四川旺蒼化龍垂向剖面土壤地球化學(xué)特征

劉 亮， 張 杰， 張杰瓊， 孫占營， 周 博， 趙相國

(1. 攀枝花市自然資源和規(guī)劃局，四川 攀枝花 617000； 2. 四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局川西北地質(zhì)隊，四川 綿陽 621010； 3. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)，甘肅 蘭州 730000)

0 引 言

土壤是巖石圈、水圈、生物圈和大氣圈相互交接地帶，是連接有機界和無機界的中心環(huán)節(jié)，不僅是陸生植物賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，更是人類賴以生存與發(fā)展的重要資源(熊毅,1983; Zhao et al.,2014)。20世紀初提出的土壤地球化學(xué)概念及其豐富的研究成果對全球糧食安全和社會可持續(xù)發(fā)展具有極其重要的作用(廖啟林等,2011;何小平等,2016)。國外學(xué)者按元素遷移和分化的移動性對元素進行分類(Alexande, 1971；Warkentin et al.,1977；Kelepertisis et al., 2001)，并對土壤稀有元素和擴散元素的地球化學(xué)進行了研究；國內(nèi)學(xué)者針對區(qū)域地球化學(xué)元素分布以及與農(nóng)業(yè)、生命科學(xué)和環(huán)境之間的相關(guān)性，開展了地球化學(xué)與農(nóng)業(yè)應(yīng)用的研究(李家熙等,1996;陶春軍等,2014)。

研究區(qū)位于旺蒼東南41 km，屬四川廣元旺蒼縣化龍鄉(xiāng)管轄，此次1∶5萬土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查重點區(qū)域為化龍鄉(xiāng)石川村。通過調(diào)查研究區(qū)垂向剖面土壤質(zhì)量、元素的分布和分散富集特征等，并與表層土壤對比，了解土壤有益、有害元素的來源(廖啟林等,2012)，為土地分等定級、國土資源合理規(guī)劃利用和管護、提高土地價值和利用效率，以及無公害農(nóng)產(chǎn)品與綠色農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地優(yōu)選、農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學(xué)依據(jù)(吳新民等,2007)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處四川盆地北緣、米倉山南緣，根據(jù)成因和形態(tài)特征，將研究區(qū)地貌分為構(gòu)造侵蝕中山、構(gòu)造侵蝕溶蝕中山、構(gòu)造剝蝕低山和侵蝕堆積河谷平壩4種類型。地層分區(qū)屬上揚子地層分區(qū)成都小區(qū)，區(qū)內(nèi)僅發(fā)育中生代白堊系劍門關(guān)組(K1jm)、漢陽鋪組(K1h)。① 劍門關(guān)組(K1jm)：厚183.4～679.9 m，超覆不整合于蓮花口組之上，與下伏蓮花口組呈平行不整合接觸，巖性以厚層狀砂巖、粉砂巖、泥巖為主，夾礫巖、含礫砂巖(徐剛等，2019)。② 漢陽鋪組(K1h)：底部見灰色-灰褐色礫巖，灰色-黃灰色厚層狀巖屑雜砂巖、巖屑砂巖等，往上變?yōu)榛易仙?紫紅色中厚層狀中粒巖屑石英砂巖，與同色中層狀鈣質(zhì)粉砂巖、泥巖組成韻律層，往上粉砂巖、泥巖增多，局部夾有灰色、灰白色厚—巨厚層狀中粒長石石英砂巖。

2 樣品采集及分析方法

2.1 樣品采集

為研究土壤元素在垂向的分布、遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，在表層土壤調(diào)查的基礎(chǔ)上，根據(jù)研究區(qū)地形地貌、第四系地質(zhì)、土地利用及土壤類型分布，分別在典型地段均勻布置1～2個垂向剖面(淺井)，共挖掘縱向剖面10個(圖1)，深約2 m，穿越了土壤發(fā)生層的3個主要層位(耕作層、淀積層、母質(zhì)層)，采集樣品100件。各剖面位置及地質(zhì)背景信息見表1。

