华东多目标区域地球化学调查区土壤常量元素地球化学特征

张 明，陈国光，高 超，杨 辉，刘红樱，梁晓红，尹爱经，张 徐

1.中国地质大学地球科学学院，武汉 430074

2.中国地质调查局南京地质调查中心，南京 210016

3.南京大学地理与海洋科学学院，南京 210093

0 引言

土壤元素组成与分布受多种因素的控制，成土母质通常是关键控制因素。相应地，土壤元素的组成特征也能在一定程度上反映成土母质特征［1］。不同成土母质发育形成的土壤，其常量元素组成不同，土壤常量元素组成特征已被用来分析成土母质和研究土壤风化程度［2－4］。前人研究多针对典型地区、流域沉积物、典型剖面成土风化过程［4－8］，利用区域地球化学资料开展这方面研究的案例较少见。笔者以华东多目标地球化学调查区为例，从区域尺度研究了土壤常量元素质量分数的变化及元素组合特征，分析了该地区常量元素来源和影响因素，旨在找出在区域尺度上不同母质发育土壤元素组合特征和质量分数差异性，为其他开展多目标区域地球化学调查地区进行类似研究工作提供依据。

1 研究区概况

研究区范围涉及华东地区4省1市，地理坐标：东经114°30′－121°55′，北纬27°20′－33°40′，总面积为135 530km2（图1）。

区内主要以第四纪松散层为主，周边前第四纪地层出露主要有中新元古界、青白口系、南华系、寒武系、奥陶系、志留系、泥盆系等。区内第四纪期间，发生了多期冷暖气候旋回，海陆交互作用频繁，致使区域内第四纪地层成因复杂。其沉积环境可分为海积、冲海积、湖积、泻湖积、冲湖积、冲积等多种成因类型。

区内主要发育四堡、晋宁、燕山期的岩浆岩，其中以燕山期侵入岩规模最大，阶段性作用明显。侵入岩从超基性岩－超酸性岩类均有产出，以燕山期中酸性岩类为主。

区内地貌类型主要有侵蚀－剥蚀地貌、侵蚀－堆积地貌、堆积地貌3种类型：侵蚀－剥蚀地貌分为侵蚀－剥蚀中山、侵蚀－剥蚀低山、侵蚀－剥蚀丘陵，主要分布在赣东北、赣西北、南陵、广德、宜溧、宁绍台等地区；侵蚀－堆积地貌为侵蚀－堆积岗地，主要分布在江淮地区；堆积地貌分为冲积－洪积平原、冲积平原、冲积－湖积平原、湖积平原、冲积－海积平原和海积平原，主要分布在长三角、淮北、沿江、鄱阳湖周边等地区。

2 数据来源与质量分析

采用双层网格化采样模式［9］，分别采集表层和深层2层土壤样品，采样质量为1 000g，样品在自然条件下风干后，每个样品过20目尼龙筛。表层土壤采样密度为1个/km2，采样深度0.0～0.2m，每4km2组合成一个分析样，累计获取表层组合样品48 130件；深层土壤采样密度为4个/km2，采样深度1.5～2.0m，每16km2组合成一个分析样，累计获取深层组合样品12 008件。

样品采用多目标区域地球化学调查规定的分析方法及质量监控方案［10－11］，由江苏省地质调查研究院测试应用研究所、中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所中心实验室、安徽省地质实验研究所和江西省地矿局实验测试中心承担分析测试。

样品分析测试：分析元素为 SiO2、Al2O3、TFe2O3、MgO、CaO、Na2O、K2O共7项。

3 数据处理

本次以第四系成因类型和前第四纪地层建造为依据划分单元，力求反映第四纪沉积和前第四纪地层建造与土壤属性的联系，划分成土母质单元有海积、冲海积、陆相火山碎屑岩与熔岩、浅海碳酸盐岩与碎屑岩等。每个母质单元求取表层土壤背景值和深层土壤基准值，背景值和基准值求取方法按照陈国光等［12］提出的方法求取。

利用SPSS软件进行元素的平均值、标准离差、变异系数、众值、正态分布检验等统计分析。

4 结果与讨论

4.1 元素含量及分布特征

研究区表层土壤中SiO2、TFe2O3质量分数明显高于中国、美国和欧洲背景值，呈现高背景特征；Al2O3质量分数介于美国背景值与中国、欧洲背景值之间；CaO、Na2O质量分数明显低于中国、美国和欧洲背景值，呈现低背景特征；MgO、K2O质量分数低于中国和欧洲背景值，高于美国背景值（表1）。这是因为研究区地处亚热带，气候温暖湿润，风化成土过程中Ca、Na等化学性质活泼的盐基离子大量淋失，而土壤中的Si、Al则相对富集。

