廣西黎塘巖溶區(qū)富含鐵錳結(jié)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(qū)土壤富含鐵錳結(jié)核背景下元素含量與遷移特征，為富含鐵錳結(jié)核土的有效修復(fù)提供理論依據(jù)。[方法]選擇具有代表性的未受農(nóng)業(yè)耕作影響的富含鐵錳結(jié)核土為試驗(yàn)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(duì)照，分層采集剖面A（0-35 cm）、B層（>35 cm）土壤及對(duì)應(yīng)巖石樣品，測(cè)定土壤、巖石氧化物及重金屬元素含量。[結(jié)果]廣西黎塘巖溶區(qū)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(qū)土壤的si02和Fe203含量均低于對(duì)照，而Al2O3、CaO和MgO含量高于對(duì)照。廣西黎塘巖溶區(qū)土壤Cd、Pb和Zn含量順序?yàn)閆n>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(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值。廣西黎塘巖溶區(qū)土壤以高硅鋁系數(shù)、低鹽基總量淋溶系數(shù)為特征，土壤剖面B層風(fēng)化淋溶強(qiáng)度高于AM，風(fēng)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(shù)的相關(guān)系數(shù)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(fā)生了虧損，其他元素均表現(xiàn)為富集或強(qiáng)烈富集。[結(jié)論]成土母巖為碳酸鹽巖的土壤氧化物、重金屬含量、風(fēng)化淋溶強(qiáng)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(jié)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(guān)鍵詞：鐵錳結(jié)核；巖溶；元素遷移；黎塘

0引言

[研究意義]土壤是人類生存環(huán)境中變化最復(fù)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(xué)元素的遷移富集規(guī)律是土壤元素對(duì)環(huán)境條件變化響應(yīng)的表現(xiàn)，不同地區(qū)、不同成因類型的土壤，其元素遷移富集規(guī)律也存在差異（刁桂儀和文啟忠，1999）。巖溶區(qū)特殊的地質(zhì)條件和雨熱同期的氣候特點(diǎn)決定了元素遷移具有其獨(dú)特的特點(diǎn)。廣西黎塘巖溶區(qū)土壤富含鐵錳結(jié)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(jié)核的存在對(duì)土壤理化性質(zhì)（蘇春田等，2008b）、農(nóng)作物質(zhì)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(jié)核土元素遷移特征分析，對(duì)掌握富含鐵錳結(jié)核土元素遷移規(guī)律具有重要意義。[前人研究進(jìn)展]目前已有研究者對(duì)我國(guó)雷瓊地區(qū)（張麗娟等，2012）、遼南地區(qū)（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(qū)的土壤元素遷移進(jìn)行了研究；也有一些針對(duì)巖溶地區(qū)土壤元素遷移的研究。覃星銘等（2010）研究表明，典型農(nóng)業(yè)區(qū)洼地與坡地元素含量、遷移特征等具有顯著差別；藍(lán)芙寧等（2011）對(duì)我國(guó)南方3個(gè)典型石山區(qū)土壤、巖石的研究發(fā)現(xiàn)，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(duì)柳江流域巖溶區(qū)石灰土的研究發(fā)現(xiàn)，大量元素含量在水平方向因遷移富集作用而不同，表現(xiàn)為Si、Al富集，Na、Mg、Ca含量少；尹川等（2014）對(duì)黔北坡面林地的研究發(fā)現(xiàn)，不同元素在坡頂、坡腳富集也具有差異。[本研究切入點(diǎn)]成土母巖是影響土壤元素含量的重要因素，但在巖溶區(qū)土壤富含鐵錳結(jié)核背景下，土壤剖面元素含量及其遷移特征很少被關(guān)注，也未見相關(guān)研究報(bào)道。[擬解決的關(guān)鍵問題]以廣西黎塘巖溶區(qū)富含鐵錳結(jié)核土壤為例，通過對(duì)土壤剖面及巖石的取樣，分析其元素含量、遷移特征、風(fēng)化淋溶特征等，以期為富含鐵錳結(jié)核土的有效修復(fù)和治理提供技術(shù)支撐。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

研究區(qū)屬黎塘鎮(zhèn)行政區(qū)劃，位于廣西中部偏南、賓陽縣東部，東經(jīng)109°02′～109°18′，北緯23°04′～23°20′，屬亞熱帶季風(fēng)氣候。據(jù)賓陽縣氣象站的觀測(cè)資料，研究區(qū)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(fā)量1631.2 mm/年，年平均氣溫20.9℃，太陽輻射強(qiáng)，無霜期332 d。黎塘鎮(zhèn)擁有豐富的農(nóng)業(yè)資源，如蓮藕、蘿卜、淮山、苦瓜等名特優(yōu)產(chǎn)品，是全國(guó)蓮藕主產(chǎn)區(qū)之一（蘇春田等，2008c）。