圖1 土地利用類型及垂向剖面位置示意圖

表1 研究區(qū)垂向剖面位置及地質(zhì)背景

為研究土壤基本理化性質(zhì)，在縱剖面按土壤發(fā)生層次采樣。在采樣點挖掘1.0 m×1.5 m左右的長方形土壤剖面坑，深度>2 m，較窄的一面作為剖面觀察面(圖2)，土坑深度需達到母質(zhì)層或地下水位。剖面挖掘好后放置標尺，并用小土鏟整理出光滑面和毛糙面，進行土壤描述和樣品采集。根據(jù)剖面的土壤顏色、結(jié)構(gòu)、質(zhì)地、松緊度、濕度及植物根系分布等劃分土層，自下而上逐層采集樣品，按每20 cm 1個樣均勻采集垂向土壁樣品，無跨越層次之間的過渡采集，未達到20 cm厚度時跨層分別采集上下層樣品，以保證樣品的代表性。每個土樣質(zhì)量約1 kg。

2.2 樣品分析測試

樣品分析配套方案為：采用X射線熒光光譜法測定Pb、Cr、Cu、Zn、P2O5、K2O、Na2O、CaO、MgO、SiO2、Fe2O3、Mn、S、Ga，等離子質(zhì)譜儀法測定Pb、Zn、Cu、Ni、Cd、Mo、I，原子熒光光譜法測定As、Hg、Se、Ge，離子選擇性電極法測定F，凱式定氮法測定N，氧化熱解-點位法測定有機質(zhì)，pH計測定pH值。分析結(jié)果一級標準物質(zhì)單次測定合格率均>100%，重復(fù)樣合格率均≥90%，各元素報出率>95%。

3 垂向剖面土壤元素地球化學(xué)特征

圖2 垂向剖面編錄及分層

表2 垂向土壤樣元素背景參數(shù)

3.1 垂向剖面土壤元素的背景及變化特征

元素的濃集克拉克值K反映了元素富集與分散狀況(林才浩等，1996)，根據(jù)樣品分析結(jié)果，將100個原始數(shù)據(jù)的平均值作為元素垂向背景值，并與表層背景值進行比較，得出各元素的K值(表2)。K≥1.5為強富集分布，1.2～1.5之間為富集分布，1.0～1.2之間為高背景分布，0.8～1.0之間為低背景分布，K≤0.8為貧乏分布。變異系數(shù)(Cv)為各元素的標準離差與其算術(shù)平均值的比值(張運強等，2015)，Cv≥2.0為極不均勻分布(強分異)，2.0～1.5區(qū)間為很不均勻分布(分異)，1.5～1.0區(qū)間為不均勻分布(弱分異)，0.5～1.0區(qū)間為相對均勻分布，Cv≤0.5為均勻分布。

與表層土壤背景值相比：Mo、As含量偏高，呈強富集；F、Ge富集，SiO2、Fe2O3、Cr、Cd、B、Ga、Pb呈高背景分布，P2O5、S、Ni、Se呈虧損分布，其余元素呈低背景分布。從變異系數(shù)來看，Cd(2.33)及As(2.85)呈強分異，其他元素在垂向剖面上均呈均勻—較均勻分布。

① Mo、As兩元素強富集，顯示局部地區(qū)重金屬元素已向下遷移，可能造成局部地下水及土壤污染。② F、Ge在中深部土壤中含量仍較高，顯示原生富集的特點。③ P2O5、S、Ni、Se虧損，表明近基巖母質(zhì)層中這些元素的原生含量不高。其中，P2O5、Se在地表富集，與人工施肥有一定的關(guān)系(張桂蘭等，1999；于群英等，2006；王癑琳等，2016)；Ni在表層土壤中形成污染，為外來污染，但污染時間不長，重金屬元素尚未下移。④ Cd及As呈強分異。其中，Cd已在表層土壤中形成污染，垂向剖面顯示其高分異性，表明污染已隨地表水遷移，對中深部土壤造成了污染，且污染程度高于表層土壤；As在表層土壤中未形成污染，其高分異顯示向下遷移的速度較快，下層局部土壤可能已被污染。⑤ pH值顯示中深部土壤為中性。

