強度不同,從而形成不同的黏土礦物組合，地帶性分布特征明顯[20-21]。

蒙脫石是在富鹽基，特別是貧K+而富含Na+和Ca2+的堿性介質中形成的，蒙脫石的存在反映了寒冷的氣候特征[22]。高嶺石是在酸性介質環(huán)境下長石經過淋濾作用形成，代表強烈化學風化作用的氣候條件，氣候溫濕有利于高嶺石的形成和保存[16-17, 23]。退耕還林剖面PM2022各深度高嶺石含量均明顯高于所研究的其他土壤剖面，反映該剖面遭受了強烈的化學風化作用。相反地，綠泥石易活動，一般在弱堿性、淋濾作用不強、干燥的環(huán)境條件下形成，可作為干冷氣候的標志?；瘜W風化強烈則破壞綠泥石，綠泥石可作為弱風化強度的標識[18-19, 24-25]。因此，退耕還林剖面PM2022各深度綠泥石含量均低于其他剖面，也反映該剖面遭受了強烈的化學風化作用。

蛭石大多在水云母脫鉀，K+、Mg2+淋失的條件下形成，也可由蒙脫石或者綠泥石轉變而來。中等風化強度的土壤中普遍含有蛭石[26-27]。因此，蛭石含量指示所研究耕地剖面的風化強度為中等。

荒地、林地、耕地、草地利用的土壤風化依次減弱，綠泥石的含量依次升高；耕地長期施肥抑制了黏粒礦物的風化轉化。由此說明，農業(yè)利用導致黑土土壤的鉀和鈉淋失，土壤礦物水化程度提高，交換性鈣較富集。

土壤的不同利用方式可導致土壤pH、有機質和陽離子等發(fā)生變化，進而影響土壤黏粒礦物含量的變化。草地土壤風化程度不強，普遍存在蛭石和蒙脫石，荒地、退耕地土壤不存在綠泥石，說明其成土期氣候較濕潤。耕地土壤水云母和蛭石含量較高，處于脫鉀階段，脫硅程度較低。本文對研究區(qū)不同土地利用類型的黏土礦物組合及其含量進行了對比，并計算了剖面的風化程度，表明隨著風化程度和成土作用的加深，土壤中綠泥石等礦物向高嶺石、蒙脫石轉化，水云母向蛭石轉化，而其環(huán)境條件也由干冷轉為濕熱氣候。

4 結論

1)不同土地利用方式土壤剖面鉀、鈉、鈣含量依次為草地>耕地>林地>荒地；在剖面60 cm以上有機碳含量為耕地>林地>草地>荒地，60～80 cm以下，有機碳含量為草地>林地>耕地>荒地。研究區(qū)不同土地利用方式土壤風化程度為退耕、荒地>林地>耕地>草地；土壤淋溶程度為荒地>草地、林地>耕地。

2)研究區(qū)不同土地利用類型土壤總體上黏土礦物以蒙脫石、高嶺石、蛭石、水云母和綠泥石為主，其中，耕地、林地以2∶1型非膨脹性黏土礦物為主，草地以2∶1型膨脹性黏土礦物為主，荒地以1∶1型黏土礦物為主。

3)通過對研究區(qū)不同土地利用類型的黏土礦物組合及其含量進行了對比，并計算了剖面的風化程度，表明隨著風化程度和成土作用的加深，土壤中綠泥石等礦物向高嶺石、蒙脫石轉化，水云母向蛭石轉化，而其環(huán)境條件也由干冷轉為濕熱氣候。