陰山北麓表土化學成分特征及與其他地區對比分析

李占宏，海春興，劉廣通

(1．包頭師范學院資源與環境學院，內蒙古包頭014030;2．內蒙古師范大學地理科學學院，內蒙古呼和浩特010022)

1 研究的目的與意義

土壤是陸地表面能夠生長植物的疏松表層，是多種自然因素綜合作用下在陸地表層形成的復合系統，有復雜的特征與組成，包括質地、結構、顏色、成分等多方面。土壤是成土因素綜合作用下的產物，其成分可以反映成土環境，通過對土壤樣品化學風化指標的分析，可以反推其形成演化的水熱環境。受自然因素與人類活動的綜合作用，土壤的性狀在不斷地發生著變化，土壤性狀的變化又會反作用于其影響因素，在土壤性質與作用因素間形成復雜的反饋機制，這些反饋機制使土壤性質既可能向良性方向也可能向惡性方向發展。研究土壤成分變化和導致成分變化的影響因素，對于控制反饋機制，使土壤性狀向著良性方向發展，從而促進農業生產發展具有重要的意義。

陰山北麓位于農牧業交錯地帶，是現代典型的生態脆弱環境區。該區歷史上曾長期是牧業生產區，由于近100年來人口的增加和人類生產活動的加劇，目前已過渡為以農耕為主、放牧為次的農業環境。在以人類活動為主的影響下，陰山北麓成為草地向耕地轉變的集中區域［1］，土地利用方式的逐漸改變和人類活動強度的加大，使陰山北麓農業生態環境日趨惡化。

目前，對陰山地區的土壤研究主要集中于用地類型的轉化、土壤風蝕及土壤水分、養分等的變化方面:肖飛等對陰山中段1990—2000年間土地利用類型轉換格局作了詳細分析［1］，李忠輝等研究了農牧交錯帶緩坡丘陵區土壤水分空間分布特征［2］，王永等對陰山北麓的土壤侵蝕進行了計算與分析［3］，趙舉等對陰山北麓農牧交錯帶的防風技術進行了研究［4］，海春興等對陰山北麓不同用地方式下春季土壤表層水分變化進行了詳細分析并探討了春季不同時段影響土壤水分變化的主導因素［5］，但有關陰山北麓地區土壤化學成分分析方面的研究卻少見報道。鑒于此，本研究選取陰山北麓典型樣區進行表土采樣，通過測定K2O、CaO、Na2O、MgO、Al2O3、SiO2、Fe2O3等主量成分和Mn、Cu、Pb、As、Ti 等微量元素含量，用富集因子的方法計算各種微量成分的富集程度，以確定研究區表土化學成分的含量和遷移狀況;用化學風化指標定量計算陰山北麓表土的化學風化強度，以對比陰山北麓地區與哈爾濱市沙塵暴源區、蘭州沙塵暴源區及蘭州黃土的化學風化環境。通過研究，以闡明該地區的土壤環境狀況并有助于土壤污染防治。

2 研究區概況與樣品采集

內蒙古陰山北麓干旱草原區位于陰山山地與內蒙古高原之間，為半干旱農牧交錯生態過渡帶。本地帶從西到東，包括烏拉特中旗、固陽縣、達茂旗、武川縣、四子王旗、察右中旗、察右后旗、商都縣、化德縣和太仆寺旗、多倫縣等11 個旗縣的全部或部分。采樣區主要位于武川縣境內和達茂旗的東南部，面積約23 000 km2。采樣區內地理環境復雜多樣，主要山脈為大青山，武川縣境內的北部和中西部地勢起伏平緩，形成了武川盆地;屬中溫帶大陸性季風氣候，冬季長而寒冷，夏季短而涼爽，溫差大，日照充足，多風沙和寒潮，年均降水量360.4 mm，年最大降水量553．3 mm，年最小降水量192．2 mm，降水集中在6—9月份，占年降水量的81%;年均風速3．6 m/s，年均≥8 m/s風速的日數為116．4 d，年均≥17 m/s 的大風日數為39 d，區內土壤風蝕嚴重。

在陰山北麓的武川縣和達茂旗境內，沿東南至西北方向，用GPS 進行野外定點，用20 cm ×20 cm ×3 cm 的大平鏟挖取0—6 cm 的表土作為試驗用土樣，每個樣地設2 個重復。采樣地選擇根據樣地的地形、土地利用狀況、距離、地貌部位及土壤質地的不同加以確定。樣地間隔15～30 km，先后選取退化林地、耕地、草地、未成林林地、人工林地、灌叢地、多年退耕地等13 個樣地。將取回的土樣經風干過0．15 mm 的篩后，用日立508 型原子吸收分光光度計測定化學成分。

