海南島文昌現(xiàn)代紅色沙質(zhì)土壤的主量元素分析結(jié)果與意義

陳 敏，李保生，2，*王豐年，牛東風(fēng)，溫小浩

（1.華南師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，廣東 廣州 510631；2.中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所黃土與第四紀地質(zhì)國家重點實驗室，陜西 西安 710061；3.惠州學(xué)院 地理與旅游學(xué)院，廣東 惠州 516007；4.嶺南師范學(xué)院 地理科學(xué)學(xué)院，廣東 湛江 524048）

磚紅壤是在豐富的水熱條件、強烈化學(xué)風(fēng)化、活躍的生物循環(huán)等多因素影響下形成的紅色酸性土壤，其診斷層至少30 cm 或更厚［1-2］。我國磚紅壤面積約占國土面積的1.08%，主要分布在熱帶和南亞熱帶地區(qū)［2］。本文研究區(qū)所在的海南省有大面積的現(xiàn)代磚紅壤，磚紅壤面積占全省土壤總面積的63.85%［3］。趙志忠等對海南島西部磚紅壤的元素地球化學(xué)組成的研究表明，不同磚紅壤剖面由于母質(zhì)的差別可以造成主量元素和微量元素的含量與變化趨勢有所不同［4］。由此可知，通過土壤元素數(shù)據(jù)可能可以推測土壤母質(zhì)信息或反映土壤發(fā)育過程中環(huán)境變化的情況。

海南島部分沿海區(qū)域有分布風(fēng)成沙丘和沙地，許多沙地或沙丘經(jīng)成土成壤過程形成了現(xiàn)代紅色沙質(zhì)土壤并作為耕地使用。這類型土壤的知識介紹相對較少，對其地球化學(xué)性質(zhì)的研究也不多。為更多地了解此類型土壤的理化性質(zhì)，分析土壤的成壤過程是否受當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境影響，本文對海南島東北部文昌坑尾園風(fēng)成砂物質(zhì)基礎(chǔ)上發(fā)育的現(xiàn)代“紅色沙壤”進行了采樣和元素分析。

1 研究區(qū)概況

海南島是我國第二大島如圖1a 所示，位于熱帶季風(fēng)海洋性氣候區(qū)，四季不分明［5］。海南島地勢為中間高，四周低。文昌市位于海南島東北部，采樣點坑尾園位于文昌市濱灣路坑尾園村與后灣村交界處，110°47′E、19°36′N 如圖1b 所示。文昌市位于低丘臺地平原區(qū)，境內(nèi)山嶺較少，海拔不高，平均海拔42.55 m。終年無霜，氣溫年較差小，年平均氣溫23.9℃。雨量豐沛，在時空上分配不均，有明顯的干濕季。干季為11 月～翌年4 月，每年5～10 月為汛期，降水量占全年約80%。常年降水量為1 722 mm，平均降水量1 530～1 949 mm。在8～11 月常受強熱帶風(fēng)暴和臺風(fēng)影響［5］。

圖1 海南島和坑尾園采樣點的分布位置

2 實驗方法和數(shù)據(jù)處理

2.1 實驗方法

在采樣點對坑尾園紅色沙壤自表層向下采樣，采樣厚度為80 cm，每個樣品間隔約2 cm，共采樣42 個。

用型號為Epsilon5 的偏振能量色散X 射線熒光光譜儀對樣品的Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg 這7 種主量元素的氧化物質(zhì)量分數(shù)進行測定如表1，其中Fe 的測試結(jié)果包括Fe2O3和FeO，用全鐵（TOFE）表示。

