1、 年第 卷第 期，地 球 与 环 境 海螺沟冰川退缩区原生演替序列土壤主要矿质元素的迁移特征及影响因素杨丹荔，罗辑，（内江师范学院 沱江流域高质量发展研究中心，四川 内江；中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所山地表生过程与生态调控重点实验室，成都）摘 要：以海螺沟冰川退缩区土壤序列为载体，研究近 年土壤发育过程中主要矿质元素在土壤各层的迁移特征及影响因素。结果表明：（）随土壤的发育，表层土壤中、等 种矿质元素的含量均呈不同程度的下降，但在土壤 层中的分布较为均匀；（）除、在表层土壤中的含量低于全国平均值以外，其余土层的含量均高于全国平均值；（）主成分分析显示，表层土壤中、含量为主因子，这
2、主要与其来源为矿物风化有关，而 和 含量为主因子，说明除受矿物风化的影响外，在较大程度上还受凋落物分解以及外源性输入的影响；（）除、和 在表层土壤表现出明显的富集以外，、随土壤发育均未表现出富集特征；（）土壤 是影响矿质元素在土壤中迁移的重要化学因素。关键词：矿质元素；土壤发育；迁移特征；冰川退缩区中图分类号：；文献标识码：文章编号：（）：.收稿日期：；改回日期：基金项目：第二次青藏高原综合科学考察项目（）；国家自然科学基金项目（）。第一作者简介：杨丹荔（），女，博士研究生，主要研究方向为山地生态与环境。：通讯作者：罗 辑（），男，硕士，研究员，研究方向为生态与环境。：冰川退缩区土壤的发育过程
3、经历了成土作用的早期阶段，加之发育于冰川退缩区的土壤序列较易测定准确的年龄，地形和气候等空间异质性较小，是研究土壤理化性质改变，矿物形成或转化以及元素迁移累积过程的理想实验场所。位于青藏高原东缘的海螺沟冰川（.，.），自小冰期结束以来（年）一直处于退缩状态，在退缩过程中不断暴露出的底碛与侧碛分离。在海螺沟长约 ，宽不超过 的冰川退缩区上，形成了连续且完整的植被演替序列和土壤发育过程。不少学者对海螺沟冰川退缩区所形成的土壤序列开展了包括土壤的矿物组成及风化、土壤呼吸、土壤重金属污染以及土壤 的形态和有效性评价等一系列研究，深入地阐明了海螺沟冰川退缩区早期成土过程的特征。但在土壤的发育过程中，矿质
4、养分不仅是土壤肥力的重要物质基础，也是植物营养元素的主要来源。了解矿质元素在成土过程中的迁移特征及影响因素，对进一步揭示土壤的发育机制具有重要意义。本研究以海螺沟冰川退缩区形成的连续土壤序列为载体，选取与成土过程密切相关的 种主要矿质元素、，研究这 种主要矿质元素随土壤发育从成土母质向表层土壤的迁移过程，并探讨影响矿质元素迁移的关键因素。这不仅为研究地球关键带表生过程元素的生物地球化学特征提供科学依据，同时也丰富了对早期成土过程中元素的赋存特征和影响因素的认识。材料与方法.样品采集 根据 年 对贡嘎山冰川进行实地考察并留下的影像资料以及钟祥浩等和 等利用冰川退缩区内树木的年轮信息确定了海螺沟冰
5、川退缩区典型样地的冰川退缩时间。以此为依据，本文在海螺沟冰川退缩区布设 个连续样地 球 与 环 境 年地（冰川退缩 年、年、年、年、年、年和 年样地），由冰川末端向年龄较大的土壤样地进行采样（图）。图 研究区位置及采样点图 在前人工作的基础上，本人于 年 月和 年 月进行了补充采样。每个样地设置 个 的土壤剖面以减少空间异质性造成的影响。选取坡度小于 的坡中采集土壤样品，减少堆积作用的影响。由于冰川退缩 年样地土壤尚未发育，只采集表层 的冰碛物细粒物质。按照土壤剖面发育特征分层采集土壤样品进行理化性质分析（表）。为避免污染，采集顺序从上往下，将土壤分为 层、层和 层。各土壤层的具体含义为：层代