1.2試驗(yàn)方法

1.2.1樣品采集與測(cè)定 在廣西黎塘地區(qū)橋美、嶺甲等沿公路分布的地帶設(shè)置土壤采樣點(diǎn)，共設(shè)8個(gè)采樣點(diǎn)，成土母巖為碳酸鹽巖。在采樣點(diǎn)內(nèi)開挖長(zhǎng)方形土坑，土坑平面1.0 m×0.6 m，深度0.6-1.2 m，根據(jù)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(duì)照，土壤中偶見鐵錳結(jié)核，對(duì)照點(diǎn)3個(gè)。同時(shí)采集相應(yīng)的巖石樣品，碳酸鹽巖采樣10個(gè)，碎屑巖采樣3個(gè)。樣品由澳實(shí)分析檢測(cè)（廣州）有限公司測(cè)試完成。巖石、土壤微量元素采用等離子體質(zhì)譜法測(cè)定，土壤氧化物采用熒光光譜儀熔融法測(cè)定。

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

土壤遷移采用遷移系數(shù)（陳松等，2013）表示：K=Cn/Cd。其中，助遷移累積系數(shù)，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(duì)積累。

1.3統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel 2016和SPSS 20.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、相關(guān)性分析及制圖。

2結(jié)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(qū)土壤化學(xué)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(duì)穩(wěn)定性，A、B層含量分別為2.01%和2.38%。廣西黎塘巖溶區(qū)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(qū)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(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值（環(huán)境保護(hù)部和國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，2008）相比較，廣西黎塘巖溶區(qū)土壤剖面A、B層的Cd、Pb和zn平均含量均未超過標(biāo)準(zhǔn)值；與廣西土壤元素背景值（中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)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(fēng)化淋溶強(qiáng)度

硅鋁系數(shù)、鋁鐵系數(shù)、堿金屬淋溶系數(shù)、堿土金屬淋溶系數(shù)、鹽基總量淋溶系數(shù)等常用來表征表生風(fēng)化作用的強(qiáng)度（楊元根等，2000；張麗萍等，2001）。由表3可知，研究區(qū)土壤以高硅鋁系數(shù)、低鹽基總量淋溶系數(shù)為特征，表明土壤剖面的Ca、Mg、Na和K等元素活動(dòng)組分相對(duì)于隋性組分Al的淋溶強(qiáng)烈；從土壤剖面A和B層來看，B層的硅鋁系數(shù)、鹽基總量淋溶系數(shù)小于A層，表明土壤剖面B層的風(fēng)化淋溶強(qiáng)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(fēng)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(fù)相關(guān)（P<0.01，下同）（R2=-0.8063），與Al2O3含量呈極顯著正相關(guān)（R2=0.7091），與硅鋁系數(shù)存在極顯著負(fù)相關(guān)（R2=-0.8570），與鹽基總量淋溶系數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)（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(qū)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(fā)生了虧損，K小于1.00，其他元素均表現(xiàn)為富集或強(qiáng)烈富集，K均大于1.00。但在相對(duì)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(duì)較小。剖面A層中元素遷移排序?yàn)镾i>Ti>Fe>AI>Pb>P>Mn>Zn>K>Na>Cd>Mg>Ca；剖面B層中元素遷移排序?yàn)镾i>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(xué)風(fēng)化過程中，母巖成分對(duì)風(fēng)化過程的速度和強(qiáng)度存在根本性影響（李徐生等，2007），也是導(dǎo)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(fēng)化淋溶存在差異的原因。巖溶區(qū)土壤是碳酸鹽巖長(zhǎng)期巖溶地球化學(xué)過程中風(fēng)化殘積和淋溶、淀積而形成（藍(lán)芙寧，2004），Ca、Mg的大量淋溶，是成土過程中土下溶蝕作用的結(jié)果（蔣忠誠(chéng)，1997）。本研究中土壤剖面B層風(fēng)化淋溶強(qiáng)度高于A層，與熊尚發(fā)等（2001）的研究結(jié)果一致，可能與沉積速率快慢、風(fēng)化時(shí)間長(zhǎng)短有關(guān)。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(qiáng)烈，隨著成土過程富集系數(shù)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(diǎn)有關(guān)。LOI與SiO2和Al2O3含量、硅鋁系數(shù)、鹽基總量淋溶系數(shù)問的相關(guān)性，表明LOI可用來表征土壤的風(fēng)化淋溶強(qiáng)度的指標(biāo)。

廣西黎塘巖溶區(qū)土壤剖面Cd、Pb和Zn平均含量均未超過國(guó)家土壤元素二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)值相等，表明鐵錳結(jié)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(jī)質(zhì)、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(jī)質(zhì)、pH和土壤組分是主要影響因素（羅緒強(qiáng)等，2009；余小芬等，2012）。

4結(jié)論

成土母巖為碳酸鹽巖的土壤氧化物、重金屬含量、風(fēng)化淋溶強(qiáng)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(jié)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。