安徽省潛山縣地質(zhì)背景、土壤類型對土壤有益微量元素含量的綜合影響

羅賢冬,王 偉,安 邦,唐 偉,陳 雷

(安徽省勘查技術(shù)院,安徽 合肥 230031)

前人通過多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查和土地質(zhì)量地球化學(xué)評價,對有益微量元素的地球化學(xué)分布特征進(jìn)行了研究[1-3]。周俊等[4]對安徽省不同地質(zhì)背景和土壤類型的土壤微量元素含量狀況進(jìn)行分析,認(rèn)為地質(zhì)背景對土壤中有益微量元素的影響是多方面的,對不同類型基巖的風(fēng)化母質(zhì)即成土母質(zhì)的界定只是基礎(chǔ),全方位認(rèn)識地質(zhì)背景對土壤中有益微量元素的影響,需要更廣泛和深入的研究。不同類型基巖可以形成不同的成土母質(zhì),除了人類活動影響外,成土母質(zhì)直接影響土壤微量元素豐缺[5-6]。成土母質(zhì)決定土壤元素含量,是土壤含量水平的重要控制因素之一,其影響因素主要為巖石類型,源自同一母巖的土壤在成分和地球化學(xué)特征方面具有相似性[7],其次為母巖形成的地質(zhì)時期[8]。地質(zhì)背景對土壤中有益微量元素含量的影響程度如何、土壤類型是否對土壤有益微量元素含量有影響,這些問題需要進(jìn)一步研究。本文以安徽省潛山縣土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查評價結(jié)果為基礎(chǔ),以潛山縣表層土壤為研究對象,探討以地質(zhì)背景為基礎(chǔ)的成土母質(zhì)和土壤類型對土壤有益微量元素豐缺的綜合影響。

1 地質(zhì)地理概況

研究區(qū)為潛山縣全縣范圍,地處皖西南,大別山南麓,長江北岸,皖河上游,東與桐城縣、懷寧縣交接,南與懷寧縣、太湖縣毗連,西與岳西縣交界,北與舒城縣接壤,面積1 685.03 km2。

1.1 自然地理概況

潛山縣屬于長江沿江丘陵平原區(qū),地勢西北高、東南低,北部及西北部為大別山區(qū),中部為山前丘陵、崗地,東南部為皖水、潛水下游構(gòu)成的沖積平原。全縣地形復(fù)雜,地勢高低懸殊較大,最低處王河鎮(zhèn)豐收圩海拔16.8 m,最高處官莊鎮(zhèn)豬頭尖海拔1 539 m,高差達(dá)1 522.2 m。

潛山縣位于北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),四季分明,氣候溫和。年平均氣溫16.3 ℃,各月平均氣溫差異較大,1月最低平均氣溫為3.5 ℃,7月最高平均氣溫為28.4 ℃,年溫差為24.9 ℃。累計年平均降水量為1 370.1 mm,山區(qū)降水量達(dá)1 400～1 544 mm。

1.2 地質(zhì)概況

郯廬斷裂帶由西南至北東橫穿潛山縣,以郯廬斷裂帶為界,西北部位于秦嶺—大別造山帶,二級構(gòu)造單元劃分上,大部分位于郯廬斷裂帶西側(cè)大別—闞集印支構(gòu)造亞帶,小部分位于張八嶺印支構(gòu)造亞帶;東南部位于揚子陸塊內(nèi),二級構(gòu)造單元劃分上屬沿江褶斷帶。研究區(qū)主要構(gòu)造線方向呈NE和NNE向,區(qū)內(nèi)地層發(fā)育,構(gòu)造變質(zhì)作用強(qiáng)烈,巖漿活動頻繁。

1.3 成土母質(zhì)分類與土壤類型

土壤類型是在一定生物、氣候、水文等自然條件和耕作制度下形成的,具有獨特的成土過程、剖面形態(tài)及相應(yīng)的屬性。不同土壤類型之間存在差異。潛山市土壤共劃分為水稻土、黃棕壤、棕壤、紅壤、紫色土、石灰土和潮土等7個類型。

