遼寧興城地區綏中花崗巖
--棕壤土礦質元素遷移特征

陶景梅,王建國,劉欣玥,韓亞杰, 劉志川

1.吉林大學 博物館，長春 130061；2.吉林大學 地球科學學院，長春 130061

0 引言

遼寧省興城地區，以綏中花崗巖作為成土母質的酸性棕壤土是當地特色土壤類型，生產的花生等大田作物以及蘋果、梨等園林產品具有很高品質，推測與成土母質的物理化學性質相關[1--2]，但一直缺乏深入的研究。因此，研究綏中花崗巖區基巖及成土母質與土壤中礦質元素的相關性特征與遷移規律對于因地制宜地配置農作物產品、指導農業生產具有重要的指導意義[3--4]。

1 成土地質條件

興城市處于遼西地區，大地構造位置為華北克拉通東北緣，燕遼沉降帶和山海關古隆起的構造復合部位[5]。東南為華北斷坳(新生代渤海灣盆地)，北鄰內蒙地軸[5--6]。興城地區新生代以來，隨著渤海灣大陸裂谷盆地的不斷下降，燕山山地抬升，海陸差異性升降，全區處于剝蝕狀態，近海地區和山間溝谷地帶，接受剝蝕物質的堆積[5]。在興城西南沿海至綏中及山海關地區分布著大量的花崗質巖石。其中，大面積分布的綏中花崗巖，又稱綏中片麻雜巖，是遼西地區太古宙的古老地質體[7]，由于剝蝕，這些巖石裸露出地表，遭受風化侵蝕并形成土壤。

成土母巖及母質的類型和特性決定了土壤的形態、物化性質和養分組成，也直接影響土壤的農業生產特性。在興城地區以綏中花崗巖作為成土母質發育形成的耕型酸性巖類棕壤土廣泛分布，面積達到361 km2，主要分布在丘陵緩崗地區。土層厚度30～150 cm，耕層下部為成土母質及母巖。該類耕作土壤土層相對淺薄，但質地疏松，孔隙豐富，通過保持水土等措施，是興城地區特色農作物的優質土壤[8]。

2 樣品采集與分析

2.1 標準剖面的建立與樣本采集

根據母巖、成土母質及土壤發育的空間分布確定以綏中花崗巖為成土母質的棕壤土的典型土壤剖面。在興城市西南的望海鄉，是本區規模最大的太古宙綏中花崗巖分布區，其上發育興城地區典型的以綏中花崗巖為成土母質的耕型酸性棕壤土，也是優質花生作物區。因此，在望海鄉北部建立典型土壤剖面(120°30′33″E，北緯40°25′44″N)。由于耕作，土表顏色變為淺棕或黃棕色，耕作層質地為沙壤，土體礫石含量較多。根據土壤發育特征將土壤層由頂到底劃分為耕作層、心土層、底土層、母質層和基巖層。其中：①耕作層(編號為W--1)：距地表0～15 cm，土壤呈棕黃色，含礫沙質壤土，含有20%～30%的砂及礫石；②心土層(編號為W--2)：距地表15～45 cm，土壤呈棕紅色，作物根系發育，含有約15%的砂粒及礫石；③底土層(編號為W--3)：距地表45～105 cm，土壤中含有較多巖屑和礦物顆粒，約占土體總量的30%；這三層的砂及礫石由大量石英晶屑、少量長石晶屑及花崗巖巖屑構成。④母質層(編號為W--4)：距地表 105～145 cm，有大量的花崗巖巖屑和石英長石礦物顆粒，約占總量的60%以上，以礫石為主，礫徑在2～20 mm不等；⑤基巖(編號為W--5)：距地表145 cm，為碎屑狀二長花崗巖，質地松散，風化嚴重，由石英、長石及黑云母構成。在上述各層位中間部位分別取樣，采回的樣本進行陰干處理。

2.2 土壤礦物顆粒的形態特征

在實驗室進行土壤礦物初選。對各土壤發生層采集的樣品進行詳細的區分與挑選，將原狀土塊剝去四周少許，置燒杯中，加水使之分散。洗凈表面浮沙后烘干，于實體顯微鏡下根據粒度分選出0.5～2 mm較大顆粒礦物和0.1～0.25 mm微小顆粒礦物兩組。較大顆粒礦物在實體顯微鏡下進行觀察，可以觀察到各發生層(母質層、底土層、心土層、耕作層)中的礦物顆粒構成基本一致，都是由大量石英和少量長石組成；石英、長石多呈棱角狀--次棱角狀，少量呈次圓狀，由下至上各發生層中石英、長石礦物自形形態有所下降。

