安徽省潜山县地质背景、土壤类型对土壤有益微量元素含量的综合影响

罗贤冬,王 伟,安 邦,唐 伟,陈 雷

(安徽省勘查技术院,安徽 合肥 230031)

前人通过多目标区域地球化学调查和土地质量地球化学评价,对有益微量元素的地球化学分布特征进行了研究[1-3]。周俊等[4]对安徽省不同地质背景和土壤类型的土壤微量元素含量状况进行分析,认为地质背景对土壤中有益微量元素的影响是多方面的,对不同类型基岩的风化母质即成土母质的界定只是基础,全方位认识地质背景对土壤中有益微量元素的影响,需要更广泛和深入的研究。不同类型基岩可以形成不同的成土母质,除了人类活动影响外,成土母质直接影响土壤微量元素丰缺[5-6]。成土母质决定土壤元素含量,是土壤含量水平的重要控制因素之一,其影响因素主要为岩石类型,源自同一母岩的土壤在成分和地球化学特征方面具有相似性[7],其次为母岩形成的地质时期[8]。地质背景对土壤中有益微量元素含量的影响程度如何、土壤类型是否对土壤有益微量元素含量有影响,这些问题需要进一步研究。本文以安徽省潜山县土地质量地球化学调查评价结果为基础,以潜山县表层土壤为研究对象,探讨以地质背景为基础的成土母质和土壤类型对土壤有益微量元素丰缺的综合影响。

1 地质地理概况

研究区为潜山县全县范围,地处皖西南,大别山南麓,长江北岸,皖河上游,东与桐城县、怀宁县交接,南与怀宁县、太湖县毗连,西与岳西县交界,北与舒城县接壤,面积1 685.03 km2。

1.1 自然地理概况

潜山县属于长江沿江丘陵平原区,地势西北高、东南低,北部及西北部为大别山区,中部为山前丘陵、岗地,东南部为皖水、潜水下游构成的冲积平原。全县地形复杂,地势高低悬殊较大,最低处王河镇丰收圩海拔16.8 m,最高处官庄镇猪头尖海拔1 539 m,高差达1 522.2 m。

潜山县位于北亚热带季风气候区,四季分明,气候温和。年平均气温16.3 ℃,各月平均气温差异较大,1月最低平均气温为3.5 ℃,7月最高平均气温为28.4 ℃,年温差为24.9 ℃。累计年平均降水量为1 370.1 mm,山区降水量达1 400～1 544 mm。

1.2 地质概况

郯庐断裂带由西南至北东横穿潜山县,以郯庐断裂带为界,西北部位于秦岭—大别造山带,二级构造单元划分上,大部分位于郯庐断裂带西侧大别—阚集印支构造亚带,小部分位于张八岭印支构造亚带;东南部位于扬子陆块内,二级构造单元划分上属沿江褶断带。研究区主要构造线方向呈NE和NNE向,区内地层发育,构造变质作用强烈,岩浆活动频繁。

1.3 成土母质分类与土壤类型

土壤类型是在一定生物、气候、水文等自然条件和耕作制度下形成的,具有独特的成土过程、剖面形态及相应的属性。不同土壤类型之间存在差异。潜山市土壤共划分为水稻土、黄棕壤、棕壤、红壤、紫色土、石灰土和潮土等7个类型。

不同的地质背景决定了土壤中元素的富集与贫化[9]。根据安徽省土壤普查资料[10],潜山县成土母质按母岩类型不同(图1),可分为以下几类:

图1 安徽省潜山县土壤成土母质分区图Fig. 1 Parent material zoning map of soil in Qianshan County, Anhui Province

(1)酸性岩类风化物。主要分布于潜山县西北部山丘地区,主要母岩为花岗岩、混合花岗岩(花岗闪长岩、花岗斑岩),所处地质单元主要为白垩纪和侏罗纪酸性侵入体。矿物组成复杂,如石英、长石、角闪石、云母等,包含母岩中原生矿物以及黏土等次生矿物,晶粒粗大,物理崩解甚易,石英含量较高,风化物呈酸性反应。这种成土母质类型分布面积为440 km2,占全县总面积的26.4%。该类母质中分布的土壤类型有水稻土、黄棕壤、红壤、棕壤和石灰土,以黄棕壤和水稻土为主。

