基于化學蝕變指數的雷州半島表土風化強度分析

牛東風,羅財寶,陳 敏

（1.嶺南師范學院物理科學與技術學院，湛江524048；2.華南師范大學地理科學學院，廣州510631）

土壤的風化程度是由外在因素和內在因素共同作用的結果，也是土壤理化性質的綜合反映（綦魏等，2012）。巖石形成土壤需要經過一個復雜的過程，主要受成土母質、氣候、地形、生物、成土年齡五大成土因素的影響（Wedepohl，1995；徐永輝等，2006）。一般有多種指標和方法對土壤風化進行分析研究，而化學蝕變指數對于反映土壤形成過程和風化強度研究、地表環(huán)境演化過程以及氣候意義具有重要的指示意義（何太蓉等，2010；黃成敏等，2000）。Nesbitt 等（1982）首次進行了CIA 研究并將其作為判斷源區(qū)化學風化程度的指標。此后，國內外學者不斷地深入研究化學蝕變指數，使其能更好地對原巖的物質來源、成巖作用和化學風化程度進行判斷，特別是對于化學風化程度的判斷和劃分，為全球環(huán)境變化研究提供地球化學手段（Fedo et al.，1995；馮連君等，2003；Goldberg K et al.，2010；邵菁清和楊守業(yè)，2012；柏道遠等，2012）；同時發(fā)現CIA 對第四紀氣候具有良好的響應且干擾因素相對較少（劉劍剛等，2015；趙占侖等，2018；徐小濤和邵龍義，2018）。

雖然前人對雷瓊地區(qū)進行地球化學特征的研究（徐義芳等，2000），但對其雷州半島表層土壤的化學分析還沒有做詳細的研究。雷州半島地處中國熱帶過渡到亞熱帶地區(qū)，地表火山巖廣布，臺地地形平坦，是特殊的自然地理區(qū)域，也是重要的熱帶、亞熱帶經濟作物生產區(qū)域，具有重要的研究意義和理論意義。本文通過計算雷州半島表層土壤的化學蝕變指數，分析該區(qū)域土壤的主量元素淋濾、流失過程和判斷其風化強度，揭示該區(qū)CIA 值的空間分布規(guī)律，為大力發(fā)展特色農業(yè)、熱帶和亞熱帶經濟農業(yè)區(qū)劃和生產等提供了地球化學依據。

1 研究區(qū)域概況

雷州半島位于21°15′—21°20′N，109°22′—110°27′E，地處中國大陸最南端，南隔瓊州海峽與海南島相望，南北長約140 km，東西寬約60—70 km，主要轄赤坎區(qū)、霞山區(qū)、開發(fā)區(qū)、麻章區(qū)、坡頭區(qū)以及遂溪縣、雷州市和徐聞縣。雷州半島是我國南亞熱帶——熱帶北部的氣候過渡區(qū)，終年受海洋氣候調節(jié)。年平均氣溫約22.8℃，多年年平均降雨量為1 500 mm（陳世俊，1995），降雨多集中于5—9月（臺風季節(jié)）為雨季，占年降水量的80%左右，11月至次年4月為旱季，旱雨季分明；而年蒸發(fā)量可達1 700—2 200 mm，熱量資源尤其是冬季熱量資源豐富。雷州半島地勢平緩，西北高、東南低，海拔多在100 m 以下。由于半島古近紀、新近紀和第四紀火山活動頻繁，南部為玄武巖臺地，占半島面積的43.3%，中西部和北部多為海成階地，占半島面積的26.7%，海拔在25 m以下。中東部為沖積和海積平原，占半島面積的17.4%。半島地表水缺乏，河流短少，地下水資源較豐富（溫漢輝，2013）。

