宁夏中部干旱带压砂砾石矿质元素淋溶规律

王 洁，李王成, ，董亚萍，赵广兴，徐天渊

（1. 宁夏大学土木与水利工程学院，银川 750021；2.宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心，银川 750021；3.旱区现代农业水资源高效利用教育部工程研究中心，银川 750021）

压砂耕作模式常应用于宁夏中部及甘肃南部等长期干旱缺水地区[1]，利用河湖沟壑等冲击所产生的砂砾石铺设在田间，厚度一般10～15 cm[2]，对土壤起增渗、保墒、增温、压碱等作用[3-4]。近年来，由于压砂年限过长及不合理耕作等因素导致大部分压砂地土壤生态功能下降、作物产量降低甚至出现大面积弃用砂地。

宁夏中部干旱带主要种植枸杞、红枣、西瓜、玉米等作物[5]，充足矿质元素可提高作物产量、增强作物品质，影响作物适应性及抗性[6-7]。崔迪等研究压砂地不同氮、钾元素含量下枸杞生长发育、产量、品质之间差异，得出枸杞不同生育期氮、钾元素最适宜需求量[1]。压砂所用砾石可为作物提供大部分矿物质元素，因此“压砂砾石—土壤—植物”一个有机整体，相互作用、相互影响。王江南等开展喀斯特地区“岩石—土壤—植物”元素迁移规律研究发现，元素从岩石迁移到土壤，再从土壤到植物，具有一定继承性，但迁移过程受气候、生物和化学等风化作用影响[8-9]。莫源福等通过分析广西巴马岩溶石山碳酸盐岩“岩石—土壤—植物”之间元素相关性发现，碳酸盐岩和土壤元素、土壤元素与植被元素之间密切相关且植物中常量元素受岩石中常量元素影响[10]。国内外关于压砂地研究主要有砂地土壤肥力、盐分变化、土壤水分分布及入渗规律[11]、作物生长状况、产量[12]及耕作模式等[13]。随压砂年限延长，砂田老化并出现大面积弃耕砂田等问题。目前关于压砂地可持续利用及砂田生态环境改善研究较少，压砂地与普通田地不同之处在于土壤上部覆盖一层砾石，砾石在当地微咸水灌溉及降水作用下是否释放矿质元素进入土壤尚不明确。鉴于此，本试验通过模拟压砂砾石干湿冻融循环试验，分析淋溶液中矿质元素含量，探讨压砂砾石中矿质元素淋溶规律并结合元素地球化学及矿物学分析其变化规律成因，以期为作物合理施肥、提质增产提供科学依据。

1 试验设计与研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于宁夏回族自治区中卫市沙坡头区红圈子村，当地压砂地面积约为80 000 hm2，属于典型大陆性季风气候，风大沙多，干旱少雨[14]。年均降水180 mm 且多集中于7～8 月，蒸发量达2 100～2 400 mm，农业生产对自然降水依赖较强[15]。红圈子村位于香山和大罗山交界处，是压砂地分布主要地区之一，岩石大部分为变质岩，属奥陶纪、寒武纪浅变质岩系，主要有灰绿板岩、千枚岩、石英砂岩等，土质为灰钙土，质地以沙壤土为主。该地区独特地理位置和充足砾石资源为当地压砂提供便利条件。

1.2 试验材料

试验采用压砂砾石为灰绿-深灰色板岩[4]，地质年代为奥陶系，其结构呈隐晶质结构或显微鳞片变晶结构。大部分灰绿板岩主要由石英、绿泥石、方解石、云母、斜长石组成。砾石中矿质元素含量见表1。

表1 压砂砾石中矿质元素含量Table 1 Content of mineral elements in pressed sand and gravel (mg·L-1)

