南嶺保護(hù)區(qū)石坑崆花崗巖風(fēng)化殼理化特征與環(huán)境分析

付淑清, 王鈞, 熊海仙, 宮清華, 楊龍, 溫美麗

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南嶺保護(hù)區(qū)石坑崆花崗巖風(fēng)化殼理化特征與環(huán)境分析

付淑清*, 王鈞, 熊海仙, 宮清華, 楊龍, 溫美麗

廣州地理研究所/廣東省地理空間信息技術(shù)與應(yīng)用公共實(shí)驗(yàn)室, 廣州 510070

為獲取南嶺生態(tài)保護(hù)區(qū)花崗巖風(fēng)化殼的基礎(chǔ)數(shù)據(jù), 開(kāi)展了野外實(shí)地考察, 并初步選取石坑崆海拔1750 m處的一個(gè)剖面采樣, 室內(nèi)進(jìn)行色度、pH值、礦物和地球化學(xué)等分析。結(jié)果表明, 該區(qū)花崗巖風(fēng)化殼發(fā)育較薄, 風(fēng)化殘余物質(zhì)地較粗, 礦物組成以石英、正長(zhǎng)石等抗風(fēng)化能力較強(qiáng)的淺色礦物為主, 總體風(fēng)化程度較低。樣品的亮度(L*)、紅度(a*)和黃度(b*)值分別為69.09—81.14、0.86—9.42和12.1—23.23, 顏色以黃白為主。pH值在4.42—4.74之間, 均為酸性?；瘜W(xué)元素含量相對(duì)母巖發(fā)生淋失或富集, 如輕稀土明顯富集, 重稀土發(fā)生虧損。從剖面縱向變化看, 多數(shù)元素的豐度呈現(xiàn)頂、底部高, 中間低的特征, 與a*、b*值的變化基本對(duì)應(yīng); Si等少數(shù)元素與L*的變化對(duì)應(yīng), 但與其他元素呈完全相反的趨勢(shì); pH值自上而下逐漸增大。綜合分析認(rèn)為, 當(dāng)?shù)貨鰸竦臍夂颦h(huán)境、良好的植被覆蓋狀況等, 是導(dǎo)致巖石風(fēng)化速率慢、成土程度低的主要因素; 特有的自然環(huán)境下, 風(fēng)化殼中的化學(xué)元素一方面隨水介質(zhì)向下遷移, 一方面因較強(qiáng)的生物作用而向上遷移, 同時(shí)不同元素對(duì)介質(zhì)pH值敏感度也存在差異, 共同作用的結(jié)果致使不同活動(dòng)性的元素在剖面縱向分布上發(fā)生了分異。

花崗巖風(fēng)化殼; 理化特征; 石坑崆; 南嶺

1 前言

作為我國(guó)多種金屬礦床最為富集的地區(qū)之一, 南嶺歷來(lái)為中國(guó)地質(zhì)學(xué)界所重視; 然而作為我國(guó)重要的生態(tài)、地理界線(xiàn)和生物多樣性關(guān)鍵地區(qū), 其生態(tài)地位的重要性在很長(zhǎng)一段時(shí)間卻并未受到足夠的重視, 只到近年, 南嶺的生物、土壤等生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)與保護(hù)研究才開(kāi)始受到越來(lái)越多的關(guān)注[1–2]。

南嶺的基巖主要為燕山期花崗巖, 土層主要為花崗巖基巖的風(fēng)化殘留物。關(guān)于南嶺地區(qū)的地學(xué)研究工作, 早期基本圍繞花崗巖巖石成因、成礦特征等開(kāi)展, 且已取得了許多重要成果[4–8], 而主要針對(duì)花崗巖風(fēng)化殼的研究相對(duì)不足。風(fēng)化殼是構(gòu)成地表關(guān)鍵帶的核心, 不但決定著各級(jí)水系的物質(zhì)水平, 更是土壤發(fā)育和植物生長(zhǎng)的物質(zhì)基礎(chǔ), 其理化性質(zhì)決定了后期生態(tài)系統(tǒng)的營(yíng)養(yǎng)供給。然而, 巖石風(fēng)化成土是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程, 據(jù)前人研究, 熱帶雨林地區(qū)形成1 m 厚的氧化物質(zhì)需要數(shù)萬(wàn)年的時(shí)間, 也就是說(shuō), 熱帶地區(qū)巖石完全紅土化的風(fēng)化速率尚需以數(shù)萬(wàn)年尺度計(jì)[9–10], 因此, 開(kāi)展風(fēng)化殼調(diào)查研究, 保護(hù)風(fēng)化殼可持續(xù)利用非常重要。