2 材料與方法

2.1 采樣方法

野外采樣前，先利用Google Earth 軟件將采樣點提前設置。在設置采樣點之前需要考慮到雷州半島的自然條件和社會條件，如土壤類型、地質巖性及水文的分布情況，盡量避免采集近海區(qū)域的樣品，減少海岸風沙對土壤化學成分的干擾；同時避免設置在城鎮(zhèn)點，減少人為干擾因素的影響，能夠較好地指示雷州半島表層土壤的自然狀態(tài)（何姍姍，2017）。最終將雷州半島按區(qū)域面積和東西經跨度劃分5 縱列，取其中的2、4 縱列并繞半島一周采樣。在采集過程中，利用GPS 定位找到原先設置的采樣點，并以該點為中心，采集周圍15 cm 的土壤表層細顆粒風化物質，采樣部位為土壤表層0—15 cm，共采集樣品48個。

2.2 實驗處理

使用偏振能量色散X 射線熒光光譜儀（型號：Epsilon5） 測試硅（Si）、鋁（Al）、鐵（Fe）、鈣（Ca）、鉀（K）、鈉（Na）、鎂（Mg）和鈦（Ti） 8種主量元素，結果以氧化物表示。試樣制備過程如下：

1）每個樣品分別取50 g，在烘箱中40℃烘干，去除水分后過孔徑2 mm篩濾掉雜物；

2）將試樣放入振動磨樣機（ZHM-1A 型）研磨90s 后，將樣品過200 目（＜74 μm）篩去除大顆粒；

3）從研磨并篩分好的樣品中取6.0 g 樣品以硼酸鑲邊墊底，使用壓樣機在30T 壓力下壓制30 s，制作成直徑3.2 cm圓餅后放入光譜儀中進行測試。

測試儀器校正曲線使用27 個國家土壤成分分析標準物質（GSS2-GSS28）、6 個水系沉積物成分分析標準物質（GSD2a、GSD7a、GSD9-GSD12）和6 個水系沉積物成分分析標準物質（GSD2a、GSD7a、GSD9-GSD12）和6 個巖石成分分析標準物質（GSR1-GSR6）。實驗過程中加入GSS17 標準樣品進行控制，實驗誤差±5%（孟潔等，2015）。

2.3 數據處理

根據測試所得的主量元素氧化物的含量計算化學蝕變指數（CIA）：

式中氧化物為摩爾質量百分比，而CaO*指的是硅酸鹽礦物中的Ca 含量，不包括碳酸鹽和磷酸鹽等礦物中結合的Ca（柏道遠等，2011；Nesbitt et al.，1984；Nesbitt et al.，1989；Kautz et al.，2007）。由于在實驗過程中，很難精確地分離樣品中的硅酸鹽礦物，本文則采用Mc Lennan（1993）提出的校正方法，即根據自然界硅酸鹽礦物中Na和Ca 的平均組成，依據沉積物樣品中的CaO/Na2O的摩爾比值來計算CIA：如果比值＞1，以Na2O 的摩爾含量代替CaO 含量；而若比值＜1，則以CaO摩爾含量來計算CIA。

3 結果與討論

3.1 雷州半島表層土壤CIA的空間分布特征

3.1.1 雷州半島表層土壤CIA 的整體空間分布特征 由表1可知，雷州半島區(qū)域的表層土壤的化學蝕變指數處在82.74—98.71 范圍之間，平均值為95.33，眾數為94，中位數為95.57。按照馮連君等（2003）對CIA 值反映化學風化程度的劃分方法：50—65為弱風化，反映寒冷氣候；65—85為中等風化，反映溫暖氣候；85—100 為強烈風化，反映炎熱潮濕的氣候。雷州半島表層土壤整體CIA值在85以上且均值為95.33，反映該區(qū)為炎熱潮濕的氣候并且處于強烈風化階段。土壤的形成過程與地球的外部圈層有著緊密的聯系；受氣候緯度地帶性的影響，土壤的風化程度也具有緯度地帶性。雷州半島地處中國氣候的熱帶、亞熱帶過渡區(qū)，氣候高溫多雨，緯度越低其土壤顏色越發(fā)暗紅，故稱“紅土地”。氣候在雷州半島巖石的風化過程和成壤過程中發(fā)揮重要的作用。受氣候的影響，雷州半島降雨集中且蒸發(fā)旺盛，炎熱濕潤的氣候特征使得巖石的風化分解迅速，賦存在巖石中的活潑元素大量地淋濾、流失。同時，植被在生長過程中分泌的有機酸更加速了這一風化進程，故雷州半島主要以化學風化作用為主，且為強烈風化階段。

