不同侵蝕強(qiáng)度下崩崗表層土壤稀土元素分布特征及影響因素

趙紀(jì)濤，陳志彪，陳志強(qiáng)，姜超，區(qū)曉琳，任天婧，方蕓蕓

（福建師范大學(xué)地理研究所，福建福州350007）

不同侵蝕強(qiáng)度下崩崗表層土壤稀土元素分布特征及影響因素

趙紀(jì)濤，陳志彪*，陳志強(qiáng)，姜超，區(qū)曉琳，任天婧，方蕓蕓

（福建師范大學(xué)地理研究所，福建福州350007）

崩崗是我國(guó)南方亞熱帶地區(qū)分布最為嚴(yán)重的土壤侵蝕類型，其發(fā)育的速度和強(qiáng)度對(duì)地表產(chǎn)生巨大破壞作用，同時(shí)對(duì)土壤中稀土元素的含量和分布產(chǎn)生重要影響.文章通過(guò)野外取樣調(diào)查和室內(nèi)ICP-MS測(cè)定，對(duì)福建省長(zhǎng)汀縣濯田鎮(zhèn)黃泥坑崩崗群內(nèi)3個(gè)不同侵蝕崩崗各部位表層土壤（0～10cm）進(jìn)行取樣研究.結(jié)果表明稀土元素總量變化依次為輕度侵蝕區(qū)＞中度侵蝕區(qū)＞強(qiáng)度侵蝕區(qū)，且輕稀土元素含量富集；不同侵蝕程度的崩崗的稀土元素含量變化基本呈現(xiàn)沿集水區(qū)到溝道逐步增加的趨勢(shì)；其中，元素Ce元素含量極高，Eu元素含量低，有明顯的虧損現(xiàn)象；植被覆蓋條件好的區(qū)域表層土壤中稀土元素含量高.

崩崗；侵蝕強(qiáng)度；稀土元素；含量與分布

崩崗是在水力和重力作用下，山坡土（石）體受破壞而崩塌和受沖刷的侵蝕現(xiàn)象[1]，一般由集水坡面、崩壁、崩積體、溝道和沖積扇組成[2]，屬于重力和水力的復(fù)合型侵蝕類型[3].在亞熱帶高溫多雨的氣候條件下，花崗巖發(fā)育的風(fēng)化殼殘積物深厚，加之歷史以來(lái)砍伐、開(kāi)荒、造田等大量人為活動(dòng)影響，部分丘陵地區(qū)植被稀疏，地表裸露，在雨水沖刷和重力崩塌作用下形成的侵蝕性崩崗.有研究表明崩崗年產(chǎn)沙漠?dāng)?shù)可高達(dá)6～10萬(wàn)t/km2[4]，已成為我國(guó)南方亞熱帶紅壤丘陵區(qū)危害最為嚴(yán)重的一種土壤侵蝕類型[5].崩崗侵蝕破壞坡體穩(wěn)定性，造成泥沙淤積和阻塞河道，損毀農(nóng)田，破壞水利設(shè)施，并極易誘發(fā)洪澇災(zāi)害，加劇區(qū)域環(huán)境進(jìn)一步惡化.崩崗是我國(guó)特有的侵蝕性地貌，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者對(duì)崩崗區(qū)巖性[6]、地形地貌[7]、氣候[8]、植被[9]、人類活動(dòng)[10]等崩崗的發(fā)生機(jī)理[11-12]和治理模式[13-14]做了大量的研究，為治理崩崗侵蝕提供理論指導(dǎo).

亞熱帶花崗巖地區(qū)也是我國(guó)稀土元素集中分布地區(qū)之一.福建省西南部長(zhǎng)汀縣的河田、濯田、三州等地花崗巖風(fēng)化殼地區(qū)多高品位稀土礦分布，由于不合理的稀土開(kāi)采，致使區(qū)域地表破壞嚴(yán)重，造成強(qiáng)烈的水土流失問(wèn)題[15].國(guó)內(nèi)關(guān)于稀土元素的研究主要集中在環(huán)境生物地球化學(xué)循環(huán)[16-17]和稀土元素遷移機(jī)理[18-19]等方面，而對(duì)于在崩崗中的稀土元素含量分布以及崩崗侵蝕對(duì)稀土元素含量變化的影響等方面涉及較少.

