海南岛文昌现代红色沙质土壤的主量元素分析结果与意义

2024-02-06李保生王丰年牛东风温小浩

佛山科学技术学院学报（自然科学版） 2024年1期

陈敏，李保生，2，*王丰年，牛东风，温小浩

（1.华南师范大学地理科学学院，广东广州 510631；2.中国科学院地球环境研究所黄土与第四纪地质国家重点实验室，陕西西安 710061；3.惠州学院地理与旅游学院，广东惠州 516007；4.岭南师范学院地理科学学院，广东湛江 524048）

砖红壤是在丰富的水热条件、强烈化学风化、活跃的生物循环等多因素影响下形成的红色酸性土壤，其诊断层至少30 cm 或更厚［1-2］。我国砖红壤面积约占国土面积的1.08%，主要分布在热带和南亚热带地区［2］。本文研究区所在的海南省有大面积的现代砖红壤，砖红壤面积占全省土壤总面积的63.85%［3］。赵志忠等对海南岛西部砖红壤的元素地球化学组成的研究表明，不同砖红壤剖面由于母质的差别可以造成主量元素和微量元素的含量与变化趋势有所不同［4］。由此可知，通过土壤元素数据可能可以推测土壤母质信息或反映土壤发育过程中环境变化的情况。

海南岛部分沿海区域有分布风成沙丘和沙地，许多沙地或沙丘经成土成壤过程形成了现代红色沙质土壤并作为耕地使用。这类型土壤的知识介绍相对较少，对其地球化学性质的研究也不多。为更多地了解此类型土壤的理化性质，分析土壤的成壤过程是否受当地气候环境影响，本文对海南岛东北部文昌坑尾园风成砂物质基础上发育的现代“红色沙壤”进行了采样和元素分析。

1 研究区概况

海南岛是我国第二大岛如图1a 所示，位于热带季风海洋性气候区，四季不分明［5］。海南岛地势为中间高，四周低。文昌市位于海南岛东北部，采样点坑尾园位于文昌市滨湾路坑尾园村与后湾村交界处，110°47′E、19°36′N 如图1b 所示。文昌市位于低丘台地平原区，境内山岭较少，海拔不高，平均海拔42.55 m。终年无霜，气温年较差小，年平均气温23.9℃。雨量丰沛，在时空上分配不均，有明显的干湿季。干季为11 月～翌年4 月，每年5～10 月为汛期，降水量占全年约80%。常年降水量为1 722 mm，平均降水量1 530～1 949 mm。在8～11 月常受强热带风暴和台风影响［5］。

图1 海南岛和坑尾园采样点的分布位置

2 实验方法和数据处理

2.1 实验方法

在采样点对坑尾园红色沙壤自表层向下采样，采样厚度为80 cm，每个样品间隔约2 cm，共采样42 个。

用型号为Epsilon5 的偏振能量色散X 射线荧光光谱仪对样品的Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg 这7 种主量元素的氧化物质量分数进行测定如表1，其中Fe 的测试结果包括Fe2O3和FeO，用全铁（TOFE）表示。

表1 文昌现代砖红土主量元素数值情况

具体操作流程为：将采集的样品用烘箱中烘干，烘箱温度保持在40 ℃以下。烘干后的样品用14 目的筛子筛除杂物，过筛后的样品用型号为ZHM-1A 的振动磨样机进行研磨，研磨时间需持续1.5 min，研磨后的样品过200 目筛。称取6.0 g 过筛样用硼酸垫底镶边，在型号为ZHY-401A 的压样机30 t 压力下持续压制0.5 min，制成直径为3.2 cm 的圆饼状样片，将样片置于X 射线荧光光谱仪中进行测试。测试过程中使用的校正曲线有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）、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）。测试过程中使用GSS17 标准样品进行测试结果的数值控制，实验误差±5%［6］。

