承德特色林果资源的生态地球化学过程及其品质提升意义

卫晓锋，孙厚云，2，张 竞，李 霞，樊刘洋，何泽新

(1.北京矿产地质研究院有限责任公司，北京 100012；2.中国地质大学(北京)水资源与环境学院，北京 100083；3.中国地质调查局天津地质调查中心，天津 300170；4.中国地质环境监测院，北京 100081)

研究发现特色林果产品的品质除了与作物遗传特征、种植技术、气候条件等因素有关，与特殊的地质环境具有密切的相关性[1-2]，尤其是岩石和土壤中特定的地球化学元素，通过基岩层-土壤层-作物之间的元素迁聚过程影响林果生长发育和果实品质[3-5]，对提升果实品质具有重要实践意义。徐小磊等[6]研究发现安徽宁国市优质山核桃产区的土壤中富集Fe、Mn、Cu、Mo、Zn、B微量元素，黄霄等[7]认为江苏的优质“白玉”枇杷产区土壤中N、Mg、Fe、P和Na元素含量高，王萍等[8]发现成土母质的营养元素与天宝香蕉品质有显著关联。

承德南部兴隆—宽城一带处于燕山山地中北部，属于“九山半水半分田”的山区，具有发展林果经济的自然条件优势。该地区种植大量的山楂、板栗、核桃、山杏等果林，其中“京东板栗”“兴隆山楂”是当地名特优农产品，先后获得“国家地理标志产品”认证。通过对“京东板栗”“兴隆山楂”的野外调查，发现其生长分布具有明显的地域性，以密云—喜峰口区域性断裂为界，“京东板栗”集中分布在断裂以南片麻岩变质岩区，“兴隆山楂”集中分布在断裂以北白云岩碳酸盐岩区。

本文从地质建造和生态地球化学视角，研究片麻岩变质岩建造区和白云岩碳酸盐岩建造区的岩石-土壤元素含量，分析元素迁聚和生物富集的生态地球化学过程，探讨不同地质建造的生态地质化学特性对山楂、板栗的品质影响，建立控制品质的产地地质模型，提出农业种植规划与地质资源适宜性优化建议方案。

1 生态地质背景

研究区区域大地构造位置处于华北陆块北缘，地块北缘可以划分为4个次级构造单元：兴蒙造山、内蒙古隆起(内蒙地轴)、燕山构造带和华北克拉通。研究区属于燕山构造带，其位于内蒙古隆起与华北克拉通的过渡位置，是中新生代陆内造山的产物，在中三叠世以前是整个华北稳定克拉通盆地的一部分[9-10]。研究区主要出露古太古代遵化群的小关庄组(Ar2Xgn)和秋花峪组(Ar2Q)片麻岩，中元古代长城群的常州沟组(Chch)、串岭沟组(Chch)、大红峪组(Chd)和高于庄组(Chg)白云岩、灰岩和含铁锰白云岩[11]。

研究区地势总体呈现北高南低，地形中等,较深切割，海拔高度一般为500～1 200 m，最高山峰为西北部的雾灵山，高达2 116 m，相对高差一般为100～700 m，最大高差可达1 800 m。区域属于温带大陆性季风气候，春、夏、秋、冬四季分明，夏季炎热，每年7—8月为雨季，年降雨量平均700 mm左右，无霜期 150～200 d。水系发育，河谷宽阔，800～1 000 m，分属潮河、滦河，植被发育，覆盖面积可占总面积的40%～50%。

2 样品采集和测试

2.1 样品采集

“京东板栗”集中分布在断裂以南片麻岩变质岩区和“兴隆山楂”集中分布在断裂以北白云岩碳酸盐岩区(图1)，即片麻岩和白云岩建造集中分布区，选择天然或者人工露头自下而上分层采集基岩层、风化层、土壤层、作物样品(图2)，共计调查14个垂向剖面，采集基岩土壤样品61件，作物样品24件。

