引用本文
张腾蛟, 刘洪, 欧阳渊, 张景华, 张振杰, 李樋. 不同地质建造类型的生态环境功能特征——以西昌地区为例[J].中国地质调查, 2021,8(6): 35-49.
ZHANG Tengjiao, LIU Hong, OUYANG Yuan, ZHANG Jinghua, ZHANG Zhenjie, LI Tong. Ecological environment function of different geological formations: A case study of Xichang area[J].Geological Survey of China, 2021,8(6): 35-49.  
doi: 10.19388/j.zgdzdc.2021.06.04
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不同地质建造类型的生态环境功能特征——以西昌地区为例
张腾蛟1, 刘洪1,2, 欧阳渊1, 张景华1, 张振杰3, 李樋2
1.中国地质调查局成都地质调查中心,四川 成都 610081
2.成都理工大学地球科学学院,四川 成都 610059
3.中国地质大学(北京)地球科学与资源学院,北京 100083

通信作者简介: 欧阳渊(1982—),男,高级工程师,主要从事遥感地质、生态地质研究。Email: freebad@126.com。

第一作者简介: 张腾蛟(1988—),男,工程师,从事矿床地球化学、生态地质学研究。Email: mackouowen@me.com。

收稿日期: 2021-09-06
基金资助: 中国地质调查局”生态地质调查工程(编号: 0703)”“大凉山区生态地质调查(编号: DD20190542)”“西南地区自然资源综合调查(编号: DD20211386)”项目联合资助
摘要

地质建造背景可以直接反映该地区的形成演化过程、物质组成和地理条件,直接或间接地影响基岩上的生态环境。小范围内生态环境效应由地质建造直接控制,再由不同的气候条件、人类活动进行改造。土壤中的营养元素基本继承于母岩,而气候条件和人类活动同样会对土壤的物理性质、化学性质形成扰动。以中国地质调查局生态地质调查工程之大凉山区生态地质调查项目为依托,以沉积建造特征、空间分布、大地构造属性等因素为基础,将西昌地区划分为11个地质建造单元。通过详细的野外调查和数据分析,对西昌地区不同地质建造单元进行研究,认为建造单元上的生态地质环境存在明显的差异性,地质建造背景直接制约了成土母质及土壤的物理化学性质,营养元素在成土母质和土壤之间的迁移存在明显的继承性。同时,不同的地质建造单元和不同的地理地貌特征共同决定了不同地质建造单元的生态功能属性。研究成果为下一步开展生态地质调查提供依据和思路。

关键词: 生态地质调查; 西昌地区; 地质建造; 生态环境
中图分类号:X14;X171.4 文献标志码:A 文章编号:2095-8706(2021)06-0035-15
Ecological environment function of different geological formations: A case study of Xichang area
ZHANG Tengjiao1, LIU Hong1,2, OUYANG Yuan1, ZHANG Jinghua1, ZHANG Zhenjie3, LI Tong1
1. Chengdu Center, China Geological Survey, Sichuan Chengdu 610081, China
2. College of Earth Sciences, Chengdu University of Technology, Sichuan Chengdu 610059, China
3. School of Earth Sciences and Resources, China University of Geosciences (Beijing), Beijing 100083, China;
Abstract

The evolution process, material composition and geographical conditions of the area can be reflected by the geological formation background, which can directly or indirectly affect the ecological environment on the bedrock. The ecological environment effect is directly controlled by geological formation in a small range, and then is transformed by different climatic conditions and human activities. The nutrient elements in the soil are basically inherited from the parent rock, and the climatic conditions and human activities will also disturb the physical and chemical properties of the soil. In this paper based on the project “Ecological Geological Survey of Daliang Mountain Area” of China Geological Survey, the authors investigated the sedimentary formation characteristics and its spatial distribution, tectonic attributes and other factors to divide the Xichang area into 11 geological construction units. Each construction unit is studied according to the detailed field investigation and data analysis. The results show that there are obvious differences in the ecological geological environment on the construction units, and the soil-forming parent material and the physical and chemical properties of the soil are restricted by the geological construction background. Besides, there is obvious inheritance in the migration of nutrient elements between the soil-forming parent material and the soil. At the same time, the ecological function attributes of geological construction units are jointly determined by the different geological construction units characteristics and different geographical characteristics. This research would provide the references and guidelines for the next ecological geolo-gical survey.

