中亚热带山地垂直地带性土壤常量地化元素变化特征及其对气候条件的响应<br/>——以福建南平茫荡山为例

中亚热带山地垂直地带性土壤常量地化元素变化特征及其对气候条件的响应
——以福建南平茫荡山为例

2021-09-10陈心怡

热带地貌 2021年1期

陈心怡,吕镔

（1.华南师范大学，广州510631；2.福建师范大学，福州350108）

常量地球化学元素及其相关参数是广泛应用于地球科学不同领域研究的基础指标。常量地球化学元素指标具有参数多，易测量等优点。其测量结果通常以氧化物的形式表示。基于元素本身的特性，不同元素在化学风化过程中迁移能力存在着明显差异，用元素比值（如化学蚀变指数、硅铝率、硅铝铁率等）来表示化学风化强度不仅可以更全面地反映相关的气候要素，也可避免由于个别元素对气候条件响应的不确定性带来的误差。在不同的气候条件下，常量地球化学元素对气候的响应机制也不尽相同，因此常常需要与其他指标相配合来有效分析。如，在干旱区，由于降水稀少，化学风化程度很弱，地球化学元素的迁移与沉积不仅受到气候条件中水、热因子的影响，也更易受其他更多因素的制约，因此很多环境信息被掩盖，需要与其他指标结合进行研究［1］。又例如，在高温或高湿的气候条件下，某些常量地球化学元素可能已所剩无几或淋溶殆尽，元素绝对含量变化往往并不能真实地反映风化成土过程中元素的地球化学特征，活动性元素的淋失会直接造成样品中稳定性元素的浓度增加［2］，而使某些常量地化参数在指示热带亚热带气候变化研究中失灵。

近年来，许多学者开展了热带亚热带地区土壤常量地化元素的研究，取得了一系列重要的研究进展［3-5］。如，一些学者通过对福建第四纪红土沉积的研究中，得出该地区符合亚热带脱硅富铝或脱硅富铁铝的过程中，总体上形成于亚热带湿热的季风气候［3］。又如，对海南岛的多处土壤剖面的研究中，得出铁铝的富集与硅的淋失存在明显的相关关系，当SiO2含量降至某特定值时Al2O3的富集过程受到遏制，甚至一些区域的SiO2含量与其他常量元素负相关［4-5］。但关于微小环境条件差异下发育的土壤常量地球化学元素的研究较少，且关于山地垂直地带性土壤，特别是海拔高度相差不大的若干剖面的对比研究更是少见报道。

本研究以福建省南平市延平区三楼村境内的茫荡山中仅海拔有微小差距的三个剖面采集土壤样品为例，探讨常量地化元素在微小的海拔高度变化下，对中亚热带中不同气候因子的响应进行研究。本研究不仅可以探究本区山地土壤发育与气候之间的相互关系，也可以为不同气候区恢复古气候环境提供参考，更可进一步对常量地球化学元素对不同环境条件差异的响应情况进行对比。从已知的山地气候条件推断中亚热带山地中海拔差异微小的土壤的发展机制以及同一个剖面土壤的常量地球化学元素的垂向变化规律，以初步探明中亚热带山地在微小海拔差异条件下土壤淋溶的差异及主导影响因素。

1 研究区剖面概况与实验方法

1.1 区域自然地理环境特征

茫荡山研究样区介于东经117°00′至119°25′，北纬26°30′至28°20′之间，属于我国东南丘陵山地的一部分，是武夷山脉向东南延伸的支脉南端，属鹫峰山脉的西南支脉，主山体呈北东向南西走向，绵延达40 多千米，主峰朦瞳洋海拔1 363 m，山脚处海拔约100 m。茫荡山地处的气候区属于中亚热带季风气候［6-7］。在该类型气候控制下，茫荡山全年气候温和，雨季明显，夏季时长远远大于冬季，全年雾日较多，无霜期较长。年均气温为19.3 ℃，年均降雨量达1 660 mm（数据来源：中国天气网）。此处作为闽江的上游区域，水系发育良好，山中溪流众多，但规模较小。山中植被类型多样，但以人工毛竹林及生长在竹林以下低矮的草本植物与地被植物为主。

