辽东山地冰缘地貌上覆土壤粒度及元素地球化学

刘剑刚, 张 华,2, 朱夏夏, 朱 岩, 何 红, 刘玉国, 兰玉波, 王 颖, 马明军

(1.辽宁师范大学 城市与环境学院, 辽宁 大连 116029; 2.辽宁师范大学 海洋经济与可持续发展研究中心,辽宁 大连 116029; 3.辽宁老秃顶子国家级自然保护区管理局, 辽宁 桓仁 117218)



辽东山地冰缘地貌上覆土壤粒度及元素地球化学

刘剑刚1, 张 华1,2, 朱夏夏1, 朱 岩1, 何 红1, 刘玉国1, 兰玉波3, 王 颖3, 马明军3

(1.辽宁师范大学 城市与环境学院, 辽宁 大连 116029; 2.辽宁师范大学 海洋经济与可持续发展研究中心,辽宁 大连 116029; 3.辽宁老秃顶子国家级自然保护区管理局, 辽宁 桓仁 117218)

对辽东山地典型冰缘地貌上覆土壤的粒度、常微量化学元素进行测试分析，结果表明：土壤颗粒组成包括黏粒20.79%、粉粒69.54%和砂粒9.67%，平均粒径整体偏细，约为6.45Ф，不同土壤类型、地貌类型及坡向的粒度分布存在一定差异。土壤元素化学组成以SiO2(45.60%)，Al2O3(12.90%)，Fe2O3(3.90%)，K2O(2.17%)为主，最大比例可达73.36%。元素Ca，Na，P，Sr显著淋溶，而Mn，Ti，Cu，Zn则相对富集，其他元素迁移不甚明显。少数元素还表现出与粒度分布存在显著关联，其中K，Na，Sr，Ba多存在于砂质土壤中，而元素Ti则容易在粒度更细致的黏土颗粒中留存。化学风化指数CIA均值约为65.50，Rb/Sr约为0.70，反映风化程度较低，且长期经历干冷气候，A—CN—K三角模型表明，研究区土壤风化以脱钙钠、富铝为主，风化水平尚处于低等风化阶段中后期。

冰缘地貌; 老秃顶子; 元素地球化学; 粒度; 化学蚀变指数

土壤的化学风化是地表圈层间相互作用的重要方式之一，化学元素的分布和迁移与土壤的发生及演化关系密切，同时，土壤的元素含量及粒度组成对植物群落的演替和生态系统的维持也具有重要意义[1-2]，良好的土壤环境是改善植被生境、降低山地灾害的必要条件[3]。辽东山地冰缘地貌广布，常见硕大砾石的杂乱堆积，其上覆浅薄土壤难成规模，胶结作用微弱，植物根系难以稳固，在暴雨、地震等诱发条件下，容易发生泥石流、山啸等山地灾害，而且植被自然更新缓慢，生态系统一旦遭到破坏便难以恢复[4]。因此，掌握研究区土壤的质地组成，合理利用土壤特性调节林分布局，加快演替进度，促进土壤进程，提高生态系统的稳定性已成为本区水土保持的重要内容。本文以典型冰缘地貌上覆土壤为研究对象，从元素地球化学角度给予初步研究，得到本区土壤特性的一些量化表达，为林业资源的经营管护、山地灾害的碎屑源研究及后续相关科考工作提供了有益的数据资料。

1 研究区概况

辽东山地老秃顶子国家级自然保护区(124°41′13″—125°5′15″E，41°11′11″—41°21′34″N)位于辽宁省东部桓仁、新宾两县交界处，主峰海拔1 367.3 m，被誉为辽宁第一峰。受白头山末次冰期影响，发育典型冰缘地貌，土壤类型以棕壤、暗棕壤为典型代表，多由花岗岩残积母质发育而成。地带性植被为温性落叶阔叶林，植物区系属长白区系西南边缘，兼有华北植物区系的过渡性。植物多样性丰富且垂直带谱明显，森林覆盖率达97%，属典型的北温带中山山地森林生态系统。境内气候类型属于温带大陆性季风湿润气候，年平均气温6.0℃，年降雨量651～1 315 mm，年平均相对湿度72%，年无霜期139 d[5]。

2 研究方法

于2013年6—7月，在辽东山区老秃顶子国家级自然保护区核心区进行野外调查研究，区分地貌类型并采用样地法(20 m×30 m)[6]，在不同海拔高度选取45处典型冰缘地貌，囿于上覆土壤沉积厚度普遍很薄，无法做完整剖面取样，且颗粒无明显粘连，故根据实际土层厚度取样0—20 cm不等。凋落物收集采用样方收获法(设置0.5 m×0.5 m)[7]，经纬度由易测宝T2 GIS采集器测定，地貌坡度、坡向、海拔高度均从1∶50 000 DEM中提取(图1)。