由变异系数结果（表1）可知：CaO变异系数为104.74%，表明在研究区内其质量分数变化大，分异显著；MgO、Na2O变异系数分别为50.45%、53.01%，属 于 中 等 强 度 变 异；SiO2、Al2O3、TFe2O3、K2O变异系数较小，说明元素在区域上质量分数变化较小，显示较弱的分异性。

正态分布检验（表1）显示：研究区常量元素都不符合正态分布［14］，TFe2O3、CaO 、K2O 、Al2O3、MgO和Na2O偏度值都大于0.000，都属于正偏态分布，SiO2的偏度值小于0.000，属于负偏态分布；TFe2O3、CaO 、K2O峰度值大于3.000，说明这些元素含量数据更集中在平均值附近，Al2O3、MgO、SiO2峰度值小于3.000，说明这些元素含量数据分布比正态分布更离散，Na2O峰度值小于0.000，这种现象是由于多峰或者双峰分布造成的。

4.2 表层土壤元素来源判断

一个地区或一个流域的环境要素主要取决于其所处的地质地球化学背景，尤其是土壤中元素含量的高低和元素存在形态的变化从根本上受控于自然地质地球化学作用过程［15］。表层土壤除自然成土过程以外，受到人为影响较大，其元素的含量特征是否能代表其母质特征有待于求证；而土壤剖面的底部成土作用较弱，深部物质组成更接近于成土母质组成［16－17］，因此可以利用表层土壤和深层土壤元素相关性来判断表层土壤对成土母质的继承关系［17－20］，利用表层元素含量和深层元素含量比值判断表层土壤元素富集或贫化［21－22］。

由于多目标区域地球化学调查土壤样品按照网格单元采样［9］，一个表层数据代表4km2内表层土壤元素含量，以其对应的16km2内深层土壤元素含量作为其深部土壤含量，一个深层数据对应于4个表层数据［20］，从而获得表层与深层对应数据47 417组。

相关分析（表2）显示：研究区表、深层土壤元素质量分数的相关系数都达到统计学意义上的显著相关性水平，Na2O、CaO、K2O、MgO相关系数大于0.700，显示出极高相关性；SiO2、Al2O3、TFe2O3相关系数为0.598～0.419，显示出较高相关性；这些说明研究区表层土壤中常量元素对成土母质有着良好继承性。

表层背景值和深层基准值比值（表3）显示：SiO2、Na2O 、K2O 、Al2O3比值在0.90～1.04之间，表明与其自然环境质量分数相比，其表层富集与贫化不明显［20］；CaO、MgO、Fe2O3比值都在0.75～0.83之间，显示了弱贫化特征［20］。在表层土壤中没有出现显著富集现象，基本可以确定表层土壤中常量元素基本来自成土母质风化作用［23］，人为影响较小。

表1 表层土壤常量元素统计参数Table 1 Statistical parameters of macro-elements in surface soils

表2 表、深层土壤元素相关系数Table 2 Correlation coefficient of macro-element between surface soils and deep soils

表3 表、深层土壤元素质量分数比值Table 3 Ratio of macro-elements content in surface soils with deep soils

4.3 元素质量分数特征影响因素

对表层土壤中元素来源的分析表明，成土母质和元素自身特性是影响研究区土壤元素质量分数和分布的主要因素，人为影响较小。

4.3.1 成土母质影响

土壤是在漫长的地质年代里，在物理化学和生物作用下由基岩风化的各种松散沉积物（成土母质）发育形成的自然介质［24］，成土母质是控制土壤元素质量分数的最根本因素之一［16］。因此，按照成土母质分区进行统计分析，可以获得各类母质发育形成的土壤中元素质量分数特征，为研究土壤元素分布分配规律提供依据。

对比各类母质区的土壤背景值（表4）发现：SiO2在各类成土母质区中背景值变化不大，与全区背景值比值为0.90～1.10；Al2O3在硅铝质花岗岩区显示较高土壤背景值特征，比值为1.30，而在其他母质类型区的土壤背景值差别不大，比值为0.87～1.09；TFe2O3在陆相火山碎屑岩与熔岩区、陆相红色碎屑岩区、冲洪积区显示较低土壤背景值特征，比值＜0.85，而在沿江冲积区、湖积区呈现较高土壤背景值特征；K2O在硅铝质花岗岩区和陆相火山碎屑岩与熔岩区显示高土壤背景值特征，比值＞1.30；MgO、CaO、Na2O在不同母质类型的土壤背景值差异较大，在沿江冲积区、冲海积、海积、湖积和泻湖积等母质区显示高土壤背景值特征，而在基岩母质区、现代冲积区和冲洪积区显示低土壤背景值特征。

