準(zhǔn)噶爾和塔里木盆地鹽漬化土壤黏土礦物組成特征及成因①

何 帥，譚文峰，謝海霞

準(zhǔn)噶爾和塔里木盆地鹽漬化土壤黏土礦物組成特征及成因①

何 帥1，譚文峰2，謝海霞3*

(1 新疆農(nóng)墾科學(xué)院，新疆石河子 832000；2華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，農(nóng)業(yè)部長江中下游耕地保育重點實驗室，武漢 430070；3 石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院，新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點實驗室，新疆石河子 832000)

新疆是中國鹽漬化土壤主要分布區(qū)，本研究在新疆準(zhǔn)噶爾盆地和塔里木盆地采集不同鹽化程度土壤，利用X-射線衍射儀、透射電鏡、X射線熒光光譜技術(shù)，研究兩個盆地內(nèi)鹽漬化土壤中黏土礦物的分布特點。結(jié)果表明：受干旱氣候的影響，兩大盆地鹽漬化土壤中黏土礦物主要包括伊利石、蒙脫石、綠泥石和高嶺石，其中塔里木盆地鹽漬化土壤中蒙脫石含量極少。土壤次生碳酸鹽δ13C和δ18O及黏土礦物D和δ18O測定結(jié)果顯示，塔里木盆地采樣點土壤形成期氣候相對準(zhǔn)噶爾盆地更干旱，這種干旱氣候?qū)е乱晾蠯+不易脫去，從而影響蒙脫石形成。在相對濕潤的準(zhǔn)噶爾盆地，采樣點鹽漬化土壤中蒙脫石含量較高，且蒙脫石含量隨著伊利石含量減少而增加，兩者之間達(dá)到極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(=0.81，=30，<0.01)，表明土壤中存在伊利石向蒙脫石的轉(zhuǎn)化過程。準(zhǔn)噶爾盆地鹽漬化土壤具備伊利石向蒙脫石轉(zhuǎn)化所需要的水分條件和化學(xué)組分：①相對濕潤氣候條件下伊利石發(fā)生脫K+；②鹽漬化土壤pH＞8.5，使長石中的Si4+溶解，參與礦物轉(zhuǎn)化過程；③鹽漬化土壤溶液中大量Ca2+、Na+和Mg2+可進(jìn)入伊利石層間占據(jù)K+空位，形成蒙脫石。同時，研究結(jié)果還顯示10 cm以下土層土壤鹽分含量與伊利石含量存在極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(=0.76，=22，<0.01)，表明10 cm以下土體中，鹽分的存在利于準(zhǔn)噶爾盆地鹽漬化土壤中伊利石向蒙脫石轉(zhuǎn)換。因此，氣候和鹽分含量是新疆兩大盆地鹽漬化土壤中黏土礦物形成和轉(zhuǎn)化的主要影響因素。

黏土礦物；組成；成因；鹽漬化土壤；準(zhǔn)噶爾盆地；塔里木盆地

土壤次生黏土礦物在形成過程中受氣候、母巖、植被、地貌、介質(zhì)環(huán)境、風(fēng)以及成巖作用等多種因素的影響，其晶型結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，而形貌與亞結(jié)構(gòu)非常敏感，對土壤與環(huán)境的演變有很好的指示作用。關(guān)于鹽漬化土壤中黏土礦物類型演化特征研究，國內(nèi)外文獻(xiàn)資料涉及極少。早期受限于研究技術(shù)和手段，學(xué)者們主要是對鹽漬化土壤中黏土礦物類型進(jìn)行判斷[1-2]。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，著眼于鹽化環(huán)境中黏土礦物的形成和轉(zhuǎn)化機(jī)理研究成為可能。如泰國學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，受干旱氣候影響，泰國熱帶草原的含鹽土壤中物質(zhì)的淋洗率較低，大量可溶態(tài)Si4+積累，使Si4+進(jìn)入高嶺石而形成蒙脫石，發(fā)生“復(fù)硅”現(xiàn)象，導(dǎo)致熱帶土壤中除了地帶性的高嶺石之外，還有蒙脫石[3]。Abbaslou和Abtahi[4]研究伊朗鹽土淀積層中黏土礦物，提出該地區(qū)土壤中伊利石和綠泥石主要來自于母質(zhì)，伊蒙混層礦物和綠蒙混層礦物是風(fēng)化的產(chǎn)物，坡縷石可能來自于富含鹽基離子的土壤溶液和蒙脫石轉(zhuǎn)化。Joeckel和Ang Clement[5]研究表明，美國的北普拉特河谷中鹽堿化濕地土壤表層以伊利石為主，下層是蒙脫石，高pH、高交換性K+含量以及干濕交替有助于伊利石的形成。Furquim等[6]根據(jù)其Fe3+含量推斷出鹽湖水很少影響的上部土層中鐵貝得石是鹽堿環(huán)境中云母轉(zhuǎn)化而來，蛭石是其轉(zhuǎn)化的中間階段，而受到湖水水位上下波動影響的下部土層中皂石和硅鎂石則是鹽湖富Mg2+環(huán)境中水分蒸發(fā)后化學(xué)沉積形成的。分析發(fā)現(xiàn)，針對干旱、半干旱區(qū)鹽漬化土壤中黏土礦物演化特征的相關(guān)研究，國內(nèi)外文獻(xiàn)資料涉及很少，研究深度不夠，僅只是對土壤礦物組成的鑒定，缺乏其形成原因及分布特征的數(shù)據(jù)論證。

