黄河晋陕峡谷临县段河流阶地剖面元素分布特征分析

张兆瑞张鹏飞钞锦龙戴燕燕肖梦琳

(1.太原师范学院地理科学学院，山西 晋中 030619；2.太原师范学院碳中和研究院，山西 晋中 030619)

黄河临县段河流阶地是河床长时间受河流侵蚀和泥沙堆积形成的特殊地形之一，而黄土高原的特殊形成方式使得这里的水土流失严重，河流阶地形成更为明显。李嫦等[1]研究认为，黄土堆积物疏松多孔隙，富含CaCO3，垂直节理发育，透水性强，易沉陷。盛海洋[2]认为，黄土高原的上升，侵蚀基准面的下降是水土流失一直存在的原因。河流阶地的形成在大尺度时间范围内是由于地壳抬升，河流下切形成的，在短时间内则是由于水土流失，洪水携带泥沙堆积而成，洪水期水体含沙量较高[3]。河流地貌演变的产物之一是河流阶地，河流演变过程中的环境变化信息被记载于河流阶地，其自身的产生、堆积、发展演变过程，成为所属流域的信息载体[4]。

河流阶地的土壤与河流的侵蚀沉积息息相关，土壤中的常量元素与微量元素在不同的时期和区域范围内，会受到气温、降水、动植物、人类活动和成土母质等因子的影响，展现出不一样的时空变化规律。研究元素在河流阶地土壤的分布，是研究地球化学的工作之一。河流阶地中化学元素的特征对探究河流阶地环境演变有一定的作用[5]，不同区域土壤元素进入河流随着洪水推移在河流阶地沉积，可以窥探出历次洪水来源地，对该地河流阶地形成，周边环境的演变提供理论依据，对人类合理利用河流阶地土地资源，保护周边生态环境有一定的指导意义[6]。

1 研究区概况

研究区处于晋陕峡谷之间，黄河中段支流流经两侧黄土丘陵沟壑区，黄土高原水土流失严重，黄土高原泥沙随支流进入黄河。黄河中游受到季风环流的影响，流域内往往会因为集中的大暴雨或者长时间的降雨而形成洪涝灾害和严重的水土流失，使河流洪水悬移质泥沙含量大大增加，对河流阶地的形成有直接影响。

临县东接方山县，西临黄河与陕西佳县、吴堡县隔河相望。处于北半球中纬度地区，属于温带大陆性气候。地势东北高西南低，海拔相对高差为1267m。临县多年平均降水量为518.8mm，但时空分布不均匀，冬春干旱，雨水较少，夏秋雨水较多。降水集中在7—9月，3个月总降水量323.9 mm，占全年降水量的62.5%，水分利用率极低。临县区域内河流属于黄河水系，县内河流具有夏雨型和山地型的河流特征，夏季洪水流量大，水量不稳定，洪水是该地区的特征之一。

2 研究方法

通过对黄河晋陕大峡谷河流阶地多次的野外观测及勘测，于2018年10月中旬进行样品采集，采样点位于佳临黄河大桥向东约1000m处，黄河北侧一处洪水冲刷的剖面，为了取到最厚的泥沙沉积层，采样点选在剖面最高的部位，剖面高度为7.3m，铲除剖面顶部0.3m耕作层，采样剖面厚度为7.0m，由剖面自上而下整体劈除0.15m，使其露出新土后开始取样。取样时自上而下每隔0.04m进行高密度系统均匀采样，共采集样品173件。将采集样品用双层塑料袋密封并标记。将采集好的土壤样品带回实验室自然风干，去除杂质，干燥好的样品经过破碎、研磨后，通过20目筛，然后取20g左右样品过200目筛，压片。利用X-荧光光谱仪(PW2403X-Ray)测定土壤样品中全量元素的含量。分析过程中采用重复样及标准样品(GSS1和GSD12)进行质量控制。粒度实验采用Mastersizer2000激光粒度仪进行，仪器单量程检测范围为0.02～2000μm，重复测定误差小于2%，每个样品自动测定3次，取平均值后，用体积百分数表示。

3 结果分析

3.1 河流阶地剖面中元素含量及变化情况

研究区河流阶地剖面土壤常量元素含量见表1。土壤成分以常量元素为主，黄河河流阶地沉积物常量元素包括SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3、Na2O、K2O、MgO元素，含量由大到小的顺序为SiO2>Al2O3>CaO>Fe2O3>Na2O>K2O>MgO。SiO2元素相对含量最大，含量接近60%，Al2O3元素次之，含量为7.71%，其它常量元素含量均低于4%。常量元素中，除MgO元素变异系数达到38%(中度变异)外，其余元素变异系数均不超过20%，属于低度变异。

