遼東山地冰緣地貌上覆土壤粒度及元素地球化學

劉劍剛, 張 華,2, 朱夏夏, 朱 巖, 何 紅, 劉玉國, 蘭玉波, 王 穎, 馬明軍

(1.遼寧師范大學 城市與環境學院, 遼寧 大連 116029; 2.遼寧師范大學 海洋經濟與可持續發展研究中心,遼寧 大連 116029; 3.遼寧老禿頂子國家級自然保護區管理局, 遼寧 桓仁 117218)

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遼東山地冰緣地貌上覆土壤粒度及元素地球化學

劉劍剛1, 張 華1,2, 朱夏夏1, 朱 巖1, 何 紅1, 劉玉國1, 蘭玉波3, 王 穎3, 馬明軍3

(1.遼寧師范大學 城市與環境學院, 遼寧 大連 116029; 2.遼寧師范大學 海洋經濟與可持續發展研究中心,遼寧 大連 116029; 3.遼寧老禿頂子國家級自然保護區管理局, 遼寧 桓仁 117218)

對遼東山地典型冰緣地貌上覆土壤的粒度、常微量化學元素進行測試分析，結果表明：土壤顆粒組成包括黏粒20.79%、粉粒69.54%和砂粒9.67%，平均粒徑整體偏細，約為6.45Ф，不同土壤類型、地貌類型及坡向的粒度分布存在一定差異。土壤元素化學組成以SiO2(45.60%)，Al2O3(12.90%)，Fe2O3(3.90%)，K2O(2.17%)為主，最大比例可達73.36%。元素Ca，Na，P，Sr顯著淋溶，而Mn，Ti，Cu，Zn則相對富集，其他元素遷移不甚明顯。少數元素還表現出與粒度分布存在顯著關聯，其中K，Na，Sr，Ba多存在于砂質土壤中，而元素Ti則容易在粒度更細致的黏土顆粒中留存。化學風化指數CIA均值約為65.50，Rb/Sr約為0.70，反映風化程度較低，且長期經歷干冷氣候，A—CN—K三角模型表明，研究區土壤風化以脫鈣鈉、富鋁為主，風化水平尚處于低等風化階段中后期。

冰緣地貌; 老禿頂子; 元素地球化學; 粒度; 化學蝕變指數

土壤的化學風化是地表圈層間相互作用的重要方式之一，化學元素的分布和遷移與土壤的發生及演化關系密切，同時，土壤的元素含量及粒度組成對植物群落的演替和生態系統的維持也具有重要意義[1-2]，良好的土壤環境是改善植被生境、降低山地災害的必要條件[3]。遼東山地冰緣地貌廣布，常見碩大礫石的雜亂堆積，其上覆淺薄土壤難成規模，膠結作用微弱，植物根系難以穩固，在暴雨、地震等誘發條件下，容易發生泥石流、山嘯等山地災害，而且植被自然更新緩慢，生態系統一旦遭到破壞便難以恢復[4]。因此，掌握研究區土壤的質地組成，合理利用土壤特性調節林分布局，加快演替進度，促進土壤進程，提高生態系統的穩定性已成為本區水土保持的重要內容。本文以典型冰緣地貌上覆土壤為研究對象，從元素地球化學角度給予初步研究，得到本區土壤特性的一些量化表達，為林業資源的經營管護、山地災害的碎屑源研究及后續相關科考工作提供了有益的數據資料。

1 研究區概況

遼東山地老禿頂子國家級自然保護區(124°41′13″—125°5′15″E，41°11′11″—41°21′34″N)位于遼寧省東部桓仁、新賓兩縣交界處，主峰海拔1 367.3 m，被譽為遼寧第一峰。受白頭山末次冰期影響，發育典型冰緣地貌，土壤類型以棕壤、暗棕壤為典型代表，多由花崗巖殘積母質發育而成。地帶性植被為溫性落葉闊葉林，植物區系屬長白區系西南邊緣，兼有華北植物區系的過渡性。植物多樣性豐富且垂直帶譜明顯，森林覆蓋率達97%，屬典型的北溫帶中山山地森林生態系統。境內氣候類型屬于溫帶大陸性季風濕潤氣候，年平均氣溫6.0℃，年降雨量651～1 315 mm，年平均相對濕度72%，年無霜期139 d[5]。

2 研究方法

于2013年6—7月，在遼東山區老禿頂子國家級自然保護區核心區進行野外調查研究，區分地貌類型并采用樣地法(20 m×30 m)[6]，在不同海拔高度選取45處典型冰緣地貌，囿于上覆土壤沉積厚度普遍很薄，無法做完整剖面取樣，且顆粒無明顯粘連，故根據實際土層厚度取樣0—20 cm不等。凋落物收集采用樣方收獲法(設置0.5 m×0.5 m)[7]，經緯度由易測寶T2 GIS采集器測定，地貌坡度、坡向、海拔高度均從1∶50 000 DEM中提取(圖1)。