新疆位于中國西北干旱半干旱地區(qū)，土壤鹽漬化問題突出，據(jù)統(tǒng)計當(dāng)?shù)厥茺}分影響的耕地面積約占總面積的31.1%[7]。因鹽漬化土地面積大、分布廣、鹽分種類多，新疆被著名土壤學(xué)家柯夫達(dá)譽(yù)為“世界鹽堿土的博物館”。新疆以天山山脈為界，南北分布兩大盆地，分別為北疆的準(zhǔn)噶爾盆地和南疆的塔里木盆地。本研究以準(zhǔn)噶爾盆地和塔里木盆地鹽漬化土壤為研究對象，利用X-射線衍射儀(XRD)、透射電鏡(STEM/EDS)等技術(shù)，鑒定干旱區(qū)鹽漬化土壤中黏土礦物組成及形貌特征，并采用土壤次生碳酸鹽中δ13C和δ18O同位素以及黏土礦物D和δ18O同位素測定，結(jié)合X射線熒光光譜 (XRF) 分析，解讀土壤成土過程中的氣候和環(huán)境演變等因素對干旱區(qū)鹽漬化土壤中黏土礦物的影響，分析含鹽土壤中黏土礦物的演化，以揭示新疆塔里木盆地和準(zhǔn)噶爾盆地鹽漬化土壤中黏土礦物的演化特征，推進(jìn)干旱區(qū)鹽漬化土壤黏土礦物形成學(xué)理論研究。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究分別在準(zhǔn)噶爾盆地石河子地區(qū)，塔里木盆地的阿克蘇沙井子墾區(qū)和庫爾勒地區(qū)第一師29團(tuán)采集土壤樣品(圖1)。準(zhǔn)噶爾盆地，屬典型溫帶大陸性干旱氣候，冬季漫長而寒冷，夏季干旱少雨，年均降水量180 ~ 270 mm，年均蒸發(fā)量達(dá)1 500 ~ 2 000 mm；塔里木盆地屬于暖溫帶極端干旱氣候，年均降水量50 ~ 60 mm，年均蒸發(fā)量2 000 ~ 3 400 mm。由于年均蒸發(fā)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于降雨量，引起強(qiáng)烈土壤蒸發(fā)，導(dǎo)致鹽分難于被淋洗而從土體下部向表層聚集，研究區(qū)內(nèi)土壤鹽漬化問題嚴(yán)重，石河子地區(qū)鹽土占耕地總面積38.36%[8]，阿克蘇地區(qū)41.32% 的耕地受鹽分影響，庫爾勒地區(qū)約58.82%[9]。

圖1 研究區(qū)的地理位置

1.2 土壤樣品采集與理化性質(zhì)分析

兩盆地各選擇6 個剖面，準(zhǔn)噶爾盆地采樣剖面用Z1 ~ Z6 表示，塔里木盆地采樣剖面用T1 ~ T6表示，采樣點景觀特征見表 1 和表 2。分層采集土壤樣品1.00 ~ 2.00 kg，帶回實驗室風(fēng)干，過篩，保存。

土壤樣品中可溶性鹽基離子 CO2– 3、HCO– 3采用雙指示劑滴定法測定，Cl–采用硝酸銀滴定法測定，SO2– 4采用EDTA間接滴定法測定，Ca2 +、Mg2+采用EDTA絡(luò)合滴定法測定，Na+、K+采用火焰光度計方法測定。結(jié)果顯示，準(zhǔn)噶爾盆地采樣剖面土壤中鹽分的陰、陽離子以SO2– 4和Ca2+、Mg2+為主，其次為Cl–、HCO– 3和Na+，K+和CO2– 3含量極低；塔里木盆地采樣點土壤鹽分的陰、陽離子分別以Cl–和Ca2+、Mg2+為主，其次為SO2– 4、HCO– 3和Na+，K+含量非常少，CO2– 3含量也很低。土壤鹽分含量用電導(dǎo)儀測定，土水比為1∶5，用電導(dǎo)率表示；土壤機(jī)械組成采用簡易比重計法，根據(jù)美國制土壤質(zhì)地分類方法確定土壤質(zhì)地；有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀外加熱法測定；土壤pH采用1∶1土水比，pH計測定[10]。土壤理化性質(zhì)結(jié)果見表1和表2。

