華東多目標區域地球化學調查區土壤常量元素地球化學特征

張 明，陳國光，高 超，楊 輝，劉紅櫻，梁曉紅，尹愛經，張 徐

1.中國地質大學地球科學學院，武漢 430074

2.中國地質調查局南京地質調查中心，南京 210016

3.南京大學地理與海洋科學學院，南京 210093

0 引言

土壤元素組成與分布受多種因素的控制，成土母質通常是關鍵控制因素。相應地，土壤元素的組成特征也能在一定程度上反映成土母質特征［1］。不同成土母質發育形成的土壤，其常量元素組成不同，土壤常量元素組成特征已被用來分析成土母質和研究土壤風化程度［2－4］。前人研究多針對典型地區、流域沉積物、典型剖面成土風化過程［4－8］，利用區域地球化學資料開展這方面研究的案例較少見。筆者以華東多目標地球化學調查區為例，從區域尺度研究了土壤常量元素質量分數的變化及元素組合特征，分析了該地區常量元素來源和影響因素，旨在找出在區域尺度上不同母質發育土壤元素組合特征和質量分數差異性，為其他開展多目標區域地球化學調查地區進行類似研究工作提供依據。

1 研究區概況

研究區范圍涉及華東地區4省1市，地理坐標：東經114°30′－121°55′，北緯27°20′－33°40′，總面積為135 530km2（圖1）。

區內主要以第四紀松散層為主，周邊前第四紀地層出露主要有中新元古界、青白口系、南華系、寒武系、奧陶系、志留系、泥盆系等。區內第四紀期間，發生了多期冷暖氣候旋回，海陸交互作用頻繁，致使區域內第四紀地層成因復雜。其沉積環境可分為海積、沖海積、湖積、瀉湖積、沖湖積、沖積等多種成因類型。

區內主要發育四堡、晉寧、燕山期的巖漿巖，其中以燕山期侵入巖規模最大，階段性作用明顯。侵入巖從超基性巖－超酸性巖類均有產出，以燕山期中酸性巖類為主。

區內地貌類型主要有侵蝕－剝蝕地貌、侵蝕－堆積地貌、堆積地貌3種類型：侵蝕－剝蝕地貌分為侵蝕－剝蝕中山、侵蝕－剝蝕低山、侵蝕－剝蝕丘陵，主要分布在贛東北、贛西北、南陵、廣德、宜溧、寧紹臺等地區；侵蝕－堆積地貌為侵蝕－堆積崗地，主要分布在江淮地區；堆積地貌分為沖積－洪積平原、沖積平原、沖積－湖積平原、湖積平原、沖積－海積平原和海積平原，主要分布在長三角、淮北、沿江、鄱陽湖周邊等地區。

2 數據來源與質量分析

采用雙層網格化采樣模式［9］，分別采集表層和深層2層土壤樣品，采樣質量為1 000g，樣品在自然條件下風干后，每個樣品過20目尼龍篩。表層土壤采樣密度為1個/km2，采樣深度0.0～0.2m，每4km2組合成一個分析樣，累計獲取表層組合樣品48 130件；深層土壤采樣密度為4個/km2，采樣深度1.5～2.0m，每16km2組合成一個分析樣，累計獲取深層組合樣品12 008件。

樣品采用多目標區域地球化學調查規定的分析方法及質量監控方案［10－11］，由江蘇省地質調查研究院測試應用研究所、中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所中心實驗室、安徽省地質實驗研究所和江西省地礦局實驗測試中心承擔分析測試。

樣品分析測試：分析元素為 SiO2、Al2O3、TFe2O3、MgO、CaO、Na2O、K2O共7項。

3 數據處理

本次以第四系成因類型和前第四紀地層建造為依據劃分單元，力求反映第四紀沉積和前第四紀地層建造與土壤屬性的聯系，劃分成土母質單元有海積、沖海積、陸相火山碎屑巖與熔巖、淺海碳酸鹽巖與碎屑巖等。每個母質單元求取表層土壤背景值和深層土壤基準值，背景值和基準值求取方法按照陳國光等［12］提出的方法求取。

利用SPSS軟件進行元素的平均值、標準離差、變異系數、眾值、正態分布檢驗等統計分析。

4 結果與討論

4.1 元素含量及分布特征

研究區表層土壤中SiO2、TFe2O3質量分數明顯高于中國、美國和歐洲背景值，呈現高背景特征；Al2O3質量分數介于美國背景值與中國、歐洲背景值之間；CaO、Na2O質量分數明顯低于中國、美國和歐洲背景值，呈現低背景特征；MgO、K2O質量分數低于中國和歐洲背景值，高于美國背景值（表1）。這是因為研究區地處亞熱帶，氣候溫暖濕潤，風化成土過程中Ca、Na等化學性質活潑的鹽基離子大量淋失，而土壤中的Si、Al則相對富集。