1.3 试验设计

本试验采用室内模拟试验，设置3种粒径和3种盐分浓度两因素随机试验。通过控制烘箱和冰箱实现干湿冻融循环模拟，试验为9 个处理，重复3 次，共27 次试验。根据当地农民压砂粒径1～3 cm，取1、2、3 cm 3个粒径水平，盐分浓度设置以蒸馏水作为参考，根据宁夏土壤盐渍化等级轻盐渍化、中盐渍化标准设置3、6 g·L-1。干湿冻融循环参数取自香山地区近30 年气象资料，夏、秋季节干湿破坏，冬、春季节冻融破坏特征以及国内外冻融试验相关规范[16]，采用饱水状态下，冻结温度-20±2 ℃，冻结时长17 h，溶解温度25±2 ℃，溶解时长7 h；干湿温度30±2 ℃，干燥时长22 h，泡水时长2 h，一个干湿冻融循环过程48 h，循环80 次。循环每运行20 次，取淋溶液检测元素。

1.4 观测项目及数据处理

淋溶液中元素含量检测采用电感耦合等离子体发射光谱仪（美国安捷伦科技有限公司）、元素分析仪（德国Elementar公司）和离子色谱仪（美国戴安公司）测定。

2 结果与分析

2.1 矿质元素淋溶规律

2.1.1 大量元素

压砂砾石淋溶液中大量元素主要有Ca、K、Mg、P、S、Si、N，不同处理下大量元素淋溶量见表2。随循环次数增加，不同处理下各元素淋溶量均呈先增后减趋势；在相同粒径不同盐分浓度处理下，Ca、Mg、K、P四种元素淋溶量均在40次达到峰值，S、Si 元素淋溶量在60 次达到峰值；Ca、K、P、Si 元素淋溶量随盐分浓度增加而增加，Mg元素淋溶量减小；随盐分浓度增加，S元素淋溶量呈先增后减趋势，N元素淋溶量先减后增。

表2 不同处理下大量元素淋溶量Table 2 Leaching amount of macro elements under different treatments

在不同粒径相同盐分浓度处理下，Ca、Si、S元素淋溶量随粒径增加而减小，K、P 元素淋溶量反之；在干湿冻融循环前60次Mg元素淋溶量随粒径增加而减小，第80 次时淋溶量呈增加趋势；N元素在相同盐分不同粒径处理下变化规律不明显，可能与不同粒径中所处生境不同有关。

2.1.2 微量元素

压砂砾石淋溶液中微量元素主要有Mo、Cu、Mn、Ni、Zn、B。淋溶液中Mo 元素含量均小于0.2 mg·L-1，超出仪器检测限，因此未分析Mo元素淋溶量变化规律。Cu元素仅在第20次1 cm粒径淋溶液中检测到含量，其余均超出检测限，含量较低。其余各微量元素淋溶量如图1所示。微量元素中除B元素外，其他各微量元素淋溶量均随循环次数先增后减，循环次数40次时淋溶量达到峰值。B元素淋溶量随循环次数增加呈减小趋势。在相同粒径不同盐分浓度处理下，随盐分浓度增加Mn、Ni、Zn淋溶量呈减小趋势，Fe、B元素淋溶量逐渐增加。在相同盐分浓度不同粒径处理下，Fe 元素淋溶量与粒径呈负相关、Mn 元素淋溶量与粒径呈正相关，B元素淋溶量先减后增，Zn、Ni元素淋溶量随粒径变化规律不明显。

图1 各微量元素淋溶量Fig.1 Leaching amount of each trace element

2.1.3 元素淋溶总量

元素淋溶总量为每经过干湿冻融循环20 次后淋溶液中所有矿质元素总和。大量元素淋溶总量即每次冻融干湿循环后Ca、K、Mg、Si、P、S 元素总量，微量元素淋溶总量即B、Fe、Mn、Ni、Zn、Cu 元素总量。Li 等研究表明在变质作用过程中铵可被氧化并以NH3和N2形式释放[17-18]，同时在一定氧化还原及pH 条件下氮以NH3和N2形式从硅酸盐岩中流失[19]。随干湿循环次数增加，水交替作用增强，各处理中自养型细菌逐渐增加，铵在氧气及硝化细菌作用下转化为NO2-及NO3-，不同粒径和盐分浓度处理下自养型细菌数量不同导致在循环过程中氮元素含量变化较大[20]。因此，未将N 元素淋溶量计入大量元素淋溶总量、计算。

