海拔與巖性變異對石灰巖發育土壤黏土礦物組成的影響*

張治偉許娟娟嚴煥德程永毅龍曉泳

（1 西南大學地理科學學院，重慶 400715）

（2 懷化市蔬菜科學研究所，湖南懷化 418000）

（3 中國石油青海油田公司勘探開發研究院，甘肅敦煌 736202）

（4 西南大學資源環境學院，重慶 400715）

海拔與巖性變異對石灰巖發育土壤黏土礦物組成的影響*

張治偉1許娟娟2嚴煥德3程永毅4龍曉泳1

（1 西南大學地理科學學院，重慶 400715）

（2 懷化市蔬菜科學研究所，湖南懷化 418000）

（3 中國石油青海油田公司勘探開發研究院，甘肅敦煌 736202）

（4 西南大學資源環境學院，重慶 400715）

用X射線衍射法研究了中亞熱帶區海拔、巖性變異對石灰巖發育土壤黏土礦物組成的影響。結果表明：在海拔約2 000 m的重慶金佛山山頂區，灰黑色鈣質頁巖石灰巖發育的黑色石灰土，礦物組成復雜，除伊利石為主外，還有少量蛭石、綠泥石、高嶺石和蒙脫石，有一定量的母質殘留礦物（滑石和滑間皂石）；由砂頁巖和灰巖互層母質發育的山地黃棕壤，以蛭石為主，伊利石和高嶺石其次，有三水鋁石和弱結晶針鐵礦。在金佛山中下部（600～1 200 m），石灰巖發育的黃色石灰土以蛭石或伊利石為主，有一定量的高嶺石，普遍出現針鐵礦。湖南懷化盆地海拔200多米，純灰巖發育的紅色石灰土為伊利石、蛭石和高嶺石（含埃洛石）組合型，有結晶好的針鐵礦和少量赤鐵礦。海拔顯著影響高嶺石含量、針鐵礦結晶度，海拔降低時高嶺石含量增加，針鐵礦結晶度提高。在金佛山山頂區，石灰巖母質巖性和微地形變異對土壤成土過程和黏土礦物組成影響顯著。

中亞熱帶區；海拔；巖性；石灰巖發育土壤；黏土礦物；鐵氧化物

土壤黏土礦物是土壤固相最活躍部分，其類型及組合對土壤物理化學性質、土壤養分、保水保肥、供水供肥性能影響較大。黏土礦物具膠體特性，對環境污染物具有一定的緩沖作用［1］。黏土礦物組成也是研究土壤發育和土壤分類的重要依據之一［2］。Khan［3］于1960年指出歐洲西部黑色石灰土含蒙脫石多，紅色石灰土多云母。Egli等［4］指出高海拔碳酸鹽巖區以有機酸驅動石灰巖風化占主導，云母向蛭石轉化；而低海拔區則以碳酸驅動灰巖風化占主導，鐵鋁氧化物增加。Singer等［5］認為石灰巖土壤的發育與母質、發育時間及地形有關，發現紅色石灰土含赤鐵礦較多、黃色石灰土針鐵礦為主。Navarrete等［6］指出珊瑚礁石灰巖發育的土壤以方解石、蒙脫石和蛭石為主，而鈣質頁巖土壤以高嶺石為主。Mella和Mermut［7］指出印度尼西亞石灰巖紅色淋溶土多高嶺石，黑色土多蒙脫石和云母。Hattar等［8］發現地中海東岸石灰巖土壤高嶺石和鐵氧化物向低海拔處增加，表明低處風化加強。顧新運和許冀泉［9］1963年指出我國南亞熱帶（滇南、廣西）黑色石灰土伊利石為主、棕色石灰土蛭石為主，紅色石灰土為蛭石、高嶺石和三水鋁石組合型。朱立軍等［10］認為高嶺石和埃洛石是貴州碳酸鹽巖上覆紅土的主要黏土礦物。楊德涌等［2］指出熱帶海南島棕色、紅色石灰土以高嶺石為主，其次水云母。章明奎和胡國成［11］認為石灰巖土壤顏色與風化強度及氧化鐵類型有關。

