地表基质是地球表层孕育和支撑土壤、森林、草原、水、湿地等各类自然资源的基础物质。根据地表基质层的功能作用和特点,自表层向下划分为4层:浅层(0~2 m)、中深层(2~10 m)、深层(10~20 m)和超深层(>20 m)^[1]。浅层地表基质与人类生产生活关系密切,直接参与土壤发育和植被生长过程,是大气、地表水与地下水交互的关键过渡带。地下2 m深度为浅层下界,邻近中深层,其内部岩土物质的类别与构造形态对于水盐的运移传输路径以及地下温度的波动变化趋势起着主导性控制效能,对农业生产、植被生长发育具有重要影响^[2-4]。表层土壤受人类活动影响较大,而2 m深度的地表基质层受外界干扰相对较小,能够反映在长期自然状态下地质与环境的演变历程,成为调查研究的重要层位,为元素分布态势、迁移轨迹以及富集特征等地球化学过程提供关键信息^[5-11]。

除了多目标区域地球化学调查外,前人在浅层地表基质方面的研究^[12-17]多集中于表层土壤(0~20 cm),表层土壤与2 m深度土壤的对比研究相对较少。本文依托松嫩平原西部1∶25万地表基质调查项目,聚焦大兴安岭、科尔沁草原、松辽平原3种生态系统的交汇过渡地带、典型农牧业交错区的洮南地区的地表基质层,对比研究表层土壤(0~20 cm)和深层土壤(150~200 cm)元素组合、分布格局、富集特性及其地质指示意义,揭示风化淋溶特征与盐碱化的内在联系,探讨其地质属性及盐碱化的成因机制。

研究区地处吉林省西北部,东与大安市相邻,南与通榆县接壤,西与内蒙古突泉县交界,北与内蒙古科尔沁右翼前旗为邻(图1),属干旱、半干旱气候,年均气温4.9~8.0 ℃,年降水量419~555 mm,具有雨热同期、冬春季节干旱多风的气候特点。

研究区位于大兴安岭东麓,松嫩平原的西部,受北东向嫩江深大断裂带控制,地势北西高,南东低,地貌类型自北西向南东依次为丘陵、扇形平原、阶地漫滩、低平原、沙丘等(图2)。研究区土壤类型以栗钙土、黑钙土为主,风沙土、新积土、草甸土、新积土、碱土等零星分布。研究区土地利用类型以耕地为主(水田和旱田),分布较普遍,林地在丘陵区分布居多,草地和水域零星分布。

综合考虑地貌类型、植被类型及地质单元,以总体均匀为原则,按1点/64 km²布设采样点171个,盐碱化地区适当加密(图1)。采集表层土壤样品171件,采用背包钻采集深层土壤样品119件(受底部障碍层限制,部分样点未采集深层样品)。采样时以GPS定位主采样坑坐标。表层土壤采集深度为0~20 cm,连续刻槽采样,深层土壤按照所在分层层位区间,在150~200 cm区间连续刻槽采样,确保样品代表性。

按照《土地质量地球化学评价规范》(DZ/T 0295—2016)要求,土壤样品自然风干后,剔除植物残体与砂砾石,过2 mm筛研磨至200目,由中国地质调查局牡丹江自然资源综合调查中心实验测试中心采用电感耦合等离子体质谱法测定Li、Be、W、Sc、Ti、Pb、V、Mn、Co、Cd、Ni、Nd、Cu、Zn、Ga、Ge、Rb、Sr、Y、Zr、Nb、Mo、Ba、La、Ce、I、Tl、Th、U,泡塑富集—电感耦合等离子体质谱法测定Au,X射线荧光光谱法测定SiO₂、CaO、Cr、MgO、TFe₂O₃、Al₂O₃、Na₂O、K₂O,交流电弧—发射光谱法测定Ag、B、Sn,X射线荧光法测定Br、Cl,氢化物发生—原子荧光光谱法测定As、Sb、Bi,冷蒸汽—原子荧光光谱法测定Se,蒸气发生—冷原子荧光光谱法测定Hg,离子选择电极法测定F,电位法测定pH值,燃烧—红外吸收光谱法测定TC,燃烧氧化—非分散红外法测定Corg,燃烧—红外吸收光谱法测定S。实验室通过测定国家一级标准物质控制分析方法的精密度和准确度,按照试样总数随机抽取5%试样,进行重复性检验和异常值重复检查。统计表明,样品分析检出限、报出率、精密度、准确度等各项质量控制参数均满足《地质矿产实验室测试质量管理规范》(DZ/T 0130—2006)、《多目标区域地球化学调查规范(1∶250 000)》(DZ/T 0258—2014)的相关要求,分析质量可靠。

