王 松，方維萱，郭玉乾

(1.昆明理工大學 國土資源工程學院，云南 昆明 650093；2.有色金屬礦產地質調查中心 礦山生態(tài)環(huán)境資源創(chuàng)新實驗室，北京 100012)

0 引言

東川地區(qū)是我國著名銅礦分布區(qū)，生態(tài)環(huán)境脆弱，土壤自然侵蝕作用強烈[1]，水土保持和受損礦山生態(tài)環(huán)境修復和綜合治理[2]，成為當前極為緊迫的任務。因此，對于東川地區(qū)成土母巖與成土機制、成土過程和成土作用進行研究具有重要意義[3-5]。成土母巖或母質是影響土壤形成的5個因素之一[6]，成土母巖特征影響土壤剖面發(fā)育程度和格架。特別是在干旱和半干旱地區(qū)，研究各種母質上發(fā)育的土壤特性至關重要[7-9]。成土母巖對成土過程與土壤的演化有重要的影響[10-11]。母質對土壤磁性重要性已經在文獻中廣泛印證[12-16]。比如超基性巖和玄武巖上發(fā)育的土壤具有高磁化率[17]，母質形成土壤的過程是磁性礦物再遷移與分配以及重新生成的特征[18-19]，利用磁性參數與金屬元素相關性分析，進行土壤調查和監(jiān)測[20-23]可揭示成土機制和成土過程信息，磁化率在一定環(huán)境中也可作為重金屬含量的輔助指標。土壤磁性與粒徑、環(huán)境的研究也出現大量的科研成果[24-26]，但學者對東川地區(qū)土壤磁化率和成土過程研究較少。本研究通過對東川地區(qū)不同巖相學5種風化殼剖面為例，對東川地區(qū)巖石磁性特征及其上發(fā)育的土壤磁性進行研究，以揭示巖石成土過程中磁性演變特性，通過此項土壤特性與磁學特性研究，以期為東川地區(qū)礦山土壤修復和礦山生態(tài)環(huán)境綜合治理提供基礎數據和科學依據，也為今后在類似的金屬礦山巖石發(fā)育成壤土壤及磁學有關礦山生態(tài)提供借鑒和參考，也對本區(qū)域礦山農業(yè)研究具有理論和實踐意義。

1 方法和材料

1.1 自然地理特征

昆明市東川區(qū)屬亞熱帶季風氣候，年均降雨量、年均溫度分別為1000.5 mm和14.9℃。最低海拔高度695 m，最高海拔高度4344.1 m。區(qū)內主要土地利用為自然保留用地、林地、耕地。區(qū)內土壤侵蝕面積達1274 km2，占國土總面積68.1%，居云南省首位，平均侵蝕模數為4456 t/(km2·a)，侵蝕總量為828.34萬噸，侵蝕深度為3.55 mm[27]。區(qū)內礦山生態(tài)環(huán)境建設中成效顯著[28-29]。金水礦業(yè)連續(xù)兩年對荒山進行綠化，完成造林近3萬畝?？蒲袡C構為干熱河谷的生態(tài)修復制定出29種實驗樹種組合，積極應對惡劣的礦山生態(tài)環(huán)境[30]。研究區(qū)內以堿性輝綠巖和輝綠輝長巖為代表的侵入巖相，堿玄巖和堿性玄武巖為代表的火山巖相，堿玄質凝灰?guī)r為代表的火山沉積巖相，白云巖為代表的熱水沉積巖相，板巖為代表的淺變質巖相。

1.2 樣品采集和測試分析

采集輝綠巖、輝綠輝長巖、堿玄巖、白云巖和板巖成土母巖區(qū)的巖石及其配套的土壤樣品，以10 cm間距對土壤樣品采集至半風化層，分別取土壤樣品24件(深度240 cm)、20件(深度200 cm)、24件(深度240 cm)、21件(深度210 cm)、30件(深度300 cm)。測試對應巖石樣品每種均103個點位。土壤及巖石樣品磁化率測量均采用SM-30儀器分析，每件樣品測試5次取平均值。待土壤自然風干，稱取土壤樣品600 g先測試磁化率，再用篩分法—四分法取土樣進行粒度分析，誤差控制在3%以內。

