基于化学蚀变指数的雷州半岛表土风化强度分析

牛东风,罗财宝,陈 敏

（1.岭南师范学院物理科学与技术学院，湛江524048；2.华南师范大学地理科学学院，广州510631）

土壤的风化程度是由外在因素和内在因素共同作用的结果，也是土壤理化性质的综合反映（綦魏等，2012）。岩石形成土壤需要经过一个复杂的过程，主要受成土母质、气候、地形、生物、成土年龄五大成土因素的影响（Wedepohl，1995；徐永辉等，2006）。一般有多种指标和方法对土壤风化进行分析研究，而化学蚀变指数对于反映土壤形成过程和风化强度研究、地表环境演化过程以及气候意义具有重要的指示意义（何太蓉等，2010；黄成敏等，2000）。Nesbitt 等（1982）首次进行了CIA 研究并将其作为判断源区化学风化程度的指标。此后，国内外学者不断地深入研究化学蚀变指数，使其能更好地对原岩的物质来源、成岩作用和化学风化程度进行判断，特别是对于化学风化程度的判断和划分，为全球环境变化研究提供地球化学手段（Fedo et al.，1995；冯连君等，2003；Goldberg K et al.，2010；邵菁清和杨守业，2012；柏道远等，2012）；同时发现CIA 对第四纪气候具有良好的响应且干扰因素相对较少（刘剑刚等，2015；赵占仑等，2018；徐小涛和邵龙义，2018）。

虽然前人对雷琼地区进行地球化学特征的研究（徐义芳等，2000），但对其雷州半岛表层土壤的化学分析还没有做详细的研究。雷州半岛地处中国热带过渡到亚热带地区，地表火山岩广布，台地地形平坦，是特殊的自然地理区域，也是重要的热带、亚热带经济作物生产区域，具有重要的研究意义和理论意义。本文通过计算雷州半岛表层土壤的化学蚀变指数，分析该区域土壤的主量元素淋滤、流失过程和判断其风化强度，揭示该区CIA 值的空间分布规律，为大力发展特色农业、热带和亚热带经济农业区划和生产等提供了地球化学依据。

1 研究区域概况

雷州半岛位于21°15′—21°20′N，109°22′—110°27′E，地处中国大陆最南端，南隔琼州海峡与海南岛相望，南北长约140 km，东西宽约60—70 km，主要辖赤坎区、霞山区、开发区、麻章区、坡头区以及遂溪县、雷州市和徐闻县。雷州半岛是我国南亚热带——热带北部的气候过渡区，终年受海洋气候调节。年平均气温约22.8℃，多年年平均降雨量为1 500 mm（陈世俊，1995），降雨多集中于5—9月（台风季节）为雨季，占年降水量的80%左右，11月至次年4月为旱季，旱雨季分明；而年蒸发量可达1 700—2 200 mm，热量资源尤其是冬季热量资源丰富。雷州半岛地势平缓，西北高、东南低，海拔多在100 m 以下。由于半岛古近纪、新近纪和第四纪火山活动频繁，南部为玄武岩台地，占半岛面积的43.3%，中西部和北部多为海成阶地，占半岛面积的26.7%，海拔在25 m以下。中东部为冲积和海积平原，占半岛面积的17.4%。半岛地表水缺乏，河流短少，地下水资源较丰富（温汉辉，2013）。

2 材料与方法

2.1 采样方法

野外采样前，先利用Google Earth 软件将采样点提前设置。在设置采样点之前需要考虑到雷州半岛的自然条件和社会条件，如土壤类型、地质岩性及水文的分布情况，尽量避免采集近海区域的样品，减少海岸风沙对土壤化学成分的干扰；同时避免设置在城镇点，减少人为干扰因素的影响，能够较好地指示雷州半岛表层土壤的自然状态（何姗姗，2017）。最终将雷州半岛按区域面积和东西经跨度划分5 纵列，取其中的2、4 纵列并绕半岛一周采样。在采集过程中，利用GPS 定位找到原先设置的采样点，并以该点为中心，采集周围15 cm 的土壤表层细颗粒风化物质，采样部位为土壤表层0—15 cm，共采集样品48个。

2.2 实验处理

使用偏振能量色散X 射线荧光光谱仪（型号：Epsilon5） 测试硅（Si）、铝（Al）、铁（Fe）、钙（Ca）、钾（K）、钠（Na）、镁（Mg）和钛（Ti） 8种主量元素，结果以氧化物表示。试样制备过程如下：