Keyword: ecogeological survey; Xichang area; geological formation; ecological environment
0 引言

地表基岩经风化作用形成的疏松表层土壤是陆地植物圈生长的基质, 在相同、相近的气候条件下, 不同建造单元会孕育不同的生态环境特征, 从而影响动植物的空间分布格局[1, 2, 3, 4, 5]。在地质学中, 在一定的大地构造条件下所产生的具有成因联系的一套岩石的共生组合, 称为地质建造。因此, 在一定的气候条件下, 不同的地质建造会直接影响其上覆生态系统, 产生不同的生态环境效应。在全球构造运动的大背景下, 形成了以全球性的构造演化和构造活动为背景的陆海分布格局, 形成了不同的大陆性和海洋性气候[6]。同时区域性的地质运动决定了区域地貌格局、地表组成、成土过程、自然环境与生态组成等生态环境因子和生态系统过程[7], 造成区域性生态环境结构和功能的分异, 也是影响地球表面非地带性规律的决定性因子, 控制着生态系统演化的方式与方向。岩石圈及其构造运动, 尤其是新近纪以来的新构造运动, 继承了老构造运动的特征, 是造就现今海陆分布、地表形态、海洋环流、大气环流以及” 陆-海-大气” 之间相互作用格局的最重要驱动力[7], 从而也是形成现今不同区域生态系统演变方式、方向和速率方面存在差异的重要力量之一。地质建造是形成现今区域生态环境格局的物质基础, 并与海拔、地貌、气候和人类活动等其他地质生态条件一起, 塑造了现今的生态环境特征[8]。因此, 深入研究生态系统与地质建造及构造活动的关系, 探讨不同地质建造单元的生态环境效应, 对服务生态保护修复和国土空间规划具有十分重要的意义。本文基于详尽的野外实地调查和地球化学分析, 采用主成分分析法从复杂的地质、地理条件和地球化学成分中寻找元素的继承性关系; 通过不同建造单元之间的元素变化分析不同建造单元之间的差异性和相似性, 为下一步生态地质调查工作提供思路。

1 西昌地区地质建造划分

西昌市位于上扬子古陆西缘的康滇断隆带中北部(图1[8, 9, 10]), 在地貌上兼具干热峡谷(如雅砻江河谷等)、高寒山区(如牦牛山— 磨盘山区、螺髻山区等)、中高侵蚀山区(北山、东河、普诗等地)和中山宽谷盆地(如安宁河谷、邛海盆地等)等地貌类型[8, 11, 12, 13]。

图1 西昌市大地构造位置(据[8-10]修改)Fig.1 Geotectonic location of Xichang area

古太古代至中新元古代, 西昌地区变质结晶基底形成[14], 该阶段演化进程经历了原始陆核形成, 陆内裂谷, 元古宙洋盆打开、俯冲、闭合, 再到陆-陆碰撞造山, 形成扬子板块联合古陆[15], 为一个完整的威尔逊旋回。中生代时扬子板块西缘经历碰撞造山、攀西裂谷期和陆相盆地发展期, 总体为汇聚型构造背景[16]。新生代, 印度板块和欧亚板块碰撞, 侧向走滑挤压及青藏高原隆升, 是大凉山区现代地质构造的形成期[17, 18]。经过多期次的构造演化, 在该地区逐步形成了底部的前震旦纪基底, 西部的复杂造山带(牦牛山— 磨盘山区), 中部的河谷盆地(安宁河谷、邛海盆地)以及东部的震旦纪— 白垩纪沉积盖层(泸山— 北山— 普诗一带)。按照沉积建造特征及其演化、空间分布、大地构造属性、岩浆活动等重要标志, 集合各建造单元的生态地质属性, 划分适用于生态地质调查的建造构造单元有11个类(表1, 图2)。

表1 西昌地区建造单元划分方案 Tab.1 Division scheme of geological formation in Xichang area

图2 西昌地区建造构造简图Fig.2 Geological formation sketch of Xichang area

2 土壤的元素继承性和风化程度
2.1 土壤主成分分析

主成分分析(Principal Component Analysis, PCA)是一种统计方法。通过正交变换将一组可能存在相关性的变量转换为一组线性相关的变量, 转换后的这组变量叫主成分。通过对研究区样品的主成分分析, 得到3种介质(土壤、成土母质、基岩)的载荷信息, 累加得到综合地球化学信息(表2)。

表2 3种介质的PCA载荷 Tab.2 PCA load gauge for three media

从3种介质的地球化学综合信息来看, 土壤层、母质层基本上继承了基岩层的地球化学特征。从相关系数的变化来看, 土壤层与母质层的相关系数高达0.8(表3), 母质层与基岩层的相关系数为0.65, 土壤层与基岩层的相关系数为0.7。整体来看在成壤过程中基岩的地球化学特征得到了继承, 但在成壤过程中其他原因导致了部分地球化学元素的变化。