地處南嶺腹地的南嶺國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū), 位于我國(guó)中亞熱帶與南亞熱帶的氣候分界線(xiàn), 是我國(guó)冬季有冰雪的最南端地區(qū)之一, 且霜期和冰期較長(zhǎng)。區(qū)內(nèi)因地勢(shì)較高而兼有山地垂直分帶變化的氣候特色, 即, 隨著山地高度增加, 氣溫降低, 降水量增加, 日照時(shí)數(shù)減少。保護(hù)區(qū)內(nèi)出露巖石主要為燕山期大東山花崗巖[11–13], 受區(qū)域地貌與氣候等綜合影響, 花崗巖風(fēng)化殼總體較薄, 而且隨著地勢(shì)高度的增加而逐漸減薄。此外, 保護(hù)區(qū)內(nèi)年降雨量多在2000 mm以上, 雨期集中, 山地侵蝕強(qiáng)烈。所以, 在風(fēng)化成土速率慢且侵蝕嚴(yán)重的區(qū)域, 風(fēng)化殼就更顯彌足珍貴, 保護(hù)風(fēng)化殼與保護(hù)生物多樣性同樣重要。

基于以上原因, 本文首先從南嶺自然保護(hù)區(qū)石坑崆花崗巖風(fēng)化殼剖面的初步研究人手, 解析該區(qū)域風(fēng)化殼的基本理化性質(zhì), 為南嶺生態(tài)保護(hù)區(qū)的可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃提供基礎(chǔ)依據(jù)。

2 材料與方法

海拔1902 m的石坑崆是廣東省的最高峰, 本研究采樣點(diǎn)地理坐標(biāo)為北緯24°55.535′、東經(jīng)112°59.577′, 位于石坑崆北坡海拔高度1750 m處。該區(qū)域風(fēng)化殼上覆植被類(lèi)型為山頂矮林, 林下有以竹為主的灌木層和草本層。石坑崆一帶年均氣溫11.3 ℃, 最高溫24.5 ℃, 最低溫–11.5 ℃, 全年霜日大于100天。降雨充沛, 年均降水達(dá)2746 mm, 年均相對(duì)濕度84%, 山頂濕度為100%。

采樣剖面位于新修路邊, 頂部為耕植層, 從頂部10 cm開(kāi)始, 向下部連續(xù)采樣至強(qiáng)風(fēng)化層(樣品可見(jiàn)原始結(jié)構(gòu), 用手易折碎)。為避免人為污染, 采樣時(shí)去除裸露的外表層, 采集新鮮樣品, 每13 cm為一個(gè)樣品, 共采集風(fēng)化層樣品11個(gè), 自上而下編號(hào)為MS-1—MS-11。由于風(fēng)化殼剖面開(kāi)挖部分并未到基巖, 因此, 另在剖面附近基巖出露處取基巖樣品一塊(MS-12)。所有樣品現(xiàn)場(chǎng)裝入聚乙烯塑料袋內(nèi)密封。

室內(nèi)將樣品自然風(fēng)干, 壓碎并通過(guò)2 mm 篩。取5 g 過(guò)2 mm篩的樣品, 用20 mL去離子水?dāng)嚢琛㈧o置30分鐘后, 使用pH 計(jì)測(cè)試其pH值, 測(cè)試溫度為26 ℃。另取部分小于2 mm的樣品, 使用瑪瑙研缽球磨機(jī)研磨至小于200目, 攤平壓實(shí)后, 使用CM700d分光測(cè)色計(jì)測(cè)量其色度, 獲得色度參數(shù)亮度(L*)、紅度(a*)、黃度(b*)值。

