为了探究贵州喀斯特石漠化发育的生态地质条件, 在贵州省内选择了8条不同岩性、不同分布位置的岩石剖面, 采样点信息见表1, 采样位置见图1。

表1

Tab.1

表1(Tab.1)

表1 采样点基本信息 Tab.1 Basic information of the sampling points 剖面 点号 岩性 高程 /m 石漠化 程度 地表植被 D01 粉泥晶灰岩 917 轻度 乔木、灌木、草地 D02 细晶灰岩 827 中度 乔木、灌木、草地 D03 亮晶生屑灰岩 2 485 中度 灌木、草地 D04 灰白色粉晶白云岩 822 中度 灌木、草地 D05 亮晶生屑灰岩 2 315 重度 灌木、草地 D06 灰色含生物碎屑微晶灰岩 1 222 重度 灌木、草地 D07 浅灰色微晶灰岩 548 极重度 草地 D08 灰色粉晶— 微晶灰岩 1 101 极重度 草地

表1 采样点基本信息 Tab.1 Basic information of the sampling points

对采样地区石漠化发育程度进行分级, 分级标准主要参考基岩裸露率、地表植被覆盖度、土壤层厚度等指标^[18]。不同石漠化程度景观及剖面特征如图2所示。根据基岩的风化程度, 将剖面从上向下依次分为土壤层、风化层和基岩层, 由于碳酸盐岩强烈的化学风化作用, 导致大部分剖面为基岩-土壤二元结构, 缺失风化层^[19]。石漠化地区土壤层的厚度较薄, 为避免外来污染, 本文采集的土壤层样品为该层中部土壤, 均沿同一深度采集3件子样品, 等重量混合为1件测试样品, 每件测试样品重量不少于1 kg。风化层样品同样采自土壤层中部, 根据风化层厚度, 沿纵向以15~30 cm间隔采集3~5件子样品, 同重量混合为1 件测试样品。采集的岩石层样品为该采样点底部出露的新鲜母岩样品, 采集2~3块基岩样品组合为1 件测试样品, 采样次序自下而上。

图2

Fig.2

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	图2 不同程度石漠化景观及剖面特征Fig.2 Landscape and characteristics for rocky desertification sections with different degree

本文共选取8条不同程度石漠化剖面进行采样, 对采集的样品进行元素分析测试、X射线衍射(X-ray diffraction, XRD)测试、粒度分析测试, 探索基岩风化成土过程的差异对石漠化发育的影响机制。样品主量元素分析采用X射线荧光光谱仪(Shimadzu XRF-1800)进行测定, 测试结果相对偏差值小于1%, 检测限为1%。样品微量元素含量的测定采用电感耦合等离子质谱仪(ICP-MS), 仪器型号为Agilent 7500a。样品粒度分析测试采用Mastersize 2000激光粒度仪, 进样器型号为Hydro 2000MU(A), 粒径的测试范围为 20~20 000 μ m。利用X射线衍射仪对样品进行矿物衍射分析, 分析其衍射图谱, 再结合主量元素测试结果确定样品的矿物组成。实验条件为: 约200目的干燥去水试样, 管电压40 KV, 管电流 30 mA, 扫描范围5° ~80° , 衍射宽度6° (2θ )。实验取得的XRD数据采用jade 6.0软件进行分析。

在化学溶蚀过程中, 由于高场强元素的化学性质较为稳定, 不易在基岩风化过程中发生迁移, 主要存在于基岩风化形成的残积物中, 因此可以根据这类元素之间的比值进行物源示踪^[20]。其中Zr元素主要赋存于锆石中, 而锆石作为硅酸盐矿物稳定性极强, 在碳酸盐岩化学风化成土过程中不易受到化学风化作用的影响^[21], Ti元素主要赋存于抗风化能力较强的矿物中, 也不易发生迁移, 因而不易受元素化学风化作用的影响, 因此Zr元素和Ti元素在风化过程中是相对稳定的, Zr/Ti值可以作为物源示踪的指标^{[22, 23]}。从各剖面的Zr/Ti值(表2)来看, 基岩和其上覆土壤层之间差异不大, 这说明各剖面基岩在风化成土过程中没有受到外来物质的显著迁入, 其上覆土壤层是碳酸盐岩易溶物质溶蚀及酸不溶物质长期原地积累的结果。

表2

Tab.2

表2(Tab.2)