表3 3种介质的相关系数矩阵 Tab.3 Matrix of correlation coefficients for the three media

西昌地区的土壤地球化学综合信息图(图3(a), (b), (c))表明3种介质中元素迁移基本稳定, 土壤中的Cu基本上继承了母质层和基岩的Cu的分布特征(图3(d), (e), (f)), 在基岩风化成母质层及成壤后活动性较大, 迁移能力较强(表4)。土壤中的Zn元素基本继承了母质层Zn元素的特征(图3(g), (h), (i)), 但在螺髻山区北侧, Zn元素表现为从基岩到土壤逐渐升高的趋势(表4)。Mo元素在母质层和基岩层中的分布形态基本一致 (图3(j), (k), (l)), 但二者与土壤中的分布形态有一定差别, 说明在基岩风化过程中Mo元素迁移能力极弱, 但成壤以后迁移能力极强(表4)。此外, Mo元素在表层土壤中明显趋于富集。Mn元素在风化过程中迁移能力较强, 很容易淋滤掉, 导致了母质层中Mn元素与基岩有一定差别(图3(m), (n), (o)), 但成壤以后, Mn元素迁移能力较弱, 土壤层基本上继承了母质层的特征(表4)。土壤中的Sr基本上继承了母质层的Sr(图3(p), (q), (r)), 在基岩风化成母质层的过程中Sr的活动性比较大, 而成壤后迁移能力较弱(表4)。土壤中的B元素与Sr元素类似(图3(s), (t), (u)), 基本上继承了母质层的B, 在基岩风化成母质层的过程中B的活动性比较大, 具有较强的迁移能力, 而成壤后迁移能力较弱(表4)。

图3-1 研究区地球化学综合信息Fig.3-1 Comprehensive infographic of geochemistry in the study area

图3-2 研究区地球化学综合信息Fig.3-2 Comprehensive infographic of geochemistry in the study area

表4 6种营养元素含量在3种介质间的相关性 Tab.4 Correlations between six nutrients in three media

不过, 不论是PCA地球化学综合信息还是以上几种营养元素图中, 在螺髻山北部地区的黄棕壤母质层和土壤层却表现出了与基岩完全不同的地球化学特征, 可能是由于其位于地形的梯度带, 地形较为陡峭, 且位于山体阴坡。山顶上的紫色土中的部分地球化学元素可能随流水进行了一定距离的迁移, 造成了该区的母质层和土壤层地球化学元素特征的不一致变化。

经风化成壤作用过程, 表层土壤元素含量特征总体承袭了土壤母质和基岩的地球化学特点, 基岩的类型是土壤元素丰缺的重要决定因素, 但是由于不同元素的化学性质差异, 在迁移过程中表现出不同程度的富集和流失, 同时在成壤过程中, 海拔的变化和植被种类也对土壤层的化学性质有一定影响。

2.2 土壤的淋溶系数和风化指数分析

土壤淋溶系数(β )是通过对比淋溶层和母质层中钾、钠氧化物的淋溶状况, 以鉴别成土过程的淋溶强度如何。β 值即淋溶层钾、钠氧化物与氧化铝的分子比与母质层钾、钠氧化物与氧化铝的分子比

的比值(β =土壤层 K2O+Na2OAl2O3/母质层 K2O+Na2OAl2O3)。土壤的淋溶系数β 值愈小, 说明它的淋溶强度愈大, 反之则愈小, 反映土壤物质的迁移和积累状况。

土壤风化指数(μ 值)是通过土壤层和母质层中氧化钾与氧化钠分子比的比值(μ =土壤层 K2ONa2O/母质层 K2ONa2O), 了解土壤矿物质的风化强度。土壤风化指数μ 值越大, 说明它的风化强度越强。不同建造区的土壤淋溶系数(β )和土壤风化指数(μ )可表征该建造区的成土速率[19]。

土壤是在成土母质、气候、生物、地形和时间等众多成土因素作用下形成的历史自然体[20, 21], 在一定的区域内, 成土母质与下伏地质建造有关, 气候、生物等因素则与海拔直接相关[5]。因此, 在一定的自然地理条件下, 影响岩石成土速率最大的2个因素应该为母岩岩性和海拔。西昌地区不同调查点的β 值随着海拔的升高表现出微弱的下降趋势(图4(a)), 表明高海拔地区的淋溶作用比低海拔地区强, 原因是由于在西昌地区内高海拔地区的采样点的地貌类型均为高地山顶, 地势平缓, 基本上不存在基岩裸露区, 主要植被为草地, 土壤多为山顶残积物和缓坡残积物, 这种条件有利于淋溶作用的发生和钾、钠氧化物的积累, 而低海拔地区土壤层较厚, 坡积物较多, 人类活动强, 坡形较陡, 母质、残积物无法保存, 水土流失较为严重, 淋溶作用很难穿透其土壤层。不同调查点的μ 值随着高程的增加呈现出微弱的下降趋势(图4(b)), 表明随着海拔的升高, 风化程度降低。这与野外现象较为符合: 海拔较低(2 000 m以下)的区域人类活动强, 植被覆盖低, 风化程度高, 基岩出露较少。值得注意的是, 不管是土壤淋溶系数(β )还是土壤风化指数(μ ), 岩浆岩类调查点的数据均大于砂岩类和泥岩类的调查点, 说明在相同的海拔等环境因素下, 岩浆岩类建造区的成土速率大于砂岩类建造区和泥岩类建造区, 而砂岩类建造的成土速率和泥岩类建造区应该相当。

