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物探与化探, 2024, 48(3): 597-608 doi: 10.11720/wtyht.2024.1255

地质调查·资源勘查

岷江上游干旱河谷区汶川段风化壳剖面元素地球化学特征

周雪妮,1,2, 曹亚廷1, 计扬1

1.中国地质调查局 军民融合地质调查中心,四川 成都 610036

2.成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室,四川 成都 610059

Element geochemical characteristics of weathering crust profiles of the Wenchuan section in the upper arid valley of the Minjiang River

ZHOU Xue-Ni,1,2, CAO Ya-Ting1, JI Yang1

1. Civil-military Integration Center of Geological Survey, China Geological Survey, Chengdu 610036, China

2. State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China

第一作者: 周雪妮(1991-),女,工程师,从事地质灾害和生态地质研究工作。Email:zhouxueni0309@163.com

责任编辑: 蒋实

收稿日期: 2023-06-9   修回日期: 2023-10-7  

基金资助: 中国地质调查局军民融合地质调查中心项目(DD20220955)

Received: 2023-06-9   Revised: 2023-10-7  

摘要

选择岷江上游干旱河谷区汶川段不同基岩类型的岩石—土壤垂向剖面,开展地球化学测试分析工作,据此研究不同类型风化壳剖面元素垂向分布特征,探究基岩对土壤化学元素含量的影响,并从地质角度出发为该区域农业生产种植和生态环境修复提供建议。风化壳剖面自上而下可划分为腐殖层(A)、淀积层(B)、母质层(C)和基岩层(R),腐殖层中Al、Ca、K、Mg、Fe、Se、Zn、Cu、Cd、Pb均值高于其在全国土壤中的平均值,Si、Na、Mn、Cr、As、Cd、Hg均值低于全国土壤中的平均值。不同基岩风化壳剖面中,除去在基岩中含量较高的元素在所对应的土壤层中含量较高外,相同元素在其余土壤层中含量大致相同。风化剖面由基岩层至腐殖层,化学风化强度逐渐增强,土壤的风化程度普遍高于基岩风化程度。元素含量除继承母岩特征外,还发生了分异,Al、K、Se在腐殖层富集,Na、Fe、Si、Pb、Cu、Zn、Mn、As、Cd、Cr、Hg在淀积层富集,Mg、Ca在母质层富集。

关键词： 干旱河谷; 岩石—土壤; 元素特征; 种植建议

Abstract

This study conducted geochemical tests and analyses for vertical rock-soil profiles with different bedrock types in the Wenchuan section in the upper arid valley of the Minjiang River. Based on the above, this study explored the vertical distributions of elements in these weathering crust profiles to investigate the influence of bedrocks on the contents of chemical elements in soils. From a geological perspective, this study provided proposals for planting in agricultural production and eco-environmental restoration for the study area. The results of this study are as follows: (1) From top to bottom, weathering crust profiles can be divided into four layers: the humus layer (A), the illuvial layer (B), the soil parent material layer (C), and the bedrock layer (R). The humus layers exhibit higher average values of Al, Ca, K, Mg, Fe, Se, Zn, Cu, Cd, and Pb and lower average values of Si, Na, Mn, Cr, As, Cd, and Hg, compared to corresponding national average values in soils; (2) In weathering crust profiles with different bedrock types, except for elements with higher contents in both bedrocks and corresponding soil layers, the same elements manifest similar contents in other soil layers; (3) The chemical weathering intensity increased from the bedrock to the humus layers, with soil weathering degrees generally higher than bedrock weathering degrees; (4) In addition to characteristics inherited from soil parent materials, elements in weathering crust profiles show content differentiation, characterized by enriched Al, K, and Se in humus layers, enriched Na, Fe, Si, Pb, Cu, Zn, Mn, As, Cd, Cr, and Hg in illuvial layers, and enriched Mg and Ca in soil parent material layers.

Keywords： arid valley; rock-soil; elemental characteristic; planting proposal

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周雪妮, 曹亚廷, 计扬. 岷江上游干旱河谷区汶川段风化壳剖面元素地球化学特征[J]. 物探与化探, 2024, 48(3): 597-608 doi:10.11720/wtyht.2024.1255

ZHOU Xue-Ni, CAO Ya-Ting, JI Yang. Element geochemical characteristics of weathering crust profiles of the Wenchuan section in the upper arid valley of the Minjiang River[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2024, 48(3): 597-608 doi:10.11720/wtyht.2024.1255