由變異系數結果（表1）可知：CaO變異系數為104.74%，表明在研究區內其質量分數變化大，分異顯著；MgO、Na2O變異系數分別為50.45%、53.01%，屬 于 中 等 強 度 變 異；SiO2、Al2O3、TFe2O3、K2O變異系數較小，說明元素在區域上質量分數變化較小，顯示較弱的分異性。

正態分布檢驗（表1）顯示：研究區常量元素都不符合正態分布［14］，TFe2O3、CaO 、K2O 、Al2O3、MgO和Na2O偏度值都大于0.000，都屬于正偏態分布，SiO2的偏度值小于0.000，屬于負偏態分布；TFe2O3、CaO 、K2O峰度值大于3.000，說明這些元素含量數據更集中在平均值附近，Al2O3、MgO、SiO2峰度值小于3.000，說明這些元素含量數據分布比正態分布更離散，Na2O峰度值小于0.000，這種現象是由于多峰或者雙峰分布造成的。

4.2 表層土壤元素來源判斷

一個地區或一個流域的環境要素主要取決于其所處的地質地球化學背景，尤其是土壤中元素含量的高低和元素存在形態的變化從根本上受控于自然地質地球化學作用過程［15］。表層土壤除自然成土過程以外，受到人為影響較大，其元素的含量特征是否能代表其母質特征有待于求證；而土壤剖面的底部成土作用較弱，深部物質組成更接近于成土母質組成［16－17］，因此可以利用表層土壤和深層土壤元素相關性來判斷表層土壤對成土母質的繼承關系［17－20］，利用表層元素含量和深層元素含量比值判斷表層土壤元素富集或貧化［21－22］。

由于多目標區域地球化學調查土壤樣品按照網格單元采樣［9］，一個表層數據代表4km2內表層土壤元素含量，以其對應的16km2內深層土壤元素含量作為其深部土壤含量，一個深層數據對應于4個表層數據［20］，從而獲得表層與深層對應數據47 417組。

相關分析（表2）顯示：研究區表、深層土壤元素質量分數的相關系數都達到統計學意義上的顯著相關性水平，Na2O、CaO、K2O、MgO相關系數大于0.700，顯示出極高相關性；SiO2、Al2O3、TFe2O3相關系數為0.598～0.419，顯示出較高相關性；這些說明研究區表層土壤中常量元素對成土母質有著良好繼承性。

表層背景值和深層基準值比值（表3）顯示：SiO2、Na2O 、K2O 、Al2O3比值在0.90～1.04之間，表明與其自然環境質量分數相比，其表層富集與貧化不明顯［20］；CaO、MgO、Fe2O3比值都在0.75～0.83之間，顯示了弱貧化特征［20］。在表層土壤中沒有出現顯著富集現象，基本可以確定表層土壤中常量元素基本來自成土母質風化作用［23］，人為影響較小。

表1 表層土壤常量元素統計參數Table 1 Statistical parameters of macro-elements in surface soils

表2 表、深層土壤元素相關系數Table 2 Correlation coefficient of macro-element between surface soils and deep soils

表3 表、深層土壤元素質量分數比值Table 3 Ratio of macro-elements content in surface soils with deep soils

4.3 元素質量分數特征影響因素

對表層土壤中元素來源的分析表明，成土母質和元素自身特性是影響研究區土壤元素質量分數和分布的主要因素，人為影響較小。

4.3.1 成土母質影響

土壤是在漫長的地質年代里，在物理化學和生物作用下由基巖風化的各種松散沉積物（成土母質）發育形成的自然介質［24］，成土母質是控制土壤元素質量分數的最根本因素之一［16］。因此，按照成土母質分區進行統計分析，可以獲得各類母質發育形成的土壤中元素質量分數特征，為研究土壤元素分布分配規律提供依據。

對比各類母質區的土壤背景值（表4）發現：SiO2在各類成土母質區中背景值變化不大，與全區背景值比值為0.90～1.10；Al2O3在硅鋁質花崗巖區顯示較高土壤背景值特征，比值為1.30，而在其他母質類型區的土壤背景值差別不大，比值為0.87～1.09；TFe2O3在陸相火山碎屑巖與熔巖區、陸相紅色碎屑巖區、沖洪積區顯示較低土壤背景值特征，比值＜0.85，而在沿江沖積區、湖積區呈現較高土壤背景值特征；K2O在硅鋁質花崗巖區和陸相火山碎屑巖與熔巖區顯示高土壤背景值特征，比值＞1.30；MgO、CaO、Na2O在不同母質類型的土壤背景值差異較大，在沿江沖積區、沖海積、海積、湖積和瀉湖積等母質區顯示高土壤背景值特征，而在基巖母質區、現代沖積區和沖洪積區顯示低土壤背景值特征。