1.3 土壤黏土礦物提取及測定

土壤去掉粗有機(jī)物與石塊后，加入30% 雙氧水，不斷攪拌后沉淀倒去上清液，再加入雙氧水，重復(fù)該過程，直至加入雙氧水后不再產(chǎn)生大量氣泡，此時土壤有機(jī)質(zhì)被除去；然后加入0.02 mol/L HCl，不斷攪拌后沉淀倒去上清液，再加0.02 mol/L HCl，重復(fù)該過程，直至沒有氣泡產(chǎn)生，說明已完全除去土壤中的CaCO3；再加入0.5 mol/L NaHCO3加熱分散土粒，用沉降法分離出<2 μm的黏粒，烘干，研磨。

1.3.1 XRD測試 土壤黏土礦物用連二亞硫酸鈉-檸檬酸鈉-重碳酸鈉(DCB)處理后，制成鎂-甘油飽和片和鉀飽和片，其中鉀片室溫風(fēng)干測試后，再分別經(jīng)300℃和550℃加熱2 h后測試，所有定向片使用D8 Advance-射線衍射儀(XRD)測試，測試過程采用Cu靶輻射，管壓40 kV，管流40 mA；角度范圍(2)3 ~ 30°，步長為0.02°，掃描速度為0.04°/s。

1.3.2 XRF測試 利用 XRF測定黏土礦物中Si、Fe、Al、Ca、Mg、K、Na、Ti、P 元素的含量。

1.3.3 δ18O 和δD 同位素測定 稱取0.3 mg左右黏土礦物樣品裝入銀杯(6 mm × 4 mm)，折成小球，平衡72 h，利用自動進(jìn)樣器將樣品送入元素分析儀(vario PYRO cube，德國Elementar公司)，1 450 ℃條件下在玻璃碳管中高溫裂解生成CO和H2，最后進(jìn)入穩(wěn)定同位素質(zhì)譜(IsoPrime100，英國Isoprime公司)進(jìn)行檢測黏土礦物樣品的δ18O和δD同位素，該試驗在中國農(nóng)科院同位素實驗室完成。

表1 準(zhǔn)噶爾盆地鹽漬化土壤樣品理化性質(zhì)

表2 塔里木盆地鹽漬化土壤樣品理化性質(zhì)

續(xù)表

1.4 土壤次生碳酸鹽中δ13C和δ18O測定

由于鹽漬化土壤中存在大量白色鹽結(jié)晶，不易與碳酸鹽結(jié)晶體分離。文獻(xiàn)表明在中國西北干旱區(qū)土壤中細(xì)顆粒組分(<2 μm)碳酸鹽能更好地反映成壤作用，其蘊(yùn)含的地球化學(xué)信息可用來解讀土壤形成時期的古氣候和古環(huán)境信息[11-12]。本研究依據(jù)Stocks定理，采用沉降法獲取2 μm的土粒，將分離出的2 μm土粒樣品烘干，研磨，過200目篩后，稱取2 ~ 4 mg樣品放入錫箔杯中，通過自動進(jìn)樣器進(jìn)入元素分析儀，通過燃燒(1 020℃)與還原(還原爐溫度650℃)轉(zhuǎn)化為純凈的CO2和N2氣體，CO2再經(jīng)過稀釋器稀釋，最后進(jìn)入穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀(IsoPrime100，英國Isoprime公司)進(jìn)行土壤碳酸鹽中δ13C和δ18O測定，以國際標(biāo)準(zhǔn)VPDB為基準(zhǔn)校正測定結(jié)果，該試驗在中國農(nóng)科院同位素實驗室完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 準(zhǔn)噶爾盆地和塔里木盆地鹽漬化土壤黏土礦物的類型

根據(jù)鹽漬化土壤中黏土礦物定向片的XRD圖譜判斷，兩盆地內(nèi)鹽漬化土壤中主要黏土礦物類型包括蒙脫石、伊利石、綠泥石和高嶺石。以準(zhǔn)噶爾盆地的剖面Z1和Z2以及塔里木盆地T1和T2為例(圖2)，對比XRD衍射圖發(fā)現(xiàn)，剖面Z1和Z2各土層蒙脫石衍射峰(M)的峰強(qiáng)比剖面T1和T2中蒙脫石衍射峰的峰強(qiáng)強(qiáng)，伊利石衍射峰(I)的峰強(qiáng)則相反，綠泥石(Chl)和高嶺石(Kao)衍射峰沒有顯著差異。