我國西南裸露型巖溶區面積達90多萬km2，以丘陵、山地為主，坡度大；石灰巖化學溶蝕后殘留物少，成土速度緩慢，土層薄，環境惡劣，是典型生態脆弱區。因此，深入研究石灰巖區土壤質量與退化、黏土礦物與土壤演化等已經成為喀斯特石漠化治理亟待解決的問題。我國巖溶區跨度大，各地氣候、母質、地形和植被差異顯著，加上部分地區古石灰巖風化殼的存在，使土壤成土條件豐富多樣，進一步影響土壤發生和不同亞類之間的演化。目前，我國巖溶區有關土壤質量與退化、水土保持等方面的研究已經較多，但對于石灰巖發育土壤黏土礦物組成的報道還極為有限且不系統，結論還有差異［2，9-10］；從黏土礦物組成方面討論石灰巖發育土壤的發生學性質還需更多的研究，黏土礦物組成演變與各亞類間的演化關系也還有待于進一步補充；而海拔、巖性變異對石灰巖發育土壤黏土礦物的影響還鮮見報道。本研究從海拔2 000多米的巖溶中山到200多米的溶蝕盆地，按海拔高度、巖性和土壤亞類不同取樣，研究中亞熱帶石灰巖區海拔、局地母質差異對石灰巖發育土壤黏土礦物組成影響，以期為研究石灰巖土壤演化系列、發育分類及其資源環境效應提供更多的理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

在重慶市南川區金佛山北坡和湖南懷化盆地取樣。金佛山是渝黔交界大婁山脈主峰，山頂海拔2 000～2 250 m，屬二疊系地層。下段為灰黑色鈣質頁巖石灰巖，在坡度較大的灌叢、闊葉林下，常發育黑色石灰土［12］；上段為砂頁巖和灰巖互層母質，在緩坡針葉林（柳杉）下發育山地黃棕壤。金佛山北坡中下部海拔600～1 250 m，石灰巖常發育黃色石灰土。懷化盆地地處湘西南，海拔200～300 m，屬淺覆蓋型巖溶環境，質純灰巖上發育紅色石灰土，紅土厚度1～10 m。表1為供試土壤的基本情況。

1.2 試驗方法

根據海拔高度、巖性和土壤亞類的不同，于2005年和2011年共確立土壤剖面6個（表1）。其中，黑色石灰土1個（Jf07），發育在金佛山頂灰黑色鈣質頁巖石灰巖上；山地黃棕壤1個（Jf12），發育于金佛山頂砂頁巖和灰巖互層母質；黃色石灰土3個（Jf02、Jf20和Jf23），發育在金佛山中下部石灰巖母質上，巖性差異小；紅色石灰土1個（Hh01），發育于懷化盆地純灰巖母質上。野外按發生層次取樣，經室內風干，研磨，先通過1.00 mm篩，再用四分法取1/2研磨過0.25 mm篩，攪勻，裝瓶備用。采用常規分析方法［13］測試土壤有機質、pH、CaCO3、全鐵、游離鐵、活性鐵和顆粒組成，并分析部分樣品的黏粒硅鋁率。表2為供試土壤基本理化性質。

表1 供試土壤基本情況Table 1 Basic features for the studied soils

表2 供試土壤基本理化性質Table 2 Basic physico-chemical properties for the studied soils

黏粒提取方法：取30 g已過1.00 mm篩的B層土樣，置于高燒杯，加少量蒸餾水濕潤，用6%雙氧水去有機質，加2%碳酸鈉溶液消煮15 min分散，沉降法提取，重復多次至提取完全，低溫60 ℃烘干，瑪瑙研缽研磨過300目篩。黏粒XRD衍射采用四種方式處理［7，14-15］：未經處理的粉末壓片法、DCB法去游離鐵后鎂-甘油飽和定向片法、加熱到500 ℃和銨鹽消煮定向片法。用XD-3型X射線衍射儀，用Cu-Ka輻射，管壓36 kV，管流20 mA，2θ∶2～55°或2～32°，步寬0.02°。XRD衍射在2012—2014年完成，由Jade5.0軟件完成圖譜分析。

2 結 果

2.1 金佛山山頂黑色石灰土黏土礦物組成

Jf07土壤黏土礦物組成較復雜（圖1），以伊利石和1.4 nm礦物為主，0.72 nm衍射峰較弱，表明有少量結晶弱的高嶺石；2.4 nm、1.2 nm處有顯著的衍射峰，經比對，此處為混層礦物的衍射峰。經鎂-甘油處理（圖2），1.0 nm峰仍最強，仍表明伊利石為主；1.7 nm出現較弱但清晰的衍射峰，有少量蒙皂石；1.4 nm衍射峰顯著，該峰可能是蛭石或綠泥石或兩者疊加形成，混層礦物的24 ?衍射峰已經擴展至26～27 ?。加熱至500 ℃后（圖3），1.4 nm衍射峰還清晰可見，表明有少量綠泥石。研究指出［14］，銨鹽消煮后蛭石的1.4 nm峰會移至1.05 nm，而綠泥石的1.4 nm峰不變。經銨鹽消煮（圖4），Jf07土壤1.4 nm衍射峰仍明顯，同時0.473 nm峰出現，也表明綠泥石存在。1.4 nm峰主要由綠泥石和蛭石形成。