1.2 研究剖面概况与采样

研究剖面点行政上归属于福建省南平市延平区茫荡镇的三楼村。该村在近年来由于人口缩减的原因，山体开发程度很低，受到人类活动的影响较小。野外调查与采样在2018年进行。样品采集所在的三个剖面均在茫荡山中，三者母岩类型同为浅变质的板岩，成土母质为板岩风化壳，按10 cm 间距（个别层位按5 cm 间距）采样，共计样品55 个。为了尽量减小地形和水土流失的影响，选取的三个采样点的植被情况良好，均为人工种植毛竹林。且坡度较小、土壤排水情况好，三个剖面均取于向阳坡。三者均发育于板岩风化壳之上，三者海拔差异微小，分别为559 m、623 m、667 m。从低到高，三个剖面海拔高度分别依次相差64 m，44 m。三个剖面海拔高度最大差距仅108 m。

剖面简称按三楼村拼音首字母（SLC）与剖面海拔高度数值共同命名。在野外对三个剖面进行采样前，清除剖面外层约10 cm 浮土形成垂直切面。对土壤剖面形态特征如土壤颜色（对照土壤比色卡）、质地、结构、松紧度、母质类型等进行详细地记录，并以这些指标为依据进行剖面不同土层的划分。同时也需详细记录采样剖面地理位置（经纬度、海拔高度等）、所在局部区域植被、地形状况。

SLC-559 剖面出露厚度为1.6 m，0—20 cm 为A 层，含有少量有机质和植物根系，颜色为暗红；20—90 cm 为B 层，粘粒含量高，质地较为均一，颜色为红色；90—160 cm 为BC 层，颗粒较粗，一定程度上保存了母岩的特征。以10 cm 等间距采样，共获得样品18个。

SLC-623 剖面出露厚度为1.2 m，0—20 cm 为A 层，含有较多量有机质和植物根系，颜色为暗黄；20—90 cm 为B 层，粘粒含量高，质地较为均一，颜色为黄红色；90—120 cm 为BC 层，下部含有未完全风化的母岩岩块。以10 cm 等间距采样，共获得样品13个。

SLC-667 剖面位于局部洼地，出露厚度为1.3 m，分为两层0—40 cm，黑色层，含有大量的植物根系和凋落物，质地疏松；40—130 cm，质地均一粘重，颜色为亮黄色。0—60 cm 为5 cm 等间距采样，60—130 cm 以10 cm 等间距采样，但为了在研究中与其他剖面保持一致，故采用10 cm 间距的样品即其中的样品14个进行后续的实验与分析。

除此之外，采集的样品还包括部分母岩样品，由于以上三个剖面底部经受的化学风化程度高，剖面的母岩已严重风化为母质，所以用钻孔法采集了茫荡山其他五处相同的母岩样品。钻孔为该地建设勘探实施。5 个母岩颜色为浅黄、浅紫和灰白等。本研究共计样品55个。

1.3 实验方法

样品在室内自然风干。风干后取适量的三个剖面的样品及五处母岩分成三个亚组。第一组样品用于地球化学元素测量，第二组样品供其它指标测试，第三组留作备用。地球化学元素利用帕纳科Epsilon3 台式能量色散X 射线荧光光谱仪测量。取5g左右样品研磨至200目的干燥样品置于压片机内，以硼酸作为黏合剂压成表面光滑圆片，将圆片放入X射线荧光光谱仪中进行测量。对测量结果进行处理，得到常量化学元素含量及其比值。

所测得的土壤元素成分数据项目有许多项包括常量元素和微量元素，由于一些成分含量过少容易引起误差，所以在本文中将选取SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO、CaO、Na2O、K2O 七个常量元素进行研究探讨。在热带亚热带地区，由于水热条件良好，Ca、Na 元素被大量淋溶，在各个剖面中这两种元素的含量极少，过度讨论其变化会导致较大的误差，因此在本文中不对这两种元素含量变化深入讨论，只利用其基本值求出相关化学风化强度指标。利用Excel 软件进行数据处理。化学蚀变指数的公式为CIA=［Al2O3/（CaO+Na2O+Al2O3）］*100，其中CaO 是指硅酸盐中的钙含量［8］。硅铝率（SiO2/Al2O3）；残积指数［（Al2O3+Fe2O3）/（CaO+Na2O+MgO）］；铁铝比（Fe2O3/Al2O3）；ba指数［ba=（K2O+Na2O+CaO+MgO）/Al2O3］等，所有公式中元素含量均为摩尔百分比。使用SigmaPlot10.0完成制图。