表1 研究区土壤常量元素统计

研究区河流阶地土壤微量元素含量见表2。研究区河流阶地剖面沉积物微量元素累计贡献率为5402.3mg·L-1。其中Ti元素相对含量最大，为2069.7mg·L-1，在剖面中变异系数为22%，属于中度变异；Cl元素次之，含量为736.9mg·L-1，变异系数为94%，属于高度变异；P、Mn、Ba、W元素的相对含量较大，均达到200mg·L-1以上，剩余微量元素含量较少。研究区剖面中Cd、Bi、Rb、Pb、Ga、Sr、Ce、Mn、Y 元素属于低度变异(变异系数0%～20%)；元素Zr、La、Hf、Ti、Nb、P、V、As、Sc、Nd、Ba、S、Zn、Cu、Ni、Cr、Br属于中等变异(变异系数20%～50%)；元素Th、Co、W、U、Cl属于高度变异(变异系数50%～100%)；元素Mo属于极度变异(变异系数>100%)。

表2 研究区土壤微量元素统计

土壤中化学元素的变化规律可窥探土壤的环境信息[7]。SiO2是石英、长石和云母等原生矿物的主要成分，Al2O3、Fe2O3和MgO等元素在这些矿物中含量较低。Al2O3和SiO2元素的化学活动性稳定，在化学风化的过程中不易发生淋失，所以SiO2元素含量在常量元素中最大，Al2O3含量次之。

黄河河流阶地沉积物中大部分微量元素的含量较少，这与黄土高原区域内缺少岩浆和构造活动息息相关[8]。微量元素可能来源与黄河区域的物理变化、化学反应和生物作用等息息相关，包括自然变化和人类活动[9]。洪水的搬运对河流阶地元素的组成与含量变化影响最大。微量元素Ti元素同时存在于几乎所有生物、岩石、水体及土壤中。研究区剖面中Ti元素含量最大可以印证洪水对微量元素的搬运作用较大。元素Cl作为一种易溶元素，造岩矿物和许多水体中广泛存在[10]，洪水对岩石冲刷，继而使Cl元素溶于洪水中搬运至河流阶地，因此研究区剖面中Cl元素含量仅次于Ti元素。

土壤空间变异性十分复杂，洪水侵蚀堆积对土壤物质组成的空间变化有很大影响，变异程度依赖于各种因素在时间和空间上的协同关系。成土母质和元素本身化学性质是影响常量元素在不同土壤层变异系数差异的主要原因[11]。变异系数值越小表明元素土壤中的相对含量越均匀、受人类活动影响越小[12]。Cl元素变异系数较大，说明Cl元素受洪水搬运的影响较大。

3.2 河流阶地剖面中元素的垂直分布

通过分析河流阶地剖面中元素垂直分布规律，并依据岳大鹏等[5]对剖面元素分类方法将河流阶地剖面土壤中全量元素分为3类。I类元素，元素在剖面内相对含量呈现明显变化，但有相对稳定期和剧烈变化期交替出现的现象，常量元素 MgO、Fe2O3、CaO、K2O、SiO2与微量元素Th、Hf、Nb、Zr、Y、As、Zn、Cu、Ni、Mn、V、Ti、Sc、P、Ba、Co、W属于该类元素；同时，I类元素中以Zn为代表的元素(Fe2O3、CaO、MgO、Th、Ti、Hf、Nb、Zr、Y、As、Zn、Cu、Ni、Mn、V、Sc、P)和以K2O为代表的元素(Ba、Co、W、K2O、SiO2)在剖面内的峰值错位，变化趋势相反，分别称之为Zn类元素和K2O类元素；即在特定层位中，CaO类元素出现峰值时，K2O类元素正好处于谷值，反之亦然。II类元素，元素在剖面内的相对含量呈现有规律的变化，无明显极值，变化幅度稳定在一定的范围内，变化稳定，常量元素Na2O和Al2O3与微量元素U、Nd、Ce、Pb、La、Sr、Rb、Ga、S和Cr属于该类元素。III类元素，元素在剖面内变动频繁，在个别深度出现明显峰值，微量元素Cl、Mo和Br属于该类元素，具体见图1。

