干旱绿洲区运积物发育土壤的地球化学特征—以新疆焉耆盆地为例

李建刚，何 旋，赵 禹，刘 拓，白 金，梁 楠

(1.中国地质调查局西安地质调查中心，陕西西安 710054；2.西北大学地质学系，陕西西安 710069)

0 引言

土壤的风化程度是土壤的重要特征之一。土壤中不同的化学元素在地表风化过程中通常表现出不同的化学活动性(刘东生，1985；文启忠等，1989；刁桂仪等，1999)。不同的表生环境同样影响土壤中化学元素的分异。土壤化学元素的赋存及含量变化既是当地风化程度的直接记录，又蕴含了沉积物的物源信息(Rutter和丁仲礼，1992；陈骏等，2001；Huang et al.，2009)。早在1975年Pettijohn就提出将石英/长石(Q/F)比值作为矿物成熟度指数，来表示沉积岩形成时母岩风化的强度，现在Q/F比值已经成为沉积物化学风化强度的传统性替代指标(Pettijohn，1975；Wang and Miao，2006)，在黄土(卢演俦等，1982；Sylvain et al.，1996)、现代土壤变化过程(Leslie et al.，2004)等方面得到广泛应用 。随后1982年Nesbitt et al.(1982)首次提出将化学蚀变指数(CIA)作为反映源区风化程度的指标，陈骏等(1997)通过CIA、Na/K等在洛川黄土-古土壤剖面中呈规律性的分布和演化，揭示了2.5 Ma以来黄土源区的化学风化呈逐步减弱的趋势，与同一时期全球冰量逐步增长、气候越发干冷的趋势相吻合。化学风化作用带来的元素迁移及对应的风化指标从不同角度揭示了土壤的风化程度，对于了解土壤的成土过程具有重要意义(陈骏等，1997；毛沛妮等，2017；綦琳等，2021)。

焉耆盆地地处天山南麓，主要包括焉耆回族自治县、博湖县、和硕县、和静县等4个县，是我国新疆南疆干旱绿洲区工业西红柿、色素辣椒、小茴香等经济作物的重要产地。本文选取盆地内两个典型土壤剖面，通过对土壤的粒度、矿物组成、主量、稀土及微量元素等指标进行分析，明确土壤的风化特征，对于揭示干旱绿洲区土壤的发育过程具有重要意义。

1 材料及方法

1.1 研究区概况

焉耆盆地位于塔里木盆地东北侧，新疆东、西天山交界处，介于82°40′E～88°20′E，41°20′N～43°30′N之间，总面积约5.88万km2。气候属中温带大陆性气候，是南北疆气候交错带，年平均降水79.8 mm，年平均气温为8.5 ℃。盆地地形西北高、东南低，海拔介于1048～5200 m，山区面积占85.1%，平原区仅占14.9%。焉耆盆地是一个中新生代形成的复合型山间盆地，盆地内主要出露古生界泥盆系、中生界侏罗系、新生界古近系、新近系和第四系。盆地被西侧的霍拉山和东部的克孜勒山、南部的库鲁克塔格山和北部的萨尔名山所围限，前两者呈NW向展布，后两者呈近EW向展布，使得焉耆盆地形态呈现为NW向菱形形态。盆地内主要分为高山区、山间盆地、山前平原三大地貌单元(图1)。

图1 焉耆盆地剖面位置及遥感影像图

1.2 采样及测试

在盆地内选择焉耆、博湖两个土壤剖面开挖并采样(图1)，两个剖面均位于冲积扇形成的山前平原地貌单元。焉耆剖面(YQ)土壤类型为盐土(图2)，博湖剖面(BH)土壤类型为潮土(图3)。剖面0～50 cm段按照2 cm间距采样，50～200 cm段按照5 cm间距进行采样，每个剖面采集样品55件，开展粒度、矿物、地球化学等相关测试。剖面描述如下：

