土壤定量元素來源及分布特征研究

土壤定量元素來源及分布特征研究

0區(qū)域地球化學研究土壤中因子的組成和分布受到多種因素的控制，土壤母親的性質(zhì)通常是一個重要的控制因素。相應地,土壤元素的組成特征也能在一定程度上反映成土母質(zhì)特征。不同成土母質(zhì)發(fā)育形成的土壤,其常量元素組成不同,土壤常量元素組成特征已被用來分析成土母質(zhì)和研究土壤風化程度。前人研究多針對典型地區(qū)、流域沉積物、典型剖面成土風化過程,利用區(qū)域地球化學資料開展這方面研究的案例較少見。筆者以華東多目標地球化學調(diào)查區(qū)為例,從區(qū)域尺度研究了土壤常量元素質(zhì)量分數(shù)的變化及元素組合特征,分析了該地區(qū)常量元素來源和影響因素,旨在找出在區(qū)域尺度上不同母質(zhì)發(fā)育土壤元素組合特征和質(zhì)量分數(shù)差異性,為其他開展多目標區(qū)域地球化學調(diào)查地區(qū)進行類似研究工作提供依據(jù)。1地質(zhì)成因類型及地貌研究區(qū)范圍涉及華東地區(qū)4省1市,地理坐標:東經(jīng)114°30′-121°55′,北緯27°20′-33°40′,總面積為135530km2(圖1)。區(qū)內(nèi)主要以第四紀松散層為主,周邊前第四紀地層出露主要有中新元古界、青白口系、南華系、寒武系、奧陶系、志留系、泥盆系等。區(qū)內(nèi)第四紀期間,發(fā)生了多期冷暖氣候旋回,海陸交互作用頻繁,致使區(qū)域內(nèi)第四紀地層成因復雜。其沉積環(huán)境可分為海積、沖海積、湖積、瀉湖積、沖湖積、沖積等多種成因類型。區(qū)內(nèi)主要發(fā)育四堡、晉寧、燕山期的巖漿巖,其中以燕山期侵入巖規(guī)模最大,階段性作用明顯。侵入巖從超基性巖-超酸性巖類均有產(chǎn)出,以燕山期中酸性巖類為主。區(qū)內(nèi)地貌類型主要有侵蝕-剝蝕地貌、侵蝕-堆積地貌、堆積地貌3種類型:侵蝕-剝蝕地貌分為侵蝕-剝蝕中山、侵蝕-剝蝕低山、侵蝕-剝蝕丘陵,主要分布在贛東北、贛西北、南陵、廣德、宜溧、寧紹臺等地區(qū);侵蝕-堆積地貌為侵蝕-堆積崗地,主要分布在江淮地區(qū);堆積地貌分為沖積-洪積平原、沖積平原、沖積-湖積平原、湖積平原、沖積-海積平原和海積平原,主要分布在長三角、淮北、沿江、鄱陽湖周邊等地區(qū)。2樣品和分析方法采用雙層網(wǎng)格化采樣模式,分別采集表層和深層2層土壤樣品,采樣質(zhì)量為1000g,樣品在自然條件下風干后,每個樣品過20目尼龍篩。表層土壤采樣密度為1個/km2,采樣深度0.0~0.2m,每4km2組合成一個分析樣,累計獲取表層組合樣品48130件;深層土壤采樣密度為4個/km2,采樣深度1.5~2.0m,每16km2組合成一個分析樣,累計獲取深層組合樣品12008件。樣品采用多目標區(qū)域地球化學調(diào)查規(guī)定的分析方法及質(zhì)量監(jiān)控方案,由江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院測試應用研究所、中國地質(zhì)科學院地球物理地球化學勘查研究所中心實驗室、安徽省地質(zhì)實驗研究所和江西省地礦局實驗測試中心承擔分析測試。樣品分析測試:分析元素為SiO2、Al2O3、TFe2O3、MgO、CaO、Na2O、K2O共7項。