模擬酸雨淋溶對(duì)紫色母巖風(fēng)化成土特征的影響研究

趙吉霞，鄧?yán)?，陸傳豪，劉剛?/p>

1. 云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，昆明 650201； 2. 中國科學(xué)院 水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，成都 610041； 3. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

環(huán)境酸化是人類面臨的全球性環(huán)境問題之一[1-3]，它不僅直接對(duì)人類的生產(chǎn)生活產(chǎn)生復(fù)雜影響，而且也成為生態(tài)環(huán)境變化的重要驅(qū)動(dòng)因素，是全球環(huán)境變化的一個(gè)重要方面．因此，有關(guān)環(huán)境酸化的研究是我國中長期科技規(guī)劃中的一個(gè)重要研究內(nèi)容．在全球環(huán)境酸化背景下，不同生態(tài)系統(tǒng)及其不同要素、 不同區(qū)域等，對(duì)酸化應(yīng)具有不同的響應(yīng)特征和響應(yīng)機(jī)制，即有差異性的響應(yīng)[3-5]．也就是說，要全面認(rèn)識(shí)環(huán)境酸化下的各種響應(yīng)規(guī)律，必須針對(duì)不同生態(tài)系統(tǒng)及其演化過程，包括對(duì)地球表面重要的地質(zhì)過程——巖石風(fēng)化過程等開展相關(guān)的研究．

巖石風(fēng)化是地球表面演化的一個(gè)重要的地質(zhì)過程，不僅為初級(jí)生產(chǎn)者提供食物生產(chǎn)的營養(yǎng)物質(zhì)[6]，而且也是海洋生態(tài)系統(tǒng)所需的Si，Ca等重要元素的主要來源[7]．無論在何種地質(zhì)環(huán)境條件下，巖石的風(fēng)化過程主要包括巖體的物理崩解和化學(xué)風(fēng)化過程．物理崩解即在物理作用下導(dǎo)致巖體和礦物顆粒的尺寸發(fā)生改變但對(duì)其礦物性質(zhì)不產(chǎn)生影響，而化學(xué)風(fēng)化則是通過一系列的化學(xué)作用使礦物成分特征發(fā)生改變．通常而言，大多數(shù)的風(fēng)化過程均包括了物理風(fēng)化和化學(xué)風(fēng)化作用，在接近地表處主要以物理過程為主，這些過程將導(dǎo)致巖石風(fēng)化產(chǎn)物的原位積累，這不僅會(huì)極大地改變未固結(jié)礦床的物理性質(zhì)[8]，而且強(qiáng)烈影響著地貌構(gòu)造的演化過程[9]．顯然，地形演化很大程度上取決于風(fēng)化過程．而化學(xué)風(fēng)化過程則可延伸達(dá)地表以下數(shù)百米的范圍，巖石化學(xué)風(fēng)化作用使巖土礦物中的鹽基離子釋放，并與溶液中的H+發(fā)生交換反應(yīng)，使土壤溶液中的H+濃度降低，從而對(duì)土壤酸化起緩沖作用．因此，化學(xué)風(fēng)化速率是決定生態(tài)系統(tǒng)酸負(fù)荷研究的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)[10]，而區(qū)域的氣候條件是決定哪種風(fēng)化過程占主導(dǎo)作用的主要條件[11]．從巖石風(fēng)化形成土壤的過程大約需要120～3 000年的漫長時(shí)間，因此，想要探究巖石(母質(zhì))的成土過程以及所成土壤間的物質(zhì)交換非常困難．