图4 不同建造单元的β 、 μ 值图解Fig.4 Illustrations of β and μ for different formations

但在岩石风化成壤的过程中, 不同的元素具有不同的地球化学性质和行为。例如, 化学性质活泼的碱金属和碱土金属元素或氧化物极易发生流失, 如K2O、Na2O、CaO、MgO 等; 而一些化学性质稳定的元素或氧化物在风化搬运与沉积过程中性质稳定, 受后期作用影响较小不易迁移, 如主量氧化物SiO2、TiO2、Al2O3、Fe2O3、P2O5, 高场强元素Th、U、Zr、Hf、Nb、Ta、Y以及稀土元素等[22]。因此, 在基岩风化、成壤作用以及后期保持等过程中不同元素具有不同的分布特征, 不同程度地反映了下伏基岩的地球化学性质。

2.3 土壤地球化学元素分布和迁移规律

利用人工神经网络等机器学习方法对西昌地区地球化学(岩石、母质层和土壤)、气候(降水和气温)、地形(海拔、坡向、坡角)和植被(类型和长势)等数据进行深度挖掘, 进而获取区内土壤地球化学分布和迁移规律(图5)。

图5 西昌地区元素迁移的影响因素分析Fig.5 Analysis of the influencing factors of element migration in Xichang area

进一步研究表明, 除Nb、Zr和Cr 3种元素外, Ni、Sm、Ba、Ce、Sn、K、Cu、U、Er、Th等元素分布也明显受基岩地球化学控制(图5(a), (c)), 而Hg、Si、N、Yb、Mn、Eu、Ge、Mo、Fe、P、Ti、La、Nd、Se、Sr、As、S、Y、Dy、Lu、Tm、B等元素受地形影响较为显著(图5(b), (c)), 而植被和气候对本区土壤地球化学分布的影响并不如地形和基岩地球化学2种因素显著。这是因为气候和植被往往在大尺度范围内影响土壤类型和其地球化学元素的分布, 而在小尺度范围内地形的变化往往干扰着土壤的空间分布特征[23]。地形可以改变小范围内的水流方向和速率, 进而影响着局部的有效水岩比, 岩石风化和成壤作用产生的黏土一般不会留在原地, 而是通过溶液或悬浮液从斜坡的高处向低洼处转移, 转移距离可达数百米[23], 不同元素地球化学性质的差异造成了转移过程中物质重组和再分配的不均等性, 形成了地球化学元素分布的显著差异。地形还影响着温度和植被的长势, 它们均会影响岩石风化和成壤作用的物理和化学过程, 温度和植被的差异造成了这种物理和化学过程的差异, 从而也影响着土壤地球化学元素的分布。例如: 在酸性土壤中, 有机化合物能够在溶液中或胶态悬浮液中迁移, 其中富含的络合有机酸, 可固定铝、铁或其他金属, 使得原本在这种pH值和Eh值条件下不能溶解的铝和铁等元素可以移动; 而不同长势的植被的腐败会造成土壤中有机质含量的显著差异, 从而造成Al和Fe等元素的不均匀迁移。

通过系统聚类分析, 研究区内的地球化学元素控制因素可进一步分为4类: I类为难迁移元素, 主要为受控于基岩的成分, 包括Pb、Cu、Sn、K、Cr、Zr和U等元素, 此类元素在后期岩石风化及成壤作用中发生水-岩反应的比例较低, 总体迁移能力较弱; Ⅱ 类为较易迁移元素, 受控于基岩和其他后期因素的综合影响, 包括Ti、Mg、Fe、Si、B、Zn、和Al等元素, 此类元素在后期岩石风化及成壤作用中较易发生水-岩反应, 总体迁移能力一般; Ⅲ 类元素为易迁移元素, 主要受控于地形和气候等后期因素的影响, 包括S、Cl、As、Yb、Hg、N、P、Se、Mn和Mo等元素, 此类元素在后期岩石风化及成壤作用中极易发生水-岩反应, 总体迁移能力强; IV类元素可能为受后期生物或者污染影响严重的元素, 包括Ca、Pr和Cd元素。