3土壤屬性劃分本次以第四系成因類型和前第四紀地層建造為依據(jù)劃分單元,力求反映第四紀沉積和前第四紀地層建造與土壤屬性的聯(lián)系,劃分成土母質(zhì)單元有海積、沖海積、陸相火山碎屑巖與熔巖、淺海碳酸鹽巖與碎屑巖等。每個母質(zhì)單元求取表層土壤背景值和深層土壤基準值,背景值和基準值求取方法按照陳國光等提出的方法求取。利用SPSS軟件進行元素的平均值、標準離差、變異系數(shù)、眾值、正態(tài)分布檢驗等統(tǒng)計分析。4結(jié)果與討論4.1土壤鹽分元素含量研究區(qū)表層土壤中SiO2、TFe2O3質(zhì)量分數(shù)明顯高于中國、美國和歐洲背景值,呈現(xiàn)高背景特征;Al2O3質(zhì)量分數(shù)介于美國背景值與中國、歐洲背景值之間;CaO、Na2O質(zhì)量分數(shù)明顯低于中國、美國和歐洲背景值,呈現(xiàn)低背景特征;MgO、K2O質(zhì)量分數(shù)低于中國和歐洲背景值,高于美國背景值(表1)。這是因為研究區(qū)地處亞熱帶,氣候溫暖濕潤,風化成土過程中Ca、Na等化學性質(zhì)活潑的鹽基離子大量淋失,而土壤中的Si、Al則相對富集。由變異系數(shù)結(jié)果(表1)可知:CaO變異系數(shù)為104.74%,表明在研究區(qū)內(nèi)其質(zhì)量分數(shù)變化大,分異顯著;MgO、Na2O變異系數(shù)分別為50.45%、53.01%,屬于中等強度變異;SiO2、Al2O3、TFe2O3、K2O變異系數(shù)較小,說明元素在區(qū)域上質(zhì)量分數(shù)變化較小,顯示較弱的分異性。正態(tài)分布檢驗(表1)顯示:研究區(qū)常量元素都不符合正態(tài)分布,TFe2O3、CaO、K2O、Al2O3、MgO和Na2O偏度值都大于0.000,都屬于正偏態(tài)分布,SiO2的偏度值小于0.000,屬于負偏態(tài)分布;TFe2O3、CaO、K2O峰度值大于3.000,說明這些元素含量數(shù)據(jù)更集中在平均值附近,Al2O3、MgO、SiO2峰度值小于3.000,說明這些元素含量數(shù)據(jù)分布比正態(tài)分布更離散,Na2O峰度值小于0.000,這種現(xiàn)象是由于多峰或者雙峰分布造成的。4.2表層土壤元素相關(guān)性分析一個地區(qū)或一個流域的環(huán)境要素主要取決于其所處的地質(zhì)地球化學背景,尤其是土壤中元素含量的高低和元素存在形態(tài)的變化從根本上受控于自然地質(zhì)地球化學作用過程。表層土壤除自然成土過程以外,受到人為影響較大,其元素的含量特征是否能代表其母質(zhì)特征有待于求證;而土壤剖面的底部成土作用較弱,深部物質(zhì)組成更接近于成土母質(zhì)組成,因此可以利用表層土壤和深層土壤元素相關(guān)性來判斷表層土壤對成土母質(zhì)的繼承關(guān)系,利用表層元素含量和深層元素含量比值判斷表層土壤元素富集或貧化。由于多目標區(qū)域地球化學調(diào)查土壤樣品按照網(wǎng)格單元采樣,一個表層數(shù)據(jù)代表4km2內(nèi)表層土壤元素含量,以其對應的16km2內(nèi)深層土壤元素含量作為其深部土壤含量,一個深層數(shù)據(jù)對應于4個表層數(shù)據(jù),從而獲得表層與深層對應數(shù)據(jù)47417組。