黑龍江省哈爾濱-齊齊哈爾地區土壤常量元素地球化學特征初探

尹國良， 張 立， 崔玉軍， 楊文鵬， 王恩寶

(黑龍江省地質調查研究總院，哈爾濱 150036)

0 引言

哈爾濱-齊齊哈爾地區是黑龍江省糧食主產區之一，研究土壤常量元素分布特征對農業生產、農民增收具有重大意義。土壤元素分布與組成主要受成土母質控制，土壤元素的組合特征在一定程度上也能反映成土母質特征[1]。土壤常量元素組合特征目前多被用來分析成土母質和表層土壤之間的關系[2-4 ]，筆者以黑龍江省哈爾濱-齊齊哈爾地區多目標地球化學調查區為研究對象，對該地區土壤常量元素含量及其組合特征、表層土壤常量元素和成土母質常量元素的關系及土壤元素組合特征等進行了初步探討。

1 研究區概況

研究區位于松嫩平原中南部(圖1)。區內地質背景：地層由老到新有古生界泥盆系、二疊系、中生界侏羅系、白堊系及新生界第四系等。新生界第四系占總面積的90%以上，巖性為河湖相沉積物及現代河流松散堆積物。古生界、中生界主要分布于東部山區、半山區，主要巖性為砂板巖、中酸性火山巖及其碎屑巖等，面積不到10%。

侵入巖集中分布于研究區的東部山區、半山區，主要為晚二疊世-早三疊世中酸性侵入巖、晚三疊世-早侏羅世中酸性侵入巖及早白堊世酸性侵入巖。晚三疊世-早侏羅世中酸性侵入巖規模最大，早白堊世酸性侵入巖規模最小。

區內地貌按成因可劃分為侵蝕地貌和堆積地貌兩種類型。侵蝕地貌主要分布在研究區的東部及東南部鐵力、巴彥等地，表現為丘陵地貌；堆積地貌主要分布在哈爾濱市、大慶市、齊齊哈爾市、綏化市一帶,表現為平原地貌[5]。

圖1 研究區范圍圖Fig.1 Location map of the study area

2 樣品采集及分析方法

表層土壤樣品采樣密度為1件/km2，采樣深度為0 cm～20 cm，累計采取表層土壤樣品25 389件；深層樣品為1件/4 km2，采樣深度為150 cm～200 cm，累計采取深層土壤樣品6 428件；樣重為0.5 kg左右，裝袋、風干，用木棒敲碎，過20目篩，混勻；研磨至200目，送實驗室測試分析。樣品分析按多目標區域地球化學調查規范( 1:250 000)[6]執行，由黑龍江省地質礦產局中心實驗室承擔。分析項目54項，筆者從中選取SiO2、Al2O3、TFe2O3、MgO、CaO、Na2O、K2O等7個常量元素開展研究。

3 計算方法

①將研究區表層土壤常量元素與松遼平原、中國東部平原的背景值進行對比[7],研究其含量及分布特征；②研究表層土壤常量元素和深層土壤常量元素之間的關系；③研究不同成土母質區對表層土壤常量元素的影響；④研究表層土壤常量元素間相關關系。

4 統計結果及討論

4.1 元素含量及分布特征

從背景值的對比(表1)可以看出，SiO2質量分數比松遼平原、中國東部平原背景值稍低，Al2O3、TFe2O3、MgO、Na2O質量分數和松遼平原、中國東部平原背景值基本相當，CaO質量分數高于松遼平原、中國東部平原背景值，這是因為研究區存在大面積的黑鈣土所致。在變異系數方面，根據常量元素變異系數分布情況，將元素變異系數劃分為強分異、中等分異、弱分異三個區間，其中變異系數大于75%為強分異元素，75%～35%為中等分異元素，35%以下為弱分異元素。CaO變異系數為81 %，屬于強分異元素，說明Ca元素分異性強，易于富集；MgO變異系數為34.69%，接近中等分異，說明Mg元素分異性中等，比較容易富集；其他元素變異系數均在30%以下，分異性較弱，不易富集。

表1 表層土壤常量元素參數統計

正態分布檢驗(表1)顯示：研究區常量元素均不符合正態分布[8]，K2O、Na2O、CaO 、MgO偏度值大于0.977，屬于正偏態分布，SiO2、Al2O3、TFe2O3的偏度值小于-0.471，為負偏態分布；所有元素峰度值大于0.260，說明常量元素分布形態與正態分布相比較為接近，MgO的峰度為8.974，說明其分布較為集中。

4.2 表層土壤元素來源判斷

深層土壤是形成表層土壤的重要因素，它決定著表層土壤的物理、化學特性，肥力狀況及土層的厚薄、顏色等[9]。深層土壤是成土母質層，受到的人為干擾較少，基本可以代表土壤形成的初始環境[10-11]。因此可以通過表層土壤常量元素和深層土壤常量元素對應關系來判斷前者對后者的繼承性[11-14]，利用二者元素含量比值來推斷表層土壤元素富集或是貧化[15-16]。

