海南島文昌現代紅色沙質土壤的主量元素分析結果與意義

陳 敏，李保生，2，*王豐年，牛東風，溫小浩

（1.華南師范大學 地理科學學院，廣東 廣州 510631；2.中國科學院地球環境研究所黃土與第四紀地質國家重點實驗室，陜西 西安 710061；3.惠州學院 地理與旅游學院，廣東 惠州 516007；4.嶺南師范學院 地理科學學院，廣東 湛江 524048）

磚紅壤是在豐富的水熱條件、強烈化學風化、活躍的生物循環等多因素影響下形成的紅色酸性土壤，其診斷層至少30 cm 或更厚［1-2］。我國磚紅壤面積約占國土面積的1.08%，主要分布在熱帶和南亞熱帶地區［2］。本文研究區所在的海南省有大面積的現代磚紅壤，磚紅壤面積占全省土壤總面積的63.85%［3］。趙志忠等對海南島西部磚紅壤的元素地球化學組成的研究表明，不同磚紅壤剖面由于母質的差別可以造成主量元素和微量元素的含量與變化趨勢有所不同［4］。由此可知，通過土壤元素數據可能可以推測土壤母質信息或反映土壤發育過程中環境變化的情況。

海南島部分沿海區域有分布風成沙丘和沙地，許多沙地或沙丘經成土成壤過程形成了現代紅色沙質土壤并作為耕地使用。這類型土壤的知識介紹相對較少，對其地球化學性質的研究也不多。為更多地了解此類型土壤的理化性質，分析土壤的成壤過程是否受當地氣候環境影響，本文對海南島東北部文昌坑尾園風成砂物質基礎上發育的現代“紅色沙壤”進行了采樣和元素分析。

1 研究區概況

海南島是我國第二大島如圖1a 所示，位于熱帶季風海洋性氣候區，四季不分明［5］。海南島地勢為中間高，四周低。文昌市位于海南島東北部，采樣點坑尾園位于文昌市濱灣路坑尾園村與后灣村交界處，110°47′E、19°36′N 如圖1b 所示。文昌市位于低丘臺地平原區，境內山嶺較少，海拔不高，平均海拔42.55 m。終年無霜，氣溫年較差小，年平均氣溫23.9℃。雨量豐沛，在時空上分配不均，有明顯的干濕季。干季為11 月～翌年4 月，每年5～10 月為汛期，降水量占全年約80%。常年降水量為1 722 mm，平均降水量1 530～1 949 mm。在8～11 月常受強熱帶風暴和臺風影響［5］。

圖1 海南島和坑尾園采樣點的分布位置

2 實驗方法和數據處理

2.1 實驗方法

在采樣點對坑尾園紅色沙壤自表層向下采樣，采樣厚度為80 cm，每個樣品間隔約2 cm，共采樣42 個。

用型號為Epsilon5 的偏振能量色散X 射線熒光光譜儀對樣品的Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg 這7 種主量元素的氧化物質量分數進行測定如表1，其中Fe 的測試結果包括Fe2O3和FeO，用全鐵（TOFE）表示。

表1 文昌現代磚紅土主量元素數值情況

具體操作流程為：將采集的樣品用烘箱中烘干，烘箱溫度保持在40 ℃以下。烘干后的樣品用14 目的篩子篩除雜物，過篩后的樣品用型號為ZHM-1A 的振動磨樣機進行研磨，研磨時間需持續1.5 min，研磨后的樣品過200 目篩。稱取6.0 g 過篩樣用硼酸墊底鑲邊，在型號為ZHY-401A 的壓樣機30 t 壓力下持續壓制0.5 min，制成直徑為3.2 cm 的圓餅狀樣片，將樣片置于X 射線熒光光譜儀中進行測試。測試過程中使用的校正曲線有27 個國家土壤成分分析標準物質（GSS2～GSS28）、6 個水系沉積物成分分析標準物質（GSD2a、GSD7a、GSD9～GSD12）、6 個水系沉積物成分分析標準物質（GSD2a、GSD7a、GSD9～GSD12）和6 個巖石成分分析標準物質（GSR1～GSR6）。測試過程中使用GSS17 標準樣品進行測試結果的數值控制，實驗誤差±5%［6］。