對小顆粒礦物進行背散圖照射及能譜分析。背散射圖照射和能譜分析在吉林大學古生物中心電鏡掃描實驗室采用JSM--6700F發射掃描電鏡進行。根據能譜分析，土壤各發生層中微小礦物顆粒類型基本一致，由石英、鉀長石和鈉長石組成，在底土層發現有伊利石等黏土礦物；背散圖(圖1)顯示，石英礦物由母質層、底土層、心土層及耕作層，其形態由半自形尖棱狀向棱角狀、次棱角狀過渡，在各層中的石英礦物表面都沒有明顯的凹陷痕跡。

(a)耕作層中鈉長石(Ab)；(b)耕作層中石英(Q)；(c)心土層中鉀長石(Kf)；(d)心土層中石英(Q)；(e)底土層中伊利石(Ill)；(f)母質層中鉀長石(Kf)；(g)母質層中石英(Q)。圖1 各采樣層面中掃描電鏡礦物能譜與背散射圖Fig.1 Scanning electron microscope images energy spectra and backscattering in each sampling layer

2.3 巖石與土壤化學

巖石及土壤化學分析由河北省區域地質礦產調查研究所實驗室完成。采用Axios max X射線熒光光譜儀對樣品進行常量元素的分析，用P124S電子分析天平對樣品進行灼失量的分析，用X Serise2電感耦合等離子體質譜儀對微量元素進行測定。耕作層(W--1)、心土層(W--2)、底土層(W--3)、母質層(W--4)及基巖(W--5)主量元素含量見表1，微量與稀土元素含量見表2。

表1 耕作層、心土層、底土層、母質層和基巖主量元素含量

表2 耕作層、心土層、底土層、母質層、基巖微量元素含量

3 討論

3.1 土壤物質來源

由實體顯微鏡及掃描電鏡礦物組成與形態特征的觀察與分析，剖面各采樣層位中碎屑物質、礦物顆粒構成趨于一致，各層中的微小礦物顆粒特別是石英顆粒大部分為棱角狀形態及小顆粒石英表面都沒有明顯凹陷痕跡的特征，說明土壤物質來源為花崗巖類的原地殘積或近地運積[9]。以土壤基巖巖石化學元素為基準，分別對土壤剖面各層土壤化學常量元素和微量元素進行標準化，建立各層土壤化學/基巖巖石化學標準化曲線(圖2)，土壤各發生層的標準曲線具有明顯的相似性，進一步確定研究區的酸性棕壤土及成土母質的物質來源是由綏中花崗巖風化后近地殘積或近地運積形成。

3.2 元素的活性與遷移特征

由研究區各發生層土壤化學標準化曲線可見，各發生層中常量元素除P、Ca、Mg相對較低外，其他元素相對含量與原巖的比值都在0.3以上的水平，其中Si、Fe、K、Mn等常量元素具有明顯高值，分別在1.0、0.6、0.8和0.9以上(圖2a)；研究區土壤中各發生層大部分微量元素都具有較高水平(表2)，這一方面是受到花崗巖類微量元素含量普遍較高的影響(表1)，另一方面是這些微量元素活性相較弱，在風化過程中土壤層對礦質元素繼承較強(圖2b-2d)。

(a)常量元素；(b)、(c)、(d)微量元素。圖2 以綏中花崗巖為基準的棕壤土各發生層土壤化學標準化曲線Fig.2 Standardized curves of each soil layer based on Suizhong granites

為了進一步研究礦質元素的活性與遷移特征，采用穩定性元素Ti作為參照，耕作層、心土層、底土層和母質層中元素的平均值計算樣品中元素的變化率，計算公式為：

Δ(%)=[(XS/IS)/(XP/IP)-1] ×100%

(1)

式中：XS和 IS代表樣品中元素X和參比I元素的含量；XP和IP為上述元素在原始母巖中的含量[10]，各元素變化率如圖3所示。

(a)常量元素;(b)、(c)、(d)微量元素.圖3 綏中花崗巖--棕壤土剖面元素遷移率Fig.3 Elemental migration between Suizhong granites and brunisolic soils