6、表土壤有机质未完全分解的半分解层；层代表土壤有机质完全分解形成腐殖质的全分解层；层代表未被风化的母质层。本文所研究的表层土壤包括土壤 层和 层。每个土层采集约 的样品，共采集 个土壤样品，用干净的乙烯树脂袋盛放，运输过程中采用冰袋保温。采样的同时记录土壤各层的厚度、颜色以及周边的地形条件。采用环刀法测定各层土壤的容重。所有土样运回实验室自然风干后，研磨过 目筛，待做土壤化学元素分析。.样品分析 土壤有机质采用重络酸钾氧化外加热法测定，先将土壤浸泡在 标准溶液中，并加入浓，保持 油浴，用.第 期杨丹荔等：海螺沟冰川退缩区原生演替序列土壤主要矿质元素的迁移特征及影响因素 表 海螺冰川退缩区各样地土
7、壤理化性质 样地冰川退缩时间海拔 土层土壤厚度 土壤容重（）土壤有机质 土壤阳离子交换量（）年 冰碛物.年.年.年.年.年.年.注：由于 样地土壤发育时间较短，土壤 层不明显，因此该样地尚未采集土壤 层的样品进行测试分析。表示未测得该数据。硫酸亚铁滴定，根据硫酸亚铁的用量计算结果；土壤 采用无 去离子水制成土壤悬浊液，水土比.，层水土比 ，静置 ，将玻璃电极插入液体中，用于测定的 计为 （玻璃电极型号）；土壤矿质元素含量的测定采用 法消解后，消解溶液中、的含量使用电感耦合等离子体原子发射光谱仪（）测定，、的含量使用电感耦合等离子体质谱仪（）测定。各元素的检出限分别为.（）、.（）、.（）、.（
8、）、.（）、.（）、.（）、.（）、.（）、.（）。分析过程中采用 标准溶液，使用 和 作为标准物质，确保质量控制。经过多次分析，分析的测量误差小于，分析的测量误差小于。.数据处理与分析 （）元素迁移系数土壤中的矿质元素主要来源于成土母岩，并且在后期土壤的发育过程中受到成土条件、气候、地域性差异的影响，导致元素在土壤各层表现出不同程度地迁移和富集。为揭示海螺沟冰川退缩区土壤发育过程中不同矿质元素的迁移特征，对不同冰川退缩时期土壤 层和 层的迁移系数进行计算，计算公式为：（）式中，为迁移系数，为土壤层矿质元素的含量；，分别为土壤 层和 层；为母质层（层）。若，则表示元素从成土母质向表层土壤的转化
9、过程中表现为纯迁移；若，则表示元素从成土母质向表层土壤的转化过程中不仅有迁移还表现出相对的积累。（）数据分析方法主成分分析是考察多个变量间相关性的一种多元统计方法。本文利用主成分分析法对土壤各层 种主要矿质元素的含量进行主成分提取，分析各元素之间的关系。相关分析是研究两个或两个以上处于同等地位的随机变量之间的相关关系的统计分析方法。本文采用相关分析法揭示表层土壤主要矿质元素的迁移系数与理化性质之间的关系。本文的研究区位置图采用 软件绘制，数据分析采用.软件进行，研究结果图采用地 球 与 环 境 年 软件进行绘制。结果与分析.土壤各层主要矿质元素的含量特征 土壤各层矿质元素的含量变化见表。冰川细
10、砂中元素的含量可作为该地区的背景值与不同样地土壤各层元素的含量进行比较。、在土壤各层的含量均低于该地区的背景值；、在 层的含量高于背景值，但在表层土壤（层和 层）中的含量低于背景值；在表层土壤的含量高于背景值，但 层的含量低于背景值。此外，土壤各层矿质元素的含量随冰川退缩时间的增加也存在较大差异，、在土壤 层中的含量随土壤发育而下降，但在冰川退缩 年样地略有增加；在土壤 层中，除、的含量在冰川退缩 年样地略有增加外，其余均随土壤发育呈下降趋势；在土壤 层中，种主要矿质元素的含量在整个冰川退缩时期的标准差较小，说明这 种矿质元素在海螺沟冰川退缩区土壤序列的母质层中分布较为均匀。此外，与全国土壤平
11、均含量对比可知（图），、和 在海螺沟冰川退缩区的背景值及土壤各层中的含量均高于全国平均值，、仅在背景值和土壤 层中的含量高于全国平均值。为进一步分析元素之间的关系，分别对土壤各层主要矿质元素的含量进行主成分分析（图）。土壤 层共获得 个主因子，这两个主因子共解释原变量.的信息，满足因子分析的结果，主因子 能够解释元素总变化度的.，其中、的载荷值较高；主因子 能够解释元素总变化度的.，包括 和。土壤 层共获得 个主因子，这两个主因子共解释原变量.的信息，满足因子分析的结果，主因子 能够解释元素总变化度的.，其中、的载荷值较高；主因子 能够解释元素总变化度的.，包括 和。土壤 层共获得 个主因子，
