金華高村紅土剖面的粒度與磁化率特征研究

劉莉紅，葉 瑋

（浙江師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，浙江 金華321004）

中國南方廣泛分布著第四紀(jì)紅土，而且其成因類型多樣[1]。該類紅土與北方黃土不同，通常呈酸性，pH值在4.5～6.3 之間，沒有碳酸鹽反映，地表過程主要為脫硅富鋁化作用，堆積后經(jīng)歷長期的化學(xué)風(fēng)化作用[2-7]。

金衢盆地地處中亞熱帶，是浙江省內(nèi)最大的盆地，盆地廣泛沉積白堊系紅色砂巖，也是加積型紅土發(fā)育盆地之一。前人曾經(jīng)對金衢盆地加積型紅土的粒度、地球化學(xué)特征進(jìn)行過相關(guān)研究[8]，但成果相對較少，特別是紅土磁學(xué)特征的相關(guān)研究報道較少。因此，筆者以高村加積型紅土為對象，研究其粒度組成、剖面磁化率特征及總碳（TOC）含量變化等相關(guān)指標(biāo)，以期為深入解讀加積型紅土的形成環(huán)境提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 金華高村紅土剖面概述

金衢盆地是浙江省內(nèi)最大的盆地，斜貫浙江中部，走向近東西，長170 km，南北寬10～20 km，面積約3 600 km2，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，盆地廣泛沉積白堊系紅色砂巖[9-10]。四季分明，有明顯的干、濕季節(jié)之分，光、熱、水條件優(yōu)越，有著“浙江聚寶盆”之美譽(yù)。年平均氣溫17.3～18.2℃；年降水量1 109.0～1 305.2 mm，6月初進(jìn)入梅雨季節(jié)，連續(xù)降雨時間比較長；年日照時數(shù)1 528.8～1 808.9 h，盆地小氣候多樣[11]。

所研究的紅土剖面位于金華市婺城區(qū)高村（以下簡稱GC），地理坐標(biāo)為29°08′30.3″N，119°38′7.87″E，海拔高度為77.3 m。采樣剖面出露厚度3.6 m，未見底。自上而下可分為表土層、均質(zhì)紅土、均質(zhì)-網(wǎng)紋過渡層、網(wǎng)紋紅土層。（1）表土層（0～20 cm）：表土為典型的紅壤，結(jié)構(gòu)疏松，有植物生長，多植物根系和孔洞。（2）均值紅土層（20～150 cm）：均質(zhì)紅土比較厚。（3）均質(zhì)-網(wǎng)紋過渡層（150～200 cm）：均質(zhì)紅土與網(wǎng)紋紅土交界處鐵錳結(jié)核。（4）網(wǎng)紋紅土層（200～350 cm）：網(wǎng)紋為紅、白、黃色相間，以黃色為多，紅色為基調(diào)；網(wǎng)紋層可以分為兩部分，上部網(wǎng)紋層的質(zhì)地比較細(xì)，網(wǎng)紋形態(tài)比較細(xì)小密集，而下部的網(wǎng)紋層的質(zhì)地比較粗，網(wǎng)紋的形態(tài)比較大，進(jìn)而還可把網(wǎng)紋層分為粗網(wǎng)紋層和細(xì)網(wǎng)紋層。網(wǎng)紋紅土之下為風(fēng)化礫石層，由于風(fēng)化作用的影響，二者之間界限模糊。風(fēng)化礫石層中的礫石磨圓度較好，大小混雜，部分砂巖、粉砂巖類的礫石已經(jīng)風(fēng)化，僅保留外形。礫石層也呈現(xiàn)出明顯的網(wǎng)紋化的特征。

1.2 樣品采集及試驗儀器

研究自下而上總共采集34個樣品，前30個樣品為間隔10 cm 采樣，后4個樣品是間隔15 cm 采樣。主要試驗儀器有Mastersizer 2000 型激光粒度儀（英國MALVERN 儀器公司）、MS2 型磁化率儀（英國Bartington 儀器公司）、Liqui‖TOC 總有機(jī)碳分析儀（德國Elementar 公司）。

1.3 試驗方法

1.3.1 粒度分析 將所采集到的樣品在室內(nèi)自然風(fēng)干，剔除雜物。稱取0.2 g 左右于燒杯中，加入10 mL H2O2（H2O︰H2O2=2︰1）浸泡12 h，去除樣品中的有機(jī)質(zhì)。然后在電熱板上加熱，去除殘余H2O2。冷卻后，在燒杯中加滿去離子水，靜置24 h，再抽去上部的清液，加入10 mL NaOH 溶液（0.5 mol/L）作分散劑，用超聲清洗器振蕩約15 min，使樣品充分分散，最后上機(jī)測試。