图1 研究区样地分布情况

3 结果与分析

3.1 土壤粒度

按乌顿—温德华氏粒级标准，区内土壤颗粒组成主要为黏粒20.79%(<0.004 mm)、粉砂颗粒69.54%(0.004～0.063 mm)和砂颗粒9.67%(0.063～2 mm)。其中黏粒比例介于10.52%～26.85%，标准差为3.74%，后两者则分别为56.32%～82.35%，1.40%～30.89%，标准差5.17，5.41，变幅稍大，是各样品粒度分布差异的主要贡献者。根据海洋地质调查规范中分类命名原则[10]，区内土壤质地可分为：黏土质粉砂、粉砂、砂质粉砂。供试样品平均粒径约为6.45Ф(5.41Ф～6.95Ф)，偏度以正偏为主(占55.6%)，峰态介于2.43～4.04，很窄峰(Kg<3.00)占83.3%，反映土壤颗粒整体较细、集中度高，粗粒度端拉长趋势明显，但比重很低。对比不同土壤类型，暗棕壤颗粒(平均粒径约6.48Ф)细于棕壤(6.41Ф)，石海地貌土壤颗粒(6.40Ф)粗于石流坡(6.61Ф)，北坡(6.57Ф)土壤颗粒细于向阳南坡(6.49Ф)。其中石海地貌以灌丛、灌草丛覆盖为主，覆盖率高；石流坡则植被覆盖率较低；石河地貌植被覆盖优良，以高大乔木为主，林下凋落物量积累程度不高，反映微生物的分解作用显著。

3.2 土壤元素分布特征

研究区上覆土壤有机质含量较高，常量元素氧化物以SiO2(45.60%)，Al2O3(12.90%)，Fe2O3(3.90%)，K2O(2.17%)为主要组分，合计含量最高可达73.36%，Na2O，MgO，CaO含量较低，分别为1.44%，1.32%，1.14%，MnO，TiO2，P2O5含量均不足1%，各为0.09%，0.60%，0.24%。微量元素氧化物SrO为169.11 μg/g，BaO为484.89 μg/g，CuO为35.22 μg/g，ZnO为109.93 μg/g，Rb2O为115.53 μg/g(图2)。海拔梯度上，常量元素Ca和Mn含量波动显著，变异系数达35.05%，37.35%，P元素(C.V.20.00%)含量明显随海拔降低呈波动减小，是与针叶林下(石流坡地貌)土壤酸性淋溶有密切关系[11]，Si，Al，Ti变异系数约为10%，变化相对较小；微量元素含量整体波动明显，变异系数介于19.05%～31.01%，元素Rb，Sr含量变幅相对突出，余者相差不大。此分布形式缘于Rb，Sr，Ca，Mg，Na等都是水溶性较强的元素，易发生淋溶作用，极易在化学风化过程中迁移，Si，Al化学活性比较稳定，在表生环境中不易迅速风化，即使被解析出来，也多转变为次生黏土矿物存留下来，而Ti，Fe稳定性虽较前者稍差，但不易形成可溶化合物，所以元素含量变化并不显著。

图2 常、微量元素氧化物含量及烧失量、pH、凋落物量变化

对供试样品常微量元素进行上陆壳标准化处理(上陆壳UCC及陆源页岩PAAS来源于文献[12])得到图3：常量元素无论按土壤类型、地貌类型，还是不同坡向，均表现为Mn和Ti高于UCC，Ca，Na，P依次呈低值，其他元素与UCC水平接近。其中Si，Al，Fe等稳定元素的含量比大连七顶山黄土、洛川黄土酸不溶相、镇江下蜀黄土等都要低[12]，甚至表现出轻微的量亏损。根据pH值测试结果，供试样品pH值约为4.69(图2)，说明本区土壤酸性较强，元素整体都发生了不同程度的淋溶。活性元素Ca，Na多存在于碳酸盐矿物中，在山地小气候的丰富降雨条件下会因水溶而显著淋失，微量元素Sr同样在丰水条件下容易以游离态随地表水、地下水流失或存在土壤溶液中。而Mn，Ti，Cu，Zn的相对富集一方面在于化学稳定性较好(如Ti不易形成可溶化合物)，另一方面在于植物体在充分利用这些必需元素后，还会以凋落物的形式将元素返还地表，其含量多少及波动状况与植物量也有一定关系，而且游离的Cu，Mn，Zn也容易附着于有机质及黏土矿物，所以其含量的多少在一定程度上也指示了土壤所受的风化程度。另外，地处较高海拔的暗棕壤元素含量变幅较棕壤更大、海拔较低且植被覆盖良好的石河地貌常微量元素变幅较小，冰缘遗迹较多的北坡常微量元素比向阳南坡淋失更多、富集更少、元素含量变幅也更小，反映水热条件差异及植被覆盖程度对元素的分布存在一定影响，植物体在元素的迁移过程中起到一定的吸收、缓冲作用。