12、这两个主因子共解释原变量 的信息，满足因子分析的结果，主因子 能够解释元素总变化度的.，其中、的载荷值较高，载荷为负；主因子 能够解释元素总变化度的.，包括 和。表 各冰川退缩时期土壤各层主要矿质元素的含量 土层冰川退缩时间 冰川细砂 层 层 层 年.年.年.年.年.年.年.平均值.标准差.年.年.年.年.年.平均值.标准差.年.年.年.年.年.年.平均值.标准差.第 期杨丹荔等：海螺沟冰川退缩区原生演替序列土壤主要矿质元素的迁移特征及影响因素、和 含量为右边坐标轴，其他元素为左边坐标轴图 海螺沟冰川退缩区土壤中主要矿质元素的含量与全国平均值的对比 （）、（）、（）分别表示土壤 层、层、层主要
13、矿质元素的主成分分析结果。图 土壤各层主要矿质元素含量的主成分分析 .土壤各层主要矿质元素的迁移特征 元素的迁移累积系数，可以反映海螺沟冰川退缩区土壤序列不同阶段元素从成土母质迁移到表层土壤的特征。如图 所示，土壤 层和 层中 和 的迁移系数在各冰川退缩时期均；、在冰川退缩 年土壤 层中的迁移系数，而在其余样地均；在冰川退缩 年样地土壤 层和 层的迁移系数达最大值，分别为.和.，而后随土壤的发育其迁移系数均呈下降趋势；在冰川退缩 年样地土壤 层和 层的迁移系数达最小值，分别为.和.，而后随土壤的发育其迁移系数逐渐上升且均；的迁移系数除在冰川退缩 年和 年样地土壤 层中 以外，其余样地均，且 的
14、迁移系数在冰川退缩 年样地的土壤 层中最大达.。由此可见，除、和 在表层土壤表现出富集以外，、随土壤发育均未表现出富集特征。.土壤迁移系数与化学性质的关系 土壤中主要矿质元素的迁移系数具有较强的地 球 与 环 境 年图 表层土壤主要矿质元素含量的迁移系数 （）、（）分别表示土壤 层、层主要矿质元素的含量与土壤理化性质的相关关系；表示.。图 迁移系数与土壤理化学性质的相关性 相关关系（图），其中表层土壤、之间的迁移系数具有较强的正相关关系；土壤 层 的迁移系数与 显著正相关，与 显著负相关。在与化学性质的相关性中，土壤 层 与 的迁移系数呈显著正相关，与 和 的迁移系数呈显著负相关；土壤 层的
15、与、的迁移系数呈显著正相关，与 的迁移系数呈显著正相关，与 的迁移系数呈显著正相关。讨论.矿物风化对土壤矿质元素含量的影响 自然界的岩体在同一气候带内，它与风化衍生发育的土壤，总是有对应的相关性或映射效应。土壤母质是土壤形成的物质基础，能影响到土壤矿物的迁移转化过程。海螺沟冰川退缩区各样地土壤 层矿物组成的平均含量以石英、斜长石、钾长石、黑云母、角闪石、普通辉石以及绿泥石等矿物 第 期杨丹荔等：海螺沟冰川退缩区原生演替序列土壤主要矿质元素的迁移特征及影响因素为主，说明该土壤序列中土壤的矿物组成以硅酸盐和铝硅酸盐矿物为主。除硅酸盐矿物以外，土壤 层中还含有少量的方解石和白云石等碳酸盐矿物以及磷灰
16、石等磷酸盐矿物。由于石英和长石类矿物的抗风化能力较强，诸如方解石、磷灰石以及黑云母、角闪石等铁镁矿物等风化能力较弱的矿物在成土过程中出现了不同程度的风化，从而释放出矿质养分元素。土壤发育前期，方解石等碳酸盐矿物的含量下降较快，尤其在冰川退缩 年样地其含量几乎为。在各种造岩矿物中，碳酸盐矿物最容易被溶解和随水移动，且海螺沟地区年降水量十分丰富（年降水量约 ）。在海螺沟冰川退缩 年内，矿物的风化以碳酸盐矿物风化为主，对土壤发育前期矿物的化学风化起着主导作用。虽然海螺沟冰川退缩区土壤序列中碳酸盐矿物的含量很低，但在气温较低的冰川末端，仍能够在短时间内被风化而释放出、等矿质元素。因此，受矿物风化的影响，、等矿质元素的含量均在土壤发育初期的含量较高。此外，在土壤发育前期黑云母、角闪石等铁镁矿物的含量较高，而在冰川退缩 年样地以后，黑云母、角闪石等铁镁矿物出现强烈的风化，尤其是黑云母易于风化且在化学风化过程中常被分解。因此，在海螺沟冰川退缩 年样地、等矿质元素在土壤中的含量略有增加。等和吴艳宏等对海螺沟冰川退缩区土壤序列 的生物有效性进行评价时指出，在冰川退缩 年后，已有相当量的磷灰石被风化释放，
