黑龍江省海倫地區(qū)黑土剖面常量元素地球化學(xué)特征及其對物源的指示意義

宋運紅，楊鳳超，劉凱，戴慧敏，許江，韓曉萌

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局 沈陽地質(zhì)調(diào)查中心,遼寧 沈陽 110034；2.自然資源部 黑土地演化與生態(tài)效應(yīng)重點實驗室，遼寧 沈陽 110034；3.遼寧省黑土地演化與生態(tài)效應(yīng)重點實驗室，遼寧 沈陽 110034)

0 引言

黑土地是大自然給予人類的得天獨厚的寶藏，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)，也是我國糧食安全的保障[1-3]，它作為耕地中的“大熊貓”，已經(jīng)受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，并且取得了一定的研究成果[4-6]。一直以來，土壤學(xué)家的研究主要針對黑土質(zhì)量[2-3,7-11]以及黑土的形成時代、氣候[4-6,12]，但對黑土物源區(qū)的研究幾乎為空白。黑土中常量元素的地球化學(xué)特征是土壤的重要性質(zhì)之一，既繼承了地質(zhì)背景和成土母質(zhì)的特征，又反映了物源區(qū)的環(huán)境變化。因此，分析黑土剖面中常量元素含量及比值在剖面中的遷移方向和變化情況,可以更好地反映黑土的形成演化過程。

地球化學(xué)元素分析法是示蹤黃土以及其他沉積物成因及物源區(qū)的常用方法之一[13-18]。為了探討東北黑土的形成演化過程，本次以黑龍江省海倫地區(qū)9條典型黑土剖面為研究對象，通過對剖面常量元素地球化學(xué)特征及其變化的分析，并對比前人對哈爾濱荒山黃土、鎮(zhèn)江下蜀土、西峰紅黏土、洛川黃土等典型風(fēng)成堆積物常量元素地球化學(xué)研究的結(jié)果，探討海倫典型黑土剖面的成因、化學(xué)風(fēng)化強度以及物源區(qū)，從元素地球化學(xué)角度為黑土的形成演化提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

黑龍江省海倫市位于松嫩平原東部，小興安嶺西麓，處于小興安嶺向松嫩平原的過渡地帶，行政區(qū)域為綏化市?？h內(nèi)地勢從東北到西南由低丘陵、高平原、河階地、河漫灘依次呈階梯狀逐漸降低，東北部一般海拔在350～450 m，最高處海拔490 m。區(qū)內(nèi)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬季干冷漫長，夏季濕熱短暫,年平均氣溫1.2 ℃，年降水量550 mm左右，大部分集中在7月至8月，11月至翌年4月為凍結(jié)期。

海倫市資源豐富，是世界三大黑土地之一，素有“糧倉”的美譽。通肯河、克音河、海倫河等5條河流橫貫東西。西部平原區(qū)盛產(chǎn)大豆、玉米、水稻等糧食作物和亞麻、烤煙等經(jīng)濟作物，北部山區(qū)盛產(chǎn)紅松、白楊等木材和甘草、黨參等中藥及猴頭、蕨菜等山產(chǎn)品，地下蘊藏豐富的煤炭、砂金、礦泉水等礦產(chǎn)資源，因此，海倫享有中國優(yōu)質(zhì)大豆之鄉(xiāng)、中國高淀粉玉米之鄉(xiāng)、中國甜菇娘之鄉(xiāng)、中國民間藝術(shù)之鄉(xiāng)、中國甜菜之鄉(xiāng)、中國籽鵝之鄉(xiāng)“六鄉(xiāng)”美譽，是中國黑土硒都，國家重要的商品糧基地縣。

2 樣品采集及分析

本次研究的9條典型黑土剖面均采自海倫市中南部，在每個典型黑土剖面采樣點處均嚴(yán)格按照采樣要求進行樣品采集，由地表至200 cm深度，每20 cm等間距連續(xù)采集土壤及成土母質(zhì)樣品，共采集樣品78件。樣品采集均嚴(yán)格按照要求，離開公路200～300 m距離，在同一采樣層位多點采樣，組合成一個樣品。具體采樣位置如圖1所示。根據(jù)野外實地觀察，對剖面特征進行了劃分：