由于缺乏對(duì)巖石、 礦物特性及其所處環(huán)境的全面認(rèn)識(shí)，加之研究手段的限制，我們對(duì)巖石風(fēng)化過程的研究很大程度上受到了限制．然而，并非所有巖石的風(fēng)化過程都極為緩慢，對(duì)于紫色母巖，由于其本身的特殊性，導(dǎo)致其具有較快的風(fēng)化速率．自其暴露于地面開始，僅需10年即可風(fēng)化成土．紫色母巖巖質(zhì)較為松軟，且構(gòu)造裂縫、 成巖裂縫和風(fēng)化裂縫較為發(fā)育，在冷熱和干濕交替的環(huán)境變化條件下，呈現(xiàn)極強(qiáng)的物理風(fēng)化能力．物理風(fēng)化作為紫色母巖風(fēng)化的主要方面，其風(fēng)化速度和堆積體的穩(wěn)定性主要受氣候因素影響，地形因素的影響次之[12]．開墾、 耕作等人為活動(dòng)對(duì)母巖的物理風(fēng)化速率和土壤的熟化速率亦具有促進(jìn)作用[13]．然而巖石的風(fēng)化是一個(gè)復(fù)雜的過程，并不是某一過程單一進(jìn)行的結(jié)果．以往對(duì)紫色母巖風(fēng)化過程的研究主要是從物理風(fēng)化角度考慮，研究紫色母巖在水熱條件下的崩解成土過程[13-14]．而紫色土主要分布的南方地區(qū)具有典型的亞熱帶季風(fēng)氣候特點(diǎn)，也是酸敏感區(qū)域，近年來受強(qiáng)烈的工農(nóng)業(yè)活動(dòng)的影響，酸沉降嚴(yán)重[15]．基于該地區(qū)當(dāng)前酸沉降的環(huán)境條件的下巖石風(fēng)化特征如何？還尚未清楚．Puckett等[16]研究也發(fā)現(xiàn)，酸的人為加入對(duì)巖層和土壤的風(fēng)化剝蝕具有促進(jìn)作用，提高了化學(xué)風(fēng)化的反應(yīng)速度．鄧濤等[17]通過研究不同pH值環(huán)境下黏土類巖崩解過程發(fā)現(xiàn)，酸性條件對(duì)黏土類巖的崩解起到促進(jìn)作用，其崩解能力隨溶液酸性的增強(qiáng)而增加．

紫色土是一種發(fā)育程度較低的土壤類型，但由于其繼承了母巖高肥力屬性，土壤生產(chǎn)能力較高，加上其風(fēng)化速度較快且侵蝕能力較強(qiáng)，因而被視為一種特殊的土類[18]．其主要分布于我國南方，特別是在長江上游，其面積占長江上游幅員面積的18%，占全國土壤總面積的2.3%，集中分布在四川盆地，該地區(qū)紫色土分布數(shù)量占該區(qū)面積的42.95%[18]，且這些區(qū)域的酸化趨勢更明顯[15，19]．因此，研究紫色母巖在環(huán)境酸化條件下的風(fēng)化作用，揭示紫色母巖風(fēng)化成土過程的作用機(jī)制，不僅對(duì)于我們認(rèn)識(shí)土壤生態(tài)系統(tǒng)酸沉降敏感性具有重要的意義，而且可以為精準(zhǔn)確定紫色土的容許土壤流失量等提供科學(xué)依據(jù)．

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

紫色土主要分布于四川盆地丘陵區(qū)(屬于亞熱帶濕潤氣候區(qū))[12]．為了在研究期內(nèi)有明顯的結(jié)果，本研究采用的試驗(yàn)?zāi)笌r為易風(fēng)化的紫色泥(頁)巖．因此，分別在四川安岳縣工業(yè)園區(qū)(N30°6′35″，E105°23′43″)(蓬萊鎮(zhèn)組)、 資中縣工業(yè)園區(qū)(N29°44′52″，E104°51′20″)(沙溪廟組)、 遂寧市河沙鎮(zhèn)磚廠(N30°35′16″，E105°41′25″)(遂寧組)，現(xiàn)場挖掘3種新出露的紫色土母巖(泥巖)，要求同種母巖采自同一地點(diǎn)，盡可能使母巖樣品的理化特性一致，采集的每塊母巖的顏色和質(zhì)地等要一致．然后運(yùn)至鹽亭紫色土農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站(N 31°16′，E 105°27′)，于陰涼處放至完全風(fēng)干．

1.2 樣品制備

事先取上述在野外采集到的整塊蓬萊鎮(zhèn)組、 沙溪廟組和遂寧組3種紫色母巖，切割成粒徑為5 mm～60 mm的巖塊用于淋溶試驗(yàn)．為了避免同種母巖樣品間的異質(zhì)性，同種母巖試樣從同一塊母巖樣品切割，盡可能使各組母巖試樣的理化特性一致，并對(duì)母巖基本特性指標(biāo)進(jìn)行測定．

試驗(yàn)處理有： 溶液pH值分別為2.5，3.5，4.5和5.6，以及對(duì)照(去離子水)，各處理重復(fù)3次．

1.3 試驗(yàn)方法

該室內(nèi)模擬試驗(yàn)于2016年5月至2017年11月在中科院成都山地所鹽亭紫色土農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站進(jìn)行．母巖淋溶試驗(yàn)包括兩個(gè)部分，一個(gè)為裸巖淋溶試驗(yàn)，一個(gè)為土層覆蓋淋溶試驗(yàn)．

