辽宁兴城地区绥中花岗岩--棕壤土矿质元素迁移特征

陶景梅,王建国,刘欣玥,韩亚杰, 刘志川

1.吉林大学 博物馆，长春 130061；2.吉林大学 地球科学学院，长春 130061

0 引言

辽宁省兴城地区，以绥中花岗岩作为成土母质的酸性棕壤土是当地特色土壤类型，生产的花生等大田作物以及苹果、梨等园林产品具有很高品质，推测与成土母质的物理化学性质相关[1--2]，但一直缺乏深入的研究。因此，研究绥中花岗岩区基岩及成土母质与土壤中矿质元素的相关性特征与迁移规律对于因地制宜地配置农作物产品、指导农业生产具有重要的指导意义[3--4]。

1 成土地质条件

兴城市处于辽西地区，大地构造位置为华北克拉通东北缘，燕辽沉降带和山海关古隆起的构造复合部位[5]。东南为华北断坳(新生代渤海湾盆地)，北邻内蒙地轴[5--6]。兴城地区新生代以来，随着渤海湾大陆裂谷盆地的不断下降，燕山山地抬升，海陆差异性升降，全区处于剥蚀状态，近海地区和山间沟谷地带，接受剥蚀物质的堆积[5]。在兴城西南沿海至绥中及山海关地区分布着大量的花岗质岩石。其中，大面积分布的绥中花岗岩，又称绥中片麻杂岩，是辽西地区太古宙的古老地质体[7]，由于剥蚀，这些岩石裸露出地表，遭受风化侵蚀并形成土壤。

成土母岩及母质的类型和特性决定了土壤的形态、物化性质和养分组成，也直接影响土壤的农业生产特性。在兴城地区以绥中花岗岩作为成土母质发育形成的耕型酸性岩类棕壤土广泛分布，面积达到361 km2，主要分布在丘陵缓岗地区。土层厚度30～150 cm，耕层下部为成土母质及母岩。该类耕作土壤土层相对浅薄，但质地疏松，孔隙丰富，通过保持水土等措施，是兴城地区特色农作物的优质土壤[8]。

2 样品采集与分析

2.1 标准剖面的建立与样本采集

根据母岩、成土母质及土壤发育的空间分布确定以绥中花岗岩为成土母质的棕壤土的典型土壤剖面。在兴城市西南的望海乡，是本区规模最大的太古宙绥中花岗岩分布区，其上发育兴城地区典型的以绥中花岗岩为成土母质的耕型酸性棕壤土，也是优质花生作物区。因此，在望海乡北部建立典型土壤剖面(120°30′33″E，北纬40°25′44″N)。由于耕作，土表颜色变为浅棕或黄棕色，耕作层质地为沙壤，土体砾石含量较多。根据土壤发育特征将土壤层由顶到底划分为耕作层、心土层、底土层、母质层和基岩层。其中：①耕作层(编号为W--1)：距地表0～15 cm，土壤呈棕黄色，含砾沙质壤土，含有20%～30%的砂及砾石；②心土层(编号为W--2)：距地表15～45 cm，土壤呈棕红色，作物根系发育，含有约15%的砂粒及砾石；③底土层(编号为W--3)：距地表45～105 cm，土壤中含有较多岩屑和矿物颗粒，约占土体总量的30%；这三层的砂及砾石由大量石英晶屑、少量长石晶屑及花岗岩岩屑构成。④母质层(编号为W--4)：距地表 105～145 cm，有大量的花岗岩岩屑和石英长石矿物颗粒，约占总量的60%以上，以砾石为主，砾径在2～20 mm不等；⑤基岩(编号为W--5)：距地表145 cm，为碎屑状二长花岗岩，质地松散，风化严重，由石英、长石及黑云母构成。在上述各层位中间部位分别取样，采回的样本进行阴干处理。

2.2 土壤矿物颗粒的形态特征

在实验室进行土壤矿物初选。对各土壤发生层采集的样品进行详细的区分与挑选，将原状土块剥去四周少许，置烧杯中，加水使之分散。洗净表面浮沙后烘干，于实体显微镜下根据粒度分选出0.5～2 mm较大颗粒矿物和0.1～0.25 mm微小颗粒矿物两组。较大颗粒矿物在实体显微镜下进行观察，可以观察到各发生层(母质层、底土层、心土层、耕作层)中的矿物颗粒构成基本一致，都是由大量石英和少量长石组成；石英、长石多呈棱角状--次棱角状，少量呈次圆状，由下至上各发生层中石英、长石矿物自形形态有所下降。