总体上来说, 在西昌地区存在一套完整的基岩— 母质— 土壤— 植物的营养元素传导链, 对于不同建造单元的评级评价中, 对于难迁移元素可以适当降低其他生态地质要素的影响权重, 对于易迁移元素则可以降低建造单元的化学性质权重, 而对于较易迁移的元素需要充分考虑各种生态地质要素的影响。

3 地质建造类型与生态环境
3.1 土壤和植被分布特征

根据凉山州农业局编纂的《凉山州土种志》和生态地质调查成果, 本区除较广的红壤(铁铝土纲)、水稻土(人为土纲)和紫色土(初育土纲)外, 还有黄棕壤(淋溶土纲)、棕壤(淋溶土纲)与黑毡土(高山土纲)。西昌市土壤分布具有明显的垂直分带和水平分带特征。在中部的安宁河谷和邛海盆地等低洼地区分布的主要土壤为水稻土, 东部褶皱山区分布的土壤主要为紫色土, 褶皱山区的较高海拔地段还分布有暗棕壤和黑毡土, 南部的螺髻山从山麓往上依次为红壤、黄棕壤, 西侧的牦牛山麓主要分布着红壤和紫色土, 往上依次为棕壤、黄棕壤, 山顶为黑毡土。

3.2 土壤和植被分带性

西昌地区土壤类型与海拔、地质建造类型具有明显的相关性(图6, 图7)。水稻土属于人为土, 是由各种地带性土壤、半水成土和水成土经过水耕熟化培育而成[24]。因此, 水稻土的分布主要受人为活动影响明显, 主要分布在人类耕作活动较多的低海拔第四纪陆相松散堆积建造区。紫色土属于初育岩性土, 其形成受制于成土母质的类型。西昌市紫色土主要分布在泸山、北山、荞地、螺髻山等海拔1 300~3 000 m的中高山地和丘陵区, 并主要与侏罗纪— 白垩纪陆相碎屑岩建造出露位置相吻合。在这个建造单元中, 除较高海拔地区分布着黑毡土、黄棕壤和暗棕壤外, 其他地区基本分布为紫色土(图6, 图7)。红壤属于铁铝土, 是中亚热带生物气候旺盛的生物富集和脱硅富铁铝化风化过程相互作用的产物, 能风化形成的红壤的岩石较多, 主要包括红色黏土、红色砂泥岩、花岗岩、千枚岩、玄武岩等, 主要分布在新近纪— 第四纪陆相碎屑岩建造、三叠纪陆相碎屑岩建造、三叠纪中酸性岩建造、二叠系陆相基性岩建造及前寒武纪中酸性岩建造的地区。西昌地区的红壤集中分布于以下4个地带: 牦牛山银厂乡西侧的沟谷, 且宽度向雅砻江逐渐变窄; 北自安宁河谷西侧丘陵地带的民盛, 经开元, 转西至马鞍山连片分布; 安宁河谷东侧四合至黄水呈断续分布; 螺髻山北麓以及大箐梁子到安哈一带。从红壤分布可以看出, 红壤主体分布在河谷向中高山过渡的丘陵地区, 仅有少量的红壤插入分布在山地和中高山之上(图6, 图7)。棕壤、黄棕壤和暗棕壤属于淋溶土, 它们分布在较高海拔山区, 而黑毡土属于高山土, 它是本区分布最高的土壤(图6, 图7)。

图6 西昌地区土壤分布简图
注: 土壤数据来源于国家科技基础条件平台— — 国家地球系统科学数据中心(http://www.geodata.cn)。Fig.6 Distribution of soil types in Xichang area

图7 研究区采样点位置、土壤类型与海拔Fig.7 Illustration of sample point location, soil type and elevation

这几种土壤类型具有明显的分带性: 从河谷到山梁, 随着高程的升高, 土壤类型由耕作区和中-低山区的水稻土、红壤、紫色土逐步过渡为山区的黄棕壤、棕壤(海拔2 200~3 000 m), 局部地段海拔3 000 m以上过渡为高山草甸区的黑毡土。黑毡土是发育于高原亚热带草甸植被下的土壤[24], 其受建造背景控制作用较小, 主要由上覆草地腐殖而产生。