研究區內共獲得表層土壤常量元素分析數據及深層土壤常量元素分析對應數據25 389組。

經計算：表、深層土壤常量元素質量分數的相關系數為在0.01雙側水平上顯著相關(表2)；表、深層土壤常量元素相關系數較小，SiO2、MgO、 K2O為弱相關，Al2O3、Na2O、TFe2O3、 CaO為較弱相關。

表2 表、 深層土壤常量元素相關系數

**表示在0.01雙側水平上顯著相關,相關性臨界值為0.010, 統計樣本數為25 389

表3 表層、 深層土壤常量元素質量分數比值

表3顯示：所有常量元素質量分數比值在0.92～1.12之間，表明表層土壤與深層土壤之間富集及貧化作用不明顯；SiO2、Al2O3、K2O、Na2O在表層土壤中的含量均略小于深層土壤，說明上述元素發生了遷移，造成上述元素在表層土壤略有貧化；而TFe2O3、CaO在表層土壤中的含量均大于或等于深層土壤，表明上述元素發生了輕微富集，說明在黑龍江寒冷、半濕潤的氣候及氧化還原條件下，表層土壤常量元素含量發生了輕微的富集和貧化。

4.3 不同成土母質區表層土壤常量元素富集特征

為研究不同成土母質區對表層土壤常量元素的影響，按照成因類型，將成土母質分為多來源子區及原地殘積子區:前者又分為沖積砂礫石區、沖積粘質土區、風成土區、沖洪積黃土狀粘質土區；后者分為鈣質巖殘積物區、砂板巖殘積物區及中酸性巖殘積物區，共七個子區(表4)。

表4 不同成土母質區表層土壤常量元素背景值與全區表層土壤背景值比值

從表4可以看出：SiO2在各類成土母質區中比值變化不大,與全區背景值比值為0.85～1.13，僅在風成土子區中為較高背景，為 1.13，這是因為在風積物中石英碎屑含量較高；在沖洪積黃土狀粘質土區為較低背景，比值為0.85，說明沖洪積黃土狀粘質土的沉積環境以湖相沉積為主，粘土含量較高；Al2O3在各類成土母質區中比值變化不大,與全區背景值比值為0.86～1.05，僅在風成土子區中為低背景，其比值為0.86，這是因為在風積物中長石及粘土含量較低；TFe2O3在各類成土母質區中比值變化不大,與全區背景值比值為0.41～1.16，僅在風成土子區中為低背景，其比值為0.41，這是因為在風積物中粘土含量較低，鐵質往往吸附于粘土礦物上；K2O、Na2O比值在各類成土母質區中比值變化不大,僅在風成土子區中為較高背景，分別為1.24及1.38，這是因為風成土呈堿性反應，pH值為8.1～8.5[9]；CaO 、MgO比值在各類成土母質區中為較低背景，僅在面積最大的沖洪積黃粘土子區中為較高背景，分別為1.15及1.06，是本地區存在大面積黑鈣土及小面積鹽堿地的反映。

表5 不同成土母質區表層土壤常量元素變異系數

原位成土母質SiO2、Al2O3、TFe2O3、Na2O、K2O含量無大的變化；原位成土母質區顯示低CaO。多來源母質區Na2O、K2O、CaO 、MgO均有不同程度的富集。

根據常量元素在不同子區中的變化情況，將元素變異系數仍劃分為強分異、中等分異、弱分異三個區間，其中變異系數大于75%為強分異元素，75%～35%為中等分異元素，35%以下為弱分異元素。

從表5 可以看出:常量元素變異系數在2.88%～87.32%之間，CaO在風成土及沖積粘質土子區中為強分異元素，說明其在上述兩子區中易于富集，CaO除砂板巖子區、鈣質巖子區外，其變異系數仍在69.05%～72.60%，屬于中等分異元素，比較容易富集；這是研究區分布有大面積的黑鈣土的反映；MgO在風成土子區及沖積粘質土子區中屬于中等分異元素，表明MgO在上述二子區中比較容易富集；TFe2O3在風成土子區中屬于中等分異元素，表明TFe2O3在該子區中比較容易富集；其他元素在各子區中變異系數較小，表明其離散程度較小，不易富集。

4.4 表層土壤常量元素間相關關系

對研究區內所有樣品的原始數據進行標準化處理后，利用SPSS統計軟件進行了表層土壤常量元素間相關關系分析，如表6所示。然后進行因子分析，首先得到的Bartlett球度檢驗和KMO檢驗分析結果(表7)。由表7可以看出，KMO檢驗值為0.696，Bartlett球度檢驗統計量為199 625.847，在自由度為21的條件下，概率P值為“0”，因此，通過Bartlett球度檢驗和KMO檢驗表明，本區數據比較適合作因子分析[17]。

