陰山北麓表土化學(xué)成分特征及與其他地區(qū)對比分析

李占宏，海春興，劉廣通

(1．包頭師范學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭014030;2．內(nèi)蒙古師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特010022)

1 研究的目的與意義

土壤是陸地表面能夠生長植物的疏松表層，是多種自然因素綜合作用下在陸地表層形成的復(fù)合系統(tǒng)，有復(fù)雜的特征與組成，包括質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、顏色、成分等多方面。土壤是成土因素綜合作用下的產(chǎn)物，其成分可以反映成土環(huán)境，通過對土壤樣品化學(xué)風(fēng)化指標的分析，可以反推其形成演化的水熱環(huán)境。受自然因素與人類活動的綜合作用，土壤的性狀在不斷地發(fā)生著變化，土壤性狀的變化又會反作用于其影響因素，在土壤性質(zhì)與作用因素間形成復(fù)雜的反饋機制，這些反饋機制使土壤性質(zhì)既可能向良性方向也可能向惡性方向發(fā)展。研究土壤成分變化和導(dǎo)致成分變化的影響因素，對于控制反饋機制，使土壤性狀向著良性方向發(fā)展，從而促進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展具有重要的意義。

陰山北麓位于農(nóng)牧業(yè)交錯地帶，是現(xiàn)代典型的生態(tài)脆弱環(huán)境區(qū)。該區(qū)歷史上曾長期是牧業(yè)生產(chǎn)區(qū)，由于近100年來人口的增加和人類生產(chǎn)活動的加劇，目前已過渡為以農(nóng)耕為主、放牧為次的農(nóng)業(yè)環(huán)境。在以人類活動為主的影響下，陰山北麓成為草地向耕地轉(zhuǎn)變的集中區(qū)域［1］，土地利用方式的逐漸改變和人類活動強度的加大，使陰山北麓農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境日趨惡化。

目前，對陰山地區(qū)的土壤研究主要集中于用地類型的轉(zhuǎn)化、土壤風(fēng)蝕及土壤水分、養(yǎng)分等的變化方面:肖飛等對陰山中段1990—2000年間土地利用類型轉(zhuǎn)換格局作了詳細分析［1］，李忠輝等研究了農(nóng)牧交錯帶緩坡丘陵區(qū)土壤水分空間分布特征［2］，王永等對陰山北麓的土壤侵蝕進行了計算與分析［3］，趙舉等對陰山北麓農(nóng)牧交錯帶的防風(fēng)技術(shù)進行了研究［4］，海春興等對陰山北麓不同用地方式下春季土壤表層水分變化進行了詳細分析并探討了春季不同時段影響土壤水分變化的主導(dǎo)因素［5］，但有關(guān)陰山北麓地區(qū)土壤化學(xué)成分分析方面的研究卻少見報道。鑒于此，本研究選取陰山北麓典型樣區(qū)進行表土采樣，通過測定K2O、CaO、Na2O、MgO、Al2O3、SiO2、Fe2O3等主量成分和Mn、Cu、Pb、As、Ti 等微量元素含量，用富集因子的方法計算各種微量成分的富集程度，以確定研究區(qū)表土化學(xué)成分的含量和遷移狀況;用化學(xué)風(fēng)化指標定量計算陰山北麓表土的化學(xué)風(fēng)化強度，以對比陰山北麓地區(qū)與哈爾濱市沙塵暴源區(qū)、蘭州沙塵暴源區(qū)及蘭州黃土的化學(xué)風(fēng)化環(huán)境。通過研究，以闡明該地區(qū)的土壤環(huán)境狀況并有助于土壤污染防治。

2 研究區(qū)概況與樣品采集

內(nèi)蒙古陰山北麓干旱草原區(qū)位于陰山山地與內(nèi)蒙古高原之間，為半干旱農(nóng)牧交錯生態(tài)過渡帶。本地帶從西到東，包括烏拉特中旗、固陽縣、達茂旗、武川縣、四子王旗、察右中旗、察右后旗、商都縣、化德縣和太仆寺旗、多倫縣等11 個旗縣的全部或部分。采樣區(qū)主要位于武川縣境內(nèi)和達茂旗的東南部，面積約23 000 km2。采樣區(qū)內(nèi)地理環(huán)境復(fù)雜多樣，主要山脈為大青山，武川縣境內(nèi)的北部和中西部地勢起伏平緩，形成了武川盆地;屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬季長而寒冷，夏季短而涼爽，溫差大，日照充足，多風(fēng)沙和寒潮，年均降水量360.4 mm，年最大降水量553．3 mm，年最小降水量192．2 mm，降水集中在6—9月份，占年降水量的81%;年均風(fēng)速3．6 m/s，年均≥8 m/s風(fēng)速的日數(shù)為116．4 d，年均≥17 m/s 的大風(fēng)日數(shù)為39 d，區(qū)內(nèi)土壤風(fēng)蝕嚴重。

在陰山北麓的武川縣和達茂旗境內(nèi)，沿東南至西北方向，用GPS 進行野外定點，用20 cm ×20 cm ×3 cm 的大平鏟挖取0—6 cm 的表土作為試驗用土樣，每個樣地設(shè)2 個重復(fù)。采樣地選擇根據(jù)樣地的地形、土地利用狀況、距離、地貌部位及土壤質(zhì)地的不同加以確定。樣地間隔15～30 km，先后選取退化林地、耕地、草地、未成林林地、人工林地、灌叢地、多年退耕地等13 個樣地。將取回的土樣經(jīng)風(fēng)干過0．15 mm 的篩后，用日立508 型原子吸收分光光度計測定化學(xué)成分。