2 结果分析

2.1 同一剖面常量元素含量随深度变化特征

2.1.1 SLC-559 剖面在同一土壤剖面中，土壤不同深度的水分与热量组合不同。对于厚度通常仅为数米的土壤而言，温度总是随着深度下降，而水分情况稍微复杂：降水发生时，水分以自上而下迁移为主；非降水时段，表层土壤水分蒸发，深层水分通过毛细作用等向上迁移。这些过程是土壤元素迁移淀积的外在因素。元素本身性质是内在因素。不同的常量元素在深度变化的过程中，对相同的水热条件组合也有不同的响应状况（元素钙、钠几乎在土层中淋溶殆尽含量微小，其变化可能主要反映误差，本文将数据列出，而不赘述）。从各元素曲线波动的情况来看，在此剖面中某些常量元素对特定的水热状况的灵敏程度具有一定的共性，即在随深度的变化过程中具有一定的阶段性。如图1 所示，在此剖面中，元素硅、铝、铁、镁、钾（质量百分比）均在深度为1.0—1.2 m 处发生较大波动，且在此范围达到最大值与最小值，随后变化幅度降低。SiO2含量随深度增加过程中，含量先增加后在一定范围内波动，在深度为1.1 m 处突变至研究深度内的最大值，在波动的最终值略高于表层值；剖面的Al2O3含量随深度变化过程中，除在深度1.2 m 处突变至最小值外，整体呈先增加后减少的趋势，但最终值大于表层值；剖面的Fe2O3含量在剖面深度变化的过程中波动较大，在浅层和深度为1.1—1.2 m 处有最大波动，且其最终值大于表层值；MgO 含量随深度增加呈现先增加后减少的趋势，在深度为1.2 m 处突变至最大值后减少，最终值仍大于表层值；K2O 含量随深度增加的趋势是先增加后和缓波动。整体而言，上述元素的变化范围不大。SiO2含量大部分介于52%—53.5%，Al2O3含量介于11.6%—13.3%，Fe2O3含量介于5.2%—6.2%，MgO 含量介于0.42%—0.42%，K2O含量介于1%—2.4%。

图1 SLC-559 剖面常量元素及化学风化指数的剖面变化Fig.1 Major elements content and chemical weathering parameters of SLC-559 section

从化学蚀变指数（CIA）和风化淋溶系数（ba）随深度的变化曲线可以看出，二者的值均有两个突变剧烈的深度，分别在表层和深度为1.0—1.2 m 处发生剧烈波动，验证前面所假设在此深度范围内元素化学风化强度发生突变。从二者的变化情况来看，土壤的化学风化程度在表层处最大，在表层和深度为1.0—1.2 m 处发生急剧降低，其余深度均呈和缓波动。ba 值主要体现性质较活泼的碱金属氧化物的化学风化情况。CIA 在B 层中获得最大值，接近88。

2.1.2 SLC-623 剖面如图2 所示，在此剖面中，SiO2含量、Al2O3含量、SiO2含量、Fe2O3含量的变化在深度为0.8 m 处均达到最值，进一步证明常量元素对特定深度下的水热组合响应具有一定的共性。

图2 SLC-623剖面常量元素及化学风化指数的剖面变化Fig.2 Major elements content and chemical weathering parameters of SLC-623 section

SiO2含量随深度增加呈较大波动地先减少后增加，在深度0.8 m 处达到最小值，最终值小于初始值，即在表层水热组合对SiO2的富集呈最优，随深度增加的过程中，硅元素的富集程度先降低后增加；Al2O3含量随深度变化过程整体先增加，在深度0.8 m处达到最大值后，在B层底部与BC层呈小范围减少的趋势，且减少后仍大于初始值；Fe2O3含量随深度变化与Al2O3含量变化相似，在深度0.8 m 处达到最小值后在B 层底部与BC 层呈小范围减少；剖面的MgO 含量、K2O 含量随深度增加均变大，且在B层底部约0.8 m处开始增加的幅度较大。与SLC-559 剖面相比，上述元素的变化范围稍大。SiO2含量大部分介于50%—55%，Al2O3含量介于11%—15%，Fe2O3含量介于3.8%—5.4%，MgO 含量介于0.25%—0.65%，K2O含量介于1.6%—3.6%。

