阴山北麓表土化学成分特征及与其他地区对比分析

李占宏，海春兴，刘广通

(1．包头师范学院资源与环境学院，内蒙古包头014030;2．内蒙古师范大学地理科学学院，内蒙古呼和浩特010022)

1 研究的目的与意义

土壤是陆地表面能够生长植物的疏松表层，是多种自然因素综合作用下在陆地表层形成的复合系统，有复杂的特征与组成，包括质地、结构、颜色、成分等多方面。土壤是成土因素综合作用下的产物，其成分可以反映成土环境，通过对土壤样品化学风化指标的分析，可以反推其形成演化的水热环境。受自然因素与人类活动的综合作用，土壤的性状在不断地发生着变化，土壤性状的变化又会反作用于其影响因素，在土壤性质与作用因素间形成复杂的反馈机制，这些反馈机制使土壤性质既可能向良性方向也可能向恶性方向发展。研究土壤成分变化和导致成分变化的影响因素，对于控制反馈机制，使土壤性状向着良性方向发展，从而促进农业生产发展具有重要的意义。

阴山北麓位于农牧业交错地带，是现代典型的生态脆弱环境区。该区历史上曾长期是牧业生产区，由于近100年来人口的增加和人类生产活动的加剧，目前已过渡为以农耕为主、放牧为次的农业环境。在以人类活动为主的影响下，阴山北麓成为草地向耕地转变的集中区域［1］，土地利用方式的逐渐改变和人类活动强度的加大，使阴山北麓农业生态环境日趋恶化。

目前，对阴山地区的土壤研究主要集中于用地类型的转化、土壤风蚀及土壤水分、养分等的变化方面:肖飞等对阴山中段1990—2000年间土地利用类型转换格局作了详细分析［1］，李忠辉等研究了农牧交错带缓坡丘陵区土壤水分空间分布特征［2］，王永等对阴山北麓的土壤侵蚀进行了计算与分析［3］，赵举等对阴山北麓农牧交错带的防风技术进行了研究［4］，海春兴等对阴山北麓不同用地方式下春季土壤表层水分变化进行了详细分析并探讨了春季不同时段影响土壤水分变化的主导因素［5］，但有关阴山北麓地区土壤化学成分分析方面的研究却少见报道。鉴于此，本研究选取阴山北麓典型样区进行表土采样，通过测定K2O、CaO、Na2O、MgO、Al2O3、SiO2、Fe2O3等主量成分和Mn、Cu、Pb、As、Ti 等微量元素含量，用富集因子的方法计算各种微量成分的富集程度，以确定研究区表土化学成分的含量和迁移状况;用化学风化指标定量计算阴山北麓表土的化学风化强度，以对比阴山北麓地区与哈尔滨市沙尘暴源区、兰州沙尘暴源区及兰州黄土的化学风化环境。通过研究，以阐明该地区的土壤环境状况并有助于土壤污染防治。

2 研究区概况与样品采集

内蒙古阴山北麓干旱草原区位于阴山山地与内蒙古高原之间，为半干旱农牧交错生态过渡带。本地带从西到东，包括乌拉特中旗、固阳县、达茂旗、武川县、四子王旗、察右中旗、察右后旗、商都县、化德县和太仆寺旗、多伦县等11 个旗县的全部或部分。采样区主要位于武川县境内和达茂旗的东南部，面积约23 000 km2。采样区内地理环境复杂多样，主要山脉为大青山，武川县境内的北部和中西部地势起伏平缓，形成了武川盆地;属中温带大陆性季风气候，冬季长而寒冷，夏季短而凉爽，温差大，日照充足，多风沙和寒潮，年均降水量360.4 mm，年最大降水量553．3 mm，年最小降水量192．2 mm，降水集中在6—9月份，占年降水量的81%;年均风速3．6 m/s，年均≥8 m/s风速的日数为116．4 d，年均≥17 m/s 的大风日数为39 d，区内土壤风蚀严重。

在阴山北麓的武川县和达茂旗境内，沿东南至西北方向，用GPS 进行野外定点，用20 cm ×20 cm ×3 cm 的大平铲挖取0—6 cm 的表土作为试验用土样，每个样地设2 个重复。采样地选择根据样地的地形、土地利用状况、距离、地貌部位及土壤质地的不同加以确定。样地间隔15～30 km，先后选取退化林地、耕地、草地、未成林林地、人工林地、灌丛地、多年退耕地等13 个样地。将取回的土样经风干过0．15 mm 的筛后，用日立508 型原子吸收分光光度计测定化学成分。