進(jìn)一步對所有土壤黏土礦物的鎂甘油飽和定向片的衍射圖譜扣除背景后，利用OriginPro8軟件，將樣品中蒙脫石的1.8 nm衍射特征峰、伊利石1.0 nm衍射峰、高嶺石和綠泥石的0.71 nm衍射峰的積分面積乘以比例系數(shù)，本研究中伊利石比例系數(shù)確定為3.5，蒙脫石、綠泥石和高嶺石的比例系數(shù)均為2[13]，再分別計算各個峰的面積占總積分面積的百分?jǐn)?shù)，即為蒙脫石、伊利石、綠泥石+高嶺石的礦物含量；然后對鎂甘油飽和定向片的衍射圖譜中0.35 nm衍射峰進(jìn)行分峰，計算0.354、0.358 nm峰的峰面積比，區(qū)分綠泥石和高嶺石各自的含量。本研究礦物含量以相對含量(%)表示，結(jié)果見表3和表4。

準(zhǔn)噶爾盆地鹽漬化土壤樣品中伊利石含量最高(約占36% ~ 69%)，其次為蒙脫石(0 ~ 34%)和綠泥石(16% ~ 43%)，高嶺石最少(含量<10%)。各土層伊利石含量減少，相應(yīng)蒙脫石含量增加，伊利石和蒙脫石含量之間存在極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(=30，=0.81，<0.01)，表明新疆準(zhǔn)噶爾盆地鹽漬化土體中存在伊利石向蒙脫石的轉(zhuǎn)化過程。同一剖面中表層0 ~ 10 cm土層蒙脫石含量最低，下層相對表層含量較高，如剖面Z3、Z4的表層0 ~ 10 cm土層中幾乎沒有蒙脫石存在，說明表層該轉(zhuǎn)化過程弱，下層轉(zhuǎn)化作用強(qiáng)。同時研究數(shù)據(jù)還表明，不同剖面的同一土層，鹽分含量越高，伊利石含量越低，如各剖面的20 ~ 30 cm土層中鹽分含量依次為：Z1

(圖中M為蒙脫石，Chl為綠泥石，I為伊利石，Kao為高嶺石)

表3 準(zhǔn)噶爾盆地鹽漬化土壤剖面各土層中黏土礦物組分相對含量(%)

續(xù)表

表4 塔里木盆地鹽漬化土壤剖面各土層中黏土礦物組分相對含量(%)

塔里木盆地鹽漬化土壤全剖面不同土層礦物類型相同，礦物衍射峰峰形變化不明顯。半定量計算礦物含量，結(jié)果表明伊利石約占總量67% ~ 86%，其次為綠泥石12% ~ 25%，少量高嶺石，極少甚至沒有蒙脫石。相關(guān)分析顯示黏土礦物含量不受鹽分的影響，礦物之間也不存在相關(guān)關(guān)系。與準(zhǔn)噶爾盆地鹽漬化土壤中黏土礦物的含量比較發(fā)現(xiàn)，塔里木盆地鹽漬化土壤中伊利石含量相對較多，蒙脫石含量相對較少。

2.2 準(zhǔn)噶爾盆地和塔里木盆地鹽漬化土壤黏土礦物的化學(xué)元素組成

利用XRF測定土壤黏土礦物的元素組成，結(jié)果見表5。研究區(qū)土壤樣品中黏土礦物主要是由SiO2、Al2O3和Fe2O3組成。兩盆地鹽漬化土壤黏土礦物元素組成中SiO2、Al2O3、K2O、CaO和Na2O的含量具有比較明顯的差異。剖面Z1和Z3黏土礦物的元素組成中SiO2、CaO和Na2O含量高，剖面T3和T5則相反。文獻(xiàn)提出在鹽化環(huán)境中，黏土礦物中Al2O3和K2O含量減少的過程說明存在伊利石的退化，表征土壤中發(fā)生伊利石向蒙脫石的轉(zhuǎn)化[14]，本研究中剖面Z1和Z3黏土礦物的元素組成中Al2O3和K2O含量比剖面T3和T5低，再次證明準(zhǔn)噶爾盆地鹽漬化土壤中存在伊利石向蒙脫石轉(zhuǎn)化的過程。

表5 土壤黏土礦物的化學(xué)元素組成(%)