各类母质区土壤中常量元素质量分数变化（表4）显示：SiO2、Al2O3在各类成土母质区的变异系数均小于30%［25］，元素质量分数离散程度小，属于均匀分布元素；TFe2O3、K2O在各类成土母质区的变异系数均小于50%［21］，元素质量分数离散程度相对较小，分布相对均匀；MgO在大部分成土母质区的变异系数小于50%，元素质量分数离散程度相对较小，分布相对均匀分布，而在陆相红色碎屑岩区、陆相火山碎屑岩与熔岩区和现代冲积区的变异系数大于50%，元素质量分数离散程度高，呈现不均匀分布；除了陆相火山沉积岩区，Na2O在基岩母质区的变异系数大于50%，而在第四系母质区（除了现代冲积区）变异系数均小于50%，说明其在基岩母质区分布不均匀，而第四系母质区分布相对均匀；除了陆相火山碎屑岩与熔岩区，CaO在基岩母质区的变异系数大于100%，显示元素质量分数分布呈显著不均匀分布，而在第四系母质区变异系数的变化幅度较大，在冲海积、冲湖积、湖积和泻湖积等母质区的变异系数小于50%，其他母质区的变异系数都大于50%，这由于研究区范围较大，成土时间存在差别，造成了钙元素在不同气候条件和土壤水分情况下淋失量有所不同。

对比以残坡积等原位成土母质和以冲海积等多来源母质区土壤常量元素质量分数特征（表4）发现：残坡积母质土壤显示高SiO2，低 MgO、CaO、Na2O、K2O、Al2O3、TFe2O3特征；冲海积母质的土壤显示高 MgO、CaO、Na2O、K2O、TFe2O3，低SiO2、Al2O3特征；沿江冲积母质土壤显示高MgO、CaO、Na2O、K2O、TFe2O3、Al2O3，低SiO2特征；残坡积母质区土壤元素的变异系数大于冲海积、沿江沉积母质土壤。

4.3.2 元素间相关关系

相关性分析（表5）显示：SiO2与其他元素间为显著负相关关系，Al2O3、TFe2O3、K2O间为显著正相关关系；MgO、CaO、Na2O间为显著正相关关系。

因子分析（表6）表明：Al2O3、TFe2O3、K2O 为第一因子组合，因子载荷系数都大于0.65；MgO、CaO、Na2O为第二因子组合，因子载荷系数都大于0.75；而SiO2则表现出了与2个因子组合相反的特性，在2个因子组合中都表现出负载荷系数。

表4 不同成土母质区常量元素背景值与全区背景值比值及变异系数Table 4 Ratio of background in different parent materials with the background of the whole area

表5 表层土壤常量元素间相关系数Table 5 Correlation coefficients of macro-elements in surface soils

表6 表层土壤中7种元素经极大方差法旋转后的因子载荷Table 6 Factor loading of Seven elements in surface soils after varimax rotation

从相关性和因子分析结果显示，第一因子主要反映了土壤的机械组成状况。在质地较粗的土壤中，石英、长石等原生矿物质量分数较高，因此Si的质量分数高，Al、Fe、K的质量分数相对较低；而质地较细的土壤中次生黏土矿物较多，因而Al、Fe、K的质量分数高，Si的质量分数相对较低。

第二因子主要反映了成土母质的岩性和来源。表4可见，在Ca、Mg、Na的质量分数较高的母质区，Si的质量分数相对较低，而Ca、Mg、Na的质量分数较低的母质区，Si的质量分数相对较高，Si和Ca、Mg、Na质量分数呈负相关关系也反映这一现象。

5 结论

1）区域内SiO2、Al2O3、TFe2O3、K2O等4种元素分布相对均匀，在不同母质类型区土壤元素质量分数差别不大；CaO、MgO、Na2O等3元素分布不均匀，在不同母质类型区土壤元素质量分数差别较大。2）该地区表层土壤中常量元素对成土母质有良好继承性，表层土壤元素基本来源于成土母质，表层土壤元素特征在一定程度上能够代表其成土母质组成特征。3）常量元素因子分析结果显示，第一因子指示了本区土壤机械组成状况，第二因子反映了成土母质的岩性和来源。4）以残坡积为代表的原位成土母质与以长江冲积物和滨海冲积物等混合沉积物为母质的土壤常量元素的组合特征不同，其元素空间变异性差别较大。5）利用表层土壤元素组合特征和质量分数高低在一定程度上能辨别出土壤的成土母质岩性、来源和土壤机械组成。

研究中得到了华东地区各省地质调查院帮助，在此表示感谢。

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