地球化学数据中含有大量的地质信息,利用数据统计和空间分析手段能够有效挖掘各变量之间的内在关联及其分布规律^[18]。本次借助SPSS软件进行统计分析,并运用因子分析模块功能,探究表层和深层土壤元素指标的分布格局及来源。首先对全部数据进行了KMO检验和Bartlett球形度检验,判断数据是否适合因子分析。同时,利用ArcGIS的相关功能模块,选取反距离插值法绘制出因子得分等值线图,以直观地呈现元素分布趋势和规律,揭示表层和深层土壤各元素区域分布特征及相互关系。

在漫长的自然作用和不断增强的人为干扰因素的综合影响下,表层和深层土壤的地球化学特征呈现出明显的差异。洮南地区表层与深层土壤元素Ag、Al₂O₃、Ba、Be、Ce、Cu、Ga、Ge、K₂O、La、Li、MgO、Mn、Nb、Ni、Pb、Rb、Sb、Sc、SiO₂、Sr、Th、Tl、U、V、Y、Zn等含量比值在0.9~1.1之间,含量无明显差异; As、Au、B、Bi、Cd、Co、Cr、F、I、Mo、Na₂O、Sn、TFe₂O₃、Ti、W、Zr等含量比值在1.1~1.5之间,呈表层弱富集,CaO、Hg、P含量比值在1.5~2.0,为中等富集,推断与研究区大面积耕地施肥等农业活动有关;Br、Cl、Corg、N、S、Se、TC含量比值在2.0以上,为强富集,推断是干旱气候条件下水盐运移及强烈蒸发、生物地球化学循环、农业生产投入及地貌水文作用(地势高低、水循环及排水条件和水分渗透性等)共同影响的结果,其中,Corg、N含量比值在4.0以上(表1)。

研究区有丘陵—扇形平原—阶地漫滩—谷地—沙丘—低平原6种地貌类型区,各区域的元素表生行为不同,其富集程度也有所差异。表层和深层土壤元素含量比值的分区统计结果见表2。由此可见:①不同地貌区土壤元素富集特征差异显著,丘陵区强富集元素与该区域植被发育(Corg、N等)及局部花岗岩、火山岩(富B、Se等)地质背景有关;扇形平原区、低平原区Cl、Corg等强富集,与农业活动、水盐运移及强烈蒸发密切相关;沙丘区CaO、Corg等强富集,显示风积黄土(含硅酸盐矿物)或碳酸盐物质导致CaO在表层相对富集^[18],同时,区内多为固定沙丘,多已开发为耕地,作物及自然植被生长及其残体导致表层土壤相对于深层沙土Corg等富集明显;阶地漫滩区土壤富含黏土、吸附能力强,使农药、化肥中的Hg等物质吸附富集于表层;这体现了不同地貌区成土过程、物质迁移及人类活动对元素分布及富集贫化的影响。②多个地貌区表层土壤Corg、N等呈强富集,推断与农业生产及植物残体积累有关。低平原区、丘陵区Cl、Br有着不同的富集机制,其中低平原区的富集推测与农业灌溉、地势低洼、排水不畅及盐渍化过程有关,而丘陵区则与成土母质—基岩地球化学特征有关。③表层与深层土壤中多数元素含量无显著差异(0.9~1.1)或呈弱富集(1.1~1.5),如Al₂O₃、SiO₂、重金属元素等,反映研究区风化成土作用整体较弱、表层土壤污染程度较轻的特征,表层土壤元素组成主要受成土母质控制。

因子分析作为一种降维分析手段,可以用较少的几个综合变量(即主因子)来反映主要信息。在地球化学研究领域,每个主因子(元素组合)表征了某一特定成因机制下的地球化学作用结果。相较于传统方法,因子得分图往往具有显著的成因阐释意义与价值^[19-22]。本次运用SPSS软件对研究区表层和深层土壤数据进行因子分析,探究不同主因子元素组合及因子得分分布格局,推断土壤元素来源及其迁移转化途径。

KMO和Bartlett检验结果显示,表层土壤KMO值为0.845,深层土壤KMO值为0.799;Sig.值均为0,远小于0.05,表明表层和深层土壤数据均适合进行因子分析(表3、表4)。根据碎石图解及解释的总方差特征(图3),表层和深层土壤特征值大于1,均能提取到10个因子,但二者F8~F10因子方差贡献率较小,特征不明显,故提取前7个主因子,其累积方差贡献率分别达到71.15%和69.89%,基本反映了地球化学元素的组合信息(表5)。