土壤是在成土母质的基础上形成和发育的” 独立自然体” , 是人类周围环境中变化最复杂、最频繁, 各种信息最丰富、最敏感的部分[25], 处于大气圈、岩石圈、水圈和生物圈的交接地带, 各种界面反应、元素迁移、能量转换等过程长期而持久[26]。地质建造是土壤形成的物质基础, 土壤下的基岩为上述反应提供了物质基础和地球化学背景。而土壤中的微生物、植物等又在其自身的发展过程中结合气候、环境、地形等多种因素对土壤进行改造, 土壤的发育又会加速岩石的风化与分解。这种复杂而又巧妙的过程, 使土壤成为各个圈层之间的交互地带。土壤在形成过程中, 其成土母质的许多特性, 如质地、颜色、矿物成分等, 都被不同程度地继承下来。但不同地质建造单元形成的同一种土壤, 其化学组成差别也非常大, 同一地质建造上形成的不同土壤, 物理化学性质也具有显著差别。土壤的物理化学性质可受到各个圈层之间的相互作用而改变, 因此, 对于土壤营养元素含量的评价, 应将其所处的地质建造单元作为重要的评价因素, 并综合考虑海拔、植被、气候环境等其他因素的影响。

4 不同地质建造单元的生态功能属性

不同的地质建造单元在不同的沉积和构造环境条件下形成, 母岩风化可造成土壤中的营养元素含量不同, 尤其是微量元素的含量及其对植物生长的适宜性更是至关重要, 因而不同地质建造单元具有不同的营养元素适宜性等生态地质属性, 呈现差异化的生态功能属性。

植物所需的营养元素有17种, 其中C、H、O是植物体的重要组成部分, 约占植物体质量的90%以上, 它们主要来源于空气和水, 通常不会缺乏。其余的14种元素, 都主要由土壤补给[24]。土壤中的营养主要来自于母岩的风化, 同时, 一些营养元素还以有机态形式贮存。按照植物生长所需要的数量, 可分为大量元素和微量元素。土壤中存在的8种主要微量元素为Fe、Mn、Zn、Cu、B、Mo、Cl和Ni。之所以被称为微量元素是因为植物对它们的需要量很小, 它们在土壤中的含量也极少。尽管如此, 微量元素对植物的健康生长起着极其重要的作用, 有时甚至超过大量元素的作用。植物缺乏微量元素时, 可出现植株矮小、低产、早衰或死亡等。过量的微量元素也会造成植物的中毒[27, 28]。在自然环境条件下, 土壤中的微量元素主要受地质背景的控制, 因此, 通过收集研究区1∶ 20万区域地球化学测量数据, 并结合《土地质量地球化学评价规范》, 选取了研究区的5种微量元素(Cu、Zn、Mn、Mo、B)作为评价各建造构造单元生态功能的重要指标。将这5种微量元素分为过量、很丰、丰、适中、较缺、缺乏等6个标准(图8)。

图8 西昌地区主要地质建造单元的营养元素适宜性
JKms.侏罗纪— 白垩纪陆相碎屑岩建造; Tss.三叠纪陆相碎屑岩建造; Tγ δ .三叠纪中酸性岩建造; ZPca.震旦纪海相碳酸盐岩建造; Ptpr.元古宙火山碎屑岩建造; Ptγ δ .元古宙中酸性岩建造。Fig.8 Nutritional suitability of the main geological formation units in Xichang area

(1)第四纪陆相松散堆积建造。该建造单元岩石结构疏松, 风化层较厚, 质地较均匀、黏细, 在不同环境下风化形成泥炭土、沼泽土和水稻土等, 河谷和山麓区的不同土壤也易经耕作熟化形成水稻土(图9(a)), 土壤呈微酸性。该建造分区内的水资源十分丰富。地表水系发育, 有安宁河及其支流等大小河流, 也存在邛海等断陷湖; 地下水以盆地孔隙水和层间水为主, 其厚度一般在50 m, 水位一般埋深1~5 m, 水质较好。总体来看, 河谷中的水稻土土层深厚, 营养元素丰富, 适合作物生长, 其中安宁河谷已经成为四川省重要的生态农业区。

图9 西昌地区典型地质建造单元的生态景观和土壤剖面Fig.9 Typical ecological landscape and soil profile in Xichang area

(2)新近纪— 第四纪陆相碎屑岩建造。母岩主要为昔格达组半成岩, 胶结物主要为钙质。该类岩石裂隙发育, 软硬不一, 结构疏松, 易风化解体(图9(b))。风化层较薄, 质地为重壤或中壤, 砂砾粒含量高; 风化形成的土壤一般为紫色土, 经淋溶后呈弱酸性, 富含K和Mg, 而较贫乏有机质和氮。区内的水资源丰富。地表水系发育, 有安宁河及其支流等大小河流, 同时也存在邛海等断陷湖; 地下水以盆地孔隙水和层间水为主, 分布于河漫滩和一级阶地, 水位一般埋深1~5 m, 水质较好。总体上看, 该建造内微量营养元素整体可以满足植物生长的要求, 水文条件良好, 但有机质缺乏, 可以注意后期的补给。