不同的地質(zhì)背景決定了土壤中元素的富集與貧化[9]。根據(jù)安徽省土壤普查資料[10],潛山縣成土母質(zhì)按母巖類型不同(圖1),可分為以下幾類:

圖1 安徽省潛山縣土壤成土母質(zhì)分區(qū)圖Fig. 1 Parent material zoning map of soil in Qianshan County, Anhui Province

(1)酸性巖類風(fēng)化物。主要分布于潛山縣西北部山丘地區(qū),主要母巖為花崗巖、混合花崗巖(花崗閃長巖、花崗斑巖),所處地質(zhì)單元主要為白堊紀(jì)和侏羅紀(jì)酸性侵入體。礦物組成復(fù)雜,如石英、長石、角閃石、云母等,包含母巖中原生礦物以及黏土等次生礦物,晶粒粗大,物理崩解甚易,石英含量較高,風(fēng)化物呈酸性反應(yīng)。這種成土母質(zhì)類型分布面積為440 km2,占全縣總面積的26.4%。該類母質(zhì)中分布的土壤類型有水稻土、黃棕壤、紅壤、棕壤和石灰土,以黃棕壤和水稻土為主。

(2)片麻巖類風(fēng)化物。主要分布于潛山縣中部(天柱山周邊)和東北角,母巖主要為變質(zhì)變形的侵入體,巖性為花崗質(zhì)片麻巖,以二長花崗質(zhì)片麻巖為主,并有少量二云母花崗質(zhì)片麻巖、奧長花崗質(zhì)片麻巖等。風(fēng)化物特點與酸性巖類風(fēng)化物類似,礦物組成復(fù)雜,晶粒粗大,物理崩解甚易,石英含量較高,風(fēng)化物呈酸性反應(yīng)。這種成土母質(zhì)類型分布的面積為370 km2,占全縣總面積的22%。該類母質(zhì)中分布的土壤類型與酸性巖類相同,包含水稻土、黃棕壤、紅壤、棕壤和石灰土,以黃棕壤、水稻土和紅壤為主。

(3)深變質(zhì)巖類風(fēng)化物。主要分布在五廟鄉(xiāng)、水吼鎮(zhèn)橫中一帶和官莊鎮(zhèn)的局部山地,呈線狀分布。地質(zhì)單元上屬大別雜巖變質(zhì)表殼巖組合,母巖主要是淺粒巖、石英片巖、黑云母斜長片麻巖、二云斜長片麻巖夾大理巖,片麻巖為變質(zhì)程度較深的副片麻巖。風(fēng)化物中石灰反應(yīng)較強(qiáng)烈(滴稀鹽酸起泡),形成的土壤富含Ca、P,質(zhì)地偏黏,pH值為6.5～7.5。這種成土母質(zhì)類型分布面積為305 km2,占全縣總面積的18.1%。該類母質(zhì)中分布的土壤類型有水稻土、黃棕壤、紅壤、紫色土、棕壤和石灰土,以黃棕壤、水稻土和紅壤為主。

(4)紅色碎屑巖類風(fēng)化物。分布于潛山縣大別山前沿崗地,母巖主要為下第三系紅色砂礫巖。母巖巖性松脆,抗蝕力弱,在濕熱條件下,物理風(fēng)化作用強(qiáng)烈,成土過程常處于幼年發(fā)育階段,土壤較多保持母巖特性,其面積為270 km2,占全縣總面積的16.2%。該類母質(zhì)中分布的土壤類型有水稻土、紫色土、黃棕壤、紅壤、潮土和石灰土,以水稻土、紫色土和黃棕壤為主。紫色土和石灰土主要分布在該母質(zhì)范圍內(nèi)。