对小颗粒矿物进行背散图照射及能谱分析。背散射图照射和能谱分析在吉林大学古生物中心电镜扫描实验室采用JSM--6700F发射扫描电镜进行。根据能谱分析，土壤各发生层中微小矿物颗粒类型基本一致，由石英、钾长石和钠长石组成，在底土层发现有伊利石等黏土矿物；背散图(图1)显示，石英矿物由母质层、底土层、心土层及耕作层，其形态由半自形尖棱状向棱角状、次棱角状过渡，在各层中的石英矿物表面都没有明显的凹陷痕迹。

(a)耕作层中钠长石(Ab)；(b)耕作层中石英(Q)；(c)心土层中钾长石(Kf)；(d)心土层中石英(Q)；(e)底土层中伊利石(Ill)；(f)母质层中钾长石(Kf)；(g)母质层中石英(Q)。图1 各采样层面中扫描电镜矿物能谱与背散射图Fig.1 Scanning electron microscope images energy spectra and backscattering in each sampling layer

2.3 岩石与土壤化学

岩石及土壤化学分析由河北省区域地质矿产调查研究所实验室完成。采用Axios max X射线荧光光谱仪对样品进行常量元素的分析，用P124S电子分析天平对样品进行灼失量的分析，用X Serise2电感耦合等离子体质谱仪对微量元素进行测定。耕作层(W--1)、心土层(W--2)、底土层(W--3)、母质层(W--4)及基岩(W--5)主量元素含量见表1，微量与稀土元素含量见表2。

表1 耕作层、心土层、底土层、母质层和基岩主量元素含量

表2 耕作层、心土层、底土层、母质层、基岩微量元素含量

3 讨论

3.1 土壤物质来源

由实体显微镜及扫描电镜矿物组成与形态特征的观察与分析，剖面各采样层位中碎屑物质、矿物颗粒构成趋于一致，各层中的微小矿物颗粒特别是石英颗粒大部分为棱角状形态及小颗粒石英表面都没有明显凹陷痕迹的特征，说明土壤物质来源为花岗岩类的原地残积或近地运积[9]。以土壤基岩岩石化学元素为基准，分别对土壤剖面各层土壤化学常量元素和微量元素进行标准化，建立各层土壤化学/基岩岩石化学标准化曲线(图2)，土壤各发生层的标准曲线具有明显的相似性，进一步确定研究区的酸性棕壤土及成土母质的物质来源是由绥中花岗岩风化后近地残积或近地运积形成。

3.2 元素的活性与迁移特征

由研究区各发生层土壤化学标准化曲线可见，各发生层中常量元素除P、Ca、Mg相对较低外，其他元素相对含量与原岩的比值都在0.3以上的水平，其中Si、Fe、K、Mn等常量元素具有明显高值，分别在1.0、0.6、0.8和0.9以上(图2a)；研究区土壤中各发生层大部分微量元素都具有较高水平(表2)，这一方面是受到花岗岩类微量元素含量普遍较高的影响(表1)，另一方面是这些微量元素活性相较弱，在风化过程中土壤层对矿质元素继承较强(图2b-2d)。

(a)常量元素；(b)、(c)、(d)微量元素。图2 以绥中花岗岩为基准的棕壤土各发生层土壤化学标准化曲线Fig.2 Standardized curves of each soil layer based on Suizhong granites

为了进一步研究矿质元素的活性与迁移特征，采用稳定性元素Ti作为参照，耕作层、心土层、底土层和母质层中元素的平均值计算样品中元素的变化率，计算公式为：

Δ(%)=[(XS/IS)/(XP/IP)-1] ×100%

(1)

式中：XS和 IS代表样品中元素X和参比I元素的含量；XP和IP为上述元素在原始母岩中的含量[10]，各元素变化率如图3所示。

(a)常量元素;(b)、(c)、(d)微量元素.图3 绥中花岗岩--棕壤土剖面元素迁移率Fig.3 Elemental migration between Suizhong granites and brunisolic soils