2 東川地區(qū)風化殼-土壤剖面結構特征

東川地區(qū)主要巖相學類型母巖風化殼-土壤剖面發(fā)育較好(圖1)，厚2～5 m，殼內各層結構相對完整，界線清晰，層與層間特征明顯，各風化殼-土壤剖面描述特征如下。

圖1 5種基巖對應的風化殼-土壤剖面特征Fig.1 The weathering crust-soil profile for five types of bedrock

2.1 輝綠巖分布區(qū)

屬殘積紅土型風化殼(圖1a)，厚約4 m，各層特征：① 表土草皮層：厚約3 cm，呈暗黑色，見植物根系；土呈團塊狀，未取樣。② 土壤層：深度0～100 cm，見黑色鐵錳結核，顏色均一，呈棕紅色，夾少量0～2 cm輝綠巖碎屑。③ 風化層：深度100～110 cm，為黃棕色碎屑狀半風化層，含輝綠巖碎屑，粒徑2～3 cm者約占10%；深度110～240 cm，為黃褐色碎屑狀輝綠巖風化層，含較多輝綠碎屑，粒徑3～5 cm者約占40%。

2.2 輝綠輝長巖分布區(qū)

屬殘積黃棕壤型風化殼(圖1b)，厚約5 m，各層特征：① 枯枝落葉層：厚0～1 cm，為松散狀松樹落葉及黑色腐質落葉。② 腐質土壤層：深度1～4 cm，為落葉腐殖質形成的黑色土層，見草根及蚯蚓未取樣。③ 土壤層：深度0～160 cm，為黃棕色土壤層，濕度隨土壤剖面加深呈增加趨勢。④ 半風化層：深度160～200 cm，呈黃棕色，塊狀結構，含少量巖屑。

2.3 堿玄巖分布區(qū)

屬殘坡積棕壤—黃棕壤型風化殼(圖1c)，厚約3 m，各層特征：① 腐殖質層：厚0～10 cm，呈暗棕色，含較多草根，結持力疏松。② 土壤層：深度0～40 cm，為棕色土壤層，質地砂土，含少量草根；深度40～160 m，為黃棕色含較多巖屑碎石質土，碎石約占15%。③ 風化層：深度160～240 cm，紅棕色殘坡積，為風化狀堿玄巖，破碎嚴重，有較多粗顆粒呈片狀，質地疏松。

2.4 板巖分布區(qū)

屬殘坡積紅土型風化殼(圖1d)，厚約4 m，各層特征：① 枯枝落葉層：厚0～5 cm，為松散狀松樹落葉。② 腐殖質層：深度5～10 cm，呈暗棕色，土濕度較大，見樹根及草根。③ 土壤層：深度0～230 cm。其中，深度0～100 cm，為棕紅壤，含較多有機質；深度100～200 cm，為碎屑狀礫質紅壤，碎屑約占30%；深度200～230 cm，為淺褐黃色黃壤，呈塊狀。④ 半風化層：深度230～300 cm，為黃褐色風化強烈的絹云母板巖，濕度較大。

2.5 白云巖分布區(qū)

屬殘坡積紅土型風化殼(圖1e)，厚約2 m，各層特征：① 表層：厚0～2 cm，呈暗黑色，有團塊，見大量植物根系。② 土壤層：深度0～150 cm，為黃棕壤；深度150 cm～190 m，為暗棕壤，見土的團聚體，約有5%的巖石碎屑。③ 深度190～200 cm，為半風化層。

3 土壤粒度與磁化率特征分析

3.1 粒度變化特征

由表1可知，輝綠巖、輝綠輝長巖、堿玄巖、板巖、白云巖5種基巖風化殼成壤區(qū)域平均粒度分布對比情況，平均粒度中以輝綠巖成壤區(qū)粗顆粒占比最大，白云巖成壤區(qū)粗顆粒占比最小，依據黃昌勇對中國土壤質地分類表[31]可以得出輝綠巖、輝綠輝長巖、堿玄巖、板巖、白云巖5種基巖風化殼成壤區(qū)域土壤均屬砂土，表明透水性好與該區(qū)域水土流失密切相關。

表1 5種風化殼平均粒度分布Table 1 Average particle size distribution of five weathering crusts

