承德特色林果資源的生態(tài)地球化學過程及其品質提升意義

衛(wèi)曉鋒，孫厚云，2，張 競，李 霞，樊劉洋，何澤新

(1.北京礦產地質研究院有限責任公司，北京 100012；2.中國地質大學(北京)水資源與環(huán)境學院，北京 100083；3.中國地質調查局天津地質調查中心，天津 300170；4.中國地質環(huán)境監(jiān)測院，北京 100081)

研究發(fā)現(xiàn)特色林果產品的品質除了與作物遺傳特征、種植技術、氣候條件等因素有關，與特殊的地質環(huán)境具有密切的相關性[1-2]，尤其是巖石和土壤中特定的地球化學元素，通過基巖層-土壤層-作物之間的元素遷聚過程影響林果生長發(fā)育和果實品質[3-5]，對提升果實品質具有重要實踐意義。徐小磊等[6]研究發(fā)現(xiàn)安徽寧國市優(yōu)質山核桃產區(qū)的土壤中富集Fe、Mn、Cu、Mo、Zn、B微量元素，黃霄等[7]認為江蘇的優(yōu)質“白玉”枇杷產區(qū)土壤中N、Mg、Fe、P和Na元素含量高，王萍等[8]發(fā)現(xiàn)成土母質的營養(yǎng)元素與天寶香蕉品質有顯著關聯(lián)。

承德南部興隆—寬城一帶處于燕山山地中北部，屬于“九山半水半分田”的山區(qū)，具有發(fā)展林果經濟的自然條件優(yōu)勢。該地區(qū)種植大量的山楂、板栗、核桃、山杏等果林，其中“京東板栗”“興隆山楂”是當地名特優(yōu)農產品，先后獲得“國家地理標志產品”認證。通過對“京東板栗”“興隆山楂”的野外調查，發(fā)現(xiàn)其生長分布具有明顯的地域性，以密云—喜峰口區(qū)域性斷裂為界，“京東板栗”集中分布在斷裂以南片麻巖變質巖區(qū)，“興隆山楂”集中分布在斷裂以北白云巖碳酸鹽巖區(qū)。

本文從地質建造和生態(tài)地球化學視角，研究片麻巖變質巖建造區(qū)和白云巖碳酸鹽巖建造區(qū)的巖石-土壤元素含量，分析元素遷聚和生物富集的生態(tài)地球化學過程，探討不同地質建造的生態(tài)地質化學特性對山楂、板栗的品質影響，建立控制品質的產地地質模型，提出農業(yè)種植規(guī)劃與地質資源適宜性優(yōu)化建議方案。

1 生態(tài)地質背景

研究區(qū)區(qū)域大地構造位置處于華北陸塊北緣，地塊北緣可以劃分為4個次級構造單元：興蒙造山、內蒙古隆起(內蒙地軸)、燕山構造帶和華北克拉通。研究區(qū)屬于燕山構造帶，其位于內蒙古隆起與華北克拉通的過渡位置，是中新生代陸內造山的產物，在中三疊世以前是整個華北穩(wěn)定克拉通盆地的一部分[9-10]。研究區(qū)主要出露古太古代遵化群的小關莊組(Ar2Xgn)和秋花峪組(Ar2Q)片麻巖，中元古代長城群的常州溝組(Chch)、串嶺溝組(Chch)、大紅峪組(Chd)和高于莊組(Chg)白云巖、灰?guī)r和含鐵錳白云巖[11]。

研究區(qū)地勢總體呈現(xiàn)北高南低，地形中等,較深切割，海拔高度一般為500～1 200 m，最高山峰為西北部的霧靈山，高達2 116 m，相對高差一般為100～700 m，最大高差可達1 800 m。區(qū)域屬于溫帶大陸性季風氣候，春、夏、秋、冬四季分明，夏季炎熱，每年7—8月為雨季，年降雨量平均700 mm左右，無霜期 150～200 d。水系發(fā)育，河谷寬闊，800～1 000 m，分屬潮河、灤河，植被發(fā)育，覆蓋面積可占總面積的40%～50%。