由图3可知，常量元素在花岗岩风化过程中的活动性与迁移能力有以下顺序：P2O5>CaO>Na2O>MgO>Fe2O3>Al2O3>K2O>SiO2>MnO。常量元素中除Mn、Si元素外，其他元素Δ值<0，其中P2O5、CaO、Na2O、MgO等∣Δ∣>50% ，说明发生了显著的迁移，具有强活动性元素的特征；Fe2O3、Al2O3和K2O的Δ值在-20%～0之间，表明这些元素相对于Ti元素也发生了一定的迁移，元素活动性中等；常量元素中SiO2和MnO相对于Ti元素表现出富集的特征，表明MnO和SiO2相对稳定，是剖面中典型的不活动元素，以淀积为主。Nesbitt 等根据元素活动性顺序将化学风化过程划分为早期去 Na、Ca 阶段、中期去K 阶段和晚期去 Si 阶段[11]。本研究的元素K、Fe与基岩相比，土壤层中保持有较高的水平(图2a)，母质层的Ca、Mg含量明显高于其他发生层中的含量(图2a)。对于花岗岩Ca、Mg主要赋存于易风化的斜长石、角闪石中，在化学风化的初始阶段就会遭受强烈的淋滤；Na 赋存在碱性长石和云母类矿物中，在风化过程中伴随这些矿物的分解而淋失，发生过程更早。一般岩石矿物分解可以分为碎屑阶段、钙淀积阶段、酸性硅铝阶段和富铝化4个阶段[12]。常量元素的上述特征以及底土层中伊利石比较发育的现象(图1e)表明，研究区棕壤土矿物分解处于钙淀积--酸性硅铝阶段，即绥中花岗岩--棕壤土剖面中的元素的活动性顺序表明其化学风化作用过程完成了初步阶段的去Ca、Na过程，进入到去K的中级阶段[11]。在此序列中，Mn和Si呈现富集的状态，一是由于Mn是植物生长需要的元素，植物会把这种元素聚集在土壤表层(图2a)，供自己生长使用[13]，并且Mn元素又容易被黏土矿物、有机质等吸附而富集，能谱分析结果得到的底土层黏土矿物发育也证实了这一点。而Si元素的富集，从棕壤土发生上来看，主要由原岩近地或原地风化残积石英晶屑，以及在灰化作用过程中土体发生层淋滤淀积富集。

微量元素的计算结果显示， Cd、Cs、Pr、Y、Tb、Dy、Ho、Th、Ce、Cr、Er、Pb、La、Yb、Tm、Ta、Zr、Lu、Hf等元素的Δ值>0，以富集为主；Nb、Sm、Rb、Gd、Be、Nd元素的|Δ|为0～10%，这些元素相对比较稳定；Sr、Cu、Sc、Zn、U、Ba、V、Ni、Co、Eu、Ga等元素相对于Ti元素的Δ值<0，呈亏损状态，因此，微量元素在风化过程中活动性较弱，淋失量较小，矿质迁移不明显。一般而言，岩石风化过程中形成的层状硅酸盐类的黏土类，主要阳离子都位于八面体中，其中的过渡族元素的八面体择位能差别很大，因而形成了不同的微量元素亏损与富集差异明显的特征[14]，但本研究中微量元素总体上以富集为主；同时，土壤中的稀土元素(如Pr、Dy、Ho、Ce、Er、La、Yb、Tm、 Lu等)显著富集，表明绥中花岗岩在成土过程中物理风化作用具有更强的优势；而 Cu、Zn为植物生长必须的微量元素，在土壤中的强淋失特征，可以推测其成土过程植物生命活动微弱[15]。综上所述，研究区棕壤土矿质元素表现出母岩高物理风化程度和棕壤土对有效元素的高继承性的特征。这与兴城地区新生代以来海陆差异性升降，全区处于剥蚀状态的新构造活动以及气候条件相对干旱密切相关。

4 结论

(1)研究区棕壤土各发生层中矿物组成和石英颗粒表面形态以及土壤与基岩的岩石化学特征的相似性表明，研究区的棕壤土物源为母岩风化物的原地残积或近地运积。

(2)研究区棕壤土矿物分解处于钙淀积--酸性硅铝阶段，其化学风化作用过程完成了初步阶段的去Ca、Na过程，进入到去K的中级阶段。

(3)研究区棕壤土各发生层中Si、Fe、K、Mn等常量元素具有明显高值，稀土元素富集，矿质元素表现为母岩高物理风化程度和棕壤土对有效元素的高继承性的特征。