利用圖解法(圖2)分別確定土壤的中值粒徑(Md)、平均粒徑(Mz)、分選系數(So)、偏度(Sk)等基本參數進行測定，其中輝綠巖的中值粒徑為0.510～0.927 mm，平均粒徑為0.715～1.215 mm；輝綠輝長巖的中值粒徑為0.510～0.899 mm，平均粒徑為0.621～0.943 mm；堿玄巖的中值粒徑為0.510～0.927 mm，平均粒徑為0.552～0.830 mm；板巖的中值粒徑為0.510～1.011 mm，平均粒徑為0.664～0.924 mm；白云巖的中值粒徑為0.063～0.758 mm，平均粒徑為0.432～0.791 mm。標準偏差反應粒度粗細變化的特征，根據?？撕臀值路诌x系數，輝綠巖-堿玄巖-板巖總體處于0.50～0.71之間，分選較好；輝綠輝長巖-白云巖總體處于0.35～0.50之間，分選好。其中板巖成土母巖區(qū)分選最差，輝綠輝長巖成土母巖區(qū)分選最好。就偏度而言，白云巖-板巖-堿玄巖屬于正偏，說明土壤以粗粒為主；輝綠輝長巖-輝綠巖基本屬負偏，說明土壤顆粒以細組分為主。表明5種風化殼-土壤剖面成壤均屬不對稱發(fā)育。

圖2 5種基巖成壤區(qū)的粒度參數特征Fig.2 The grain size parameter of five bedrock-soil formation areas

3.2 磁化率變化特征

磁化率揭示了鐵磁性礦物含量，風化殘留原生磁性礦物顆粒較大，為砂?！址凵傲＜?，在成土過程中次生磁性礦物屬穩(wěn)定單疇粒度[19]。土壤中原生磁性礦物和次生磁性礦物對全土磁化率貢獻見公式(1)：

Ci=(χi×mi)/∑(χi×mi)×100%。

(1)

其中：Ci是i粒級對全土磁化率的貢獻率，%；χi是i粒級的磁化率；mi是i粒級的質量

表2為輝綠巖、輝綠輝長巖、堿玄巖、板巖、白云巖5種不同巖性樣品不同粒級磁化率的均值及方差統(tǒng)計結果。表3為5種不同巖性樣品中各粒級對全土磁化率的貢獻率。圖3為5種不同巖性樣品的深度-各粒級磁化率關系剖面圖。各風化殼-土壤剖面磁化率變化特征如下。

①一段弱磁給礦細度變粗，-0.074 mm粒級含量從50%降低到25%以下，礦物單體解離度變低，一段強磁拋尾品位升高。隨著采場開采深度增加，礦石性質也隨之變化，赤鐵礦比例升高，礦石變得難磨，僅通過半自磨，難以將礦石磨細至合適的粒度，一段弱磁給礦細度變粗，礦物單體解離度變低，進而使得一段強磁拋尾品位從6%左右升高到8%～10%，最高達到13%以上；

表2 5種不同巖性樣品的各粒級磁化率特征Table 2 The magnetic susceptibility characteristics of each particle size of five different lithological samples

表3 5種不同巖性樣品各粒級磁化率的貢獻率Table 3 Contribution rate of magnetic susceptibility of each particle size of five different lithology samples

3.2.1 輝綠巖分布區(qū)

輝綠巖風化殼剖面，磁化率在18.6×10-3SI～0.006×10-3SI之間，樣品不同粒級磁化率的均值及方差統(tǒng)計見表2。輝綠巖樣品的深度-各粒級磁化率關系剖面圖均呈中凹型(圖3a)，磁化率與風化殼分層具有很好對應關系。在0～100 cm深度，樣品不同粒級磁化率均呈現第一段峰值，表明在這個成壤時期，鐵磁性礦物先增加；在100～200 cm深度的半風化層，樣品的各粒級磁化率趨于穩(wěn)定，表明該時期成壤過程中的鐵磁性礦物總體保持穩(wěn)定；在200～240 cm深度的半風化層，樣品的各粒級磁化率呈現第二段峰值，表明在該時期成壤過程中，鐵磁性礦物先增加后減少。輝綠巖樣品中各粒級對全土磁化率的貢獻率見表3。由表3可知，在成壤過程中輝綠巖發(fā)育形成的土壤中，母巖殘留的磁性顆粒對全土磁化率起主要作用。