表1 文昌現(xiàn)代磚紅土主量元素數(shù)值情況

具體操作流程為：將采集的樣品用烘箱中烘干，烘箱溫度保持在40 ℃以下。烘干后的樣品用14 目的篩子篩除雜物，過篩后的樣品用型號為ZHM-1A 的振動磨樣機進行研磨，研磨時間需持續(xù)1.5 min，研磨后的樣品過200 目篩。稱取6.0 g 過篩樣用硼酸墊底鑲邊，在型號為ZHY-401A 的壓樣機30 t 壓力下持續(xù)壓制0.5 min，制成直徑為3.2 cm 的圓餅狀樣片，將樣片置于X 射線熒光光譜儀中進行測試。測試過程中使用的校正曲線有27 個國家土壤成分分析標(biāo)準物質(zhì)（GSS2～GSS28）、6 個水系沉積物成分分析標(biāo)準物質(zhì)（GSD2a、GSD7a、GSD9～GSD12）、6 個水系沉積物成分分析標(biāo)準物質(zhì)（GSD2a、GSD7a、GSD9～GSD12）和6 個巖石成分分析標(biāo)準物質(zhì)（GSR1～GSR6）。測試過程中使用GSS17 標(biāo)準樣品進行測試結(jié)果的數(shù)值控制，實驗誤差±5%［6］。

2.2 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)測試所得的主量元素氧化物含量計算硅鋁鐵系數(shù)（Saf）、風(fēng)化淋溶系數(shù)（ba）和化學(xué)蝕變指數(shù)（CIA）分別為

（1）、（2）、（3）式中n 為摩爾分數(shù)。（3）式中，CaO*為硅酸鹽礦物中的鈣含量，不包括碳酸鹽和磷酸鹽等礦物中結(jié)合的鈣［7-10］。由于實驗過程中很難完成樣品中硅酸鹽礦物的精確分離，本文采用Mc Lennan 提出的數(shù)值比值校正方法，根據(jù)自然界硅酸鹽礦物中Na 和Ca 的平均組成，以沉積物樣品中n（CaO）與n（Na2O）的比值來計算CIA：如果比值大于1，以n（Na2O）的摩爾含量代替n（CaO）含量進行計算；而若比值小于1，則以n（CaO）含量來計算CIA［11］。

3 數(shù)據(jù)分析

表1 列出了文昌坑尾園紅色沙壤42 個樣品7 種主量元素含量、CIA、Saf 和ba 的分布范圍和平均值。從數(shù)據(jù)可知，所測樣品的SiO2含量最高，平均含量占總量的80%以上，其次是Al2O3和TOFE（Fe2O3+FeO），各自的質(zhì)量分數(shù)平均數(shù)占總量的2～9%。K2O、Na2O、CaO、MgO 的含量極低，這4 種元素的平均質(zhì)量分數(shù)的總和不到總量的0.5%，后三者的平均值均不足0.1%。所測樣品的CIA 均在90 以上，Saf 值在3～17 之間，ba 值不超過0.12。

圖2 展示了主量元素含量、CIA、Saf、ba 以及Rb/Sr 值（王豐年，待發(fā)表數(shù)據(jù)）隨深度的變化。圖中，高含量的元素，其波動幅度更大，波動幅度最大的是SiO2，其次是Al2O3、TOFE；K2O、Na2O、CaO、MgO 含量都很低，其波動幅度很小且含量和波動幅度均依次降低。在深度上Saf 和ba 值的波動范圍較大，但CIA值相對平穩(wěn)，隨深度變化不大。