干湿冻融循环过程中元素淋溶总量变化如图2所示，干湿冻融循环过程中各处理下淋溶总量呈先增后减趋势。大量元素淋溶总量峰值出现在60次，微量元素淋溶量峰值均出现在40 次。大量元素淋溶量峰值较微量元素滞后是因各处理下S、Si元素淋溶量大部分在40 次达到峰值，而Ca、K、Mg等元素在60次达到峰值。硫元素淋溶量较硅元素小，对元素淋溶总量影响小，可忽略。硅元素常存在于二氧化硅和硅酸盐矿物中，硅酸盐风化释放硅[21]。灰绿板岩中二氧化硅和云母含量较高，降水和碳酸使云母和石英分解，干湿冻融循环促使两种矿物溶解，但相对较缓慢[22]。在盐分浓度一定时，微量、大量元素淋溶总量与粒径呈负相关；粒径一定时大量、微量元素淋溶总量随盐分浓度变化不明显。

通过SPSS 24 计算元素淋溶总量与循环次数、粒径、盐分浓度相关性见表3。

图2 元素淋溶总量变化Fig.2 Total amount change of element leaching

表3 元素淋溶总量与循环次数、粒径、盐分浓度相关性Table 3 Correlation between the total amount of element leaching and the number of cycles,particle size,and salt concentration

由表3可见，微量元素淋溶总量与循环次数和粒径显著性水平均小于0.05，微量元素淋溶总量与循环次数、粒径存在显著负相关，粒径与淋溶总量相关性较循环次数稍强；大量元素淋溶总量仅与循环次数存在正相关，显著性水平为0.001，与粒径和盐分浓度相关性较差。

2.1.4 元素累积淋溶总量

元素累积淋溶总量是在干湿冻融循环过程中砾石元素淋溶量随循环次数增加的累积量。元素累积淋溶总量变化见图3（A图为大量元素，B图为微量元素）。

由图3可知，大量元素、微量元素累积淋溶总量随循环次数增加呈正相关。大量元素累积淋溶总量变化规律如下：粒度为1 cm 砾石随盐分浓度增大元素累积淋溶总量在前60 次呈先减后增趋势，第80 次随盐分浓度增加而增加；粒度为2 cm砾石随盐分浓度增加呈先减后增趋势；粒度为3 cm 砾石随盐分浓度增加除第20 次循环呈先减后增趋势外，其余均逐渐减小；盐分浓度为0、3 g·L-1处理下，大量元素累积淋溶总量随粒径增加第20、80 次呈先减后增趋势、第40、60 次呈减小趋势；盐分浓度为6 g·L-1处理下，累积淋溶总量与粒径呈负相关。微量元素累积淋溶总量变化规律如下：粒度为1 cm 砾石随盐分浓度增加微量元素累积淋溶量呈先减后增趋势，粒度为2 cm 反之；粒度为3 cm 砾石微量元素累积淋溶总量与盐分浓度呈正相关；同一盐分浓度水平下，微量元素累积淋溶总量与粒径呈负相关。

2.2 迁移累积系数

压砂砾石中元素在降雨淋溶等风化过程中向水中迁移，大部分离子随水流迁移至砾石下部土壤层中进而被作物吸收。采用迁移累积系数表征砾石元素风化淋溶状态[8]，计算公式见式（2）。

式中，Cn为淋出液中元素含量（mg·L-1）；CD为砾石中元素含量（mg·L-1）。

本文采用蒸馏水淋溶液中各元素含量及砾石中各元素含量计算迁移累积系数。若某元素Kx小于1，则认为该元素处于迁移状态；若某元素Kx大于1，则认为该元素处于富集状态[23]。分别计算不同粒径砾石中各元素在经过80 次冻融循环后迁移累积系数，氮元素各循环次数迁移累积系数大于1，均处于富集状态，其余元素迁移累积系数见表4。