3.2 剖面土壤中元素在不同用地類型中的分布特征

通過對研究區(qū)不同土地利用類型中垂向剖面元素的平均值及濃集系數(shù)進行統(tǒng)計(表3，圖3)，找出垂向剖面中深部土壤元素相對表層土壤元素的分布及遷移規(guī)律。

3.2.1 大量元素K、P P2O5在耕地、園地及林地中深部土壤中均呈貧乏分布，深部平均含量與表層土壤平均含量幾乎相差1倍，反映出表層土壤中P的富集與人工施肥有很大關(guān)系；K2O在耕地中部土壤中接近背景分布，在園地及林地中呈低背景分布。

3.2.2 中量元素Ca、Mg、S、Na、Si CaO、S在不同用地類型中深部土壤中均呈貧乏分布，顯示兩元素在區(qū)內(nèi)更趨向表層富集，中深部土壤經(jīng)過淋濾作用及脫鈣脫鹽作用，發(fā)生陽離子交換，且中深部土壤趨于還原環(huán)境，單質(zhì)硫更容易流失。中深部土壤中，MgO更趨向于耕地富集，SiO2趨向于林地富集，Na2O在不同用地類型中深部土壤中變化不大。

3.2.3 微量元素B、Mn、Fe、Cu、Zn、F 中深部土壤中，B在園地中呈高背景分布；F在耕地及園地中呈富集分布，在耕地中的平均含量略高；Fe2O3、Zn在耕地及園地中的平均含量高于林地，且Fe2O3在耕地及園地中呈高背景富集；Cu、Zn在林地中呈虧損分布；Mn總體變化不大，在園地及林地中的平均含量略高。

表3 不同土地利用類型元素參數(shù)

圖3 不同用地類型垂向元素濃集系數(shù)直方圖

3.2.4 重金屬元素Pb、Cr、Ni、Cd、Mo、As、Hg 中深部土壤中，As、Mo在園地及林地中強富集，在園地中平均含量最高，分別為15.3、1.81 g/t，可能在局部對部分農(nóng)作物造成危害；Cd變化較大，耕地中含量接近表層土壤，在園地及林地中含量遠低于表層土壤，反映Cd的主要污染源在耕地；Pb、Cr在耕地及園地中呈高背景分布，屬于正常含量；Ni在中深部土壤中均呈虧損分布，在林地中平均含量最小。

3.2.5 健康元素Se、Ge、Ga 微量元素Se、Ge等對人的身理特征可產(chǎn)生積極作用(常先坤等,2018;呂林等,2019)，促進血液循環(huán)，改善和預(yù)防身體的不適感(Winkler,2004)，有機Ge化合物還具有抗氧化和免疫調(diào)節(jié)作用，有助于調(diào)節(jié)運動過程中或運動后所產(chǎn)生的不良反應(yīng)(程柱生，2017)。

Ge在園地中強富集，在耕地中富集；Se在中深部土壤中的平均含量低于表層土壤，在園地中呈低背景分布，耕地及林地中呈虧損分布；中深部土壤中，Ga在耕地及園地中呈高背景分布，在林地中呈低背景分布。

3.2.6 pH值 pH在耕地中為中性，在園地中為弱酸性，在林地中為堿性。

4 討 論

由于林地和園地樣品較少，此次主要討論耕地土壤元素分層特征，將耕地劃分為耕作層(A層)、淋濾層(B層)、淀積層(C層)、母質(zhì)層(D層)4個層位(圖4)。將80件垂向剖面樣品按耕作層、淋濾層、淀積層、母質(zhì)層分類統(tǒng)計其平均含量及濃集系數(shù)(表4)，據(jù)此基礎(chǔ)數(shù)據(jù)制作土壤垂向剖面元素分層曲線(圖5)，討論元素在不同層位的分配模式及變化情況，分析元素來源(廖啟林等,2012)。