图2 焉耆剖面

图3 博湖剖面

(1)焉耆(YQ)剖面

0～34 cm，耕作层，灰白色钙质粉砂质黏土。0～10 cm根须较多，向下根须变粗、变少。0～5 cm孔隙度大，较为松散。27 cm处可见团块状蛭石，人为活动因素较大。

34～40 cm，有机质层，灰褐色粉砂质黏土。40 cm处可见褐色浸染状铁(硫)化物，以及团块状蛭石。

40～120 cm，褐黄色黏土质粉砂，可见铁(硫)化物斑点。61～68 cm浅灰褐色黏土质粉砂，向下铁(硫)化物斑点变多，115 cm处可见1 cm厚的有机质层。

120～134 cm，黑色有机质层，粉砂质黏土。

134～147 cm，土黄色粉土。

147～195 cm，土黄色粉砂。

195 cm向下，褐黄色中细砂，可见铁(硫)化物斑点。

(2)博湖(BH)剖面

0～46 cm，耕作层，浅灰褐色～土黄色粉土，0～28 cm土壤疏松，植物根须较多，可见塑料薄膜，28～46 cm，土壤稍密，可见星点状钙质结核。

46～69 cm，土黄色粉砂质黏土，可见铁(硫)化物，植物根须减少，钙质结核增多，粒径增大。

69～88 cm，灰褐色粉质黏土有机质层，透镜状，边部伴生明显铁化物。

88～96 cm，青灰色粉砂，含较多铁(硫)化物。

96～108 cm，土黄色粉砂质黏土，100 cm处可见植物根系炭化。

108～114 cm，青灰色粉砂，可见水云母，浸染状铁(硫)化物。

114～168 cm，土黄色粉砂质黏土，水云母减少，可见粒状钙结核。

168～179 cm，灰黑色粉砂质黏土，有机质层，可见水云母。

179 cm向下，土黄色粉土，铁(硫)化物较多。

2 结果

2.1 矿物特征

样品XRD分析结果表明，两剖面土壤主要由石英、钾长石、斜长石、方解石、白云石及黏土矿物组成(附表1)。在沉积岩风化过程中，石英是最普遍的稳定矿物，抗侵蚀能力强，很难风化；长石则是分布最广的不稳定矿物，抗风化能力由强到弱依次为：钾长石、钠长石、钙长石，但整体仍弱于石英(杨作升等，2008)。焉耆剖面，0～130 cm黏土含量均大于30%，130～200 cm黏土含量约20%，石英、长石各约20%，石英/长石0.41～1.10，大多数都小于1。博湖剖面，黏土含量整体约25%～30%，石英整体小于20%，长石大于25%，石英/长石0.34～0.95，均小于1。

粒度测试结果反映出焉耆盆地土壤的粒度大多低于0.02 mm，个别采样点砂粒含量超过50%。焉耆剖面黏粒含量介于32%～66%，平均值为52.88%，粉粒含量介于18%～48%，平均值为35.84%，砂粒含量介于2%～46%，平均值为11.28%。博湖剖面黏粒含量介于50%～86%，平均值为65.37%，粉粒含量介于10%～38%，平均值为19.92%，砂粒含量介于2%～36%，平均值为14.70%。焉耆剖面自上而下黏粒、粉粒含量呈下降趋势，而砂粒则增加，在距地表140 cm处激增(图4)。博湖剖面自上而下黏粒、粉粒含量在距地表80 cm内近似等比例增加而后趋于稳定，砂粒含量的变化则与之相反(图4)。

图4 焉耆(YQ)与博湖(BH)剖面黏粒、粉粒和砂粒所占比例(a-YQ，b-BH)

2.2 主量元素组成特征

两剖面的主量元素含量(质量分数，下同)以氧化物形式统计。主量元素含量从大到小依次为：SiO2，CaO，TFe2O3，MgO，K2O，Na2O，TiO2，P2O5，MnO。