圖2 文昌坑尾園采樣點主量元素、CIA、Saf、ba 和Rb/Sr 隨深度變化

圖2 顯示出SiO2、Al2O3、TOFE 這幾種元素之間存在一定的關(guān)聯(lián)，隨深度變化，SiO2與Al2O3和TOFE 有相反的變化，前者與后兩者之間存在相關(guān)關(guān)系。K2O 和CaO 的變化趨勢和Al2O3和TOFE 的變化趨勢較為相似。Rb/Sr 比值同Al2O3、TOFE、K2O 等元素的變化趨勢類似。Na2O 和MgO 在深度上的變化趨勢表現(xiàn)不明顯，可能是元素底值較少，而元素性質(zhì)相對活潑，更易遷移、流失造成的［6］。此外，該圖還顯示出CIA 分別與Saf、ba 數(shù)值有相反的變化趨勢。圖3 展示了SiO2-Al2O3、SiO2-（Al2O3+TOFE）、CIA-Saf 和CIA-ba 的相互關(guān)系和相關(guān)性。盡管彼此之間的相關(guān)系數(shù)數(shù)值不大，但都呈現(xiàn)出負相關(guān)關(guān)系。圖示中各小圖的相關(guān)性數(shù)據(jù)較低的原因之一可能是受SiO2的3 個異常數(shù)據(jù)的影響，剖面深度在48～52 cm 的SiO2的數(shù)值比整個剖面的平均值明顯偏低，在圖3a 和圖3b 中可以明顯看到這3 點明顯偏離了其他樣點。如果去除這3 個樣品的數(shù)據(jù)來做相關(guān)性分析，可得出圖3a 和圖3b 的相關(guān)性分別為-0.98 和-0.95。

圖3 SiO2-Al2O3、SiO2-（Al2O3+TOFE）、CIA-Saf 及CIA-ba 的相關(guān)性

4 討論

在對碎屑巖的研究中，馮連君認為CIA 指數(shù)可以反映源區(qū)沉積物化學(xué)風(fēng)化程度［12］。CIA 數(shù)據(jù)能反映風(fēng)化過程中長石轉(zhuǎn)變成黏土礦物的程度，指示化學(xué)風(fēng)化作用強弱以及成土過程中K、Na、Ca 的相對損失量［12-13］。CIA 值在50～65 時表示較弱的風(fēng)化程度；CIA 在65～85 時表示中等風(fēng)化程度；CIA 在85～100時表示強烈的風(fēng)化程度［13］。硅鋁鐵系數(shù)（Saf）通過土壤鋁鐵富集和脫硅的程度來說明風(fēng)化的程度［14-15］。成土母質(zhì)相同或相似時，Saf 越小，風(fēng)化程度越高［14-16］。風(fēng)化淋溶系數(shù)（ba）可反映風(fēng)化環(huán)境、風(fēng)化強度以及K、Na、Ca 等鹽基離子的淋溶程度，通過土壤中活潑元素K、Na、Ca 相對于穩(wěn)定元素Al 的淋溶遷移程度來判斷［12，17］。ba 越小，表示K、Na、Ca 的淋溶越強，風(fēng)化成壤作用越強［17-19］。在溫暖濕潤的氣候環(huán)境下，土壤鹽基離子K、Na、Ca、Mg 等更易遷移，淋溶作用強，相對損失量大；相同環(huán)境下，Al2O3、TOFE 相對富集，CIA 數(shù)值大，Saf、ba 值小，風(fēng)化越強。在寒冷干旱的氣候環(huán)境下的元素、CIA，Saf、ba 變化則相反，風(fēng)化作用越弱［20-21］。Rb/Sr 比值是信賴的氣候代用指標(biāo)，其比值高低能指示化學(xué)風(fēng)化程度強弱，比值大，風(fēng)化弱；比值小，風(fēng)化強［22］。

從數(shù)據(jù)和圖2 可以看出，土壤的脫硅富鋁鐵現(xiàn)象比較明顯，整個剖面的化學(xué)風(fēng)化強烈。土壤對應(yīng)的成壤時間段，氣候溫暖濕潤。本文80 cm 土壤剖面可以大致分為兩段，地面到深度40 cm 處可以劃為上部，下40 cm 劃為下部，下部Al2O3、TOFE、CIA、Rb/Sr 比值平均值大于上部值，Saf 下部的平均值略小于上部的值，反映出剖面底部到頂部風(fēng)化程度降低的規(guī)律。這一變化同基巖類風(fēng)化殼型紅土剖面風(fēng)化特征呈相反趨勢［14］。

