黑龙江省哈尔滨-齐齐哈尔地区土壤常量元素地球化学特征初探

尹国良， 张 立， 崔玉军， 杨文鹏， 王恩宝

(黑龙江省地质调查研究总院，哈尔滨 150036)

0 引言

哈尔滨-齐齐哈尔地区是黑龙江省粮食主产区之一，研究土壤常量元素分布特征对农业生产、农民增收具有重大意义。土壤元素分布与组成主要受成土母质控制，土壤元素的组合特征在一定程度上也能反映成土母质特征[1]。土壤常量元素组合特征目前多被用来分析成土母质和表层土壤之间的关系[2-4 ]，笔者以黑龙江省哈尔滨-齐齐哈尔地区多目标地球化学调查区为研究对象，对该地区土壤常量元素含量及其组合特征、表层土壤常量元素和成土母质常量元素的关系及土壤元素组合特征等进行了初步探讨。

1 研究区概况

研究区位于松嫩平原中南部(图1)。区内地质背景：地层由老到新有古生界泥盆系、二叠系、中生界侏罗系、白垩系及新生界第四系等。新生界第四系占总面积的90%以上，岩性为河湖相沉积物及现代河流松散堆积物。古生界、中生界主要分布于东部山区、半山区，主要岩性为砂板岩、中酸性火山岩及其碎屑岩等，面积不到10%。

侵入岩集中分布于研究区的东部山区、半山区，主要为晚二叠世-早三叠世中酸性侵入岩、晚三叠世-早侏罗世中酸性侵入岩及早白垩世酸性侵入岩。晚三叠世-早侏罗世中酸性侵入岩规模最大，早白垩世酸性侵入岩规模最小。

区内地貌按成因可划分为侵蚀地貌和堆积地貌两种类型。侵蚀地貌主要分布在研究区的东部及东南部铁力、巴彦等地，表现为丘陵地貌；堆积地貌主要分布在哈尔滨市、大庆市、齐齐哈尔市、绥化市一带,表现为平原地貌[5]。

图1 研究区范围图Fig.1 Location map of the study area

2 样品采集及分析方法

表层土壤样品采样密度为1件/km2，采样深度为0 cm～20 cm，累计采取表层土壤样品25 389件；深层样品为1件/4 km2，采样深度为150 cm～200 cm，累计采取深层土壤样品6 428件；样重为0.5 kg左右，装袋、风干，用木棒敲碎，过20目筛，混匀；研磨至200目，送实验室测试分析。样品分析按多目标区域地球化学调查规范( 1:250 000)[6]执行，由黑龙江省地质矿产局中心实验室承担。分析项目54项，笔者从中选取SiO2、Al2O3、TFe2O3、MgO、CaO、Na2O、K2O等7个常量元素开展研究。

3 计算方法

①将研究区表层土壤常量元素与松辽平原、中国东部平原的背景值进行对比[7],研究其含量及分布特征；②研究表层土壤常量元素和深层土壤常量元素之间的关系；③研究不同成土母质区对表层土壤常量元素的影响；④研究表层土壤常量元素间相关关系。

4 统计结果及讨论

4.1 元素含量及分布特征

从背景值的对比(表1)可以看出，SiO2质量分数比松辽平原、中国东部平原背景值稍低，Al2O3、TFe2O3、MgO、Na2O质量分数和松辽平原、中国东部平原背景值基本相当，CaO质量分数高于松辽平原、中国东部平原背景值，这是因为研究区存在大面积的黑钙土所致。在变异系数方面，根据常量元素变异系数分布情况，将元素变异系数划分为强分异、中等分异、弱分异三个区间，其中变异系数大于75%为强分异元素，75%～35%为中等分异元素，35%以下为弱分异元素。CaO变异系数为81 %，属于强分异元素，说明Ca元素分异性强，易于富集；MgO变异系数为34.69%，接近中等分异，说明Mg元素分异性中等，比较容易富集；其他元素变异系数均在30%以下，分异性较弱，不易富集。

表1 表层土壤常量元素参数统计

正态分布检验(表1)显示：研究区常量元素均不符合正态分布[8]，K2O、Na2O、CaO 、MgO偏度值大于0.977，属于正偏态分布，SiO2、Al2O3、TFe2O3的偏度值小于-0.471，为负偏态分布；所有元素峰度值大于0.260，说明常量元素分布形态与正态分布相比较为接近，MgO的峰度为8.974，说明其分布较为集中。

4.2 表层土壤元素来源判断

深层土壤是形成表层土壤的重要因素，它决定着表层土壤的物理、化学特性，肥力状况及土层的厚薄、颜色等[9]。深层土壤是成土母质层，受到的人为干扰较少，基本可以代表土壤形成的初始环境[10-11]。因此可以通过表层土壤常量元素和深层土壤常量元素对应关系来判断前者对后者的继承性[11-14]，利用二者元素含量比值来推断表层土壤元素富集或是贫化[15-16]。