Jf07土壤出現較強的3.1 ?衍射峰（圖1、圖4），還有較強的9.4 ?衍射峰（圖3），結合上述地質條件，經峰譜比對，可以確定為滑石的衍射峰。Jf07土壤混層礦物的d001峰在24 ?附近，其d001與累托石、滑間皂石類似，在二疊系石灰巖夾煤系和泥質的條件下，累托石和滑間皂石均有報道［16］。重慶南川黃巖地區的滑間皂石發育在二疊系茅口組下部含碳質滑石灰巖中［16］，多與黑滑石、方解石和石英共生。南川金佛山與南川黃巖地區屬于同一褶皺構造，巖性基本一致。鑒于已有研究［16］和混層礦物d001和d002衍射峰位置、以及滑石和少量蒙皂石存在的情況，可以確定混層礦物為1∶1規則型的滑間皂石。

2.2 金佛山山頂山地黃棕壤黏土礦物組成

Jf12土壤位置最高，土壤黏土礦物以1.4 nm礦物為主（圖1），其次為伊利石、高嶺石，有明顯的0.485 nm三水鋁石衍射峰。鎂-甘油飽和處理后（圖2），衍射峰基本未變化，未見1.7 nm衍射峰，表明基本不含蒙脫石。加熱至500 ℃后（圖3），未見顯著的綠泥石1.4 nm衍射峰。銨鹽消煮后（圖4），1.4 nm衍射峰完全消失，Jf12土壤基本不含綠泥石，從而確定1.4 nm礦物為蛭石。黏粒中0.418 nm針鐵礦峰顯著（圖1、圖4）。

圖1 土壤黏粒非定向樣的XRD衍射圖譜Fig. 1 X-ray diffraction（XRD）diagrams for unoriented samples of clay fraction

2.3 金佛山中下部黃色石灰土黏土礦物組成

Jf02土壤在山體中部，以1.4 nm礦物為最主要的黏土礦物，有一定量的伊利石和高嶺石（圖1）；0.485 nm衍射峰較明顯，有少量三水鋁石；0.418 nm峰明顯但峰型寬緩，有弱結晶針鐵礦。經鎂-甘油飽和處理（圖2），峰譜基本未變化，在1.7、0.89 nm出現弱的蒙脫石衍射峰。加熱至500℃后（圖3），未見綠泥石的1.4 nm峰。Jf02土壤主要礦物為蛭石。

Jf20、Jf23土壤位于金佛山北坡山麓。Jf20土壤以1.4 nm礦物占絕大部分，有少量高嶺石，伊利石含量低（圖1），有少量方解石（0.302 nm），與其較高的CaCO3含量一致（表2），有少量三水鋁石（0.485 nm）。鎂-甘油處理后（圖2），衍射峰基本未變化，1.4 nm峰主要是蛭石衍射峰，1.7、0.89 nm出現弱的蒙脫石衍射峰。加熱到500℃后（圖3），未見顯著的1.4 nm峰，不含綠泥石。Jf23土壤則以伊利石為主，其次為1∶1型的高嶺石和埃洛石（圖1），有少量1.4 nm礦物，土壤不含三水鋁石，有0.418 nm針鐵礦衍射峰。鎂-甘油飽和后（圖2），仍提示較強的伊利石和高嶺石峰，蛭石含量低，有少量蒙脫石。土壤不含綠泥石（圖3）。

圖2 鎂-甘油定向片的XRD衍射圖譜Fig. 2 XRD diagrams of the soil oriented with Mg-glycerin

圖3 加熱至500℃后的XRD衍射圖譜Fig. 3 XRD diagrams of the soil heated to 500 ℃

2.4 懷化盆地紅色石灰土黏土礦物組成

紅色石灰土（Hh01）B層黏土礦物主要為伊利石（圖1），1∶1型高嶺石和埃洛石成為次要礦物，1.4 nm礦物含量很低，黏粒含有結晶較好的針鐵礦，有弱的0.368 nm赤鐵礦衍射峰。鎂-甘油處理后（圖2），仍以伊利石、高嶺石為主，1.7、8.9 nm有弱的蒙脫石衍射峰。加熱至500 ℃后未見綠泥石（圖3）。