2.2 数据处理

根据测试所得的主量元素氧化物含量计算硅铝铁系数（Saf）、风化淋溶系数（ba）和化学蚀变指数（CIA）分别为

（1）、（2）、（3）式中n 为摩尔分数。（3）式中，CaO*为硅酸盐矿物中的钙含量，不包括碳酸盐和磷酸盐等矿物中结合的钙［7-10］。由于实验过程中很难完成样品中硅酸盐矿物的精确分离，本文采用Mc Lennan 提出的数值比值校正方法，根据自然界硅酸盐矿物中Na 和Ca 的平均组成，以沉积物样品中n（CaO）与n（Na2O）的比值来计算CIA：如果比值大于1，以n（Na2O）的摩尔含量代替n（CaO）含量进行计算；而若比值小于1，则以n（CaO）含量来计算CIA［11］。

3 数据分析

表1 列出了文昌坑尾园红色沙壤42 个样品7 种主量元素含量、CIA、Saf 和ba 的分布范围和平均值。从数据可知，所测样品的SiO2含量最高，平均含量占总量的80%以上，其次是Al2O3和TOFE（Fe2O3+FeO），各自的质量分数平均数占总量的2～9%。K2O、Na2O、CaO、MgO 的含量极低，这4 种元素的平均质量分数的总和不到总量的0.5%，后三者的平均值均不足0.1%。所测样品的CIA 均在90 以上，Saf 值在3～17 之间，ba 值不超过0.12。

图2 展示了主量元素含量、CIA、Saf、ba 以及Rb/Sr 值（王丰年，待发表数据）随深度的变化。图中，高含量的元素，其波动幅度更大，波动幅度最大的是SiO2，其次是Al2O3、TOFE；K2O、Na2O、CaO、MgO 含量都很低，其波动幅度很小且含量和波动幅度均依次降低。在深度上Saf 和ba 值的波动范围较大，但CIA值相对平稳，随深度变化不大。

图2 文昌坑尾园采样点主量元素、CIA、Saf、ba 和Rb/Sr 随深度变化

图2 显示出SiO2、Al2O3、TOFE 这几种元素之间存在一定的关联，随深度变化，SiO2与Al2O3和TOFE 有相反的变化，前者与后两者之间存在相关关系。K2O 和CaO 的变化趋势和Al2O3和TOFE 的变化趋势较为相似。Rb/Sr 比值同Al2O3、TOFE、K2O 等元素的变化趋势类似。Na2O 和MgO 在深度上的变化趋势表现不明显，可能是元素底值较少，而元素性质相对活泼，更易迁移、流失造成的［6］。此外，该图还显示出CIA 分别与Saf、ba 数值有相反的变化趋势。图3 展示了SiO2-Al2O3、SiO2-（Al2O3+TOFE）、CIA-Saf 和CIA-ba 的相互关系和相关性。尽管彼此之间的相关系数数值不大，但都呈现出负相关关系。图示中各小图的相关性数据较低的原因之一可能是受SiO2的3 个异常数据的影响，剖面深度在48～52 cm 的SiO2的数值比整个剖面的平均值明显偏低，在图3a 和图3b 中可以明显看到这3 点明显偏离了其他样点。如果去除这3 个样品的数据来做相关性分析，可得出图3a 和图3b 的相关性分别为-0.98 和-0.95。

