黄河晋陕峡谷临县段河流阶地剖面元素分布特征分析_张兆瑞.pdf

，.，.农业与技术 资源环境黄河晋陕峡谷临县段河流阶地剖面元素分布特征分析张兆瑞张鹏飞，钞锦龙，戴燕燕，肖梦琳（.太原师范学院地理科学学院，山西 晋中；.太原师范学院碳中和研究院，山西 晋中）摘 要：化学元素在河流阶地土壤中的分布可反馈沉积信息。本研究通过密集采样法采集黄河晋陕峡谷临县段河流阶地剖面土样，运用 荧光光谱仪对阶地剖面样品进行了全量元素测定，采用 激光粒度仪测定河流阶地剖面样品的粒度组成，进行粒径分析和相关性分析。结果显示：黄河中游临县段河流阶地剖面中常量元素 的相对含量最大，和 元素的含量次之，在剖面中、元素与、元素含量呈现相反变化趋势，、元素含量升高，其它元素含量降低。常量元素中 元素变异系数最大（），其余常量元素变异系数均不超过。元素和 元素是微量元素中相对含量最大的 个元素。根据元素在剖面中的分布特征将元素分为 大类：类元素（、）在剖面内相对含量呈现明显变化，在一定时期含量较稳定，在另一时期含量变化强烈；类元素（、）在剖面内相对含量的变化有一定的规律，无明显极值；类元素（、）在剖面内变动频繁，在个别深度出现明显峰值。土壤粒径在浅层（）变化剧烈，在深层（）变化微弱。元素之间的相关性不同，常量元素中、相关性强，微量元素中 与、相关性强，可以作为指示洪水和来源的指标之一。关键词：黄河临县段；河流阶地；土壤元素；土壤粒径；相关性中图分类号：文献标识码：.收稿日期：基金项目：山西省留学人员科研资助项目（项目编号：）；山西省高等学校哲学社会科学项目（项目编号：）；山西省哲学社会科学规划课题（项目编号：，）；山西省高等学校科技创新项目（项目编号：，）；山西省社科联重点课题（项目编号：）；太原师范学院研究生教育创新项目（项目编号：）；山西省研究生教育教学改革课题（项目编号：）作者简介：张兆瑞（），男，硕士在读。研究方向：农业水资源管理；通讯作者张鹏飞，男，副教授。研究方向：农业水资源管理。黄河临县段河流阶地是河床长时间受河流侵蚀和泥沙堆积形成的特殊地形之一，而黄土高原的特殊形成方式使得这里的水土流失严重，河流阶地形成更为明显。李嫦等研究认为，黄土堆积物疏松多孔隙，富含，垂直节理发育，透水性强，易沉陷。盛海洋认为，黄土高原的上升，侵蚀基准面的下降是水土流失一直存在的原因。河流阶地的形成在大尺度时间范围内是由于地壳抬升，河流下切形成的，在短时间内则是由于水土流失，洪水携带泥沙堆积而成，洪水期水体含沙量较高。河流地貌演变的产物之一是河流阶地，河流演变过程中的环境变化信息被记载于河流阶地，其自身的产生、堆积、发展演变过程，成为所属流域的信息载体。河流阶地的土壤与河流的侵蚀沉积息息相关，土壤中的常量元素与微量元素在不同的时期和区域范围内，会受到气温、降水、动植物、人类活动和成土母质等因子的影响，展现出不一样的时空变化规律。研究元素在河流阶地土壤的分布，是研究地球化学的工作之一。河流阶地中化学元素的特征对探究河流阶地环境演变有一定的作用，不同区域土壤元素进入河流随着洪水推移在河流阶地沉积，可以窥探出历次洪水来源地，对该地河流阶地形成，周边环境的演变提供理论依据，对人类合理利用河流阶地土地资源，保护周边生态环境有一定的指导意义。研究区概况研究区处于晋陕峡谷之间，黄河中段支流流经两侧黄土丘陵沟壑区，黄土高原水土流失严重，黄土高原泥沙随支流进入黄河。黄河中游受到季风环流的影响，流域内往往会因为集中的大暴雨或者长时间的降 资源环境 农业与技术 ，.，.雨而形成洪涝灾害和严重的水土流失，使河流洪水悬移质泥沙含量大大增加，对河流阶地的形成有直接影响。临县东接方山县，西临黄河与陕西佳县、吴堡县隔河相望。处于北半球中纬度地区，属于温带大陆性气候。地势东北高西南低，海拔相对高差为。临县多年平均降水量为.，但时空分布不均匀，冬春干旱，雨水较少，夏秋雨水较多。降水集中在 月，个月总降水量.，占全年降水量的.，水分利用率极低。