3 討 論

3.1 海拔對土壤鐵氧化物的影響

由圖1可見，海拔高度對石灰巖發育土壤鐵氧化物有顯著影響。黑色石灰土Jf07 海拔高，有機質含量高，常年濕潤，鐵活化度高，加上全鐵含量低（表2），導致XRD未出現顯著的晶質鐵衍射峰。山地黃棕壤Jf12黏粒中0.418、0.269和0.245 nm衍射峰同時出現（圖1），說明含有針鐵礦，與其橙黃色一致，但衍射峰寬緩，說明結晶度不高，可能與鐵活化度高有關（表2）。黃色石灰土Jf02、Jf20 和Jf23普遍含有一定量的針鐵礦（圖1），海拔較高的Jf02土壤0.418 nm峰仍不尖銳，表明結晶度仍不高，位置較低的Jf20和Jf23針鐵礦結晶度提高。從Jf12到Hh01土壤（圖1），針鐵礦0.418 nm衍射峰半高寬（Δ2θ°）分別為0.305、0.268、0.225、 0.221和0.224，同等條件下可表示針鐵礦結晶度隨海拔降低而提高。

紅色石灰土Hh01黏粒、細土中0.269、0.368 nm衍射峰同時出現（圖1、圖5），說明已經有少量赤鐵礦，與偏紅的土壤顏色基本對應。赤鐵礦的出現與海拔最低、年均溫最高、且干濕交替的氣候有關（梅雨和伏旱）。由于0.269 nm衍射峰為針鐵礦130峰和赤鐵礦104峰的疊加，Gt130強度約為Gt110的35%，根據針鐵礦Gt110的峰面積大小，可推算其Gt130強度，而后在總的0.269 nm衍射強度中扣除Gt130的衍射強度，即可推算針鐵礦與赤鐵礦比值（Gt/Hm）［2］。Hh01的Gt/Hm約為5∶1，依據游離鐵、活化度結果（表2），估算土壤針鐵礦為37.96 g kg-1，赤鐵礦為7.56 g kg-1。

3.2 海拔對1∶1型礦物含量的影響

經過對001峰面積的量算（圖1），結合各礦物比例系數［15］，估算從Jf07到Hh01土壤，1∶1型礦物含量分別為4%、15%、21%、21%、25%和26%。由于Jf07土壤0.72 nm峰是高嶺石d001和綠泥石d002的疊加峰，按李學垣［15］的辦法，通過比對高嶺石0.358 nm和綠泥石0.352 nm峰高，估算各自在0.72 nm峰中的比重，從而估算出高嶺石的相對百分數。可見，隨海拔降低，土壤中1∶1型礦物含量增加，以海拔最低的Jf23和Hh01高嶺石、埃洛石含量最多，表明水熱條件加強，高嶺石化逐漸加強，發育程度加深。

3.3 巖性變異對土壤黏土礦物的影響

圖4 銨鹽消煮后的Jf07、Jf12土壤XRD衍射圖譜Fig. 4 XRD diagrams of the soil boiled with ammonium salt

圖5 Hh01土壤鐵氧化物檢測情況Fig. 5 Determination of iron oxides in soil Hh01

金佛山山頂兩個土壤黏土礦物和土壤性質差異較大，與局部巖性、微地形和植被差異有關。Jf07受灰黑色鈣質頁巖石灰巖影響顯著，黏土礦物組成復雜，除伊利石、蛭石、少量高嶺石外，滑間皂石和滑石屬母質殘留礦物，還有抗風化能力弱的綠泥石。同時，坡度大，土層淺，灌叢林地，利于碳酸鹽補充，有一定量的游離CaCO3，pH接近中性，黏粒少，硅鋁率高（表2），表明該土壤發育較弱；Jf07仍處于黑色石灰土階段，其灰黑色可能是腐殖質和碳質黑滑石共同染色形成。Jf12位置稍高，發育于砂頁巖和灰巖互層母質，其泥質成分稍高；加上地形和緩，土層較厚，利于水分匯聚淋溶，柳杉針葉林下易于酸性淋洗。Jf12黏粒礦物以蛭石為主，表明伊利石已經向蛭石轉化，綠泥石消失，出現三水鋁石，說明淋溶較強，但該三水鋁石可能是多雨高濕、針葉林酸性淋溶下原生礦物迅速脫硅，直接風化形成［17］。Jf12碳酸鹽殘留痕跡，pH較低，硅鋁率較低（表2），黏粒含量高，有淀積層（Bt），屬山地黃棕壤。