表2 不同程度石漠化剖面主量元素含量及化学蚀变指数 Tab.2 Main element content and chemical alteration index for rocky desertification sections with different degrees 样号 ω B/% 易溶组分/ 难溶组分 黏粒/ 粉粒+砂粒 Zr/Ti ω (Th)/ 10-6 CIA/% SiO2 Al2O3 CaO Fe2O3 K2O MgO Na2O D01-1 53.88 15.58 1.12 10.58 3.69 2.40 0.08 — 0.39 0.02 14.98 78.57 D01-2 54.77 14.38 1.82 9.98 3.34 2.09 0.09 — — 0.02 13.80 78.63 D01-3 55.47 14.22 0.67 10.64 3.78 2.20 0.11 — — 0.02 13.38 76.14 D01-4 53.97 16.65 0.58 10.75 4.13 1.63 0.10 — — 0.02 18.10 77.62 D01-5 57.42 14.10 0.51 10.37 3.48 1.76 0.06 — — 0.02 15.41 78.11 D01-6 51.96 17.42 0.81 11.22 3.90 2.09 0.11 — — 0.02 16.77 79.20 D01-7R 7.40 4.49 45.87 1.07 0.67 1.82 0.05 3.74 — 0.02 1.80 83.35 D02-1 57.50 10.46 9.07 6.19 1.64 1.66 0.06 — 0.17 0.06 12.36 84.04 D02-2 58.91 11.04 7.95 6.37 1.72 1.62 0.06 — 0.29 0.05 13.72 84.41 D02-3 7.57 4.97 44.96 1.56 0.32 0.56 0.05 — — 0.03 3.02 90.50 D02-4R 2.93 3.52 49.58 0.54 0.20 0.80 0.05 7.24 — 0.05 1.04 90.06 D03-1 54.63 17.44 1.24 8.33 1.84 1.43 0.16 — 0.16 0.04 23.42 87.37 D03-2 54.89 17.37 0.90 8.79 1.99 1.38 0.11 — 0.15 0.05 20.96 87.41 D03-3 55.54 17.75 0.58 9.25 2.21 1.42 0.11 — — 0.05 23.91 86.52 D03-4R 2.66 3.51 50.72 0.40 0.12 0.60 0.08 7.84 — 0.07 0.93 89.58 D04-1 20.70 19.40 12.75 5.37 0.62 9.18 0.11 — 0.16 0.05 15.04 95.02 D04-2 6.75 8.53 23.30 1.45 0.27 18.06 0.10 — — 0.04 3.82 93.25 D04-3R 0.50 3.59 31.34 0.18 0.03 21.02 0.09 12.29 — 0.08 0.70 91.87 D05-1 49.26 21.54 0.70 9.92 1.48 1.11 0.05 — 0.34 0.05 29.30 92.40 D05-2 46.40 24.27 0.81 10.62 1.44 1.14 0.06 — — 0.04 31.56 93.25 D05-3R 1.59 3.34 52.26 0.32 0.05 0.36 0.05 10.05 — 0.04 0.78 93.39 D06-1 63.52 14.97 1.50 5.75 1.22 1.32 0.10 — 0.37 0.03 17.55 90.08 D06-2 62.50 16.01 1.50 6.08 1.27 1.37 0.12 — 0.44 0.03 17.66 90.11 D06-3R 2.68 3.45 53.14 0.29 0.09 1.80 0.07 8.59 — 0.08 0.54 91.34 D07-1 46.78 20.24 3.10 10.18 0.94 1.31 0.13 — 0.51 0.03 24.03 93.26 D07-2R 1.52 3.18 54.59 0.15 0.05 0.52 0.09 11.41 — 0.10 0.54 90.31 D08-1 44.16 23.43 1.66 9.07 0.67 1.54 0.09 — 0.33 0.04 25.81 95.78 D08-2R 0.44 3.15 55.18 0.07 0.03 0.66 0.08 15.30 — 0.24 0.55 91.54 注: 样号最后一位是字母R的为基岩样品, “ — ” 为无数据。

表2 不同程度石漠化剖面主量元素含量及化学蚀变指数 Tab.2 Main element content and chemical alteration index for rocky desertification sections with different degrees

不同程度石漠化剖面稳定元素协和图如图3所示, 投图结果表明研究区石漠化区基岩上覆风化壳没有共同的物质来源, 碳酸盐岩上覆土壤层是碳酸盐岩中易溶物质溶蚀及酸不溶物质长期积累所导致的结果。因此可以认为剖面成土母岩的风化速率、成土量与石漠化发育程度关系密切。