圖1 海倫地區(qū)典型黑土剖面采樣位置Fig.1 The sampling position of typical black soil profile in Hailun area

Ah層(腐殖質(zhì)層)：20～50 cm，厚者可達80 cm，黑色，潮濕松軟，黏壤土，團粒結(jié)構(gòu)，大量木本或草本植物根系。Abs層(過渡層)：厚度不等，在30～70 cm左右，暗灰棕色，黏壤土，團塊結(jié)構(gòu)，偶見上部腐殖質(zhì)淋溶的條帶。Btq層(淀積層)：50～160 cm，底土母質(zhì)黏重時層次較薄且距地面較淺，顏色不均一，黃棕色，土體緊實，上部為小棱塊狀，下部為柱狀，偶見鐵錳結(jié)核。C層(母質(zhì)層)：為黃褐色黃土狀堆積物。

土壤樣品裝入布袋后風(fēng)干、敲碎，用尼龍篩篩取20目部分，送至遼寧省地質(zhì)礦產(chǎn)研究院實驗室進行常量元素含量分析測試。主要使用X熒光光譜法(XRF)測定，大部分常量元素的測試誤差小于5%。

3 結(jié)果分析

表1為本次得到的78件海倫典型黑土剖面常量元素數(shù)據(jù)與哈爾濱荒山黃土[19]、洛川黃土[20]、鎮(zhèn)江下蜀土[21]、西峰紅黏土[22]以及上部陸殼(UCC)的常量元素平均組成含量比較結(jié)果。由表1可知，典型黑土剖面主量元素以SiO2、Al2O3、Fe2O3和K2O為主，四者平均含量之和達88.38%。SiO2含量范圍為65.34%～67.87%，平均66.08%，變異系數(shù)為0.54%；Na2O含量范圍為1.59%～2.01%，平均1.81%，變異系數(shù)為3.31%；Al2O3含量范圍為13.25%～15.26%，平均14.59%，變異系數(shù)為3.13%；Fe2O3含量范圍為4.29%～5.50%，平均5.09%，變異系數(shù)為5.34%；K2O含量范圍為2.47%～2.73%，平均2.57%，變異系數(shù)為1.80%；CaO含量范圍為1.15%～1.64%，平均1.32%，變異系數(shù)為6.26%；MgO含量范圍為1.15%～1.58%，平均1.40%，變異系數(shù)為7.07%(表1)。常量元素平均含量由高到低的順序為SiO2>Al2O3>Fe2O3>K2O>Na2O>MgO>CaO。剖面各層均以SiO2、Al2O3、Fe2O3平均含量最高，其次是K2O 和Na2O，平均含量最低的是CaO。一般而言，土壤中CaO主要以碳酸鈣的形式存在，在溫濕的環(huán)境下，碳酸鈣溶解，而在干冷的環(huán)境下，碳酸鈣生成[23]。因此溫濕的氣候環(huán)境可能是典型黑土中CaO含量低的主要原因。常量元素變異系數(shù)均小于10%，表明其含量變化相對穩(wěn)定。

表1 海倫典型黑土剖面及其他地區(qū)典型風(fēng)成堆積物的常量元素含量Table 1 Element contents of Hailun black soil profile and other aeolian dust deposits %

4 討論

4.1 常量元素含量特征及分布模式

圖2為選取的7條海倫典型黑土剖面常量元素含量隨深度變化圖。從剖面圖中可以看出，海倫典型黑土常量元素在垂直方向上分布波動較明顯。隨著深度的增大，總體表現(xiàn)為SiO2含量降低，F(xiàn)e2O3、Al2O3、MgO含量升高的趨勢；Na2O表現(xiàn)為淋溶層降低，淀積層升高的變化規(guī)律，淋溶作用顯著，顯示了易移動元素的遷移特征；Fe2O3、MgO含量從腐殖質(zhì)層到淀積層緩慢增加，在母質(zhì)層先降低后增加；整體上 SiO2和Al2O3比較穩(wěn)定，其他元素變化不明顯。通過對比海倫黑土成土母質(zhì)和其他地區(qū)典型風(fēng)成堆積物常量元素的平均化學(xué)組成可知，典型黑土化學(xué)組成與典型風(fēng)成堆積物類似，主要化學(xué)成分SiO2、Al2O3、Fe2O3之和與風(fēng)成堆積物接近，表明海倫典型黑土成土母質(zhì)可能為風(fēng)成成因。