1.3.1 裸巖淋溶試驗(yàn)方案

土柱制備．選取粒徑均勻(5～60 mm)的母巖巖樣裝入直徑約16 cm，高20 cm的圓形PVC管．底部封閉并留一孔，以便收集滲漏液．裝管前，在柱底部鋪兩層尼龍篩網(wǎng)和一層石棉，再鋪兩層篩網(wǎng)，然后裝巖樣．母巖前期處理已將其分成不同粒徑樣品： >60 mm，40～60 mm，20～40 mm，10～20 mm，5～10 mm，將各粒組的巖塊等質(zhì)量，大粒徑巖塊在下、 小粒徑巖塊在上進(jìn)行淋溶柱的填充，各母巖分別裝30個(gè)淋溶柱．總共需： 5(酸處理)×3(母巖)×6(重復(fù))=90個(gè)淋溶柱．

淋溶方法．用已配置的模擬酸雨作為淋溶液，根據(jù)紫色土丘陵區(qū)多年均降雨量約為863 mm，采用間歇淋溶法使其接近自然降水，每次淋溶量按月平均降雨量對(duì)應(yīng)的模擬酸雨量淋洗，淋洗強(qiáng)度與中等降雨強(qiáng)度相當(dāng)，每月淋濾2次，以保證酸淋溶液對(duì)巖石的充分作用，共淋濾24次至淋溶總量達(dá)2年降雨量．每次淋洗時(shí)分別用pH值為2.5，3.5，4.5，5.6的模擬酸雨和去離子水開始淋溶，每次加入淋溶液后，用收集瓶接收濾液至淋溶結(jié)束、 柱底無淋濾液滲出，每次淋溶結(jié)束時(shí)用保鮮膜覆蓋柱頂，防止水分蒸發(fā)．

1.3.2 土層覆蓋淋溶試驗(yàn)方案

土層覆蓋淋溶試驗(yàn)僅對(duì)遂寧組紫色母巖進(jìn)行pH值為3.5的模擬酸雨和去離子水淋溶．此試驗(yàn)的步驟和方法，與“淋溶無土層覆蓋樣品”的基本一致，不同之處在于事先在試驗(yàn)樣品上分別覆蓋紫色土10 cm，20 cm，40 cm土壤，由于紫色土的土層厚度一般較薄，故本研究主要考慮這3個(gè)土層厚度的處理．需要說明的是，室內(nèi)土柱的重建需根據(jù)各覆土層土壤容重、 覆蓋深度、 淋溶柱直徑計(jì)算出各土層所需土量，以確保各土層厚度覆蓋處理的容重一致．總共需： 1(巖石類型)×3(土層深度)×2(一個(gè)酸度處理+去離子水對(duì)照))×6(重復(fù))=36個(gè)土柱．其測定指標(biāo)和方法與無土層覆蓋的淋溶試驗(yàn)一致．

以上2組試驗(yàn)處理均進(jìn)行了24次淋溶試驗(yàn)，累計(jì)淋溶量與模擬2年的降雨量相當(dāng)．在淋溶過程中當(dāng)淋溶總量達(dá)1年模擬降雨總量時(shí)，將每組母巖各酸處理?xiàng)l件下取3個(gè)重復(fù)處理淋溶柱中巖石樣品，自然風(fēng)干后分別用60 mm，20 mm，10 mm，5 mm，2 mm，1 mm，0.25 mm等不同規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)篩對(duì)巖塊及崩解的碎屑物進(jìn)行篩分試驗(yàn)，記錄顆粒級(jí)別．同時(shí)將各組處理下的剩余3個(gè)重復(fù)處理的淋溶柱中巖石樣品繼續(xù)進(jìn)行淋溶至累計(jì)淋溶量達(dá)模擬2年的降雨量，淋溶結(jié)束后以相同規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)篩進(jìn)行篩分處理．篩分處理后將<2 mm顆粒的崩解物進(jìn)行收集以對(duì)風(fēng)化產(chǎn)物的相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行測定．