表1 雷州半島表土CIA值的整體特征和南北差異Tab.1 Overall characteristics and North-South differences of CIA values in the Surface soil of Leizhou Peninsula

3.1.2 雷州半島表層土壤CIA 的南北分布特征雷州半島表層土壤北部CIA 的范圍處在82.74—98.34，平均值為94.08，眾數為94 和96，極差為15.60；而南部CIA 的范圍處在94.66—98.71，平均值為96.82，眾數為97 和98，極差為4.05，反映在高溫、高濕的氣候環(huán)境下雷州半島表土的風化程度強烈（表1）。南北CIA 的平均值較為接近，相差為2.74，差別不大。因半島臨近海洋，夏季主要受來自西太平洋的東南季風和印度洋的西南季風的共同影響（楊彩福，2003）；受季風影響顯著和海洋性氣候調節(jié)的雙重作用，雷州半島降雨較多且集中，南北部水熱條件相似，氣候對造成其南北風化強度差異的影響因子減少，故雷州半島南北部表層土壤的CIA 值較為接近。由圖2和圖3所示，雷州半島表土清晰呈現從北到南CIA值隨緯度的降低而逐漸增加的緯向遞變的分布特征。同時，也反映了雷州半島處于熱帶到亞熱帶氣候過渡區(qū)的特殊地理位置和環(huán)境條件。

圖1 雷州半島地理位置及采樣點分布圖Fig.1 Geographical location and sampling point distribution map of Leizhou Peninsula

圖2 雷州半島CIA值緯向分布圖Fig.2 Zonal distribution map of CIA value in Leizhou Peninsula

圖3 雷州半島CIA值分布圖Fig.3 CIA value distribution map of Leizhou Peninsula

雷州半島南北部表層土壤的CIA值的極差相差11.55，北部表土的CIA 值極差（15.60） 較南部（4.05）差異大，可能是由于雷州半島南北部的巖性差異所導致的。在喜馬拉雅運動時期，雷州半島拗陷很深，由海相沉積到淺海沉積到抬升出露，沉積了巨厚的沉積層，并有大量的基性火山巖噴發(fā)（黃鎮(zhèn)國和蔡福祥，1994）。在第四紀多期火山旋回的沉積環(huán)境下，現今雷州半島的北部主要以玄武巖臺地、沖積平原和海成階地為主，兼有其他巖性臺地，巖性多樣且復雜（圖4）；而南部大多為出露的火山巖，南部的巖性較單一，以玄武巖臺地為主。受成土母質和巖石的影響，不同的巖性在相同的氣候條件下表現出不同的風化程度。故雷州半島南部CIA 的極差較小，北部的CIA 的極差較大。

圖4 雷州半島巖性分布圖Fig.4 Lithologic distribution map of Leizhou Peninsula

3.1.3 雷州半島表層土壤北部的CIA 異常高值區(qū) 雷州半島的北部出現了部分高CIA 值的地區(qū)，為遂溪縣的中東部、麻章區(qū)的中西部和赤坎區(qū)的中西部，其CIA 值為96.59—98.71，而北部其它地區(qū)的CIA 值為86.74—96.58。推測雷州半島表土CIA 異常值可能跟火山群的分布有關。雷州半島主要分布在玄武巖臺地之上，可分為雷北火山群、雷南火山群（梁冬梅等，2016）和火山島嶼三大塊。雷北火山群分布在遂溪縣東部、湛江市西部的湖光、麻章東坡嶺和安鋪港北岸。雷南火山群分布在雷州市中南部和徐聞縣全境。

