中国南方丘陵区不同母岩型红土成土特征研究——以赣南地区为例

熊平生

（衡阳师范学院 资源环境与旅游管理系，湖南 衡阳 421002）

红土成土过程，是指在各种成土因素的综合作用下，红土发生发育的过程，包括岩石的崩解，矿物质和有机质的分解、合成，以及物质的淋失、淀积、迁移和生物循环等方面［1］。赵其国［2］认为南方红壤的形成是脱硅富铝化过程与生物富集过程两种相互作用的结果，脱硅富铝化过程是红壤形成的基础，而生物富集过程是现代生物富集作用影响红壤发育的过程，这两个过程对红壤形成的影响是相互统一，不可分割的。黄镇国等［3］根据南方70多处红色风化壳的实例对比研究发现，风化强度由弱到强依次为：紫红色砂页岩、砂页岩、石灰岩、第四纪红粘土、第四纪新沉积物、花岗岩、玄武岩；磁化率大小顺序为：玄武岩＞花岗岩＞第四纪红粘土＞砂页岩；本文将围绕红土剖面常量元素的含量和迁移、微量元素的含量和迁移、剖面风化特征和磁化率变化特征对赣南红土的成土特性进行分析。

1 采样和测试

本次剖面研究选择人工挖掘的新鲜红土剖面，剖面与剖面之间的距离大于或等于10km，并以20 cm间距对剖面采样，为了进行对比，分别对第四纪红土剖面：黄金（HJ）剖面和沙河（SH）剖面以及花岗岩型红土剖面田村（TC）剖面各采集了21个、21个和45个样品。

化学成分分析在南京师范大学地理科学学院完成，用荷兰PANalytical公司生产的Minipal4荧光光谱仪完成。磁化率的实验测试在西南大学地理科学学院第四纪实验室完成，使用英国Bartington仪器公司的MS2型磁化率测量仪。

2 结果和讨论

2.1 常量元素

2.1.1 常量元素含量

从黄金（HJ）、沙河（SH）和田村（TC）剖面样品常量化学元素分布（见图1）可知，除Ca波动较少外，其余各常量元素在红土垂向上均有不同程度的波动。样品常量化学元素以SiO2、Al2O3、Fe2O3为主，三者之和达90%以上。三个剖面硅元素含量都很高，铁元素和铝元素含量较低，钙、钾和钠含量很少。黄金（HJ）剖面：SiO2含量分布范围在43.99%～97.08%，平均为65.16%；Al2O3含量分布范围为7.26%～13.53%，平均为10.33%；Fe2O3含量分布范围在1.3%～18.098%，平均为5.51%；K2O含量分布范围在0.42%～0.81%，平均为0.64%；CaO含量分布范围为0.05%～0.11%，平均为0.641%。沙河（SH）剖面：SiO2含量分布范围在62.34%～99.87%，平均为83.78%；Al2O3含量分布范围为9.41%～19.37%，平均为13.01%；Fe2O3含量分布范围在1.16%～6.8%，平均为2.44%；K2O含量分布范围在0.65%～2.26%，平均为0.97%；CaO含量分布范围为0.05%～0.06%，平均为0.05%。田村（TC）剖面：SiO2含量分布范围在61.27%～76.25%，平均为69.04%；Al2O3含量分布范围为17.59%～22.49%，平均为19.54%；Fe2O3含量分布范围在3.24%～4.62%，平均为4.00%；K2O含量分布范围在1.33%～3.66%，平均为2.62%；CaO含量分布范围为0.06%～0.16%，平均为0.07%；Na2O含量分布范围在0.04%～0.12%，平均为0.10%。

此外，Al2O3曲线、SiO2曲线表现出相同的变化趋势，与Fe2O3的波动正好相反，Na、K同为碱金属。Na2O曲线、K2O曲线的波动步调相近似，两者与SiO2的波动步调也较为相似。CaO在三个红土剖面波动不大，黄金（HJ）剖面和沙河（SH）剖面中部没变化，只有在剖面顶部出现富集现象。

2.1.2 常量元素的迁移

元素绝对含量变化往往并不能真实地反映风化成土过程中元素的地球化学行为，因为在化学风化的过程中，活动性元素的淋失会直接造成样品中稳定性元素的浓度增加（残留富集），从而掩盖了这一过程中元素迁移或者富集的真实面目，为了消除这种影响，往往采用某一种稳定性元素（如Ti、Al等）作为参照，计算样品中其他元素的变化率来获知元素的迁移与富集程度计算公式［4］：