图1 承德燕山山地特色林果种植分布图Fig.1 Distribution of characteristic forest fruit in Yan Mountains, Chengde

图2 典型剖面及采样示意图Fig.2 Typical sections and sample plotsP—植被；S—土壤层；R—风化层；B—基岩

①基岩层样品的采集：在同一岩性基岩新鲜面5～10 m内采集3～5处岩石样品，组合成1个样品，样品重量一般为200～300 g。②风化层样品的采集：根据岩石的破碎和风化强度，在风化壳的中间位置5～10 m 内采集3～5处风化物样品，组合成1个样品，样品重量一般为200～300 g。采集过程中，尽量采集风化程度相似的样品，确保样品的粗粒和细粒物质保持均匀性。基岩样品和风化层样品除去杂物后送样。③土壤层样品的采集：由于样品分布区多为人工种植区，为了减少人为施肥等干扰，将顶部腐殖层10～20 cm和外层的黏土剥离，分别在心土层和底土层的新鲜层5～10 m内，采集3～5处土壤样品，混合为1个样品，样品原始重量大约1 kg，土壤样品在自然风干后过筛-10目后送样。④农作物样品采集:为了研究片麻岩建造区和白云岩建造区优质林果品的元素富集特征，本次研究配套采集了板栗、山楂和少量核桃作物样品。分别在采样单元内选取5～10棵果树，每株果树纵向四分，从其中一份的上、中、下、内、外各侧均匀采摘，装入聚乙烯自封袋混合成样，样品鲜重为1 000～2 000 g。

2.2 分析测试

岩石土壤分析元素N、P、K2O、CaO、MgO、S、Fe2O3、B、Mn、Cu、Zn、Mo、Cl、SiO2、Na2O、Co、Ni、Se、Ge、Al2O3和Ti共20项。作物分析元素为B、Ni、Cu、Zn、Mo、Se、Ge、Fe、Mn。分析测试在承德华勘五一四地矿测试研究有限公司进行，Cl、Ti、SiO2、Al2O3采用粉末压片X射线荧光光谱法，Co、Cu、Mo采用电感耦合等离子体质谱法，Mn、Ni、P、Zn、Fe2O3、K2O、CaO、Na2O、MgO采用电感耦合等离子体发射光谱法，B采用交流电弧发射光谱法，Se、Ge采用原子荧光光谱法，N采用凯氏定氮法，S采用燃烧-碘量法。

3 基岩层-土壤层生态地球化学特征

3.1 地质建造特征

地质建造泛指在地壳发展的某一构造阶段中，在一定的大地构造条件下所产生的具有成因联系的一套岩石的共生组合[12]。在相同或相似的光、热、气环境等条件下，不同地质建造类型(如碳酸盐岩建造和花岗岩建造)，其土壤地质化学、地貌景观、工程岩组特性、水文地质特征等背景特征和分布规律不同，同类地质建造多具有相同或相似的水土、地质环境条件，形成一定的生态地质环境[13-14]。

根据1∶25万承德幅、青龙幅区域地质调查成果，重新编制了研究区地质建造图(图3)。以近东西向兴隆—喜峰口断裂为界，北部主要为中元古代的碳酸盐建造，南部主要为太古代的片麻岩建造。碳酸盐建造呈近东西向展布于宽城县化皮溜子一带，面积为 516 km2，占26.4%，主要包括常州沟组(Chch)、串岭沟组(Chchl)、大红峪组(Chd)和高于庄组(Chg)白云岩、白云石灰岩和含铁锰白云岩，局部夹泥岩、黑色粉砂质页岩组合。片麻岩建造呈东西—北东向分布于宽城县板城镇—大东乡，面积为535 km2，占27.4%，主要包括小关庄组(Ar2Xgn)和秋花峪组(Ar2Q)黑云斜长变粒岩、黑云斜长片麻岩、斜长角闪岩、角闪斜长片麻岩、磁铁石英岩岩石组合[11]。