圖1 研究區樣地分布情況

3 結果與分析

3.1 土壤粒度

按烏頓—溫德華氏粒級標準，區內土壤顆粒組成主要為黏粒20.79%(<0.004 mm)、粉砂顆粒69.54%(0.004～0.063 mm)和砂顆粒9.67%(0.063～2 mm)。其中黏粒比例介于10.52%～26.85%，標準差為3.74%，后兩者則分別為56.32%～82.35%，1.40%～30.89%，標準差5.17，5.41，變幅稍大，是各樣品粒度分布差異的主要貢獻者。根據海洋地質調查規范中分類命名原則[10]，區內土壤質地可分為：黏土質粉砂、粉砂、砂質粉砂。供試樣品平均粒徑約為6.45Ф(5.41Ф～6.95Ф)，偏度以正偏為主(占55.6%)，峰態介于2.43～4.04，很窄峰(Kg<3.00)占83.3%，反映土壤顆粒整體較細、集中度高，粗粒度端拉長趨勢明顯，但比重很低。對比不同土壤類型，暗棕壤顆粒(平均粒徑約6.48Ф)細于棕壤(6.41Ф)，石海地貌土壤顆粒(6.40Ф)粗于石流坡(6.61Ф)，北坡(6.57Ф)土壤顆粒細于向陽南坡(6.49Ф)。其中石海地貌以灌叢、灌草叢覆蓋為主，覆蓋率高；石流坡則植被覆蓋率較低；石河地貌植被覆蓋優良，以高大喬木為主，林下凋落物量積累程度不高，反映微生物的分解作用顯著。

3.2 土壤元素分布特征

研究區上覆土壤有機質含量較高，常量元素氧化物以SiO2(45.60%)，Al2O3(12.90%)，Fe2O3(3.90%)，K2O(2.17%)為主要組分，合計含量最高可達73.36%，Na2O，MgO，CaO含量較低，分別為1.44%，1.32%，1.14%，MnO，TiO2，P2O5含量均不足1%，各為0.09%，0.60%，0.24%。微量元素氧化物SrO為169.11 μg/g，BaO為484.89 μg/g，CuO為35.22 μg/g，ZnO為109.93 μg/g，Rb2O為115.53 μg/g(圖2)。海拔梯度上，常量元素Ca和Mn含量波動顯著，變異系數達35.05%，37.35%，P元素(C.V.20.00%)含量明顯隨海拔降低呈波動減小，是與針葉林下(石流坡地貌)土壤酸性淋溶有密切關系[11]，Si，Al，Ti變異系數約為10%，變化相對較小；微量元素含量整體波動明顯，變異系數介于19.05%～31.01%，元素Rb，Sr含量變幅相對突出，余者相差不大。此分布形式緣于Rb，Sr，Ca，Mg，Na等都是水溶性較強的元素，易發生淋溶作用，極易在化學風化過程中遷移，Si，Al化學活性比較穩定，在表生環境中不易迅速風化，即使被解析出來，也多轉變為次生黏土礦物存留下來，而Ti，Fe穩定性雖較前者稍差，但不易形成可溶化合物，所以元素含量變化并不顯著。

圖2 常、微量元素氧化物含量及燒失量、pH、凋落物量變化

對供試樣品常微量元素進行上陸殼標準化處理(上陸殼UCC及陸源頁巖PAAS來源于文獻[12])得到圖3：常量元素無論按土壤類型、地貌類型，還是不同坡向，均表現為Mn和Ti高于UCC，Ca，Na，P依次呈低值，其他元素與UCC水平接近。其中Si，Al，Fe等穩定元素的含量比大連七頂山黃土、洛川黃土酸不溶相、鎮江下蜀黃土等都要低[12]，甚至表現出輕微的量虧損。根據pH值測試結果，供試樣品pH值約為4.69(圖2)，說明本區土壤酸性較強，元素整體都發生了不同程度的淋溶。活性元素Ca，Na多存在于碳酸鹽礦物中，在山地小氣候的豐富降雨條件下會因水溶而顯著淋失，微量元素Sr同樣在豐水條件下容易以游離態隨地表水、地下水流失或存在土壤溶液中。而Mn，Ti，Cu，Zn的相對富集一方面在于化學穩定性較好(如Ti不易形成可溶化合物)，另一方面在于植物體在充分利用這些必需元素后，還會以凋落物的形式將元素返還地表，其含量多少及波動狀況與植物量也有一定關系，而且游離的Cu，Mn，Zn也容易附著于有機質及黏土礦物，所以其含量的多少在一定程度上也指示了土壤所受的風化程度。另外，地處較高海拔的暗棕壤元素含量變幅較棕壤更大、海拔較低且植被覆蓋良好的石河地貌常微量元素變幅較小，冰緣遺跡較多的北坡常微量元素比向陽南坡淋失更多、富集更少、元素含量變幅也更小，反映水熱條件差異及植被覆蓋程度對元素的分布存在一定影響，植物體在元素的遷移過程中起到一定的吸收、緩沖作用。