本文通過(guò)對(duì)長(zhǎng)汀縣黃泥坑崩崗群3種不同植被覆蓋下崩崗表層土壤中稀土元素含量的研究，分析不同植被覆蓋下崩崗?fù)寥辣韺酉⊥猎睾孔兓卣骷氨缻彴l(fā)育對(duì)區(qū)域水土流失尤其是稀土元素的影響，為崩崗侵蝕區(qū)的治理和恢復(fù)效果評(píng)價(jià)提供參考.

1　研究區(qū)概況

長(zhǎng)汀縣位于福建省西南部龍巖市境內(nèi)，屬中亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，年均氣溫18.5℃，歷史極端最低氣溫-8.0℃，最高氣溫39.5℃，最冷月1月平均氣溫4.2℃，最熱月7月平均氣溫33.1℃，年均降雨量1710 mm，年均蒸發(fā)量1403 mm，年均無(wú)霜期260 d，≥10℃積溫4100～4650℃.全縣共有各類崩崗3583處，占福建省崩崗總數(shù)（26024）的13.77%，侵蝕面積7.28 km2，占全省崩崗侵蝕面積（64.06 km2）的11.36%，崩崗密度1.16個(gè)/km2，年均侵蝕量達(dá)30000 t以上.土壤類型為長(zhǎng)期溫?zé)釢駶?rùn)條件下由花崗巖風(fēng)化形成的抗蝕性極低的酸性侵蝕性紅壤[20].

黃泥坑崩崗群（25°31′49″N，116°16′52″E）位于長(zhǎng)汀縣濯田鎮(zhèn)約20 km，205省道西側(cè)約1 km處，共有崩崗34處，侵蝕面積37 500 m2，主溝長(zhǎng)度200.34 m，寬度4.87～12.10 m.研究區(qū)內(nèi)喬木僅有馬尾松（Pinus massoniana）；灌木主要有崗松（Baeckea frutescens）、毛冬青（Ilex pubescens）、石斑木（Rhaphiol?epis indica）、黃瑞木（Adinandra millettii）、輪葉蒲桃（Syzygium grijsii）、胡枝子（Lespedeza bicolor）、楓香（Liquidambar formosana）及木荷（Schima superba）等；草本主要有五節(jié)芒（Miscanthus floridulus）、芒萁（Di?cranopteris dichotoma）等.

2014年7月于黃泥坑崩崗群內(nèi)選取不同植被覆蓋條件的相鄰崩崗3處，分別對(duì)三種不同侵蝕強(qiáng)度的崩崗進(jìn)行編號(hào)，即：1#強(qiáng)度侵蝕，2#中度侵蝕，3#輕度侵蝕（見(jiàn)表1）.

表1　崩崗研究區(qū)自然概況Tab.1Natural survey of the study area of Benggang

2　樣點(diǎn)布設(shè)與試驗(yàn)方法

2.1樣點(diǎn)布設(shè)

每一崩崗，從集水坡面至溝道布設(shè)7個(gè)樣點(diǎn)，以1#崩崗為例，即集水坡面I1、崩壁（I2、I3、I4）、崩積體（I5、I6）、溝道（I7），共21個(gè)樣點(diǎn)，每個(gè)樣點(diǎn)挖取表層0～ 10 cm土壤，每一樣點(diǎn)取左、中、右3個(gè)重復(fù)，共采集樣品63個(gè).

2.2樣品采集與試驗(yàn)方法

同一平行的土樣混合均勻后，取土壤樣品按約500 g裝入聚乙烯自封袋中，分別記上編號(hào)暫時(shí)放置于保溫箱保存；將采集回來(lái)的土樣，置于牛皮紙上，剔除石頭和植物根系等，于通風(fēng)處自然風(fēng)干至恒重.四分法混合均勻后取約10 g放于瑪瑙研缽磨碎，全部樣品過(guò)100目尼龍篩.將所制備的樣品保存于4℃，待消解.