通過表1 數(shù)據(jù)可知，該地紅色沙壤SiO2含量最高，Al2O3、TOFE 其次，Na2O、K2O、CaO、MgO 含量依次降低，其中MgO 含量最低，甚至有出現(xiàn)百分含量為0 樣品。圖4 為文昌坑尾園主量元素、樂東尖峰嶺3 個剖面、海南島東北部采石場的主量元素的UCC 標(biāo)準化曲線圖［4，23-24］，坑尾園現(xiàn)代磚紅土中SiO2相對相對UCC 呈高值，元素富集；Al2O3、TOFE、CaO、Na2O、K2O、MgO 相對UCC 呈低值，處于低值狀態(tài)。其中Al2O3、TOFE 低值程度較低，CaO、Na2O、K2O、MgO 低值程度較高，含量低。Al2O3、CaO、Na2O、K2O 均處于低值狀態(tài)，但卻有較高的CIA 值，是因為在熱帶環(huán)境中，CaO、Na2O、K2O 隨流水遷移的多，其含量很少，所得的CIA 值相應(yīng)較大。文昌坑尾園CIA 值均在90 以上，處于高值，與熱帶地區(qū)炎熱、潮濕環(huán)境相印證?？游矆@主量元素與同樂東尖峰嶺3 個剖面、采石場的值與UCC 曲線對比可知，坑尾園的SiO2較7406 剖面外的其他3 個剖面而言處于富集狀態(tài)，Al2O3、TOFE 較另4 個剖面處于低值狀態(tài)，Na2O、K2O、CaO、MgO 4 種元素在5 個剖面上均顯示為低值狀態(tài)。SiO2、Al2O3、TOFE 的變化不一致，可能是因為各自的成土母質(zhì)存在差異［4］。據(jù)趙志忠等的研究可知，不同的成土母質(zhì)其常量元素含量是有差異的，7406 號剖面成土母質(zhì)為花崗巖，其SiO2含量最高，7405 和8803 剖面的成土母質(zhì)分別是砂巖和砂頁巖，其Al2O3含量相對偏高［4］。采石場剖面中，其CIA 值均在93 以上，在地表到90 cm 的深度范圍中，呈現(xiàn)出隨深度增加CIA 值不斷變大的規(guī)律［24］，同坑尾園的上下部變化規(guī)律一致：剖面頂部到底部風(fēng)化程度增強。

圖4 文昌現(xiàn)代磚紅土元素和樂東尖峰嶺3 個剖面、UCC 標(biāo)準化曲線

黃鎮(zhèn)國提出，30°N 以南區(qū)域處在熱帶亞熱帶高溫潮濕氣候環(huán)境，會形成富鋁化風(fēng)化殼，此類風(fēng)化殼硅鋁系數(shù)和硅鋁鐵系數(shù)都很小，均在2.5 以下［16］。文昌坑尾園Saf 在3.7 以上，與黃鎮(zhèn)國研究矛盾。從表1 可以看出，SiO2含量多大于65%，SiO2富集形成含量高值可能是造成Saf 高值的原因之一。

5 結(jié)論

（1）海南島文昌坑尾園現(xiàn)代紅色沙壤土中SiO2含量最高，Al2O3、TOFE 其次，K2O、Na2O、CaO、MgO含量依次降低，MgO 含量最低。

（2）土壤剖面分為上下兩個部分并進行對比，下部Al2O3、TOFE、CIA、Rb/Sr 平均值高，Saf 下部的平均值略小，反映出剖面底部到頂部風(fēng)化程度降低的規(guī)律。

（3）坑尾園剖面CIA 高值，與該地所處的熱濕環(huán)境相關(guān)，這一類型的土壤的成壤過程受當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境影響較大。在此環(huán)境下，水土流失伴隨的元素遷移使得Al2O3、TOFE、K2O、Na2O、CaO、MgO 均處于低值狀態(tài)。