3 試驗結果與分析

3．1 試驗結果

研究區表土主要成分為SiO2(含量53．4%～61．4%)、Al2O3(12．09%～14．32%)、Fe2O3(3．39%～7．35%)，其次為Na2O、MgO、K2O、CaO 等，其含量普遍低于3%。據測定，微量元素中以Ti 含量為最高，其含量在2．455‰～4．456‰之間;As 含量最少，在0．010 2‰～0．016 8‰之間;Mn、Cu、Pb 含量居中。研究區表土化學成分測定結果見表1。

表1 研究區表土化學成分測定結果

將研究區各樣地表土成分進行平均計算，結果見表2。從表2 知，研究區表土的Al2O3、SiO2、Fe2O3含量之和為74．90%，比哈爾濱沙塵暴沉積物低2．90 百分點，比蘭州沙塵暴沉積物和蘭州黃土分別高5．82、4．16 百分點。由于Al、Fe、Si 在暖濕氣候條件下相對富集，在干冷條件下相對流失［6］，因此可知陰山北麓表土水熱環境遠好于蘭州黃土環境和蘭州沙塵的塵源環境，而略差于哈爾濱沙塵的塵源環境。

表2 研究區與其他地區表土主要成分對比

3．2 化學風化指標分析

沉積物中的Al/(Ca+Na+K)、K/Na、K/Ca、Al/Na、Fe/Mg、Al/ Si、(Al+Fe)/Si 等比值常被用作衡量地表沉積物化學風化強弱的指標，其值越高化學風化就越強烈，反之則弱［10］。

化學風化強度主要受水熱條件的控制，水熱條件較好造成了Ca、Na、Mg 等元素的淋失，而Fe、Al、K 等元素則相對富集。從表3 化學風化指標整體情況可知，研究區表土的化學風化程度較蘭州黃土及蘭州沙塵的風化程度高，與哈爾濱沙塵化學風化程度相近但略偏低，說明陰山北麓地區的水熱綜合環境要優于蘭州地區，其化學風化程度較高，而蘭州地區以物理風化為主，哈爾濱沙塵源區風化環境略強于陰山北麓地區。

表3 研究區與對比區土壤化學風化指標

3．3 富集因子法分析

對研究區農田表土樣品微量元素測定結果進行富集系數計算，其計算式為

式中:Cx為x 元素(某一元素)的含量;CAl為Al 元素的含量;“表土”和“地殼”分別表示元素在表土中的含量和地殼中的豐度，地殼中的豐度值采用黎彤［11］的研究值(表4)。

表4 地殼中各元素的豐度值‰

富集系數計算結果見表5。從表5 可以看出，研究區表土的微量元素組成顯示Ti、Mn、Cu 的富集系數均小于1，呈現流失狀態，除5 號樣地(多年退耕地，Cu 流失較少)及9 號樣地(耕地，Mn 流失較少)較特殊外，其他各樣地均表現出EFTi＞EFMn＞EFCu的特征。李勇等［12］通過對黃土區植物根系對營養元素遷移影響的研究，認為在林地(30 cm 以下土層)、草地(10 cm以上土層)和農地土層中，微量元素水遷移強度序列為Cu ＞Mn＞Fe，研究區表土中Cu、Mn 元素遷移也表現出與黃土地區相似的特征。

表5 研究區表土微量元素富集系數

圖1 為研究區表土As、Pb 元素富集系數。從圖1 可看出，Pb、As 的富集系數均大于1，呈富集狀態，各樣地均表現出EFAs＞EFPb，且5 ＜EFAs＜10、1．5 ＜EFPb＜2．5，說明這兩種元素有人為來源。在各樣地上As、Pb 兩種元素的富集系數相關性很差，說明這兩種元素的污染來源很可能不同。

圖1 研究區表土As、Pb 元素富集系數

4 結 語

(1)陰山北麓表土化學成分以Al2O3、SiO2、Fe2O3為主，三者的含量之和為74．90%，比哈爾濱沙塵暴沉積物低2．90 百分點，比蘭州沙塵暴沉積物和蘭州黃土分別高5．82、4．16 百分點，說明陰山北麓表土水熱環境明顯優于蘭州地區而略不及哈爾濱沙塵源區。

(2)化學風化指標的綜合運用反映出陰山北麓表土的氣候、生物狀況和化學風化程度明顯優于蘭州地區而略不及哈爾濱沙塵源區。

(3)陰山北麓各種地類的表土微量成分中，Ti、Mn、Cu 的富集系數均小于1，呈現流失狀態，且各樣地普遍表現出EFTi＞EFMn＞EFCu的特征;Pb、As 的富集系數均大于1，呈富集狀態，各樣地均表現出EFAs＞EFPb的特征，說明Pb、As 元素有人為污染源存在且來源不同。

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