3 討論

鹽漬化土壤分布區(qū)自然植被覆蓋度低，準(zhǔn)噶爾盆地植被覆蓋度一般在10% 左右，高者在20% ~ 30%；塔里木盆地自然植被覆蓋度一般<5%，因此研究區(qū)土壤過程受植物作用影響微弱，主要受荒漠區(qū)水熱條件的控制。區(qū)域內(nèi)氣候炎熱干燥，土壤風(fēng)化程度較弱，長石、云母等原生礦物脫鉀，形成大量伊利石。鹽分在土體表面大量存在，表征當(dāng)?shù)赝寥懒苋茏饔萌?，這種弱的淋溶作用有利于伊利石的形成和保存，因而研究區(qū)土壤黏土礦物以伊利石為主。綠泥石主要陽離子為Si4+、A13+、Fe2+、Mg2+，是在干旱氣候條件、富含Mg2+堿性環(huán)境下形成[15]，鹽化土壤溶液介質(zhì)中因富含Mg2+，可為綠泥石的形成提供必要的物質(zhì)條件。準(zhǔn)噶爾盆地和塔里木盆地土壤富含鈣鎂碳酸鹽(表1 ~表2)，同時鹽漬化土壤溶液中也有大量Mg2+，為綠泥石的形成提供了所需要的Mg2+，因而區(qū)域內(nèi)鹽漬化土壤中存在一定量綠泥石。高嶺石在高度風(fēng)化的土壤中普遍存在，主要形成于溫暖、潮濕的氣候條件[16-17]，酸性介質(zhì)(pH 5 ~ 6)下穩(wěn)定存在。本研究認(rèn)為新疆鹽漬化土壤的高堿性環(huán)境并不具備生產(chǎn)高嶺石的氣候環(huán)境條件，研究區(qū)土壤中少量的高嶺石可能是母質(zhì)通過物理風(fēng)化釋放出來的。

3.1 準(zhǔn)噶爾盆地和塔里木盆地鹽漬化土壤中蒙脫石含量差異分析

與塔里木盆地鹽漬化土壤中黏土礦物的含量比較發(fā)現(xiàn)，準(zhǔn)噶爾盆地鹽漬化土壤中蒙脫石含量相對較高，伊利石含量相對較低。水分環(huán)境影響淋溶作用，影響礦物的轉(zhuǎn)化和形成[18]。在溫帶地區(qū)，隨著水分增加，伊利石中K+淋洗越多，形成的蒙脫石越多。文獻(xiàn)中常用土壤次生碳酸鹽中δ13C、δ18O同位素或土壤黏土礦物的δD和δ18O同位素解讀土壤形成過程的氣候信息[19-20]，研究土壤發(fā)生、土壤景觀歷史、土壤形成過程中的古氣候及古環(huán)境變化。新疆位于歐亞大陸腹地，土壤富含CaCO3(表1 ~ 表2)，為利用碳酸鹽研究土壤形成期氣候條件提供了有利條件。本研究選擇人為干擾較少的剖面Z4和T5，分析其不同土層土壤次生碳酸鹽中碳、氧同位素以及土壤黏土礦物的氫、氧同位素的變化(表6)，重建兩大盆地土壤形成時期的成土環(huán)境，分析準(zhǔn)噶爾盆地和塔里木盆地鹽漬化土壤中黏土礦物差異的原因。

表6 土壤物質(zhì)組成中同位素分析結(jié)果

由于土壤表面強(qiáng)烈蒸發(fā)，干燥度提高可導(dǎo)致土壤黏土礦物的18O‰ 增加[21]，且黏土礦物的δD和δ18O同位素比率一旦形成，即使與大氣降水接觸也不發(fā)生改變。因而通過測定黏土礦物中的氫、氧同位素δD和δ18O數(shù)據(jù)，便可以獲取土壤成土作用和古氣候條件的大量信息[22]。研究選擇土壤剖面Z4和T5，測定其不同土層中黏土礦物的δD和δ18O(表6)。剖面Z4所有土壤黏土礦物的δD和δ18O值均為負(fù)值，分別為–90.68‰ ~ –89.78‰和–4.24‰ ~ –1.73‰；剖面T5中黏土礦物的δD為–80.22‰ ~ –75.97‰，δ18O含量在表層最低為–1.59‰，其次是40 ~ 60 cm土層，10 ~ 40 cm土層中δ18O均為正值，可見準(zhǔn)噶爾盆地鹽漬化土壤中δD和δ18O比塔里木盆地鹽漬化土壤中虧損更多。黏土礦物中δD和δ18O值越高，對應(yīng)的溫度越高[23]，形成于濕潤氣候的黏土礦物比干旱氣候的黏土礦物虧損更多的重同位素。塔里木盆地鹽漬化土壤的δD和δ18O含量相對較高，準(zhǔn)噶爾盆地鹽漬化土壤δD和δ18O含量相對較低，說明塔里木盆地土壤樣品中黏土礦物形成期氣候干旱，而準(zhǔn)噶爾盆地土壤形成時研究區(qū)的氣候相對塔里木盆地氣候濕潤。

