不同侵蚀强度下崩岗表层土壤稀土元素分布特征及影响因素

赵纪涛，陈志彪，陈志强，姜超，区晓琳，任天婧，方芸芸

（福建师范大学地理研究所，福建福州350007）

不同侵蚀强度下崩岗表层土壤稀土元素分布特征及影响因素

赵纪涛，陈志彪*，陈志强，姜超，区晓琳，任天婧，方芸芸

（福建师范大学地理研究所，福建福州350007）

崩岗是我国南方亚热带地区分布最为严重的土壤侵蚀类型，其发育的速度和强度对地表产生巨大破坏作用，同时对土壤中稀土元素的含量和分布产生重要影响.文章通过野外取样调查和室内ICP-MS测定，对福建省长汀县濯田镇黄泥坑崩岗群内3个不同侵蚀崩岗各部位表层土壤（0～10cm）进行取样研究.结果表明稀土元素总量变化依次为轻度侵蚀区＞中度侵蚀区＞强度侵蚀区，且轻稀土元素含量富集；不同侵蚀程度的崩岗的稀土元素含量变化基本呈现沿集水区到沟道逐步增加的趋势；其中，元素Ce元素含量极高，Eu元素含量低，有明显的亏损现象；植被覆盖条件好的区域表层土壤中稀土元素含量高.

崩岗；侵蚀强度；稀土元素；含量与分布

崩岗是在水力和重力作用下，山坡土（石）体受破坏而崩塌和受冲刷的侵蚀现象[1]，一般由集水坡面、崩壁、崩积体、沟道和冲积扇组成[2]，属于重力和水力的复合型侵蚀类型[3].在亚热带高温多雨的气候条件下，花岗岩发育的风化壳残积物深厚，加之历史以来砍伐、开荒、造田等大量人为活动影响，部分丘陵地区植被稀疏，地表裸露，在雨水冲刷和重力崩塌作用下形成的侵蚀性崩岗.有研究表明崩岗年产沙漠数可高达6～10万t/km2[4]，已成为我国南方亚热带红壤丘陵区危害最为严重的一种土壤侵蚀类型[5].崩岗侵蚀破坏坡体稳定性，造成泥沙淤积和阻塞河道，损毁农田，破坏水利设施，并极易诱发洪涝灾害，加剧区域环境进一步恶化.崩岗是我国特有的侵蚀性地貌，国内许多学者对崩岗区岩性[6]、地形地貌[7]、气候[8]、植被[9]、人类活动[10]等崩岗的发生机理[11-12]和治理模式[13-14]做了大量的研究，为治理崩岗侵蚀提供理论指导.

亚热带花岗岩地区也是我国稀土元素集中分布地区之一.福建省西南部长汀县的河田、濯田、三州等地花岗岩风化壳地区多高品位稀土矿分布，由于不合理的稀土开采，致使区域地表破坏严重，造成强烈的水土流失问题[15].国内关于稀土元素的研究主要集中在环境生物地球化学循环[16-17]和稀土元素迁移机理[18-19]等方面，而对于在崩岗中的稀土元素含量分布以及崩岗侵蚀对稀土元素含量变化的影响等方面涉及较少.

本文通过对长汀县黄泥坑崩岗群3种不同植被覆盖下崩岗表层土壤中稀土元素含量的研究，分析不同植被覆盖下崩岗土壤表层稀土元素含量变化特征及崩岗发育对区域水土流失尤其是稀土元素的影响，为崩岗侵蚀区的治理和恢复效果评价提供参考.

1　研究区概况

长汀县位于福建省西南部龙岩市境内，属中亚热带季风性湿润气候，年均气温18.5℃，历史极端最低气温-8.0℃，最高气温39.5℃，最冷月1月平均气温4.2℃，最热月7月平均气温33.1℃，年均降雨量1710 mm，年均蒸发量1403 mm，年均无霜期260 d，≥10℃积温4100～4650℃.全县共有各类崩岗3583处，占福建省崩岗总数（26024）的13.77%，侵蚀面积7.28 km2，占全省崩岗侵蚀面积（64.06 km2）的11.36%，崩岗密度1.16个/km2，年均侵蚀量达30000 t以上.土壤类型为长期温热湿润条件下由花岗岩风化形成的抗蚀性极低的酸性侵蚀性红壤[20].

黄泥坑崩岗群（25°31′49″N，116°16′52″E）位于长汀县濯田镇约20 km，205省道西侧约1 km处，共有崩岗34处，侵蚀面积37 500 m2，主沟长度200.34 m，宽度4.87～12.10 m.研究区内乔木仅有马尾松（Pinus massoniana）；灌木主要有岗松（Baeckea frutescens）、毛冬青（Ilex pubescens）、石斑木（Rhaphiol⁃epis indica）、黄瑞木（Adinandra millettii）、轮叶蒲桃（Syzygium grijsii）、胡枝子（Lespedeza bicolor）、枫香（Liquidambar formosana）及木荷（Schima superba）等；草本主要有五节芒（Miscanthus floridulus）、芒萁（Di⁃cranopteris dichotoma）等.