相關(guān)分析(表2)顯示:研究區(qū)表、深層土壤元素質(zhì)量分數(shù)的相關(guān)系數(shù)都達到統(tǒng)計學意義上的顯著相關(guān)性水平,Na2O、CaO、K2O、MgO相關(guān)系數(shù)大于0.700,顯示出極高相關(guān)性;SiO2、Al2O3、TFe2O3相關(guān)系數(shù)為0.598~0.419,顯示出較高相關(guān)性;這些說明研究區(qū)表層土壤中常量元素對成土母質(zhì)有著良好繼承性。表層背景值和深層基準值比值(表3)顯示:SiO2、Na2O、K2O、Al2O3比值在0.90~1.04之間,表明與其自然環(huán)境質(zhì)量分數(shù)相比,其表層富集與貧化不明顯;CaO、MgO、Fe2O3比值都在0.75~0.83之間,顯示了弱貧化特征。在表層土壤中沒有出現(xiàn)顯著富集現(xiàn)象,基本可以確定表層土壤中常量元素基本來自成土母質(zhì)風化作用,人為影響較小。4.3影響因子質(zhì)量比特征的因素對表層土壤中元素來源的分析表明,成土母質(zhì)和元素自身特性是影響研究區(qū)土壤元素質(zhì)量分數(shù)和分布的主要因素,人為影響較小。4.3.1土壤鈣元素特征土壤是在漫長的地質(zhì)年代里,在物理化學和生物作用下由基巖風化的各種松散沉積物(成土母質(zhì))發(fā)育形成的自然介質(zhì),成土母質(zhì)是控制土壤元素質(zhì)量分數(shù)的最根本因素之一。因此,按照成土母質(zhì)分區(qū)進行統(tǒng)計分析,可以獲得各類母質(zhì)發(fā)育形成的土壤中元素質(zhì)量分數(shù)特征,為研究土壤元素分布分配規(guī)律提供依據(jù)。對比各類母質(zhì)區(qū)的土壤背景值(表4)發(fā)現(xiàn):SiO2在各類成土母質(zhì)區(qū)中背景值變化不大,與全區(qū)背景值比值為0.90~1.10;Al2O3在硅鋁質(zhì)花崗巖區(qū)顯示較高土壤背景值特征,比值為1.30,而在其他母質(zhì)類型區(qū)的土壤背景值差別不大,比值為0.87~1.09;TFe2O3在陸相火山碎屑巖與熔巖區(qū)、陸相紅色碎屑巖區(qū)、沖洪積區(qū)顯示較低土壤背景值特征,比值<0.85,而在沿江沖積區(qū)、湖積區(qū)呈現(xiàn)較高土壤背景值特征;K2O在硅鋁質(zhì)花崗巖區(qū)和陸相火山碎屑巖與熔巖區(qū)顯示高土壤背景值特征,比值>1.30;MgO、CaO、Na2O在不同母質(zhì)類型的土壤背景值差異較大,在沿江沖積區(qū)、沖海積、海積、湖積和瀉湖積等母質(zhì)區(qū)顯示高土壤背景值特征,而在基巖母質(zhì)區(qū)、現(xiàn)代沖積區(qū)和沖洪積區(qū)顯示低土壤背景值特征。各類母質(zhì)區(qū)土壤中常量元素質(zhì)量分數(shù)變化(表4)顯示:SiO2、Al2O3在各類成土母質(zhì)區(qū)的變異系數(shù)均小于30%,元素質(zhì)量分數(shù)離散程度小,屬于均勻分布元素;TFe2O3、K2O在各類成土母質(zhì)區(qū)的變異系數(shù)均小于50%,元素質(zhì)量分數(shù)離散程度相對較小,分布相對均勻;MgO在大部分成土母質(zhì)區(qū)的變異系數(shù)小于50%,元素質(zhì)量分數(shù)離散程度相對較小,分布相對均勻分布,而在陸相紅色碎屑巖區(qū)、陸相火山碎屑巖與熔巖區(qū)和現(xiàn)代沖積區(qū)的變異系數(shù)大于50%,元素質(zhì)量分數(shù)離散程度高,呈現(xiàn)不均勻分布;除了陸相火山沉積巖區(qū),Na2O在基巖母質