0 引言

干旱河谷是我国西南地区山地的特殊类型,主要分布于金沙江、怒江、澜沧江和雅砻江的中、下游,大渡河和元江的中游,岷江上游和嘉陵江上游的白水河等河谷区[1],具有干旱少雨、土壤贫瘠、植被稀疏、覆盖度低的特征,在同区域山地垂直带中是生态相对脆弱的地带[2]。岷江上游干旱河谷区汶川段位于龙门山的后缘边界,地质活跃,在“5·12”汶川大地震后,生态脆弱进一步加剧[3]。国家实施的多项重大生态恢复工程在一定程度上缓解了植被退化速度,但岷江上游干旱河谷面积仍在不断增加,其变化速率不断加快[4],生态修复工程仍在持续开展。前人对岷江上游干旱河谷区的研究主要集中在土壤质量[5-6]、植物群落[7-8]、植被恢复[9-10]、生态修复[11]等方面,少有将生态与地质结合研究,而李先琨等[12]认为土壤与地质又有着密切的联系,岩石的化学成分与物理特性影响土壤的性状和元素的丰度,李正积[13]、Bern[14]认为风化过程中岩石性质、矿物组成和化学成分对成土过程产生影响。近几年来,业内主要开展生态地质调查,将地质作用过程和生态空间分布作为整体进行系统性调查研究,寻求生态系统修复的地球系统科学解决方案[15]。本文选择岷江上游干旱河谷区汶川段,选取不同母岩类型的岩石—土壤剖面,开展地球化学测试分析工作,据此研究不同类型风化壳剖面元素垂向分布特征,探究基岩对土壤化学元素含量的影响,为该区域农业生产种植和生态环境修复提供建议。

1 研究区概况

研究区位于岷江上游干旱河谷区域汶川段,主要分布于汶川县雁门乡—草坡乡的岷江干流,以及杂谷脑河汶川县城—龙溪乡段(见图1)。该地区属于暖温带半干旱河谷气候,年均气温14.0 ℃,其中1月份气温最低,平均为4.0 ℃,7、8月份气温最高,平均为23.1 ℃;年平均降水量为500~550 mm,5~9月份降水最多,占全年的73%;年平均蒸发量为1 400~1 500 mm,是降水量的2~3倍,蒸发集中在4~9月,占全年蒸发量的75%左右。

图1

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图1   研究区位置

Fig.1   Location of the study area


岷江上游地处青藏高原中段的川西高原东北边缘,区内山峦绵延,山高谷深,构造发育,茂汶断裂贯穿其中。研究区域岷江两岸以深切河谷地貌为主,海拔1 200~2 000 m,自然坡度一般在25°~60°,土壤类型以褐土、石灰性褐土和棕壤为主。岷江干流汶川段主要岩性为泥盆系月里寨群(Dyl)千枚岩、结晶灰岩和元古宇溦江—晋宁期花岗岩,杂谷脑河汶川段主要岩性为志留系茂县群(Smx)千枚岩。

2 样品采集与分析

2.1 采样点环境特征

研究区域主要以侵蚀深切河谷地貌为主,广泛发育花岗岩、闪长岩、灰岩风化形成的褐土及千枚岩风化形成的棕壤,河谷地带由冲洪积形成。综合考虑地形地貌、成土母质、土壤类型等因素,选取不同母岩类型的岩石—土壤垂向剖面共7条,其中闪长岩剖面1条、花岗岩剖面1条、千枚岩剖面3条、结晶灰岩剖面2条,开展元素含量对比研究。该区域内风化壳结构类型多为A+B+C,少见完整的O+A+E+B+C,此次风化壳样品只采集A、B、C、R层,所选择的7个风化壳剖面(图2)地形地貌、成土母岩、成土母质类型等环境特征见表1。

图2

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图2   采样点剖面分层结构示意

Fig.2   Schematic structure of weathered crust stratification in the sampling site profile


表1   采样剖面基本情况

Table 1  The basic characteristics for the weathering profiles in the study area

剖面号坡度成土母岩成土母质类型土地利用备注
PM0138°闪长岩闪长岩风化残积物+风成黄土果林地为主剖面位于汶川县绵虒镇半坡村,该处第四系松散堆积物较厚,大面积种植李子树。腐殖层为黑灰色壤土,深度0~10 cm;淀积层为棕色壤土,深度10~200 cm;母质层为黄褐色含砾石沙土,深度200~400 cm;基岩微风化、较完整
PM0242°花岗岩花岗岩风化残积物灌木林为主剖面位于汶川县威州镇索桥村,植被主要为灌木胡枝子、少许草。腐殖层为黑灰色壤土,深度0~10 cm;淀积层为棕色壤土,深度10~20 cm;母质层为黄褐色含砾石沙土,深度20~30 cm;基岩微风化、较完整
PM0330°千枚岩风成黄土+千枚岩风化残积物果林地为主剖面位于汶川县威州镇秉里村,该处第四系松散堆积物较厚,坡地改造为阶梯状,种植李子树。腐殖层为黑色壤土,深度0~30 cm;淀积层为黄色含砂砾质壤土,深度30~60 cm;母质层为黄色含砾石壤土,深度60~300 cm;基岩强风化、较破碎
PM0430°千枚岩风成黄土+千枚岩风化残积物果林地为主剖面位于汶川县绵虒镇涂禹山村,大面积种植李子树。腐殖层为黑色壤土,深度0~30 cm;淀积层为红棕色—黄棕色壤土,深度30~100 cm;母质层为黄棕色含砾石沙土,深度100~250 cm;基岩中等风化、较完整
PM0531°千枚岩风成黄土+千枚岩风化残积物草地为主剖面位于汶川县威州镇禹碑岭村,植被主要为草丛、局部灌丛。腐殖层为灰色壤土,深度0~30 cm;淀积层为黄色壤土,深度30~150 cm;母质层为灰黄色壤土,深度150~320 cm;基岩微风化、较完整
PM0626°结晶灰岩风成黄土+结晶灰岩风化残积物果林地为主剖面位于汶川县威州镇禹碑岭村,主要种植李子树,少许核桃树。腐殖层为黑灰色壤土,深度0~10 cm;淀积层为深灰色壤土,深度10~20 cm;母质层为浅灰色粗骨土,深度20~50 cm;基岩中等风化、较完整
PM0755°结晶灰岩风成黄土+结晶灰岩风化残积物果林地为主剖面位于汶川县威州镇禹碑岭村,该点位于半山坡上,主要种植樱桃树。腐殖层为黑灰色壤土,深度0~20 cm;淀积层为棕色壤土,深度20~120 cm;母质层为黄褐色含砾石沙土,深度120~400 cm;基岩中等风化、较完整