(5)淺色碎屑巖類風(fēng)化物。僅分布于王河鎮(zhèn)南部,面積約1.13 km2,占全縣總面積的0.07%。該成土母質(zhì)屬于富鋁化的淺色風(fēng)化殼,由這種母質(zhì)發(fā)育的土壤土層深厚(達(dá)1 m以上),顏色淺,網(wǎng)紋層多為60～100 cm,全剖面土壤呈酸性反應(yīng),質(zhì)地黏重。該類母質(zhì)中分布的土壤類型有水稻土、潮土。

(6)晚更新世黃土。主要分布于余井鎮(zhèn)西南、縣東南角等坡狀起伏的崗地上,面積約4.1 km2,占全縣總面積的0.24%。更新世黃土是我國江淮地區(qū)低丘崗地上一種廣泛分布的成土母質(zhì),該母質(zhì)發(fā)育形成的土壤質(zhì)地黏重,耕性不良,常出現(xiàn)緊實、黏重的層次,即黏盤層[11]。該層透水性極差,豐水季節(jié)易造成土體上層滯水,影響根系的正常生長,對植物構(gòu)成了漬害,嚴(yán)重時可引起樹木的爛根和死亡。潛山縣該母質(zhì)發(fā)育的土壤,土層多較深厚,質(zhì)地黏重,土壤底層有深棕色或褐色的黏盤層,極緊實,土壤易受地表徑流的沖刷侵蝕,致使黏盤層接近地表或露出地面。該類母質(zhì)中分布的土壤類型只有水稻土。

(7)河流沖積物。風(fēng)化物由近代流水搬運而堆積于河流兩岸及廣大圩畈地區(qū)的物質(zhì),面積290 km2,占全縣總面積的17%,分選性好,具有成帶性和成層性,土層深厚。土壤上層呈酸性,下層呈中性。該類母質(zhì)中分布的土壤類型有水稻土、潮土、紫色土、石灰土、黃棕壤和紅壤,以水稻土、潮土和紫色土為主。水稻土、潮土、石灰土及紫色土主要分布在該母質(zhì)范圍內(nèi)。

2 樣品采集及分析測試方法

2.1 采樣方法

采用“網(wǎng)格”采樣布局設(shè)計,以1∶5萬地形圖1 km2方里網(wǎng)格作為采樣布局設(shè)計網(wǎng)格單元(大格),每個網(wǎng)格單元的四分之一格(0.25 km2)為最小采樣單元格(小格)。每平方千米內(nèi)二調(diào)圖斑數(shù)量較多、中心城鎮(zhèn)周邊地區(qū)、地形地貌和土壤類型及地質(zhì)背景復(fù)雜、土地利用方式多樣、元素含量空間變異性大的地區(qū)增加布樣密度[12-14]。全域共采集表層土壤樣品8 116件(不含重復(fù)樣),平均采樣密度4.9個點/km2。采樣介質(zhì)為耕作層土壤,果園地、林地采集表層土壤,采樣深度視耕作深度不同而不同,水稻、棉花、油菜和小麥等農(nóng)業(yè)用地采樣深度為0～20 cm,不同深度連續(xù)取樣,瓜蔞種植、林業(yè)用地采樣深度為0～30 cm。

樣品加工嚴(yán)格按照設(shè)計流程進(jìn)行,樣品懸掛晾曬、自然干燥,用10目尼龍篩完全過篩,“四分法”分裝樣品。樣品經(jīng)野外加工組加工后,將主、副樣品分別按順序裝箱,及時填制送樣單,主樣送測試單位分析,副樣送樣品庫,管理人員依據(jù)采樣點位圖、送樣單驗收樣品。

2.2 分析測試方法

土壤樣品的分析測試在安徽省地質(zhì)實驗研究所完成。各分析指標(biāo)分析檢測方法[15-16]為:電感耦合等離子體光譜法(ICP-AES)測定P、K2O、V、Cr、Mn、Ni、Cu、Zn,電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)測定Co、Pb、Mo、Cd,發(fā)射光譜法(ES)測定B,原子熒光法(AFS)測定As、Hg、Se,容量法(VOL)測定N、有機(jī)質(zhì)的分析方法配套方案。

