金华高村红土剖面的粒度与磁化率特征研究

刘莉红，叶 玮

（浙江师范大学地理与环境科学学院，浙江 金华321004）

中国南方广泛分布着第四纪红土，而且其成因类型多样[1]。该类红土与北方黄土不同，通常呈酸性，pH值在4.5～6.3 之间，没有碳酸盐反映，地表过程主要为脱硅富铝化作用，堆积后经历长期的化学风化作用[2-7]。

金衢盆地地处中亚热带，是浙江省内最大的盆地，盆地广泛沉积白垩系红色砂岩，也是加积型红土发育盆地之一。前人曾经对金衢盆地加积型红土的粒度、地球化学特征进行过相关研究[8]，但成果相对较少，特别是红土磁学特征的相关研究报道较少。因此，笔者以高村加积型红土为对象，研究其粒度组成、剖面磁化率特征及总碳（TOC）含量变化等相关指标，以期为深入解读加积型红土的形成环境提供依据。

1 材料与方法

1.1 金华高村红土剖面概述

金衢盆地是浙江省内最大的盆地，斜贯浙江中部，走向近东西，长170 km，南北宽10～20 km，面积约3 600 km2，属于亚热带季风气候，盆地广泛沉积白垩系红色砂岩[9-10]。四季分明，有明显的干、湿季节之分，光、热、水条件优越，有着“浙江聚宝盆”之美誉。年平均气温17.3～18.2℃；年降水量1 109.0～1 305.2 mm，6月初进入梅雨季节，连续降雨时间比较长；年日照时数1 528.8～1 808.9 h，盆地小气候多样[11]。

所研究的红土剖面位于金华市婺城区高村（以下简称GC），地理坐标为29°08′30.3″N，119°38′7.87″E，海拔高度为77.3 m。采样剖面出露厚度3.6 m，未见底。自上而下可分为表土层、均质红土、均质-网纹过渡层、网纹红土层。（1）表土层（0～20 cm）：表土为典型的红壤，结构疏松，有植物生长，多植物根系和孔洞。（2）均值红土层（20～150 cm）：均质红土比较厚。（3）均质-网纹过渡层（150～200 cm）：均质红土与网纹红土交界处铁锰结核。（4）网纹红土层（200～350 cm）：网纹为红、白、黄色相间，以黄色为多，红色为基调；网纹层可以分为两部分，上部网纹层的质地比较细，网纹形态比较细小密集，而下部的网纹层的质地比较粗，网纹的形态比较大，进而还可把网纹层分为粗网纹层和细网纹层。网纹红土之下为风化砾石层，由于风化作用的影响，二者之间界限模糊。风化砾石层中的砾石磨圆度较好，大小混杂，部分砂岩、粉砂岩类的砾石已经风化，仅保留外形。砾石层也呈现出明显的网纹化的特征。

1.2 样品采集及试验仪器

研究自下而上总共采集34个样品，前30个样品为间隔10 cm 采样，后4个样品是间隔15 cm 采样。主要试验仪器有Mastersizer 2000 型激光粒度仪（英国MALVERN 仪器公司）、MS2 型磁化率仪（英国Bartington 仪器公司）、Liqui‖TOC 总有机碳分析仪（德国Elementar 公司）。

1.3 试验方法

1.3.1 粒度分析 将所采集到的样品在室内自然风干，剔除杂物。称取0.2 g 左右于烧杯中，加入10 mL H2O2（H2O︰H2O2=2︰1）浸泡12 h，去除样品中的有机质。然后在电热板上加热，去除残余H2O2。冷却后，在烧杯中加满去离子水，静置24 h，再抽去上部的清液，加入10 mL NaOH 溶液（0.5 mol/L）作分散剂，用超声清洗器振荡约15 min，使样品充分分散，最后上机测试。

1.3.2 磁化率测量 取一定量烘干样品，碾碎成粉末，称取5 g，装入聚氯乙稀样品盒内，在磁化率仪中测试样品的低频和高频磁化率值，并计算百分频率磁化率Xfd（%）=（Xlf-Xhf）/Xlf×100。

1.3.3 总碳（TOC）含量 将烘干至恒重的土壤样品置于陶瓷研钵中研磨至粉末状，用分析天平精确称取适量土壤样品放在特定的样品测定盒中，用TOC 仪测定土壤样品的TOC 含量。

