四川旺苍化龙垂向剖面土壤地球化学特征

刘 亮， 张 杰， 张杰琼， 孙占营， 周 博， 赵相国

(1. 攀枝花市自然资源和规划局，四川 攀枝花 617000； 2. 四川省地质矿产勘查开发局川西北地质队，四川 绵阳 621010； 3. 甘肃农业大学，甘肃 兰州 730000)

0 引 言

土壤是岩石圈、水圈、生物圈和大气圈相互交接地带，是连接有机界和无机界的中心环节，不仅是陆生植物赖以生存的物质基础，更是人类赖以生存与发展的重要资源(熊毅,1983; Zhao et al.,2014)。20世纪初提出的土壤地球化学概念及其丰富的研究成果对全球粮食安全和社会可持续发展具有极其重要的作用(廖启林等,2011;何小平等,2016)。国外学者按元素迁移和分化的移动性对元素进行分类(Alexande, 1971；Warkentin et al.,1977；Kelepertisis et al., 2001)，并对土壤稀有元素和扩散元素的地球化学进行了研究；国内学者针对区域地球化学元素分布以及与农业、生命科学和环境之间的相关性，开展了地球化学与农业应用的研究(李家熙等,1996;陶春军等,2014)。

研究区位于旺苍东南41 km，属四川广元旺苍县化龙乡管辖，此次1∶5万土地质量地球化学调查重点区域为化龙乡石川村。通过调查研究区垂向剖面土壤质量、元素的分布和分散富集特征等，并与表层土壤对比，了解土壤有益、有害元素的来源(廖启林等,2012)，为土地分等定级、国土资源合理规划利用和管护、提高土地价值和利用效率，以及无公害农产品与绿色农业生产基地优选、农业种植结构调整等提供基础数据和科学依据(吴新民等,2007)。

1 研究区概况

研究区地处四川盆地北缘、米仓山南缘，根据成因和形态特征，将研究区地貌分为构造侵蚀中山、构造侵蚀溶蚀中山、构造剥蚀低山和侵蚀堆积河谷平坝4种类型。地层分区属上扬子地层分区成都小区，区内仅发育中生代白垩系剑门关组(K1jm)、汉阳铺组(K1h)。① 剑门关组(K1jm)：厚183.4～679.9 m，超覆不整合于莲花口组之上，与下伏莲花口组呈平行不整合接触，岩性以厚层状砂岩、粉砂岩、泥岩为主，夹砾岩、含砾砂岩(徐刚等，2019)。② 汉阳铺组(K1h)：底部见灰色-灰褐色砾岩，灰色-黄灰色厚层状岩屑杂砂岩、岩屑砂岩等，往上变为灰紫色-紫红色中厚层状中粒岩屑石英砂岩，与同色中层状钙质粉砂岩、泥岩组成韵律层，往上粉砂岩、泥岩增多，局部夹有灰色、灰白色厚—巨厚层状中粒长石石英砂岩。

2 样品采集及分析方法

2.1 样品采集

为研究土壤元素在垂向的分布、迁移转化规律，在表层土壤调查的基础上，根据研究区地形地貌、第四系地质、土地利用及土壤类型分布，分别在典型地段均匀布置1～2个垂向剖面(浅井)，共挖掘纵向剖面10个(图1)，深约2 m，穿越了土壤发生层的3个主要层位(耕作层、淀积层、母质层)，采集样品100件。各剖面位置及地质背景信息见表1。

图1 土地利用类型及垂向剖面位置示意图

表1 研究区垂向剖面位置及地质背景

为研究土壤基本理化性质，在纵剖面按土壤发生层次采样。在采样点挖掘1.0 m×1.5 m左右的长方形土壤剖面坑，深度>2 m，较窄的一面作为剖面观察面(图2)，土坑深度需达到母质层或地下水位。剖面挖掘好后放置标尺，并用小土铲整理出光滑面和毛糙面，进行土壤描述和样品采集。根据剖面的土壤颜色、结构、质地、松紧度、湿度及植物根系分布等划分土层，自下而上逐层采集样品，按每20 cm 1个样均匀采集垂向土壁样品，无跨越层次之间的过渡采集，未达到20 cm厚度时跨层分别采集上下层样品，以保证样品的代表性。每个土样质量约1 kg。

2.2 样品分析测试

样品分析配套方案为：采用X射线荧光光谱法测定Pb、Cr、Cu、Zn、P2O5、K2O、Na2O、CaO、MgO、SiO2、Fe2O3、Mn、S、Ga，等离子质谱仪法测定Pb、Zn、Cu、Ni、Cd、Mo、I，原子荧光光谱法测定As、Hg、Se、Ge，离子选择性电极法测定F，凯式定氮法测定N，氧化热解-点位法测定有机质，pH计测定pH值。分析结果一级标准物质单次测定合格率均>100%，重复样合格率均≥90%，各元素报出率>95%。