(3)侏罗纪— 白垩纪陆相碎屑岩建造。在中低海拔区易形成紫色土, 在高海拔区可形成高山土和淋溶土。该区整体土体浅薄(图9(c)), 质地为重壤或中壤, 呈弱酸性, 在成土过程中, 盐基淋溶、碱土金属残存不多, 土壤中的硅酸盐因遭受破坏后Si元素逐渐迁移流失, 土壤中Cu、Zn、Mo和B等营养元素含量适宜, 土壤含水丰富, 构造活动不强烈, 地质灾害较少。地表水系较发育, 有孙水河、东河、鹅掌河等大小河流; 地下水主要类型为孔隙裂隙水, 孔隙裂隙水以大气降水补给为主, 水量受季节变化影响大, 以孔隙裂隙水或层间孔隙水的形式排泄, 对生态影响不大。总体上看, 该建造区的营养元素适宜, 水文条件良好, 地质环境稳定, 但土体较薄, 缺乏有机质, 地势起伏多变, 对该建造区的生态群落类型具有一定的影响。

(4)三叠纪陆相碎屑岩建造。在中低海拔区易形成红壤, 在高海拔区可形成高山土和淋溶土。土层一般较厚, 质地多为轻壤或中壤土, 土壤中Cu、Zn、Mo和B等营养元素含量均适宜, 土壤含水丰富。构造活动不强烈, 地质灾害较少。地下水主要类型为基岩裂隙水, 基岩裂隙水以大气降水补给为主, 水量受季节变化影响大。该建造区主要形成红壤, 土层较厚, 营养元素含量能满足植被的需求, 铁铝元素相对富集, 但该建造区有一定程度的水土流失出现, 主要为人为因素引起。

(5)三叠纪中酸性岩建造。在中低海拔区易形成红壤, 在高海拔区可形成高山土和淋溶土。土层一般较厚, 质地多为轻壤或中壤土, 呈弱酸性。土壤中Cu、Zn和Mo等营养元素含量均较适宜, 但缺乏B, 土壤含水丰富。构造活动较为强烈, 发育以泥石流为主的地质灾害, 属于地质灾害高易发区。该区内土壤在水土保持措施差的情况下, 极易发生土壤侵蚀, 使土壤肥力降低, 土壤环境质量变差, 并最终影响生态环境质量。地表水主要为安宁河和雅砻江的小支流; 地下水仍以基岩裂隙水为主, 裂隙水偏硅酸, 具有形成偏硅酸型富Sr优质矿泉水的条件。基岩裂隙水径流途径短, 以泉水形式排泄。花岗岩石坚硬, 但所处区域的构造活动强烈, 仍发育以泥石流为主的地质灾害, 属于地质灾害高易发区。该建造区营养元素基本可以满足植被的需求, 但是部分地区极易发生土壤侵蚀和地质灾害, 导致生态功能属性降低。

(6)二叠纪基性— 超基性岩建造。在中低海拔区易形成红壤, 在高海拔区可形成高山土和淋溶土。岩石易风化解体, 形成较厚的风化层, 质地一般为壤质, 保水性能强, 呈中性或弱碱性。从植物生长所需的微量元素来看, 该建造区内Cu、Zn、Mo和B元素含量均较适宜, 整体可以满足植物生长的要求。地表水有则木河、昭觉河等; 地下水类型为基岩裂隙水, 地下水水位埋深较大, 且为重碳酸型水。基岩裂隙水沿地势缓转折处及沟谷地带以泉水形式排泄, 对生态影响不大。区内地质灾害受近南北向断裂控制, 沿断裂两侧发育, 主要为泥石流、滑坡、崩塌等, 但总体属于地质灾害低易发区。总体上该建造区生态功能属性良好, 适合发展林业。

(7)寒武纪海相碎屑岩建造。岩石类型主要为砂岩、泥岩, 由于矿物中含大量的石英, 抗风化能力较强, 风化残积物厚度较薄, 多为原岩的碎屑残块堆积, 砂质和砾石较多, 衍生的土壤质地黏重, 易板结, 透水性差, 表土层极易侵蚀。可溶性成分和细粒物质流失, 匮乏各种营养元素, 导致所形成的土壤宜林性较差, 在干旱地区造林不易存活。