3.2.2 輝綠輝長巖分布區(qū)

輝綠輝長巖風化殼土壤剖面，樣品不同粒級磁化率均值及方差見表2。輝綠輝長巖樣品深度-各粒級磁化率關系剖面圖呈現近乎水平型(圖3b)，與人為擾動土壤剖面有關，磁化率在2.04×10-3S～0.099×10-3SI之間，樣品各粒級磁化率趨于穩(wěn)定，磁化率差總體小于1個單位。輝綠輝長巖樣品中各粒級對全土磁化率的貢獻率見表3。由表3可知，在輝綠輝長巖成壤區(qū)，母巖中殘留的磁性顆粒對全土磁化率起主要作用。

3.2.3 堿玄巖分布區(qū)

堿玄巖樣品的各粒級磁化率均分布在16.4×10-3SI～0.272×10-3SI之間，樣品不同粒級磁化率均值及方差見表2。堿玄巖風化殼土壤深度-各粒級磁化率關系剖面圖總體呈現出中凸型(圖3c)，樣品各粒級磁化率與風化殼土壤剖面的層位有很好的對應關系。在0～160 cm深度，土壤層磁化率分兩個階段，在0～100 cm深度呈現減小的趨勢，表明成壤過程中鐵磁性礦物呈減少趨勢；在100～160 cm深度，土壤磁化率呈先增大后減小趨勢，表明成壤過程中鐵磁性礦物先增多后減少；在半風化層160～240 cm深度，土壤磁化率總體減小，說明成壤中鐵磁性礦物呈減少的趨勢。在160～170 cm深度，土壤磁化率減小趨勢最顯著，是土壤層與風化層的分界線。堿玄巖樣品中各粒級對全土磁化率的貢獻率見表3。由表3可知，堿玄巖在成壤過程中原生礦物磁性為主導。

3.2.4 板巖分布區(qū)

板巖樣品各粒級磁化率在4.85×10-3SI～0.001×10-3SI之間，樣品各粒級磁化率均值及方差見表2。板巖風化殼土壤深度-各粒級磁化率關系剖面圖(圖3d)呈現類似冪函數y=x-1單邊圖像，土壤中鐵磁性礦物總體含量呈現減少的趨勢，0～40 cm深度的磁化率高是由人工次生林改變其表層相對氧化還原環(huán)境引起。板巖樣品中各粒級對全土磁化率的貢獻率見表3。由表3可知，板巖在成壤過程中以原生磁性礦物為主，次生礦物為輔。

3.2.5 白云巖分布區(qū)

白云巖樣品各粒級磁化率在7.95×10-3SI～0.1×10-3SI之間，樣品各粒級磁化率均值及方差見表2。白云巖分布區(qū)風化殼土壤深度-各粒級磁化率關系剖面圖呈現半凸型(圖3e)，磁化率總體呈減小趨勢，說明成土過程中鐵磁性礦物總體含量減小，土壤磁化率高可能是白云巖風化殼具有較高生物化學風化強度，是造成其磁化率高的重要原因。白云巖樣品中各粒級對全土磁化率的貢獻率見表3。由表3可知，白云巖成壤區(qū)中以粗磁性礦物為主，包含原生粗顆粒磁性礦物與生物化學風化中粗顆粒磁性礦物。

圖3 5種不同巖性樣品的深度-各粒級磁化率關系剖面圖Fig.3 Profiles of the relationship between depth and magnetic susceptibility of each particle size of five different lithological samples