(zhì)區(qū)的變異系數(shù)大于50%,而在第四系母質(zhì)區(qū)(除了現(xiàn)代沖積區(qū))變異系數(shù)均小于50%,說明其在基巖母質(zhì)區(qū)分布不均勻,而第四系母質(zhì)區(qū)分布相對均勻;除了陸相火山碎屑巖與熔巖區(qū),CaO在基巖母質(zhì)區(qū)的變異系數(shù)大于100%,顯示元素質(zhì)量分數(shù)分布呈顯著不均勻分布,而在第四系母質(zhì)區(qū)變異系數(shù)的變化幅度較大,在沖海積、沖湖積、湖積和瀉湖積等母質(zhì)區(qū)的變異系數(shù)小于50%,其他母質(zhì)區(qū)的變異系數(shù)都大于50%,這由于研究區(qū)范圍較大,成土時間存在差別,造成了鈣元素在不同氣候條件和土壤水分情況下淋失量有所不同。對比以殘坡積等原位成土母質(zhì)和以沖海積等多來源母質(zhì)區(qū)土壤常量元素質(zhì)量分數(shù)特征(表4)發(fā)現(xiàn):殘坡積母質(zhì)土壤顯示高SiO2,低MgO、CaO、Na2O、K2O、Al2O3、TFe2O3特征;沖海積母質(zhì)的土壤顯示高MgO、CaO、Na2O、K2O、TFe2O3,低SiO2、Al2O3特征;沿江沖積母質(zhì)土壤顯示高MgO、CaO、Na2O、K2O、TFe2O3、Al2O3,低SiO2特征;殘坡積母質(zhì)區(qū)土壤元素的變異系數(shù)大于沖海積、沿江沉積母質(zhì)土壤。4.3.2土壤因子對土壤理化性質(zhì)的影響相關(guān)性分析(表5)顯示:SiO2與其他元素間為顯著負相關(guān)關(guān)系,Al2O3、TFe2O3、K2O間為顯著正相關(guān)關(guān)系;MgO、CaO、Na2O間為顯著正相關(guān)關(guān)系。因子分析(表6)表明:Al2O3、TFe2O3、K2O為第一因子組合,因子載荷系數(shù)都大于0.65;MgO、CaO、Na2O為第二因子組合,因子載荷系數(shù)都大于0.75;而SiO2則表現(xiàn)出了與2個因子組合相反的特性,在2個因子組合中都表現(xiàn)出負載荷系數(shù)。從相關(guān)性和因子分析結(jié)果顯示,第一因子主要反映了土壤的機械組成狀況。在質(zhì)地較粗的土壤中,石英、長石等原生礦物質(zhì)量分數(shù)較高,因此Si的質(zhì)量分數(shù)高,Al、Fe、K的質(zhì)量分數(shù)相對較低;而質(zhì)地較細的土壤中次生黏土礦物較多,因而Al、Fe、K的質(zhì)量分數(shù)高,Si的質(zhì)量分數(shù)相對較低。第二因子主要反映了成土母質(zhì)的巖性和來源。表4可見,在Ca、Mg、Na的質(zhì)量分數(shù)較高的母質(zhì)區(qū),Si的質(zhì)量分數(shù)相對較低,而Ca、Mg、Na的質(zhì)量分數(shù)較低的母質(zhì)區(qū),Si的質(zhì)量分數(shù)相對較高,Si和Ca、Mg、Na質(zhì)量分數(shù)呈負相關(guān)關(guān)系也反映這一現(xiàn)象。5土壤元素特征因子分析1)區(qū)域內(nèi)SiO2、Al2O3、TFe2O3、K2O等4種元素分布相對均勻,在不同母質(zhì)類型區(qū)土壤元素質(zhì)量分數(shù)差別不大;CaO、MgO、Na2O等3元素分布不均勻,在不同母質(zhì)類型區(qū)土壤元素質(zhì)量分數(shù)差別較大。2