2 樣品采集和測試

2.1 樣品采集

“京東板栗”集中分布在斷裂以南片麻巖變質巖區(qū)和“興隆山楂”集中分布在斷裂以北白云巖碳酸鹽巖區(qū)(圖1)，即片麻巖和白云巖建造集中分布區(qū)，選擇天然或者人工露頭自下而上分層采集基巖層、風化層、土壤層、作物樣品(圖2)，共計調查14個垂向剖面，采集基巖土壤樣品61件，作物樣品24件。

圖1 承德燕山山地特色林果種植分布圖Fig.1 Distribution of characteristic forest fruit in Yan Mountains, Chengde

圖2 典型剖面及采樣示意圖Fig.2 Typical sections and sample plotsP—植被；S—土壤層；R—風化層；B—基巖

①基巖層樣品的采集：在同一巖性基巖新鮮面5～10 m內采集3～5處巖石樣品，組合成1個樣品，樣品重量一般為200～300 g。②風化層樣品的采集：根據巖石的破碎和風化強度，在風化殼的中間位置5～10 m 內采集3～5處風化物樣品，組合成1個樣品，樣品重量一般為200～300 g。采集過程中，盡量采集風化程度相似的樣品，確保樣品的粗粒和細粒物質保持均勻性?；鶐r樣品和風化層樣品除去雜物后送樣。③土壤層樣品的采集：由于樣品分布區(qū)多為人工種植區(qū)，為了減少人為施肥等干擾，將頂部腐殖層10～20 cm和外層的黏土剝離，分別在心土層和底土層的新鮮層5～10 m內，采集3～5處土壤樣品，混合為1個樣品，樣品原始重量大約1 kg，土壤樣品在自然風干后過篩-10目后送樣。④農作物樣品采集:為了研究片麻巖建造區(qū)和白云巖建造區(qū)優(yōu)質林果品的元素富集特征，本次研究配套采集了板栗、山楂和少量核桃作物樣品。分別在采樣單元內選取5～10棵果樹，每株果樹縱向四分，從其中一份的上、中、下、內、外各側均勻采摘，裝入聚乙烯自封袋混合成樣，樣品鮮重為1 000～2 000 g。

2.2 分析測試

巖石土壤分析元素N、P、K2O、CaO、MgO、S、Fe2O3、B、Mn、Cu、Zn、Mo、Cl、SiO2、Na2O、Co、Ni、Se、Ge、Al2O3和Ti共20項。作物分析元素為B、Ni、Cu、Zn、Mo、Se、Ge、Fe、Mn。分析測試在承德華勘五一四地礦測試研究有限公司進行，Cl、Ti、SiO2、Al2O3采用粉末壓片X射線熒光光譜法，Co、Cu、Mo采用電感耦合等離子體質譜法，Mn、Ni、P、Zn、Fe2O3、K2O、CaO、Na2O、MgO采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法，B采用交流電弧發(fā)射光譜法，Se、Ge采用原子熒光光譜法，N采用凱氏定氮法，S采用燃燒-碘量法。

3 基巖層-土壤層生態(tài)地球化學特征

3.1 地質建造特征

地質建造泛指在地殼發(fā)展的某一構造階段中，在一定的大地構造條件下所產生的具有成因聯(lián)系的一套巖石的共生組合[12]。在相同或相似的光、熱、氣環(huán)境等條件下，不同地質建造類型(如碳酸鹽巖建造和花崗巖建造)，其土壤地質化學、地貌景觀、工程巖組特性、水文地質特征等背景特征和分布規(guī)律不同，同類地質建造多具有相同或相似的水土、地質環(huán)境條件，形成一定的生態(tài)地質環(huán)境[13-14]。

根據1∶25萬承德幅、青龍幅區(qū)域地質調查成果，重新編制了研究區(qū)地質建造圖(圖3)。以近東西向興隆—喜峰口斷裂為界，北部主要為中元古代的碳酸鹽建造，南部主要為太古代的片麻巖建造。碳酸鹽建造呈近東西向展布于寬城縣化皮溜子一帶，面積為 516 km2，占26.4%，主要包括常州溝組(Chch)、串嶺溝組(Chchl)、大紅峪組(Chd)和高于莊組(Chg)白云巖、白云石灰?guī)r和含鐵錳白云巖，局部夾泥巖、黑色粉砂質頁巖組合。片麻巖建造呈東西—北東向分布于寬城縣板城鎮(zhèn)—大東鄉(xiāng)，面積為535 km2，占27.4%，主要包括小關莊組(Ar2Xgn)和秋花峪組(Ar2Q)黑云斜長變粒巖、黑云斜長片麻巖、斜長角閃巖、角閃斜長片麻巖、磁鐵石英巖巖石組合[11]。