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2.2 样品采集

在自然剖面露头上,向里开挖露出新鲜凹面并进行样品分层采集。腐殖层采样深度为0~20 cm,由4~6个子样等量混合组成1件样品,将采集的各子样点的土壤掰碎,挑出根系、秸秆、石块、虫体等杂物,充分混合后留取1.0~1.5 kg装入样品袋并编号。淀积层和母质层在各层顶部、中部和下部采集4~6个子样,充分混合后留取1.0~1.5 kg装入样品袋并编号。选择风化程度较低的基岩露头,若剖面层中基岩未见出露,则采集临近处出露的同一岩性基岩,用散落的岩石敲击基岩露出新鲜面,采集样品块1.0~1.5 kg装入样品袋并编号。共采集土壤样品21件(腐殖层样品7件、淀积层样品7件、母质层样品7件),岩石样品7件。样品运回实验室后,将其进行晾晒、风干、称重,上鄂式破碎机粗碎,后称重(粗碎损失率≤3%,粒度≤10 mm),依次上辊式破碎机中碎(粒度≤2 mm)、圆盘粉碎机再次中碎(粒度≤40目),整个中碎过程样品损失率≤5%。然后进行缩分(缩分误差≤3%),按照样品质量1 kg以下直接称重正留粗副样,其余按照1~2 kg缩分1次,2~4 kg缩分2次,缩分后多余样品经3%的重复抽查后待弃,其余正样再上棒磨机细碎(损失率<7%,粒度200目),最后送至实验室进行分析。

2.3 样品测试

本次研究共选择了16项指标(Al2O3、CaO、K2O、MgO、Na2O、TFe2O3、SiO2、Mn、Zn、Se、Cu、Cr、As、Hg、Cd、Pb),对28件样品(土壤样21件,岩石样7件)进行测试分析,土壤样品和岩石样品检测由中国地质调查局军民融合地质调查中心分析测试实验室完成,严格参照《地质矿产实验室测试质量管理规范》(DZ/T 0130—2006)[16]和《多目标区域地球化学调查规范(1∶250 000)》(DZ/T 0258—2014)[17]等标准规范对样品准确度、精密度、报出率、重复性检验和异常点重复性检验等指标进行内部质量监控,准确度采用ΔlgC=|lgCi-lgCs|检验,精密度采用RD%=100×|C1-C2|/(C1+C2)检验,指标都满足或优于相关要求。其中,Al2O3、CaO、K2O、MgO、Na2O、TFe2O3、SiO2、Mn、Cr采用X射线荧光光谱仪测定,Se、As、Hg采用原子荧光分光光度计法,Cd采用等离子体质谱仪法,Zn、Pb、Cu采用等离子体光谱仪法。

3 测试结果

3.1 常量元素含量特征

由7个岩石样品分析测试结果可知,花岗岩中Si、Al、K、Na元素含量最高,K2O含量达4.44%、Na2O含量达3.69%,是灰岩的10倍;千枚岩富集Al、K、Mg,Al2O3含量达20.54%,远高于结晶灰岩,Mg含量高于花岗岩;灰岩主要成分为碳酸钙,基岩中CaO含量较高,达41.42%,是花岗岩和千枚岩的几十倍,但灰岩Al、K、Na含量偏低,Na2O含量小于0.30%。21件土壤样品元素含量平均值见表2,剖面常量元素的平均含量从高到低依次为SiO2(47.78%)>CaO(14.25%)>Al2O3(12.11%)>Fe2O3(4.96%)>MgO(2.91%)>K2O(2.82%)>Na2O(0.98%)。与中国土壤元素值相比(图3),剖面土壤样品贫化Na、Si、Al,富集Ca、Mg、Fe;与元江和金沙江干旱河谷区局部区域土壤元素值相比,剖面土壤样品贫化Na、Si,富集Mg、Fe。