前四种氧化物平均含量之和分别为：87.14%、86.96%(附表2)。元素由于自身化学性质的不同，在化学风化过程中常具有不同的表现。两剖面中Si的变异系数最高，Si大量亏损，整体呈现出富Ca、Mg，贫Si的特征，Al、Fe、Na、K、Ti出现一定程度的亏损但与大陆上地壳元素含量相近，元素Mn、P则与大陆上地壳(UCC)相差无几。焉耆剖面SiO2、CaO、TFe2O3、Na2O、MgO、Al2O3、P2O5变异系数为中度变异，分别为40.2%、17.5%、14.51%、8.07%、7.72%、4.89%、2.36%。TiO2、K2O、MnO变异系数小，分别为0.92%、0.87%、0.16%。博湖剖面上SiO2、Na2O、TFe2O3、Al2O3、MgO、K2O变异系数为中度变异，分别为19.12%、19.06%、10.51%、8.70%、2.94%、1.74%。TiO2、CaO、MnO、P2O5变异系数小，分别为0.37%、0.32%、0.22%、0.21%。

易风化的斜长石主要赋存元素Na，抗风化的正长石主要赋存元素K(Hao et al.，2010)。因此，Na/K值可用来指示化学风化中斜长石的分解程度(杨作升等，2008)。Na/K值越高，化学风化越弱(Liu et al.，1993；陈骏等，1998；李徐生等，2007；乔彦松等，2010)。焉耆剖面的Na/K值在0～120 cm段介于0.6～1.0之间，在120～140 cm段增加至1.6，在140～200 cm段介于1.3～1.5之间(图5)。博湖剖面的Na/K值曲线在近地表的15 cm内由3.2下降到1.2，指示近地表为未风化沉积物，在15～200 cm段值稳定在0.8～1.2范围内(图6)。

2.3 微量元素组成特征

除S元素外，两剖面的微量元素平均含量大致相同，焉耆剖面中S元素的平均含量为253×10-6，博湖剖面中的平均含量高达4668×10-6，这主要受土壤盐渍化程度影响(附表3)。Ba、N、S、F、Rb、Sr平均含量均>100×10-6，元素I、Co、Hg、B、As、Se、Mo、Ni、Pb、Cu、Zn、Gc、Nb、Cd的平均含量均处在(0～100)×10-6之间(附表3)。因Rb不易迁移，而Sr易受淋溶作用发生迁移，可利用Rb/Sr值反映淋溶作用的强弱程度(Rollinson，1993；陈骏等，1998；刘连文等，2002；Selvaraj and Chen，2006)。对于焉耆剖面Rb/Sr值(图5)，在0～30 cm段约0.3，30～120 cm段约0.4，最大值为0.56，120～200 cm段约0.3。博湖剖面0～70 cm段约0.3，70～80 cm段出现峰值0.7，80～200 cm约0.3(图6)。两剖面Rb/Sr值曲线均与化学蚀变指数(CIA)、黏土矿物含量曲线均一致(图5、图6)，表明化学风化作用增强，黏土矿物含量增加。因此，黏土矿物含量的变化可以表征一定气候条件下化学风化程度的强弱，是判断成土作用的重要参考指标。

图5 焉耆(YQ)剖面风化指数

图6 博湖(BH)剖面风化指数

2.4 稀土元素组成特征

稀土元素对岩石、矿产、土壤的物源、形成以及环境演变具有显著的指示作用(文启忠等，1981；Mclennan，1989；杨守业等，2003；Tanaka et al.，2007；Yang et al.，2007a，2007b；袁方等，2018；燕利军等，2020)。两剖面的稀土元素总量∑REE(不含Y)变化略小(附表4)，分别为104～156×10-6、113～160×10-6。焉耆剖面轻重稀土元素之比(LREE/HREE)为7.67～8.87，均值为8.05；博湖剖面轻重稀土元素之比(LREE/HREE)为7.45～8.55，均值为7.96。