1.3.2 磁化率測量 取一定量烘干樣品，碾碎成粉末，稱取5 g，裝入聚氯乙稀樣品盒內(nèi)，在磁化率儀中測試樣品的低頻和高頻磁化率值，并計算百分頻率磁化率Xfd（%）=（Xlf-Xhf）/Xlf×100。

1.3.3 總碳（TOC）含量 將烘干至恒重的土壤樣品置于陶瓷研缽中研磨至粉末狀，用分析天平精確稱取適量土壤樣品放在特定的樣品測定盒中，用TOC 儀測定土壤樣品的TOC 含量。

所有試驗分析項目均于2013年在浙江師范大學(xué)地理過程實(shí)驗室完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 高村紅土剖面的粒度特點(diǎn)

2.1.1 粒度組成 GC 紅土剖面的粒級組成特征如下：（1）砂（＞63 μm）的含量為0～11.56%，平均6.03%；粉砂（4～63 μm）含量為56.55%～67.77%，平均63.85%，從粗粉砂（10～63 μm）和細(xì)粉砂（4～10 μm）含量的比較來看，粗粉砂含量平均值（39.10%）明顯高于細(xì)粉砂（24.75%）；黏粒（＜4 μm）含量為27.35%～43.45%，平均30.12%；（2）從粘土-粉砂-砂含量構(gòu)成的粒度組成三角圖來看（圖1），不同深度樣品的粘土-粉砂-砂含量略有不同，粉砂（4～63 μm）所占的百分?jǐn)?shù)明顯高于砂和粘土，說明整體粒徑組成相對較細(xì)，屬于黏土質(zhì)粉砂。

圖1 高村紅土剖面土壤樣品粒度組成三角圖

2.1.2 頻率曲線特征 粒度頻率曲線一般用于表示沉積物粒度特征、各粒級的相對含量和粒度參數(shù)，可反映沉積物的粒度分布。有學(xué)者研究認(rèn)為粒度的頻率分布曲線具有很好的物源示蹤意義[12]。粒度頻率分布曲線主要分為兩大類，即單峰分布和雙峰分布。單峰頻率曲線一般出現(xiàn)在只有單一碎屑物質(zhì)來源，并且經(jīng)過較長距離搬運(yùn)的沉積物中；而多峰及過渡型的粒度分布則由2個或更多粒度“終極成分分布型”疊加而成[13]。GC 的剖面頻率分布曲線呈明顯多峰分布，說明該地紅土沉積環(huán)境的復(fù)雜性和多樣性。最大的峰值出現(xiàn)在6φ 和8φ 處，在4φ 處出現(xiàn)較小的峰值。

2.1.3 粒度組分對比 從GC 紅土剖面的粒度組分對比中可以看出，粉砂和黏粒是組成該剖面的主要物質(zhì)。由表1 可知，大于50 μm 的組分含量處于3.40%～16.41%之間，平均9.072%；10～50 μm 組分含量處于24.77%～39.82%之間，平均36.06%；5～10 μm 組分含量處于15.21%～21.78%之間，平均17.57%；＜5 μm 的組分含量處于34.07%～53.18%之間，平均37.30%。在黃土研究中，10～50 μm 粒級組分被認(rèn)為是風(fēng)塵的“基本粒組”。GC 紅土剖面10～50 μm 組分含量平均36.06%，＜5 μm 組分含量最高，平均為37.30%。10 μm以下細(xì)粒粉塵的主要搬運(yùn)方式是通過高空長距離懸浮。這與楊立輝等[14]人提出的第四紀(jì)加積紅土組份相似，原因可能是西風(fēng)氣流的搬運(yùn)是遠(yuǎn)源粉塵的主要動力，或者南方的高溫高濕氣候條件，使粉塵沉積后經(jīng)歷了強(qiáng)烈的風(fēng)化成壤作用。