圖4 垂向剖面分層示意圖

表4 耕地不同層位元素參數(shù)

圖5 耕地土壤剖面分層元素折線圖

(1) P2O5、S、B、Cu、Zn、As、Pb、Hg、Se平均含量隨深度增加不斷減小，表明受人類活動等外界因素影響明顯。其中，P2O5、S、Se隨深度變化減小幅度較大；As在耕作層及淋濾層中呈富集分布，在淀積層中呈高背景分布；Se、Pb、S在耕作層中呈高背景分布；P2O5在耕作層中呈低背景分布，在其他3個層中呈虧損分布。

(2) CaO、MgO、Na2O、Ni在耕作層、淋濾層、淀積層中變化不大，在母質(zhì)層減??；CaO及Ni在4層中均呈地球化學(xué)虧損分布。這些元素受人類活動影響不明顯。

(3) SiO2、Fe2O3、Cr、Ga等元素基本沒有變化，4種元素均接近土壤表層元素含量。反映這些元素未受外界因素干擾。

(4) F、Mn隨深度增加，先升高后降低。其中，F(xiàn)在土壤不同層位中均呈富集分布，在淀積層中平均含量最高；Mn在淋濾層、淀積層中呈高背景分布，在淋濾層中平均含量最高。

(5) Ge隨深度增加先降低后升高，在淋濾層(B層)有降低的趨勢，整體均呈富集分布，反映出Ge的富集與土壤母質(zhì)層有關(guān)，易形成富Ge土壤，適合茶葉的種植；Cd折線隨深度增加呈波形變化，在耕作層中表現(xiàn)為強富集，其富集系數(shù)為2.93，平均含量為1.07 g/t，在淋濾層及母質(zhì)層中表現(xiàn)為虧損分布，在淀積層中正常分布，反映在耕地表層土壤中有重金屬Cd污染，系人類活動等外部因素所造成。

(6) pH在耕作層(A層)中顯示弱酸性，隨深度增加酸性減弱；在其他3層中均顯示中性，可能是因為耕作層中植物根系分泌酸性物質(zhì)和施肥等因素綜合造成。

5 結(jié) 論

在研究區(qū)挖掘了10個垂向剖面，采集分層樣品100件，對其中的SiO2、Fe2O3、Cr、Cd、Ge、Se等27種組分進行了測定，得出下列結(jié)果。

(1) 區(qū)內(nèi)垂向剖面土壤與表層土壤背景值相比：Mo、As含量偏高，呈強富集；F、Ge富集；SiO2、Fe2O3、Cr、Cd、B、Ga、P呈高背景分布；P2O5、S、Ni、Se呈虧損分布，其余元素呈低背景分布。Cd(2.33)及As(2.85)呈強分異，其他元素在垂向剖面上呈均勻—較均勻分布。

(2) 土壤中MgO更趨向于耕地富集，SiO2趨向于林地富集；Fe2O3、Zn在耕地及園地中的平均含量高于林地； Ga在耕地及園地中呈高背景分布，在林地中呈低背景分布；Ge在園地中呈強富集。pH在耕地中為中性，在園地中為弱酸性，在林地中為堿性。

(3) P2O5、S、B、Cu、Zn、As、Pb、Hg、Se平均含量隨深度增加不斷減小，受人類活動等外界因素影響明顯；SiO2、Fe2O3、Cr、Ga等含量基本沒有變化；F、Mn含量隨深度增加先升高后降低；Ge含量隨深度增加先降低后升高，反映研究區(qū)Ge背景值較高，具富Ge土壤特性；pH在耕作層顯示弱酸性，在其他3層中顯示中性，可能為植物根系分泌物和施肥等綜合因素所致。