表2   风化壳剖面中常量元素含量及风化程度指数

Table 2  Macronutrient content and weathering index in weathered crust profiles

剖面号岩性采样层位Al2O3CaOK2OMgONa2OTFe2O3SiO2CIANa/Kba
PM01闪长岩腐殖层14.043.832.972.391.216.0856.9166.090.621.30
淀积层12.0210.342.792.400.984.8351.3565.780.532.45
母质层11.6210.412.462.691.355.2151.0462.040.832.63
基岩层12.040.483.920.263.991.4476.6054.361.55-
PM02花岗岩腐殖层11.585.403.393.791.847.9450.6854.330.822.25
淀积层12.504.692.283.362.637.3355.2952.911.751.91
母质层11.645.673.674.561.398.8749.3957.640.582.41
基岩层12.080.434.440.313.691.1276.4850.861.26-
PM03千枚岩腐殖层14.5812.783.271.950.815.0148.3870.120.382.26
淀积层11.1611.482.933.261.054.4149.6862.720.543.0
母质层12.8317.583.082.270.694.2543.6169.570.343.28
基岩层18.550.352.561.140.367.0363.8782.230.21-
PM04千枚岩腐殖层15.102.882.622.061.046.1558.1470.680.600.99
淀积层15.342.482.912.461.166.6357.4568.740.611.03
母质层13.179.093.022.251.024.8952.3266.500.512.06
基岩层19.890.654.052.621.007.7358.1469.580.38-
PM05千枚岩腐殖层16.444.154.342.770.936.4851.7567.910.331.26
淀积层15.594.604.132.711.056.4753.1266.270.391.37
母质层14.0510.013.922.550.975.2350.1865.360.382.17
基岩层20.540.204.532.981.427.9656.2672.950.48-
PM06结晶灰岩腐殖层10.0427.332.183.380.462.7639.2672.130.326.11
淀积层9.8018.852.473.260.323.1445.1272.410.204.67
母质层3.8147.050.986.200.170.925.0270.130.2626.92
基岩层2.7340.020.231.76<0.31.2221.768.831.98-
PM07结晶灰岩腐殖层11.2924.262.302.260.533.1041.2672.700.354.71
淀积层10.4527.242.132.400.502.7640.6672.540.365.61
母质层7.2939.031.372.180.411.7932.7572.020.4510.78
基岩层2.2541.420.512.18<0.301.71<19.0059.380.89-
土壤样品平均值12.1114.252.822.910.984.9647.7866.600.534.25
中国土壤元素值[18]12.63.22.51.81.63.465.061.230.971.25
元江干旱河谷区局部
区域土壤元素值[19]		15.00-3.320.462.613.4470.25-1.19-
金沙江干旱河谷区局部
区域土壤元素值[19]		12.50-3.390.320.903.3173.14-0.40-

注:常量元素含量单位为%。CIA=[Al2O3/(Al2O3+K2O+Na2O+CaO*)]×100,式中氧化物为摩尔质量百分比,CaO*是硅酸盐矿物中的Ca含量,不包括碳酸盐和磷酸盐等矿物中结合的Ca[20]。由于在实验过程中,很难精确地分离样品中的硅酸盐矿物,本文采用校正方法[21]:若土壤或沉积物样品中CaO的摩尔数小于Na2O的摩尔数,则CaO*=CaO;若土壤或沉积物样品中CaO的摩尔数大于Na2O的摩尔数,则CaO*=Na2O。ba:土壤风化淋溶系数,ba=[(K2O+Na2O+CaO+MgO)/Al2O3][22],式中分子式均为氧化物分子摩尔数。Na/K:钠钾比,Na/K=Na2O/K2O,式中分子式均为氧化物分子摩尔数,下文同。“-”表示无数据。

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图3

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图3   常量元素曲线

Fig.3   Constant element curve chart


3.2 微量元素和重金属元素含量特征

闪长岩、花岗岩和千枚岩基岩中微量元素和重金属元素含量整体高于结晶灰岩,千枚岩Se、Zn、Cr、Pb含量高,闪长岩Cu含量较高,结晶灰岩As含量高。研究区土壤微量元素和重金属含量如表3所示,Se、Mn、Zn、Cu、As、Cd、Cr、Hg、Pb的含量范围分别为(0.09~0.73)×10-6、(151~1269)×10-6、(51.2~176.0)×10-6、(15.7~90.4)×10-6、(1.16~17.70)×10-6、(0.08~0.66)×10-6、(45.8~90.1)×10-6、(0.01~0.090)×10-6、(17.2~33.6)×10-6,平均值为0.25×10-6、603.29×10-6、7.86×10-6、36.69×10-6、10.67×10-6、0.24×10-6、67.85×10-6、0.04×10-6、27.01×10-6。从大到小依次为:Mn>Cr>Cu>Pb>As>Zn>Se>Cd>Hg。与全国土壤元素背景值相比较,7个土壤剖面Se、Zn、Cu、Cd、Pb含量平均值总体高于全国土壤平均值,Cd含量平均值为6.90×10-6,是全国土壤平均值的几十倍。对比不同剖面土壤微量元素平均值可以发现,成土母岩为花岗岩的PM02多种微量元素均高于其他剖面,且Zn、Cu含量为全国土壤平均值的两倍,Cd值达全国土壤平均值的5倍,成土母岩为千枚岩的土壤Cr含量较高;不同基岩所发育的土壤,微量元素和重金属元素含量差异较大。