通過對采樣地點(diǎn)的觀察發(fā)現(xiàn)，與上部比較，GC 紅土剖面下部及其附近地面露出大量的風(fēng)化礫石層，而且礫石的磨圓度較好，大小礫石混雜，由此可以推測剖面的下部是河流沉積相。GC 紅土剖面的這一結(jié)論與Hu X F 等[15]的研究結(jié)果一致，即紅土剖面呈現(xiàn)出AB 型相似的二元結(jié)構(gòu)。A 型表現(xiàn)出明顯的風(fēng)成作用，B 型表現(xiàn)出明顯的水成作用。AB 混合型主要分布于A 型與B 型之間，大約在28°～29°N，根據(jù)粒徑可明顯把AB 混合型分為兩部分。上部與A 型或下蜀黃土相近，砂粒含量較低，粗粉砂相對富集，GC 紅土剖面從粉砂粒級段內(nèi)比較來看，粗粉砂含量平均值（39.10%）明顯的高于細(xì)粉砂（24.75%）。下部與B 型相似，有礫石出現(xiàn)，粗粉砂含量低，與GC 紅土剖面下部有風(fēng)化礫石出現(xiàn)相符。

表1 不同深度GC 紅土剖面的各種粒度組分比例（%）

2.2 磁化率分析

磁化率是衡量物質(zhì)被磁化難易程度的一種度量，可作為土壤形成和發(fā)育程度的指標(biāo)。磁化率曲線的波動變化反映環(huán)境的冷暖干濕變化，對環(huán)境的指示意義重大，因此是重要的氣候代用指標(biāo)[16]。如圖2 所示，GC紅土剖面的質(zhì)量磁化率隨著土壤剖面深度的加深而逐漸變小。從34個樣品的磁化率測試結(jié)果來看，其質(zhì)量磁化率變化范圍在7.77×10-8～44.21×10-8m3/kg 之間，百分頻率磁化率值（Xfd）在220 cm 出現(xiàn)最大峰值。

土壤中的細(xì)顆粒組分與成壤強(qiáng)度有關(guān)，一般黏粒的含量越高，表示的成土作用越強(qiáng)。當(dāng)磁化率數(shù)值增大時，土壤發(fā)育程度強(qiáng)，其中的超順磁性顆粒含量較多，成壤期氣候較暖和，微生物作用強(qiáng)烈。反之，則表明當(dāng)時環(huán)境寒冷，樣品中超順磁性顆粒的含量較少，磁化率值降低[17]。從圖2 中可以看出，百分頻率磁化率經(jīng)過多次的波動變化，說明這個剖面沉積期間經(jīng)歷了數(shù)次氣候波動。

圖2 GC 紅土剖面不同深度土壤的磁化率和TOC 變化

2.3 TOC 分析

TOC 是指存在于土壤中所有含碳的物質(zhì)，包括有機(jī)碳和無機(jī)碳兩部分。土壤有機(jī)質(zhì)含量的變化是土壤質(zhì)量與土壤持續(xù)能力的重要表征?？傆袡C(jī)碳（TOC）是對剖面所在地周圍環(huán)境生物綜合生產(chǎn)力狀況的直接體現(xiàn)。一般來說，高TOC 值對應(yīng)暖期，低TOC 值對應(yīng)冷期。例如：圖2 所示GC 紅土剖面土壤樣品中TOC值總體不高，從地表向下，其值大致呈波動下降趨勢。距地表0～60 cm 的樣品中TOC 值最高，這與土壤表層腐殖質(zhì)含量較高以及雨水淋溶作用有關(guān)。距地表180 cm 和345 cm 處波峰明顯凸起，可能是此處有植物根系，而其余各層樣品中TOC 值差別不大，比較穩(wěn)定，從120～360 cm 向下大致呈波動下降趨勢。

3 結(jié)論

研究結(jié)果表明，GC 紅土剖面的粒度曲線具有多峰特征，體現(xiàn)了其沉積環(huán)境的復(fù)雜性和多樣性；最大峰值分別出現(xiàn)在6 φ 和8 φ 處，在4 φ 處出現(xiàn)較小的峰值；其上部粒度組分與加積型紅土相似系風(fēng)成成因，剖面下部出現(xiàn)風(fēng)化礫石，粗粉砂含量低，有明顯的水成作用，是由沖積、洪積發(fā)展而成，剖面整體呈現(xiàn)二元結(jié)構(gòu)，與前人的研究一致；從剖面的磁化率曲線可以看出，其形成環(huán)境經(jīng)歷了數(shù)次的冷暖交替，指示了古環(huán)境變化；土壤樣品中TOC 值總體不高，從地表向下，其值大致呈波動下降趨勢。由于剖面樣品的磁學(xué)特征僅僅測量了磁化率，其他磁學(xué)參數(shù)有待在今后的研究中進(jìn)一步分析。

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