表6 表層土壤常量元素間相關關系

表7 KMO檢驗和Bartlet球度檢驗分析表

通過因子分析求出相關系數矩陣的特征值，根據總特征值大于2和方差累計貢獻率大于44%，合理提取公共因子，共提取2個公共因子(表8、表9)。這2個公共因子共解釋了原7種變量總方差的84.467%，且旋轉前后總的累計貢獻率沒有發生明顯變化。這表明總的有效信息量沒有發生明顯變化，因子分析的效果較好。

表8 表層土壤常量元素R型因子分析特征值和累計方差貢獻率

表9表明：SiO2-K2O -CaO -MgO為第一因子組合， 因子載荷系數絕對值都大于0.72 ；Al2O3-TFe2O3-Na2O為第二因子組合， 因子載荷系數都大于0.79。

第一因子反映了土壤母質成份。SiO2主要以石英形式存在于源區的中酸性侵入巖及砂板巖中，穩定性較強，風化后仍以細小石英顆粒形式存在于土壤中[14]。中酸性侵入巖石中鉀長石居多，含鈣的斜長石較少，含鎂的暗色礦物更少，故SiO2與K2O為顯著正相關；與CaO、MgO為顯著負相關。第二因子主要反映了表層土壤的風化物成份及酸堿度，含鋁的長石類礦物多風化為粘土類礦物，由于粘土礦物顆粒極細，對含鐵礦物膠體有較大的吸附性，故Al2O3與TFe2O3為顯著正相關；鈉成鹽后偏堿性，會消耗土壤中的酸性成份，鋁成鹽后偏酸性，會消耗土壤中的堿性成份，故Al2O3與Na2O為顯著負相關。

表9 工作區R型因子分析正交旋轉后的因子載荷矩陣

5 結論

1)研究區表層土壤常量元素質量分數和比松遼平原、中國東部平原背景值相比，SiO2稍低，Al2O3TFe2O3、MgO、Na2O基本相當，CaO則高于松遼平原、中國東部平原背景值。Ca元素分異性較強，較易于富集；Fe、Na、Mg元素分異性中等；SiO2、Al2O3、K2O變異系數較小，分異性很弱。

2)研究區內表、深層土壤常量元素相關系數較小， Al2O3、Na2O、TFe2O3、CaO為較弱相關，SiO2、MgO、K2O為弱相關。表層土壤與深層土壤之間富集及貧化作用不明顯；SiO2、Al2O3、K2O、Na2O在表層土壤略有貧化；TFe2O3、CaO在表層土壤發生了輕微富集。

3)原位成土母質區SiO2、Al2O3、TFe2O3、Na2O、K2O含量無大的變化；原位成土母質區顯示低CaO。多來源母質區Na2O、K2O、CaO、MgO均有不同程度的富集;CaO在大多數子區中易于富集；MgO在風成土子區及沖積粘質土子區中比較容易富集。TFe2O3在風成土子區中比較容易富集。

4)研究區內表層土壤常量元素經因子分析表明：SiO2-K2O-CaO-MgO為第一因子組合， Al2O3-TFe2O3-Na2O為第二因子組合，第一因子反映了土壤母質成份。第二因子主要反映了表層土壤的風化物成份及酸堿度。

參考文獻：

[1] 朱立新，馬生明，周國華，等．沖積平原區土壤元素組成特征及其示蹤作用[J].地質與勘探，2002,38(4):56-59.

ZHU L X, MA S M, ZHOU G H, et al. Characters of soil elements and its tracing application in alluvial plain [J]．Geology and Prospecting，2002,38(4):56-59. (In Chinese)

[2] 趙其國,王振權,劉兆禮. 我國富鋁化土壤發生特性的初步研究[J].土壤學報,1983,20(4):334-345．

ZHAO Q G,WANG Z Q,LIU Z L. Preliminary studies on genetic properties of theallitic soils in china[J]. Acta Pedologlca Sinica，1983,20(4):334-345．(In Chinese)

[3] 李月芬,王冬艷,劉爽,等.琿春中部土壤常量元素地球化學特征[J].世界地質,2008,27(2): 178-182.

LI Y F,WANG D Y,LIU S,et al. Geochemistry of major elements in soil incentral Hunchun of Jilin[J]. Global Geology,2008,27(2): 178-182. (In Chinese)

[4] 黃成敏,龔子同. 海南島北部玄武巖上土壤發生的化學特性研究[J]. 熱帶地理,2001,21(3):207-212.