片麻岩建造的矿物成分主要为斜长石(PI)、钾长石(K)、石英(Q)、黑云母(Bi)、角闪石(Hb)、石榴石(Cr)等，副矿物为磁铁矿、钛铁矿、磷灰石等，风化区土壤的矿物成分为绿泥石(5%～15%)、蒙脱石(5%～15%)和高岭石(5%～10%)，镁铝镁铁矿物含量较高。碳酸盐建造的矿物主要成分为白云石(Do)、石英(Q),副矿物为磁铁矿和磷灰石等，风化区土壤的矿物成分为粉晶白云石(20%～25%)，泥晶白云石(70%～75%)。

图3 研究区地质建造图Fig.3 Geological formation map of the study area

3.2 岩石-土壤元素含量

片麻岩建造和白云岩建造元素地球化学分析结果(表1)显示：两类建造岩石矿物成分不同，基岩层及土壤层的元素含量差异明显。

片麻岩建造的原岩为花岗岩类，长石类和云母类矿物成分高，岩石层SiO2、Al2O3、K2O、Fe2O3、P2O5、Na2O、Cu、Zn、Ni、Co元素含量高于白云岩建造，相应片麻岩建造的土壤层中Al2O3、Fe2O3、P2O5、Mn、Cu、Zn、Ni、Co元素含量高于白云岩建造区。白云岩建造的矿物成分主要白云石，岩石层CaO、MgO、B、Ge元素含量高于片麻岩建造，相应的土壤层中MgO、CaO含量较高，表明不同地质建造(成土母岩)与土壤之间元素具有一定的继承性。

3.3 岩石-土壤元素相关性

为了更好地分析基岩、土壤元素继承性和变异性，利用主成分分析和Pearson 相关性系统聚类分析对岩石风化过程中元素的相关关系变化进行分析(图5)。

片麻建造基岩和土壤元素含量分别提取2个主成分，土壤层PC1和PC2特征值方差分别48.94%和17.13%，基岩PC1和PC2特征值方差分别37.02%和17.63%，可有效解释分析变量，代表性较高。基于元素在PC1和PC2的正载荷和负载荷分区特征，基岩中Ti、Fe2O3、Mn、P、Zn、Cu和Mo可分为1组，Ge、MgO、CaO、Se和S可分为1组，B和K2O元素与其他变量相关性较弱。Pearson 相关性聚类分析显示 Fe2O3、Ti、Mn、Ni、P、Cu和Zn为系统聚类第一组，Se和S为系统聚类第二组，Ge、MgO和CaO为系统聚类第三组，组内元素相关性较高；Mo、B和K2O元素与其他变量相关性较弱。土壤样品V、Fe2O3、Ti、Mn、Ni、Cu、Zn、Mo和P元素为1组，CaO、MgO、S和Ge为1组，B和K2O元素分布较为分散。聚类分析树状图中Fe2O3、Cu、Zn、Ti、Mn、Ni、Mo和P为第一组，Ge、MgO和CaO为第二组，S和B为第三组。

白云岩建造区土壤元素含量主成分分析提取的2个主成分PC1和PC2特征值方差分别32.69%和17.98%；基岩PC1和PC2特征值方差分别36.35%和19.65%，亦具有较高的代表性。主成分载荷图中，基岩和土壤元素含量分别提取2个主成分，基岩Cu、Zn、MgO、Ge和K2O为1组，P、Ni、Ti、Mo、Mn和B为1组，Se和CaO较为分散。聚类树状图中，B和Mn为第一组，Zn、K2O、Mo、Ti、Ni、P和Cu为第二组，MgO和Ge为第三组。CaO和Se与其他元素相关性较弱。土壤层主成分载荷Cu、Ni、Se、Ge、V、Ti和Fe2O3为1组，Mo、Zn、CaO和MgO为1组，P和Mn为1组，K2O和B

