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天山北坡山盆系统土壤黏土矿物特征及其对成土环境的响应

谢海霞  
【摘要】:黏土矿物广泛存在于土壤、风化壳、陆地和海洋等各种沉积物和岩石中。风化过程是形成黏土矿物最主要的途径。黏土矿物在表生环境中受地表母岩、气候、土壤、植被、地貌、介质环境等多种因素的影响。本研究以新疆天山北坡与准噶尔盆地构成的山盆系统中黑钙土、栗钙土、棕钙土、灰漠土、沼泽土、盐土、风沙土为研究对象,利用X—射线衍射仪(XRD)和透射电镜(TEM)研究不同地形部位土壤黏土矿物组合类型和形貌特征。结合黏土矿物稳定同位素技术,伊利石结晶度等特征指数,土壤次生碳酸盐中碳氧同位素和土壤有机质碳同位素,解读干旱区山盆系统中气候和环境演变信息,分析干旱区地形序列土壤黏土矿物对成土环境的响应机制,深入揭示地形变化对山盆系统土壤黏土矿物演变的影响,为探索我国干旱区土壤黏土矿物的形成、转化,丰富土壤发生和演化理论等提供依据和参考。研究取得以下结论:1、新疆天山北坡与准噶尔盆地构成的山盆系统中,自海拔1800m到海拔270m依次分布着黑钙土——栗钙土——棕钙土——灰漠土——盐碱土——风沙土,盆地内广泛分布着不同程度的盐渍化土壤,在冲积洪积扇扇缘部零星分布着沼泽土。除沼泽土,黑钙土、栗钙土、棕钙土、灰漠土、盐土和风沙土有机质层的厚度越来越薄,有机质含量逐渐减少,同时土体内钙积层的层位越来越高,土壤盐分含量逐渐增加。2、山盆系统中主要黏土矿物有蒙脱石、伊利石、蛭石、绿泥石和高岭石。黑钙土黏土矿物以蒙脱石为主,少量蛭石、伊利石和高岭石。栗钙土和棕钙土中蒙脱石含量逐渐减少,伊利石含量增加。沼泽土地下水位高,且土壤含少量盐,pH值在7.36-8.07之间,且土壤中再次出现蛭石,因而认为沼泽土中蒙脱石和蛭石也是伊利石转化的产物。3、盆地内部灰漠土和盐土中均以伊利石为主,蒙脱石和绿泥石次之,少量高岭石,没有蛭石。同一剖面0-10cm土层蒙脱石极少甚至没有,10cm以下土体中,土壤盐分含量与蒙脱石含量存在极显著正相关关系(r=0.61,n=45,p0.01),表明盐分的存在利于蒙脱石的形成。分析认为含盐土层具备蒙脱石沉淀形成的水分条件和化学组分:(1)pH8.5,促使土壤中原生矿物Si~(4+)溶解;(2)土壤溶液中存在大量Ca~(2+)、Na~+和Mg~(2+)。4、对土壤中碳酸盐中碳(δ~(14)C)氧同位素(δ~(18)O)以及土壤有机质中碳同位素(δ~(14)C)分析表明,从黑钙土到风沙土,植被类型从C_3植物向C_4植物演替,降雨量减少,气温升高,气候逐渐干旱。5、黑钙土中伊利石结晶度值最低,表明土壤中存在明显的伊利石转化过程,而蛭石是伊利石向蒙脱石转化的中间阶段。随着降雨量降低,结晶度逐渐增加,说明栗钙土和棕钙土中伊利石的转化作用逐渐减弱。从黑钙土到灰漠土,土壤黏土矿物的氢同位素(δD)和氧同位素(δ~(18)O)值增加,表明各类土壤分布区气候逐渐干旱,土壤湿度减小,蒸发量增大。同时黏土矿物中δ~(18)O与蒙脱石含量达到极显著正相关关系(n=18,r=0.81,p0.01),也说明在研究区土壤中湿度增加利于蒙脱石形成。而黏土矿物中δ~(18)O与伊利石含量达到极显著负相关关系(n=18,r=0.76,p0.01),则表明研究区内湿度降低,利于伊利石的保存,伊利石对成土环境的湿度因素也具有非常好的响应。因而气候条件决定黑钙土和栗钙土分布区化学风化过程更强烈,而棕钙土、灰漠土和盐土的分布区气候相对干旱,风化作用弱,导致黑钙土和栗钙土的伊利石化学指数0.5,而棕钙土、灰漠土、盐土的伊利石化学指数0.5,尤其是盆地内的盐土和灰漠土伊利石化学指数0.2。综上所述,新疆天山北坡土壤黏土矿物主要有伊利石、绿泥石、蒙脱石、蛭石、高岭石。从黑钙土到风沙土分布区,气候逐渐干旱,降雨量减少,蒸发量增加,土壤淋溶作用减少,伊利石向蒙脱石、蛭石的转化越来越弱。受盐分含量影响,盆地内土壤剖面中盐分含量越高蒙脱石含量越高,表明气候条件影响山体土壤中伊利石向蒙脱石和蛭石的转化,而盆地内盐分含量影响蒙脱石的沉淀形成。受地下水的影响,沼泽土中也存在伊利石向蒙脱石的转化过程。


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