對海倫典型黑土剖面的常量元素進行了相關(guān)分析(表2)。結(jié)果表明，Al2O3、Fe2O3及MgO之間呈明顯正相關(guān)關(guān)系，且隨深度具有相似的變化趨勢(圖2)，F(xiàn)e2O3與Al2O3、MgO的相關(guān)系數(shù)高達0.984、0.973； SiO2含量與Al2O3、Fe2O3、MgO、Na2O、K2O含量呈明顯負(fù)相關(guān)關(guān)系。

表2 海倫黑土剖面常量元素含量相關(guān)系數(shù)Table 2 Correlation coefficient of element contents in Hailun Black soil profile

圖2 海倫黑土剖面常量元素分布特征Fig.2 Distribution characteristics of major elements in Hailun black soil profile

在化學(xué)風(fēng)化過程中，活動性元素容易淋失，所以穩(wěn)定元素會相對富集，通常通過樣品中常量元素與地球上部陸殼 (upper continetal curst，UCC)含量的比值來評價常量元素相對UCC 的虧損與富集程度，比值大于1 為相對富集，小于1 為相對虧損。海倫黑土剖面具有富Si、Fe，貧Mg、Ca、Na、K的特征，Si、Fe呈現(xiàn)一定程度的富集，Al稍顯虧損但與UCC接近，這表明海倫黑土成土母質(zhì)來源于上陸殼，并經(jīng)過充分混合。Na、Ca的虧損可能是大陸化學(xué)風(fēng)化的效應(yīng)。通過對比其他典型風(fēng)成堆積物常量元素UCC標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果可知，UCC標(biāo)準(zhǔn)化后的海倫典型黑土和典型風(fēng)成堆積物具有良好的相似性，再次佐證了典型黑土成土母質(zhì)為風(fēng)成成因。

圖3為海倫典型黑土及其他風(fēng)成堆積物的UCC標(biāo)準(zhǔn)化曲線分布。通過將海倫剖面與洛川黃土、鎮(zhèn)江下蜀土、西峰紅黏土、哈爾濱荒山黃土等典型風(fēng)成堆積物常量元素UCC標(biāo)準(zhǔn)化后對比可知，海倫黑土剖面與這些典型風(fēng)成堆積物具有較好的相似性，化學(xué)組成基本相似，UCC標(biāo)準(zhǔn)化曲線變化趨勢較為一致，表現(xiàn)為SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO、K2O接近于UCC，無明顯的虧損或富集，Na2O、CaO位于UCC下面，處于明顯的虧損狀態(tài)，說明其成因的相似性，即海倫典型黑土可能為風(fēng)成成因。

圖3 海倫黑土成土母質(zhì)與其他風(fēng)成堆積物常量元素的UCC標(biāo)準(zhǔn)化曲線分布模式Fig.3 UCC-normalized pattern of elements of the Hailunblack soil parent material and other aeolian dust deposits

4.2 化學(xué)風(fēng)化程度

化學(xué)風(fēng)化指數(shù)CIA及w(Na)/w(K)比值是目

前衡量沉積物化學(xué)風(fēng)化程度的最常用的指標(biāo)[23]，其中CIA計算公式為

(1)

式中：氧化物均為分子摩爾數(shù)；CaO*為硅酸鹽礦物中的摩爾含量，采用McLennan計算方法[24]。CIA反映了長石風(fēng)化成黏土礦物的程度，CIA值越高，指示氣候溫暖濕潤，風(fēng)化程度越高；反之，寒冷干燥，風(fēng)化程度低。