表层土壤主成分F1的方差贡献率为26.66%,元素组合为Ba-Be-Ce-Co-Cu-Cd-Ga-Ge-Mn-La-Li-Nb-Ni-Pb-Rb-Sc-Th-U-Tl-V-Y等,主要为重金属元素(如Ba、Cd、Cu、Pb、Ni等)和稀土元素的组合。土壤中稀土元素较为稳定,主要与地质背景有关。各采样点F1因子得分值在-4.56~2.97之间,反映了元素分布不均匀、多种来源叠加的特征。F1因子得分高值区主要沿洮儿河、蛟流河呈带状展布(图4),成土母质以河流冲洪积物为主,主要来自地势较高的丘陵地区。该地段土壤发育相对较好,是当地主要农业种植区,表层土壤富含细粒黏土组分,黏土吸附作用是导致重金属和稀土元素富集的重要机制,同时农药、化肥的长期施用也是重金属元素的部分来源。主因子F2的方差贡献率为11.24%,元素组合为CaO-MgO-Sr-K₂O-SiO₂等,CaO、MgO源于土壤母质中的碳酸盐矿物和镁质矿物,其含量影响土壤的酸碱度、结构稳定性等,为与盐碱化相关的元素组合。各采样点的F2因子得分值在-1.55~3.97之间,变化幅度略小于F1,表明该因子组合元素分布相对均匀。F2因子得分高值区主要分布于聚宝乡以南—大通乡以西,在扇形平原前缘及低平原区西部、龙华吐分洪渠(引洮分洪河道)穿过高值区;扇形平原前缘及低平原区多为盐碱化发育地区,F2高得分主要与地势低平、排水不畅,叠加蒸发强烈及分洪渠两侧农田不合理灌溉活动有关;丘陵区F2因子高得分主要与基岩风化释放钙镁、花岗岩中钾长石风化释放K₂O有关。F2得分低值区主要在蛟流河、洮儿河沿岸及地势较高的丘陵区,推断与河流与沿岸冲洪积物渗透性好、盐分不易积累有关,而丘陵区则与地势起伏较大、盐分易淋失有关。

F1、F2因子总体呈现近似反相的空间分布特征,实质是不同地貌单元主导的物质迁移转化过程差异的映射,反映了干旱、半干旱区地表过程中“源—汇”机制的空间分异规律,F1高值主要在水流活跃地区分布,受河流沉积和农业活动影响。而F2低值区主要分布于盐分淋失作用较强的丘陵区,其高值则分布于低平原区,展现出受成土母质类型、地形地貌、水文和人类活动综合影响的特点。

深层土壤主成分F1的方差贡献率为27.34%,元素组合为Al₂O₃-B-Be-Cd-Ce-Co-Cu-Ga-Ge-La-Li-Mn-Mo-Ni-Pb-Sb-Sc-TFe₂O₃-Th-V-Y等,是一套包括稀土元素、重金属等微量元素以及Al₂O₃、TFe₂O₃等主量组分的组合,Al₂O₃、TFe₂O₃等元素相对稳定,该组合关系反映了Al₂O₃、TFe₂O₃对稀土等微量元素地球化学行为的制约作用。研究区西北部的基岩风化物—细粒黏土及砂砾石在地表径流作用下搬运至平原区,决定了平原区成土母质地球化学特征。深层土壤F1因子分值在-1.76~2.92之间,高值区主要分布于洮儿河、蛟流河沿岸及丘陵区谷地(图5),连续性不如表层土壤好,但表层与深层土壤的F1因子均以重金属—稀土元素为主要组成,反映了地质背景对区域元素分布的控制。深层土壤主成分F2的方差贡献率为13.09%,元素组合为Au-CaO-K₂O-MgO-Rb-Sb-SiO₂-Sr-TC-Tl等,包含了与盐碱化有关的元素。F2因子主要是与盐碱化有关的元素组合,因子得分值在-1.56~3.89之间,得分高值区主要分布于聚宝乡南部和大通乡附近,地势低洼,排水不畅,反映了独特地势环境淋溶作用弱、盐分聚积的特点。

