廣西黎塘巖溶區富含鐵錳結核土元素遷移特征

蘇春田　黃晨暉　鄒勝章　羅飛　楊楊　趙光帥　陽明

摘要：[目的]研究廣西黎塘巖溶區土壤富含鐵錳結核背景下元素含量與遷移特征，為富含鐵錳結核土的有效修復提供理論依據。[方法]選擇具有代表性的未受農業耕作影響的富含鐵錳結核土為試驗樣地，其成土母巖為碳酸鹽巖，以成土母巖為碎屑巖的土壤為對照，分層采集剖面A（0-35 cm）、B層（>35 cm）土壤及對應巖石樣品，測定土壤、巖石氧化物及重金屬元素含量。[結果]廣西黎塘巖溶區土壤主要是Si、AI和Fe的氧化物，三者之和在土壤剖面A、B層的平均含量分別占總量的86.32%和86.30%；廣西黎塘巖溶區土壤的si02和Fe203含量均低于對照，而Al2O3、CaO和MgO含量高于對照。廣西黎塘巖溶區土壤Cd、Pb和Zn含量順序為Zn>Pb>Cd，其中剖面A層Cd和Pb平均含量均超過B層，而Zn平均含量低于B層，剖面A、B層Cd、Pb和Zn平均含量均已超過廣西土壤元素背景值及成土母巖為碎屑巖的土壤，未超過土壤環境質量二級標準值。廣西黎塘巖溶區土壤以高硅鋁系數、低鹽基總量淋溶系數為特征，土壤剖面B層風化淋溶強度高于AM，風化淋溶程度整體上高于碎屑巖成土。土壤燒失量（LOI）與SiO2含量、Al2O3含量、硅鋁率、鹽基總量淋溶系數的相關系數分別為-0.8063、0.7091、-0.8570和-0.2923，土壤剖面A、B層Ca、Mg元素及B層的Cd元素發生了虧損，其他元素均表現為富集或強烈富集。[結論]成土母巖為碳酸鹽巖的土壤氧化物、重金屬含量、風化淋溶強度、遷移特征等與成土母巖為碎屑巖的土壤具有差異，鐵錳結核的存在已造成重金屬元素在土壤中的積累并具有潛在污染。

關鍵詞：鐵錳結核；巖溶；元素遷移；黎塘

0引言

[研究意義]土壤是人類生存環境中變化最復雜、最頻繁、各種信息最豐富、最敏感的部分（李雪垣，2001）。表生作用過程中，化學元素的遷移富集規律是土壤元素對環境條件變化響應的表現，不同地區、不同成因類型的土壤，其元素遷移富集規律也存在差異（刁桂儀和文啟忠，1999）。巖溶區特殊的地質條件和雨熱同期的氣候特點決定了元素遷移具有其獨特的特點。廣西黎塘巖溶區土壤富含鐵錳結核，其占土壤比例為A層22.55%-47.8%、B層8.25%-36.31%（蘇春田等，2008a），鐵錳結核的存在對土壤理化性質（蘇春田等，2008b）、農作物質量具有顯著影響（唐健生等，2009），但此背景之下的元素遷移特征不清。因此，開展富含鐵錳結核土元素遷移特征分析，對掌握富含鐵錳結核土元素遷移規律具有重要意義。[前人研究進展]目前已有研究者對我國雷瓊地區（張麗娟等，2012）、遼南地區（張威等，2013）、漢江上游谷地及渭河谷地（卞鴻雁等，2014）、江西贛縣（熊平生，2015）等地區的土壤元素遷移進行了研究；也有一些針對巖溶地區土壤元素遷移的研究。覃星銘等（2010）研究表明，典型農業區洼地與坡地元素含量、遷移特征等具有顯著差別；藍芙寧等（2011）對我國南方3個典型石山區土壤、巖石的研究發現，除Ca、Mg元素含量小于成土母巖之外，其他元素均大于成土母巖，且元素含量與成土母巖相似，主要在剖面A層富集，其次為剖面B層和C層；董彥（2013）對柳江流域巖溶區石灰土的研究發現，大量元素含量在水平方向因遷移富集作用而不同，表現為Si、Al富集，Na、Mg、Ca含量少；尹川等（2014）對黔北坡面林地的研究發現，不同元素在坡頂、坡腳富集也具有差異。[本研究切入點]成土母巖是影響土壤元素含量的重要因素，但在巖溶區土壤富含鐵錳結核背景下，土壤剖面元素含量及其遷移特征很少被關注，也未見相關研究報道。[擬解決的關鍵問題]以廣西黎塘巖溶區富含鐵錳結核土壤為例，通過對土壤剖面及巖石的取樣，分析其元素含量、遷移特征、風化淋溶特征等，以期為富含鐵錳結核土的有效修復和治理提供技術支撐。