片麻巖建造的礦物成分主要為斜長石(PI)、鉀長石(K)、石英(Q)、黑云母(Bi)、角閃石(Hb)、石榴石(Cr)等，副礦物為磁鐵礦、鈦鐵礦、磷灰石等，風化區(qū)土壤的礦物成分為綠泥石(5%～15%)、蒙脫石(5%～15%)和高嶺石(5%～10%)，鎂鋁鎂鐵礦物含量較高。碳酸鹽建造的礦物主要成分為白云石(Do)、石英(Q),副礦物為磁鐵礦和磷灰石等，風化區(qū)土壤的礦物成分為粉晶白云石(20%～25%)，泥晶白云石(70%～75%)。

圖3 研究區(qū)地質建造圖Fig.3 Geological formation map of the study area

3.2 巖石-土壤元素含量

片麻巖建造和白云巖建造元素地球化學分析結果(表1)顯示：兩類建造巖石礦物成分不同，基巖層及土壤層的元素含量差異明顯。

片麻巖建造的原巖為花崗巖類，長石類和云母類礦物成分高，巖石層SiO2、Al2O3、K2O、Fe2O3、P2O5、Na2O、Cu、Zn、Ni、Co元素含量高于白云巖建造，相應片麻巖建造的土壤層中Al2O3、Fe2O3、P2O5、Mn、Cu、Zn、Ni、Co元素含量高于白云巖建造區(qū)。白云巖建造的礦物成分主要白云石，巖石層CaO、MgO、B、Ge元素含量高于片麻巖建造，相應的土壤層中MgO、CaO含量較高，表明不同地質建造(成土母巖)與土壤之間元素具有一定的繼承性。

3.3 巖石-土壤元素相關性

為了更好地分析基巖、土壤元素繼承性和變異性，利用主成分分析和Pearson 相關性系統(tǒng)聚類分析對巖石風化過程中元素的相關關系變化進行分析(圖5)。

片麻建造基巖和土壤元素含量分別提取2個主成分，土壤層PC1和PC2特征值方差分別48.94%和17.13%，基巖PC1和PC2特征值方差分別37.02%和17.63%，可有效解釋分析變量，代表性較高?；谠卦赑C1和PC2的正載荷和負載荷分區(qū)特征，基巖中Ti、Fe2O3、Mn、P、Zn、Cu和Mo可分為1組，Ge、MgO、CaO、Se和S可分為1組，B和K2O元素與其他變量相關性較弱。Pearson 相關性聚類分析顯示 Fe2O3、Ti、Mn、Ni、P、Cu和Zn為系統(tǒng)聚類第一組，Se和S為系統(tǒng)聚類第二組，Ge、MgO和CaO為系統(tǒng)聚類第三組，組內元素相關性較高；Mo、B和K2O元素與其他變量相關性較弱。土壤樣品V、Fe2O3、Ti、Mn、Ni、Cu、Zn、Mo和P元素為1組，CaO、MgO、S和Ge為1組，B和K2O元素分布較為分散。聚類分析樹狀圖中Fe2O3、Cu、Zn、Ti、Mn、Ni、Mo和P為第一組，Ge、MgO和CaO為第二組，S和B為第三組。

白云巖建造區(qū)土壤元素含量主成分分析提取的2個主成分PC1和PC2特征值方差分別32.69%和17.98%；基巖PC1和PC2特征值方差分別36.35%和19.65%，亦具有較高的代表性。主成分載荷圖中，基巖和土壤元素含量分別提取2個主成分，基巖Cu、Zn、MgO、Ge和K2O為1組，P、Ni、Ti、Mo、Mn和B為1組，Se和CaO較為分散。聚類樹狀圖中，B和Mn為第一組，Zn、K2O、Mo、Ti、Ni、P和Cu為第二組，MgO和Ge為第三組。CaO和Se與其他元素相關性較弱。土壤層主成分載荷Cu、Ni、Se、Ge、V、Ti和Fe2O3為1組，Mo、Zn、CaO和MgO為1組，P和Mn為1組，K2O和B