表層土壤8 116件實際樣品測定P、K2O、V、Cr、Cu、Pb、Zn、B、Mn、Co、Ni、Mo、Cd、As、Hg、Se、N、有機(jī)質(zhì)等18項元素全量,插入國家一級標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)192件控制分析的準(zhǔn)確度(500件樣品插入12件),lgC的波動范圍均小于《 DZ/T0258—2014 多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范》[14]規(guī)定的允許監(jiān)控限,各元素的一次合格率均為100%;隨機(jī)抽取480件樣進(jìn)行重復(fù)性檢驗,一次總合格率為99.78%。

3 土壤有益微量元素主要特征

3.1 不同成土母質(zhì)的土壤有益微量元素特征

用上述方法對8 116個樣品作了處理檢測,對結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析(≤5件以下的成土母質(zhì)不做統(tǒng)計分析),得出潛山縣7個主要成土母質(zhì)發(fā)育的土壤中微量元素的算術(shù)平均含量及變化系數(shù)CV(表1)。

表1 安徽省潛山縣7種成土母質(zhì)的土壤微量元素含量平均值、中位數(shù)及變化系數(shù)

分析結(jié)果顯示,深變質(zhì)巖類成土母質(zhì)形成的土壤中Cr、Cu、Ni、V、Co等5項指標(biāo)平均含量最高,但Pb、Hg和N等3項指標(biāo)平均含量最低;與深變質(zhì)巖類成土母質(zhì)形成的土壤相反的是,紅色碎屑巖類成土母質(zhì)形成的土壤中Cu、Mn、Ni、P、V、Zn、K2O和Co等8項指標(biāo)平均含量最低,尤其Mn、Ni遠(yuǎn)低于其他成土母質(zhì),但B、As、Se、N和有機(jī)質(zhì)等5項指標(biāo)平均含量最高,變化系數(shù)最小;酸性巖類成土母質(zhì)形成的土壤中P、K2O、Mo、Pb等4項指標(biāo)平均含量最高,其中P平均含量高達(dá)831×10-6,遠(yuǎn)高于其他成土母質(zhì)形成土壤,Cr、Cd和Se等3項指標(biāo)平均含量最低, Cr、Ni、Co、Pb、Hg、Se、N和有機(jī)質(zhì)等8項指標(biāo)變化系數(shù)最大,尤其Pb、Cr和Ni變化系數(shù)遠(yuǎn)超過其他成土母質(zhì),其中Pb的變化系數(shù)為1.26,超過其他成土母質(zhì)一個數(shù)量級,且Pb的變化系數(shù)平均值最高;樣品數(shù)最多的河流沖積物成土母質(zhì)形成的土壤中各項指標(biāo)除B外,離散程度小,其平均值接近全縣平均值。

3.2 同類型土壤的有益微量元素特征

本文采用相同土壤類型、不同成土母質(zhì)的土壤有益微量元素(Cu、Zn、Mo、B和Se)含量進(jìn)行比較(表2),反映了成土母質(zhì)對土壤有益微量元素的影響程度。不同成土母質(zhì)發(fā)育的土壤,即使土壤類型相同,有益微量元素含量差異性較大;相同成土母質(zhì)發(fā)育的不同土壤,有益微量元素含量也有差異。由表2中微量元素Cu含量看,無論何種土壤類型,紅色碎屑巖形成土壤的Cu含量平均值均最低(潮土除外),淺色碎屑巖形成土壤的Cu含量較低;深變質(zhì)巖形成土壤的Cu含量均較高,片麻巖類和酸性巖類Cu含量中等。不論何種成土母質(zhì),潮土的Cu和Zn平均含量及棕壤的Mo和Se平均含量明顯高于其他土壤類型。此外,其他土壤類型有益微量元素變化范圍均較接近。