4 結 論

在中亞熱帶區，石灰巖發育土壤黏土礦物以2∶1型的伊利石或蛭石為主，1∶1型高嶺石、埃洛石為次要礦物。海拔高度顯著影響高嶺石含量和針鐵礦結晶度；隨海拔降低，高嶺石含量呈上升趨勢，針鐵礦結晶度提高，土壤發育加深。在金佛山山頂，石灰巖母質巖性變異、地貌部位差異和植被狀況對成土過程和黏土礦物有顯著影響；黑色石灰土受灰黑色鈣質頁巖石灰巖影響，礦物組成復雜，風化弱，母質殘留礦物滑石和滑間皂石較多，有風化初期礦物綠泥石；山地黃棕壤受砂頁巖和灰巖互層影響，礦物風化加深，出現三水鋁石。

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Effects of Elevation and Lithology on Clay Mineral Composition of Soils Derived from Limestone

ZHANG Zhiwei1XU Juanjuan2YAN Huande3CHENG Yongyi4LONG Xiaoyong1
（1 School of Geographical Sciences，Southwest University，Chongqing 400715，China）
（2 Vegetable Science Research Institute of Huaihua city，Huaihua，Hunan 418000，China）
（3 Exploration and Development Research Institute of Qinghai Oil Field Company，PetroChina，Dunhuang，Gansu 736202，China）
（4 College of Resources and Environment，Southwest University，Chongqing 400715，China）

The purpose of this paper is to determine the effects of elevation and lithology on clay mineral composition of soils derived from limestone in south China. The research areas were located in the Jinfo Mountain，Chongqing municipality，and the Huaihua Basin，Hunan Province，two karst regions. The samples of Black limestone soil（Jf07）and the Mountain yellow-brown earth（Jf12）were collected on the top of the Jinfo Mountain，about 2 000 m in elevation；the samples of Yellow limestone soils（Jf02，Jf20 and Jf23）on the mid-and lower-slopes of the Jinfo Mountain，about 600～1 200 m in elevation；the sample of Red limestone soil（Hh01）in the Huaihua Basin，Hunan Province，over 200 m in elevation. Soil mineralogy of the samples was determined by X-ray diffraction（XRD）on the ＜1 μm（clay）fraction in B horizons. Results show，in the mid-subtropical zone of China，clay minerals in the limestone soils are dominated mainly with 2∶1-typed illite or vermiculite，in addition to some 1∶1-typed kaolinite and halloysite. With elevation going downwards，the fractions of kaolinite and goethite in soils exhibit a trend of increase，and theircrystallinity increase too；this shows that，with the locations descending on slope，the soils are intensifying in weathering. On top of the Jinfo Mountain，lithology，topographic feature and vegetation are important factors，affecting soil forming process and mineral composition of the clay. On top of the Jinfo Mountain，the Permian Maokou Formation is a set of stratum of limestone larded with grey-dark carbonaceous shale；the Permian Longtan Formation is a set of interbedded rocks of limestone and sandstone-shale. Due to being significantly affected by the Permian Maokou Formation，Jf07 soil is weak in weathering，its clay mineral composition is complicated；there are certain amounts of talc and aliettite，which are residues from its greydark parent rocks. But，Jf12 soil is well-developed，its clay mineral composition is simple，and its main clay mineral is vermiculite；this is attributed to the impact of the parent rock（Permian Longtan Formation）.

Mid-subtropical zone；Altitude；Lithology；Soils derived from limestone；Clay mineral composition；Soil iron oxides

S153.61；P642.254

A

10.11766/trxb201607250297

（責任編輯：盧 萍）

* 中央高校基本科研業務費專項（XDJK2011C048，XDJK2015C071）資助 Supported by the Fundermental Research Funds for the Central Universities（Nos. XDJK2011C048，XDJK2015C071）

張治偉（1974—），男，湖南懷化人，碩士，從事土壤地理學、巖溶環境學研究。E-mail：zflyzzw@swu.edu.cn

2016-07-25；

2016-12-06；優先數字出版日期（www.cnki.net）：2017-01-06