圖3 經上陸殼標準化的常微量元素氧化物含量變化

3.3 化學風化強度

供試土壤樣品CIA介于57.41～70.44，平均值為65.50，其中，介于55～70的樣品占97.8%，對比前人結果[13]，可知本區成土母質來源于黃土和更新世冰川黏土，而礦物多以斜長石風化，轉向伊利石、蒙脫石為主，風化水平不高。另外，對Rb/Sr[14]的計算結果顯示，比值介于0.35～1.54，平均值僅為0.70，指示風化環境以干冷氣候占據主導，暖濕氣候則相對較少。對比暗棕壤(66.98)、棕壤(63.07)，石海(66.50)、石流坡(66.58)、石河(64.29)，山頂(66.50)、北坡(66.13)、南坡(68.02)、東坡(64.37)等不同土壤類型、不同地貌、不同坡向的樣品CIA值，能夠發現較低植被覆蓋率(對應石流坡地貌植被覆蓋)[5]和較高海拔有利于化學風化，尤其是向陽坡風化強度將更大，而且，常微量元素的淋失和富集強度與不同環境下的CIA值變化具有一致性。風化過程中元素的遷移行為，可以通過A-CN-K三角模型來表達，其原理：陸源頁巖(PAAS)是典型的上陸殼(UCC)初級風化產物，UCC指向PAAS的方向代表典型的大陸初期風化趨勢[12]。供試樣品數據點整體排列方向與UCC→PAAS方向一致，供試樣品CIA集中在60～70(83.3%)，小于PAAS(70.36)[15]，但遠高于UCC(47.9)[16]，指示研究區土壤已經過長期低等風化，但尚未超過陸源頁巖的風化程度。其中斜長石礦物大量風化，土壤進程表現出脫鈣鈉、富鋁的主要趨勢，鉀長石礦物比例在此間稍有上升，說明土壤風化水平處于低等風化階段中后期，并將逐漸進入脫鉀、富鋁階段。相對澧陽平原沉積物(74.37)和洛川黃土(63.73)[17]，本區CIA更接近遼南馬蘭黃土(64.14)[12]，說明風化強度與其大體一致，或稍強于地處半島南端的馬蘭黃土，對應的風化環境主要為寒冷、干燥氣候。

圖4 A-CN-K三角圖解

4 討論與結論

研究區冰緣地貌上覆土壤在成土過程中長期經歷干冷環境，鮮有暖濕氣候交替變換，土壤厚度很薄、風化程度尚處于初等階段末期，但自然肥力較強。對燒失量的計算結果(圖2)顯示，本區土壤中有機質含量高達19.54%，此緣于冰緣期的冰凍條件對有機質的積累和冰緣期后[18]溫暖、濕潤氣候導致的氣溫回升、降水增加、地表植被迅速覆蓋。同時，凋落物量也相應增大，約為1 153.37 g/m2(圖2)，這既促進了元素循環，又有利于土壤表層腐殖質的累積，對增強土壤肥力，提高成壤水平起到積極作用[19]。

根據前人研究成果[20]，土壤粒度與元素的分布存在一定的控制關系。對本區土壤粒度和元素的相關分析結果表明(表1)，K，Na，Sr，Ba都呈現出與砂粒顯著正相關，與粉砂顯著負相關(Ba負相關)，表明四種元素多存在于透水較好、粒度稍粗的砂質土壤當中，而當顆粒細至粉砂、甚至到黏粒時，元素含量將隨風化淋溶強度的增大逐漸減小。其中，元素Sr的分布與粒度關系密切，其元素活性強于Ba，吸附能力弱于K，在暖濕環境下的酸性土壤中，容易以Sr2+的游離態存在于土壤溶液中。而同樣顯著淋失的Ca并未與粒度表現出良好的相關關系，是由于淋失后的Ca會以其他化合物形式存留(如膠體沉淀、生物殼體)[21]，元素Ti則因化學性質較穩定，即使經歷較強風化，仍難形成可溶化合物，表現為隨風化程度的加深而逐漸累積。本區土壤粒度與元素的關系特征大體契合了低等風化階段元素的淋失與富集規律。

