人生必读的60篇散文

土壤与环境 2002, 11(1): 38~41 Soil and Environmental Sciences E-mail: ses@

基金项目：国家自然科学基金项目（49376278）；霍英东教育基金项目（0301051）

作者简介：许卉（1971－），女，硕士，讲师。E-mail: WXR2001S@ 或yh5@ 收稿日期：2001-08-27

黄土中矿物元素的淋溶释放研究

许 卉1，杨 昕2

（1：烟台大学应用化学系，山东 烟台 264005；2：华东师范大学化学系，上海 200063）

摘要：选取我国西北地区广泛分布的黄土进行模拟降水淋溶实验，研究了在动态淋溶系统中盐基离子和SiO 2、Cl －等黄土主要组份的释放规律及淋出液的pH 值变化特点，在此基础上对黄土中各矿物元素的淋溶释放机制进行了探讨。结果表明，黄土中的Na +、Ca 2+、Mg 2+、Cl －主要通过快速的无机盐溶解过程淋失，而K +、SiO 2的淋溶释放则与缓慢的硅酸盐矿物风化有关。粗略的通量计算结果显示，在黄河流域，降水淋溶侵蚀作用每年可从黄土中淋失盐基离子40.7×109 mol ，占黄河溶解态物质入海通量的近20%。

关键词：黄土；常量组分；模拟降水；淋溶释放

中图分类号：S153.6 文献标识码：A 文章编号：1008-181X （2002）01-0038-04

我国黄土集中分布于大青山以南、秦岭以北、贺兰山青藏高原以东、太行山以西区域，包括晋、陕、蒙、甘、宁、青、豫的大部或一部分地区，面积6.3×105 km 2，通称黄土区[1]。黄土区是古老的农业区，但水土流失严重，这一方面导致土壤中富含的营养物质（如Na 、K 、Ca 、Mg 、P 等）逐渐淋失，同时使得黄土成为黄河的主要物源。因此，研究黄土性土壤在降水淋溶侵蚀过程中的物质释放规律，探讨元素在外动力地质过程中的循环，对于这一地区的水土保持和发展农业生产，以及环境规划和保护都有重要的意义。本文利用动态系统模拟降水对黄土的淋溶侵蚀过程，通过对淋溶液的分析测定，研究了黄土矿物元素的淋溶释放规律，探讨了黄土淋溶风化这一地球化学过程对黄河常量物质输送的贡献。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

试验用土壤样品系采自黄土高原中部内蒙古托克托县的表层马兰黄土。将土壤样品置于洁净瓷盘中，剔除石粒、草根等杂物，自然风干后研成20－60目的粉末，装瓶备用。

黄土的基本理化性状见表1。X －射线衍射分析结果显示，试验用黄土中含5%的无机盐矿物（石盐、石膏等）、15%的碳酸盐和5%的重矿物（包括赤铁矿、角闪石、磷灰石、石榴石、钛铁矿、辉石和锆石等）。石英、云母是主要的碎屑矿物，主要的粘土矿物有伊利石（50%）、高岭石（15%）和绿泥石（10%）。 1.2 土柱装置

称取定量风干均匀的土样，装入内径5.0 cm 、高10 cm 、下部垫有0.45 μm 醋酸纤维滤膜的有机玻璃淋溶管中。土柱高度~3.2 cm ，与黄河流域盆地的理论淋洗深度相当[2]。土样上铺一薄层玻璃纤维，以防土粒溅出。

1.3 动态淋溶与淋出液测定

按黄土区实际降水的平均化学组成，用去离子水稀释摩尔比SO 42－∶NO 3－＝5.8∶1的酸性母液配制pH 为5.6的淋溶液，采用间歇淋入法，每隔24h 淋溶一次，每次淋溶量相当于30 mm 降雨量，淋溶速率为0.5 ml/min ，共淋溶10次，累积淋溶量为300 mm ，相当于我国黄河流域盆地平均年降水量的50%[3]。每30 mm 淋溶量收集淋溶样一个，收

表1 供试黄土的基本理化性状[1]

土壤 CaCO 3 有机质

全N

全P 2O 5 有效K 2O

碱解N 有效P 有效K 2O

盐基代换量 物理粘粒 pH 值 /% /(g ⋅kg -1)

/(mg ⋅kg -1) /(mmol ⋅kg -1)