2.2 數據處理

根據測試所得的主量元素氧化物含量計算硅鋁鐵系數（Saf）、風化淋溶系數（ba）和化學蝕變指數（CIA）分別為

（1）、（2）、（3）式中n 為摩爾分數。（3）式中，CaO*為硅酸鹽礦物中的鈣含量，不包括碳酸鹽和磷酸鹽等礦物中結合的鈣［7-10］。由于實驗過程中很難完成樣品中硅酸鹽礦物的精確分離，本文采用Mc Lennan 提出的數值比值校正方法，根據自然界硅酸鹽礦物中Na 和Ca 的平均組成，以沉積物樣品中n（CaO）與n（Na2O）的比值來計算CIA：如果比值大于1，以n（Na2O）的摩爾含量代替n（CaO）含量進行計算；而若比值小于1，則以n（CaO）含量來計算CIA［11］。

3 數據分析

表1 列出了文昌坑尾園紅色沙壤42 個樣品7 種主量元素含量、CIA、Saf 和ba 的分布范圍和平均值。從數據可知，所測樣品的SiO2含量最高，平均含量占總量的80%以上，其次是Al2O3和TOFE（Fe2O3+FeO），各自的質量分數平均數占總量的2～9%。K2O、Na2O、CaO、MgO 的含量極低，這4 種元素的平均質量分數的總和不到總量的0.5%，后三者的平均值均不足0.1%。所測樣品的CIA 均在90 以上，Saf 值在3～17 之間，ba 值不超過0.12。

圖2 展示了主量元素含量、CIA、Saf、ba 以及Rb/Sr 值（王豐年，待發表數據）隨深度的變化。圖中，高含量的元素，其波動幅度更大，波動幅度最大的是SiO2，其次是Al2O3、TOFE；K2O、Na2O、CaO、MgO 含量都很低，其波動幅度很小且含量和波動幅度均依次降低。在深度上Saf 和ba 值的波動范圍較大，但CIA值相對平穩，隨深度變化不大。

圖2 文昌坑尾園采樣點主量元素、CIA、Saf、ba 和Rb/Sr 隨深度變化

圖2 顯示出SiO2、Al2O3、TOFE 這幾種元素之間存在一定的關聯，隨深度變化，SiO2與Al2O3和TOFE 有相反的變化，前者與后兩者之間存在相關關系。K2O 和CaO 的變化趨勢和Al2O3和TOFE 的變化趨勢較為相似。Rb/Sr 比值同Al2O3、TOFE、K2O 等元素的變化趨勢類似。Na2O 和MgO 在深度上的變化趨勢表現不明顯，可能是元素底值較少，而元素性質相對活潑，更易遷移、流失造成的［6］。此外，該圖還顯示出CIA 分別與Saf、ba 數值有相反的變化趨勢。圖3 展示了SiO2-Al2O3、SiO2-（Al2O3+TOFE）、CIA-Saf 和CIA-ba 的相互關系和相關性。盡管彼此之間的相關系數數值不大，但都呈現出負相關關系。圖示中各小圖的相關性數據較低的原因之一可能是受SiO2的3 個異常數據的影響，剖面深度在48～52 cm 的SiO2的數值比整個剖面的平均值明顯偏低，在圖3a 和圖3b 中可以明顯看到這3 點明顯偏離了其他樣點。如果去除這3 個樣品的數據來做相關性分析，可得出圖3a 和圖3b 的相關性分別為-0.98 和-0.95。

圖3 SiO2-Al2O3、SiO2-（Al2O3+TOFE）、CIA-Saf 及CIA-ba 的相關性

4 討論

在對碎屑巖的研究中，馮連君認為CIA 指數可以反映源區沉積物化學風化程度［12］。CIA 數據能反映風化過程中長石轉變成黏土礦物的程度，指示化學風化作用強弱以及成土過程中K、Na、Ca 的相對損失量［12-13］。CIA 值在50～65 時表示較弱的風化程度；CIA 在65～85 時表示中等風化程度；CIA 在85～100時表示強烈的風化程度［13］。硅鋁鐵系數（Saf）通過土壤鋁鐵富集和脫硅的程度來說明風化的程度［14-15］。成土母質相同或相似時，Saf 越小，風化程度越高［14-16］。風化淋溶系數（ba）可反映風化環境、風化強度以及K、Na、Ca 等鹽基離子的淋溶程度，通過土壤中活潑元素K、Na、Ca 相對于穩定元素Al 的淋溶遷移程度來判斷［12，17］。ba 越小，表示K、Na、Ca 的淋溶越強，風化成壤作用越強［17-19］。在溫暖濕潤的氣候環境下，土壤鹽基離子K、Na、Ca、Mg 等更易遷移，淋溶作用強，相對損失量大；相同環境下，Al2O3、TOFE 相對富集，CIA 數值大，Saf、ba 值小，風化越強。在寒冷干旱的氣候環境下的元素、CIA，Saf、ba 變化則相反，風化作用越弱［20-21］。Rb/Sr 比值是信賴的氣候代用指標，其比值高低能指示化學風化程度強弱，比值大，風化弱；比值小，風化強［22］。