式中Xa、Ia代表样品中元素X和参比元素I的含量；Xb、Ib为上述元素在原始母质中的含量。如果Δ小于零，则反映元素X相对参比元素迁出；若Δ大于零，则反映元素X相对富集［5］。

图1 赣南地区第四纪红土剖面常量元素变化图（A）HJ剖面（B）SH剖面（C）TC剖面Figure1.Major elements change chart of red clay section in Gannan region

本研究田村剖面为例，以Al为参照元素，经过运算（见图2）可知，常量元素中绝大部分元素的△值小于零，表明在化学风化过程中发生了迁移淋失，其中Si、K、Ca、Na、Mg元素△＜0且｜△｜＞20%，平均迁移率分别为22.72%、39.89%、97.35%、94.94%、52.50%，说明发生了显著的迁移，具有强活动性元素的特征。其中Na、Ca元素｜△｜为大于90%，表明这两种元素相对于Al元素发生了大量的迁移；其次，Mg、K元素｜△｜变动范围11.8～82.5%；Si｜△｜变动范围为20～40%，说明整个剖面中以迁移淋失为主。Fe元素△值全部为正数，平均值为111%，相对于Al元素表现为重度富集的特征，表明Fe元素非常稳定，以淀积为主。

图2 田村（TC）剖面红土常量化学迁移量曲线Figure2.The major elements migration rate chart of Tiancun（TC）red clay section

田村（TC）剖面6个常量元素迁移率在剖面中的变化：最稳定的元素是Fe，活动性中等的元素是Si，较强活动性元素是Mg和K，强活动性元素Ca和Na。从K、Ca、Mg和Na的迁移程度来看，剖面由下往上活动性元素的迁移程度有逐渐增强的趋势，其中K和Ca元素的迁移率变化大致以3.5m深度为界，剖面上段K和Ca的迁移率呈现直线增加，而剖面下段迁移率呈现波状变化。Fe元素以3.5m深度为界，剖面上段Fe元素迁移率变化较稳定，剖面下段Fe的迁移率出现较大幅度的波动，上部富集程度比下部大。这种变化说明剖面上段的风化及淋溶作用程度要强于剖面下段，使得活动性元素大量分解、淋失，而稳定性元素Fe大量富集。活动性依次增强的Mg、K、Na和Ca元素在整个剖面中基本上均表现为淋溶迁移的特征，且剖面下段的迁移程度较剖面上段更强，波动的幅度也更大。

2.2 微量元素

2.2.1 微量元素的含量

田村（TC）红土剖面主要微量元素含量（见图3），剖面Cr元素平均含量为20.09ppm，变化范围为13.7～23.6ppm；Mn元素的平均含量为977.42 ppm，变化范围为647～1 359ppm；V元素的平均含量为58.16ppm，变化范围为43.6～70.2ppm；Ti元素平均含量为2 718ppm，变化范围为2 479～2 496ppm。Cr元素和Mn元素变化曲线形态相近似，V元素和Ti元素曲线形态上也有些相近似。上述几种微量元素变化规律：由剖面下部往上总体上呈现递增的趋势，局部也出现波动。

图3 田村（TC）红土剖面微量元素含量曲线Figure3.The trace elements content curve chart of Tiancun（TC）red clay section

2.2.2 微量元素的迁移和累积

上述讨论了常量元素的富集特征，以惰性的铝作为假定不移动的元素，与此相仿，讨论微量元素的富集程度，我们用活动性很低的钛元素作为假定不移动的元素，来计算微量元素的淋溶系数t，t为负值，表示迁移率；t为正值，表示了累积率。微量元素淋溶系数计算式如下：

式中，t为淋溶系数；t1为母岩中该元素的含量，t2为在Ti含量不发生变化的情况下，风化壳中该元素的含量；t′为风化壳中该元素的含量［3］。

经过运算（见图4）可知，田村剖面由下部往上微量元素的累积率逐渐增强，整个剖面累积率变化范围为0.2～0.5之间，属于中度累积。剖面V含量很低，剖面下部（＞450cm）该元素累积率小于0.2，属于弱累积。而剖面上部（＜450cm）累积率界于0.2～0.5之间，属于强累积。研究发现，V在氧化条件下，以可溶态的H2VO4－形式被淋失，而在还原环境下，呈V3＋呈残余态存在，与Fe共沉淀或被粘土矿物吸附［6］。剖面Cr的累积情况跟V元素相似，以450cm为界，剖面上部属于强累积，剖面下部属于弱累积。研究发现，Cr的分布强烈受控于氧化还原条件，可溶性的HCrO4－可以出现在强烈氧化环境中会发生迁移［7］。剖面Mn累积率呈现波动变化，多数样品的累积累为大于0.5，属于强累积。研究发现，Mn是变价元素，地球化学活动性受氧化—还原条件所制约，还原环境下Mn（II）呈易溶态，含Mn矿物在风化过程中释放出的Mn（II）经氧化转变成Mn（IV）从溶液中沉淀出来，迁移能力就会降低［7］。