图3 SiO2-Al2O3、SiO2-（Al2O3+TOFE）、CIA-Saf 及CIA-ba 的相关性

4 讨论

在对碎屑岩的研究中，冯连君认为CIA 指数可以反映源区沉积物化学风化程度［12］。CIA 数据能反映风化过程中长石转变成黏土矿物的程度，指示化学风化作用强弱以及成土过程中K、Na、Ca 的相对损失量［12-13］。CIA 值在50～65 时表示较弱的风化程度；CIA 在65～85 时表示中等风化程度；CIA 在85～100时表示强烈的风化程度［13］。硅铝铁系数（Saf）通过土壤铝铁富集和脱硅的程度来说明风化的程度［14-15］。成土母质相同或相似时，Saf 越小，风化程度越高［14-16］。风化淋溶系数（ba）可反映风化环境、风化强度以及K、Na、Ca 等盐基离子的淋溶程度，通过土壤中活泼元素K、Na、Ca 相对于稳定元素Al 的淋溶迁移程度来判断［12，17］。ba 越小，表示K、Na、Ca 的淋溶越强，风化成壤作用越强［17-19］。在温暖湿润的气候环境下，土壤盐基离子K、Na、Ca、Mg 等更易迁移，淋溶作用强，相对损失量大；相同环境下，Al2O3、TOFE 相对富集，CIA 数值大，Saf、ba 值小，风化越强。在寒冷干旱的气候环境下的元素、CIA，Saf、ba 变化则相反，风化作用越弱［20-21］。Rb/Sr 比值是信赖的气候代用指标，其比值高低能指示化学风化程度强弱，比值大，风化弱；比值小，风化强［22］。

从数据和图2 可以看出，土壤的脱硅富铝铁现象比较明显，整个剖面的化学风化强烈。土壤对应的成壤时间段，气候温暖湿润。本文80 cm 土壤剖面可以大致分为两段，地面到深度40 cm 处可以划为上部，下40 cm 划为下部，下部Al2O3、TOFE、CIA、Rb/Sr 比值平均值大于上部值，Saf 下部的平均值略小于上部的值，反映出剖面底部到顶部风化程度降低的规律。这一变化同基岩类风化壳型红土剖面风化特征呈相反趋势［14］。

通过表1 数据可知，该地红色沙壤SiO2含量最高，Al2O3、TOFE 其次，Na2O、K2O、CaO、MgO 含量依次降低，其中MgO 含量最低，甚至有出现百分含量为0 样品。图4 为文昌坑尾园主量元素、乐东尖峰岭3 个剖面、海南岛东北部采石场的主量元素的UCC 标准化曲线图［4，23-24］，坑尾园现代砖红土中SiO2相对相对UCC 呈高值，元素富集；Al2O3、TOFE、CaO、Na2O、K2O、MgO 相对UCC 呈低值，处于低值状态。其中Al2O3、TOFE 低值程度较低，CaO、Na2O、K2O、MgO 低值程度较高，含量低。Al2O3、CaO、Na2O、K2O 均处于低值状态，但却有较高的CIA 值，是因为在热带环境中，CaO、Na2O、K2O 随流水迁移的多，其含量很少，所得的CIA 值相应较大。文昌坑尾园CIA 值均在90 以上，处于高值，与热带地区炎热、潮湿环境相印证。坑尾园主量元素与同乐东尖峰岭3 个剖面、采石场的值与UCC 曲线对比可知，坑尾园的SiO2较7406 剖面外的其他3 个剖面而言处于富集状态，Al2O3、TOFE 较另4 个剖面处于低值状态，Na2O、K2O、CaO、MgO 4 种元素在5 个剖面上均显示为低值状态。SiO2、Al2O3、TOFE 的变化不一致，可能是因为各自的成土母质存在差异［4］。据赵志忠等的研究可知，不同的成土母质其常量元素含量是有差异的，7406 号剖面成土母质为花岗岩，其SiO2含量最高，7405 和8803 剖面的成土母质分别是砂岩和砂页岩，其Al2O3含量相对偏高［4］。采石场剖面中，其CIA 值均在93 以上，在地表到90 cm 的深度范围中，呈现出随深度增加CIA 值不断变大的规律［24］，同坑尾园的上下部变化规律一致：剖面顶部到底部风化程度增强。

图4 文昌现代砖红土元素和乐东尖峰岭3 个剖面、UCC 标准化曲线

黄镇国提出，30°N 以南区域处在热带亚热带高温潮湿气候环境，会形成富铝化风化壳，此类风化壳硅铝系数和硅铝铁系数都很小，均在2.5 以下［16］。文昌坑尾园Saf 在3.7 以上，与黄镇国研究矛盾。从表1 可以看出，SiO2含量多大于65%，SiO2富集形成含量高值可能是造成Saf 高值的原因之一。