稀土元素在表生环境下的迁移难以发生显著的分馏作用，其配分模式可用于物源示踪(王中刚等，1989；陈秀玲等，2013；杨帅斌等，2017)。两剖面的稀土元素的UCC标准化配分模式相似，均接近上地壳稀土元素含量(图7)。元素Ce在氧化条件下呈现四价状态，与其他元素分离，因而δCe可反映成土过程中的氧化还原环境。焉耆剖面δCe值变化范围为0.90～0.95，博湖剖面δCe值变化范围为0.89～0.94，未见明显的异常，表明风化成土条件差，未发生明显氧化还原作用，仅限于发生物理风化。焉耆剖面δEu值变化范围为0.95～1.09，博湖剖面中δEu值变化范围为0.98～1.16。δEu变化较小，显示出物源的一致性。

图7 焉耆(YQ)与博湖(BH)剖面稀土元素大陆上地壳(UCC)标准化图(a-YQ，b-BH)

3 讨论

3.1 风化指数

风化作用在地表尤为常见，不同的风化作用会对岩石产生不同的影响(毛沛妮等，2017)。岩石物理风化的过程中不发生元素的变化，而化学风化则会引起元素缺失或引进。本文采用常见的化学风化参数指标：化学蚀变指数CIA{[Al2O3/Al2O3+Na2O+CaO*+K2O]×100}(Pettijohn，1975；Mclennan，1993；Guo et al.，1996)，成分变化指数ICV，淋溶指数Ba[(K2O+Na2O+CaO*+MgO)/Al2O3]，残积系数Ki[(Al2O3+ TFe2O3)/(CaO*+MgO +Na2O)]。长石在化学风化过程中会遭受蚀变，碱金属元素K、Na、Ca发生迁移流失，同时会形成成分主要为Al2O3的黏土矿物，因而化学蚀变指数(CIA)指示了样品中长石风化成黏土矿物的程度，CIA值越高，说明化学风化强度越高(Mclennan，1993；冯连君等，2003；张玉柱等，2012；郭媛媛等，2013；Song et al.，2014)。淋溶指数(Ba)用来反映风化过程中K、Ca、Na等易溶性元素的淋溶迁移程度(陈玉美等，2014)。残积系数(Ki)则反映了稳定性元素Fe、Al等相对富集或残积的程度(张玉芬等，2014)。

计算结果表明(附表5)：焉耆剖面CIA介于51.74～65.79，均值为60.97；Ba介于2.03～3.20，均值为2.86；Ki介于1.90～2.38，均值为2.13。博湖剖面CIA介于34.50～61.82，均值为55.60；Ba介于1.45～4.10，均值为3.42；Ki介于1.18～2.35，均值为1.88。两剖面的化学蚀变指数(CIA)均小于65，证实其只经历了基本物理风化及初等化学风化过程。焉耆剖面的ICV分布在1.6～2.2之间，博湖剖面的ICV值介于1.2～2.8，两剖面ICV值均大于1。

3.2 物源分析

结合焉耆盆地四面环山的地形特征，地势上西北高，东南低，使得外部物质无法进入盆地。山前发育多个冲积扇，沉积物主要来源于四周山体的风化剥蚀，盆地内近地表也被第四纪细粒沉积物所覆盖，细粒沉积物主要依靠地表径流进行搬运进入盆地中心。焉耆、博湖两个剖面均位于盆地主干流开都河汇入博斯腾湖的冲积扇上，由开都河搬运而来的近源物质组成。综上，土壤剖面的主微量、稀土元素配分模式、石英长石比值、化学风化指数以及盆地地质地貌特征均指示土壤为运积物风化成土。

4 结论

(1)焉耆、博湖两个剖面的土壤粒径主要以黏粒和粉粒为主，矿物主要为石英、长石和黏土矿物。石英/长石多数小于1，且长石以斜长石为主，化学风化作用极弱。

(2)两个剖面的化学蚀变指数(CIA)均小于65，成分变化指数(ICV)均大于1，证实其只经历了基本物理风化及初等化学风化过程。

致谢：感谢匿名审稿专家提出的修改意见，对论文的修改有很大帮助，在此表示真诚的谢意。