采用靈敏天平（BT224s，Sartorius,德國(guó)）稱取樣品0.04 g置于聚四氟乙烯罐中，緩緩加入HNO3、HF、HClO4混合酸，置于防腐高效消解罐內(nèi)消解待測(cè).采用美國(guó)X-SerieⅡ型ICP-MS質(zhì)譜儀測(cè)試稀土元素.同時(shí)采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)磚紅壤（GBW 07405）和黃紅壤（GBW 07407）進(jìn)行監(jiān)測(cè)，標(biāo)樣測(cè)試值與標(biāo)準(zhǔn)值偏差在10%以內(nèi)，測(cè)試過(guò)程中選用銦（In）和鐒（Re）作為在線雙內(nèi)標(biāo)元素同步測(cè)定，回收率為85%～115%，RSD≤5%，符合美國(guó)EPA（80%～120%）標(biāo)準(zhǔn)要求.

2.3數(shù)據(jù)處理方法

自然界中Pm的含量偏低，所采集土壤樣品中Pm含量太低而難以準(zhǔn)確測(cè)定，因此研究中分析的稀土元素包括La-Y共計(jì)15個(gè)，為準(zhǔn)確和清晰地表示所測(cè)樣品中稀土元素的地球化學(xué)特征，進(jìn)一步揭示崩崗區(qū)表層土壤稀土元素的含量及分布特征，通常對(duì)其特征值進(jìn)行以下處理：

1）稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化圖解[21].稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化值是指樣品中各個(gè)稀土元素所測(cè)含量與球粒隕石中相對(duì)應(yīng)的各個(gè)稀土元素的量的比值.球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化后，可使在作圖時(shí)消除奇偶效應(yīng)，以稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化值為縱坐標(biāo)，以原子系數(shù)為橫坐標(biāo)而制成稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化圖解，又稱稀土元素分布模式.

2）主要參數(shù).∑REE：稀土元素總量，指從元素La到Y(jié) 15個(gè)元素含量之和；∑LREE：輕稀土元素總量，指從元素La到Eu各元素含量之和；∑HREE：重稀土元素總量，指從元素Gd到Y(jié)各元素含量之和；∑LREE/∑HREE：輕重稀土含量的比值，比值＞1說(shuō)明富集輕稀土，反之則表示重稀土元素相對(duì)富集.這一參數(shù)一定程度反映了稀土元素的分異程度.

3）Eu和Ce的異常.δEu表示Eu異常值特征，δEu=EuN/2×（NdN×SmN）.δCe表示Ce異常值特征，δCe=CeN/2（LaN×PrN）.δEu值的大小反映了樣品在其球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化圖中Eu的異常程度，當(dāng)異常系數(shù)δCe（δEu）＜1時(shí)，稱Ce（Eu）元素負(fù)異常，表明樣品中Ce（Eu）元素有虧損現(xiàn)象，且其值愈小則異常愈強(qiáng)；當(dāng)值δCe（δEu）＞1為正異常，表明Ce（Eu）相對(duì)富集，當(dāng)值=1時(shí)Ce（Eu）無(wú)明顯變化.Xn表示元素X球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化后的值.

3　結(jié)果與分析

通過(guò)對(duì)不同植被覆蓋下各崩崗中土壤表層稀土元素含量的分析以及與地殼[22]、世界土壤[23]和全國(guó)土壤[24]中的稀土元素含量進(jìn)行對(duì)比，探討在不同侵蝕強(qiáng)度下各崩崗表層土壤中稀土元素含量分布和變化特征.