HUANG C M,GONG Z T. A study on the chemical properties of the soils derived from basalt in northern hainan island[J]. Tropical Geography,2001,21(3):207-212. (In Chinese)

[5] 譚福成.賓縣—延壽地區多目標區域地球化學特征[D]. 長春：吉林大學,2012

TAN F C. Multi-objective geochemical characteristics of Binxian-Yanshou area [D].Changchun:Jilin University, 2012. (In Chinese)

[6] 奚小環,任天祥,陳國光,等.多目標區域地球化學調查規范( 1:250000)[S].北京:中國地質調查局,2005.

XI X H, REN T X, CHEN G G, et al. Specification of multi-purpose regional geochemical survey (1:250 000) [S]. Beijing: China Geological Survey, 2005. (In Chinese)

[7] 遲清華, 鄢明才. 應用地球化學元素豐度數據手冊 [M].北京:地質出版社,2007.

CHI Q H,YAN M C.Handbook of elemental abundance for applied geochemistry [M]. Beijing: Geological Publishing House, Beijing, 2007. (In Chinese)

[8] GB/T4882-2001數據的統計處理和解釋 正態檢驗[S]. 北京:中國標準出版社,2001.

GB/T4882-2001 Statistical interpretation of data—Normalitytests [S]. Beijing: China Standard Press, 2001. (In Chinese)

[9] 何萬云, 張之一,林伯雄.黑龍江土壤[M].北京:農業出版社1992.

HE W Y, ZHANG Z Y, LIN B X. Soil in Heilongjiang province[M]. Beijing: Agriculture Press, China,1992. (In Chinese)

[10] 周國華,馬生明,喻勁松,等. 土壤剖面元素分布及其地質、環境意義 [J].地質與勘探,2002,38(6):70-75

ZHOU G H,MA S M,YU J S,et al. Vertical distribution of elements in soil profiles and their Significance for geological and environmental [J]. Geology and Exploration, 2002, 38(6):70-75. (In Chinese)

[11] 陳國光,梁曉紅,周國華,等.土壤元素污染等級劃分方法及其應用[J].中國地質,2011,38(6):1631-1639.

CHEN G G,LIAN X H,ZHOU G H,et al. Grade division method for soil geochemical contamination and its application [J].Geology in China,2011,38(6):1631-1639. (In Chinese)

[12] 張明,楊忠芳, 陳岳龍,等. 湖南洞庭湖地區中土壤Hg的來源[J].地質通報,2007,26(11):1664-1669

ZHANG M,YANG Z F,CHEN Y L,et al.Source of Hg in soils of the Dongting Lake area,Hunan,China[J]. Geological Bulletin of China,2007,26(11):1664-1669 soil. (In Chinese)

[13] 張明,陳國光,劉紅櫻,等.長江三角洲表層土壤Sn元素的空間分布特征及影響因素 [J].地質通報,2011,30(7):1147-154.

ZHANG M,CHEN G G,LIU H X,et al. Spatial distribution of tin in top soils of Yangtze river delta and influencing factors. Geological Bulletin of China[J]. Geological Bulletin of China, 2011,30(7):1147-154. (In Chinese)

[14] 張明,陳國光,劉紅櫻,等. 長江三角洲地區土壤重金屬含量及其分異特征[J].土壤通報,2012,43(5):1098-1103.

ZHANG M,CHEN G G,LIU H X,et al. Spatial distribution characteristics of heavy metal in soils of Yangtze river delta [J]. Chinese Journal of Soil Science,2012,43(5):1098-1103. (In Chinese)

[15] 廖啟林,金洋,吳新民,等.南京地區土壤元素的人為活動環境富集系數研究[J].中國地質,2005,32(1):141-147.

LIAO Q L,JIN Y,WU X M,et al. Artificial invironmental Concentration coefficients of elements in soils in the Nanjing area [J]. Geology in China,2005,32(1):141-147. (In Chinese)

[16] 孫志國,姚德, 梁宏峰,等. 多金屬結核微層中元素的富集系數特征及其成因[J].海洋地質與第四紀地質,1996,16(2):65-74.

SUN Z G,YAO D,LIANG H F,et al. Characteristics of element concentration coefficient in microlayers of polymetallic nodules [J]. Marine Geology & Quaternary Geology,1996,16(2):65-74. (In Chinese)

[17] 趙少卿,魏俊浩,高翔,等.因子分析在地球化學分區中的應用:以內蒙古石板井地區1∶5萬巖屑地球化學測量數據為例[J].地質科技情報,2012, 31(2):29-30.

ZHAO S Q, WEI J H, GAO X, et al. Factor analysis in the geochemical subdivisions:Taking 1∶5000 debris Geochemical Survey in the Shibanjing area of inner mongolia as an Example[J]. Geological Science and Technology Information, 2012, 31(2):29-30.(In Chinese)