3 垂向剖面土壤元素地球化学特征

图2 垂向剖面编录及分层

表2 垂向土壤样元素背景参数

3.1 垂向剖面土壤元素的背景及变化特征

元素的浓集克拉克值K反映了元素富集与分散状况(林才浩等，1996)，根据样品分析结果，将100个原始数据的平均值作为元素垂向背景值，并与表层背景值进行比较，得出各元素的K值(表2)。K≥1.5为强富集分布，1.2～1.5之间为富集分布，1.0～1.2之间为高背景分布，0.8～1.0之间为低背景分布，K≤0.8为贫乏分布。变异系数(Cv)为各元素的标准离差与其算术平均值的比值(张运强等，2015)，Cv≥2.0为极不均匀分布(强分异)，2.0～1.5区间为很不均匀分布(分异)，1.5～1.0区间为不均匀分布(弱分异)，0.5～1.0区间为相对均匀分布，Cv≤0.5为均匀分布。

与表层土壤背景值相比：Mo、As含量偏高，呈强富集；F、Ge富集，SiO2、Fe2O3、Cr、Cd、B、Ga、Pb呈高背景分布，P2O5、S、Ni、Se呈亏损分布，其余元素呈低背景分布。从变异系数来看，Cd(2.33)及As(2.85)呈强分异，其他元素在垂向剖面上均呈均匀—较均匀分布。

① Mo、As两元素强富集，显示局部地区重金属元素已向下迁移，可能造成局部地下水及土壤污染。② F、Ge在中深部土壤中含量仍较高，显示原生富集的特点。③ P2O5、S、Ni、Se亏损，表明近基岩母质层中这些元素的原生含量不高。其中，P2O5、Se在地表富集，与人工施肥有一定的关系(张桂兰等，1999；于群英等，2006；王癑琳等，2016)；Ni在表层土壤中形成污染，为外来污染，但污染时间不长，重金属元素尚未下移。④ Cd及As呈强分异。其中，Cd已在表层土壤中形成污染，垂向剖面显示其高分异性，表明污染已随地表水迁移，对中深部土壤造成了污染，且污染程度高于表层土壤；As在表层土壤中未形成污染，其高分异显示向下迁移的速度较快，下层局部土壤可能已被污染。⑤ pH值显示中深部土壤为中性。

3.2 剖面土壤中元素在不同用地类型中的分布特征

通过对研究区不同土地利用类型中垂向剖面元素的平均值及浓集系数进行统计(表3，图3)，找出垂向剖面中深部土壤元素相对表层土壤元素的分布及迁移规律。

3.2.1 大量元素K、P P2O5在耕地、园地及林地中深部土壤中均呈贫乏分布，深部平均含量与表层土壤平均含量几乎相差1倍，反映出表层土壤中P的富集与人工施肥有很大关系；K2O在耕地中部土壤中接近背景分布，在园地及林地中呈低背景分布。

3.2.2 中量元素Ca、Mg、S、Na、Si CaO、S在不同用地类型中深部土壤中均呈贫乏分布，显示两元素在区内更趋向表层富集，中深部土壤经过淋滤作用及脱钙脱盐作用，发生阳离子交换，且中深部土壤趋于还原环境，单质硫更容易流失。中深部土壤中，MgO更趋向于耕地富集，SiO2趋向于林地富集，Na2O在不同用地类型中深部土壤中变化不大。

3.2.3 微量元素B、Mn、Fe、Cu、Zn、F 中深部土壤中，B在园地中呈高背景分布；F在耕地及园地中呈富集分布，在耕地中的平均含量略高；Fe2O3、Zn在耕地及园地中的平均含量高于林地，且Fe2O3在耕地及园地中呈高背景富集；Cu、Zn在林地中呈亏损分布；Mn总体变化不大，在园地及林地中的平均含量略高。

表3 不同土地利用类型元素参数

图3 不同用地类型垂向元素浓集系数直方图

3.2.4 重金属元素Pb、Cr、Ni、Cd、Mo、As、Hg 中深部土壤中，As、Mo在园地及林地中强富集，在园地中平均含量最高，分别为15.3、1.81 g/t，可能在局部对部分农作物造成危害；Cd变化较大，耕地中含量接近表层土壤，在园地及林地中含量远低于表层土壤，反映Cd的主要污染源在耕地；Pb、Cr在耕地及园地中呈高背景分布，属于正常含量；Ni在中深部土壤中均呈亏损分布，在林地中平均含量最小。