图3

Fig.3

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	图3 不同程度石漠化剖面稳定元素协和图Fig.3 Plot diagrams of the stable elements in different rocky desertification sections with different degrees

基岩风化成土的地质过程实质上是各种元素进行重新组合与迁移, 不同特征的岩石因其所含矿物种类与元素组成的不同, 经过化学溶蚀后形成的土壤在组分、厚度、结构等方面存在差异, 进一步影响着石漠化的形成及演化。碳酸盐岩的风化过程分为明显的两个阶段: 第一阶段为基岩中酸不溶物质在风化过程中逐渐堆积形成残积土; 第二阶段为残积土继续风化形成土壤^{[24, 25]}。岩石中Ca、Mg、Na、K等主量元素活动性强, 在化学风化中转化为可溶性离子大量淋失, Si、Al、Fe等主量元素性质相对稳定, 风化后残留在原地, 成为成土物质的主要来源。

由表2可知, 不同程度石漠化剖面基岩中Ca、Mg、Na、K等易溶元素含量总和均高于48.41%, Si、Al、Fe等难溶元素含量总和低于12.95%。从基岩到岩— 土界面, 元素含量发生了显著的变化, 组成碳酸盐岩的主要成分Ca、Mg等元素形成的重碳酸钙、重碳酸镁随水流失, 极难残留在原地, 而难溶元素含量在岩— 土界面上增加了6倍以上(如D01-6和D01-7R), 这在非碳酸盐岩地区中是不可能发生的, 显示了碳酸盐岩化学风化成土独有的地球化学特征。在这样的生态地质背景下形成的土壤层浅薄, 土体不连续, 往往发育石漠化。

化学蚀变指数CIA是判断化学风化程度的重要指标^{[26, 27]}, 但只适用于同一风化剖面不同层位之间的对比分析。CIA=[Al₂O₃/(Al₂O₃+K₂O+Na₂O+CaO^* )]× 100%, CaO^* 为硅酸盐中的CaO含量, 即计算中需要去除碳酸盐中的CaO和磷酸盐中的CaO。一般来说, 从土壤和沉积物中准确分离和提纯硅酸盐矿物是非常困难的, 本文采用McLennan^[28]提出的方法来修正CaO的含量: 若土壤或沉积物样品中CaO的摩尔数小于Na₂O的摩尔数, 则CaO^* =CaO; 若土壤或沉积物样品中CaO的摩尔数大于Na₂O的摩尔数, 则CaO^* =Na₂O^{[27, 29]}。

如表2所示, 除D01剖面外, 其余剖面的CIA指数基本大于85%, 表明研究区不同程度石漠化风化剖面整体处于高等风化程度^{[30, 31]}。通常情况下, 随着风化作用的进行, 剖面从基岩层到土壤表层的CIA值应逐渐增大, 但剖面中出现了表层土壤层CIA小于下部土壤层及基岩层的现象, 这可能是石漠化地区表层细粒土壤在淋滤作用下向下渗透, 在土壤层下部逐渐累积所致。D02和D06剖面土壤层的黏粒/(粉粒+砂粒)值也显示出表层土壤黏粒相对含量要低于下部土壤层, 这可能是由于在雨水和重力的作用下, 表层黏粒受到淋溶作用后容易沿粒间孔隙向下迁移而淀积。

通常情况下, 随着石漠化的加剧, 剖面土壤层黏粒含量减少, 粉砂粒含量增加, 即土壤会发生粗骨化^[32], 但本文发现在不同程度石漠化剖面中, 土壤层砂粒相对含量随石漠化程度的提高而呈现出先增大后减小的趋势(图4)。一方面, 这可能是由于石漠化越严重, 岩石裸露率越高, 在雨水作用下, 松散且不易黏结的砂粒容易随水流失, 而胶结性强的黏粒流失量小, 导致其相对含量增加; 另一方面, 裸露的岩石会拦截从上部搬运来的土壤细颗粒, 并堆积在石缝、溶沟和石坑等负地形中, 难以随地表径流发生再次侵蚀。在重度和极重度石漠化地区地形破碎, 连续性分布的土壤层被岩石分割成块状, 岩多土少, 土壤层厚度不均匀, 土壤层分布不连续, 从而导致土壤黏粒相对含量从中度石漠化到极重度石漠化增加, 砂粒相对含量减少。