3.1不同植被覆蓋下各崩崗?fù)寥辣韺酉⊥猎睾?/p>

表2顯示，在3種不同崩崗類型中，稀土元素總量（REE）由低到高依次為：強(qiáng)烈侵蝕（353.88 mg/ kg）＜中度侵蝕（452.45 mg/kg）＜輕度侵蝕（1062.55 mg/kg）.1#、2#崩崗和3#崩崗中土壤表層稀土元素含量均明顯高于地殼中稀土元素含量（183.68 mg/kg）[22]、世界土壤（173.47 mg/kg）[23]和中國(guó)土壤中稀土元素背景值（186.80 mg/kg）[24].

造成這種現(xiàn)象可能由于崩崗侵蝕強(qiáng)度不同，表層土壤在雨水沖刷或斜坡受重力崩塌導(dǎo)致表層土壤流失的稀土元素含量不同.3#崩崗的土壤表層稀土元素含量最高，原因可能是因?yàn)閰^(qū)域地表植被覆蓋高同時(shí)地表枯枝落葉較多，在一定程度上可降低雨水對(duì)地表的沖刷強(qiáng)度，減少地表土壤流失，使得表層土壤中稀土元素得以保存；1#崩崗的土壤稀土元素含量最低，可能由于地表植被稀少，長(zhǎng)期遭受水流沖刷和重力垮塌作用的影響，表土層被侵蝕殆盡，土壤中稀土元素隨之發(fā)生較為嚴(yán)重的流失.

表2　不同侵蝕強(qiáng)度崩崗中土壤表層稀土元素含量（mg/kg）Tab.2The element content of soil surface rare earth in different Benggang（mg/kg）

3.2表層土壤中稀土元素的分異

3條崩崗中，表層土壤中除Ce元素含量差異較大外，所測(cè)樣品中稀土元素含量變化基本呈現(xiàn)為3＃＞2＃＞1＃（見(jiàn)表2）.相同母質(zhì)發(fā)育下，植被覆蓋條件好的區(qū)域土壤表層稀土元素含量明顯大于植被覆蓋差的區(qū)域，說(shuō)明侵蝕強(qiáng)度很可能是影響稀土元素含量變化的重要原因.這與朱維晃[25]等對(duì)海南土壤研究中發(fā)現(xiàn)亞熱帶地區(qū)稀土容易遷移，土壤表土層有明顯的淋失現(xiàn)象較為一致，進(jìn)一步說(shuō)明崩崗發(fā)育對(duì)破壞地表土層、加劇土壤流失繼而導(dǎo)致土壤中稀土含量隨之減少的作用較為明顯.

3條崩崗中表層土壤稀土元素球粒隕石分配模式相似，均表現(xiàn)出向右傾斜（見(jiàn)圖1），從La至Eu稀土元素分布模式曲線斜率逐漸變大，Gd之后的稀土元素分布模式曲線保持相對(duì)平衡.其中輕稀土元素內(nèi)部含量變化顯著，Ce元素含量明顯高于Eu元素含量，其中1#與2#崩崗的δ Ce值均大于地殼和我國(guó)土壤中的δ Ce值，呈現(xiàn)出Ce正異常，Ce大量集聚，3#崩崗的δ Ce值相對(duì)于地殼和我國(guó)土壤中的δ Ce值較低，3條崩崗的δ Ce值差異說(shuō)明崩崗侵蝕愈強(qiáng)烈的地區(qū)Ce發(fā)生集聚現(xiàn)象可能越明顯.3條崩崗表層δ Eu值均小于地殼和我國(guó)土壤中的δ Eu值（見(jiàn)表3），表明研究區(qū)土壤中表層稀土元素Eu在紅壤成土過(guò)程中發(fā)生了明顯的虧損，這種現(xiàn)象與Condie KC[26]等在對(duì)Eu的不同價(jià)態(tài)研究表明Eu3+隨濕度和酸度增加而被淋溶到下層再被還原形成成Eu2+而淋失，從而導(dǎo)致土壤Eu虧損的結(jié)論較為相似.