1.4 黏土礦物及化學(xué)成分的測定

采用X射線衍射儀器進(jìn)行礦物組成及黏土礦物含量的測定[23]； K2O，Na2O，CaO，MgO和CaCO3均用原子吸收分光光度法； P2O5用磷鉬藍(lán)光度法； SiO2用聚環(huán)氧乙烷重量法； Al2O3用氟化物取代絡(luò)合滴定法； Fe2O3重鉻酸鉀容量法； TiO2過氧化氫光度法．用油浴加熱-K2Cr2O7容量法測定土壤有機(jī)質(zhì)比例[24]．測定結(jié)果見表1和表2．

表1 3種紫色泥巖的全巖礦物比例 %

表2 3種紫色泥巖的主要化學(xué)元素占比 %

2 研究結(jié)果

2.1 模擬酸雨淋溶對(duì)母巖顆粒級(jí)配變化的影響

2.1.1 裸巖淋溶顆粒級(jí)配變

環(huán)境酸化對(duì)紫色土母巖風(fēng)化成土的影響，也就是酸性環(huán)境對(duì)母巖的化學(xué)作用過程，這種作用主要通過酸溶液而進(jìn)行，而酸雨淋溶作用是出露在地表的裸露母巖最直接的酸作用形式．因此，基于研究區(qū)酸沉降背景，在自然條件下，通過模擬降雨pH值為2.5，3.5，4.5，5.6的酸溶液和去離子水(7.0)分別對(duì)3組紫色母巖進(jìn)行淋溶，分析其淋溶前后的顆粒級(jí)配變化．各淋溶柱中母巖初始組成的各粒徑(>60 mm，40～60 mm，20～40 mm，10～20 mm，5～10 mm)質(zhì)量百分比一致，均為20%．通過對(duì)3組母巖經(jīng)不同pH值的模擬降雨淋溶后的顆粒分析表明，淋溶次數(shù)的增加導(dǎo)致母巖樣品顆粒級(jí)配不斷變化．由顆粒級(jí)配變化率隨淋溶時(shí)間的變化關(guān)系圖(圖1和圖2)可知，不同pH值溶液下，顆粒級(jí)配的變化率隨模擬降雨淋溶量的變化規(guī)律基本相似．

累計(jì)淋溶量達(dá)1年降雨量時(shí)，遂寧組和沙溪廟組母巖在任意一種pH值溶液淋溶處理下的顆粒級(jí)配的變化規(guī)律基本相似，粒徑大于20 mm的組分比例較淋溶前減少顯著，而粒徑為小于20 mm的組分比例較淋溶前則呈上升趨勢，且粒徑越小，增幅越?。噍^于其余兩組母巖顆粒級(jí)配的變化規(guī)律，蓬萊鎮(zhèn)組母巖則略有不同，粒徑大于40 mm的組分比例較淋溶前呈降低趨勢，且粒徑大于60 mm的組分減少幅度基本隨淋溶液pH值增大而減少； 而粒徑小于40 mm的組分比例較淋溶前則呈上升趨勢，且其各顆粒組成比例較淋溶前的變化幅度均明顯小于遂寧組和沙溪廟組母巖的變化幅度．說明蓬萊鎮(zhèn)組母巖的崩解程度相對(duì)較弱．不同pH值降雨淋溶處理下原始淋溶柱中的顆粒組成均大于5 mm，淋溶量達(dá)1年降雨量時(shí)，3組母巖小于5 mm的顆粒組成均有不同程度的增加，且均表現(xiàn)為淋溶液酸度越大，小于5 mm的顆粒組分含量增幅越大(圖1)．

圖1 累計(jì)淋溶達(dá)1年降雨量后各粒徑顆粒組成比例的變化率

當(dāng)累計(jì)淋溶量達(dá)2年降雨量時(shí)，遂寧組與沙溪廟組顆粒各徑級(jí)比例較淋溶前的顆粒徑級(jí)比例的變化與淋溶量達(dá)1年降雨量時(shí)的變化規(guī)律一致，但此時(shí)不同pH值降雨淋溶處理下的兩組母巖中顆粒直徑大于40 mm的組分含量較淋溶前的減幅已達(dá)或接近20%，說明顆粒直徑大于40 mm的組分已基本完全崩解．而蓬萊鎮(zhèn)各徑級(jí)的顆粒比例相較于淋溶前的變幅均明顯小于遂寧組和沙溪廟組母巖，說明其崩解程度相對(duì)較弱．相較于模擬1年的降雨量時(shí)的顆粒變化，模擬2年的降雨量顯著增加了3組母巖中顆粒直徑小于5 mm組分比例的增幅，且均表現(xiàn)為淋溶液pH值越小，其相較于淋溶前的增幅越大．遂寧組、 沙溪廟組和蓬萊鎮(zhèn)組母巖中顆粒直徑為2～5 mm的組分比例較淋溶處理前母巖分別增加了11.05%～16.25%，5.45%～10.44%和2.81%～4.51%，而<2 mm組分的變幅則分別為3.51%～5.22%，1.52%～2.77%和0.89%～1.42%．3組母巖在不同pH值降雨淋溶處理下的顆粒直徑小于5 mm組分比例變幅從大到小依次均為遂寧組、 沙溪廟組、 蓬萊鎮(zhèn)組(圖2)．