2014年7月于黄泥坑崩岗群内选取不同植被覆盖条件的相邻崩岗3处，分别对三种不同侵蚀强度的崩岗进行编号，即：1#强度侵蚀，2#中度侵蚀，3#轻度侵蚀（见表1）.

表1　崩岗研究区自然概况Tab.1Natural survey of the study area of Benggang

2　样点布设与试验方法

2.1样点布设

每一崩岗，从集水坡面至沟道布设7个样点，以1#崩岗为例，即集水坡面I1、崩壁（I2、I3、I4）、崩积体（I5、I6）、沟道（I7），共21个样点，每个样点挖取表层0～ 10 cm土壤，每一样点取左、中、右3个重复，共采集样品63个.

2.2样品采集与试验方法

同一平行的土样混合均匀后，取土壤样品按约500 g装入聚乙烯自封袋中，分别记上编号暂时放置于保温箱保存；将采集回来的土样，置于牛皮纸上，剔除石头和植物根系等，于通风处自然风干至恒重.四分法混合均匀后取约10 g放于玛瑙研钵磨碎，全部样品过100目尼龙筛.将所制备的样品保存于4℃，待消解.

采用灵敏天平（BT224s，Sartorius,德国）称取样品0.04 g置于聚四氟乙烯罐中，缓缓加入HNO3、HF、HClO4混合酸，置于防腐高效消解罐内消解待测.采用美国X-SerieⅡ型ICP-MS质谱仪测试稀土元素.同时采用国家标准物质砖红壤（GBW 07405）和黄红壤（GBW 07407）进行监测，标样测试值与标准值偏差在10%以内，测试过程中选用铟（In）和铹（Re）作为在线双内标元素同步测定，回收率为85%～115%，RSD≤5%，符合美国EPA（80%～120%）标准要求.

2.3数据处理方法

自然界中Pm的含量偏低，所采集土壤样品中Pm含量太低而难以准确测定，因此研究中分析的稀土元素包括La-Y共计15个，为准确和清晰地表示所测样品中稀土元素的地球化学特征，进一步揭示崩岗区表层土壤稀土元素的含量及分布特征，通常对其特征值进行以下处理：

1）稀土元素球粒陨石标准化图解[21].稀土元素球粒陨石标准化值是指样品中各个稀土元素所测含量与球粒陨石中相对应的各个稀土元素的量的比值.球粒陨石标准化后，可使在作图时消除奇偶效应，以稀土元素球粒陨石标准化值为纵坐标，以原子系数为横坐标而制成稀土元素球粒陨石标准化图解，又称稀土元素分布模式.

2）主要参数.∑REE：稀土元素总量，指从元素La到Y 15个元素含量之和；∑LREE：轻稀土元素总量，指从元素La到Eu各元素含量之和；∑HREE：重稀土元素总量，指从元素Gd到Y各元素含量之和；∑LREE/∑HREE：轻重稀土含量的比值，比值＞1说明富集轻稀土，反之则表示重稀土元素相对富集.这一参数一定程度反映了稀土元素的分异程度.

3）Eu和Ce的异常.δEu表示Eu异常值特征，δEu=EuN/2×（NdN×SmN）.δCe表示Ce异常值特征，δCe=CeN/2（LaN×PrN）.δEu值的大小反映了样品在其球粒陨石标准化图中Eu的异常程度，当异常系数δCe（δEu）＜1时，称Ce（Eu）元素负异常，表明样品中Ce（Eu）元素有亏损现象，且其值愈小则异常愈强；当值δCe（δEu）＞1为正异常，表明Ce（Eu）相对富集，当值=1时Ce（Eu）无明显变化.Xn表示元素X球粒陨石标准化后的值.

3　结果与分析

通过对不同植被覆盖下各崩岗中土壤表层稀土元素含量的分析以及与地壳[22]、世界土壤[23]和全国土壤[24]中的稀土元素含量进行对比，探讨在不同侵蚀强度下各崩岗表层土壤中稀土元素含量分布和变化特征.

3.1不同植被覆盖下各崩岗土壤表层稀土元素含量

表2显示，在3种不同崩岗类型中，稀土元素总量（REE）由低到高依次为：强烈侵蚀（353.88 mg/ kg）＜中度侵蚀（452.45 mg/kg）＜轻度侵蚀（1062.55 mg/kg）.1#、2#崩岗和3#崩岗中土壤表层稀土元素含量均明显高于地壳中稀土元素含量（183.68 mg/kg）[22]、世界土壤（173.47 mg/kg）[23]和中国土壤中稀土元素背景值（186.80 mg/kg）[24].