图1 I、II、III类代表性元素及粒径剖面变化曲线

另外，依据本研究中各类元素在垂直剖面上的变化趋势，把土壤剖面自上而下分为6层，第1层为0～100cm，在该层中I类元素中的K2O类元素含量随深度增加而增加，与之相反的Zn类元素随深度增加而降低，II类与III类元素无明显变化趋势。平均粒径随深度的增加先增大后变小；第2层为100～150cm，I类元素中的K2O类元素含量随深度增加而减少，Zn类元素随深度增加而增加，II类元素含量随深度增加而增加，在145cm左右含量最大，III类元素含量保持稳定，在125cm左右达到一个小峰值，平均粒径随深度的增加先减少后增加；第3层为150～250cm，I类元素中的Zn类元素含量随深度增加波动增加，K2O类元素含量随深度增加波动减少，II类元素随深度增加而波动减少，III类元素Cl元素含量稳定，Mo元素含量变量剧烈，平均粒径大；第4层为250～300cm，在这一层内所有元素都有明显的变化，I类元素中Zn类元素随深度增加而急剧增加，而K2O类元素急剧减少，II类元素随深度增加而波动增加，III类元素在270cm处均出现小峰值，平均粒径随深度增加而急剧下降；第5层为300～450cm，在该层中元素与土壤粒度无明显变化，保持相对稳定状态，粒径较小；第6层为450～750cm，I类和II类元素波动变化较为剧烈，出现一些峰谷值，Ⅲ类元素同样变化剧烈，出现几处峰值，平均粒径总体较小，但有一定的波动变化。

I类元素在剖面中第1～4层相对含量较大或较小，出现峰值或谷值，变化幅度较大。这说明在这些层次中，物质来源性质相近，形成了一个类似流体动力条件的沉积循环[5]。第1、3层中，Zn类元素含量较低而K2O类元素含量高，第2、4层与之相反。在Zn类元素中常量元素含量均小于3.5%，而微量元素中Zr、Mn、P和Ti元素含量均超过了100mg·L-1，特别是Ti元素含量达到2069.7mg·L-1。在K2O类元素中常量元素SiO2含量为59.7%，微量元素主要以Ba和W为主，含量分别为496.4mg·L-1和431.6mg·L-1。这可能是由于K2O类元素中的SiO2元素是其它元素的“稀释剂”，能溶于碱金属氢氧化物溶液中，与其它元素含量呈反比[13]，相对含量增加时，其它元素相对含量变少。I类元素含量在第1～4层出现较大的波动，而在第5、6层含量相对稳定，反映了黄河水动力的不稳定性，洪水不利于I类元素的富集[14]。K2O类元素中的Ba作为碱土金属中活泼元素，在自然界中最常见的矿物是重晶石，不溶于水。元素Ba含量低的层位(2、4、5和6层)，指示沉积时洪水强度小，洪水位低，降雨量小，元素Ba(1和3层)含量较高，指示沉积时洪水动力较强、规模大、洪水流量较大[15]。Zn类元素中的Th元素一般在凝灰岩夹层中富集，Th元素含量较大，说明洪水较大，或者洪水来源区有较大含量的凝灰岩。K2O元素在0～300cm土层之间含量明显高于下层。K2O元素在垂直剖面上的分布特点受人为因素的影响，300cm以上土层中所累积的K2O元素与人工钾肥的施用有一定的关联。Ti在水中的溶解度很低，自然累积的含量远低于洪水沉积物富含的Ti含量。河流阶地的形成来自风化碎屑物随洪水的沉积。

II类元素含量变化大致呈现明显的旋回性，变动幅度具有一定的规律，在第2、4层回旋幅度较大，说明该类元素含量受一定外界影响，但受外界环境的变化影响小，或者受到外界环境与元素性质的共同影响，具有一定稳定性。Ⅱ类元素对指示洪水的作用较小。在常量元素中Al2O3含量仅次于SiO2，含量为7.7%，Na2O含量为2%。兴县、临县、岢岚县是铝土矿的主要分布区之一，黄河一级支流岚漪河流经岢岚县、兴县，经裴家川流入黄河。Na2O主要是沉积物中酸性钠长石的组分，沉积物形成过程中钠长石的蚀变分解是引起Na2O 淋失的重要矿物蚀变反应[16]，Al2O3是河流搬运作用中化学性质相对稳定的元素[16]，难溶于水。这些元素具有稳定性，受洪水影响较小，指示洪水的作用较小。La、Ce、Nd是17种稀土元素中的3种，这3中元素在河流阶地含量较少不超过47mg·L-1，所以对洪水的指示作用较小。