表3   风化壳剖面中微量元素和重金属元素含量

Table 3  Trace element content and heavy element content in weathering crust profiles 10-6

剖面号岩性采样层位SeMnZnCuAsCdCrHgPb
PM01闪长岩腐殖层0.2089381.934.917.700.1879.00.0230.1
淀积层0.1667874.235.916.000.2163.40.0426.5
母质层0.1272169.228.011.100.1766.90.0222.9
基岩层0.09162676.0697.919.20.760.08697.1<0.00216.2
PM02花岗岩腐殖层0.14988112.090.44.260.2656.20.0225.3
淀积层0.191269176.077.53.820.4954.20.06340.1
母质层0.1741891.923.15.000.6133.8<0.00519.4
基岩层0.0524014.0835.54.160.330.07915.5<0.00218.40
PM03千枚岩腐殖层0.1750384.818.914.500.1070.80.0125.4
淀积层0.1763270.528.515.000.1961.60.0224.9
母质层0.1246675.814.212.500.0861.20.0222.2
基岩层0.1772042.2597.217.613.600.033122.0<0.00254.00
PM04千枚岩腐殖层0.1753073.630.514.900.0984.30.0632.4
淀积层0.1470079.437.117.500.1390.10.0633.6
母质层0.1443366.828.012.400.1064.80.0327.9
基岩层0.0741056.34129.042.14.08<0.0296.8<0.00220.6
PM05千枚岩腐殖层0.09661101.035.51.160.0989.8<0.00533.0
淀积层0.10671102.043.71.160.0881.80.0132.5
母质层0.1258486.931.41.760.0969.4<0.00528.0
基岩层0.0565070.42139.030.9<0.02<0.02124.0<0.00224.50
PM06结晶灰岩腐殖层0.3821251.215.711.100.4348.20.06319.6
淀积层0.17151102.030.79.990.6672.50.09118.9
母质层0.2014832.45.796.680.5420.50.02310.4
基岩层0.03723239.416.41.570.740.0219.98<0.0023.46
PM07结晶灰岩腐殖层0.6928264.818.311.600.2552.20.0418.7
淀积层0.7327656.716.110.700.2645.80.0417.2
母质层0.3123740.19.63.990.2329.80.01910.9
基岩层0.07340281.7019.42.741.740.03916.4<0.0028.24
全国土壤平均值[23]0.206006824100.09650.0423

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根据土地利用类型及土壤pH值,依据《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618—2018)标准值,计算单项污染指数(Pi),直接反映超标倍数和污染程度:

Pi=Ci/Si,

式中:Ci是土壤中污染物i的实测浓度;Si是污染物i的评价标准;Pi≤1时,表示土壤未受污染,Pi>1时,表示土壤受到污染。P值越高,污染越严重[24]。

研究区土壤单元素污染指数结果表明(图4),仅PM02剖面的Cu含量与PM06剖面的Cd含量超标,该地区土壤重金属污染并不严重。以土壤重金属平均含量的最大值与最小值的比值(K)来反映不同母质发育的土壤重金属含量的差异性,结果显示研究区不同母质重金属含量差异性从高到低依次为As>Hg>Cd>Pb>Cr,不同母质发育的土壤中As平均含量从高到低依次为闪长岩>千枚岩>结晶灰岩>花岗岩,Hg平均含量依次为结晶灰岩>花岗岩>千枚岩>闪长岩,Cd平均含量依次为结晶灰岩>花岗岩>闪长岩>千枚岩,Pb平均含量依次为花岗岩>千枚岩>闪长岩>结晶灰岩,Cr平均含量依次为千枚岩>闪长岩>花岗岩>结晶灰岩。

图4

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图4   土壤重金属元素污染指数分布

Fig.4   Soil heavy metal pollution index distribution


4 讨论

4.1 剖面化学风化程度特征

化学蚀变指数(CIA)、钠钾比(Na/K)、风化淋溶系数(ba)等分子比率能够反映成土因素对土壤发育的影响大小。对土壤元素的分析,能够表明成土过程中土壤化学性质的演变过程与情况[25]。