造成这种现象可能由于崩岗侵蚀强度不同，表层土壤在雨水冲刷或斜坡受重力崩塌导致表层土壤流失的稀土元素含量不同.3#崩岗的土壤表层稀土元素含量最高，原因可能是因为区域地表植被覆盖高同时地表枯枝落叶较多，在一定程度上可降低雨水对地表的冲刷强度，减少地表土壤流失，使得表层土壤中稀土元素得以保存；1#崩岗的土壤稀土元素含量最低，可能由于地表植被稀少，长期遭受水流冲刷和重力垮塌作用的影响，表土层被侵蚀殆尽，土壤中稀土元素随之发生较为严重的流失.

表2　不同侵蚀强度崩岗中土壤表层稀土元素含量（mg/kg）Tab.2The element content of soil surface rare earth in different Benggang（mg/kg）

3.2表层土壤中稀土元素的分异

3条崩岗中，表层土壤中除Ce元素含量差异较大外，所测样品中稀土元素含量变化基本呈现为3＃＞2＃＞1＃（见表2）.相同母质发育下，植被覆盖条件好的区域土壤表层稀土元素含量明显大于植被覆盖差的区域，说明侵蚀强度很可能是影响稀土元素含量变化的重要原因.这与朱维晃[25]等对海南土壤研究中发现亚热带地区稀土容易迁移，土壤表土层有明显的淋失现象较为一致，进一步说明崩岗发育对破坏地表土层、加剧土壤流失继而导致土壤中稀土含量随之减少的作用较为明显.

3条崩岗中表层土壤稀土元素球粒陨石分配模式相似，均表现出向右倾斜（见图1），从La至Eu稀土元素分布模式曲线斜率逐渐变大，Gd之后的稀土元素分布模式曲线保持相对平衡.其中轻稀土元素内部含量变化显著，Ce元素含量明显高于Eu元素含量，其中1#与2#崩岗的δ Ce值均大于地壳和我国土壤中的δ Ce值，呈现出Ce正异常，Ce大量集聚，3#崩岗的δ Ce值相对于地壳和我国土壤中的δ Ce值较低，3条崩岗的δ Ce值差异说明崩岗侵蚀愈强烈的地区Ce发生集聚现象可能越明显.3条崩岗表层δ Eu值均小于地壳和我国土壤中的δ Eu值（见表3），表明研究区土壤中表层稀土元素Eu在红壤成土过程中发生了明显的亏损，这种现象与Condie KC[26]等在对Eu的不同价态研究表明Eu3+随湿度和酸度增加而被淋溶到下层再被还原形成成Eu2+而淋失，从而导致土壤Eu亏损的结论较为相似.

图1　不同崩岗侵蚀强度下土壤表层稀土元素球粒陨石标准化分布模式Fig.1Chondrite-normalized REE patterns in Benggang with different intensity

表3　轻重稀土元素含量对比（mg/kg）Tab.3Comparison of light and heavy rare earth elements（mg/kg）

参考王娟对轻重组稀土元素的总量比的方法[27]，对崩岗区所测稀土元素进行类比，发现在相同花岗岩母质发育下，不同侵蚀强度下的1#和2#崩岗表层土壤中以Ce元素为代表的轻稀土元素含量均明显大于以Lu为代表的重稀土元素含量（见表3），轻重稀土比例（∑LREE/∑HREE）分别为4.31、5.00和2.48，前两者均大于地壳中∑LREE/∑HREE的比值（2.65）和我国土壤中∑LREE/∑HREE的比值（3.72），可见在1#和2#崩岗中，表层土壤中轻稀土元素，较为富集.长汀县黄泥坑崩岗群地处中亚热带暖湿气候，物理和化学风化十分明显，花岗岩发育的土壤发生强烈的淋溶作用，导致土壤在发育过程中出现了LREE和HREE产生分异的现象.这与宋云华[22]以及Braun[28]研究花岗岩类风化壳的REE演化的结论较为相似.在研究中发现原子序数为偶数的稀土元素含量均比相邻的两个原子序数为奇数的元素含量高，表明在花岗岩母质发育下的侵蚀性崩岗中，土壤表层稀土元素含量变化依然遵循奥多-哈金斯法则[23].