1）每个样品分别取50 g，在烘箱中40℃烘干，去除水分后过孔径2 mm筛滤掉杂物；

2）将试样放入振动磨样机（ZHM-1A 型）研磨90s 后，将样品过200 目（＜74 μm）筛去除大颗粒；

3）从研磨并筛分好的样品中取6.0 g 样品以硼酸镶边垫底，使用压样机在30T 压力下压制30 s，制作成直径3.2 cm圆饼后放入光谱仪中进行测试。

测试仪器校正曲线使用27 个国家土壤成分分析标准物质（GSS2-GSS28）、6 个水系沉积物成分分析标准物质（GSD2a、GSD7a、GSD9-GSD12）和6 个水系沉积物成分分析标准物质（GSD2a、GSD7a、GSD9-GSD12）和6 个岩石成分分析标准物质（GSR1-GSR6）。实验过程中加入GSS17 标准样品进行控制，实验误差±5%（孟洁等，2015）。

2.3 数据处理

根据测试所得的主量元素氧化物的含量计算化学蚀变指数（CIA）：

式中氧化物为摩尔质量百分比，而CaO*指的是硅酸盐矿物中的Ca 含量，不包括碳酸盐和磷酸盐等矿物中结合的Ca（柏道远等，2011；Nesbitt et al.，1984；Nesbitt et al.，1989；Kautz et al.，2007）。由于在实验过程中，很难精确地分离样品中的硅酸盐矿物，本文则采用Mc Lennan（1993）提出的校正方法，即根据自然界硅酸盐矿物中Na和Ca 的平均组成，依据沉积物样品中的CaO/Na2O的摩尔比值来计算CIA：如果比值＞1，以Na2O 的摩尔含量代替CaO 含量；而若比值＜1，则以CaO摩尔含量来计算CIA。

3 结果与讨论

3.1 雷州半岛表层土壤CIA的空间分布特征

3.1.1 雷州半岛表层土壤CIA 的整体空间分布特征 由表1可知，雷州半岛区域的表层土壤的化学蚀变指数处在82.74—98.71 范围之间，平均值为95.33，众数为94，中位数为95.57。按照冯连君等（2003）对CIA 值反映化学风化程度的划分方法：50—65为弱风化，反映寒冷气候；65—85为中等风化，反映温暖气候；85—100 为强烈风化，反映炎热潮湿的气候。雷州半岛表层土壤整体CIA值在85以上且均值为95.33，反映该区为炎热潮湿的气候并且处于强烈风化阶段。土壤的形成过程与地球的外部圈层有着紧密的联系；受气候纬度地带性的影响，土壤的风化程度也具有纬度地带性。雷州半岛地处中国气候的热带、亚热带过渡区，气候高温多雨，纬度越低其土壤颜色越发暗红，故称“红土地”。气候在雷州半岛岩石的风化过程和成壤过程中发挥重要的作用。受气候的影响，雷州半岛降雨集中且蒸发旺盛，炎热湿润的气候特征使得岩石的风化分解迅速，赋存在岩石中的活泼元素大量地淋滤、流失。同时，植被在生长过程中分泌的有机酸更加速了这一风化进程，故雷州半岛主要以化学风化作用为主，且为强烈风化阶段。

表1 雷州半岛表土CIA值的整体特征和南北差异Tab.1 Overall characteristics and North-South differences of CIA values in the Surface soil of Leizhou Peninsula

3.1.2 雷州半岛表层土壤CIA 的南北分布特征雷州半岛表层土壤北部CIA 的范围处在82.74—98.34，平均值为94.08，众数为94 和96，极差为15.60；而南部CIA 的范围处在94.66—98.71，平均值为96.82，众数为97 和98，极差为4.05，反映在高温、高湿的气候环境下雷州半岛表土的风化程度强烈（表1）。南北CIA 的平均值较为接近，相差为2.74，差别不大。因半岛临近海洋，夏季主要受来自西太平洋的东南季风和印度洋的西南季风的共同影响（杨彩福，2003）；受季风影响显著和海洋性气候调节的双重作用，雷州半岛降雨较多且集中，南北部水热条件相似，气候对造成其南北风化强度差异的影响因子减少，故雷州半岛南北部表层土壤的CIA 值较为接近。由图2和图3所示，雷州半岛表土清晰呈现从北到南CIA值随纬度的降低而逐渐增加的纬向递变的分布特征。同时，也反映了雷州半岛处于热带到亚热带气候过渡区的特殊地理位置和环境条件。

图1 雷州半岛地理位置及采样点分布图Fig.1 Geographical location and sampling point distribution map of Leizhou Peninsula