通过对比,表层土壤F1因子得分值变化幅度大于深层土壤,这一方面表明表层土壤比深层土壤元素分布更不均匀,受多种复杂且易变因素(如大气沉降、地表径流等)干扰更强;另一方面表明表层土壤元素来源复杂,元素迁移过程受多种因素影响(水力、风力、基质构型等),不同区域的来源贡献程度不同,导致因子得分的较大变化。而研究区深层土壤主成分F1、F2空间分布差异性小于相应的表层主成分,推测深层土壤环境稳定、外界干扰少,元素分布更多受地质背景主导有关。

元素富集系数反映了一定区域内在人为因素、自然因素等多重作用下,地表元素的富集程度。计算富集系数时,多选择表生环境中相对稳定、不易受干扰的元素作为参比元素。Zr是一种高场强元素,具有较强的抗风化能力和化学稳定性,主要以锆石等难溶矿物形式存在,与其他元素相关性稳定,盐碱化对其无显著影响,因此本次选取Zr作为参比元素。计算公式为:

式中:EF为富集系数;C_表、C_深分别为表层、深层土壤元素含量;C_表Zr、C_深Zr分别为表层、深层土壤中Zr含量。

由表6可知:①Ag、Cl、F、I、Sr、Zn等元素富集系数小于0.8,表现为轻度亏损;②Al₂O₃、As、Au、B、Ba、Be、Bi、CaO、Cd、Ce、Co、Cr、Cu、Ga、Ge、Hg、K₂O、La、Li、MgO、Mn、Mo、Na₂O、Nb、Ni、Pb、Rb、Sb、Sc、SiO₂、Sn、TFe₂O₃、Th、Ti、Tl、U、V、W、Y、Zr等元素无明显富集或贫化,反映了Al₂O₃、SiO₂、Fe₂O₃等受成土母质控制,表层土壤继承了成土母质成分,重金属元素未显著富集,表明污染源输入有限,未受高强度污染;③Br、P、S、Se、TC富集系系数为1.2~2.0,表现为轻微富集,这些元素均为典型生命元素,受生物地球化学作用,易在表层土壤中富集^[23];④Corg、N富集较明显,Corg、N主要由源源不断的植物残体埋入表层土壤中,使土壤有机质含量增加,以及耕作活动中使用肥料也会使表层土壤中的N含量显著增加;⑤Ti、Sc等稳定元素无显著变化,反映原生矿物保存较好,进一步支持Zr可以作为本次计算富集系数参比元素。

作为衡量区域土壤成熟度的关键参数,土壤风化淋溶系数(简称ba值)综合反映了成土母岩母质类型、地形地貌特征以及人为耕种活动等多方面因素的共同作用^[24-25]。研究区风化淋溶系数计算公式如下:

式中各组分均为对应氧化物的分子数。

计算参数特征表见表7。洮南风化淋溶系数(ba值)的空间分异是成土地质背景(母岩风化、沉积物类型)与地形地貌条件(排水条件、水文路径)共同作用的结果,由表7分析可知,从全区来看(中位数),深层土壤ba值略低于表层;从不同地貌来看(中位数),深层土壤ba值低于表层的有低平原、丘陵、扇形平原,而其他地貌分区深层高于表层。

具体分述如下:

①低平原区深层土壤ba值较地表略低,推断是由于低平原地势低洼,排水不畅,蒸发作用强于淋溶作用,导致盐分易在地表累积,表明低平原为盐碱化高风险区。

②阶地漫滩受河流影响,地表土壤中盐分易淋溶迁出,而深层土壤盐分滞留,导致深层土壤ba值显著高于表层土壤,表明阶地漫滩区盐分动态变化受水文条件主导。

③丘陵区地势起伏相对较大,地表土壤淋溶作用显著,使表层土壤ba值低于深层土壤,而局部高值可能与基岩风化释放盐基离子有关,表明深部基岩风化对盐分的持续贡献。总体上丘陵区盐分来源以自然风化为主,其他因素影响较小。

④沙丘区表层渗透性强,淋溶作用占优,盐分难以积累,而下伏黏土隔水层阻碍盐分下渗,导致深层土壤ba值较表层略高。指示沙丘区表层盐渍化风险低,但需关注黏土夹层的盐分截留效应。

⑤扇形平原前缘沉积物颗粒较细,黏土含量高,厚度大,持水性强,蒸发导致盐分表聚;深层土壤ba值较表层显著升高且变异系数达0.79,反映深层盐分受地表水入渗与地下水波动双重影响;指示扇形平原前缘为盐碱化敏感地区。