化学蚀变指数(CIA)是判断化学风化程度的重要指标,有效地指示样品中长石风化成黏土矿物的程度,化学风化越强,则CIA值越大[23],一般来说,CIA值介于50~65之间,反映寒冷干燥气候条件下低等的化学风化程度;CIA值介于65~85之间,反映温暖、湿润条件下中等的化学风化程度;CIA值介于85~100,反映气候环境的炎热、潮湿条件下强风化程度[26]。研究区PM02剖面花岗岩风化壳剖面CIA值介于50~65之间,其余CIA值多数介于65~75间。花岗岩形成的山体坡度较陡,成土母质为花岗岩风化残积物,主要为原位风化产物,反映为寒冷干燥气候条件下低等的化学风化程度;而千枚岩和结晶灰岩剖面CIA值反映成壤时期为温暖湿润的气候,化学风化达到中等程度,与当前岷江上游干旱河谷区气候条件不符。由图2可知,PM03~PM07风化壳剖面成土母质为基岩风化物+风成黄土,苟明忠等[27]、彭东等[28]分别对九寨沟地区黄土和茂县营盘山黄土理化性质进行研究,指出岷江上游干旱河谷区在全新世中晚期曾出现相对温暖湿润的气候特征,推测CIA值高与成土母质中黄土含量占比有较大关系。由风化壳化学元素垂向含量值得出,腐殖层风化程度高于母质层风化程度,且风化壳由下到上,CIA值不断增大,土壤的风化程度普遍高于基岩风化程度,与李徐生等[29]认识相同,即越靠近剖面顶部,岩石风化程度越深,CIA值越大的风化规律。对比不同剖面的CIA值得出,花岗岩成土母岩的化学蚀变指数明显低于千枚岩成土母质和结晶灰岩成土母质,说明成土过程中花岗岩类的风化程度较低,可能与花岗岩抗风化能力强相关。

Na/K是衡量样品中斜长石风化程度的指标,同样可以用于表征堆积物的化学风化程度[24]。将CIA值以及Na/K比值投点到坐标系中(图5),风化壳剖面的Na/K比与CIA指数的变化特征呈明显的负相关关系(相关系数R=-0.64,p<0.05);Na/K比值指示的各层沉积物的风化强度变化为:从C层→B层→A层,Na/K比值依次降低,指示的化学风化强度依次增强,这与CIA值揭示的情况也完全吻合。

图5

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图5   风化壳剖面CIA值与Na/K值关系散点图

Fig.5   Scatter plot of CIA values versus Na/K values for weathered crust profiles


ba用于指示土壤形成过程中易溶元素的淋溶迁移程度,反映盐基的淋溶状况,值越小表示土壤淋溶作用越强。风化壳ba值均呈现出腐殖层<淀积层<母质层的关系,表现出从母质层向上到腐殖层,风化淋溶系数呈降低的趋势,表明化学风化程度逐渐增强。腐殖层和淀积层ba值较小,反映出研究区风化壳剖面的上部随风化的进行,Ca、Na、K和Mg等活性组分相对于惰性组分Al淋失强烈[30]。

4.2 常量元素垂向分布特征

不同母岩土壤剖面中,除去在母岩中含量较高的元素在所对应的土壤层中含量较高外,土壤层其他元素含量大致相同,说明不同母岩风化成土过程中相同元素含量趋向一致。郝立波等[31]认为相同元素会自发地由化学位较高地段向较低地段迁移,直到化学位相等为止,从而导致土壤元素出现“均一化”现象。相同母岩剖面中,土壤层、母质层、基岩层元素分布具有一定的相似性,土壤元素分布曲线与岩石的分布曲线基本一致(图6)。结晶灰岩含Ca含量高,所对应的母质层与土壤层中Ca含量也高,说明成土母岩地球化学组成对土壤常量元素的含量具有控制作用。

图6

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图6   岷江上游干旱河谷区汶川段风化壳剖面常量元素分布

Fig.6   Distribution of macronutrients in weathered crust profiles in the Wenchuan section of the upper Minjiang arid valley


但是同一岩性风化壳剖面不同层位的常量元素含量差异较大(图6)。岩浆岩发育的土壤剖面中,K2O、Na2O、SiO2含量均在基岩层最高;千枚岩发育的土壤剖面中,Al2O3、K2O、MgO、TFe2O3、SiO2含量大多在基岩层最高,CaO含量在母质层高、Na2O含量在淀积层高;结晶灰岩发育的土壤剖面中,土壤中常量元素含量均高于基岩,相对于基岩均发生了富集。

由风化壳剖面常量元素含量随深度的变化趋势(图7)可以看出,不同元素的贫化和富集存在差异。SiO2在淀积层含量较高,仅次于基岩层,这可能与降雨淋滤作用有关,表层土壤中细粒矿物随地表径流淋失或随雨水下渗迁移,抗风化的石英颗粒也随之流入土壤深部,造成淀积层中SiO2含量高。同一元素在不同母岩类型剖面中富集层位也存在差异,花岗岩剖面中Fe3+在母质层富集,因花岗岩中Fe2+含量高,Fe2+主要赋存在花岗岩的黑云母矿物中,在表生环境中,黑云母较不稳定且容易被风化,在风化过程中Fe2+易被氧化为Fe3+,使得花岗岩风化壳中母质层Fe3+含量较基岩层中增加[30]。

图7

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图7   风化壳剖面常量元素含量随深度变化

Fig.7   Variation of macronutrient content with depth in weathered crust profiles


另外,地形、地貌对元素迁移也存在影响。相对于陡坡区域,缓坡区域土壤淋滤作用显著。CaO从基岩层到母质层、腐殖层到母质层逐渐增加,表现为母质层富集;而在陡坡坡面,CaO在土壤垂向剖面上含量值变化不大;Al在缓坡地带更易出现土壤表层富集。