小于200目的樣品經(jīng)HF+HNO3混酸消解后, 用于測(cè)試其化學(xué)成份。其中, Si含量采用動(dòng)物凝膠重量法測(cè)量, 其他主量元素采用ICP-OES法分析, 結(jié)果均以氧化物的百分比含量表示; 微量元素和稀土元素采用ICP-MS法分析, 單位均為ppm(mg·kg–1)。測(cè)試過(guò)程中用標(biāo)樣及平行樣進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)控, ICP-OES的分析誤差小于2%, ICP-MS的分析誤差一般小于5%, 動(dòng)物凝膠重量法的測(cè)量偏差小于1%。另外還使用X射線(xiàn)衍射法(XRD)測(cè)定了全巖粉末樣品的主要礦物組分。礦物和化學(xué)分析測(cè)試工作由中國(guó)科學(xué)院海洋研究所和青島斯八達(dá)分析測(cè)試有限公司完成。

3 結(jié)果與分析

3.1 風(fēng)化殼基本理化特征

石坑崆花崗巖風(fēng)化殼的質(zhì)地總體較粗, 風(fēng)化作用較弱, 成土作用較低, 礦物分析顯示以石英、正長(zhǎng)石等抗風(fēng)化能力較強(qiáng)的淺色礦物為主。風(fēng)化殘積物的pH值介于4.42—4.74之間, 呈酸性, 且從剖面頂部向下pH值逐漸增大, 即酸性逐漸減弱。

作為土壤最顯著的外在特征之一, 色度可以反映其物質(zhì)組成和化學(xué)性質(zhì), 并能較好地指示成壤程度[14–16]。在CIELAB表色系統(tǒng)中, L*代表亮度, 在白色值(100)和黑色值(0)之間變化; a*代表紅度, 是從紅到綠的變化, 數(shù)值介于60(最紅)— -60(最綠), 值越大說(shuō)明顏色越發(fā)紅; b*代表黃度, 是從黃到藍(lán)的變化, 數(shù)值介于60(最黃)— -60(最藍(lán)), 值越大說(shuō)明顏色越發(fā)黃。相關(guān)研究表明, 引起土壤紅、黃變化的最主要致色礦物分別是赤鐵礦和針鐵礦, 其中赤鐵礦形成的條件是較高的溫度條件或較差的水分條件, 針鐵礦則是水分充足的條件下形成的高度水化的鐵氧化物[17]。石坑崆花崗巖風(fēng)化殼剖面中, 樣品的亮度L*值變化范圍為69.09—81.14, 在剖面中呈現(xiàn)中部高, 頂?shù)椎偷奶卣? 紅度a*值的變化范圍為0.86—9.42, 平均值3.27; 黃度b*變化范圍為12.1—23.23, 平均值16.80; 紅度a*和黃度b*的值均呈現(xiàn)頂、底高中間低, 與L*值呈現(xiàn)相反的變化特點(diǎn)?？傮w而言, 石坑崆花崗巖風(fēng)化殼的Lab色度指標(biāo)與礦物分析結(jié)果(以淺色礦物為主)相一致; 同時(shí), 總體偏低的紅度a*值和相對(duì)較高的黃度b* 值, 指示致色礦物以針鐵礦為主, 這也與當(dāng)?shù)貧夂驐l件相吻合。

3.2 地球化學(xué)組成特征

巖石化學(xué)風(fēng)化過(guò)程中元素發(fā)生淋失、遷移和富集, 雖然不同元素的活動(dòng)性有差異, 但多數(shù)元素最終易保留在風(fēng)化殘留物中, 且其豐度一般隨著風(fēng)化作用的增強(qiáng)而增大[18–19]。將石坑崆花崗巖風(fēng)化殼與母巖相比, 元素含量比值大于1, 表明風(fēng)化殼中元素含量相對(duì)母巖發(fā)生富集; 小于1則相對(duì)虧損, 結(jié)果如圖1和圖2所示。該風(fēng)化殼剖面中, 主量元素除Si、Ca(表層除外), 微量元素除Li、Sr、Y、Bi、As、W之外, 其他元素均有或多或少的富集, 特別是K、Mn、Mg、Na、Co、Ni、Zn、Rb、Mo、Pb等含量顯著高于母巖。其中絕大多數(shù)元素的淋失或遷移富集都符合其在化學(xué)風(fēng)化過(guò)程中的遷移特性, 但Na與Ca、Sr等均屬易遷移元素[20], Na在本剖面中的富集, 很可能是受到外部水溶液等帶入影響; 而Ca、Sr等僅在剖面頂部有富集, 應(yīng)與表層活躍的生物作用有關(guān)。