图4 田村（TC）红土剖面样品的微量元素累积曲线图Figure4.The trace elements accumulation rate chart of Tiancun（TC）red clay section

2.3 风化特征

红色风化壳不同风化程度可以用风化系数表示，一 般 用 硅 铝 系 数（SiO2／Al2O3）、铝 铁 系 数（Al2O3／Fe2O3）和铝铁硅系数（R2O3／SiO2）来表示，前两者数值越小，说明风化程度越高，后者越高说明风化程度越高，此外，红色风化壳中粘粒（＜1μm）组分含量大，反映风化作用强（黄镇国，1996）。本研究还比较了三个红土剖面的富铁系数（Fe2O3／Al2O3）和残余系数（Al2O3＋Fe2O3）／SiO2）。

由（图5）得知，黄金（HJ）剖面硅铝系数平均值为10.87，变化范围为6.15～19.15；铝铁系数平均值为3.95，变化范围为1.05～15.91；铝铁硅系数0.15，变化范围为0.09～0.27；富铁系数平均值为0.34，变化范围为0.06～0.95；残余系数平均值为0.13，变化范围为0.07～0.34；（＜1μm）粘粒含量平均值为11.08%。沙河（SH）剖面硅铝系数平均值为11.25，变化范围为7.54～19.15；铝铁系数平均值为10.63，变化范围为2.84～19.25；铝铁硅系数0.10，变化范围为0.07～0.16；富铁系数平均值为0.12，变化范围为0.06～0.35；残余系数平均值为0.10，变化范围为0.07～0.16；（＜1μm）粘粒含量平均值为6.12%。田村（TC）剖面硅铝系数平均值为5.96，变化范围为4.97～6.99；铝铁系数平均值为9.55，变化范围为6.69～20.20；铝铁硅系数0.18，变化范围为0.15～0.22；富铁系数平均值为0.13，变化范围为0.11～0.13；残余系数平均值为0.18，变化范围为0.16～0.22；（＜1μm）粘粒含量平均值为1.88%。对照黄镇国（1996）红色风化壳富铝化程度划分标准，可以初步判断：黄金（HJ）剖面、沙河（SH）剖面和黄金（HJ）剖面都属于轻度富铝化程。

图5 赣南地区第四纪红土剖面风化特征参量变化图（a）HJ剖面（b）SH剖面（c）TC剖面Figure5.Weathering characteristics values of red clay section inGannan region

黄金剖面硅铝系数（SiO2／Al2O3）曲线的变化形态和铝铁系数（Al2O3／Fe2O3）曲线的变化形态比较一致，但它们与铝铁硅系数（R2O3／SiO2）曲线变化形态大致相反。铝铁硅系数（R2O3／SiO2）曲线变化形态与富铁系数曲线、残余系数曲线和（＜1μm）粘粒含量曲线的变化形态较为一致；沙河剖面硅铝系数曲线和铝铁系数曲线形态的相似性不如黄金剖面，但铝铁硅系数（R2O3／SiO2）曲线趋势和硅铝系数曲线步调相反，残余系数曲线、铝铁硅系数曲线与（＜1μm）粘粒含量曲线的变化形态较为一致。田村剖面率铁系数曲线、铝铁硅系数曲线、富铁系数曲线、残余系数曲线和（＜1μm）粘粒含量曲线的变化形态较为一致，但它们与硅铝系数曲线步调近似相反。

2.4 磁化率特征

通过对赣南地区红土剖面样品质量磁化率测定，运算结果见（图6）。黄金（HJ）剖面低频质量磁化率平均值为166.6×10－8m3／kg，变幅范围为115.4～211.5×10－8m3／kg；沙河（SH）剖面低频质量磁化率平均值为162.0×10－8m3／kg，变幅范围为100.8～246.7×10－8m3／kg；田村（TC）剖面低频磁化率平均值为327.32×10－8m3／kg，变幅范围为60.69～451.73×10－8m3／kg。两个第四纪红粘土（HJ和SH）低频质量磁化率平均值相近似，比花岗岩红色风化壳（TC）剖面低。

图6 赣南地区红土剖面低频质量磁化率变化图Figure 6.Low－frequency massic magnetic susceptibility of red clay section inGannan region