土壤碳酸鹽中的碳氧同位素成分取決于古植被類型和當(dāng)時氣候，可以作為古植被類型和古氣候的指示信息。土壤中碳同位素受植被生態(tài)變化控制。陸生高等植物中主要存在C3和C4兩種光合作用類型。C3和C4植物的δ13C值不相重疊，C3和C4植物的δ13C平均值分別為–27‰ 和–13‰，C3植物生長環(huán)境下的土壤碳酸鹽δ13C值為–9‰ ~ –13‰，C4植物生長環(huán)境下δ13C值為1‰ ~ 3‰。本研究中剖面Z4的各土層中次生碳酸鹽的δ13C值均為負(fù)值且變化較大，為–3.73‰ ~ –1.45‰；剖面T5中各土層中次生碳酸鹽的δ13C值為–0.40‰ ~ –0.19‰，明顯高于準(zhǔn)噶爾盆地鹽漬化土壤。通過土壤中次生碳酸鹽的δ13C值判斷兩大盆地土壤形成時C3和C4植物共生，0 ~ 60 cm土層土壤形成過程中，塔里木盆地C4植物比準(zhǔn)噶爾盆地多。一般C4植物多是較耐干旱的草本植物，主要生長在極度干旱環(huán)境下，因而可以判斷塔里木盆地氣候相對準(zhǔn)噶爾盆地干旱。次生碳酸鹽中δ18O含量受干旱度的影響，隨著干旱度提高，土壤水分蒸發(fā)強(qiáng)烈，使輕的H216O蒸發(fā)，δ18O在土壤碳酸鹽中富集。剖面T5土層中次生碳酸鹽δ18O值高于剖面Z4，表明塔里木盆地蒸發(fā)更強(qiáng)烈，使δ18O在鹽漬化土壤的碳酸鹽中富集，證明塔里木盆地比準(zhǔn)噶爾盆地氣溫高，干旱度高。

以上黏土礦物氫、氧同位素和次生碳酸鹽的碳、氧同位素結(jié)果表明研究區(qū)樣品采集點土壤形成時，準(zhǔn)噶爾盆地土壤形成期氣候較塔里木盆地濕潤，干旱度低。K+在鹽基離子中最易被風(fēng)化釋放[24]，一般隨水分增加，伊利石中K+淋洗量增加，形成的蒙脫石量增加，比較而言，準(zhǔn)噶爾盆地土壤形成期相對濕潤的氣候條件，為蒙脫石形成提供了更有利的水分條件。

根據(jù)礦物晶體結(jié)構(gòu)可知，蒙脫石的層間一般被Na+、Ca2+和K+占據(jù)，而伊利石的層間主要被K+占據(jù)[25]。伊利石向蒙脫石的轉(zhuǎn)化過程需要脫去K+和Al3+，Si4+進(jìn)入，Na+和Ca2+取代層間K+。采樣點鹽漬化土壤呈強(qiáng)堿性反應(yīng)，pH＞8.5(表1)，利于土壤中的長石溶解并釋放Si4+，為礦物轉(zhuǎn)化提供Si4+；土壤溶液中存在著大量可溶性鹽基離子Ca2+和Na+，其中Na+很容易置換伊利石層間K+[26]，為轉(zhuǎn)化過程提供物質(zhì)條件。本研究礦物元素分析結(jié)果也表明，鹽分含量較高的土壤黏土礦物中Na2O和CaO含量高于鹽分含量低的土壤(表5)，說明高鹽土壤的礦物中存在K+被Na+和Ca2+取代的現(xiàn)象。準(zhǔn)噶爾盆地土壤中富含CaCO3(表1)，研究表明在碳酸鹽環(huán)境中Mg和Si含量較高，利于伊利石轉(zhuǎn)化形成蒙脫石[27-28]，因而在相對濕潤的氣候條件下，土壤富含鹽基離子和碳酸鹽為準(zhǔn)噶爾盆地鹽漬化土壤中蒙脫石的形成提供了必要條件，導(dǎo)致土壤中蒙脫石含量相對較高。而塔里木盆地土壤形成期的干旱氣候，其水分條件不利于伊利石脫K+，因而土壤中蒙脫石含量極少甚至沒有。

本研究中準(zhǔn)噶爾盆地鹽漬化土壤中黏土礦物的TEM圖像顯示，采樣點土壤黏土礦物組成中存在1.2 nm和1.3 nm晶層礦物(圖4A)，該類礦物晶格條紋終端不平行，呈波浪形(圖4B)。Ahn和Peacor[29]、Amouric 和Olives[30]已證明這種1.2 nm和1.3 nm晶層礦物是蒙脫石。Robert[31]通過室內(nèi)試驗證明，當(dāng)水合Na+、Ca2+取代伊利石結(jié)構(gòu)中的層間K+，就可使礦物結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，礦物層間距由1.0 nm擴(kuò)大到1.2 ~ 1.4 nm。

(A：蒙脫石的1.2 ~ 1.3 nm晶格條紋；B：彎曲呈波浪形的晶格條紋)