从化学蚀变指数（CIA）和风化淋溶系数（ba）随深度的变化曲线可以看出，在表层水热组合对化学风化最优，从表层往下深度增加CIA波动式减少，ba 值波动式增加，即化学风化整体上降低，且可知在剖面研究范围的最大深度化学风化程度最低。CIA在表层中获得最大值，约为85。

2.1.3 SLC-667 剖面如图3 所示，在此剖面中，在达到某特定深度时常量元素含量随深度增加的变化情况发生转折。SLC-667 的SiO2含量随深度变化过程中，整体呈先增加后减少，最后在一定范围内小范围波动，剖面中的SiO2含量浅层和深度为0.5 m处急剧增加，在深度为0.5 m处达到最大值后开始减少，但减少后的最终值仍大于初始值，说明在此剖面中，随着深度的增加水热组合的变化有利于SiO2富集，表层的水热组合并不是最适宜硅元素富集的；Al2O3含量、Fe2O3含量、MgO 含量、K2O 含量随深度增加呈现先增加，在深度为0.7 m时氧化物含量达最大值后随着深度增加呈现平缓波动的状态，说明在此剖面中，随着深度的增加，水热组合利于这四种元素在土壤中的存留。以上所分析的常量元素在此剖面的变化均说明了随着深度的增加，常量元素均趋于富集。SiO2含量大部分介于53%—56.5%， Al2O3含量介于9.5%—13.5%，Fe2O3含量介于3.2%—4.2%，MgO 含量介于0.33%—0.65%，K2O含量介于1.8%—3%。

图3 SLC-667剖面常量元素及化学风化指数的剖面变化Fig.3 Major elements content and chemical weathering parameters of SLC-667 section

从化学蚀变指数（CIA）的值随深度的变化曲线可以看出，在土壤表层的水热组合对土壤的化学风化是最优的，在深度为0.1m 处CIA 达到最大值后迅速减少，而风化淋溶系数（ba）同样在此深度达到最小值后变大，则在浅层处化学风化程度的变化是最剧烈的。表层的和浅层处的土壤化学风化程度最高，随后随深度的增加化学风化程度降低，则在此剖面随深度增加不利于岩石的化学风化。CIA 在表层中获得最大值，约为83.5，除此之外，CIA均小于81。

2.2 不同剖面常量元素含量随海拔高度变化特征

三个剖面和母岩共55 个样品的地化元素含量的平均值如表1所示。三个剖面各常量元素含量平均值的顺序均为SiO2＞Al2O3＞Fe2O3＞K2O＞MgO＞CaO、Na2O，其中由于Si 主要存在于石英中，而石英不易发生迁移，Al 主要存在于长石、云母、辉石等铝硅酸盐矿物中，水中难溶解，化学稳定性强，所以在土壤中含量较高［9］。从实际野外调研中所知的三个剖面的位置相近以及常量元素含量的排序来看，排除三个剖面差异发育的母岩影响，三者的母岩均相同，即三个土壤发育的物质基础是相同的。

该地土壤发育所受人为因素影响小，因此可直接以所研究的表层以下较小深度范围内的土壤常量元素的平均含量与五个母岩样品所测出的平均含量进行对比，以判断土壤常量元素在土壤发育过程中的变化情况。从平均值上看，母岩中此七种常量元素含量占比总和为79.20%，而在三个不同海拔的剖面中，SLC-559中七种常量地化元素之和为73.34%，SLC-623 中七种常量地化元素之和为73.51%，SLC-667 中七种常量地化元素之和为74.32%，说明七种常量元素在土壤中的含量是相对淋失的，且这种减少的比例随着海拔的升高而降低即此其中常量元素的风化淋溶程度随着海拔升高而降低。进一步说明在本次取样的三个剖面中，随着海拔的增加，水热条件有较大的变化从而影响了微小海拔差距的三个剖面的土壤发育。