1材料與方法

1.1研究區概況

研究區屬黎塘鎮行政區劃，位于廣西中部偏南、賓陽縣東部，東經109°02′～109°18′，北緯23°04′～23°20′，屬亞熱帶季風氣候。據賓陽縣氣象站的觀測資料，研究區多年平均降雨量1584 mm/年，4-9月為豐水期，占全年降雨量的77.9%，多年平均蒸發量1631.2 mm/年，年平均氣溫20.9℃，太陽輻射強，無霜期332 d。黎塘鎮擁有豐富的農業資源，如蓮藕、蘿卜、淮山、苦瓜等名特優產品，是全國蓮藕主產區之一（蘇春田等，2008c）。

1.2試驗方法

1.2.1樣品采集與測定 在廣西黎塘地區橋美、嶺甲等沿公路分布的地帶設置土壤采樣點，共設8個采樣點，成土母巖為碳酸鹽巖。在采樣點內開挖長方形土坑，土坑平面1.0 m×0.6 m，深度0.6-1.2 m，根據土壤顏色及剖面特征將土壤劃分為A、B層，A為表土層（0-35 cm），B為表土層以下，自下而上逐層采集中部土壤，重量1kg左右，以成土母巖為碎屑巖的土壤作為對照，土壤中偶見鐵錳結核，對照點3個。同時采集相應的巖石樣品，碳酸鹽巖采樣10個，碎屑巖采樣3個。樣品由澳實分析檢測（廣州）有限公司測試完成。巖石、土壤微量元素采用等離子體質譜法測定，土壤氧化物采用熒光光譜儀熔融法測定。

1.2.2土壤風化淋溶強度與遷移指標 土壤燒失量（LOI）采用重量法測定。土壤風化系數（張麗萍等，2001）采用如下指標：硅鋁系數（sa）=SiO2/Al2O3；鋁鐵系數（Af）=Al2O3/Fe2O3；堿金屬淋溶系數=（Na2O+K2O）/Al2O3；堿土金屬淋溶系數=（CaO+MgO）/Al2O3；鹽基總量淋溶系數（ba）=（Na2O+K2O+CaO+MgO）/Al2O3。

土壤遷移采用遷移系數（陳松等，2013）表示：K=Cn/Cd。其中，助遷移累積系數，Cn為土壤層元素含量，Cd為母巖元素含量。K小于1.00表示純遷移，K大于1.00表示相對積累。

1.3統計分析

采用Excel 2016和SPSS 20.0進行數據處理、相關性分析及制圖。

2結果與分析

2.1土壤氧化物組成

由表1可知，廣西黎塘巖溶區土壤化學組分主要是Si、Al和Fe的氧化物，三者之和在土壤剖面A、B層的平均含量分別占總量的86.32%和86.30%。其中，以SiO2含量最高，A、B層的SiO2平均含量分別為63.29%和61.66%，其次為Al2O3；含量最少為Fe2O3，其在A、B層平均含量分別為8.55%和6.68%。A層堿土金屬CaO和MgO平均含量在0.50%左右，堿金屬Na20和K20在土壤剖面A、B層含量相接近，平均含量分別為0.07%、0.07%和0.39%、0.37%；MnO和P205含量很低，含量0.10%左右；TiO2在土壤剖面具有較好的相對穩定性，A、B層含量分別為2.01%和2.38%。廣西黎塘巖溶區土壤的SiO2和Fe2O3含量均低于成土母巖為碎屑巖的土壤剖面，而Al2O3、CaO和MgO含量高于成土母巖為碎屑巖的土壤剖面。

2.2土壤重金屬元素組成

由表2可知，廣西黎塘巖溶區土壤剖面A、B層的Cd、Pb和zn平均含量均以zn含量最高，分別為126.13和158.88 mg/kg，其次為Pb，最少為Cd，且土壤剖面A層的Cd和Pb平均含量均超過B層，而Zn平均含量低于B層。與土壤環境質量二級標準值（環境保護部和國家質量監督檢驗檢疫總局，2008）相比較，廣西黎塘巖溶區土壤剖面A、B層的Cd、Pb和zn平均含量均未超過標準值；與廣西土壤元素背景值（中國環境監測總站，1990）相比較，土壤剖面A、B層的Cd、Pb和zn平均含量均已超過背景值，A層的Cd、Pb和Zn平均含量分別是背景值的1.69、2.41和1.67倍，B層Cd、Pb和Zn平均含量分別是背景值的1.20、1.85和2.10倍；與成土母巖為碎屑巖的土壤相比，A層的Cd、Pb和zn平均含量分別是其5.63、2.49和2.89倍，B層的Cd、Pb和Zn平均含量分別是其7.17、2.30和3.00倍。