3 試驗結(jié)果與分析

3．1 試驗結(jié)果

研究區(qū)表土主要成分為SiO2(含量53．4%～61．4%)、Al2O3(12．09%～14．32%)、Fe2O3(3．39%～7．35%)，其次為Na2O、MgO、K2O、CaO 等，其含量普遍低于3%。據(jù)測定，微量元素中以Ti 含量為最高，其含量在2．455‰～4．456‰之間;As 含量最少，在0．010 2‰～0．016 8‰之間;Mn、Cu、Pb 含量居中。研究區(qū)表土化學(xué)成分測定結(jié)果見表1。

表1 研究區(qū)表土化學(xué)成分測定結(jié)果

將研究區(qū)各樣地表土成分進行平均計算，結(jié)果見表2。從表2 知，研究區(qū)表土的Al2O3、SiO2、Fe2O3含量之和為74．90%，比哈爾濱沙塵暴沉積物低2．90 百分點，比蘭州沙塵暴沉積物和蘭州黃土分別高5．82、4．16 百分點。由于Al、Fe、Si 在暖濕氣候條件下相對富集，在干冷條件下相對流失［6］，因此可知陰山北麓表土水熱環(huán)境遠好于蘭州黃土環(huán)境和蘭州沙塵的塵源環(huán)境，而略差于哈爾濱沙塵的塵源環(huán)境。

表2 研究區(qū)與其他地區(qū)表土主要成分對比

3．2 化學(xué)風(fēng)化指標分析

沉積物中的Al/(Ca+Na+K)、K/Na、K/Ca、Al/Na、Fe/Mg、Al/ Si、(Al+Fe)/Si 等比值常被用作衡量地表沉積物化學(xué)風(fēng)化強弱的指標，其值越高化學(xué)風(fēng)化就越強烈，反之則弱［10］。

化學(xué)風(fēng)化強度主要受水熱條件的控制，水熱條件較好造成了Ca、Na、Mg 等元素的淋失，而Fe、Al、K 等元素則相對富集。從表3 化學(xué)風(fēng)化指標整體情況可知，研究區(qū)表土的化學(xué)風(fēng)化程度較蘭州黃土及蘭州沙塵的風(fēng)化程度高，與哈爾濱沙塵化學(xué)風(fēng)化程度相近但略偏低，說明陰山北麓地區(qū)的水熱綜合環(huán)境要優(yōu)于蘭州地區(qū)，其化學(xué)風(fēng)化程度較高，而蘭州地區(qū)以物理風(fēng)化為主，哈爾濱沙塵源區(qū)風(fēng)化環(huán)境略強于陰山北麓地區(qū)。

表3 研究區(qū)與對比區(qū)土壤化學(xué)風(fēng)化指標

3．3 富集因子法分析

對研究區(qū)農(nóng)田表土樣品微量元素測定結(jié)果進行富集系數(shù)計算，其計算式為

式中:Cx為x 元素(某一元素)的含量;CAl為Al 元素的含量;“表土”和“地殼”分別表示元素在表土中的含量和地殼中的豐度，地殼中的豐度值采用黎彤［11］的研究值(表4)。

表4 地殼中各元素的豐度值‰

富集系數(shù)計算結(jié)果見表5。從表5 可以看出，研究區(qū)表土的微量元素組成顯示Ti、Mn、Cu 的富集系數(shù)均小于1，呈現(xiàn)流失狀態(tài)，除5 號樣地(多年退耕地，Cu 流失較少)及9 號樣地(耕地，Mn 流失較少)較特殊外，其他各樣地均表現(xiàn)出EFTi＞EFMn＞EFCu的特征。李勇等［12］通過對黃土區(qū)植物根系對營養(yǎng)元素遷移影響的研究，認為在林地(30 cm 以下土層)、草地(10 cm以上土層)和農(nóng)地土層中，微量元素水遷移強度序列為Cu ＞Mn＞Fe，研究區(qū)表土中Cu、Mn 元素遷移也表現(xiàn)出與黃土地區(qū)相似的特征。

表5 研究區(qū)表土微量元素富集系數(shù)

圖1 為研究區(qū)表土As、Pb 元素富集系數(shù)。從圖1 可看出，Pb、As 的富集系數(shù)均大于1，呈富集狀態(tài)，各樣地均表現(xiàn)出EFAs＞EFPb，且5 ＜EFAs＜10、1．5 ＜EFPb＜2．5，說明這兩種元素有人為來源。在各樣地上As、Pb 兩種元素的富集系數(shù)相關(guān)性很差，說明這兩種元素的污染來源很可能不同。

圖1 研究區(qū)表土As、Pb 元素富集系數(shù)

4 結(jié) 語

(1)陰山北麓表土化學(xué)成分以Al2O3、SiO2、Fe2O3為主，三者的含量之和為74．90%，比哈爾濱沙塵暴沉積物低2．90 百分點，比蘭州沙塵暴沉積物和蘭州黃土分別高5．82、4．16 百分點，說明陰山北麓表土水熱環(huán)境明顯優(yōu)于蘭州地區(qū)而略不及哈爾濱沙塵源區(qū)。

(2)化學(xué)風(fēng)化指標的綜合運用反映出陰山北麓表土的氣候、生物狀況和化學(xué)風(fēng)化程度明顯優(yōu)于蘭州地區(qū)而略不及哈爾濱沙塵源區(qū)。

(3)陰山北麓各種地類的表土微量成分中，Ti、Mn、Cu 的富集系數(shù)均小于1，呈現(xiàn)流失狀態(tài)，且各樣地普遍表現(xiàn)出EFTi＞EFMn＞EFCu的特征;Pb、As 的富集系數(shù)均大于1，呈富集狀態(tài)，各樣地均表現(xiàn)出EFAs＞EFPb的特征，說明Pb、As 元素有人為污染源存在且來源不同。

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