(8)震旦纪海相碳酸盐岩建造。在西昌地区, 该区位于中高海拔区, 主要形成淋溶土黄棕壤。岩石经风化溶蚀, 碳酸钙受酸性水溶解, 流失, 其风化物很薄, 由岩石中少量黏土矿物等残留堆积而成。由于碳酸盐岩地区岩溶发育, 上覆土体的水分易随溶洞或地下暗河流失, 使土壤显得干旱缺水, 植被生长缓慢且稀疏, 宜林性较差。在干旱地区造林不易成活。地下水以碳酸盐岩溶水、碎屑岩孔隙裂隙水和基岩裂隙水为主。碳酸盐岩溶水主要储存在碳酸盐岩类地层中, 一般以大泉、暗河的方式排出地表; 孔隙裂隙水主要位于碎屑岩出露区, 以大气降水补给为主, 含水程度不一, 干、湿季水量变化大, 以裂隙水或层间孔隙水的形式排泄。该区由于主要为碳酸盐岩区, 生态功能属性较差, 易发生石漠化, 同时也属于地质灾害高发区。

(9)元古宙中酸性岩建造。形成厚层的沙壤质或壤质风化物(图9(d)), 衍生的土壤通透性良好, 土层较厚, 土壤呈弱酸性, 土壤有适合植物生长的Cu、Zn、Mn元素, 而相对缺少B元素。地表水有安宁河等; 地下水以基岩裂隙水为主, 裂隙水偏硅酸。基岩裂隙水径流途径短, 常沿地势缓转折处及沟谷地带以泉水形式出露。总体上该区生态功能性较好, 适合发展林业和特色农业, 同时该区属于地质灾害高易发区, 应注意地质灾害防治工作。

(10)元古宙火山碎屑岩建造。岩石类型主要有花岗岩、花岗闪长岩等, 质地坚硬, 易发生物理崩解, 形成厚层的沙壤质或壤质风化物, 土壤通透性良好, SiO2、Na2O、K2O含量较高, Al2O3、Fe2O3、P2O5及黏粒成分含量较低, 土壤呈弱酸性, 易于微酸性及通气良好的树种生长, 尤其适合各种松、杉等针叶树种和果林生长。该建造区出露面积较小, 仅有安宁河的一条小支流经过, 地下水埋藏较浅, 局部出现小泉眼。

(11)元古宙基性— 超基性岩建造。岩石类型主要有玄武岩、辉长岩等, 风化十分迅速, 形成较厚的风化层。风化层含有大量的Ca、Mg和P等元素, 而亏损K、Na等元素。玄武岩风化形成的土壤质地一般为壤质或稍黏重, 养分状况良好, 保水性强, 但通气状况比花岗岩风化物质稍差。在较湿润的地区, 可呈中性反应, 在干旱地区则呈弱碱性反应。地表水主要有安宁河等; 地下水类型为基岩裂隙水, 地下水水位埋深较大, 且为重碳酸型水。基岩裂隙水沿地势缓转折处及沟谷地带以泉水形式排泄, 对生态影响不大。总体上该建造区生态功能性良好, 适合发展各种经济林和对肥力条件要求比较高的针、阔叶树种。

5 结论

(1)地质建造背景直接制约了成土母质及土壤的物理化学性质, 营养元素在成土母质与土壤之间的迁移存在继承性。土壤中元素的分布主要与下伏基岩和母质成分关系密切, 后期因素中地形和气候水文条件具有一定影响, 植被因素影响相对较弱。

(2)西昌地区的营养元素从基岩— 母质— 土壤— 植物的传导过程是完整的, 在今后的建造单元评价工作中, 对于难迁移元素可以适当降低其他生态地质要素的影响权重, 对于易迁移元素则可以降低建造单元的化学性质权重, 而对于较易迁移的元素需要充分考虑各种生态地质要素的影响。

(3)土壤和植被的分布特征是地质大循环和营养元素的生物小循环的矛盾统一, 构造运动及其演化是形成土壤和生态现状的驱动力, 而建造环境是形成现今土壤和生态现状的基础, 建造构造条件与海拔、地貌、气候和人类活动等其他地质生态条件一起, 塑造了大凉山区现今生态地质特征。

致谢: 中国自然资源航空物探遥感中心聂洪峰正高级工程师、肖春蕾高级工程师和郭兆成高级工程师, 中国地质调查局成都地质调查中心李建星正高级工程师、李富正高级工程师、陈敏华高级工程师和黄勇工程师, 四川省地质矿产勘查开发局攀西地质队谢恩顺高级工程师、李雁龙高级工程师、肖启亮高级工程师、曾建高级工程师、文登奎高级工程师和侯谦工程师, 成都理工大学赵银兵教授、李樋博士生, 以及华东冶金地质勘查局段声义助理工程师对本研究的开展和本文的撰写提供了大量帮助, 土壤数据收集自凉山彝族自治州农村农业局, 在此一并表示衷心的感谢。

(责任编辑: 常艳)

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