雷州半島表層土壤CIA的高值區(qū)與玄武巖分布地區(qū)大致吻合，大都處在雷州市中南部、徐聞縣全境和遂溪縣的中東部、麻章區(qū)中西部。玄武巖是基性噴出巖，在高溫多雨的氣候條件下，化學風化作用強烈，易于水解、水化、氧化形成紅色風化殼，土質疏松，加速了風化作用的進程（王世霞等，2013）。故雷州半島北部在雷北火山群處形成CIA高值區(qū)，與同緯度的遂溪縣中西部的海成階地巖性地區(qū)甚至是低緯度的雷州市中北部沖積平原和海成階地巖性地區(qū)相比，玄武巖臺地地區(qū)的CIA值較大，與其他巖性地區(qū)形成鮮明的對比。

3.2 雷州半島表層土壤CIA的主要元素遷移路徑

元素活動能力的強弱既會受元素本身的化學性質的限制，也會受到外界風化條件的影響（孔中恒，2004）。Ca、Mg、K、Na 是易移動元素，其中Ca和Mg是化學性質極活潑的元素，K和Na是活潑性中等的元素，Si 是可移動元素，Fe 和Al 是惰性元素，其中Al 被認為是不移動元素。這些主量元素的遷移、虧損或富集決定了風化殼的地球化學特征（王世霞等，2013；陳宗顏，2014）。

3.2.1 主要元素遷移過程 雷州半島土壤在強烈化學風化過程中，各種元素都產生一定的流失、遷移或集聚。由元素地球化學分析結果可得（圖5），雷州半島表土土壤常量元素以SiO2為主，Fe2O3、Al2O3次之，K2O 比CaO 略高，Na2O 和MgO含量最少。Ca、Mg、K、Na 元素大量流失，甚至全部流失，其含量趨于或等于0；而保存下來較多的則是Fe 和Al。其中Al2O3平均含量為14.5%，含量變化范圍為4.3%—26.9%；Fe2O3平均含量為7.6%，含量變化范圍為0.7%—20.2%；K2O 平均含量為0.31%，含量變化范圍為0.07%—1.64%；Na2O 平均含量為0.08%，含量變化范圍為0.02%—0.19%；MgO 平均含量為0.07%，含量變化范圍為0%—0.32%；CaO 平均含量為0.12%，含量變化范圍為0.02%—0.53%。在熱帶和亞熱帶高溫多雨的作用下，雷州半島的巖石和成土母質主要以化學風化作用為主，活潑的元素Ca、Na、K、Mg 遭到分解、淋濾和流失，產生部分元素的虧損，故其含量極低，接近或甚至達到全部流失；較穩(wěn)定的元素Si 流失較慢，但也在不斷地風化減少；而惰性元素Al、Fe 較穩(wěn)定，不斷地積聚，產生部分元素的富集，故其含量較高，反映了雷州半島整體屬于強烈風化階段。

圖5 雷州半島主量元素分布圖Fig.5 Distribution map of major elements in leizhou peninsula

由上述分析可得，雷州半島表土主量元素的遷移活動順序是Na2O＞MgO＞CaO＞K2O＞Fe2O3＞Al2O3＞SiO2。其中Fe2O3和Al2O3的含量隨著緯度的減少而增加，但在中北部出現異常高值區(qū)。這與雷州半島的巖性分布有關。雷州半島的玄武巖臺地主要分布在雷北和雷南兩大火山群，且玄武巖大多為基性噴出巖。基性玄武巖風化時間較長且易于風化，因此該區(qū)普遍發(fā)育了深厚的紅色風化殘積土。這種土壤具有孔隙度高、強收縮性和干硬濕軟等特性，降水時雨水不易下滲，大部分降水會以散漫的面的形式流走，表土在散流作用下易于水解成泥流從而流失，所以土壤中的元素和礦物容易隨水流流失（王自強等，2006）。玄武巖風化殼的地球化學過程是一種脫硅富鐵鋁化過程。土壤發(fā)育過程中，隨風化時間的增加，硅酸鹽類礦物強烈分解，鐵鋁等氧化物明顯富集：Ca、Mg、K、Na 迅速且強烈淋失，SiO2含量也不斷降低，Fe2O3和Al2O3相對富集。