III类元素在2、6层有明显的峰值。Cl与Br是卤族元素中的重要成员，土壤中Br元素的含量与土壤类型存在一定的关联，即土壤中Br的再分配受成土作用影响。降雨发生后，降雨量大于地表入渗量时，径流便会产生，从而导致径流中的Cl元素的流失量较多[17]。Mo在氧化环境和弱碱环境中更易形成Mo离子，也会因此有较高含量。Cl元素在阶地中的剧烈变化对指示洪水具有一定意义。Cl、Mo元素在2层达到一个小峰值，Cl元素有一个小峰值，Mo在4层处有较大变化，代表了一定的缺氧环境，也反映了一定的沉积环境[18]，Cl和Mo在450cm以下的含量大于450cm以上的元素的含量。Ⅲ类元素Cl、Mo、Br元素在6层变化剧烈，出现一定的极大值，可推测在该阶段发生较大洪水，对沉积环境造成了一定的影响。

3.3 元素与粒径相关性分析

黄河河流阶地沉积物为水成淤积物，主要通过洪水搬运而来，物质来源较为稳定，沉积物中元素含量受沉积环境、沉积物粒度、元素特征的综合影响。细粒组分含量能反映成壤强度。一般情况，耐风化的石英、长石和云母等原生矿物组成粒径较大的沉积物颗粒，这些矿物中SiO2含量较高，而Al2O3、Fe2O3、MgO等元素含量较低。硅酸盐和铁、锰氧化物等次生粘土矿物组成细粒级沉积物，这些矿物特点是SiO2含量相对较低，而Al2O3、Fe2O3、MgO等元素含量较高，造成常量元素含量随沉积物粒径变化发生有规律的变化[19]。Na2O元素与Al2O3元素受粒径变化影响较小，与粒径相关性较小，推测这2种元素来源广泛。

SiO2元素的剖面变化与平均粒径的剖面变化规律相似，SiO2元素与平均粒径呈正相关，见图2，广泛存在于岩石、砂砾、尘土之中。这说明，当河流泥沙沉积明显并且粗泥沙含量多时，SiO2元素含量也较多。常量元素在150cm附近均出现了或高或低的峰值或谷值，根据土壤粒径在152cm处粒径达到峰值，150cm以内的土层粒径较小为洪水携带泥沙沉积，预测该段为成土母质，基岩风化形成的松散沉积物组成成土母质[11]。岩石中的各类元素成分在风化形成土壤时组成土壤里的矿物元素，岩石中的某一元素成分较多，则成土母质和土壤中相应元素就较多。随着深度变深，渐渐趋于稳定。沉积物粒径与SiO2、K2O、Na2O元素含量呈正相关，与Al2O3、CaO、Fe2O3、MgO元素含量呈负相关，见图2，因为人类活动对常量元素数量分布的影响比较小，晋陕峡谷的阶地物质来源的不同应该是形成这种情况的主要因素[9]。

图2 常量元素和主要微量元素与平均粒径的相关性

微量元素中，Ti元素在自然界中的含量相对丰富，在阶地中的含量与平均粒径的负相关性较大，粒径越大，Ti元素含量越低。Ga元素在地壳中的浓度很低，其分布很广泛，但不以纯金属状态存在，以微量分散于铝土矿、闪锌矿等矿石中，与粒径的负相关性不大，含量不受粒径大小影响。Cl、Mo元素与平均粒径的相关性小，Cl元素常存在于氯化钠中，氯化钠又广泛分布于盐湖盐井盐矿中，含量受粒径的影响小。Mo元素是植物体内必需的“微量元素”之一，近年来国内外广泛地采用钼酸铵作为微量元素肥料，能显著地提高豆类植物、牧草及其他作物的质量和产量，也可以看出这类元素与粒径大小相关性不大，与人类活动有关。Th元素与平均粒径负相关较大，Th以化合物的形式存在于钍石和独居石等矿物中，Ba元素与平均粒径相关性较大，Ba在自然界中最常见的矿物是重晶石，不溶于水，Ba元素含量低，对应为细粒沉积物，Ba元素含量高，对应为粗粒沉积物。表明Th与Ba这2类元素物质来源的差异性，与该地河流来源分析，可能分别来源于2次不同的洪水，见图2。