由圖3可知，常量元素在花崗巖風化過程中的活動性與遷移能力有以下順序：P2O5>CaO>Na2O>MgO>Fe2O3>Al2O3>K2O>SiO2>MnO。常量元素中除Mn、Si元素外，其他元素Δ值<0，其中P2O5、CaO、Na2O、MgO等∣Δ∣>50% ，說明發生了顯著的遷移，具有強活動性元素的特征；Fe2O3、Al2O3和K2O的Δ值在-20%～0之間，表明這些元素相對于Ti元素也發生了一定的遷移，元素活動性中等；常量元素中SiO2和MnO相對于Ti元素表現出富集的特征，表明MnO和SiO2相對穩定，是剖面中典型的不活動元素，以淀積為主。Nesbitt 等根據元素活動性順序將化學風化過程劃分為早期去 Na、Ca 階段、中期去K 階段和晚期去 Si 階段[11]。本研究的元素K、Fe與基巖相比，土壤層中保持有較高的水平(圖2a)，母質層的Ca、Mg含量明顯高于其他發生層中的含量(圖2a)。對于花崗巖Ca、Mg主要賦存于易風化的斜長石、角閃石中，在化學風化的初始階段就會遭受強烈的淋濾；Na 賦存在堿性長石和云母類礦物中，在風化過程中伴隨這些礦物的分解而淋失，發生過程更早。一般巖石礦物分解可以分為碎屑階段、鈣淀積階段、酸性硅鋁階段和富鋁化4個階段[12]。常量元素的上述特征以及底土層中伊利石比較發育的現象(圖1e)表明，研究區棕壤土礦物分解處于鈣淀積--酸性硅鋁階段，即綏中花崗巖--棕壤土剖面中的元素的活動性順序表明其化學風化作用過程完成了初步階段的去Ca、Na過程，進入到去K的中級階段[11]。在此序列中，Mn和Si呈現富集的狀態，一是由于Mn是植物生長需要的元素，植物會把這種元素聚集在土壤表層(圖2a)，供自己生長使用[13]，并且Mn元素又容易被黏土礦物、有機質等吸附而富集，能譜分析結果得到的底土層黏土礦物發育也證實了這一點。而Si元素的富集，從棕壤土發生上來看，主要由原巖近地或原地風化殘積石英晶屑，以及在灰化作用過程中土體發生層淋濾淀積富集。

微量元素的計算結果顯示， Cd、Cs、Pr、Y、Tb、Dy、Ho、Th、Ce、Cr、Er、Pb、La、Yb、Tm、Ta、Zr、Lu、Hf等元素的Δ值>0，以富集為主；Nb、Sm、Rb、Gd、Be、Nd元素的|Δ|為0～10%，這些元素相對比較穩定；Sr、Cu、Sc、Zn、U、Ba、V、Ni、Co、Eu、Ga等元素相對于Ti元素的Δ值<0，呈虧損狀態，因此，微量元素在風化過程中活動性較弱，淋失量較小，礦質遷移不明顯。一般而言，巖石風化過程中形成的層狀硅酸鹽類的黏土類，主要陽離子都位于八面體中，其中的過渡族元素的八面體擇位能差別很大，因而形成了不同的微量元素虧損與富集差異明顯的特征[14]，但本研究中微量元素總體上以富集為主；同時，土壤中的稀土元素(如Pr、Dy、Ho、Ce、Er、La、Yb、Tm、 Lu等)顯著富集，表明綏中花崗巖在成土過程中物理風化作用具有更強的優勢；而 Cu、Zn為植物生長必須的微量元素，在土壤中的強淋失特征，可以推測其成土過程植物生命活動微弱[15]。綜上所述，研究區棕壤土礦質元素表現出母巖高物理風化程度和棕壤土對有效元素的高繼承性的特征。這與興城地區新生代以來海陸差異性升降，全區處于剝蝕狀態的新構造活動以及氣候條件相對干旱密切相關。

4 結論

(1)研究區棕壤土各發生層中礦物組成和石英顆粒表面形態以及土壤與基巖的巖石化學特征的相似性表明，研究區的棕壤土物源為母巖風化物的原地殘積或近地運積。

(2)研究區棕壤土礦物分解處于鈣淀積--酸性硅鋁階段，其化學風化作用過程完成了初步階段的去Ca、Na過程，進入到去K的中級階段。

(3)研究區棕壤土各發生層中Si、Fe、K、Mn等常量元素具有明顯高值，稀土元素富集，礦質元素表現為母巖高物理風化程度和棕壤土對有效元素的高繼承性的特征。