临县区域内河流属于黄河水系，县内河流具有夏雨型和山地型的河流特征，夏季洪水流量大，水量不稳定，洪水是该地区的特征之一。研究方法通过对黄河晋陕大峡谷河流阶地多次的野外观测及勘测，于 年 月中旬进行样品采集，采样点位于佳临黄河大桥向东约 处，黄河北侧一处洪水冲刷的剖面，为了取到最厚的泥沙沉积层，采样点选在剖面最高的部位，剖面高度为.，铲除剖面顶部.耕作层，采样剖面厚度为.，由剖面自上而下整体劈除.，使其露出新土后开始取样。取样时自上而下每隔.进行高密度系统均匀采样，共采集样品 件。将采集样品用双层塑料袋密封并标记。将采集好的土壤样品带回实验室自然风干，去除杂质，干燥好的样品经过破碎、研磨后，通过 目筛，然后取 左右样品过 目筛，压片。利用 荧光光谱仪（）测定土壤样品中全量元素的含量。分析过程中采用重复样及标准样品（和）进行质量控制。粒度实验采用 激光粒度仪进行，仪器单量程检测范围为.，重复测定误差小于，每个样品自动测定 次，取平均值后，用体积百分数表示。结果分析.河流阶地剖面中元素含量及变化情况研究区河流阶地剖面土壤常量元素含量见表。土壤成分以常量元素为主，黄河河流阶地沉积物常量元素 包 括、元素，含量由大到小的顺序为。元素相对含量最大，含量接近，元素次之，含量为.，其它常量元素含量均低于。常量元素中，除 元素变异系数达到（中度变异）外，其余元素变异系数均不超过，属于低度变异。表 研究区土壤常量元素统计阶地元素最大值 最小值 平均值 变异系数 标准差.研究区河流阶地土壤微量元素含量见表。研究区河流 阶 地 剖 面 沉 积 物 微 量 元 素 累 计 贡 献 率 为.。其 中 元 素 相 对 含 量 最 大，为.，在剖面中变异系数为，属于中度变异；元素次之，含量为.，变异系数为，属于高度变异；、元素的相对含量较大，均达到 以上，剩余微量元素含量较少。研究区剖面中、元素属于低度变异（变异系数 ）；元素、属于中等变异（变异系数）；元素、属于高度变异（变异系数 ）；元素 属于极度变异（变异系数）。土壤中化学元素的变化规律可窥探土壤的环境信息。是石英、长石和云母等原生矿物的主要成分，、和 等元素在这些矿物中含量较低。和 元素的化学活动性稳定，在化学风化的过程中不易发生淋失，所以 元素含量在常量元素中最大，含量次之。黄河河流阶地沉积物中大部分微量元素的含量较少，这与黄土高原区域内缺少岩浆和构造活动息息相关。微量元素可能来源与黄河区域的物理变化、化学反应和生物作用等息息相关，包括自然变化和人类活动。洪水的搬运对河流阶地元素的组成与含量变化影响最大。微量元素 元素同时存在于几乎所有生物、岩石、水体及土壤中。研究区剖面中 元素含量最大可以印证洪水对微量元素的搬运作用较大。元素 作为一种易溶元素，造岩矿物和许多水体中广泛存在，洪水对岩石冲刷，继而使 元素溶于洪水中搬运至河流阶地，因此研究区剖面中 元素含量仅次于 元素。土壤空间变异性十分复杂，洪水侵蚀堆积对土壤物质组成的空间变化有很大影响，变异程度依赖于各 ，.，.农业与技术 资源环境种因素在时间和空间上的协同关系。成土母质和元素本身化学性质是影响常量元素在不同土壤层变异系数差异的主要原因。变异系数值越小表明元素土壤中的相对含量越均匀、受人类活动影响越小。元素变异系数较大，说明 元素受洪水搬运的影响较大。表 研究区土壤微量元素统计阶地元素最大值（）最小值（）平均值（）变异系数 标准差（）.河流阶地剖面中元素的垂直分布通过分析河流阶地剖面中元素垂直分布规律，并依据岳大鹏等对剖面元素分类方法将河流阶地剖面土壤中全量元素分为 类。类元素，元素在剖面内相对含量呈现明显变化，但有相对稳定期和剧烈变化期交替出现的现象，常量元素、与微量元素、属于该类元素；同时，类元素中以 为代表的元素（、）和以 为代表的元素（、）在剖面内的峰值错位，变化趋势相反，分别称之为 类元素和 类元素；即在特定层位中，类元素出现峰值时，类元素正好处于谷值，反之亦然。类元素，元素在剖面内的相对含量呈现有规律的变化，无明显极值，变化幅度稳定在一定的范围内，变化稳定，常量元素 和与微量元素、和 属于该类元素。