表1 片麻巖和白云巖建造的基巖層和土壤層元素地球化學分析結果

圖4 基巖-土壤元素主成分載荷與系統(tǒng)聚類樹狀圖Fig.4 Factor loading analysis and systematic clustering dendrogram of bedrock and soil samples

圖5 不同建造區(qū)基巖-土壤元素質量遷移系數τ箱線圖Fig.5 Statistical boxplot of mass transfer coefficient in different geological constructions

元素較為分散。聚類樹狀圖V、Fe2O3、Cu、Zn和為第一組，Mn、Ni、Mo、P、K2O和Se為第二組，Ge和MgO、CaO、S、B為第三組。

綜上所述，片麻巖建造風化成壤過程中鐵族元素相關關系顯著，F(xiàn)e2O3、Ti、Mn、Ni和P呈明顯相關性，白云巖建造中Cu、Ni、V、Ti和Fe2O3相關性明顯，具有明顯繼承性。

3.4 巖石-土壤元素質量遷移特征

化學損耗分數(CDF)主要反映巖石風化成土過程中巖石-土壤層元素的絕對含量變化，當活動性較強的元素發(fā)生淋濾流失作用后會使得樣品中“不活動性元素”(或惰性元素)濃度相對增加，不能真實地反映巖石化學風化過程中元素的淋失、富集狀態(tài)，對活動向較強元素的遷聚特征表征存在偏差。為消除這一影響，可以選用某種“不活動元素參照系”來確定風化巖土體元素成分相對于新鮮母巖的遷移活動性，利用質量平衡方程來計算元素的質量遷移系數τ[15-17]，其計算公式如下：

(1)

式中：[Xi]、[Xj]——元素濃度；

i、j——參照元素和待計算元素；

weathered、parent分別表示土壤和未風化新鮮基巖。

若τij<0，表示元素j相對遷移淋失；τij=0，表示元素j既不發(fā)生淋失也不產生次生富集，為惰性元素；τij>0，表示元素j發(fā)生次生富集。τij值合理性取決于參照元素的選取和參照體成土母巖的確定，常用的參照元素有Ti、Zr、Sc、Al2O3、REE等[15-17]。本文選取惰性元素Ti進行元素τij值的計算。

由圖5所示，以Ti為參照元素，片麻巖建造Se、B、V、S、Mn和Mo為相對強活動元素，風化過程中表現(xiàn)為于土壤層中富集，其他元素總體表現(xiàn)為相對Ti虧損，基巖-土壤質量遷移系數τ值呈Se>B>V>P>Mo>Mn>CaO>S>Ni>Fe2O3>0>Cu>SiO2>Na2O>K2O>Ge>Al2O3>Zn>MgO特征，CaO、Cu和Fe2O3，V、Mn和Ni元素遷移系數τ值變異系數(Cv)較大，相對惰性元素Ti活動差異波動較大。白云巖區(qū)基巖-土壤質量遷移系數τ值呈Na2O>P>Ni>0>V>K2O>Al2O3>Mn>S>Se>B>SiO2>Fe2O3>Ge>Mo>Zn>MgO>Cu>CaO特征，白云巖風化成壤過程中元素分異特征弱于白云巖區(qū)，但各元素間分散程度較大，Na2O、P、Ni元素相對Ti元素富集，其它元素相對Ti元素貧化虧損，可能與白云巖風化過程中夾層黏土礦物釋放，Na2O含量升高；鐵錳質白云巖鐵族元素Ni富集，難風化的原巖巖石副礦物磷灰石原位聚集有關。Cu、Mo、Zn、Ge元素和Fe2O3主要以礦物晶格、鐵錳氫氧化物型態(tài)存在，在白云石風化水解過程中礦物晶格破壞致Cu、Mo、Zn、Ge和Fe2O3元素與CaO和MgO協(xié)同淋濾流失，故白云巖中Fe2O3、Ge、Mo、Zn、MgO、Cu、CaO淋濾虧損程度依次增大。