除N 元 素外，Ca、K、Mg、P、S、Si、B、Cu、Fe、Mn、Ni、Zn 元素迁移累积系数均小于1，为纯迁移元素。经过80 次冻融循环后各元素迁移累积系数大致趋势为S＞Mg＞Ca＞B＞K＞Ni＞Mn＞Fe＞Zn＞P＞Cu＞Si，表 明 在干湿 循 环作用中，Mg、Ca 等迁移能力较强元素受剧烈淋溶使其从砾石中淋失；Fe、Zn、P、Cu、Si 等难溶元素受强烈淋溶作用淋失量相对较小。S 元素与重金属有较强的亲和力较高迁移能力最强，可与Mg、Ca、K 等迁移能力较强元素形成化合物且易溶于水[15,24]。

图3 元素累积淋溶总量变化Fig.3 Changes in the total amount of accumulated leaching

表4 各元素迁移累积系数Table 4 Migration accumulation coefficient of each element (%)

3 讨 论

3.1 大量元素淋溶机理分析

灰绿板岩在干湿冻融循环作用下各元素与溶液发生物理、化学反应。同一粒径处理下盐分浓度增加促进Ca、K、Si 元素富集，Mg、P、S 元素淋失，形成原因可能如下：Ca 通常以碳酸盐形式溶解于水中，离子半径与钠离子相近，Na 可在不同温度下按不同比例在斜长石中与钙作类质同象置换。在干湿冻融循环处理下，随盐分浓度增加Na 可与Ca 发生置换，使Ca 含量增加，同时含Ca硅酸盐在风化过程中发生溶解释放钙；K 动能较低，具有较大溶解度，可富集于盐湖。在温度较低时钾盐溶解度比钠盐低，在地表干湿冻融风化过程中钾和钠化合物互溶量为零，因此钾可从氯化钠中分离形成钾[24-25]；Si在溶液中常以硅酸或半硅酸形式存在。干湿冻融循环过程处于碱性环境，在pH＞8环境中钠离子和硅酸生成离子，增加二氧化硅溶解度[26]；Mg元素主要来自绿泥石中，在岩石淋溶风化作用中，镁迁移形式主要为氯化镁和硫酸镁。随盐分浓度增加，镁与氯发生化合反应，使镁含量减少；P元素在淋溶液中含量较少，在干湿冻融循环中这两种元素大多从矿物中被淋滤出，盐分浓度增加可促进磷元素释放；S与Na、K等轻金属元素形成化合物可溶解于水，盐分浓度越高消耗硫元素越多[14]；N 元素在水中通常以NH4+、NO2-、NO3-形式存在，并相互转换。N元素变化规律说明盐分浓度较大淋溶液促进氮元素释放析出。

Si元素是组成岩石矿物中除氧外含量最多的元素，Ca、Mg 是组成绿泥石、白云母、方解石主要元素，3 种矿物硬度较小且在自然状态下不稳定，干湿冻融循环下粒径小的矿物与水接触面积较大，易发生溶解。砾石粒径越小与含氧水接触越多，矿物中硫化物在含氧水作用下易发生溶解进而导致硫元素释放。在盐分浓度相同条件下，pH随粒径增大呈增大趋势，P元素在碱性环境中易发生溶解。干湿冻融循环中硅酸盐矿物中钾易被析出并被水流带走，但钾元素极化率高易被小颗粒或土壤所吸附[14]。因此，粒径越大淋溶液出S、Si、Ca含量越小，K、P元素含量越多。