(2)片麻岩类风化物。主要分布于潜山县中部(天柱山周边)和东北角,母岩主要为变质变形的侵入体,岩性为花岗质片麻岩,以二长花岗质片麻岩为主,并有少量二云母花岗质片麻岩、奥长花岗质片麻岩等。风化物特点与酸性岩类风化物类似,矿物组成复杂,晶粒粗大,物理崩解甚易,石英含量较高,风化物呈酸性反应。这种成土母质类型分布的面积为370 km2,占全县总面积的22%。该类母质中分布的土壤类型与酸性岩类相同,包含水稻土、黄棕壤、红壤、棕壤和石灰土,以黄棕壤、水稻土和红壤为主。

(3)深变质岩类风化物。主要分布在五庙乡、水吼镇横中一带和官庄镇的局部山地,呈线状分布。地质单元上属大别杂岩变质表壳岩组合,母岩主要是浅粒岩、石英片岩、黑云母斜长片麻岩、二云斜长片麻岩夹大理岩,片麻岩为变质程度较深的副片麻岩。风化物中石灰反应较强烈(滴稀盐酸起泡),形成的土壤富含Ca、P,质地偏黏,pH值为6.5～7.5。这种成土母质类型分布面积为305 km2,占全县总面积的18.1%。该类母质中分布的土壤类型有水稻土、黄棕壤、红壤、紫色土、棕壤和石灰土,以黄棕壤、水稻土和红壤为主。

(4)红色碎屑岩类风化物。分布于潜山县大别山前沿岗地,母岩主要为下第三系红色砂砾岩。母岩岩性松脆,抗蚀力弱,在湿热条件下,物理风化作用强烈,成土过程常处于幼年发育阶段,土壤较多保持母岩特性,其面积为270 km2,占全县总面积的16.2%。该类母质中分布的土壤类型有水稻土、紫色土、黄棕壤、红壤、潮土和石灰土,以水稻土、紫色土和黄棕壤为主。紫色土和石灰土主要分布在该母质范围内。

(5)浅色碎屑岩类风化物。仅分布于王河镇南部,面积约1.13 km2,占全县总面积的0.07%。该成土母质属于富铝化的浅色风化壳,由这种母质发育的土壤土层深厚(达1 m以上),颜色浅,网纹层多为60～100 cm,全剖面土壤呈酸性反应,质地黏重。该类母质中分布的土壤类型有水稻土、潮土。

(6)晚更新世黄土。主要分布于余井镇西南、县东南角等坡状起伏的岗地上,面积约4.1 km2,占全县总面积的0.24%。更新世黄土是我国江淮地区低丘岗地上一种广泛分布的成土母质,该母质发育形成的土壤质地黏重,耕性不良,常出现紧实、黏重的层次,即黏盘层[11]。该层透水性极差,丰水季节易造成土体上层滞水,影响根系的正常生长,对植物构成了渍害,严重时可引起树木的烂根和死亡。潜山县该母质发育的土壤,土层多较深厚,质地黏重,土壤底层有深棕色或褐色的黏盘层,极紧实,土壤易受地表径流的冲刷侵蚀,致使黏盘层接近地表或露出地面。该类母质中分布的土壤类型只有水稻土。

(7)河流冲积物。风化物由近代流水搬运而堆积于河流两岸及广大圩畈地区的物质,面积290 km2,占全县总面积的17%,分选性好,具有成带性和成层性,土层深厚。土壤上层呈酸性,下层呈中性。该类母质中分布的土壤类型有水稻土、潮土、紫色土、石灰土、黄棕壤和红壤,以水稻土、潮土和紫色土为主。水稻土、潮土、石灰土及紫色土主要分布在该母质范围内。