從數據和圖2 可以看出，土壤的脫硅富鋁鐵現象比較明顯，整個剖面的化學風化強烈。土壤對應的成壤時間段，氣候溫暖濕潤。本文80 cm 土壤剖面可以大致分為兩段，地面到深度40 cm 處可以劃為上部，下40 cm 劃為下部，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，反映出剖面底部到頂部風化程度降低的規律。這一變化同基巖類風化殼型紅土剖面風化特征呈相反趨勢［14］。

通過表1 數據可知，該地紅色沙壤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，甚至有出現百分含量為0 樣品。圖4 為文昌坑尾園主量元素、樂東尖峰嶺3 個剖面、海南島東北部采石場的主量元素的UCC 標準化曲線圖［4，23-24］，坑尾園現代磚紅土中SiO2相對相對UCC 呈高值，元素富集；Al2O3、TOFE、CaO、Na2O、K2O、MgO 相對UCC 呈低值，處于低值狀態。其中Al2O3、TOFE 低值程度較低，CaO、Na2O、K2O、MgO 低值程度較高，含量低。Al2O3、CaO、Na2O、K2O 均處于低值狀態，但卻有較高的CIA 值，是因為在熱帶環境中，CaO、Na2O、K2O 隨流水遷移的多，其含量很少，所得的CIA 值相應較大。文昌坑尾園CIA 值均在90 以上，處于高值，與熱帶地區炎熱、潮濕環境相印證?？游矆@主量元素與同樂東尖峰嶺3 個剖面、采石場的值與UCC 曲線對比可知，坑尾園的SiO2較7406 剖面外的其他3 個剖面而言處于富集狀態，Al2O3、TOFE 較另4 個剖面處于低值狀態，Na2O、K2O、CaO、MgO 4 種元素在5 個剖面上均顯示為低值狀態。SiO2、Al2O3、TOFE 的變化不一致，可能是因為各自的成土母質存在差異［4］。據趙志忠等的研究可知，不同的成土母質其常量元素含量是有差異的，7406 號剖面成土母質為花崗巖，其SiO2含量最高，7405 和8803 剖面的成土母質分別是砂巖和砂頁巖，其Al2O3含量相對偏高［4］。采石場剖面中，其CIA 值均在93 以上，在地表到90 cm 的深度范圍中，呈現出隨深度增加CIA 值不斷變大的規律［24］，同坑尾園的上下部變化規律一致：剖面頂部到底部風化程度增強。

圖4 文昌現代磚紅土元素和樂東尖峰嶺3 個剖面、UCC 標準化曲線

黃鎮國提出，30°N 以南區域處在熱帶亞熱帶高溫潮濕氣候環境，會形成富鋁化風化殼，此類風化殼硅鋁系數和硅鋁鐵系數都很小，均在2.5 以下［16］。文昌坑尾園Saf 在3.7 以上，與黃鎮國研究矛盾。從表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。

5 結論

（1）海南島文昌坑尾園現代紅色沙壤土中SiO2含量最高，Al2O3、TOFE 其次，K2O、Na2O、CaO、MgO含量依次降低，MgO 含量最低。

（2）土壤剖面分為上下兩個部分并進行對比，下部Al2O3、TOFE、CIA、Rb/Sr 平均值高，Saf 下部的平均值略小，反映出剖面底部到頂部風化程度降低的規律。

（3）坑尾園剖面CIA 高值，與該地所處的熱濕環境相關，這一類型的土壤的成壤過程受當地氣候環境影響較大。在此環境下，水土流失伴隨的元素遷移使得Al2O3、TOFE、K2O、Na2O、CaO、MgO 均處于低值狀態。