图2 雷州半岛CIA值纬向分布图Fig.2 Zonal distribution map of CIA value in Leizhou Peninsula

图3 雷州半岛CIA值分布图Fig.3 CIA value distribution map of Leizhou Peninsula

雷州半岛南北部表层土壤的CIA值的极差相差11.55，北部表土的CIA 值极差（15.60） 较南部（4.05）差异大，可能是由于雷州半岛南北部的岩性差异所导致的。在喜马拉雅运动时期，雷州半岛拗陷很深，由海相沉积到浅海沉积到抬升出露，沉积了巨厚的沉积层，并有大量的基性火山岩喷发（黄镇国和蔡福祥，1994）。在第四纪多期火山旋回的沉积环境下，现今雷州半岛的北部主要以玄武岩台地、冲积平原和海成阶地为主，兼有其他岩性台地，岩性多样且复杂（图4）；而南部大多为出露的火山岩，南部的岩性较单一，以玄武岩台地为主。受成土母质和岩石的影响，不同的岩性在相同的气候条件下表现出不同的风化程度。故雷州半岛南部CIA 的极差较小，北部的CIA 的极差较大。

图4 雷州半岛岩性分布图Fig.4 Lithologic distribution map of Leizhou Peninsula

3.1.3 雷州半岛表层土壤北部的CIA 异常高值区 雷州半岛的北部出现了部分高CIA 值的地区，为遂溪县的中东部、麻章区的中西部和赤坎区的中西部，其CIA 值为96.59—98.71，而北部其它地区的CIA 值为86.74—96.58。推测雷州半岛表土CIA 异常值可能跟火山群的分布有关。雷州半岛主要分布在玄武岩台地之上，可分为雷北火山群、雷南火山群（梁冬梅等，2016）和火山岛屿三大块。雷北火山群分布在遂溪县东部、湛江市西部的湖光、麻章东坡岭和安铺港北岸。雷南火山群分布在雷州市中南部和徐闻县全境。

雷州半岛表层土壤CIA的高值区与玄武岩分布地区大致吻合，大都处在雷州市中南部、徐闻县全境和遂溪县的中东部、麻章区中西部。玄武岩是基性喷出岩，在高温多雨的气候条件下，化学风化作用强烈，易于水解、水化、氧化形成红色风化壳，土质疏松，加速了风化作用的进程（王世霞等，2013）。故雷州半岛北部在雷北火山群处形成CIA高值区，与同纬度的遂溪县中西部的海成阶地岩性地区甚至是低纬度的雷州市中北部冲积平原和海成阶地岩性地区相比，玄武岩台地地区的CIA值较大，与其他岩性地区形成鲜明的对比。

3.2 雷州半岛表层土壤CIA的主要元素迁移路径

元素活动能力的强弱既会受元素本身的化学性质的限制，也会受到外界风化条件的影响（孔中恒，2004）。Ca、Mg、K、Na 是易移动元素，其中Ca和Mg是化学性质极活泼的元素，K和Na是活泼性中等的元素，Si 是可移动元素，Fe 和Al 是惰性元素，其中Al 被认为是不移动元素。这些主量元素的迁移、亏损或富集决定了风化壳的地球化学特征（王世霞等，2013；陈宗颜，2014）。

3.2.1 主要元素迁移过程 雷州半岛土壤在强烈化学风化过程中，各种元素都产生一定的流失、迁移或集聚。由元素地球化学分析结果可得（图5），雷州半岛表土土壤常量元素以SiO2为主，Fe2O3、Al2O3次之，K2O 比CaO 略高，Na2O 和MgO含量最少。Ca、Mg、K、Na 元素大量流失，甚至全部流失，其含量趋于或等于0；而保存下来较多的则是Fe 和Al。其中Al2O3平均含量为14.5%，含量变化范围为4.3%—26.9%；Fe2O3平均含量为7.6%，含量变化范围为0.7%—20.2%；K2O 平均含量为0.31%，含量变化范围为0.07%—1.64%；Na2O 平均含量为0.08%，含量变化范围为0.02%—0.19%；MgO 平均含量为0.07%，含量变化范围为0%—0.32%；CaO 平均含量为0.12%，含量变化范围为0.02%—0.53%。在热带和亚热带高温多雨的作用下，雷州半岛的岩石和成土母质主要以化学风化作用为主，活泼的元素Ca、Na、K、Mg 遭到分解、淋滤和流失，产生部分元素的亏损，故其含量极低，接近或甚至达到全部流失；较稳定的元素Si 流失较慢，但也在不断地风化减少；而惰性元素Al、Fe 较稳定，不断地积聚，产生部分元素的富集，故其含量较高，反映了雷州半岛整体属于强烈风化阶段。