圖1　不同崩崗侵蝕強(qiáng)度下土壤表層稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化分布模式Fig.1Chondrite-normalized REE patterns in Benggang with different intensity

表3　輕重稀土元素含量對(duì)比（mg/kg）Tab.3Comparison of light and heavy rare earth elements（mg/kg）

參考王娟對(duì)輕重組稀土元素的總量比的方法[27]，對(duì)崩崗區(qū)所測(cè)稀土元素進(jìn)行類比，發(fā)現(xiàn)在相同花崗巖母質(zhì)發(fā)育下，不同侵蝕強(qiáng)度下的1#和2#崩崗表層土壤中以Ce元素為代表的輕稀土元素含量均明顯大于以Lu為代表的重稀土元素含量（見(jiàn)表3），輕重稀土比例（∑LREE/∑HREE）分別為4.31、5.00和2.48，前兩者均大于地殼中∑LREE/∑HREE的比值（2.65）和我國(guó)土壤中∑LREE/∑HREE的比值（3.72），可見(jiàn)在1#和2#崩崗中，表層土壤中輕稀土元素，較為富集.長(zhǎng)汀縣黃泥坑崩崗群地處中亞熱帶暖濕氣候，物理和化學(xué)風(fēng)化十分明顯，花崗巖發(fā)育的土壤發(fā)生強(qiáng)烈的淋溶作用，導(dǎo)致土壤在發(fā)育過(guò)程中出現(xiàn)了LREE和HREE產(chǎn)生分異的現(xiàn)象.這與宋云華[22]以及Braun[28]研究花崗巖類風(fēng)化殼的REE演化的結(jié)論較為相似.在研究中發(fā)現(xiàn)原子序數(shù)為偶數(shù)的稀土元素含量均比相鄰的兩個(gè)原子序數(shù)為奇數(shù)的元素含量高，表明在花崗巖母質(zhì)發(fā)育下的侵蝕性崩崗中，土壤表層稀土元素含量變化依然遵循奧多-哈金斯法則[23].

3.3不同侵蝕強(qiáng)度下崩崗各部位稀土元素含量和變化特征

圖2可以看出稀土元素在1#崩崗?fù)寥辣韺酉⊥猎睾孔兓癁闇系溃颈辣冢颈婪e體＞集水坡面，且不同部位之間的元素含量差異性較大.集水坡面和崩壁以及溝道的含量之間差異性顯著（P<0.05）.該崩崗覆蓋度極低，侵蝕嚴(yán)重，集水坡面面積狹小、崩積體形成時(shí)間較長(zhǎng)，長(zhǎng)期在溝蝕作用下，表層土被進(jìn)一步侵蝕和搬運(yùn)到溝道，可能使土壤表層稀土元素隨之發(fā)生流失和遷移現(xiàn)象；2＃崩崗中表層稀土元素含量變化為崩積體＞溝道＞崩壁＞集水坡面，各個(gè)部位含量差異性顯著（P<0.05）.在溯源侵蝕和重力垮塌影響下，崩壁不斷后退，與反方向崩崗間距離僅為1.72 m，導(dǎo)致集水區(qū)面積急劇減少，集水區(qū)表層土壤在雨水沖刷和搬運(yùn)條件下在溝道內(nèi)大量堆積，形成大面積的崩積體，同時(shí)由于溝道狹窄且較為封閉，大量泥沙堆積從而導(dǎo)致崩積體中稀土元素含量較高；3#崩崗中表層稀土元素含量變化為崩積體＞溝道＞崩壁＞集水坡面，其中崩積體含量與其他三個(gè)部位呈極顯著關(guān)系（P<0.05），這可能由于3#崩崗經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的自然恢復(fù)，崩積體處植被大量覆蓋，芒萁等地表植被根系對(duì)土壤稀土元素的吸收，改善土壤結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步固定土壤，致使稀土元素含量在崩機(jī)體處產(chǎn)生大量集聚現(xiàn)象.