2 样品采集及分析测试方法

2.1 采样方法

采用“网格”采样布局设计,以1∶5万地形图1 km2方里网格作为采样布局设计网格单元(大格),每个网格单元的四分之一格(0.25 km2)为最小采样单元格(小格)。每平方千米内二调图斑数量较多、中心城镇周边地区、地形地貌和土壤类型及地质背景复杂、土地利用方式多样、元素含量空间变异性大的地区增加布样密度[12-14]。全域共采集表层土壤样品8 116件(不含重复样),平均采样密度4.9个点/km2。采样介质为耕作层土壤,果园地、林地采集表层土壤,采样深度视耕作深度不同而不同,水稻、棉花、油菜和小麦等农业用地采样深度为0～20 cm,不同深度连续取样,瓜蒌种植、林业用地采样深度为0～30 cm。

样品加工严格按照设计流程进行,样品悬挂晾晒、自然干燥,用10目尼龙筛完全过筛,“四分法”分装样品。样品经野外加工组加工后,将主、副样品分别按顺序装箱,及时填制送样单,主样送测试单位分析,副样送样品库,管理人员依据采样点位图、送样单验收样品。

2.2 分析测试方法

土壤样品的分析测试在安徽省地质实验研究所完成。各分析指标分析检测方法[15-16]为:电感耦合等离子体光谱法(ICP-AES)测定P、K2O、V、Cr、Mn、Ni、Cu、Zn,电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)测定Co、Pb、Mo、Cd,发射光谱法(ES)测定B,原子荧光法(AFS)测定As、Hg、Se,容量法(VOL)测定N、有机质的分析方法配套方案。

表层土壤8 116件实际样品测定P、K2O、V、Cr、Cu、Pb、Zn、B、Mn、Co、Ni、Mo、Cd、As、Hg、Se、N、有机质等18项元素全量,插入国家一级标准物质192件控制分析的准确度(500件样品插入12件),lgC的波动范围均小于《 DZ/T0258—2014 多目标区域地球化学调查规范》[14]规定的允许监控限,各元素的一次合格率均为100%;随机抽取480件样进行重复性检验,一次总合格率为99.78%。

3 土壤有益微量元素主要特征

3.1 不同成土母质的土壤有益微量元素特征

用上述方法对8 116个样品作了处理检测,对结果进行统计分析(≤5件以下的成土母质不做统计分析),得出潜山县7个主要成土母质发育的土壤中微量元素的算术平均含量及变化系数CV(表1)。

表1 安徽省潜山县7种成土母质的土壤微量元素含量平均值、中位数及变化系数

分析结果显示,深变质岩类成土母质形成的土壤中Cr、Cu、Ni、V、Co等5项指标平均含量最高,但Pb、Hg和N等3项指标平均含量最低;与深变质岩类成土母质形成的土壤相反的是,红色碎屑岩类成土母质形成的土壤中Cu、Mn、Ni、P、V、Zn、K2O和Co等8项指标平均含量最低,尤其Mn、Ni远低于其他成土母质,但B、As、Se、N和有机质等5项指标平均含量最高,变化系数最小;酸性岩类成土母质形成的土壤中P、K2O、Mo、Pb等4项指标平均含量最高,其中P平均含量高达831×10-6,远高于其他成土母质形成土壤,Cr、Cd和Se等3项指标平均含量最低, Cr、Ni、Co、Pb、Hg、Se、N和有机质等8项指标变化系数最大,尤其Pb、Cr和Ni变化系数远超过其他成土母质,其中Pb的变化系数为1.26,超过其他成土母质一个数量级,且Pb的变化系数平均值最高;样品数最多的河流冲积物成土母质形成的土壤中各项指标除B外,离散程度小,其平均值接近全县平均值。