/% 8.25

10.2

86.0

0.58

1.21

19.8 40.7

5.5

127.3 78.5

30.7

许卉等：黄土中矿物元素的淋溶释放研究39

集完淋出液后立即用PHS-2型酸度计测定pH值；K+、Na+、Ca2+、Mg2+用原子吸收分光光度计测定；Cl－用硫氰酸汞光度法测定；Si用硅钼蓝比色法测定。

2 结果与讨论

2.1 淋出液pH值的变化

如图1所示，模拟降水淋溶黄土时，淋出液的pH值在淋溶初期迅速增大，此后渐趋平稳，并维持在一个较高的水平。这一结果表明，在黄土的淋溶侵蚀过程中发生了快速的可交换盐基与外源质子的交换反应，这种快速的阳离子交换过程是黄土缓冲外源质子输入的初级反应。

和淋入雨水相比，黄土淋出液呈明显的碱性，与黄河水的pH值相近[3]。这也间接表明黄土是黄河的主要物源，黄土的淋溶侵蚀是黄河溶解态物质输送的一个重要地球化学过程。

2.2 盐基离子淋失总量及其动态变化

表2列出了在模拟降水淋溶过程中质子的累积输入量和黄土盐基离子的累积释放量。其中，M4为K+、Na+、Ca2+和Mg2+四种阳离子释放量之和，称为盐基离子淋失总量。由表2数据可以看出，在降水淋溶过程中，黄土盐基离子的淋失量远大于外源降水的质子输入量，这表明在淋溶降水的pH值较高时(pH>4.0)，黄土盐基离子的淋失主要来自土壤中可溶性无机盐类的溶解，而阳离子交换反应的释放作用则相对是次要的。

由M4释放速率变化曲线（图2）可知，淋溶初期M4释放速率变化很大，由一个较高值迅速下降，至淋溶后期M4释放速率基本稳定不变。这进一步说明无机盐的溶解和阳离子交换反应是一个快速的过程，黄土中的盐基离子能够很快通过溶解和交换作用被淋洗下来。

2.3Na+、Ca2+和Mg2+的淋失特点

如图3所示，黄土中Na+、Ca2+、Mg2+三种盐基阳离子具有共同的淋失变化特征，即在淋溶初始阶段大量淋出，随后释放量迅速下降，并很快达到稳定，直至淋溶实验结束。这种淋溶动态变化表明，在模拟淋溶实验条件下，黄土中的Na+、Ca2+和Mg2+主要是通过快速的离子交换和无机盐类矿物（如石盐、石膏、方解石等）的同成分溶解过程淋失的。淋溶过程中Na+与Cl－的一致性淋失变化也进一步说明了这一点。

2.4 K+和SiO2的释放

由图3可以看出，在降水淋溶过程中，黄土中K+的释放情况明显不同于Na+、Ca2+和Mg2+。尽管在淋溶初期K+的释放速率也迅速下降至一个低点，但随着淋溶过程的推进，其释放速率由此低点一直缓慢增大，直至实验结束。这种淋失变化特征显示，K+的淋溶释放先后受两个不同速度的过程控制。初期的快速释放源于离子交换和含K+无机盐的溶解，此后K+的淋出则与比较缓慢的硅酸盐矿物（如黄土中风化程度较低且富含钾的伊利石、正长石、云母等）的异成分溶解反应有关[4]：

3KAlSi3O8（正长石）＋2H2CO3 ＋12H2O→

2K+＋2HCO3－＋6H4SiO4＋KAl3Si3O8(OH)2（云母）KMg3AlSi3O8(OH)2（黑云母）＋7H2CO3＋0.5H2O

图1 黄土淋出液pH值图2 黄土淋溶过程中M4释放速率变化曲线

表2 模拟降水（pH=5.6）淋溶黄土时的阳离子平衡关系

淋溶量/mm 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 质子累积输入量/(μmol·kg-1) 0.92 1.84 2.77 3.69 4.62 5.54 6.46 7.39 8.31 9.24

阳离子累积释放量/(mmol·kg-1)

M4

Na+

K＋

Ca2+

Mg2+

6.05

5.80

0.05

0.13

0.07

9.36

9.01

0.07

0.17

0.11

11.04

10.62

0.08

0.19

0.14

11.65

11.20

0.09

0.20

0.15

12.12

11.64

0.11

0.21

0.16

12.46

11.95

0.13

0.21

0.16

12.79

12.24

0.15

0.22

0.17

13.09

12.50

0.19

0.22

0.17

13.34

12.70

0.23

0.23

0.18

13.58

12.88

0.28

0.23

0.18