表1 片麻岩和白云岩建造的基岩层和土壤层元素地球化学分析结果

图4 基岩-土壤元素主成分载荷与系统聚类树状图Fig.4 Factor loading analysis and systematic clustering dendrogram of bedrock and soil samples

图5 不同建造区基岩-土壤元素质量迁移系数τ箱线图Fig.5 Statistical boxplot of mass transfer coefficient in different geological constructions

元素较为分散。聚类树状图V、Fe2O3、Cu、Zn和为第一组，Mn、Ni、Mo、P、K2O和Se为第二组，Ge和MgO、CaO、S、B为第三组。

综上所述，片麻岩建造风化成壤过程中铁族元素相关关系显著，Fe2O3、Ti、Mn、Ni和P呈明显相关性，白云岩建造中Cu、Ni、V、Ti和Fe2O3相关性明显，具有明显继承性。

3.4 岩石-土壤元素质量迁移特征

化学损耗分数(CDF)主要反映岩石风化成土过程中岩石-土壤层元素的绝对含量变化，当活动性较强的元素发生淋滤流失作用后会使得样品中“不活动性元素”(或惰性元素)浓度相对增加，不能真实地反映岩石化学风化过程中元素的淋失、富集状态，对活动向较强元素的迁聚特征表征存在偏差。为消除这一影响，可以选用某种“不活动元素参照系”来确定风化岩土体元素成分相对于新鲜母岩的迁移活动性，利用质量平衡方程来计算元素的质量迁移系数τ[15-17]，其计算公式如下：

(1)

式中：[Xi]、[Xj]——元素浓度；

i、j——参照元素和待计算元素；

weathered、parent分别表示土壤和未风化新鲜基岩。

若τij<0，表示元素j相对迁移淋失；τij=0，表示元素j既不发生淋失也不产生次生富集，为惰性元素；τij>0，表示元素j发生次生富集。τij值合理性取决于参照元素的选取和参照体成土母岩的确定，常用的参照元素有Ti、Zr、Sc、Al2O3、REE等[15-17]。本文选取惰性元素Ti进行元素τij值的计算。

由图5所示，以Ti为参照元素，片麻岩建造Se、B、V、S、Mn和Mo为相对强活动元素，风化过程中表现为于土壤层中富集，其他元素总体表现为相对Ti亏损，基岩-土壤质量迁移系数τ值呈Se>B>V>P>Mo>Mn>CaO>S>Ni>Fe2O3>0>Cu>SiO2>Na2O>K2O>Ge>Al2O3>Zn>MgO特征，CaO、Cu和Fe2O3，V、Mn和Ni元素迁移系数τ值变异系数(Cv)较大，相对惰性元素Ti活动差异波动较大。白云岩区基岩-土壤质量迁移系数τ值呈Na2O>P>Ni>0>V>K2O>Al2O3>Mn>S>Se>B>SiO2>Fe2O3>Ge>Mo>Zn>MgO>Cu>CaO特征，白云岩风化成壤过程中元素分异特征弱于白云岩区，但各元素间分散程度较大，Na2O、P、Ni元素相对Ti元素富集，其它元素相对Ti元素贫化亏损，可能与白云岩风化过程中夹层黏土矿物释放，Na2O含量升高；铁锰质白云岩铁族元素Ni富集，难风化的原岩岩石副矿物磷灰石原位聚集有关。Cu、Mo、Zn、Ge元素和Fe2O3主要以矿物晶格、铁锰氢氧化物型态存在，在白云石风化水解过程中矿物晶格破坏致Cu、Mo、Zn、Ge和Fe2O3元素与CaO和MgO协同淋滤流失，故白云岩中Fe2O3、Ge、Mo、Zn、MgO、Cu、CaO淋滤亏损程度依次增大。