圖1 石坑崆花崗巖風(fēng)化殼主量元素含量相對(duì)母巖的變化

圖2 石坑崆花崗巖風(fēng)化殼微量元素含量相對(duì)母巖的變化

稀土元素(REE)在風(fēng)化過(guò)程中也相對(duì)穩(wěn)定, 一般在風(fēng)化殘留物中明顯富集[19, 21]。圖3為剖面樣品的球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土配分模式。風(fēng)化淋濾作用的長(zhǎng)期持續(xù), 使得風(fēng)化產(chǎn)物在繼承母巖稀土配分模式的同時(shí)也發(fā)生了一系列分異, 導(dǎo)致輕稀土元素(LREE)明顯富集, 重稀土元素(HREE)則發(fā)生虧損, La/Yb值從母巖的0.66增加到了風(fēng)化殼的平均值2.19(表1)。風(fēng)化殼中δEu值為0.02—0.2, 平均值僅為0.1, 顯示強(qiáng)的Eu負(fù)異常; δCe值為1.77—3.88, 平均值為2.38, 呈現(xiàn)Ce正異常。母巖的δEu值為0.07, δCe值為1.85; 研究區(qū)域大東山花崗巖基巖的δEu平均值為0.18, δCe均值0.95[11, 13]; 同期采集的南嶺保護(hù)區(qū)八寶山保護(hù)站表層土同樣呈現(xiàn)強(qiáng)的Eu負(fù)異常(δEu=0.21)和較顯著地Ce正異常(δCe=1.35)。綜合表明該風(fēng)化殼中的稀土元素含量與分布特征, 除與該區(qū)域涼濕的氣候特征等相關(guān)外, 母巖的化學(xué)組成仍是其主要控制因素。

圖3 球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化的石坑崆花崗巖風(fēng)化殼稀土元素配分圖

3.3 理化指標(biāo)的縱向變化特征

部分元素與pH值、Lab色度值縱向分布見(jiàn)圖4。穩(wěn)定元素, 甚至個(gè)別活動(dòng)性元素, 含量總體上均呈頂(0—40cm)、底(100—155cm)高, 中間部分(40—100cm)相對(duì)低的縱向分布特征。一般地, 花崗巖風(fēng)化作用隨深度增加而減弱, 原巖結(jié)構(gòu)、構(gòu)造由無(wú)法辨別過(guò)渡到清晰可辨, 力學(xué)性質(zhì)隨之增強(qiáng)[22–23]。石坑崆剖面的風(fēng)化殼雖然較薄, 但也呈現(xiàn)了同樣的特征。在巖石化學(xué)風(fēng)化過(guò)程中, 大部分元素的含量隨著風(fēng)化作用強(qiáng)度的增加而增加, 也就是說(shuō), 多數(shù)元素的含量在風(fēng)化殼剖面中應(yīng)該是自上而下逐漸減小的, 而如圖4所示, 化學(xué)分析呈現(xiàn)的實(shí)際結(jié)果并非這么簡(jiǎn)單。因?yàn)榛瘜W(xué)元素在風(fēng)化殼中會(huì)隨著地貌和水分循環(huán)條件而發(fā)生遷移變化, 元素在風(fēng)化殼的上層以垂直運(yùn)動(dòng)為主, 當(dāng)遷移到一定深度, 由于水循環(huán)減慢, 上層元素會(huì)逐漸累積[24]。此外, pH值的增加對(duì)多種微量元素的沉淀富集也起著至關(guān)重要的作用[25–28], 這應(yīng)該也是本剖面中許多元素在風(fēng)化殼下部富集的原因之一。對(duì)于部分元素在風(fēng)化殼表層富集的現(xiàn)象, 有分析認(rèn)為, 氣候環(huán)境與地質(zhì)條件等外因是主導(dǎo)因素[29], 在本研究區(qū), 風(fēng)化殼頂部植被覆蓋度高, 生物活動(dòng)旺盛, 因此, 近地表更為活躍的生物作用應(yīng)該起到了重要作用。