一般而言，CIA值為50～65，指示初等化學(xué)風(fēng)化程度，氣候條件寒冷、干燥；CIA值為65～85，指示中等化學(xué)風(fēng)化程度，氣候條件為溫暖、濕潤[25-28]。海倫典型黑土剖面CIA值在61.91～64.96，平均值為63.97(表1)，屬于初等風(fēng)化程度(圖4)，其中0～30 cm平均值為61.48，30 cm以下平均值為63.64。與典型風(fēng)成堆積物、上陸殼(UCC)和陸源頁巖相比，海倫黑土成土母質(zhì)的CIA平均值遠高于上陸殼(UCC)的47.92，明顯小于西峰紅黏土的69.11、陸源頁巖的70.36、鎮(zhèn)江下蜀土的70.45以及哈爾濱荒山黃土的71.6，與洛川黃土的63.73最接近(表1)。海倫黑土成土母質(zhì)及以上幾種典型風(fēng)成堆積物及UCC和陸源頁巖的風(fēng)化強度順序為：哈爾濱荒山黃土>鎮(zhèn)江下蜀土≈陸源頁巖>西峰紅黏土>海倫黑土≈洛川黃土>>上陸殼(UCC)。不同深度的海倫典型黑土的化學(xué)風(fēng)化程度均顯著低于其他典型的風(fēng)成堆積物(除洛川黃土外)，化學(xué)風(fēng)化程度的差異，可能反映了海倫典型黑土與其他典型風(fēng)成堆積物的物源并不完全一致。由圖4a可以看出，海倫黑土成土母質(zhì)0～30 cm化學(xué)風(fēng)化程度較30 cm以下較弱，反映0～30 cm黑土形成的氣候條件較深處更寒冷、干燥，指示晚期海倫典型黑土寒冷干燥的氣候環(huán)境。

圖4 海倫黑土成土母質(zhì)化學(xué)風(fēng)化參數(shù)CIA—w(Na)/w(K)關(guān)系散點圖(a)以及w(Na)/w(K)(b)、CIA(c)隨深度變化特征Fig.4 Scatter diagram of CIA—w(Na)/w(K) molar ratio of the Hailun Black soil parent material(a),and variation of w(Na)/w(K)(b) and CIA(c) in Hailun area

4.3 穩(wěn)定元素比值特征

土壤中常量元素的含量與比值特征與土壤的形成和發(fā)育有很大的關(guān)系，能反映土壤發(fā)育的程度。SiO2、Al2O3和TiO23種常量元素在土壤中的含量變化較小，在風(fēng)化及成土過程中比較穩(wěn)定，一般不會隨著風(fēng)化作用而流失[14,29-31]，它們的比值在風(fēng)化過程中保持不變[15,32-34]，因此具有良好的物源指示意義，在黃土物源的研究中已被廣泛應(yīng)用[14-18]。

Yang等[35]認(rèn)為，科爾沁沙地全新世演化過程劃分為3個階段：10 kaBP以前以流動沙丘為主，10～8 kaBP由流動向半流動—半固定轉(zhuǎn)變，8～3 kaBP砂質(zhì)古土壤發(fā)育、沙地固定；3 kaBP左右土壤活化，之后經(jīng)歷頻繁的固定和活化過程。根據(jù)海倫14C年齡結(jié)果，<30 cm的年齡結(jié)果為260～2 245 aBP，30 cm以上的年齡結(jié)果為3 300～7 850 aBP，故推測晚期海倫黑土的成土母質(zhì)接受風(fēng)積作用明顯。

根據(jù)前人對黃土的研究[14,36]，SiO2一般在粗顆粒物質(zhì)中富集而Al2O3則在細(xì)顆粒物質(zhì)中富集。隨著與物源距離的增大，風(fēng)成堆積物的粒度會逐漸減小，w(SiO2)/w(Al2O3)比值也會逐漸降低[15]，因此被用作研究粒度的替代性指標(biāo)[14-15,36]。而w(TiO2)/w(Al2O3)比值幾乎不受粒度大小及風(fēng)化作用的影響，也是研究風(fēng)成堆積物物源的重要指標(biāo)[15,34]。在w(TiO2)/w(Al2O3)—w(SiO2)/w(Al2O3)圖解(圖5a)中，海倫0～30 cm黑土中w(SiO2)/w(Al2O3)、w(TiO2)/w(Al2O3)比值明顯偏高，反映其粒度可能偏大，推測表層與深層黑土的物源并非完全一致。