圖2 累計(jì)淋溶達(dá)2年降雨量后各粒徑顆粒組成比例的變化率

2.1.2 覆土淋溶顆粒級(jí)配變

自然環(huán)境中的母巖除了直接出露地表外，大多是土壤覆蓋其上的，由于紫色土的土層厚度一般較薄，根據(jù)紫色土母巖覆蓋土層厚度的一般特征，本研究設(shè)計(jì)淋溶母巖在淋溶柱中的覆蓋土層厚度分別為10 cm，20 cm和40 cm．由于考慮到本試驗(yàn)研究重點(diǎn)是不同深度的土層覆蓋對(duì)紫色母巖風(fēng)化的影響，為了控制試驗(yàn)樣品總數(shù)，確保試驗(yàn)的可行性和可操作性，本試驗(yàn)選擇崩解程度相對(duì)較易的遂寧組母巖為研究對(duì)象，模擬酸度的設(shè)計(jì)僅進(jìn)行pH值為3.5的酸溶液與去離子水對(duì)照模擬進(jìn)行淋溶．

試驗(yàn)結(jié)果表明，覆土處理下的遂寧組母巖在pH值為3.5的酸溶液和去離子水模擬降雨淋溶后的母巖顆粒組成的變化規(guī)律與相同處理下的裸巖淋溶顆粒組成的變化規(guī)律基本一致，但其在不同淋溶階段各徑級(jí)顆粒的變化均明顯小于裸巖淋溶處理下對(duì)應(yīng)徑級(jí)顆粒的變化率．在相同pH值的模擬降雨條件下，沙溪廟組母巖顆粒組成中粒徑大于40 mm的組分的減少幅度和粒徑小于20 mm組分的增加幅度隨覆蓋土層厚度的增加基本呈降低趨勢(圖3)．

2.2 模擬酸雨淋溶對(duì)母巖成土特征的影響

由于紫色土是一種特殊的母質(zhì)性土壤(不同于其他大多數(shù)土壤)，即紫色土母質(zhì)(紫色母巖風(fēng)化物)與紫色土的物質(zhì)組成等特性比較接近，而且母質(zhì)的有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量豐富，母巖一旦風(fēng)化成碎屑(母質(zhì))就具有肥力特性(其上就能生長植物)即土壤的本質(zhì)特性(具有養(yǎng)分和水分的儲(chǔ)藏和供給能力)[25]，故通常將<2 mm的紫色土母質(zhì)稱之為紫色土[26]．因此，母巖成土率即為淋溶處理后風(fēng)化產(chǎn)物中<2 mm的顆粒占淋溶處理前母巖總質(zhì)量的百分比．

2.2.1 母巖成土特征

試驗(yàn)結(jié)果表明，模擬降雨淋溶液的pH值對(duì)紫色母巖風(fēng)化速率影響較大，基本呈現(xiàn)酸性越高，淋溶裸巖的成土速率越高．與對(duì)照淋溶處理相比，經(jīng)pH值為2.5，3.5，4.5和5.6的模擬降雨累計(jì)淋溶達(dá)2年降雨量后，遂寧組母巖成土率分別提高了1.86，0.53，0.33和0.28倍； 沙溪廟組母巖成土率分別提高了1.82，0.49，0.22和0.16倍； 蓬萊鎮(zhèn)組母巖成土率分別提高了1.60，0.61，0.43和0.27倍．說明隨著淋溶量的累積，酸性越強(qiáng)，母巖成土速率的增幅越大，尤其以pH值<3.5的模擬酸雨淋溶處理下的母巖成土率增加顯著．且模擬降雨淋溶作用下的母巖風(fēng)化成土速率是降雨量和降雨酸度共同作用的結(jié)果，模擬降雨量達(dá)1年時(shí)遂寧組、 沙溪廟組和蓬萊組母巖的平均成土率分別為2.19%，1.11%和0.56%(圖4a)，當(dāng)模擬降雨量達(dá)2年時(shí)，各組母巖平均成土率均有明顯的提高，分別為3.93%、 2.04%和1.15%(圖4b)．模擬不同pH值降雨淋溶處理下的3種紫色母巖的風(fēng)化成土率基本一致，從大到小均為J3s，J2s，J3p．同一酸度條件下的3組母巖成土率差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(p<0.05)，這主要是由于試驗(yàn)研究的3組紫色母巖樣品采樣點(diǎn)的不同而導(dǎo)致紫色母巖產(chǎn)狀的差異，進(jìn)而影響母巖顏色、 礦物組成、 節(jié)理發(fā)育及致密程度等特征，最終導(dǎo)致風(fēng)化程度的差異．