研究区内共获得表层土壤常量元素分析数据及深层土壤常量元素分析对应数据25 389组。

经计算：表、深层土壤常量元素质量分数的相关系数为在0.01双侧水平上显著相关(表2)；表、深层土壤常量元素相关系数较小，SiO2、MgO、 K2O为弱相关，Al2O3、Na2O、TFe2O3、 CaO为较弱相关。

表2 表、 深层土壤常量元素相关系数

**表示在0.01双侧水平上显著相关,相关性临界值为0.010, 统计样本数为25 389

表3 表层、 深层土壤常量元素质量分数比值

表3显示：所有常量元素质量分数比值在0.92～1.12之间，表明表层土壤与深层土壤之间富集及贫化作用不明显；SiO2、Al2O3、K2O、Na2O在表层土壤中的含量均略小于深层土壤，说明上述元素发生了迁移，造成上述元素在表层土壤略有贫化；而TFe2O3、CaO在表层土壤中的含量均大于或等于深层土壤，表明上述元素发生了轻微富集，说明在黑龙江寒冷、半湿润的气候及氧化还原条件下，表层土壤常量元素含量发生了轻微的富集和贫化。

4.3 不同成土母质区表层土壤常量元素富集特征

为研究不同成土母质区对表层土壤常量元素的影响，按照成因类型，将成土母质分为多来源子区及原地残积子区:前者又分为冲积砂砾石区、冲积粘质土区、风成土区、冲洪积黄土状粘质土区；后者分为钙质岩残积物区、砂板岩残积物区及中酸性岩残积物区，共七个子区(表4)。

表4 不同成土母质区表层土壤常量元素背景值与全区表层土壤背景值比值

从表4可以看出：SiO2在各类成土母质区中比值变化不大,与全区背景值比值为0.85～1.13，仅在风成土子区中为较高背景，为 1.13，这是因为在风积物中石英碎屑含量较高；在冲洪积黄土状粘质土区为较低背景，比值为0.85，说明冲洪积黄土状粘质土的沉积环境以湖相沉积为主，粘土含量较高；Al2O3在各类成土母质区中比值变化不大,与全区背景值比值为0.86～1.05，仅在风成土子区中为低背景，其比值为0.86，这是因为在风积物中长石及粘土含量较低；TFe2O3在各类成土母质区中比值变化不大,与全区背景值比值为0.41～1.16，仅在风成土子区中为低背景，其比值为0.41，这是因为在风积物中粘土含量较低，铁质往往吸附于粘土矿物上；K2O、Na2O比值在各类成土母质区中比值变化不大,仅在风成土子区中为较高背景，分别为1.24及1.38，这是因为风成土呈碱性反应，pH值为8.1～8.5[9]；CaO 、MgO比值在各类成土母质区中为较低背景，仅在面积最大的冲洪积黄粘土子区中为较高背景，分别为1.15及1.06，是本地区存在大面积黑钙土及小面积盐碱地的反映。

表5 不同成土母质区表层土壤常量元素变异系数

原位成土母质SiO2、Al2O3、TFe2O3、Na2O、K2O含量无大的变化；原位成土母质区显示低CaO。多来源母质区Na2O、K2O、CaO 、MgO均有不同程度的富集。

根据常量元素在不同子区中的变化情况，将元素变异系数仍划分为强分异、中等分异、弱分异三个区间，其中变异系数大于75%为强分异元素，75%～35%为中等分异元素，35%以下为弱分异元素。

从表5 可以看出:常量元素变异系数在2.88%～87.32%之间，CaO在风成土及冲积粘质土子区中为强分异元素，说明其在上述两子区中易于富集，CaO除砂板岩子区、钙质岩子区外，其变异系数仍在69.05%～72.60%，属于中等分异元素，比较容易富集；这是研究区分布有大面积的黑钙土的反映；MgO在风成土子区及冲积粘质土子区中属于中等分异元素，表明MgO在上述二子区中比较容易富集；TFe2O3在风成土子区中属于中等分异元素，表明TFe2O3在该子区中比较容易富集；其他元素在各子区中变异系数较小，表明其离散程度较小，不易富集。

4.4 表层土壤常量元素间相关关系

对研究区内所有样品的原始数据进行标准化处理后，利用SPSS统计软件进行了表层土壤常量元素间相关关系分析，如表6所示。然后进行因子分析，首先得到的Bartlett球度检验和KMO检验分析结果(表7)。由表7可以看出，KMO检验值为0.696，Bartlett球度检验统计量为199 625.847，在自由度为21的条件下，概率P值为“0”，因此，通过Bartlett球度检验和KMO检验表明，本区数据比较适合作因子分析[17]。