片麻巖與白云巖風化過程中元素質量遷移特征存在較明顯差異，P和Ni元素在片麻巖與白云巖風化成土過程中均表現(xiàn)為富集，且P在白云巖區(qū)土壤中富集程度較高，Ni在片麻巖區(qū)土壤中富集程度較高。Na2O在片麻巖區(qū)土壤中表現(xiàn)為淋濾流失，在白云巖區(qū)土壤中明顯富集，可能與白云巖區(qū)土壤中存在Na2O外源遷入有關。Se、B、V、S、Mn、Mo、Fe2O3與CaO在片麻巖區(qū)土壤中相對Ti富集；在白云巖中相對淋濾流失。Cu、SiO2、Ge、Zn、MgO、Al2O3和K2O在片麻巖和白云巖風化過程中均相對Ti元素虧損，白云巖中Cu、SiO2、Ge、Zn和MgO淋濾流失程度高于片麻巖區(qū)，片麻巖中Al2O3和K2O流失程度則強于白云巖，與片麻巖中長石礦物含量較高，風化過程中Al2O3和K2O淋濾流失有關。元素質量遷移系數τ與CDF分析值得到的元素遷移損耗值大小順序基本一致，即τ的絕對值(負值越小或者正值越大)越大的元素，在成土母巖與土壤之間分異越明顯。

4 對林果品質影響過程

4.1 作物營養(yǎng)元素的吸收過程

元素生物富集系數(Bcf)可表征土壤中元素含量分布對食物鏈影響程度，客觀反映了農產品從土壤環(huán)境中吸收或攝取微量元素的能力[18-19]。其計算方法為：

(2)

式中：[Xi]plant，[Xi]soil——作物樣品和土壤樣品中元素i的含量。

按照生物富集系數的大小，可將作物對土壤元素的攝取強度分為4個等級：Bcf>1.0時為強烈攝取，1.1

根據生物富集系數統(tǒng)計箱線圖(圖6)顯示，研究區(qū)板栗樣品中微量元素富集系數值Cu>B>Mo>Zn>Ni>Se>Mn>Fe>Ge，山楂樣品中Mo>B>Cu>Zn>Se>Fe>Ni>Mn>Ge，核桃樣品中Mo>Cu>Zn>Mn>Ni>Fe>Ge。板栗樣品相對山楂和核桃樣品具有較高的Cu、B、Ni、Se、Ge和Mn元素生物富集系數，Cu、B元素屬于中等攝取，Ni、Se、Ge、Mn元素屬于微弱攝取，而山楂和核桃中的Cu元素屬于中等攝取，其余元素均為微弱攝取。但是核桃樣品Zn和Mo元素攝取強度顯著高于板栗樣品和山楂樣品，山楂樣品Fe攝取強度高于核桃樣品和板栗樣品。不同的植物對元素的吸收攝取程度具有明顯差異，土壤本底養(yǎng)分含量和科學合理的人為施肥對作物的品質具有重要的影響。

圖6 不同經濟作物的元素含量(左)及生物富集系數(右)Fig.6 Contents of elements in different Cash crop (left) and enrichment coefficient (right)

4.2 影響品質的生態(tài)地質模型

已有研究表明，板栗是一種高錳作物，需錳量比其他果樹多，F(xiàn)e和Mn對板栗的生長是不可或缺的[20]。山楂適宜于堿性土壤生長，Cu、Zn含量較高有利于提升其藥用功效[21]，因此，土壤中富含特定的微量元素對林果資源的品質具有較強的影響。根據承德南部一帶片麻巖建造和白云巖建造的生態(tài)地球化學過程，構建了林果資源的生態(tài)地質模型(圖7)：

圖7 研究區(qū)板栗和山楂原產地生態(tài)地質模型Fig.7 Eco-geological model of Chinese chestnut and Hawthorn in the study area

(1)板栗的產地成土母巖以太古代片麻巖建造為最佳，山楂產地以中元古代白云巖碳酸鹽建造為最佳。

(2)片麻巖建造區(qū)地貌多以山崗地和丘陵地貌，坡向朝南，坡角小于15°，利于板栗生長；白云巖建造區(qū)的地貌多中低山，坡向超南，坡度多為15°～25°，滿足山楂生長。

(3)片麻巖建造的黑云斜長片麻巖、黑云母二長變粒巖為最好，巖石風化程度較強，地表風化后就地成壤，形成厚度較大的疏松母質層，適宜深根板栗生長。白云巖建造中碳酸鹽礦物易溶解，其巖石中的酸不溶物含量較低，成壤物質比例較低，造成土壤層較薄，適宜淺根的板栗生長。