图3 经上陆壳标准化的常微量元素氧化物含量变化

3.3 化学风化强度

供试土壤样品CIA介于57.41～70.44，平均值为65.50，其中，介于55～70的样品占97.8%，对比前人结果[13]，可知本区成土母质来源于黄土和更新世冰川黏土，而矿物多以斜长石风化，转向伊利石、蒙脱石为主，风化水平不高。另外，对Rb/Sr[14]的计算结果显示，比值介于0.35～1.54，平均值仅为0.70，指示风化环境以干冷气候占据主导，暖湿气候则相对较少。对比暗棕壤(66.98)、棕壤(63.07)，石海(66.50)、石流坡(66.58)、石河(64.29)，山顶(66.50)、北坡(66.13)、南坡(68.02)、东坡(64.37)等不同土壤类型、不同地貌、不同坡向的样品CIA值，能够发现较低植被覆盖率(对应石流坡地貌植被覆盖)[5]和较高海拔有利于化学风化，尤其是向阳坡风化强度将更大，而且，常微量元素的淋失和富集强度与不同环境下的CIA值变化具有一致性。风化过程中元素的迁移行为，可以通过A-CN-K三角模型来表达，其原理：陆源页岩(PAAS)是典型的上陆壳(UCC)初级风化产物，UCC指向PAAS的方向代表典型的大陆初期风化趋势[12]。供试样品数据点整体排列方向与UCC→PAAS方向一致，供试样品CIA集中在60～70(83.3%)，小于PAAS(70.36)[15]，但远高于UCC(47.9)[16]，指示研究区土壤已经过长期低等风化，但尚未超过陆源页岩的风化程度。其中斜长石矿物大量风化，土壤进程表现出脱钙钠、富铝的主要趋势，钾长石矿物比例在此间稍有上升，说明土壤风化水平处于低等风化阶段中后期，并将逐渐进入脱钾、富铝阶段。相对澧阳平原沉积物(74.37)和洛川黄土(63.73)[17]，本区CIA更接近辽南马兰黄土(64.14)[12]，说明风化强度与其大体一致，或稍强于地处半岛南端的马兰黄土，对应的风化环境主要为寒冷、干燥气候。

图4 A-CN-K三角图解

4 讨论与结论

研究区冰缘地貌上覆土壤在成土过程中长期经历干冷环境，鲜有暖湿气候交替变换，土壤厚度很薄、风化程度尚处于初等阶段末期，但自然肥力较强。对烧失量的计算结果(图2)显示，本区土壤中有机质含量高达19.54%，此缘于冰缘期的冰冻条件对有机质的积累和冰缘期后[18]温暖、湿润气候导致的气温回升、降水增加、地表植被迅速覆盖。同时，凋落物量也相应增大，约为1 153.37 g/m2(图2)，这既促进了元素循环，又有利于土壤表层腐殖质的累积，对增强土壤肥力，提高成壤水平起到积极作用[19]。

根据前人研究成果[20]，土壤粒度与元素的分布存在一定的控制关系。对本区土壤粒度和元素的相关分析结果表明(表1)，K，Na，Sr，Ba都呈现出与砂粒显著正相关，与粉砂显著负相关(Ba负相关)，表明四种元素多存在于透水较好、粒度稍粗的砂质土壤当中，而当颗粒细至粉砂、甚至到黏粒时，元素含量将随风化淋溶强度的增大逐渐减小。其中，元素Sr的分布与粒度关系密切，其元素活性强于Ba，吸附能力弱于K，在暖湿环境下的酸性土壤中，容易以Sr2+的游离态存在于土壤溶液中。而同样显著淋失的Ca并未与粒度表现出良好的相关关系，是由于淋失后的Ca会以其他化合物形式存留(如胶体沉淀、生物壳体)[21]，元素Ti则因化学性质较稳定，即使经历较强风化，仍难形成可溶化合物，表现为随风化程度的加深而逐渐累积。本区土壤粒度与元素的关系特征大体契合了低等风化阶段元素的淋失与富集规律。

表1 元素含量与粒度的相关性

注：**表示p=0.01，极显著相关； *表示p=0.05，显著相关。

通过不同坡位的元素及粒度特征对比结果，能够发现影响本区成土进程的主要因素有两方面：一是水热条件直接影响土壤形成过程的方向和强度，如温暖、湿润的气候有利于氧化、水解等化学作用的进行。二是植物体对土壤中元素的利用及归还，不仅促进了物质循环，还通过制造有机质推动了土壤的形成和演化。由此可知，增加植被覆盖，人为植苗造林(尤其混交林)是改善土壤质量，提高地貌稳定的实际工作需要。另外，淋溶土的肥力下降较快，容易发生水土流失，固土保肥和防止内涝同样是不可忽视的重要工作。综上可概括本文结论为：