4.3 微量元素和重金属元素垂向分布特征

在岩石风化过程中,风化壳剖面上的微量元素和重金属元素发生迁移,表现出不同的分布特征(图8)。除去Mn,其余元素均表现出土壤层中的含量大于基岩层中的含量,说明在风化过程中产生富集;相同元素在不同的岩性风化壳剖面中的含量存在差异,但元素含量随深度变化趋势较为相似。Se含量在表层高,向深部逐渐降低到一定深度后趋于稳定;Mn、Zn、Cu、Pb由腐殖层至淀积层含量增加,随后向深部减少,Mn、Zn含量基岩层高于母质层,而Cu、Pb含量基岩层低于母质层;As、Cd、Cr、Hg由腐殖层至淀积层表现出富集,淀积层至基岩层表现出亏损。相对于其余重金属元素,Pb在风化壳垂向上变化幅度较小,研究表明土壤中蒙脱石、伊利石和高岭石等黏土矿物对Pb的吸附力大,因而使得Pb在土壤中的迁移力较弱[32]。

图8

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图8   风化壳剖面重金属元素含量随深度变化

Fig.8   Variation of heavy elemental content with depth in weathered crust profiles


Mn、Zn、Cu、As、Cd、Cr、Hg、Pb与图6所示的常量元素Na2O、TFe2O3、SiO2变化趋势类似。王海荣等[33]对广东花岗岩土柱剖面的研究发现,微量元素和重金属元素的地球化学行为受常量元素的控制,表示As、Pb、Cd、Zn含量与Fe的含量呈现很好的相关性。本次7个土壤剖面中Zn、Cu、As、Cd、Cr、Hg、Pb与TFe2O3的相关系数见表4,Zn、Cu、Cr、Pb含量与全铁含量具有显著正相关性,说明这些元素的含量主要受常量元素Fe的控制,Pb、Zn、Cu之间具有显著正相关性,表现这些元素在土壤剖面的分布形态上具有较好的相似性。

表4   土壤元素相关系数(n=21)

Table 4  Soil element correlation coefficients (n=21)

元素ZnCuAsCdCrHgPbTFe2O3
Zn1
Cu0.809**1
As-0.330-0.2681
Cd0.1330.006-0.2001
Cr0.3570.3030.256-0.584**1
Hg0.2610.1070.1380.583*0.1701
Pb0.721**0.642**0.035-0.4080.761**0.1531
TFe2O30.704**0.687**-0.145-0.1510.461*-0.0350.727**1

注:“*”表示在0.05级别(双尾)相关性显著;“**”表示在0.01级别(双尾)相关性显著。

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4.4 不同元素含量随深度的变化特征

结合学者对土壤元素在垂向上分布的研究,将区内16种地球化学指标在风化壳垂向剖面上的分布进行分类(图9):①“K”型,元素含量在腐殖层含量高,向深部含量逐渐降低,基岩层含量增加,如Al2O3、K2O;②“S”型,元素在腐殖层含量高,随深度向下在淀积层降低,在母质层含量增高,基岩层含量减少,如CaO、MgO;③反“S”型,与“S”型相反,元素在腐殖层含量低,随深度向下淀积层增加,在母质层含量减少,基岩层含量增加,如Na2O、TFe2O3、SiO2、Pb、Cu、Zn、Mn、As、Cd、Cr、Hg;④直线形,在风化壳坡面上,元素含量在表层高,向深部逐渐降低,如Se。

图9

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图9   元素在风化壳垂向剖面中的4种分布类型示意

Fig.9   Map of the four types of distribution of elements in the vertical profile of weathered crusts


4.5 不同岩性风化作用产生的生态环境效应分析

基岩风化过程中伴随的养分元素迁移会影响表层土壤的养分状况,基岩地球化学组成对土壤常量元素的含量具有控制作用,进而基岩类型直接影响土壤养分状况。结晶灰岩富CaO,腐殖层CaO含量平均值为25.80%,参照土壤养分指标等级划分标准[34],处于一等(丰富)等级。闪长岩、花岗岩、千枚岩基岩中CaO含量相对较低,腐殖层CaO含量值为2.88%~12.78%,平均值5.60%,仅处于二等(较丰富)等级。花岗岩、千枚岩富K2O,腐殖层K2O含量值为2.62%~4.34%,均高于全国土壤K2O含量均值(2.50%),养分指标处于三等(中等)等级;结晶灰岩基岩中K2O含量较低为0.37%,腐殖层K2O含量均值为2.24%,低于全国土壤K2O含量均值,分指标处于四等(较缺乏)等级。养分元素K、Ca在风化过程中因母岩类型差异导致相同元素在不同母岩类型的腐殖层含量不同,直接影响表层土壤的营养状况。建议在基岩风化区开展边坡复绿、农业种植时,应当考虑母岩对土壤元素地球化学的影响,根据母岩类型的不同适量补充肥料,以满足相关作物的生长需要。

研究区仅零星地带出现重金属污染,土壤重金属污染并不严重。重金属元素在剖面中含量均较低,较为安全,风化过程中元素的迁移对研究区土壤环境产生的风险较低。但闪长岩、花岗岩发育的土壤重金属元素含量稍高于结晶灰岩和千枚岩所发育的土壤,不同母质类型重金属元素含量差异较大。