片麻岩与白云岩风化过程中元素质量迁移特征存在较明显差异，P和Ni元素在片麻岩与白云岩风化成土过程中均表现为富集，且P在白云岩区土壤中富集程度较高，Ni在片麻岩区土壤中富集程度较高。Na2O在片麻岩区土壤中表现为淋滤流失，在白云岩区土壤中明显富集，可能与白云岩区土壤中存在Na2O外源迁入有关。Se、B、V、S、Mn、Mo、Fe2O3与CaO在片麻岩区土壤中相对Ti富集；在白云岩中相对淋滤流失。Cu、SiO2、Ge、Zn、MgO、Al2O3和K2O在片麻岩和白云岩风化过程中均相对Ti元素亏损，白云岩中Cu、SiO2、Ge、Zn和MgO淋滤流失程度高于片麻岩区，片麻岩中Al2O3和K2O流失程度则强于白云岩，与片麻岩中长石矿物含量较高，风化过程中Al2O3和K2O淋滤流失有关。元素质量迁移系数τ与CDF分析值得到的元素迁移损耗值大小顺序基本一致，即τ的绝对值(负值越小或者正值越大)越大的元素，在成土母岩与土壤之间分异越明显。

4 对林果品质影响过程

4.1 作物营养元素的吸收过程

元素生物富集系数(Bcf)可表征土壤中元素含量分布对食物链影响程度，客观反映了农产品从土壤环境中吸收或摄取微量元素的能力[18-19]。其计算方法为：

(2)

式中：[Xi]plant，[Xi]soil——作物样品和土壤样品中元素i的含量。

按照生物富集系数的大小，可将作物对土壤元素的摄取强度分为4个等级：Bcf>1.0时为强烈摄取，1.1

根据生物富集系数统计箱线图(图6)显示，研究区板栗样品中微量元素富集系数值Cu>B>Mo>Zn>Ni>Se>Mn>Fe>Ge，山楂样品中Mo>B>Cu>Zn>Se>Fe>Ni>Mn>Ge，核桃样品中Mo>Cu>Zn>Mn>Ni>Fe>Ge。板栗样品相对山楂和核桃样品具有较高的Cu、B、Ni、Se、Ge和Mn元素生物富集系数，Cu、B元素属于中等摄取，Ni、Se、Ge、Mn元素属于微弱摄取，而山楂和核桃中的Cu元素属于中等摄取，其余元素均为微弱摄取。但是核桃样品Zn和Mo元素摄取强度显著高于板栗样品和山楂样品，山楂样品Fe摄取强度高于核桃样品和板栗样品。不同的植物对元素的吸收摄取程度具有明显差异，土壤本底养分含量和科学合理的人为施肥对作物的品质具有重要的影响。

图6 不同经济作物的元素含量(左)及生物富集系数(右)Fig.6 Contents of elements in different Cash crop (left) and enrichment coefficient (right)

4.2 影响品质的生态地质模型

已有研究表明，板栗是一种高锰作物，需锰量比其他果树多，Fe和Mn对板栗的生长是不可或缺的[20]。山楂适宜于碱性土壤生长，Cu、Zn含量较高有利于提升其药用功效[21]，因此，土壤中富含特定的微量元素对林果资源的品质具有较强的影响。根据承德南部一带片麻岩建造和白云岩建造的生态地球化学过程，构建了林果资源的生态地质模型(图7)：

图7 研究区板栗和山楂原产地生态地质模型Fig.7 Eco-geological model of Chinese chestnut and Hawthorn in the study area

(1)板栗的产地成土母岩以太古代片麻岩建造为最佳，山楂产地以中元古代白云岩碳酸盐建造为最佳。

(2)片麻岩建造区地貌多以山岗地和丘陵地貌，坡向朝南，坡角小于15°，利于板栗生长；白云岩建造区的地貌多中低山，坡向超南，坡度多为15°～25°，满足山楂生长。

(3)片麻岩建造的黑云斜长片麻岩、黑云母二长变粒岩为最好，岩石风化程度较强，地表风化后就地成壤，形成厚度较大的疏松母质层，适宜深根板栗生长。白云岩建造中碳酸盐矿物易溶解，其岩石中的酸不溶物含量较低，成壤物质比例较低，造成土壤层较薄，适宜浅根的板栗生长。