2.3土壤風化淋溶強度

硅鋁系數、鋁鐵系數、堿金屬淋溶系數、堿土金屬淋溶系數、鹽基總量淋溶系數等常用來表征表生風化作用的強度（楊元根等，2000；張麗萍等，2001）。由表3可知，研究區土壤以高硅鋁系數、低鹽基總量淋溶系數為特征，表明土壤剖面的Ca、Mg、Na和K等元素活動組分相對于隋性組分Al的淋溶強烈；從土壤剖面A和B層來看，B層的硅鋁系數、鹽基總量淋溶系數小于A層，表明土壤剖面B層的風化淋溶強度高于A層。與成土母巖為碎屑巖相比較，碳酸鹽巖形成土壤過程中風化淋溶程度整體上高于碎屑巖成土。由圖1可知，LOI與Si02含量呈極顯著負相關（P<0.01，下同）（R2=-0.8063），與Al2O3含量呈極顯著正相關（R2=0.7091），與硅鋁系數存在極顯著負相關（R2=-0.8570），與鹽基總量淋溶系數呈顯著負相關（P<0.05）（R2=-0.2923）。

2.4土壤元素的遷移特征

由表4可知，廣西黎塘巖溶區在元素由成土母巖向土壤遷移過程中，土壤剖面A、B層的ca、Mg元素及B層的Cd元素發生了虧損，K小于1.00，其他元素均表現為富集或強烈富集，K均大于1.00。但在相對富集的元素中，K具有明顯差異，土壤剖面A、B層Si、Al、Fe和n元素的K較大，其中，以Si元素的最大，其在A、B層的平均值分別為147.88、144.06，而Na、K和Cd的K相對較小。剖面A層中元素遷移排序為Si>Ti>Fe>AI>Pb>P>Mn>Zn>K>Na>Cd>Mg>Ca；剖面B層中元素遷移排序為Si>Ti>AI>Fe>Pb>Zn>Mn>P>K>Na>Cd>Mg>Ca。綜上所述，剖面A層中Si、Fe、K、P、Mn、Cd、Pb和Ca元素的K大于B層，而Al、Na、Ti、Zn和Mg元素的K小于B層。

3討論

在化學風化過程中，母巖成分對風化過程的速度和強度存在根本性影響（李徐生等，2007），也是導致成土母巖為碳酸鹽巖的土壤與成土母巖為碎屑巖的土壤元素含量、土壤風化淋溶存在差異的原因。巖溶區土壤是碳酸鹽巖長期巖溶地球化學過程中風化殘積和淋溶、淀積而形成（藍芙寧，2004），Ca、Mg的大量淋溶，是成土過程中土下溶蝕作用的結果（蔣忠誠，1997）。本研究中土壤剖面B層風化淋溶強度高于A層，與熊尚發等（2001）的研究結果一致，可能與沉積速率快慢、風化時間長短有關。土壤剖面A層中si、Fe、K、P、Mn、Cd、Pb和Ca元素的K大于B層，表明在成土初期元素富集強烈，隨著成土過程富集系數逐漸變小，Al、Na、Ti、zn和Mg元素的Kd、于B層，反映隨著成土過程深入而不斷加大（陳松等，2013）。A層Ca、Mg與B層Cd的虧損，以及不同元素間K的差異，可能是除了受巖溶作用影響外，還與元素本身的特點有關。LOI與SiO2和Al2O3含量、硅鋁系數、鹽基總量淋溶系數問的相關性，表明LOI可用來表征土壤的風化淋溶強度的指標。

廣西黎塘巖溶區土壤剖面Cd、Pb和Zn平均含量均未超過國家土壤元素二級標準值，但已超過廣西土壤元素背景值及成土母巖為碎屑巖的土壤含量，其中，A層的Cd平均含量與標準值相等，表明鐵錳結核的存在已造成重金屬元素尤其是Cd元素在土壤中積累，具有潛在污染。成土母巖為碳酸鹽巖的土壤偏堿性，富含Ca、Mg元素，有利于Cd的積累（寧曉波等，2009）。土壤組分、有機質、pH、陽離子變換量等諸多因素影響土壤Cd的含量，其中土壤有機質、pH和土壤組分是主要影響因素（羅緒強等，2009；余小芬等，2012）。

4結論

成土母巖為碳酸鹽巖的土壤氧化物、重金屬含量、風化淋溶強度、遷移特征等與成土母巖為碎屑巖的土壤具有差異，鐵錳結核的存在已造成重金屬元素在土壤中的積累并具有潛在污染。