常量地化元素中SiO2、Al2O3、Fe2O3三者占比之和超过70%。Al2O3在SLC-559 与SLC-623 相对母岩含量较多，说明相对富集，而当到达了剖面SLC-667 时含量降低，说明在此海拔上Al2O3淋失程度增加。在三个剖面中，随着海拔的升高，Fe2O3的含量占比越来越少，则说明铁元素淋失率越来越高，在SLC-623 淋失率达20.57%，在SLC-667已高达33.67%。

MgO、K2O 的含量与母岩相比相距甚远，即相对母岩发生了强烈的淋失。其中MgO 淋失率达52.13%以上，Na2O 淋失率达60%以上，K2O 淋失率达38.37%以上。除此之外，三个剖面SiO2的含量与母岩相比也略有减少，说明SiO2在土壤发育的过程中也受到一定程度的损耗，但由于Si 元素本身的地球化学特性较为稳定，淋洗程度相对较弱。

以上说明在福建南平茫荡山的三个剖面中，Fe、Al 元素与母岩中含量相差较少，Al 元素部分剖面含量甚至大于母岩含量，Si元素含量与母岩中含量相差小，在土壤发育的过程中较为稳定。其他元素均受到不同程度的淋失，其中Ca、Na 元素几乎淋溶殆尽。说明在高温高湿的气候条件下，土壤中的元素以淋失为主，不同元素迁移能力不同，此消彼涨之下导致个别元素相对富集。

Si元素因为常以固体SiO2的形式存在，所以Si元素的化学性质在所研究的七种常量元素中均较稳定、较难淋失。在三个不同高度剖面中，SLC-667的Si元素含量比SLC-559、SLC-623的大较多，而SLC-559 的SiO2含量稍大于SLC-623。Si 元素的淋溶状况是先稍微增加后急剧变小。则说明故在海拔增加水分增加热量减少的情况下，Si元素的淋溶程度是先缓慢上升后下降，淋溶的最大程度出现在海拔［559，623）m间，在淋溶最大程度出现后便是热量条件抑制淋溶发生。且从三个剖面海拔的差值可知，当Si 元素的淋溶程度开始下降时速率较高。Al 元素的化学性质稳定，在温暖潮湿的气候条件下，水介质为酸性，沉积物中易溶元素溶解迁移，Al2O3相对富集［10］。故Al 元素在三个剖面中的差异呈先富集后淋溶，是因为随高度增加，水分增加虽然热量变少，但对于Al 元素而言水热配合程度变高，在海拔559 m 至623 m 间处于加速富集的状态，而在海拔623 m 后，由于温度条件的抑制，Al 元素难以富集开始淋失，最大富集高度在［623，667）m。且由三个剖面的海拔差值与Al 元素含量的变化程度可知在富集最大高度后Al 元素淋失变化程度较大。Fe 元素对气候环境中水分条件反映较为灵敏，当水分条件充足易发生迁移，而在此三个剖面中，Fe 元素的含量随微小海拔变化呈下降状态。但是对相应的温度的反应仍不能在Fe 元素含量的变化中明确。K 元素为碱性金属元素，性质较为活泼，对环境水热条件的反应较为灵敏，在水热条件良好情况下极易被淋溶。但在三个剖面海拔增加的过程中，K 元素的含量呈增加的趋势即随高度增加K元素的淋溶程度是降低的，且SLC-559与SLC-667两个顶端的相差较大，说明此处是热量条件控制了K元素的淋溶，在海拔增加温度降低的条件下，即使是水分条件变得优越，K元素的淋溶程度也是变小。

表1 三个剖面和母岩的部分常量元素均值对比Tab.1 Mean comparison of some macroelement of three sections and R horizon