类元素，元素在剖面内变动频繁，在个别深度出现明显峰值，微量元素、和 属于该类元素，具体见图。图 、类代表性元素及粒径剖面变化曲线另外，依据本研究中各类元素在垂直剖面上的变化趋势，把土壤剖面自上而下分为 层，第 层为，在该层中 类元素中的 类元素含量随深度增加而增加，与之相反的 类元素随深度增加而降低，类与 类元素无明显变化趋势。平均粒径随深度的增加先增大后变小；第 层为 ，类元素中的 类元素含量随深度增加而减少，类元素随深度增加而增加，类元素含量随深度增加而增加，在 左右含量最大，类元素含量保持稳定，在 左右达到一个小峰值，平均粒径随深度的增加先减少后增加；第 层为，类元素中的 类元素含量随深度增加波动增加，类元素含量随深度增加波动减少，类元素随深度增加而波动减少，类元素 元素含量稳定，元素含量变量剧烈，平均粒径大；第 层为 资源环境 农业与技术 ，.，.，在这一层内所有元素都有明显的变化，类元素中 类元素随深度增加而急剧增加，而 类元素急剧减少，类元素随深度增加而波动增加，类元素在 处均出现小峰值，平均粒径随深度增加而急剧下降；第 层为，在该层中元素与土壤粒度无明显变化，保持相对稳定状态，粒径较小；第 层为，类和 类元素波动变化较为剧烈，出现一些峰谷值，类元素同样变化剧烈，出现几处峰值，平均粒径总体较小，但有一定的波动变化。类元素在剖面中第 层相对含量较大或较小，出现峰值或谷值，变化幅度较大。这说明在这些层次中，物质来源性质相近，形成了一个类似流体动力条件的沉积循环。第、层中，类元素含量较低而 类元素含量高，第、层与之相反。在 类元素中常量元素含量均小于.，而微量元素中、和 元素含量均超过了，特别是 元素含量达到.。在 类元素中常量元素 含量为.，微量元素主要以 和 为主，含量分别为.和.。这可能是由于 类元素中的 元素是其它元素的“稀释剂”，能溶于碱金属氢氧化物溶液中，与其它元素含量呈反比，相对含量增加时，其它元素相对含量变少。类元素含量在第 层出现较大的波动，而在第、层含量相对稳定，反映了黄河水动力的不稳定性，洪水不利于 类元素的富集。类元素中的 作为碱土金属中活泼元素，在自然界中最常见的矿物是重晶石，不溶于水。元素 含量低的层位（、和 层），指示沉积时洪水强度小，洪水位低，降雨量小，元素 （和 层）含量较高，指示沉积时洪水动力较强、规模大、洪水流量较大。类元素中的 元素一般在凝灰岩夹层中富集，元素含量较大，说明洪水较大，或者洪水来源区有较大含量的凝灰岩。元素在 土层之间含量明显高于下层。元素在垂直剖面上的分布特点受人为因素的影响，以上土层中所累积的 元素与人工钾肥的施用有一定的关联。在水中的溶解度很低，自然累积的含量远低于洪水沉积物富含的 含量。河流阶地的形成来自风化碎屑物随洪水的沉积。类元素含量变化大致呈现明显的旋回性，变动幅度具有一定的规律，在第、层回旋幅度较大，说明该类元素含量受一定外界影响，但受外界环境的变化影响小，或者受到外界环境与元素性质的共同影响，具有一定稳定性。类元素对指示洪水的作用较小。在常量元素中 含量仅次于，含量为.，含量为。兴县、临县、岢岚县是铝土矿的主要分布区之一，黄河一级支流岚漪河流经岢岚县、兴县，经裴家川流入黄河。主要是沉积物中酸性钠长石的组分，沉积物形成过程中钠长石的蚀变分解是引起 淋失的重要矿物蚀变反应，是河流搬运作用中化学性质相对稳定的元素，难溶于水。这些元素具有稳定性，受洪水影响较小，指示洪水的作用较小。、是 种稀土元素中的 种，这 中元素在河流阶地含量较少不超过，所以对洪水的指示作用较小。类元素在、层有明显的峰值。与 是卤族元素中的重要成员，土壤中 元素的含量与土壤类型存在一定的关联，即土壤中 的再分配受成土作用影响。降雨发生后，降雨量大于地表入渗量时，径流便会产生，从而导致径流中的 元素的流失量较多。在氧化环境和弱碱环境中更易形成 离子，也会因此有较高含量。元素在阶地中的剧烈变化对指