黄金（HJ）剖面样品HJ－8和HJ－20层质量磁化率较高，不同层位低频质量磁化率的关系：均质红土土层（平均为116.3×10－8m3kg－1）＜红壤层（128×10－8m3kg－1）＜网纹红土层（平均为174.26×10－8m3kg－1）。沙河（SH）剖面样品SH－5、SH－15层质量磁化率较高，不同层位低频质量磁化率的关系：均质红土土层（平均为120.1×10－8m3kg－1）＜网纹红土层（平均为159.99×10－8m3kg－1）。田村红土剖面中样品TC－19、TC－33和TC－41层质量磁化率值较高，分 别为451.73×10－8m3kg－1、416.59×10－8m3kg－1、420.48×10－8m3kg－1。剖面上半部（0～420cm）磁化率（Xlf）平均值为341.15m3kg－1，高于剖面下半部（430～900cm）磁化率（Xlf）平均值为325.22m3kg－1。田村（TC）剖面不同红土层位低频质量磁化率大小关系：红壤层（270.58×10－8m3kg－1）＜均质红土土层（平均为284.48×10－8m3kg－1）＜网 纹 红 土 层（平 均 为331.84×10－8m3kg－1）。

3 结 论

（1）三个红土剖面硅元素的含量都很高，平均值都在60%以上，铁元素和铝元素含量较低，钙、钾和钠含量很少。田村红土剖面常量元素Si、K、Ca、Mg和Na在整个剖面中基本上均表现为淋溶迁移的特征，Si元素平均迁移量为22.72%、K元素为39.89%、Ca元素为97.35%、Na元素为94.94%、Mg元素为52.50%，由剖面下部往上表现出迁移程度有逐渐增强的趋势。Fe元素和AI元素为富集元素，剖面上部比下部富集程度略大。这些现象皆为我国南方红土脱硅和富铝化过程的一般特征。剖面微量元素V、Cr和Mn累积率多数样品位于0.2～0.5之间，属于中度累积，并且由剖面下部往上呈现逐渐增强的趋势。这些都说明了赣南地区红土在当前气候条件下仍进行着明显的脱硅和富铝化作用。

（2）黄金（HJ）剖面硅铝系数平均值为10.87，铝铁系数平均值为3.95，铝铁硅系数为0.15；沙河（SH）剖面硅铝系数平均值为11.25，铝铁系数平均值为10.63，铝铁硅系数0.10；田村（TC）剖面硅铝系数平均值为5.96，铝铁系数平均值为9.55，铝铁硅系数0.18。由此可以判断，三个红土剖面属于轻度富铝化程度。三个红土剖面硅铝系数值、铝铁系数值由剖面底部往上呈现递减的趋势，而铝铁硅系数曲线值由底部往上呈现递增的趋势，说明三个剖面风化程度由底部往上呈现出越来越强的趋势。此外，黄金（HJ）剖面、沙河（SH）剖面和田村（TC）剖面（＜1μm）的粘粒百分含量值由底部往上总体趋势是逐渐增大，也反映了红土剖面风化程度低由部往上增强的趋势，三个剖面曲线变化存在锯齿状波动，尤其黄金剖面风化系数曲线波动的更厉害，说明风化程度也不是完全按照由底部往上正向递增的变化。

（3）三个剖面不同红土层低频质量磁化率大小关系大致为：红壤层＜均质红土层＜网纹红土层网位。具体来说，黄金剖面：均质红土土层（平均为116.3×10－8m3kg－1）＜红 壤 层（128×10－8m3kg－1）＜网 纹 红 土 层（平 均 为174.26×10－8m3kg－1）。沙河剖面均质红土土层（平均为120.1×10－8m3kg－1）＜网纹红土层（平均为159.99×10－8m3kg－1）。田村（TC）剖面红壤层（270.58×10－8m3kg－1）＜均质红土土层（平均为284.48×10－8m3kg－1）＜网 纹 红 土 层（平 均 为331.84×10－8m3kg－1）。第四纪红土低频质量磁化率平均值低于花岗岩红土。三个剖面接近地表的样品同时出现了相似的情况：如黄金剖面（TC－1、TC－2、TC－3、TC－4）、黄金剖面（HJ－1、HJ－2、HJ－3）和沙河剖面（SH－1、SH－2、SH－3）低频质量磁化率值反而降低，可能与赣南地区长期高温多雨的气候环境有关，在这种的湿热的气候环境下，细颗粒包括细粒磁性矿物发生流失，从而造成低频质量磁化率降低。

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