三个可反映结合具有代表意义的常量元素在微小海拔差异下的含量值，可得出随海拔高度变化的特征。因为三个剖面的海拔相差较小，且在三个剖面的高度范围内，随着海拔增加降水量持续增加而温度降低。CIA 在三个剖面中随着海拔增加而减少。CIA 可以反映三个海拔下K、Na、Ca三者的相对损失情况。ba 指数在三个剖面中随着高度的增加值变大，且各个高度ba 指数的值相差较大。说明在微小海拔的差距下，剖面间的土壤风化程度有着较大的差别。残积指数随着海拔高度的增加呈变小的趋势。残积指数与ba 指数成反比而与CIA 与残积指数的大小成正比［11］，其通常用于表示土壤剖面中铁、铝元素的含量情况。随着海拔的增加ba 指数升高。说明随着海拔的升高，土壤中常量元素的淋溶程度降低。依据残积系数变化以及结合各剖面常量元素的含量变化可知，随着海拔的增加，Mg元素淋溶程度也变低。

表2 三个剖面及母岩层的部分化学风化参数和常量元素均值对比Tab.2 Mean comparison of chemical weathering parameters and macroelement of three sectionsand R horizon

综上，在母岩、植被等基础要素相同的情况下，即土壤发育的基础物质与影响土壤发育的生物因素和相关植物对降水的截留程度是一样的情况下。海拔增加的过程中降水量是增加的而温度降低，CIA 值、ba值、残积系数的值的变化均说明了即使是微小的海拔差异下，土壤中常量元素的淋溶程度仍有较大幅度的降低。且结合Si、Al、K等元素含量的变化情况，均说明了在微小海拔的变化下，水热条件极大程度控制了土壤的淋溶程度，控制了土壤中化学反应的速率，是在微小海拔差异下控制土壤常量元素淋溶或富集的主导因子。

3 讨论

3.1 亚热带山地土壤常量元素总体特征与其它气候区的对比

首先，不同的气候区的成土母质不同，而从不同类型的矿物上发育而来的土壤，其常量元素含量的初始值会有差异，从而影响土壤发育过程中的风化程度，很大程度上决定风化程度的范围。以CIA为例做参考，不同矿物的化学风化程度及范围都不相同。如钠长石和钾长石的CIA变化范围在50—50.5，变化值小且变化范围也小，以长石和石英为主的花岗岩CIA 也在50—60；伊利石的CIA 变化范围在75—85，可风化的程度大且可变化幅度也大；高岭土、绿泥石的CIA 变化范围在99.5—100，可风化程度大、变化范围小［12］。假如干旱半干旱区现代土壤的母质中如有较多高CIA矿物，则其常量元素含量或比值（CIA 等）便无法指示现代环境，而指示高CIA矿物形成时的环境。位于北亚热带和中亚热带分界处的陕西省大巴山，其发育于山体北坡的土壤剖面，由于受花岗岩坡积物的影响，硅元素的含量要大于铝元素和铁元素的含量［13］。中国安徽南部的紫色岩盆地中，由于该区的土壤由紫色沉积岩发育而来，土壤中铁元素含量高，所以土壤中的常量元素Fe 含量元素不仅受到气候条件的影响，也有很大的继承性［14］。本研究5 个母岩样品平均CIA 为71.58，说明含有化学风化的产物。板岩由泥岩或砂质泥岩经浅变质作用形成。沉积物中部分成分在沉积阶段或沉积后经历了一定的化学风化作用。

母岩为火成岩或沉积岩（不含或少含有化学风化产物），则其上发育土壤的常量元素变化主要是受环境条件（如气温和降水等）所制约。元素含量或多或少受控于母岩/母质，难以准确反映外因变化，因此通常用常量元素比值CIA在衡量不同地区之间的化学风化程度差异。CIA 在50—65 之间时，表示干冷气候条件下土壤经历弱的化学风化；65—85 表示土壤经历中度化学风化；85—100表示湿热气候条件下土壤经历强烈的化学风化［15］。