圖3 覆土淋溶后遂寧組母巖各粒徑顆粒組成比例的變化率

同種酸處理內(nèi)不同大寫字母(p<0.01)和同組母巖中的不同小寫字母(p<0.05)分別均表示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義．圖4 裸巖淋溶處理下母巖的成土率

與裸巖淋溶相比，不同土層覆蓋下的模擬酸雨淋溶均明顯降低了巖石的風(fēng)化成土率，模擬不同酸度值降雨淋溶下的母巖成土率隨覆土層厚度變化一致，覆土層厚度越深，母巖風(fēng)化成土速率越低，通過差異性分析發(fā)現(xiàn)，在相同的酸度處理下，各土層覆蓋下的母巖成土速差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(p<0.05)．與裸巖淋溶變化一致，除40 cm土層覆蓋下的母巖在模擬1年降雨量條件下成土速率表現(xiàn)為去離子水淋溶略高于pH值為3.5酸溶液淋溶外，其余均表現(xiàn)為模擬降雨的淋溶液酸性越大，各土層覆蓋下的母巖成土速越高，但僅覆土厚度為10 cm時(shí)，不同pH值淋溶下的母巖成土率差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(p<0.05)．與去離子水模擬降雨淋溶相比，pH值為3.5的模擬酸雨累積1年和2年淋溶處理下的母巖成土率平均增幅僅為28.58%和31.52%，其增幅明顯小于同等環(huán)境下裸巖淋溶處理下的母巖成土率的增幅(68.78%和52.60%)(圖5)．

同種酸處理內(nèi)和同組母巖中的不同小寫字母均表示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(p<0.05)．圖5 土層覆蓋淋溶處理下沙溪廟組母巖的成土率

圖6 母巖年均成土率與淋溶液pH值的相關(guān)關(guān)系

2.2.2 母巖年均成土率與淋溶液pH值間的相關(guān)關(guān)系

該模擬降雨淋溶時(shí)段內(nèi)的累計(jì)降雨量與2年降雨量相當(dāng)，因此，取其年均(1年降雨量)成土率作為母巖風(fēng)化成土速率的衡量指標(biāo)．就3組母巖年均成土率隨淋溶液pH值的變化來看，年均成土率均隨pH值增大呈指數(shù)降低，且以遂寧組和沙溪廟組的降幅較大．在pH值<4.5時(shí)，隨著淋溶液pH值降低，年均成土率有較大的增幅，但當(dāng)淋溶液pH值≥4.5時(shí)，這種增幅有減小的趨勢．蓬萊鎮(zhèn)組年均成土率隨淋溶液pH值變化的變幅相對(duì)較小且變化較為平緩，說明蓬萊鎮(zhèn)組母巖年均成土率對(duì)pH的敏感性比較小(圖6)．

為了定量分析淋溶液pH值和紫色母巖年均成土率的相互關(guān)系，對(duì)不同pH值處理下的母巖年均成土率進(jìn)行回歸分析．結(jié)果表明，3組母巖年均成土率與pH值呈較好的指數(shù)函數(shù)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2都在0.98以上，呈極顯著相關(guān)(p<0.01)，說明該回歸方程能夠較好的定量表達(dá)不同pH值降雨淋溶處理下的3組母巖年均成土率(表3)．