图4

Fig.4

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	图4 不同程度石漠化剖面土壤颗粒粒度分布特征Fig.4 Distribution characteristics of soil particles in rocky desertification sections with different degrees

A-CN-K三角图解不仅可以反映岩石风化成土过程中矿物组成的变化, 还可以反映其化学风化趋势。其中不同程度石漠化剖面A-CN-K三角图解见图5, 不同程度石漠化剖面的风化趋势均体现了碳酸盐岩中易溶矿物的快速淋失和难溶矿物的相对富集过程, 这不同于一般结晶岩类缓慢的化学风化过程。化学风化的趋势指向大致与A-CN连线平行并指向A点, 反映出方解石和斜长石抗风化能力较弱, 强烈的化学溶蚀作用使Ca、Na显著淋失, 斜长石因其架构稳定性较差最先发生风化, 而钾长石较稳定, K元素淋失相对较慢, 且Al元素伴随着风化的进行而相对增加, 最终风化趋势指向A点。经验结果显示未风化的长石CIA值为50%, 伊利石和蒙脱石分别为75%和85%, 高岭土和绿泥石则接近100%^[33], 这表明高岭石和绿泥石是黏土矿物演化的最终阶段。总的来说, 不同程度石漠化剖面土壤的风化趋势存在一定差异, 轻度石漠化剖面处于斜长石向伊利石的风化阶段, 中度石漠化剖面土壤层基本处于斜长石向蒙脱石的风化阶段, 而重度和极重度石漠化剖面均处在蒙脱石向高岭石的转化阶段, 呈现出石漠化程度越高, 土壤层风化程度越高的现象。

图5

Fig.5

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	图5 不同程度石漠化剖面A-CN-K三角图解 1.D01泥粉晶灰岩; 2.D02细晶灰岩; 3.D03亮晶生屑灰岩; 4.D04灰白色粉晶白云岩; 5.D05亮晶生屑灰岩; 6.D06灰色含生物碎屑微晶灰岩; 7.D07浅灰色微晶灰岩; 8.D08灰色粉晶— 微晶灰岩; A.Al2O3; CN.CaO+Na2O; K.K2O; Pl.斜长石; Sm.蒙脱石; Ksp.钾长石; ILL.伊利石; Ka.高岭石三水铅石Fig.5 A-CN-K triangle diagrams in rocky desertification sections with different degrees

在基岩风化成土过程中, 活动性强的元素的淋失会引起稳定元素含量的相对增加, 元素的绝对含量不能正确反映岩石风化成土过程中元素的地球化学行为^[34], 因此本文采用迁移率来分析元素在风化过程中的迁移规律。一般认为在风化成土过程中Th元素较为稳定^[35], 所以在本次研究中选取Th元素(表2)作为参照元素计算各主量元素的迁移率。

由图6可知, 除重度石漠化剖面外, 其余剖面Fe元素未发生明显淋失, 甚至出现轻微富集的现象, 极重度石漠化剖面中富集现象尤为显著。研究区碳酸盐岩中Fe元素占比不足2%, 而极重度石漠化剖面土壤层的Fe元素占比高达10.18%, 具有显著的富集现象。土壤层中的Fe元素主要赋存于黏粒部分, 具有随黏粒移动的可能性, 而极重度石漠化土壤层中黏粒相对含量明显高于中度及重度石漠化(图4), 这可能是导致极重度石漠化剖面土壤层Fe元素异常聚集的原因。

图6

Fig.6

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	图6 不同程度石漠化剖面主量元素迁移率Fig.6 Migration rate of major elements in rocky desertification sections with different degress

剖面其他元素从基岩层到土壤层淋失程度较小的为Si、K和Al, K因在各剖面中元素含量极少, 其淋失情况表现不明显, 而Si和Al元素即使出现了一定程度的淋失, 依然是形成土壤层的主要元素。剖面中Ca和Mg元素的淋失极为强烈, 在所有剖面中几乎全部淋失, 这也说明了碳酸盐岩风化过程为富硅铝铁脱钙镁的过程, 元素的迁移方式对土壤层厚度有着显著的影响。