所有试验分析项目均于2013年在浙江师范大学地理过程实验室完成。

2 结果与分析

2.1 高村红土剖面的粒度特点

2.1.1 粒度组成 GC 红土剖面的粒级组成特征如下：（1）砂（＞63 μm）的含量为0～11.56%，平均6.03%；粉砂（4～63 μm）含量为56.55%～67.77%，平均63.85%，从粗粉砂（10～63 μm）和细粉砂（4～10 μm）含量的比较来看，粗粉砂含量平均值（39.10%）明显高于细粉砂（24.75%）；黏粒（＜4 μm）含量为27.35%～43.45%，平均30.12%；（2）从粘土-粉砂-砂含量构成的粒度组成三角图来看（图1），不同深度样品的粘土-粉砂-砂含量略有不同，粉砂（4～63 μm）所占的百分数明显高于砂和粘土，说明整体粒径组成相对较细，属于黏土质粉砂。

图1 高村红土剖面土壤样品粒度组成三角图

2.1.2 频率曲线特征 粒度频率曲线一般用于表示沉积物粒度特征、各粒级的相对含量和粒度参数，可反映沉积物的粒度分布。有学者研究认为粒度的频率分布曲线具有很好的物源示踪意义[12]。粒度频率分布曲线主要分为两大类，即单峰分布和双峰分布。单峰频率曲线一般出现在只有单一碎屑物质来源，并且经过较长距离搬运的沉积物中；而多峰及过渡型的粒度分布则由2个或更多粒度“终极成分分布型”叠加而成[13]。GC 的剖面频率分布曲线呈明显多峰分布，说明该地红土沉积环境的复杂性和多样性。最大的峰值出现在6φ 和8φ 处，在4φ 处出现较小的峰值。

2.1.3 粒度组分对比 从GC 红土剖面的粒度组分对比中可以看出，粉砂和黏粒是组成该剖面的主要物质。由表1 可知，大于50 μm 的组分含量处于3.40%～16.41%之间，平均9.072%；10～50 μm 组分含量处于24.77%～39.82%之间，平均36.06%；5～10 μm 组分含量处于15.21%～21.78%之间，平均17.57%；＜5 μm 的组分含量处于34.07%～53.18%之间，平均37.30%。在黄土研究中，10～50 μm 粒级组分被认为是风尘的“基本粒组”。GC 红土剖面10～50 μm 组分含量平均36.06%，＜5 μm 组分含量最高，平均为37.30%。10 μm以下细粒粉尘的主要搬运方式是通过高空长距离悬浮。这与杨立辉等[14]人提出的第四纪加积红土组份相似，原因可能是西风气流的搬运是远源粉尘的主要动力，或者南方的高温高湿气候条件，使粉尘沉积后经历了强烈的风化成壤作用。

通过对采样地点的观察发现，与上部比较，GC 红土剖面下部及其附近地面露出大量的风化砾石层，而且砾石的磨圆度较好，大小砾石混杂，由此可以推测剖面的下部是河流沉积相。GC 红土剖面的这一结论与Hu X F 等[15]的研究结果一致，即红土剖面呈现出AB 型相似的二元结构。A 型表现出明显的风成作用，B 型表现出明显的水成作用。AB 混合型主要分布于A 型与B 型之间，大约在28°～29°N，根据粒径可明显把AB 混合型分为两部分。上部与A 型或下蜀黄土相近，砂粒含量较低，粗粉砂相对富集，GC 红土剖面从粉砂粒级段内比较来看，粗粉砂含量平均值（39.10%）明显的高于细粉砂（24.75%）。下部与B 型相似，有砾石出现，粗粉砂含量低，与GC 红土剖面下部有风化砾石出现相符。

表1 不同深度GC 红土剖面的各种粒度组分比例（%）

2.2 磁化率分析

磁化率是衡量物质被磁化难易程度的一种度量，可作为土壤形成和发育程度的指标。磁化率曲线的波动变化反映环境的冷暖干湿变化，对环境的指示意义重大，因此是重要的气候代用指标[16]。如图2 所示，GC红土剖面的质量磁化率随着土壤剖面深度的加深而逐渐变小。从34个样品的磁化率测试结果来看，其质量磁化率变化范围在7.77×10-8～44.21×10-8m3/kg 之间，百分频率磁化率值（Xfd）在220 cm 出现最大峰值。

土壤中的细颗粒组分与成壤强度有关，一般黏粒的含量越高，表示的成土作用越强。当磁化率数值增大时，土壤发育程度强，其中的超顺磁性颗粒含量较多，成壤期气候较暖和，微生物作用强烈。反之，则表明当时环境寒冷，样品中超顺磁性颗粒的含量较少，磁化率值降低[17]。从图2 中可以看出，百分频率磁化率经过多次的波动变化，说明这个剖面沉积期间经历了数次气候波动。