3.2.5 健康元素Se、Ge、Ga 微量元素Se、Ge等对人的身理特征可产生积极作用(常先坤等,2018;吕林等,2019)，促进血液循环，改善和预防身体的不适感(Winkler,2004)，有机Ge化合物还具有抗氧化和免疫调节作用，有助于调节运动过程中或运动后所产生的不良反应(程柱生，2017)。

Ge在园地中强富集，在耕地中富集；Se在中深部土壤中的平均含量低于表层土壤，在园地中呈低背景分布，耕地及林地中呈亏损分布；中深部土壤中，Ga在耕地及园地中呈高背景分布，在林地中呈低背景分布。

3.2.6 pH值 pH在耕地中为中性，在园地中为弱酸性，在林地中为碱性。

4 讨 论

由于林地和园地样品较少，此次主要讨论耕地土壤元素分层特征，将耕地划分为耕作层(A层)、淋滤层(B层)、淀积层(C层)、母质层(D层)4个层位(图4)。将80件垂向剖面样品按耕作层、淋滤层、淀积层、母质层分类统计其平均含量及浓集系数(表4)，据此基础数据制作土壤垂向剖面元素分层曲线(图5)，讨论元素在不同层位的分配模式及变化情况，分析元素来源(廖启林等,2012)。

图4 垂向剖面分层示意图

表4 耕地不同层位元素参数

图5 耕地土壤剖面分层元素折线图

(1) P2O5、S、B、Cu、Zn、As、Pb、Hg、Se平均含量随深度增加不断减小，表明受人类活动等外界因素影响明显。其中，P2O5、S、Se随深度变化减小幅度较大；As在耕作层及淋滤层中呈富集分布，在淀积层中呈高背景分布；Se、Pb、S在耕作层中呈高背景分布；P2O5在耕作层中呈低背景分布，在其他3个层中呈亏损分布。

(2) CaO、MgO、Na2O、Ni在耕作层、淋滤层、淀积层中变化不大，在母质层减小；CaO及Ni在4层中均呈地球化学亏损分布。这些元素受人类活动影响不明显。

(3) SiO2、Fe2O3、Cr、Ga等元素基本没有变化，4种元素均接近土壤表层元素含量。反映这些元素未受外界因素干扰。

(4) F、Mn随深度增加，先升高后降低。其中，F在土壤不同层位中均呈富集分布，在淀积层中平均含量最高；Mn在淋滤层、淀积层中呈高背景分布，在淋滤层中平均含量最高。

(5) Ge随深度增加先降低后升高，在淋滤层(B层)有降低的趋势，整体均呈富集分布，反映出Ge的富集与土壤母质层有关，易形成富Ge土壤，适合茶叶的种植；Cd折线随深度增加呈波形变化，在耕作层中表现为强富集，其富集系数为2.93，平均含量为1.07 g/t，在淋滤层及母质层中表现为亏损分布，在淀积层中正常分布，反映在耕地表层土壤中有重金属Cd污染，系人类活动等外部因素所造成。

(6) pH在耕作层(A层)中显示弱酸性，随深度增加酸性减弱；在其他3层中均显示中性，可能是因为耕作层中植物根系分泌酸性物质和施肥等因素综合造成。

5 结 论

在研究区挖掘了10个垂向剖面，采集分层样品100件，对其中的SiO2、Fe2O3、Cr、Cd、Ge、Se等27种组分进行了测定，得出下列结果。

(1) 区内垂向剖面土壤与表层土壤背景值相比：Mo、As含量偏高，呈强富集；F、Ge富集；SiO2、Fe2O3、Cr、Cd、B、Ga、P呈高背景分布；P2O5、S、Ni、Se呈亏损分布，其余元素呈低背景分布。Cd(2.33)及As(2.85)呈强分异，其他元素在垂向剖面上呈均匀—较均匀分布。

(2) 土壤中MgO更趋向于耕地富集，SiO2趋向于林地富集；Fe2O3、Zn在耕地及园地中的平均含量高于林地； Ga在耕地及园地中呈高背景分布，在林地中呈低背景分布；Ge在园地中呈强富集。pH在耕地中为中性，在园地中为弱酸性，在林地中为碱性。

(3) P2O5、S、B、Cu、Zn、As、Pb、Hg、Se平均含量随深度增加不断减小，受人类活动等外界因素影响明显；SiO2、Fe2O3、Cr、Ga等含量基本没有变化；F、Mn含量随深度增加先升高后降低；Ge含量随深度增加先降低后升高，反映研究区Ge背景值较高，具富Ge土壤特性；pH在耕作层显示弱酸性，在其他3层中显示中性，可能为植物根系分泌物和施肥等综合因素所致。