基岩风化过程中元素的迁移对周边地区生态环境产生一定的影响。基岩的风化淋滤作用使元素出现淋失亏损和富集,直接影响土壤元素含量。只有充分理解基岩风化过程中元素的迁移行为,才能更好地指导该地区农业生产种植和生态环境修复。

5 结论

1)土壤中Al、Ca、K、Mg、Fe、Se、Zn、Cu、Cd、Pb均值高于全国土壤平均值,Si、Na、Mn、Cr、As、Cd、Hg均值低于全国土壤平均值。不同母岩风化壳剖面中,除去在基岩中含量较高的元素在所对应的土壤层中含量较高外,相同元素在土壤层元素含量大致相同。风化剖面由基岩层至腐殖层,化学风化强度增强,土壤的风化程度普遍高于基岩风化程度。

2)元素含量除继承母岩特征外,还发生了分异,Al、K、Se在腐殖层富集,Na、Fe、Si、Pb、Cu、Zn、Mn、As、Cd、Cr、Hg在淀积层富集,Mg、Ca在母质层富集。

3)养分元素K、Ca在风化过程中因母岩类型差异导致相同元素在不同母岩类型的腐殖层含量不同,直接影响表层土壤的营养状况。建议在基岩风化区开展边坡复绿、农业种植时,应当考虑母岩对土壤元素地球化学的影响,根据母岩类型的不同适量补充肥料,以满足相关作物的生长需要。

致谢

本文数据来源于项目“岷江上游干旱河谷区生态保护修复支撑调查”(DD20220955),感谢项目组成员在图件制作、数据整理方面提供的帮助。同时感谢审稿专家及编辑部对本文提出的宝贵意见。

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中国西南干旱河谷植被是我国西南横断山区特有的植被类型, 目前关于西南干旱河谷植被还没有整体性的群落类型划分研究。根据对甘肃、四川、云南三省九条主要河流的干旱河谷段野外调查和文献来源的1,339个植物群落样方数据, 采用自适应仿射传播聚类方法, 对我国西南干旱河谷的植物群落进行数量分类, 并采用典范对应分析方法进行排序分析。结果表明: (1)调查样方的植物群落分为7个植被型(稀树草原、肉质灌丛、常绿阔叶灌丛、暖性落叶阔叶灌丛、常绿硬叶林、落叶阔叶林和暖性针叶林), 24个群系, 31个群丛类型。暖性落叶阔叶灌丛是本植被区的代表性植被类型; 分布最广的群系为鞍叶羊蹄甲灌丛(Form. Bauhinia brachycarpa, 样方比例50.9%)、黄茅灌草丛(Form. Heteropogon contortus, 样方比例11.9%)、孔颖草灌草丛(Form. Bothriochloa pertusa, 样方比例5.6%)、黄荆灌丛(Form. Vitex negundo, 样方比例4.2%)、知风草灌草丛(Form. Eragrostis ferruginea, 样方比例3.8%)、车桑子灌丛(Form. Dodonaea viscosa, 样方比例3.4%)、云南松疏林(Form. Pinus yunnanensis, 样方比例3.3%)。(2)冬季低温和降水的季节性是限制干旱河谷植物群落分布的主要气候因子。稀树草原、肉质灌丛是典型的干热河谷植被类型; 暖性落叶阔叶灌丛、常绿硬叶林、常绿阔叶灌丛是干暖河谷植被的优势类型; 暖性针叶林、落叶阔叶林则主要在干温河谷环境占优势。

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The vegetation in dry valleys of Southwest China is characterized by unique vegetation type. Based on plant community sample data (1,339 plots) collected for 9 valleys in Gansu, Sichuan and Yunnan provinces, we used an adaptive affinity propagation method for quantitative classification, and performed an ordination using canonical correspondence analysis. Results showed that the plant communities can be divided into 7 vegetation types (savanna, succulent thicket, evergreen broadleaved thicket, warm deciduous broadleaved thicket, evergreen sclerophyllous forest, deciduous broadleaved forest, warm needle-leaved forest with 24 formations and 31 associations. The most representative vegetation type was the warm deciduous broadleaved thicket, while the most common formations were Form. Bauhinia brachycarpa (50.9%), Form. Heteropogon contortus (11.9%), Form. Bothriochloa pertusa (5.6%), Form. Vitex negundo (4.2%), Form. Eragrostis ferruginea (3.8%), Form. Dodonaea viscosa (3.4%) and Form. Pinus yunnanensis (3.3%). Mean temperature of the coldest month and precipitation seasonality are two dominant climatic factors, which limit the distribution of plant community types in the dry valleys. Savanna and succulent thicket are the dominant vegetation types in typical dry-hot valleys. Dry-warm valley are dominated by warm deciduous broadleaved thicket, evergreen sclerophyllous forest and evergreen broadleaved thicket. Warm needle-leaved forest and deciduous broadleaved forest are more adaptive to lower temperatures.

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