各類母質區土壤中常量元素質量分數變化（表4）顯示：SiO2、Al2O3在各類成土母質區的變異系數均小于30%［25］，元素質量分數離散程度小，屬于均勻分布元素；TFe2O3、K2O在各類成土母質區的變異系數均小于50%［21］，元素質量分數離散程度相對較小，分布相對均勻；MgO在大部分成土母質區的變異系數小于50%，元素質量分數離散程度相對較小，分布相對均勻分布，而在陸相紅色碎屑巖區、陸相火山碎屑巖與熔巖區和現代沖積區的變異系數大于50%，元素質量分數離散程度高，呈現不均勻分布；除了陸相火山沉積巖區，Na2O在基巖母質區的變異系數大于50%，而在第四系母質區（除了現代沖積區）變異系數均小于50%，說明其在基巖母質區分布不均勻，而第四系母質區分布相對均勻；除了陸相火山碎屑巖與熔巖區，CaO在基巖母質區的變異系數大于100%，顯示元素質量分數分布呈顯著不均勻分布，而在第四系母質區變異系數的變化幅度較大，在沖海積、沖湖積、湖積和瀉湖積等母質區的變異系數小于50%，其他母質區的變異系數都大于50%，這由于研究區范圍較大，成土時間存在差別，造成了鈣元素在不同氣候條件和土壤水分情況下淋失量有所不同。

對比以殘坡積等原位成土母質和以沖海積等多來源母質區土壤常量元素質量分數特征（表4）發現：殘坡積母質土壤顯示高SiO2，低 MgO、CaO、Na2O、K2O、Al2O3、TFe2O3特征；沖海積母質的土壤顯示高 MgO、CaO、Na2O、K2O、TFe2O3，低SiO2、Al2O3特征；沿江沖積母質土壤顯示高MgO、CaO、Na2O、K2O、TFe2O3、Al2O3，低SiO2特征；殘坡積母質區土壤元素的變異系數大于沖海積、沿江沉積母質土壤。

4.3.2 元素間相關關系

相關性分析（表5）顯示：SiO2與其他元素間為顯著負相關關系，Al2O3、TFe2O3、K2O間為顯著正相關關系；MgO、CaO、Na2O間為顯著正相關關系。

因子分析（表6）表明：Al2O3、TFe2O3、K2O 為第一因子組合，因子載荷系數都大于0.65；MgO、CaO、Na2O為第二因子組合，因子載荷系數都大于0.75；而SiO2則表現出了與2個因子組合相反的特性，在2個因子組合中都表現出負載荷系數。

表4 不同成土母質區常量元素背景值與全區背景值比值及變異系數Table 4 Ratio of background in different parent materials with the background of the whole area

表5 表層土壤常量元素間相關系數Table 5 Correlation coefficients of macro-elements in surface soils

表6 表層土壤中7種元素經極大方差法旋轉后的因子載荷Table 6 Factor loading of Seven elements in surface soils after varimax rotation

從相關性和因子分析結果顯示，第一因子主要反映了土壤的機械組成狀況。在質地較粗的土壤中，石英、長石等原生礦物質量分數較高，因此Si的質量分數高，Al、Fe、K的質量分數相對較低；而質地較細的土壤中次生黏土礦物較多，因而Al、Fe、K的質量分數高，Si的質量分數相對較低。

第二因子主要反映了成土母質的巖性和來源。表4可見，在Ca、Mg、Na的質量分數較高的母質區，Si的質量分數相對較低，而Ca、Mg、Na的質量分數較低的母質區，Si的質量分數相對較高，Si和Ca、Mg、Na質量分數呈負相關關系也反映這一現象。

5 結論

1）區域內SiO2、Al2O3、TFe2O3、K2O等4種元素分布相對均勻，在不同母質類型區土壤元素質量分數差別不大；CaO、MgO、Na2O等3元素分布不均勻，在不同母質類型區土壤元素質量分數差別較大。2）該地區表層土壤中常量元素對成土母質有良好繼承性，表層土壤元素基本來源于成土母質，表層土壤元素特征在一定程度上能夠代表其成土母質組成特征。3）常量元素因子分析結果顯示，第一因子指示了本區土壤機械組成狀況，第二因子反映了成土母質的巖性和來源。4）以殘坡積為代表的原位成土母質與以長江沖積物和濱海沖積物等混合沉積物為母質的土壤常量元素的組合特征不同，其元素空間變異性差別較大。5）利用表層土壤元素組合特征和質量分數高低在一定程度上能辨別出土壤的成土母質巖性、來源和土壤機械組成。

研究中得到了華東地區各省地質調查院幫助，在此表示感謝。

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