表1 石坑崆花崗巖風(fēng)化殼稀土元素?cái)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

注: ①據(jù)張敏等, 2003; ②據(jù)黃會(huì)清等, 2008。大東山主體:燕山早期黑云母花崗巖; 大東山補(bǔ)體:燕山三期花崗巖侵入體。

圖4 石坑崆花崗巖風(fēng)化殼中化學(xué)元素的縱向分布

3.4 風(fēng)化殼發(fā)育環(huán)境分析

風(fēng)化殼是氣候、構(gòu)造及其他環(huán)境要素共同作用的產(chǎn)物, 因此, 不同的環(huán)境條件下會(huì)形成不同類(lèi)型的風(fēng)化殼。水熱、生物、地質(zhì)地貌條件及地表化學(xué)環(huán)境等都是影響風(fēng)化殼發(fā)育演變的自然地理環(huán)境因素, 其中, 水熱條件是影響風(fēng)化殼化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度的最主要因素(熱量是化學(xué)反應(yīng)的動(dòng)力, 而水則是元素遷移的主要介質(zhì))。如前文所述, 南嶺石坑崆現(xiàn)今具有年均溫低、霜期長(zhǎng)、降水量大的特點(diǎn), 即使在整個(gè)第四紀(jì)的冰期–間冰期旋回過(guò)程中, 該區(qū)也不可能有溫暖濕潤(rùn)的氣候長(zhǎng)期存在過(guò), 因此, 巖石總體風(fēng)化程度較低, 風(fēng)化殼發(fā)育較弱, 但上層元素的淋濾作用較強(qiáng)。在風(fēng)化殼中, 元素除隨水溶液向下遷移外, 向上的生物遷移也很重要, 而且在相同的水熱條件和地質(zhì)地貌條件下, 生物生長(zhǎng)越旺盛, 元素的生物遷移就越強(qiáng)烈。石坑崆花崗巖風(fēng)化殼剖面中, Ca、Sr等作為在化學(xué)風(fēng)化過(guò)程中極易被淋失的活動(dòng)性元素, 能夠在風(fēng)化殼頂部富集, 與當(dāng)?shù)亓己玫纳锘顒?dòng)條件, 以及元素自身具有的強(qiáng)生物遷移性密切相關(guān)。因此, 在風(fēng)化殼發(fā)育過(guò)程中, 運(yùn)移方向剛好相反的生物遷移與水遷移共同作用, 結(jié)果導(dǎo)致不同習(xí)性的元素, 在剖面縱向上發(fā)生了不同程度的分異。

當(dāng)風(fēng)化殼中元素隨水溶液向下遷移到一定深度時(shí), 水循環(huán)的減弱、介質(zhì)pH值的變化以及氧化還原條件的變化等, 都會(huì)促使某些元素發(fā)生沉淀, 并在一定的層位富集。大多數(shù)元素對(duì)pH值都很敏感, 當(dāng)pH值達(dá)到一定的范圍時(shí), 元素容易從水介質(zhì)中以化合物的形式沉淀下來(lái)[25–28]。又如, U等在氧化環(huán)境中遷移能力強(qiáng), 而在還原環(huán)境中遷移能力會(huì)明顯減弱, 因此, 從氧化到還原條件的轉(zhuǎn)變可使U等元素發(fā)生富集[30]。

研究區(qū)域特定的地形地貌條件下, 長(zhǎng)期涼濕的氣候條件和良好的植被覆蓋度, 首先決定了該地花崗巖基巖風(fēng)化程度較低; 豐富的降水、活躍的生物作用以及風(fēng)化殼內(nèi)部化學(xué)環(huán)境的改變等, 共同決定了風(fēng)化殼剖面中化學(xué)元素的分布特征。

4 結(jié)語(yǔ)