從元素地球化學(xué)的角度來看，w(SiO2)/w(TiO2)主要反映的是石英含量的變化，是一種對原始粉塵粒度更為靈敏的指標(biāo)[14,37-38]。在w(TiO2)/w(Al2O3)—w(SiO2)/w(TiO2)圖解(圖5b)中，0～30 cm深度的海倫典型黑土比30 cm以下的黑土具有更高的w(SiO2)/w(TiO2)，說明晚期海倫典型黑土中石英含量增加，粒度增大，暗示海倫黑土成土母質(zhì)0～30 cm含有較多近源成分。從圖中還可以看出，不同深度的海倫典型黑土w(TiO2)/w(Al2O3)比值明顯不同。w(SiO2)/w(TiO2)、w(TiO2)/w(Al2O3)比值在不同深度典型黑土中的改變，可能反映了海倫黑土成土母質(zhì)在30 cm左右物源的變化。

圖5 海倫黑土成土母質(zhì)的w(TiO2)/w(Al2O3)—w(SiO2)/w(Al2O3) (a)和w(TiO2)/w(Al2O3)—w(SiO2)/w(TiO2) (b)圖解Fig.5 w(TiO2)/w(Al2O3) versus w(SiO2)/w(Al2O3) (a)and w(TiO2)/w(Al2O3)versus w(SiO2)/w(TiO2) (b)plots for the Hailun Black soil parent material

研究典型黑土的物源是一個復(fù)雜的科學(xué)問題，常量元素較難準(zhǔn)確地示蹤出東北風(fēng)成堆積物及其潛在源區(qū)的細(xì)微差別[23,39]。本次常量元素的分析僅僅對海倫典型黑土物源進行了初步的探討，后續(xù)還將繼續(xù)開展粒度、稀土元素等研究工作。

5 結(jié)論

本次獲得了黑龍江海倫地區(qū)多個典型黑土剖面常量元素分析結(jié)果，通過上部陸殼(UCC)標(biāo)準(zhǔn)化對比、化學(xué)風(fēng)化程度(CIA值、w(Na)/w(K))研究以及穩(wěn)定元素(w(SiO2)/w(Al2O3)、w(SiO2)/w(TiO2)、w(TiO2)/w(Al2O3))比值的分析，得到如下結(jié)果：

1)元素地球化學(xué)特征顯示，典型黑土化學(xué)組成與其他典型風(fēng)成堆積物類似，主要化學(xué)成分SiO2、Al2O3、Fe2O3之和與風(fēng)成堆積物接近，UCC標(biāo)準(zhǔn)化后的海倫典型黑土和典型風(fēng)成堆積物具有良好的相似性，表明典型黑土成土母質(zhì)可能為風(fēng)成成因。

2)海倫典型黑土CIA值平均為63.97，屬于初等風(fēng)化程度,其中0～30 cm化學(xué)風(fēng)化程度較30 cm以下弱，反映0～30 cm黑土形成的氣候條件較深處更寒冷、干燥，指示晚期海倫典型黑土寒冷干燥的氣候環(huán)境。

3)0～30 cm黑土比30 cm以下的黑土具有更高的w(SiO2)/w(TiO2)、w(SiO2)/w(Al2O3)，說明晚期海倫典型黑土中石英含量增加，粒度增大，暗示海倫黑土成土母質(zhì)0～30 cm含有較多近源成分，穩(wěn)定元素的比值在不同深度的變化，可能反映了海倫黑土成土母質(zhì)在30 cm左右物源的變化，表層和深層典型黑土母質(zhì)的物源并非完全相同。