3.2 同类型土壤的有益微量元素特征

本文采用相同土壤类型、不同成土母质的土壤有益微量元素(Cu、Zn、Mo、B和Se)含量进行比较(表2),反映了成土母质对土壤有益微量元素的影响程度。不同成土母质发育的土壤,即使土壤类型相同,有益微量元素含量差异性较大;相同成土母质发育的不同土壤,有益微量元素含量也有差异。由表2中微量元素Cu含量看,无论何种土壤类型,红色碎屑岩形成土壤的Cu含量平均值均最低(潮土除外),浅色碎屑岩形成土壤的Cu含量较低;深变质岩形成土壤的Cu含量均较高,片麻岩类和酸性岩类Cu含量中等。不论何种成土母质,潮土的Cu和Zn平均含量及棕壤的Mo和Se平均含量明显高于其他土壤类型。此外,其他土壤类型有益微量元素变化范围均较接近。

表2 安徽省潜山县同种土壤类型有益微量元素含量统计结果

4 成土母质、土壤类型对有益微量元素的影响

为了进一步揭示成土母质与土壤类型对土壤中有益微量元素的综合影响,本文绘制同一土壤类型在不同成土母质的有益微量元素Zn的含量变化折线,并把各种土壤类型的变化折线叠加成图(图2)进行比较和差异分析,得出不同成土母质和土壤类型对微量元素Zn丰缺的综合贡献。

图2 安徽省潜山县7种类型土壤不同成土母质的Zn含量变化图Fig. 2 Zn content variation of different parent materials of seven types of soil in Qianshan County,Anhui Province

由图2可知,不同成土母质和土壤类型中Zn含量的变化呈一定的规律性。Zn的含量因成土母质的不同而不同:Zn在酸性岩类和片麻岩类成土母质的土壤中含量偏高;深变质岩类背景地质体中含量较高;在红色碎屑岩类中除潮土外Zn含量偏低;在河流冲积物背景地质体中各土壤类型Zn平均含量变化范围较大,但总体接近全区背景值。潮土的有益微量元素不随成土母质的不同而变化,主要是由于潮土主要分布在潜山县内较大河流沿岸的沙丘、漫滩、废圩坝及城镇附近地势较高、未被开发为水田的冲积平原上,其母质源于上游山区的各种岩石风化物,母质来源复杂,不是固定的背景地质体。

地球化学基因在风化过程中具有很好的遗传性(从岩石到风化产物) 和继承性(从土壤到其源岩),利用地球化学基因可以对土壤样品进行物源示踪[16-17]。源自同一母岩的不同土壤类型在地球化学基因方面具有较好的相似性[7]。原位风化形成的土壤,其成土母质主要来源于基岩风化,土壤中元素含量特征很好地继承了基岩的地球化学特征,土壤中有益微量元素的丰缺取决于基岩;非原位风化形成的土壤,成土母质来源非底部基岩,形成的土壤元素含量特征具有多样性,土壤类型对土壤中有益微量元素丰缺具有较大影响,如河流冲积物类母质,其形成的各种类型土壤元素含量变化不一,可以利用不同类型土壤的地球化学特征对土壤样品进行物源示踪。潮土和棕壤中有益微量元素含量特征主要由土壤类型决定。

5 结论

(1)Cu、Ni、V和Co在深变质岩类形成的土壤中平均含量最高,在红色碎屑岩类中最低,但B、Se、N和有机质等微量有益指标在红色碎屑岩中最高;河流冲积物形成的土壤中各元素含量平均值最接近整个研究区背景值,含量变化程度也比较均匀。

(2)不论处于何种成土母质,潮土的Cu和Zn平均含量明显高于其他土壤类型,棕壤的Mo和Se平均含量也明显高于其他土壤类型。

(3)有益微量元素Zn在酸性岩类和片麻岩类形成的土壤类型中含量都偏高,深变质岩类含量较高,在红色碎屑岩类中除潮土外其他土壤类型Zn含量都偏低。土壤中有益微量元素含量的丰缺主要决定于成土母质,其次为土壤类型。以地质背景为基础的成土母质及土壤类型综合影响潜山县土壤有益微量元素含量特征。