文章通過(guò)對(duì)南嶺保護(hù)區(qū)內(nèi)石坑崆花崗巖風(fēng)化殼剖面的初步分析, 得到以下基本認(rèn)識(shí)：

(1) 研究區(qū)特有的自然地理?xiàng)l件, 決定了區(qū)內(nèi)花崗巖風(fēng)化殼發(fā)育較薄, 但典型風(fēng)化殼剖面所具有的分層結(jié)構(gòu)在該區(qū)同樣可辨。風(fēng)化產(chǎn)物質(zhì)地較粗, 顏色偏黃白, 礦物組成以石英、正長(zhǎng)石等抗風(fēng)化能力較強(qiáng)的淺色礦物為主。風(fēng)化殼總體風(fēng)化作用較弱, 成土作用較低。

(2) 風(fēng)化殼中多數(shù)元素含量相對(duì)母巖發(fā)生了富集; 稀土元素配分模式相對(duì)母巖發(fā)生了一系列分異, 導(dǎo)致輕稀土明顯富集, 重稀土發(fā)生虧損。

(3) 多數(shù)元素的豐度在剖面縱向上呈現(xiàn)頂、底高, 中間低的特征, 除與化學(xué)元素在風(fēng)化殼中隨水分循環(huán)條件、化學(xué)環(huán)境改變而發(fā)生遷移、淀積有關(guān)之外, 強(qiáng)烈的生物作用也是重要的影響因素。

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Physical, chemical characteristics of shikengkong granite weathered crust and potential environments analysis in Nanling area

FU Shuqing*, WANG Jun, XIONG Haixian, GONG Qinghua, YANG Long, WEN Meili

Guangdong Open Laboratory of Geospatial Information Technology and Application, Guangzhou Institute of Geography, Guangzhou 510070, China

In order to obtain the basic data of the granite weathered crust in Nanling ecological reserve, field investigation was conducted and samples of the Shikengkong profile were selected to analyze the chromaticity, pH value, mineralogy and geochemistry in the laboratory. The results show that the granite weathered crust in this area is relatively thin and coarse in texture. The mineral composition is dominated by light-colored minerals with strong anti-weathering ability, such as quartz and orthoclase. The overall weathering degree is low. The color of weathered residue is mainly yellowish white with high L* values (69.09-81.14), medium b* values (12.1-23.23) and low a* values (0.86-9.42). And all the residual materials are acidic with pH values varying between 4.42 and 4.74. Geochemical data show weathered crust enrichment or leaching in chemical elements relative to the parent rock, for example, light rare earth elements (LREE) significantly enrich, while, heavy rare earth elements (HREE) leach. As for the vertical variations in the profile, most elements show relatively higher abundance at the top and bottom part and lower abundance in the middle part, which correspond basically to the changes of a* and b* values. However, some elements, including Si, and L* values show the opposite trend. The pH values gradually increase from top to bottom. Based on comprehensive analysis, the local cool and humid climate, good vegetation coverage, etc., are the main factors that cause slow rock weathering and weak soil formation. Under the unique natural environment, the chemical elements in the weathering crust shift downwards with the water medium on the one hand, and migrate upwards due to strong biological effects on the other hand. At the same time, different elements have different sensitivity to the medium's pH value. Finally, the joint action results in the differentiation of different active elements in the longitudinal distribution of the profile.

granite weathered crust; physical and chemical characteristics; Shikengkong; Nanling area

10.14108/j.cnki.1008-8873.2018.05.023

P951

A

1008-8873(2018)05-174-06

2018-04-27;

2018-07-20

廣東省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(No.2017A030311020); 廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目(No.201707010417); 廣東省科學(xué)院項(xiàng)目(No.2016GDASRC-0209; No.2017GDASCX-0101); 國(guó)家自然科學(xué)基金(No.41671506);

付淑清(1977—), 女, 內(nèi)蒙古人, 博士, 副研究員, 主要從事環(huán)境地學(xué)研究, E-mail：fsq519@163.com

通信作者:付淑清

付淑清, 王鈞, 熊海仙, 等. 南嶺保護(hù)區(qū)石坑崆花崗巖風(fēng)化殼理化特征與環(huán)境分析[J]. 生態(tài)科學(xué), 2018, 37(5): 174-179.

FU Shuqing, WANG Jun, XIONG Haixian, et al. Physical, chemical characteristics of shikengkong granite weathered crust and potential environments analysis in Nanling area[J]. Ecological Science, 2018, 37(5): 174-179.