表2 安徽省潛山縣同種土壤類型有益微量元素含量統(tǒng)計結(jié)果

4 成土母質(zhì)、土壤類型對有益微量元素的影響

為了進(jìn)一步揭示成土母質(zhì)與土壤類型對土壤中有益微量元素的綜合影響,本文繪制同一土壤類型在不同成土母質(zhì)的有益微量元素Zn的含量變化折線,并把各種土壤類型的變化折線疊加成圖(圖2)進(jìn)行比較和差異分析,得出不同成土母質(zhì)和土壤類型對微量元素Zn豐缺的綜合貢獻(xiàn)。

圖2 安徽省潛山縣7種類型土壤不同成土母質(zhì)的Zn含量變化圖Fig. 2 Zn content variation of different parent materials of seven types of soil in Qianshan County,Anhui Province

由圖2可知,不同成土母質(zhì)和土壤類型中Zn含量的變化呈一定的規(guī)律性。Zn的含量因成土母質(zhì)的不同而不同:Zn在酸性巖類和片麻巖類成土母質(zhì)的土壤中含量偏高;深變質(zhì)巖類背景地質(zhì)體中含量較高;在紅色碎屑巖類中除潮土外Zn含量偏低;在河流沖積物背景地質(zhì)體中各土壤類型Zn平均含量變化范圍較大,但總體接近全區(qū)背景值。潮土的有益微量元素不隨成土母質(zhì)的不同而變化,主要是由于潮土主要分布在潛山縣內(nèi)較大河流沿岸的沙丘、漫灘、廢圩壩及城鎮(zhèn)附近地勢較高、未被開發(fā)為水田的沖積平原上,其母質(zhì)源于上游山區(qū)的各種巖石風(fēng)化物,母質(zhì)來源復(fù)雜,不是固定的背景地質(zhì)體。

地球化學(xué)基因在風(fēng)化過程中具有很好的遺傳性(從巖石到風(fēng)化產(chǎn)物) 和繼承性(從土壤到其源巖),利用地球化學(xué)基因可以對土壤樣品進(jìn)行物源示蹤[16-17]。源自同一母巖的不同土壤類型在地球化學(xué)基因方面具有較好的相似性[7]。原位風(fēng)化形成的土壤,其成土母質(zhì)主要來源于基巖風(fēng)化,土壤中元素含量特征很好地繼承了基巖的地球化學(xué)特征,土壤中有益微量元素的豐缺取決于基巖;非原位風(fēng)化形成的土壤,成土母質(zhì)來源非底部基巖,形成的土壤元素含量特征具有多樣性,土壤類型對土壤中有益微量元素豐缺具有較大影響,如河流沖積物類母質(zhì),其形成的各種類型土壤元素含量變化不一,可以利用不同類型土壤的地球化學(xué)特征對土壤樣品進(jìn)行物源示蹤。潮土和棕壤中有益微量元素含量特征主要由土壤類型決定。

5 結(jié)論

(1)Cu、Ni、V和Co在深變質(zhì)巖類形成的土壤中平均含量最高,在紅色碎屑巖類中最低,但B、Se、N和有機(jī)質(zhì)等微量有益指標(biāo)在紅色碎屑巖中最高;河流沖積物形成的土壤中各元素含量平均值最接近整個研究區(qū)背景值,含量變化程度也比較均勻。

(2)不論處于何種成土母質(zhì),潮土的Cu和Zn平均含量明顯高于其他土壤類型,棕壤的Mo和Se平均含量也明顯高于其他土壤類型。

(3)有益微量元素Zn在酸性巖類和片麻巖類形成的土壤類型中含量都偏高,深變質(zhì)巖類含量較高,在紅色碎屑巖類中除潮土外其他土壤類型Zn含量都偏低。土壤中有益微量元素含量的豐缺主要決定于成土母質(zhì),其次為土壤類型。以地質(zhì)背景為基礎(chǔ)的成土母質(zhì)及土壤類型綜合影響潛山縣土壤有益微量元素含量特征。