3.2.2 A-CN-K 三角圖解 A-CN-K 三角圖解是CIA 值的另一種表達形式，可以形象地表現不同CIA 值樣品分析結果的分布情況，并可判斷樣品的源巖成分及鉀交代作用的特征（張先偉等，2014）。如果沉積物主元素成分變化不大或A-CNK三角圖解中樣品點的分布區(qū)域緊湊集中，則可以反映出源巖化學風化和剝蝕的相對穩(wěn)定狀態(tài)（Fedo et al.，1995）。

由ACK 圖所示，樣品點的數據點全部聚集在Al2O3頂端，（CaO+Na2O）、K2O 趨緊或等于0，說明該區(qū)Ca、Na、K 活潑元素大量流失，甚至達到全部流失；Al 元素在原地富集、累積，含量居高，反映該區(qū)土壤處于富鋁化過程，化學風化強烈。由AMF 和ACF 圖所示，樣品點的數據點中的（CaO+Na2O+K2O）、（CaO+Na2O+K2O+MgO）趨于或等于0，且其風化趨勢線大致平行并貼近于Al2O3－Fe2O3一邊，說明巖石經歷明顯的風化分解，賦存于巖石中的Ca、Na、K、Mg 迅速流失，Al、Fe 不斷累積富集，這說明該區(qū)處于富鐵鋁化過程，且化學風化程度強烈。

圖6 表層土壤ACK，AMF，ACF三角圖Fig.6 Surface soil ACK，AMF，ACF trigonometry

綜上所述，整體上雷州半島表土土壤樣品分布區(qū)域緊湊集中且主成分變化不大，則說明該區(qū)的氣候和構造環(huán)境處在比較穩(wěn)定的狀態(tài)。該區(qū)在炎熱多雨的氣候下，土壤中Ca、Na、K、Mg 活潑元素遭到大量的風化分解、遷移流失；Al、Fe 惰性元素不易遷移，在原處不斷累積富集，逐漸形成富鐵鋁化，化學風化程度不斷加深，鐵鋁含量不斷增加，使得土壤的顏色愈加發(fā)紅。

4 結論

通過對雷州半島表土土壤CIA值的空間分布特征和主量元素含量分析，得出以下結論：

（1）雷州半島表層土壤的化學蝕變指數處在82.74—98.71 之間，平均值為95.33，眾數為94，中位數為95.57，該區(qū)域整體屬于強烈風化階段。其中雷州半島表土風化過程受巖性和氣候所影響的程度更深。

（2） 雷州半島表層土壤北部CIA 的范圍在82.74—98.34，平均值為94.08，而南部CIA 的范圍在93.09—98.71，平均值為96.65；雖然南北CIA 值相差不大，但清晰呈現CIA值隨緯度的降低而逐漸增加的緯向遞變的分布特征。雷州半島表土的CIA高值區(qū)與火山群分布地區(qū)大致吻合，推測巖性對于土壤的風化程度起重要的決定性作用。

（3）雷州半島土壤中主量元素的遷移活動順序是Na2O＞MgO＞CaO＞K2O＞Fe2O3＞Al2O3。由A-CNK圖解，土壤樣品分布區(qū)域緊湊集中且主成分變化不大，說明該區(qū)的氣候和構造環(huán)境處在比較穩(wěn)定的狀態(tài)，且?guī)r石風化分解強烈。