3.2 準(zhǔn)噶爾盆地鹽漬化土壤剖面中礦物的分布特點

準(zhǔn)噶爾盆地采樣點土壤中，伊利石和蒙脫石含量呈極顯著相關(guān)關(guān)系，存在伊利石向蒙脫石的轉(zhuǎn)化過程。然而同一剖面中0 ~ 10 cm土層蒙脫石含量最低，下層相對表層較高，表明表層土壤中伊利石向蒙脫石轉(zhuǎn)換作用很弱。基于本研究同位素的分析結(jié)果，認(rèn)為這種現(xiàn)象是受到土壤形成期氣候條件和土體內(nèi)部上、下土層水分含量的影響。從表6同位素分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，Z4表層0 ~ 10 cm土層次生碳酸鹽中δ13C和δ18O值分別為–1.53‰ 和–9.44‰，黏土礦物中δD和δ18O分別為–89.81‰ 和–1.73‰，均高于下層土壤，表明表層土壤形成期的氣候較下層土壤形成期干旱；同時受研究區(qū)年蒸發(fā)量大于降水量的氣候條件影響，土壤表面蒸發(fā)強(qiáng)烈，導(dǎo)致土體內(nèi)表層土壤含水量低于土體內(nèi)部，可見，受成土過程中氣候條件和現(xiàn)代土體內(nèi)水分分布的影響，表層土壤的水分條件均不利于伊利石轉(zhuǎn)換，因而表層土壤中蒙脫石極少甚至沒有，而下層土體內(nèi)蒙脫石含量相對較高。

10 cm以下土體中，蒙脫石含量相對表層較高，且鹽分含量越高蒙脫石含量越高，即10 cm以下土層中土壤鹽分的存在有助于伊利石轉(zhuǎn)化形成蒙脫石。Velde和Church[32]研究特拉華州的鹽沼中發(fā)現(xiàn)下層土壤也存在伊利石向蒙脫石轉(zhuǎn)化的過程，認(rèn)為受到鹽沼中的高鹽環(huán)境影響。Furquim等[6,33]提出鹽湖下層土壤的富Mg2+環(huán)境中伊利石轉(zhuǎn)化形成蒙脫石。Aoudjit 等[14]報道地勢低洼、富含鹽基離子的母質(zhì)、高pH和鹽基離子的化學(xué)環(huán)境都會影響土壤中蒙脫石的形成和分配。因此，本研究中10 cm以下土層在水分條件滿足時，土壤溶液中的鹽基離子含量越高，進(jìn)入伊利石層間代替K+的數(shù)量就越多，形成的蒙脫石量越多，因而，在準(zhǔn)噶爾盆地鹽漬化土壤的土體下部，高鹽也影響伊利石向蒙脫石轉(zhuǎn)化。

4 結(jié)論

1)新疆鹽漬化土壤富含鈣鎂碳酸鹽，鹽漬化土壤溶液中也有大量Mg2+，為綠泥石的形成提供了所需要的Mg2+，區(qū)域內(nèi)土壤中存在一定量綠泥石。鹽漬化土壤的高堿性環(huán)境并不具備形成高嶺石的氣候環(huán)境條件，本研究認(rèn)為土壤中少量的高嶺石可能是母質(zhì)通過物理風(fēng)化釋放出來的。這兩種礦物含量在塔里木盆地和準(zhǔn)噶爾盆地鹽漬化土壤中無明顯差異。由于研究區(qū)域內(nèi)氣候炎熱干燥，土壤風(fēng)化程度較弱，長石、云母等原生礦物風(fēng)化后形成大量伊利石。土壤次生碳酸鹽碳氧同位素和黏土礦物的氫氧同位素結(jié)果證明，塔里木盆地鹽漬化土壤形成期氣候相對準(zhǔn)噶爾盆地更干旱，該氣候條件不利于土層中伊利石脫K+向蒙脫石轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致塔里木盆地鹽漬化土壤中蒙脫石含量極低甚至沒有，而伊利石含量高于準(zhǔn)噶爾盆地鹽漬化土壤。因而，塔里木盆地鹽漬化土壤中黏土礦物類型以伊利石為主，其次為綠泥石，少量高嶺石，蒙脫石含量極低甚至沒有；準(zhǔn)噶爾盆地鹽漬化土壤中主要黏土礦物是伊利石，其次為綠泥石、蒙脫石，少量高嶺石。