4 粒度與磁化率的關系

在輝綠巖、輝綠輝長巖、堿玄巖、白云巖和板巖5種成土母巖區(qū)分別取樣24、20、24、21、30件，進行相關性分析(表4)。從本文土壤粒度和磁化率測試結果看，① 輝綠巖-輝綠輝長巖各粒級與磁化率相關度總體較低，相關性系數最高為-0.314；② 堿玄巖中0.180 mm≤d<0.250 mm粒級和0.095 mm≤d<0.150 mm粒級與磁化率呈負相關，相關性系數為-0.487、-0.476，且顯著性水平達0.05；③ 板巖中均值粒徑、d≥0.850 mm粒級、0.180 mm≤d<0.250 mm粒級與磁化率具有很好相關性，分別為-0.603、0.580，顯著性水平為0.01；0.250 mm≤d<0.425 mm粒級、0.150 mm≤d<0.180 mm粒級、0.095 mm≤d<0.150 mm粒級、0.075 mm≤d<0.095 mm粒級與磁化率的相關系數分別為0.365、0.399、0.406、-0.404，顯著性水平為0.05；④ 白云巖中0.150 mm≤d<0.180 mm粒級、0.095 mm≤d<0.150 mm粒級與磁化率相關性系數達0.533、0.493，顯著性水平為0.05。

表4 5種土壤剖面各粒級參數與磁化率的相關性Table 4 Correlation between particle size parameters and magnetic susceptibility in five soil profiles

研究表明，若某一粒級組分含量與磁化率密切正相關，則表明該粒級富含磁性顆粒；若沉積物篩分成不同粒級分別檢測測磁化率，某粒級磁化率高，說明磁性顆粒粒級組成以該粒級為主[24]。在板巖中0.095～0.250 mm粒級富含磁性顆粒；在白云巖中0.095～0.150 mm粒級富含磁性顆粒，負相關表示含義還有待進一步研究；在板巖-輝綠巖-輝綠輝長巖中0.850 mm粒級以上平均磁化率最大，表明在磁性顆粒以0.850 mm粒級為主；堿玄巖中0.250～0.425 mm粒級磁化率均值最大，表明磁性顆粒以0.250～0.425 mm粒級為主；白云巖中0.425～0.850 mm粒級磁化率均值最大，表明磁性顆粒以0.425～0.850 mm粒級為主。據此數據再一次表明輝綠巖、輝綠輝長巖、堿玄巖、板巖成土母巖，土壤磁性以原生巖石磁性礦物為主，白云巖成土母巖區(qū)均以此次生原生磁性顆粒為主，5種基巖成土區(qū)土壤的風化程度都較低。

5 結論

1)通過對云南東川地區(qū)不同巖相學風化殼-土壤剖面成壤過程的研究，得出輝綠巖-堿玄巖分布區(qū)的風化殼土壤剖面中，磁化率變化與土壤的分層有很好的對應關系，可作為判斷土壤發(fā)生層次的標準，板巖-白云巖-輝綠輝長巖分布區(qū)對應關系較差。不同成土母巖區(qū)的土壤磁化率大小順序為堿玄巖>輝綠巖>輝長輝綠巖>白云巖>板巖。在成土的過程中，輝綠巖-輝綠輝長巖-堿玄巖-板巖，以原生鐵磁性礦物對全土磁化率貢獻起主要作用，白云巖中以次生鐵磁性礦物對全土磁化率貢獻為主，均以次生的鐵磁性礦物為輔。

2)5種風化殼發(fā)育土壤均屬砂土，成土母巖區(qū)內白云巖-板巖-堿玄巖土壤顆粒以粗粒為主，輝綠輝長巖-輝綠巖土壤顆粒以細粒組分為主。在板巖-輝綠巖-輝綠輝長巖中，以0.850 mm磁性組分為主，堿玄巖以0.250～0.425 mm磁性組分為主，白云巖以0.425～0.850 mm磁性組分為主。

3)在堿玄巖-板巖-白云巖成土母巖區(qū)內，堿玄巖中0.180～0.250 mm和0.075～0.095 mm粒級、板巖中值粒徑、≥0.850 mm、0.180～0.250 mm粒級、白云巖中0.150～0.180 mm和0.075～0.095 mm粒級與土壤磁化率具有良好的線性回歸方程，可以用來指示土壤中某一粒級含量的指標。

4)就輝綠巖、輝綠輝長巖、堿玄巖、板巖、白云巖成土母巖區(qū)整體而言，風化殼發(fā)育均較差，其粒度分選處于分選較好—分選好區(qū)間，但相比較而言，輝綠輝長巖發(fā)育最好，土壤中板巖發(fā)育最差，其次是白云巖、輝綠巖、堿玄巖成土母巖區(qū)。