3 试验结果与分析

3．1 试验结果

研究区表土主要成分为SiO2(含量53．4%～61．4%)、Al2O3(12．09%～14．32%)、Fe2O3(3．39%～7．35%)，其次为Na2O、MgO、K2O、CaO 等，其含量普遍低于3%。据测定，微量元素中以Ti 含量为最高，其含量在2．455‰～4．456‰之间;As 含量最少，在0．010 2‰～0．016 8‰之间;Mn、Cu、Pb 含量居中。研究区表土化学成分测定结果见表1。

表1 研究区表土化学成分测定结果

将研究区各样地表土成分进行平均计算，结果见表2。从表2 知，研究区表土的Al2O3、SiO2、Fe2O3含量之和为74．90%，比哈尔滨沙尘暴沉积物低2．90 百分点，比兰州沙尘暴沉积物和兰州黄土分别高5．82、4．16 百分点。由于Al、Fe、Si 在暖湿气候条件下相对富集，在干冷条件下相对流失［6］，因此可知阴山北麓表土水热环境远好于兰州黄土环境和兰州沙尘的尘源环境，而略差于哈尔滨沙尘的尘源环境。

表2 研究区与其他地区表土主要成分对比

3．2 化学风化指标分析

沉积物中的Al/(Ca+Na+K)、K/Na、K/Ca、Al/Na、Fe/Mg、Al/ Si、(Al+Fe)/Si 等比值常被用作衡量地表沉积物化学风化强弱的指标，其值越高化学风化就越强烈，反之则弱［10］。

化学风化强度主要受水热条件的控制，水热条件较好造成了Ca、Na、Mg 等元素的淋失，而Fe、Al、K 等元素则相对富集。从表3 化学风化指标整体情况可知，研究区表土的化学风化程度较兰州黄土及兰州沙尘的风化程度高，与哈尔滨沙尘化学风化程度相近但略偏低，说明阴山北麓地区的水热综合环境要优于兰州地区，其化学风化程度较高，而兰州地区以物理风化为主，哈尔滨沙尘源区风化环境略强于阴山北麓地区。

表3 研究区与对比区土壤化学风化指标

3．3 富集因子法分析

对研究区农田表土样品微量元素测定结果进行富集系数计算，其计算式为

式中:Cx为x 元素(某一元素)的含量;CAl为Al 元素的含量;“表土”和“地壳”分别表示元素在表土中的含量和地壳中的丰度，地壳中的丰度值采用黎彤［11］的研究值(表4)。

表4 地壳中各元素的丰度值‰

富集系数计算结果见表5。从表5 可以看出，研究区表土的微量元素组成显示Ti、Mn、Cu 的富集系数均小于1，呈现流失状态，除5 号样地(多年退耕地，Cu 流失较少)及9 号样地(耕地，Mn 流失较少)较特殊外，其他各样地均表现出EFTi＞EFMn＞EFCu的特征。李勇等［12］通过对黄土区植物根系对营养元素迁移影响的研究，认为在林地(30 cm 以下土层)、草地(10 cm以上土层)和农地土层中，微量元素水迁移强度序列为Cu ＞Mn＞Fe，研究区表土中Cu、Mn 元素迁移也表现出与黄土地区相似的特征。

表5 研究区表土微量元素富集系数

图1 为研究区表土As、Pb 元素富集系数。从图1 可看出，Pb、As 的富集系数均大于1，呈富集状态，各样地均表现出EFAs＞EFPb，且5 ＜EFAs＜10、1．5 ＜EFPb＜2．5，说明这两种元素有人为来源。在各样地上As、Pb 两种元素的富集系数相关性很差，说明这两种元素的污染来源很可能不同。

图1 研究区表土As、Pb 元素富集系数

4 结 语

(1)阴山北麓表土化学成分以Al2O3、SiO2、Fe2O3为主，三者的含量之和为74．90%，比哈尔滨沙尘暴沉积物低2．90 百分点，比兰州沙尘暴沉积物和兰州黄土分别高5．82、4．16 百分点，说明阴山北麓表土水热环境明显优于兰州地区而略不及哈尔滨沙尘源区。

(2)化学风化指标的综合运用反映出阴山北麓表土的气候、生物状况和化学风化程度明显优于兰州地区而略不及哈尔滨沙尘源区。

(3)阴山北麓各种地类的表土微量成分中，Ti、Mn、Cu 的富集系数均小于1，呈现流失状态，且各样地普遍表现出EFTi＞EFMn＞EFCu的特征;Pb、As 的富集系数均大于1，呈富集状态，各样地均表现出EFAs＞EFPb的特征，说明Pb、As 元素有人为污染源存在且来源不同。

［1］肖飞，张百平，莫申国，等．阴山中段山地土地利用类型转换格局分析［J］．山地学报，2005，23(2):185－190．

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