图5 雷州半岛主量元素分布图Fig.5 Distribution map of major elements in leizhou peninsula

由上述分析可得，雷州半岛表土主量元素的迁移活动顺序是Na2O＞MgO＞CaO＞K2O＞Fe2O3＞Al2O3＞SiO2。其中Fe2O3和Al2O3的含量随着纬度的减少而增加，但在中北部出现异常高值区。这与雷州半岛的岩性分布有关。雷州半岛的玄武岩台地主要分布在雷北和雷南两大火山群，且玄武岩大多为基性喷出岩。基性玄武岩风化时间较长且易于风化，因此该区普遍发育了深厚的红色风化残积土。这种土壤具有孔隙度高、强收缩性和干硬湿软等特性，降水时雨水不易下渗，大部分降水会以散漫的面的形式流走，表土在散流作用下易于水解成泥流从而流失，所以土壤中的元素和矿物容易随水流流失（王自强等，2006）。玄武岩风化壳的地球化学过程是一种脱硅富铁铝化过程。土壤发育过程中，随风化时间的增加，硅酸盐类矿物强烈分解，铁铝等氧化物明显富集：Ca、Mg、K、Na 迅速且强烈淋失，SiO2含量也不断降低，Fe2O3和Al2O3相对富集。

3.2.2 A-CN-K 三角图解 A-CN-K 三角图解是CIA 值的另一种表达形式，可以形象地表现不同CIA 值样品分析结果的分布情况，并可判断样品的源岩成分及钾交代作用的特征（张先伟等，2014）。如果沉积物主元素成分变化不大或A-CNK三角图解中样品点的分布区域紧凑集中，则可以反映出源岩化学风化和剥蚀的相对稳定状态（Fedo et al.，1995）。

由ACK 图所示，样品点的数据点全部聚集在Al2O3顶端，（CaO+Na2O）、K2O 趋紧或等于0，说明该区Ca、Na、K 活泼元素大量流失，甚至达到全部流失；Al 元素在原地富集、累积，含量居高，反映该区土壤处于富铝化过程，化学风化强烈。由AMF 和ACF 图所示，样品点的数据点中的（CaO+Na2O+K2O）、（CaO+Na2O+K2O+MgO）趋于或等于0，且其风化趋势线大致平行并贴近于Al2O3－Fe2O3一边，说明岩石经历明显的风化分解，赋存于岩石中的Ca、Na、K、Mg 迅速流失，Al、Fe 不断累积富集，这说明该区处于富铁铝化过程，且化学风化程度强烈。

图6 表层土壤ACK，AMF，ACF三角图Fig.6 Surface soil ACK，AMF，ACF trigonometry

综上所述，整体上雷州半岛表土土壤样品分布区域紧凑集中且主成分变化不大，则说明该区的气候和构造环境处在比较稳定的状态。该区在炎热多雨的气候下，土壤中Ca、Na、K、Mg 活泼元素遭到大量的风化分解、迁移流失；Al、Fe 惰性元素不易迁移，在原处不断累积富集，逐渐形成富铁铝化，化学风化程度不断加深，铁铝含量不断增加，使得土壤的颜色愈加发红。

4 结论

通过对雷州半岛表土土壤CIA值的空间分布特征和主量元素含量分析，得出以下结论：

（1）雷州半岛表层土壤的化学蚀变指数处在82.74—98.71 之间，平均值为95.33，众数为94，中位数为95.57，该区域整体属于强烈风化阶段。其中雷州半岛表土风化过程受岩性和气候所影响的程度更深。

（2） 雷州半岛表层土壤北部CIA 的范围在82.74—98.34，平均值为94.08，而南部CIA 的范围在93.09—98.71，平均值为96.65；虽然南北CIA 值相差不大，但清晰呈现CIA值随纬度的降低而逐渐增加的纬向递变的分布特征。雷州半岛表土的CIA高值区与火山群分布地区大致吻合，推测岩性对于土壤的风化程度起重要的决定性作用。

（3）雷州半岛土壤中主量元素的迁移活动顺序是Na2O＞MgO＞CaO＞K2O＞Fe2O3＞Al2O3。由A-CNK图解，土壤样品分布区域紧凑集中且主成分变化不大，说明该区的气候和构造环境处在比较稳定的状态，且岩石风化分解强烈。