表3 年均成土率在不同pH下的回歸分析

3 討 論

3組紫色母巖礦物組成的差異是引起3組紫色母巖在酸溶液中的風(fēng)化成土速率存在差異的重要原因．構(gòu)成紫色母巖最主要黏土礦物的蒙脫石和伊利石具有獨(dú)特的疊層狀礦物結(jié)構(gòu)，親水性強(qiáng)，遇水膨脹、 失水收縮特征明顯．遂寧組和沙溪廟組黏土礦物比例相當(dāng)，分別占礦物總量的48%和47%，明顯高于蓬萊鎮(zhèn)組黏土礦物含量(39%)，且具有明顯親水能力的蒙脫石和伊利石比例也以遂寧組比例最高，達(dá)39%； 沙溪廟組次之，為34%； 蓬萊鎮(zhèn)組含量最小，僅為28%．由于蓬萊鎮(zhèn)組母巖黏土礦物比例明顯低于遂寧組和沙溪廟組，導(dǎo)致其在同等酸性條件下的風(fēng)化能力相對(duì)較弱．

母巖上部土層覆蓋厚度對(duì)成土速率影響顯著．以往的研究表明[31]，土層覆蓋下的紫色砂巖年均機(jī)械風(fēng)化厚度不足0.5 cm，而無土層覆蓋下的年均機(jī)械風(fēng)化厚度可達(dá)0.5～1.0 cm，紫色泥巖在有無土層覆蓋下的年均風(fēng)化厚度分別為0.5～3.0 cm和3～10 cm．劉剛才[18]通過對(duì)遂寧組、 沙溪廟組和蓬萊鎮(zhèn)組母巖分別覆蓋10 cm，20 cm，40 cm和60 cm厚度土層下的成土速率研究發(fā)現(xiàn)，隨著覆蓋土層厚度的增加，母巖成土速率逐漸減少，主要是由于隨著土層厚度的增加，母巖表面的水熱變化越弱，從而導(dǎo)致母巖機(jī)械風(fēng)化速率的降低．

方差分析結(jié)果表明，覆土層厚度和淋溶液pH值均對(duì)遂寧組母巖年均成土率有極顯著影響(p<0.001)，而土層厚度和淋溶液pH值的交互作用對(duì)遂寧組母巖的年均成土率沒有顯著影響(p=0.129)，說明覆土層厚度對(duì)母巖風(fēng)化速率的影響不因pH值而改變．酸溶液對(duì)母巖風(fēng)化的影響不僅在于水-巖作用下的物理崩解，同時(shí)由于酸的化學(xué)侵蝕作用使母巖樣品中的蒙脫石、 伊利石等礦物溶解、 分解、 膠結(jié)物含量降低，破壞巖體完整性，進(jìn)而促進(jìn)巖石的風(fēng)化崩解．裸巖淋溶處理的酸溶液直接作用于巖石表面，因此，處于酸溶液接觸面的巖石表面礦物會(huì)與酸溶液發(fā)生一系列理化反應(yīng)[32]，改變母巖的微細(xì)觀結(jié)構(gòu)，破壞巖石顆粒和晶格間的連接，引起巖石力學(xué)性能劣化發(fā)生崩解．而覆土母巖進(jìn)行淋溶時(shí)，酸溶液首先作用于覆蓋土壤層，隨后土壤淋濾液才與母巖接觸產(chǎn)生作用．土壤作為酸沉降的接收系統(tǒng)，外源酸性物質(zhì)的輸入，導(dǎo)致土壤系統(tǒng)承載H+的載荷增加，會(huì)引起土壤酸化．但同時(shí)，土壤及其母質(zhì)由于化學(xué)風(fēng)化釋放鹽基離子，并消耗H+，從而緩沖土壤酸化．研究表明[33，29]，由于土壤對(duì)外源質(zhì)子的緩沖能力，模擬不同酸度的降雨淋溶后的淋濾液pH值均有一定程度的提高．土壤的酸緩沖能力主要取決于土壤pH值、 鹽基飽和度及無機(jī)離子含量等．紫色土屬于典型的巖性土，土壤肥力繼承母巖特性，具有高肥力特性．由于其化學(xué)成分具有較強(qiáng)的化學(xué)穩(wěn)定性，同時(shí)由于母質(zhì)鹽基物質(zhì)的不斷補(bǔ)充，導(dǎo)致紫色土對(duì)外源質(zhì)子具有較強(qiáng)的緩沖能力[34]．因此，模擬酸雨淋溶液經(jīng)覆蓋土層后再作用于母巖時(shí)，導(dǎo)致作用于母巖溶液的酸度較初始淋溶液有所降低，且淋濾液中的離子強(qiáng)度和離子濃度也有所增加，在很大程度上阻礙了淋濾液作用于母巖時(shí)與母巖表面礦物反應(yīng)的進(jìn)行[35]，最終導(dǎo)致在相同的模擬酸淋溶條件下，淋溶裸巖的風(fēng)化速率明顯高于覆土處理下的母巖風(fēng)化速率．除覆土厚度為10 cm外，其余厚度土層覆蓋下的紫色母巖經(jīng)不同pH值降雨淋溶后的母巖年均成土率差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(p>0.05)，說明隨著覆土層厚度的增加，淋溶液pH值對(duì)母巖風(fēng)化成土率的影響作用減弱； 但隨著覆土層厚度的增加，母巖接收到的淋溶液體積減少，母巖年均成土率越低．因此，在土層覆蓋影響下的母巖年均風(fēng)化率的差異主要是由物理風(fēng)化作用的影響為主，而化學(xué)侵蝕作用的影響隨覆土層厚度增加而減弱．