3.2 微量元素淋溶机理分析

作物生长过程离不开微量元素，灰绿板岩中微量元素释放在不同处理下存在差异。不同微量元素在干湿冻融循环作用下可能发生如下反应：Mn 在自然界中常以锰氧化物及其含氧酸盐形式存在，在淋溶过程中可能与氯元素络合形成锰氯络合物，盐分浓度增加即氯离子浓度增加，加速锰和氯的络合使溶液中锰含量减小。Zn 元素常存在含有铁镁的造岩硅酸盐矿物中，在干湿冻融风化淋溶作用下进入淋溶液中，溶液中锌元素含量受碳酸锌、磷酸锌、氧化锌等化合物约束。同时锌还可与氯离子、硝酸根离子化合，易被黏土矿物吸附[15]；在碱性环境中，Ni在含有强氧化剂溶液中可被氧化成四价镍离子形成含氧酸盐，还可与卤族元素形成卤化物，同时镍元素在造岩矿物中可与铁、镁等价类质同象置换进入铁镁硅酸盐矿物中，在干湿冻融循环中导致镍元素减小的原因可能是镍与卤族元素形成卤化物及与镁、铁元素置换[16]；在铁镁硅酸盐岩中二价Fe 离子呈六次配位，二价镍离子可替代铁离子进入硅酸岩中使得铁离子淋溶释放，还可能与溶液pH有关。随盐分浓度增加，淋溶液pH与浓度呈负相关，二价铁离子随pH 减小迁移能力逐渐增加。在含Cl 水溶液中，B元素稳定性较弱，与离子化合能力较强的钠可在冷水中溶解。由以上可能存在反应说明相同粒径不同盐分浓度处理下，盐分浓度增加促进Fe、B元素释放，同时制约Mn、Ni、Zn元素释放。

砾石粒径在一定程度上影响微量元素释放。随粒径增加淋溶液pH呈升高趋势，铁在碱性水中迁移能力较弱，有自由氧存在时，亚铁不稳定易变为迁移性较弱的氧化铁从而减弱铁元素释放。Mn 元素离子半径与Fe、Mg 相近，可类质同象替换，在干湿冻融循环过程中可能发生Fe 置换Mn。B元素释放与温度、矿物性质有关，且易被胶质黏土矿物吸附[14]。

检测每循环20 次后淋溶液，分析不同盐分浓度、粒径对砾石矿质元素淋溶规律的影响。各元素淋溶量随循环次数增加呈先增后减趋势，与王霞研究结果接近[27]。在第60 次干湿冻融循环下淋溶量达到峰值，说明经过60 次循环后，砾石中大部分可溶矿物达到最大溶解限度，同时干湿冻融过程中水分冻胀、间歇渗透作用使砾石内部结构疏松，水溶性较强元素淋失量达到峰值[28]。盐分浓度设置是模拟当地用水（微咸水）对砾石中元素淋溶的影响，与蒸馏水相比，盐分浓度增加可在一定程度上促进作物生长所需矿质元素Ca、K、P、Si、Fe、B 释放同时抑制Mg、Mn、Ni、Zn 元素释放。K、P、N 元素是植物生长发育所需三大营养元素，三大元素参与植物体内生理生化反应、促进有机物合成、提高酶活性及抗逆性[29]、参与植物光合作用并维持植物表皮细胞等渗透调节作用[30-31]，提供作物生长相关生理活动所需，但在实际压砂地中矿质元素含量不均一，因此，在实际施肥、灌溉压砂地过程中要因地制宜，根据不同肥力、土壤元素含量合理施肥。

4 结 论

通过分析压砂砾石作干湿冻融后淋溶液中元素释放、迁移规律，得出如下结论：

a.各处理下元素淋溶总量呈先增后减趋势，大量元素淋溶总量峰值出现较微量元素晚，可能与Si元素释放量较大且在第60次达到峰值有关。

b. 相同粒径下，淋溶液中Ca、K、P、Fe、Si元素淋溶量与盐分浓度呈正相关，Mn、Zn、Cu、Ni、S、Mg、N 元素淋溶量反之；相同盐分浓度下淋溶液中Ca、Si、Fe、Mg 元素淋溶量与粒径呈负相关，K、P、Mn元素淋溶量反之。对于盐分较高且压砂砾石粒径较大地块，可适量减少钾肥、磷肥施用。

c.各处理下砾石中Mg、Ca、K 等易溶元素迁移能力大于Fe、Zn、Si 等难溶元素，可为作物提供一定量矿质元素。从矿质元素释放总量随循环次数增加变化趋势看，在夏季砂田温度为30 ℃时对压砂地多次灌溉可使岩石内部矿质元素释放。