表1 元素含量與粒度的相關性

注：**表示p=0.01，極顯著相關； *表示p=0.05，顯著相關。

通過不同坡位的元素及粒度特征對比結果，能夠發現影響本區成土進程的主要因素有兩方面：一是水熱條件直接影響土壤形成過程的方向和強度，如溫暖、濕潤的氣候有利于氧化、水解等化學作用的進行。二是植物體對土壤中元素的利用及歸還，不僅促進了物質循環，還通過制造有機質推動了土壤的形成和演化。由此可知，增加植被覆蓋，人為植苗造林(尤其混交林)是改善土壤質量，提高地貌穩定的實際工作需要。另外，淋溶土的肥力下降較快，容易發生水土流失，固土保肥和防止內澇同樣是不可忽視的重要工作。綜上可概括本文結論為：

(1) 遼東山地冰緣地貌上覆土壤粒度組成以粉砂為主，平均粒徑6.45Ф，粒級較為集中且整體顆粒細致，在良好植被覆蓋和向陽坡條件下，土壤粒度表現更粗。元素地球化學組成以SiO2，Al2O3，Fe2O3，K2O為主，活性較強的常、微量元素Ca，Na，P和Sr顯著淋溶，而較穩定元素Mn，Ti和Cu，Zn則相對富集，水熱條件及植被覆蓋對元素的遷移均有影響。

(2) 少數元素與粒度特征存在顯著關聯，元素K，Na，Sr，Ba多存在于透水較好、粒度稍粗的砂質土壤中，其含量變化隨土壤顆粒變細逐漸減小；而穩定元素Ti則易于留存在顆粒更細的黏粒中，其富集量在一定程度上能夠反映本區土壤的風化進程。

(3) CIA指數(57.41～70.44)和Rb/Sr(0.35～1.54)平均值各為65.50，0.70，結合A—CN—K圖解所示，本區土壤長期處于寒冷、干燥的氣候環境，風化水平尚處于低等風化中后期，土壤進程以脫鈣鈉、富鋁為主要趨勢，并將逐漸進入脫鉀、富鋁階段。

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Grain Size and Geochemical Characteristics of Overlying Soil on Periglacial Landforms in Eastern Liaoning

LIU Jiangang1, ZHANG Hua1,2, ZHU Xiaxia1, ZHU Yan1, HE Hong1,LIU Yuguo1, LAN Yubo3, WANG Ying3, MA Mingjun3

(1.SchoolofUrbanandEnvironmentalScience,LiaoningNormalUniversity,Dalian,Liaoning116029,China; 2.CenterforStudiesofMarineEconomyandSustainableDevelopment,LiaoningNormalUniversity,Dalian,Liaoning116029,China; 3.AdministrationofLaotudingziNationalNatureReserve,Huanren,Liaoning117218,China)

The grain-size, major elements and microelements of the overlying soil in the typical periglacial landform in Mt. Laotudingzi have been analyzed. The results showed that most of the soil particles were fine, the mean grain size ranged from 5.41Ф to 6.95Ф with an average of 6.45Ф, and the soil particles were made up of clay (20.79%) and silt (69.54%) and sand (9.67%). The distribution of grain sizes varied in different soils, landforms and aspects. The geochemical composition of soil elements are mainly dominated by SiO2(average value 45.60%), Al2O3(12.90%), Fe2O3(3.90%) and K2O (2.17%), and the total proportion of them may reach up to 73.36%, which indicates that the silicate and aluminosilicate can be found widely in the soil. Under the condition of long-term chemical weathering, the amount of water soluble Ca leaching significantly increased, and it is the same as Na, P, Sr. However, the elements for low chemical reactivity are enriched at the same phase, such as Mn, Ti, Cu and Zn, and the transference of other elements is not obvious. All of the elements have been standardized by UCC. In addition, the correlation between grain-size and a few elements was observed, which could be interpreted that elements such as K, Na, Sr and Ba distributed widely in sandy soil and gradually dropped off in silt soil, while the element Ti was just reverse. The chemical index of alteration (CIA) was widely used as the index ascertaining the degree of chemical weathering, the value here ranged from 57.41 to 70.44 with an average of 65.50. With the addition of value of Rb/Sr, which ranged from 0.35 to 1.54 with an average of 0.70, it was reflected that the soil was slightly weathered and suffered long-term dry and cold climate. The introduction of the diagrammatize of A-CN-K made the research on chemical weathering intensity more direct and intuitive, as was indicated in the graph, the weathering level of samples was at mid-late stage of lower chemical weathering which was characterized by leaching of Na, Ca and enriching of Al.

periglacial landform; Mt. Laotudingzi; element geochemistry; grain size; chemical index of alteration

2015-02-24

2015-05-18

國家自然科學基金項目“遼東山地老禿頂子冰緣地貌植物群落穩定性研究”(41271064)

劉劍剛(1986—),男,吉林松原人,博士研究生,主要研究方向:區域生態與環境研究。E-mail:ljgemail@126.com

張華(1965—),女,山東東明人,教授,博士生導師,主要研究方向:植物地理和恢復生態研究。E-mail:zhanghua0323@sina.com

P595

1005-3409(2015)05-0331-05