4 結(jié) 論

基于研究區(qū)酸沉降背景，以遂寧組、 沙溪廟組和蓬萊鎮(zhèn)組紫色泥巖為研究材料，采用模擬自然降雨進(jìn)行淋溶試驗(yàn)，分析模擬酸雨淋溶對(duì)紫色母巖風(fēng)化的影響，結(jié)果表明：

(1) 與淋溶前各徑級(jí)的母巖顆粒組成相比，淋溶液酸性越強(qiáng)，3組母巖粒徑小于5 mm顆粒比例增幅越大，且遂寧組和沙溪廟組母巖粒徑大于20 mm顆粒比例減幅越大，而蓬萊鎮(zhèn)組大顆粒減幅隨淋溶液pH值變化無統(tǒng)一的規(guī)律呈現(xiàn)； 3組母巖在不同pH值降雨淋溶處理下的顆粒直徑小于5 mm組分比例變幅從大到小依次均為遂寧組、 沙溪廟組、 蓬萊鎮(zhèn)組．遂寧組母巖覆土淋溶處理的各粒徑變化幅度較裸巖淋溶處理低，但其規(guī)律基本一致，且各粒組比例的變幅隨覆蓋土層厚度的增加基本呈降低趨勢．

(2) 模擬不同pH值降雨淋溶處理下的母巖風(fēng)化成土速率因巖石的產(chǎn)狀及礦物組成等差異而有所不同，淋溶裸巖和覆土淋溶處理下的母巖成土率從大到小依次均為遂寧組、 沙溪廟組、 蓬萊鎮(zhèn)組，且淋溶液酸性越強(qiáng)，母巖的風(fēng)化成土速率越高，3組母巖年均成土率與pH值均呈顯著的指數(shù)函數(shù)關(guān)系(p<0.05)．

(3) 通過對(duì)比累計(jì)淋溶1年降雨量和2年降雨量下母巖的成土率差異發(fā)現(xiàn)，在裸巖淋溶處理下的母巖成土率隨累計(jì)淋溶量增加而增加的幅度因淋溶液pH值的差異而有所不同，酸性越強(qiáng)，母巖成土速率增幅越大．經(jīng)pH值為2.5，3.5，4.5，5.6和7.0的模擬降雨累計(jì)淋溶量達(dá)2年降雨量時(shí)，遂寧組、 沙溪廟組和蓬萊鎮(zhèn)組母巖的成土速較1年降雨量時(shí)分別提高了0.28～1.86倍、 0.16～1.82倍和0.27～1.60倍．

(4) 分別以pH值為3.5的酸溶液和去離子水對(duì)遂寧組母巖覆蓋10 cm，20 cm和40 cm的紫色土后進(jìn)行模擬降雨淋溶發(fā)現(xiàn)，與裸巖淋溶相比，不同土層覆蓋下的模擬不同pH值降雨淋溶均明顯降低了巖石的風(fēng)化成土速率，且覆蓋土層厚度越深，母巖風(fēng)化成土速越低； 各土層覆蓋下的母巖風(fēng)化成土速率差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(p<0.05)，且隨著覆土層深度的增加，覆土層對(duì)酸溶液的緩沖能力增加，酸作用對(duì)母巖的影響減弱，導(dǎo)致成土速率因淋溶液pH值的差異性隨土層深度的增加而降低．