(1) 辽东山地冰缘地貌上覆土壤粒度组成以粉砂为主，平均粒径6.45Ф，粒级较为集中且整体颗粒细致，在良好植被覆盖和向阳坡条件下，土壤粒度表现更粗。元素地球化学组成以SiO2，Al2O3，Fe2O3，K2O为主，活性较强的常、微量元素Ca，Na，P和Sr显著淋溶，而较稳定元素Mn，Ti和Cu，Zn则相对富集，水热条件及植被覆盖对元素的迁移均有影响。

(2) 少数元素与粒度特征存在显著关联，元素K，Na，Sr，Ba多存在于透水较好、粒度稍粗的砂质土壤中，其含量变化随土壤颗粒变细逐渐减小；而稳定元素Ti则易于留存在颗粒更细的黏粒中，其富集量在一定程度上能够反映本区土壤的风化进程。

(3) CIA指数(57.41～70.44)和Rb/Sr(0.35～1.54)平均值各为65.50，0.70，结合A—CN—K图解所示，本区土壤长期处于寒冷、干燥的气候环境，风化水平尚处于低等风化中后期，土壤进程以脱钙钠、富铝为主要趋势，并将逐渐进入脱钾、富铝阶段。

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Grain Size and Geochemical Characteristics of Overlying Soil on Periglacial Landforms in Eastern Liaoning

LIU Jiangang1, ZHANG Hua1,2, ZHU Xiaxia1, ZHU Yan1, HE Hong1,LIU Yuguo1, LAN Yubo3, WANG Ying3, MA Mingjun3

(1.SchoolofUrbanandEnvironmentalScience,LiaoningNormalUniversity,Dalian,Liaoning116029,China; 2.CenterforStudiesofMarineEconomyandSustainableDevelopment,LiaoningNormalUniversity,Dalian,Liaoning116029,China; 3.AdministrationofLaotudingziNationalNatureReserve,Huanren,Liaoning117218,China)

The grain-size, major elements and microelements of the overlying soil in the typical periglacial landform in Mt. Laotudingzi have been analyzed. The results showed that most of the soil particles were fine, the mean grain size ranged from 5.41Ф to 6.95Ф with an average of 6.45Ф, and the soil particles were made up of clay (20.79%) and silt (69.54%) and sand (9.67%). The distribution of grain sizes varied in different soils, landforms and aspects. The geochemical composition of soil elements are mainly dominated by SiO2(average value 45.60%), Al2O3(12.90%), Fe2O3(3.90%) and K2O (2.17%), and the total proportion of them may reach up to 73.36%, which indicates that the silicate and aluminosilicate can be found widely in the soil. Under the condition of long-term chemical weathering, the amount of water soluble Ca leaching significantly increased, and it is the same as Na, P, Sr. However, the elements for low chemical reactivity are enriched at the same phase, such as Mn, Ti, Cu and Zn, and the transference of other elements is not obvious. All of the elements have been standardized by UCC. In addition, the correlation between grain-size and a few elements was observed, which could be interpreted that elements such as K, Na, Sr and Ba distributed widely in sandy soil and gradually dropped off in silt soil, while the element Ti was just reverse. The chemical index of alteration (CIA) was widely used as the index ascertaining the degree of chemical weathering, the value here ranged from 57.41 to 70.44 with an average of 65.50. With the addition of value of Rb/Sr, which ranged from 0.35 to 1.54 with an average of 0.70, it was reflected that the soil was slightly weathered and suffered long-term dry and cold climate. The introduction of the diagrammatize of A-CN-K made the research on chemical weathering intensity more direct and intuitive, as was indicated in the graph, the weathering level of samples was at mid-late stage of lower chemical weathering which was characterized by leaching of Na, Ca and enriching of Al.

periglacial landform; Mt. Laotudingzi; element geochemistry; grain size; chemical index of alteration

2015-02-24

2015-05-18

国家自然科学基金项目“辽东山地老秃顶子冰缘地貌植物群落稳定性研究”(41271064)

刘剑刚(1986—),男,吉林松原人,博士研究生,主要研究方向:区域生态与环境研究。E-mail:ljgemail@126.com

张华(1965—),女,山东东明人,教授,博士生导师,主要研究方向:植物地理和恢复生态研究。E-mail:zhanghua0323@sina.com

P595

1005-3409(2015)05-0331-05