表6 表层土壤常量元素间相关关系

表7 KMO检验和Bartlet球度检验分析表

通过因子分析求出相关系数矩阵的特征值，根据总特征值大于2和方差累计贡献率大于44%，合理提取公共因子，共提取2个公共因子(表8、表9)。这2个公共因子共解释了原7种变量总方差的84.467%，且旋转前后总的累计贡献率没有发生明显变化。这表明总的有效信息量没有发生明显变化，因子分析的效果较好。

表8 表层土壤常量元素R型因子分析特征值和累计方差贡献率

表9表明：SiO2-K2O -CaO -MgO为第一因子组合， 因子载荷系数绝对值都大于0.72 ；Al2O3-TFe2O3-Na2O为第二因子组合， 因子载荷系数都大于0.79。

第一因子反映了土壤母质成份。SiO2主要以石英形式存在于源区的中酸性侵入岩及砂板岩中，稳定性较强，风化后仍以细小石英颗粒形式存在于土壤中[14]。中酸性侵入岩石中钾长石居多，含钙的斜长石较少，含镁的暗色矿物更少，故SiO2与K2O为显著正相关；与CaO、MgO为显著负相关。第二因子主要反映了表层土壤的风化物成份及酸碱度，含铝的长石类矿物多风化为粘土类矿物，由于粘土矿物颗粒极细，对含铁矿物胶体有较大的吸附性，故Al2O3与TFe2O3为显著正相关；钠成盐后偏碱性，会消耗土壤中的酸性成份，铝成盐后偏酸性，会消耗土壤中的碱性成份，故Al2O3与Na2O为显著负相关。

表9 工作区R型因子分析正交旋转后的因子载荷矩阵

5 结论

1)研究区表层土壤常量元素质量分数和比松辽平原、中国东部平原背景值相比，SiO2稍低，Al2O3TFe2O3、MgO、Na2O基本相当，CaO则高于松辽平原、中国东部平原背景值。Ca元素分异性较强，较易于富集；Fe、Na、Mg元素分异性中等；SiO2、Al2O3、K2O变异系数较小，分异性很弱。

2)研究区内表、深层土壤常量元素相关系数较小， Al2O3、Na2O、TFe2O3、CaO为较弱相关，SiO2、MgO、K2O为弱相关。表层土壤与深层土壤之间富集及贫化作用不明显；SiO2、Al2O3、K2O、Na2O在表层土壤略有贫化；TFe2O3、CaO在表层土壤发生了轻微富集。

3)原位成土母质区SiO2、Al2O3、TFe2O3、Na2O、K2O含量无大的变化；原位成土母质区显示低CaO。多来源母质区Na2O、K2O、CaO、MgO均有不同程度的富集;CaO在大多数子区中易于富集；MgO在风成土子区及冲积粘质土子区中比较容易富集。TFe2O3在风成土子区中比较容易富集。

4)研究区内表层土壤常量元素经因子分析表明：SiO2-K2O-CaO-MgO为第一因子组合， Al2O3-TFe2O3-Na2O为第二因子组合，第一因子反映了土壤母质成份。第二因子主要反映了表层土壤的风化物成份及酸碱度。

参考文献：

[1] 朱立新，马生明，周国华，等．冲积平原区土壤元素组成特征及其示踪作用[J].地质与勘探，2002,38(4):56-59.

ZHU L X, MA S M, ZHOU G H, et al. Characters of soil elements and its tracing application in alluvial plain [J]．Geology and Prospecting，2002,38(4):56-59. (In Chinese)

[2] 赵其国,王振权,刘兆礼. 我国富铝化土壤发生特性的初步研究[J].土壤学报,1983,20(4):334-345．

ZHAO Q G,WANG Z Q,LIU Z L. Preliminary studies on genetic properties of theallitic soils in china[J]. Acta Pedologlca Sinica，1983,20(4):334-345．(In Chinese)

[3] 李月芬,王冬艳,刘爽,等.珲春中部土壤常量元素地球化学特征[J].世界地质,2008,27(2): 178-182.

LI Y F,WANG D Y,LIU S,et al. Geochemistry of major elements in soil incentral Hunchun of Jilin[J]. Global Geology,2008,27(2): 178-182. (In Chinese)

[4] 黄成敏,龚子同. 海南岛北部玄武岩上土壤发生的化学特性研究[J]. 热带地理,2001,21(3):207-212.