通过对不同程度石漠化剖面主量元素迁移率进行研究, 发现各元素从基岩层到土壤层中元素淋失程度较小的为Fe、Si、Al, 且这三者在土壤层含量极高。Ca、Mg、Na元素则表现为显著的淋失, K元素表现为轻度的淋失。基于此研究结果, 可以用CaO+MgO+Na₂O+K₂O等易于淋失的易溶组分含量与酸不溶物质(如Fe₂O₃+SiO₂+Al₂O₃等难溶组分)含量的比值来表征基岩风化成土能力: 比值越大, 易溶组分所占比例越高, 成土能力越弱; 比值越小, 成土能力越强^[1]。图7展示了剖面中易溶组分/难溶组分值与土壤厚度的关系, 由图可知易溶组分与难溶组分比值为负相关(R²=0.768)。难溶组分相对于易溶组分含量越高, 成土能力越强, 越容易形成较厚土壤层; 难溶组分相对于易溶组分含量越低, 即易溶组分/难溶组分值越大, 成土能力越弱, 形成的土壤层越薄。

图7

Fig.7

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	图7 易溶组分/难溶组分值与土壤厚度的关系Fig.7 Relationship between the ratio of soluble/insoluble components and soil thickness

贵州省石漠化区成土母岩以灰岩和白云岩为主, 易溶物质含量较多, 岩石风化成土量少, 成土速度慢, 由于不同岩性岩石的组成成分不同, 在侵蚀和风化方式、生境组成、成土特点等方面存在较大的差异, 因此形成的石漠化程度也不同。对于石漠化的治理方法也应该因地制宜, 顺应自然发展规律, 不同程度石漠化地区采取不同的治理措施。

D01为轻度石漠化剖面, 位于丘陵区, 剖面基岩为粉泥晶灰岩, 其易溶组分/难溶组分值为3.74。剖面基岩难溶组分含量高且粒度小, 比表面积高, 易于溶蚀作用进行, 成土能力强, 但由于灰岩的差异性溶蚀作用, 地表起伏度较大, 形成土壤后易于发生土壤侵蚀, 但对植被生长影响有限, 植被整体长势相对较好, 以乔木和灌木为主。在轻度石漠化地区, 采取生态治理和经济发展相融合的新模式, 以种植生态经济林、水果和草本植物为主, 或结合喀斯特地区的环境特点, 选择石生、耐旱、喜钙的植物种类, 实现经济的可持续发展。

D02、D03和D04为中度石漠化剖面, D02位于丘陵区, 基岩为细晶灰岩, D03位于威宁高原区, 基岩为亮晶生屑灰岩, 两个剖面易溶组分/难溶组分值分别为7.24和7, 84, 剖面基岩难溶组分含量较低, 细晶灰岩粒度相对较大, 比表面积低, 限制溶蚀作用进行。亮晶生屑灰岩生物碎屑含量约70%, 坚韧度小, 抗压强度低, 孔隙率大, 岩石易于破碎, 由于成分、结构的不均一性导致差异性溶蚀作用突出, 使得土壤流失十分严重。D04位于丘峰台地区, 母岩为粉晶白云岩, 易溶组分/难溶组分值为12.29, 难溶组分含量极低, 但由于白云岩地形相对较为平缓, 水岩作用时间相对较长, 风化形成的土壤层得以保留, 使得白云岩与灰岩风化成土总量相当。但是土壤整体较薄, 高大乔木无法生长, 植被以灌木和草丛为主。在中度石漠化地区, 采取退耕还林、坡坡为梯及筑墙护土等措施。

D05和D06为重度石漠化剖面, D05位于高原区, 基岩为亮晶生屑灰岩, D06位于侵蚀陡坡区, 剖面母岩为灰色含生物碎屑微晶灰岩。两剖面母岩易溶组分/难溶组分值分别为8.59和10.59, 难溶组分含量低, 基岩风化成土量较少, 风化形成的土壤层薄, 植被稀疏, 以草本植被为主, 见小面积基岩裸露。

D07和D08为极重度石漠化剖面, 均位于丘峰台地区, D07剖面母岩为巨厚纯灰岩层, 且方解石含量在95%以上。两剖面易溶组分/难溶组分值为11.41和15.30, 难溶组分含量极低, 在基岩风化成土过程中大量元素随水淋失, 风化成土能力极弱, 且由于灰岩差异性风化作用, 地貌崎岖, 地形陡峻, 形成的土壤层难以保留, 部分灰岩发育溶孔, 溶蚀作用更为强烈, 只有在低洼地带可见到土壤残留, 生长有稀疏草丛, 坡度较大地区岩石裸露, 植被无法生长。由于重度和极重度石漠化区生态环境极为脆弱, 在该地区采取封山造林的措施, 减少人类活动的干扰。