圖2　崩崗各個(gè)部位的稀土元素含量（mg/kg）Fig.2Content of rare earth elements in various parts of the Benggang（mg/kg）

4　結(jié)論

1）不同侵蝕強(qiáng)度下崩崗發(fā)育中表層土壤的稀土元素含量大小依次為：強(qiáng)烈侵蝕（353.88 mg/kg）＜中度侵蝕（452.45 mg/kg）＜輕度侵蝕（1062.55 mg/kg）.其中單個(gè)稀土元素在崩崗的分布特征與總量的分布基本一致.這種變化與長(zhǎng)汀縣地處中亞熱帶暖濕氣候帶內(nèi)，南方紅壤成土過(guò)程充分，稀土元素相對(duì)富集作用強(qiáng)有關(guān)[29]，其中輕度侵蝕區(qū)稀土元素含量較高，說(shuō)明植被對(duì)于保持水土和富集稀土元素的作用明顯；崩崗發(fā)育對(duì)地表侵蝕破壞嚴(yán)重也會(huì)促使稀土元素發(fā)生部分遷移變化；3種不同侵蝕強(qiáng)度崩崗中∑LREE/∑HREE值均大于1，稀土元素球粒隕石分配模式向右傾斜，表明在花崗巖發(fā)育下的紅壤崩崗區(qū)內(nèi)輕稀土元素較為富集，其中1#和2#崩崗中∑LREE/∑HREE的值（4.31，5.00）明顯大于我國(guó)土壤中∑LREE/∑HREE值（3.72），說(shuō)明在暖濕氣候條件下的崩崗發(fā)育強(qiáng)度進(jìn)一步對(duì)稀土元素的遷移和變化產(chǎn)生重要影響.

2）在黃泥坑崩崗群內(nèi)3種不同侵蝕強(qiáng)度的崩崗中，稀土元素在各個(gè)部位的含量變化基本呈現(xiàn)：崩積體＞溝道＞崩壁＞集水區(qū)的分布特征.造成這種分布差異說(shuō)明崩崗的侵蝕強(qiáng)度以及地表植被覆蓋的差異性對(duì)稀土元素含量在各個(gè)部位的分布變化產(chǎn)生了重要的影響作用.

3）稀土元素中Ce元素和Eu元素含量差異大，1#崩崗和2#崩崗的表層土壤中Ce值均大于1，并且大于地殼中的Ce值（0.76）和我國(guó)土壤中的Ce（0.92），說(shuō)明在紅壤成土和崩崗發(fā)育過(guò)程中Ce大量富集；3種不同發(fā)育強(qiáng)度崩崗中的Eu值（0.42，0.52，0.48）均小于中國(guó)土壤中的Eu（0.66）值，表明我國(guó)南方亞熱帶地區(qū)紅壤在成土過(guò)程中產(chǎn)生了明顯的Eu虧損.

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責(zé)任編輯：黃瀾

Distribution Characteristics and Influential Factors of REE in the Surface Soil of the Different Erosion Intensities of Benggang

ZHAO Jitao，CHEN Zhibiao*，CHEN Zhiqiang，JIANG CHAO，OU Xiaolin，REN Tianjing，F(xiàn)ANG Yunyun
（Institute of Geography，F(xiàn)ujian Normal University，F(xiàn)uzhou 350007，China）

Benggang（collapsed hill）is the most serious type of soil erosion in subtropical zone of south China.The speed and intensity of its development have a great impact on the surface of the earth,and it has an important influence on the con?tent and distribution of the Rare Earth Element（REE）in soil.Via field sampling and laboratory test by ICP-MS determina?tion,collapse erosion of three different groups in different parts topsoil（0-10cm）were sampled within the Huangnikeng, Zhuotian town Changting county Fujian province.The results show that contents of REE were slight erosion zone>moderate erosion zone>intensity erosion zone,and Light Rare Earth Element（LREE）is rich;REE content in different conditions ba?sically show gradual increasing trend of erosion along the catchment to the channel;Ce element is rich in content and Eu ele?ment is low in content;REE content is rich in surface soil of vegetation coverage area.

benggang；erosion intensity；rare earth element（REE）；content and distribution

P595

A

1674-4942（2016）01-0065-05

2015-11-27

國(guó)家科技支撐計(jì)劃（2013BAC08B03）；國(guó)家自然科學(xué)基金（41371512）