图2 GC 红土剖面不同深度土壤的磁化率和TOC 变化

2.3 TOC 分析

TOC 是指存在于土壤中所有含碳的物质，包括有机碳和无机碳两部分。土壤有机质含量的变化是土壤质量与土壤持续能力的重要表征。总有机碳（TOC）是对剖面所在地周围环境生物综合生产力状况的直接体现。一般来说，高TOC 值对应暖期，低TOC 值对应冷期。例如：图2 所示GC 红土剖面土壤样品中TOC值总体不高，从地表向下，其值大致呈波动下降趋势。距地表0～60 cm 的样品中TOC 值最高，这与土壤表层腐殖质含量较高以及雨水淋溶作用有关。距地表180 cm 和345 cm 处波峰明显凸起，可能是此处有植物根系，而其余各层样品中TOC 值差别不大，比较稳定，从120～360 cm 向下大致呈波动下降趋势。

3 结论

研究结果表明，GC 红土剖面的粒度曲线具有多峰特征，体现了其沉积环境的复杂性和多样性；最大峰值分别出现在6 φ 和8 φ 处，在4 φ 处出现较小的峰值；其上部粒度组分与加积型红土相似系风成成因，剖面下部出现风化砾石，粗粉砂含量低，有明显的水成作用，是由冲积、洪积发展而成，剖面整体呈现二元结构，与前人的研究一致；从剖面的磁化率曲线可以看出，其形成环境经历了数次的冷暖交替，指示了古环境变化；土壤样品中TOC 值总体不高，从地表向下，其值大致呈波动下降趋势。由于剖面样品的磁学特征仅仅测量了磁化率，其他磁学参数有待在今后的研究中进一步分析。

[1]刘东生.黄土与环境[M].北京：科学出版社，1985.

[2]胡雪峰，朱 煜，沈铭能.南方网纹红土多元成因的粒度证据[J].科学通报，2005，50（9）：918-925.

[3]胡雪峰，沈铭能，方圣琼.皖南网纹红土的粒度分布特征及古环境意义[J].第四纪研究，2004，24（2）：160-166.

[4]朱照宇，郑洪汉，张国梅，等.华南热带红土期及风化矿物初步研究[J].第四纪研究，1991，11（1）：18-27.

[5]朱照宇，王俊达，黄宝林，等.红土·黄土·全球变化[J].第四纪研究，1995，15（3）：267-275.

[6]李庆透.中国红壤[M].北京：科学出版社，1985.

[7]席承藩.关于中国红色风化壳的几个问题[J].中国第四纪研究，1965，4（2）：42-54.

[8]朱丽东.中亚热带加积型红土及其所记录的第四纪环境变化探讨[D].兰州：兰州大学，2007.

[9]李建武，叶 玮，朱丽东，等.金衢盆地红土地球化学特征[J].土壤通报，2010，41（1）：34-37.

[10]朱丽东，叶 玮，周尚哲，等.金衢盆地第四纪红土沉积粒度组成特征[J].海洋地质与第四纪地质，2006，26（4）：111-116.

[11]胡雪峰，程天凡，巫和听.南方网纹红土内是否可能存在多个“沉积—成土”过程的旋回[J].科学通报，2003，48（9）：969-975.

[12]刘良梧，茅昂江，胡雪峰.磁化率—沉积、成土作用环境的指示剂[J].土壤，2001，33（2）：98-101.

[13]Syvistski J P M.Factor analysis of size frequency distributions:significance of factor solutions based on simulation experiments[M].Cambridge：CambridgeUniversity Press，1991.

[14]杨立辉，叶 玮，朱丽东，等.第四纪加积型红土与黄土的风成相似性探讨[J].干旱区地理，2008，31（3）：341-347.

[15]Hu X F，Wei J，Du Y，etal.Regionaldistribution of theQuaternary Red Clay with aeolian dust characteristics in subtropical China and its paleoclimatic implications[J].Geoderma，2010，159：317-334.

[16]Hu X F，Wei J，Xu L F，etal.Magnetic susceptibility of the Quaternary Red Clay in subtropical China and its paleoenvironmental implications[J].Palaeogeography，2009，279：216-232.

[17]蔡方平，胡雪峰，杜 艳，等.安徽郎溪黄棕色土-红土二元结构土壤剖面的成因与长江流域第四纪晚期古气候演变[J].土壤学报，2012，49（2）：220-229.