位于中国西北内陆干旱区的天山地区，其典型剖面的黄土CIA 值在45—55 之间，属于初级风化阶段［16］。在对位于温带大陆性气候的鲁中南山地丘陵的土壤进行研究时，测得其典型剖面处的土壤CIA 平均值为53.67，处于未受风化-初等风化阶段［17］。北亚热带季风气候区的汉江上游黄土的CIA 值介于56.98—71.32 之间，均值为65.99［18］，位于浙江境内的金衢盆地，其CIA 值为89.10—89.68。在广西北部的喀斯特山地中，其气候为亚热带季风气候，其CIA 值高达95 以上，化学风化剧烈［19］。而位于亚热带湿润性季风气候的悉尼的全新世软土层可反映悉尼的现代气候情况，其CIA平均值为89 且随深度增加有增加的趋势［20］。热带季风气候的海南岛的玄武岩风化壳中的CIA 值达99.4，而上部土壤已经接近100 的最大值［4］。而在本研究的中亚热带季风气候的茫荡山中，SLC-559剖面为强化学风化阶段，而另两个剖面为中等化学风化阶段。从上述的数据对比可以看出在大空间尺度上，CIA可以很好地指示气候的变化。

3.2 土壤常量元素差异的原因分析

土壤中常量元素含量差异主要是水热因子的组合在起作用，因此在不同土壤发生层次（深度）的变化具有一定规律性。可以利用此原理来反演过去气候变化。不同地区不同条件下形成的现代土壤元素特征与气候关系是其基础。本研究的三个剖面均发育在弱变质的板岩的风化壳上，理论上无法证明1—2 m 厚的土壤层对应的原先物质具有高度的均一性，因为元素/物质流失或富集并非仅受单一因素的简单作用。但即便如此，三个剖面不管在土壤层次上或整体剖面之间均表现出明显的规律性，说明原本母岩物质的不均一性不是主导因素，而外在的气候条件才是土壤常量元素产生分异的主要原因。如图1—3 所示，铝、铁、镁、钾四种常量元素在同一剖面内，在不同剖面之间表现出相当一致的规律性，即总体上随着深度增加含量增加。这一现象说明了，剖面表层或顶层受水热影响较为频繁和强烈，这些元素往下迁移，甚至被带出土体垂向进入地下水或侧向进入地表径流。硅元素与上述四种元素则无统一的规律，其原因可能是硅元素主要赋存在石英中。板岩的原生岩石为粘土岩或砂质粘土岩，这两者属于远源的细粒沉积岩，硅酸盐矿物在长期长远搬运过程中风化分解殆尽。因此，三个剖面中的硅含量更多反映原始母岩中石英含量及其它元素淋溶量（元素使用百分比表示，某些元素淋溶使得其它元素相对富集）。总体上，土壤表层CIA 高于下部，但层次间的规律性不明显，这可能与山地土壤发育较薄，受侵蚀等因素有关。从土壤发生层次看，规律性更加明显，整体而言，土壤的A层和B 层具有更高的CIA。降水在同一土壤剖面内元素含量分异过程起到的作用大于温度。该海拔高度段相对于中亚热带低海拔地区（100—200 m）显现出强淋溶弱风化特征。

在微小海拔差异下，本研究的三个剖面土壤发育中的五大成土元素中的母岩条件、生物（植被）条件、时间条件是相对一致的，且三者选取的剖面所处的地形部位相似，因此只有气候条件影响他们之间的土壤风化程度差异。从常量元素含量及比值，随着海拔的增加，土壤风化程度是降低的。笼统而言，影响土壤发育的气候条件从降水和温度两个方面及其组合考虑。在亚热带低海拔地区，水热条件优越，两者均非土壤发育的限制条件。研究剖面所属的南平市的市区年均气温为19.3 ℃，年均降雨量达1 660 mm。市区海拔约100 m，与SCL-667 剖面相差约567 m。按海拔每升高1 000 m 气温下降6 ℃估算，SCL-667 剖面处年均气温约为15.9 ℃。SCL-667 剖面与SCL-559剖面气温相差约0.66 ℃。随着海拔升高，降水量增大，即三个剖面所处年均降雨量高于1 660 mm。在降水量适宜情况下，气温主要通过两个方面增加土壤发育：一是温度越高，化学反应速率越大；二是促进生物活动，加强生物化学风化作用。降水量越高，则越容易将土壤中可溶性元素淋溶。三个剖面从低到高，气温降低、降水增加，两者呈反向变化。CIA 变化趋势与气温相同，而与降水相反，说明：温度条件明显成为抑制土壤整体风化的主导因子；土壤常量元素含量可以很好地响应微小气候条件变化。