⑥沙丘、阶地漫滩表层土壤ba值低,平均值均<1.0,为淋溶作用主导区,表明盐类物质被淋失;低平原、扇形平原在深层土壤ba值高,平均值均>1.2,为盐碱化的直接反映,指示盐分累积显著,尤其是扇形平原深层盐分空间异质性大,变异系数达0.79,需警惕局部(扇形平原前缘)盐渍化加剧。

综上,研究区ba值空间分异受地貌—基质结构—水文耦合控制,低洼、排水不畅地区盐渍化风险突出。

从图6中可以看出,表层土壤风化淋溶系数高值区分布面积较广,主要分布于聚宝乡以南的丘陵区、大通乡以西低平原区以及二龙乡南部地势低洼地段,在聚宝乡以南的丘陵区高值主要与基岩风化释放CaO、MgO等有关,二龙乡南部地势低平地区高值主要与土壤中盐分物质有关;而低值区主要分布于洮儿河沿岸以及西北部丘陵区,西北部主要与地形地貌有关,邻近洮儿河地区砂砾石层与河流连通性较好,淋溶作用强,不利于盐分的集聚。深层土壤高值区主要分布在聚宝乡东南部一带,较表层分布面积有所减小。综上所述,高值区主要受表层水下渗及季节性水位上下波动等因素影响,使得盐类物质在该深度重新沉淀或者与周围的基质发生反应而富集。而低值区受地形地貌、河流及地下水位综合影响,淋溶作用较强,盐类物质不易集聚,主要分布于洮儿河沿岸以及西北部丘陵区。

通过图4和图6对比发现,表层土壤ba值较高地区与表层F2因子得分高值区呈现显著的空间耦合特征,但二者共同的“双高耦合”区域与实际盐碱化分布区(图7)有明显差异,主要差异出现在聚宝乡一带的丘陵区,基岩以花岗岩为主,岩石中长石、云母等矿物释放大量CaO、MgO等盐类物质,使ba值与F2因子同步呈现高值,形成“地质背景成因的高值区”,该地区地形起伏相对明显,在地表径流作用下,基岩释放的盐分物质迁移较通畅,不易累积形成盐渍化;而在地势低平及低洼地段,排水不畅叠加蒸发作用强烈,盐分表聚现象显著,较易形成盐渍化,显示ba值较高。这表明ba值与F2因子的“双高耦合”特征在丘陵区主要反映基岩风化的地质属性,而在低洼地段则与盐分累积的实际生态效应形成真实映射。

1)研究区表层土壤中,有机质(Corg、N)及盐分相关元素(Br、Cl、S、Se、TC、CaO)富集,主要受控于农业活动(施肥、秸秆还田)、生物地球化学循环以及强烈的蒸发浓缩作用;深层土壤中绝大多数元素(包括主量组分Al₂O₃、SiO₂及重金属Pb、Ni、Cu、Zn等)含量稳定,无明显富集或贫化,主要继承并反映原生地质背景特征。

2)表层和深层土壤7个主因子累积方差贡献分别达到71.15%和69.89%,表明7个因子基本反映了总体地球化学特征。表层土壤F1因子(重金属、稀土元素及其他微量元素)高值区与河流冲洪积物及农业活动相关,F2因子(CaO、MgO等盐碱化相关元素)高值区集中于扇形平原前缘及地势低洼区;深层土壤F1因子反映基岩风化物的搬运沉积,显示成土母质的地球化学特征,F2因子与盐碱化相关,且深层土壤元素分布更多受地质背景主导。

3)洮南地区元素富集系数计算结果显示:Ag、Cl、F、I、Sr、Zn贫化,与自然分异和淋溶作用有关;Al₂O₃、SiO₂、Fe₂O₃等主量元素及大部分重金属(Pb、Cd、Cu、Ni等)元素无显著变化,表明Al₂O₃、SiO₂、Fe₂O₃等受成土母质控制;重金属元素污染输入有限;农业活动、生物地球化学循环等因素使Br、S、Se、P、TC等元素呈弱富集;Corg与N的强富集性反映其与农业活动中肥料的使用以及植被残体输入相关。

4)洮南地区表层风化淋溶系数(ba值)空间分异受“地貌—基质结构—水文”综合影响,盐碱化高风险区集中于低平原和扇形平原前缘。ba值系数高值区域与表层F2因子得分高值区呈现显著的空间耦合特征,但与实际盐碱化分布区域存在差异,ba值与F2因子高值的耦合特征在丘陵区主要反映基岩风化的地质属性,而在地势低洼地段则与盐分累积有关。