呂凌子的意思是，既然索賠沒了指望，就是借錢也得把這個事情給結了。肇事者是她的丈夫，丈夫雖然不是故意所為，但畢竟對一個無辜女人造成了難以啟齒的傷害，這種傷害也許是無辜女人一輩子的心理陰影。錢不是萬能的，然而除了錢，呂凌子實在想不出比這更好的解決辦法。

(4)片麻巖建造區(qū)的土壤為褐土，屬于沙質壤質，pH為5.31～6.59，屬于中酸性，適宜喜酸板栗生長；白云巖建造的土壤多為石灰性褐土，土壤質地為壤土，pH為8.09～8.30，適宜偏堿性山楂生長。

(5)片麻巖建造中，黑云母、角閃石等暗色礦物含量高，隨著礦物不斷風化水解，F(xiàn)e、Mn等鐵族元素元素不斷被釋放出來，使得土壤中富含F(xiàn)e、Mn元素，利于喜錳的板栗生長；白云建造區(qū)的土壤中Zn、Ca元素，利于優(yōu)質山楂成長。

4.3 種植結構優(yōu)化建議

在特色林果資源的開發(fā)規(guī)劃中，充分利用土壤中作物的有益元素分布和酸堿度、有機質含量差異，因地制宜地種植各種農作物，合理施用各種肥料，實現(xiàn)現(xiàn)代化的農業(yè)生產的科學管理,科學提升特色林果資源的品質。因此根據板栗、山楂的生態(tài)地質模型，進行種植結構優(yōu)化調整，對寬城縣一帶板栗、山楂等優(yōu)質林果資源種植區(qū)規(guī)劃進行優(yōu)化，初步提出山楂、板栗最適宜種植區(qū)(圖8)。山楂的最適宜區(qū)面積為497.2 km2，占寬城總面積的19.6%，板栗的最適宜區(qū)面積為499.01 km2，占總面積的19.7%。

圖8 研究區(qū)板栗和山楂最優(yōu)適宜區(qū)區(qū)劃圖Fig.8 The most suitable division map of Chinese chestnut and Hawthorn in study area

5 結論

(1)片麻巖建造巖石類型為黑云斜長變粒巖、黑云斜長片麻巖、斜長角閃巖、角閃斜長片麻巖、磁鐵石英巖，礦物成分主要為斜長石(PI)、鉀長石(K)、石英(Q)、黑云母(Bi)、角閃石(Hb)、石榴石(Cr)；白云巖建造白云巖、白云石灰?guī)r和含鐵錳白云巖，礦物主要成分為白云石(Do)、石英(Q)。

(2)片麻巖建造的Al2O3、Fe2O3、K2O、TiO2、P2O5、Mn、Cu、Zn、Ni、Co元素含量明顯高于白云巖建造，相應白云巖建造MgO、CaO元素含量高于片麻巖建造。主成分分析和Pearson相關性系統(tǒng)聚類分析顯示片麻巖Ti、Mn、Fe、Co、Ni與P呈相關關系明顯，白云巖Cu、Ni、Ti和Fe2O3相關性顯著。

(3)片麻巖建造的基巖-土壤元素質量遷移系數τ值呈Se>B>V>P>Mo>Mn>CaO>S>Ni>Fe2O3>0>Cu>SiO2>Na2O>K2O>Ge>Al2O3>Zn>MgO，Se、B、V、S、Mn和Mo元素相對Ti元素富集；白云巖區(qū)基巖-土壤質量遷移系數τ值呈Na2O>P>Ni>0>V>K2O>Al2O3>Mn>S>Se>B>SiO2>Fe2O3>Ge>Mo>Zn>MgO>Cu>CaO特征，Na2O、P、Ni元素相對Ti元素富集。

(4)生物富集系數BFC系數顯示：板栗富集系數為Cu>Zn>Mo>Ni>Mn>Ge>Fe，山楂富集系數為Cu>Zn>Ni>Mn>Ge>Fe>Mo。建立板栗、山楂的品質控制生態(tài)地質模型，篩選山楂的最適宜區(qū)面積為497.2 km2，板栗的最適宜區(qū)面積為499.01 km2。