2)塔里木盆地鹽漬化土壤剖面中不同土層伊利石、綠泥石、高嶺石和蒙脫石含量無明顯差異。準(zhǔn)噶爾盆地鹽漬化土壤各土層中，隨著伊利石含量減少，蒙脫石含量增加，存在伊利石向蒙脫石的轉(zhuǎn)化。本研究表明準(zhǔn)噶爾盆地采樣點鹽漬化土壤具備伊利石向蒙脫石轉(zhuǎn)化所需要的水分條件和化學(xué)組分：①同位素測定結(jié)果證明準(zhǔn)噶爾盆地采樣區(qū)10 cm以下土層土壤形成期氣候相對濕潤，利于伊利石中K+淋失；②鹽漬化土壤pH＞8.5，促使土壤中原生礦物Si4+溶解，為轉(zhuǎn)化過程提供足夠的Si4+；③鹽漬化土壤溶液中存在的大量Ca2+和Na+。因而，在相對濕潤環(huán)境條件下，土體中伊利石K+淋失，Ca2+、Na+進(jìn)入礦物晶格，形成結(jié)晶較差，晶格條紋彎曲、不平行的蒙脫石。0 ~ 10 cm土層由于土壤形成期相對下層土體形成期氣候干旱，且現(xiàn)代土壤剖面中表層土壤水分含量較低，導(dǎo)致該土層土壤中伊利石轉(zhuǎn)化作用很弱，形成的蒙脫石也極少；10 cm以下土體的土壤形成期氣候相對濕潤，加之在目前的氣候條件下土體下部水分含量較表層高，水分條件利于伊利石向蒙脫石的轉(zhuǎn)化，因而準(zhǔn)噶爾盆地采樣點鹽漬化土壤10 cm以下土體中蒙脫石含量較表層高。同時10 cm以下土體內(nèi)，隨著土壤溶液中鹽分含量增加，伊利石含量減少，表明準(zhǔn)噶爾盆地鹽漬化土壤中鹽分促使伊利石轉(zhuǎn)化。因而受到氣候條件影響新疆塔里木盆地和準(zhǔn)噶爾盆地鹽漬化土壤中黏土礦物的組成呈現(xiàn)差異。土體上、下層水分條件和土壤可溶性鹽含量是準(zhǔn)噶爾盆地鹽漬化土體中礦物形成和轉(zhuǎn)化的主要影響因素。

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Composition and Genesis of Clay Minerals in Salinized Soils in Junggar Basin and Tarim Basin of Xinjiang, China

HE Shuai1, TAN Wenfeng2, XIE Haixia3*

(1 Xinjiang Academy of Agricultural Reclamation Science, Shihezi, Xinjiang 832000, China; 2 Key Laboratory of Arable Land Conservation (Middle and Lower Reaches of Yangtze River), Ministry of Agriculture, College of Resources and Environment, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China; 3 Key Laboratory of Oasis Ecology Agricultural of Xinjiang Production and Construction Corp, College of Agriculture, Shihezi University, Shihezi, Xinjiang 832000, China)

Soil salinization is serious in the arid and semi-arid region in the northwest of China, especially in Xinjiang. In this paper, soil samples with different salt contents were collected in Junggar Basin and Tarim Basin of Xinjiang. X-ray diffraction (XRD), transmission electron microscopy (TEM) and X-ray fluorescence (XRF) were employed to investigate the formation and distribution characteristics of clay minerals in salinized soil profiles. In these two basins, salinized soils with different salt contents had similar mineral composition including illite, montmorillonite, chlorite and kaolinite. In Tarim basin, illite is the main clay mineral while montmorillonite was bare. The analysis results of the δ13C and δ18O values in secondary carbonate and the D and δ18O values in clay minerals reflected that C4plants were the dominant plant and the climate was relatively dry during the formation of salinized soils in Tarim Basin. The arid climate in Tarim Basin is unconducive for depriving K+from illite, the content of montmorillonite reached the lowest point. The content of montmorillonite in salinized soils in Junggar Basin is significantly negatively correlated with the content of illite, (=0.81,=30,<0.01). More specifically, this phenomenon demonstrates that illite in salinized soils was transformed to montmorillonite. In generally, this transformation is affected by water condition and requires the deprivation of K+and Al3+, entry of Si4+, and replacement of K+by Ca2+and Na+within lattice layers. According to the analysis, salinized soils in Junggar Basin have the required moist condition and chemical components to transform illite to montmorillonite: 1) Under the relative humid condition, K+of illite in soil would be easily leached; 2) pH of salinized soil is high (pH＞8.5), which promotes Si4+of primary mineral to be readily dissolved. 3) Large amounts of Ca2+, Na+and Mg2+in soil solution of salinized soils. Thus, the content of montmorillonite in salinized soils in Junggar Basin is more than that in Tarim Basin. There is a significant negative correlation (=0.76,=22,<0.01) between the contents of illite and salt in soil layers deeper than 10 cm, which indicates that soil layers below 10 cm depth are moister, the existed salts promote the transform of illite to montmorillonite in Junggar Basin. Thus, climate condition and salt content in salinized soils are the main factors for the formation and transformation of clay minerals in Junggar Basin and Tarim Basin of Xinjiang.

Clay mineral; Composition; Genesis; Salinized soil; Junggar Basin; Tarim Basin

國家自然科學(xué)基金項目(41361051)和兵團(tuán)重大科技專項項目(2015AA001-2)資助。

(xjndxhx@163.com)

何帥(1976—)，男，山東文登人，碩士，副研究員，主要從事土壤改良和農(nóng)田水利研究。E-mail: xjshzhs@163.com

S153.6

A

10.13758/j.cnki.tr.2019.03.021