HUANG C M,GONG Z T. A study on the chemical properties of the soils derived from basalt in northern hainan island[J]. Tropical Geography,2001,21(3):207-212. (In Chinese)

[5] 谭福成.宾县—延寿地区多目标区域地球化学特征[D]. 长春：吉林大学,2012

TAN F C. Multi-objective geochemical characteristics of Binxian-Yanshou area [D].Changchun:Jilin University, 2012. (In Chinese)

[6] 奚小环,任天祥,陈国光,等.多目标区域地球化学调查规范( 1:250000)[S].北京:中国地质调查局,2005.

XI X H, REN T X, CHEN G G, et al. Specification of multi-purpose regional geochemical survey (1:250 000) [S]. Beijing: China Geological Survey, 2005. (In Chinese)

[7] 迟清华, 鄢明才. 应用地球化学元素丰度数据手册 [M].北京:地质出版社,2007.

CHI Q H,YAN M C.Handbook of elemental abundance for applied geochemistry [M]. Beijing: Geological Publishing House, Beijing, 2007. (In Chinese)

[8] GB/T4882-2001数据的统计处理和解释 正态检验[S]. 北京:中国标准出版社,2001.

GB/T4882-2001 Statistical interpretation of data—Normalitytests [S]. Beijing: China Standard Press, 2001. (In Chinese)

[9] 何万云, 张之一,林伯雄.黑龙江土壤[M].北京:农业出版社1992.

HE W Y, ZHANG Z Y, LIN B X. Soil in Heilongjiang province[M]. Beijing: Agriculture Press, China,1992. (In Chinese)

[10] 周国华,马生明,喻劲松,等. 土壤剖面元素分布及其地质、环境意义 [J].地质与勘探,2002,38(6):70-75

ZHOU G H,MA S M,YU J S,et al. Vertical distribution of elements in soil profiles and their Significance for geological and environmental [J]. Geology and Exploration, 2002, 38(6):70-75. (In Chinese)

[11] 陈国光,梁晓红,周国华,等.土壤元素污染等级划分方法及其应用[J].中国地质,2011,38(6):1631-1639.

CHEN G G,LIAN X H,ZHOU G H,et al. Grade division method for soil geochemical contamination and its application [J].Geology in China,2011,38(6):1631-1639. (In Chinese)

[12] 张明,杨忠芳, 陈岳龙,等. 湖南洞庭湖地区中土壤Hg的来源[J].地质通报,2007,26(11):1664-1669

ZHANG M,YANG Z F,CHEN Y L,et al.Source of Hg in soils of the Dongting Lake area,Hunan,China[J]. Geological Bulletin of China,2007,26(11):1664-1669 soil. (In Chinese)

[13] 张明,陈国光,刘红樱,等.长江三角洲表层土壤Sn元素的空间分布特征及影响因素 [J].地质通报,2011,30(7):1147-154.

ZHANG M,CHEN G G,LIU H X,et al. Spatial distribution of tin in top soils of Yangtze river delta and influencing factors. Geological Bulletin of China[J]. Geological Bulletin of China, 2011,30(7):1147-154. (In Chinese)

[14] 张明,陈国光,刘红樱,等. 长江三角洲地区土壤重金属含量及其分异特征[J].土壤通报,2012,43(5):1098-1103.

ZHANG M,CHEN G G,LIU H X,et al. Spatial distribution characteristics of heavy metal in soils of Yangtze river delta [J]. Chinese Journal of Soil Science,2012,43(5):1098-1103. (In Chinese)

[15] 廖启林,金洋,吴新民,等.南京地区土壤元素的人为活动环境富集系数研究[J].中国地质,2005,32(1):141-147.

LIAO Q L,JIN Y,WU X M,et al. Artificial invironmental Concentration coefficients of elements in soils in the Nanjing area [J]. Geology in China,2005,32(1):141-147. (In Chinese)

[16] 孙志国,姚德, 梁宏峰,等. 多金属结核微层中元素的富集系数特征及其成因[J].海洋地质与第四纪地质,1996,16(2):65-74.

SUN Z G,YAO D,LIANG H F,et al. Characteristics of element concentration coefficient in microlayers of polymetallic nodules [J]. Marine Geology & Quaternary Geology,1996,16(2):65-74. (In Chinese)

[17] 赵少卿,魏俊浩,高翔,等.因子分析在地球化学分区中的应用:以内蒙古石板井地区1∶5万岩屑地球化学测量数据为例[J].地质科技情报,2012, 31(2):29-30.

ZHAO S Q, WEI J H, GAO X, et al. Factor analysis in the geochemical subdivisions:Taking 1∶5000 debris Geochemical Survey in the Shibanjing area of inner mongolia as an Example[J]. Geological Science and Technology Information, 2012, 31(2):29-30.(In Chinese)