3.3不同侵蚀强度下崩岗各部位稀土元素含量和变化特征

图2可以看出稀土元素在1#崩岗土壤表层稀土元素含量变化为沟道＞崩壁＞崩积体＞集水坡面，且不同部位之间的元素含量差异性较大.集水坡面和崩壁以及沟道的含量之间差异性显著（P<0.05）.该崩岗覆盖度极低，侵蚀严重，集水坡面面积狭小、崩积体形成时间较长，长期在沟蚀作用下，表层土被进一步侵蚀和搬运到沟道，可能使土壤表层稀土元素随之发生流失和迁移现象；2＃崩岗中表层稀土元素含量变化为崩积体＞沟道＞崩壁＞集水坡面，各个部位含量差异性显著（P<0.05）.在溯源侵蚀和重力垮塌影响下，崩壁不断后退，与反方向崩岗间距离仅为1.72 m，导致集水区面积急剧减少，集水区表层土壤在雨水冲刷和搬运条件下在沟道内大量堆积，形成大面积的崩积体，同时由于沟道狭窄且较为封闭，大量泥沙堆积从而导致崩积体中稀土元素含量较高；3#崩岗中表层稀土元素含量变化为崩积体＞沟道＞崩壁＞集水坡面，其中崩积体含量与其他三个部位呈极显著关系（P<0.05），这可能由于3#崩岗经过长期的自然恢复，崩积体处植被大量覆盖，芒萁等地表植被根系对土壤稀土元素的吸收，改善土壤结构，进一步固定土壤，致使稀土元素含量在崩机体处产生大量集聚现象.

图2　崩岗各个部位的稀土元素含量（mg/kg）Fig.2Content of rare earth elements in various parts of the Benggang（mg/kg）

4　结论

1）不同侵蚀强度下崩岗发育中表层土壤的稀土元素含量大小依次为：强烈侵蚀（353.88 mg/kg）＜中度侵蚀（452.45 mg/kg）＜轻度侵蚀（1062.55 mg/kg）.其中单个稀土元素在崩岗的分布特征与总量的分布基本一致.这种变化与长汀县地处中亚热带暖湿气候带内，南方红壤成土过程充分，稀土元素相对富集作用强有关[29]，其中轻度侵蚀区稀土元素含量较高，说明植被对于保持水土和富集稀土元素的作用明显；崩岗发育对地表侵蚀破坏严重也会促使稀土元素发生部分迁移变化；3种不同侵蚀强度崩岗中∑LREE/∑HREE值均大于1，稀土元素球粒陨石分配模式向右倾斜，表明在花岗岩发育下的红壤崩岗区内轻稀土元素较为富集，其中1#和2#崩岗中∑LREE/∑HREE的值（4.31，5.00）明显大于我国土壤中∑LREE/∑HREE值（3.72），说明在暖湿气候条件下的崩岗发育强度进一步对稀土元素的迁移和变化产生重要影响.

2）在黄泥坑崩岗群内3种不同侵蚀强度的崩岗中，稀土元素在各个部位的含量变化基本呈现：崩积体＞沟道＞崩壁＞集水区的分布特征.造成这种分布差异说明崩岗的侵蚀强度以及地表植被覆盖的差异性对稀土元素含量在各个部位的分布变化产生了重要的影响作用.

3）稀土元素中Ce元素和Eu元素含量差异大，1#崩岗和2#崩岗的表层土壤中Ce值均大于1，并且大于地壳中的Ce值（0.76）和我国土壤中的Ce（0.92），说明在红壤成土和崩岗发育过程中Ce大量富集；3种不同发育强度崩岗中的Eu值（0.42，0.52，0.48）均小于中国土壤中的Eu（0.66）值，表明我国南方亚热带地区红壤在成土过程中产生了明显的Eu亏损.

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责任编辑：黄澜

Distribution Characteristics and Influential Factors of REE in the Surface Soil of the Different Erosion Intensities of Benggang

ZHAO Jitao，CHEN Zhibiao*，CHEN Zhiqiang，JIANG CHAO，OU Xiaolin，REN Tianjing，FANG Yunyun
（Institute of Geography，Fujian Normal University，Fuzhou 350007，China）

Benggang（collapsed hill）is the most serious type of soil erosion in subtropical zone of south China.The speed and intensity of its development have a great impact on the surface of the earth,and it has an important influence on the con⁃tent and distribution of the Rare Earth Element（REE）in soil.Via field sampling and laboratory test by ICP-MS determina⁃tion,collapse erosion of three different groups in different parts topsoil（0-10cm）were sampled within the Huangnikeng, Zhuotian town Changting county Fujian province.The results show that contents of REE were slight erosion zone>moderate erosion zone>intensity erosion zone,and Light Rare Earth Element（LREE）is rich;REE content in different conditions ba⁃sically show gradual increasing trend of erosion along the catchment to the channel;Ce element is rich in content and Eu ele⁃ment is low in content;REE content is rich in surface soil of vegetation coverage area.

benggang；erosion intensity；rare earth element（REE）；content and distribution

P595

A

1674-4942（2016）01-0065-05

2015-11-27

国家科技支撑计划（2013BAC08B03）；国家自然科学基金（41371512）