吕凌子的意思是，既然索赔没了指望，就是借钱也得把这个事情给结了。肇事者是她的丈夫，丈夫虽然不是故意所为，但毕竟对一个无辜女人造成了难以启齿的伤害，这种伤害也许是无辜女人一辈子的心理阴影。钱不是万能的，然而除了钱，吕凌子实在想不出比这更好的解决办法。

(4)片麻岩建造区的土壤为褐土，属于沙质壤质，pH为5.31～6.59，属于中酸性，适宜喜酸板栗生长；白云岩建造的土壤多为石灰性褐土，土壤质地为壤土，pH为8.09～8.30，适宜偏碱性山楂生长。

(5)片麻岩建造中，黑云母、角闪石等暗色矿物含量高，随着矿物不断风化水解，Fe、Mn等铁族元素元素不断被释放出来，使得土壤中富含Fe、Mn元素，利于喜锰的板栗生长；白云建造区的土壤中Zn、Ca元素，利于优质山楂成长。

4.3 种植结构优化建议

在特色林果资源的开发规划中，充分利用土壤中作物的有益元素分布和酸碱度、有机质含量差异，因地制宜地种植各种农作物，合理施用各种肥料，实现现代化的农业生产的科学管理,科学提升特色林果资源的品质。因此根据板栗、山楂的生态地质模型，进行种植结构优化调整，对宽城县一带板栗、山楂等优质林果资源种植区规划进行优化，初步提出山楂、板栗最适宜种植区(图8)。山楂的最适宜区面积为497.2 km2，占宽城总面积的19.6%，板栗的最适宜区面积为499.01 km2，占总面积的19.7%。

图8 研究区板栗和山楂最优适宜区区划图Fig.8 The most suitable division map of Chinese chestnut and Hawthorn in study area

5 结论

(1)片麻岩建造岩石类型为黑云斜长变粒岩、黑云斜长片麻岩、斜长角闪岩、角闪斜长片麻岩、磁铁石英岩，矿物成分主要为斜长石(PI)、钾长石(K)、石英(Q)、黑云母(Bi)、角闪石(Hb)、石榴石(Cr)；白云岩建造白云岩、白云石灰岩和含铁锰白云岩，矿物主要成分为白云石(Do)、石英(Q)。

(2)片麻岩建造的Al2O3、Fe2O3、K2O、TiO2、P2O5、Mn、Cu、Zn、Ni、Co元素含量明显高于白云岩建造，相应白云岩建造MgO、CaO元素含量高于片麻岩建造。主成分分析和Pearson相关性系统聚类分析显示片麻岩Ti、Mn、Fe、Co、Ni与P呈相关关系明显，白云岩Cu、Ni、Ti和Fe2O3相关性显著。

(3)片麻岩建造的基岩-土壤元素质量迁移系数τ值呈Se>B>V>P>Mo>Mn>CaO>S>Ni>Fe2O3>0>Cu>SiO2>Na2O>K2O>Ge>Al2O3>Zn>MgO，Se、B、V、S、Mn和Mo元素相对Ti元素富集；白云岩区基岩-土壤质量迁移系数τ值呈Na2O>P>Ni>0>V>K2O>Al2O3>Mn>S>Se>B>SiO2>Fe2O3>Ge>Mo>Zn>MgO>Cu>CaO特征，Na2O、P、Ni元素相对Ti元素富集。

(4)生物富集系数BFC系数显示：板栗富集系数为Cu>Zn>Mo>Ni>Mn>Ge>Fe，山楂富集系数为Cu>Zn>Ni>Mn>Ge>Fe>Mo。建立板栗、山楂的品质控制生态地质模型，筛选山楂的最适宜区面积为497.2 km2，板栗的最适宜区面积为499.01 km2。