3.4 元素之间相关性分析

不同元素之间存在相关性，计算各元素之间的关系对探索河流阶地环境有一定作用，对淤积剖面的一部分元素进行相关性分析，见表3。元素显著正相关指示具有相似来源，或迁移与富集地球化学行为类似；元素显著负相关说明来源具有差异或拮抗作用，表明元素含量的减少可以促进另一种元素的吸附或促进释放[20]。

表3 河流阶地元素之间的相关性统计表

在常量元素中，SiO2与K2O相关系数达到0.96，相关性极强，SiO2与其它元素相关性较弱或者负相关，CaO、Fe2O3、MgO这3个元素相关性极强，但与SiO2和K2O呈现较强负相关,可以判断这3种元素来源地相同。Na2O除与Al2O3有较强的正相关外，与其它元素相关性较弱或无相关，这主要由于在化学风化过程中，一些不稳定的长石矿物分解，导致大量Na元素流失，而其它稳定矿物含量逐渐增加[21]。SiO2元素是化学风化作用最为稳定的元素，不溶于水也不跟水反应，因此SiO2含量可以反映物理风化的强度，特别是干旱的影响。由SiO2元素的含量变化特征可以判断研究区剖面300cm以上沉积过程中气候干湿变化幅度大。Al2O3和Fe2O3元素的化学特性比较稳定，这2种元素多存在于风化残留物中，沉积环境以物理风化为主，Al2O3和Fe2O3元素不易溶解、迁移或是沉淀；晋陕峡谷半干旱气候下MgO和CaO元素容易富集，可为过渡性气候环境的变化提供指示作用。

微量元素之间呈高度或中度相关，个别元素与其它元素呈低度相关。尤其是Cl与许多微量元素相关性弱，Cl能与所有元素直接化合生成氯化物。Zr元素与Hf元素呈高度相关，相关系数为0.99，说明其物质来源非常相近。Cu元素与许多元素呈高度相关，说明元素在河流阶地土壤分布受物质来源影响较大。Cu元素与Cl、S、Br、Mo元素呈弱相关，相关系数分别为0.14、0.47、0.39、0.12，说明其物质来源可能来自另一次洪水沉积事件。

在所有元素中，Co是许多动植物生存重要的微量元素，Co元素与许多元素为负相关，土壤中Co的含量与粘粒、粉粒呈负相关，与砂粒呈正相关[22]。相关资料显示，晋陕峡谷中段河流阶地中Co元素重度污染[6]，可能是造成Co元素与其它大部分元素成负相关的原因之一。仅与Ba、W、Ce、Sr呈正相关，说明Co元素与这些元素来源接近。Co与W元素呈高度相关，相关系数为0.97，Co元素与Ba、Ce、Sr元素的相关系数分别为0.83、0.65、0.55，均呈中度相关。除Br、Mo、Cl元素外，SiO2、Ti、Cl、Ba、W、P、Mn、Zr、S元素与大部分元素相关性较强。说明在淤积形成的过程中剖面物质来源是统一的。而Br、Mo、Cl元素的相关性弱，说明Br、Mo、Cl的含量除了受物质来源影响以外还受到其它因素的影响。

4 结论

通过探究该区河流阶地元素，可以清楚地了解该区的土壤成分、土壤结构、土壤受污染情况，黄河临县段河流阶地剖面中SiO2元素相对含量最大，Al、Ca元素相对含量次之，微量元素中，Ti元素相对含量最大，Cl元素含量次之。

河流阶地在0～300cm土壤元素含量变化剧烈，在300～700cm变化平缓。平均粒径同样在0～300cm变化剧烈，在300～700cm变化平缓。说明河流阶地会受到不同状态黄河水的影响，变化剧烈可能受洪水影响。

人类活动对大部分元素数量分布的影响比较小，仅有少数受人为活动影响，如K2O和Mo。晋陕峡谷的阶地物质来源的不同应该是常量元素分布情况的主要因素。沉积物粒径与常量元素之间具有显著相关性，是不同粒级沉积物中矿物元素成分的差异所造成。微量元素中I类元素与粒径的相关性较大，含量受粒径大小影响。Ⅱ类和Ⅲ类元素与粒径的相关性较小，与元素所依存矿石和洪水携带物质的属性有关。

常量元素中SiO2与K2O相关性强，CaO、Fe2O3、MgO相关性强，微量元素中Zr与Hf呈高度相关，Co元素与大部分元素呈负相关，Cl与大部分微量元素基本不相关。相关性强，物质来源相近，相关性弱，物质来源存在差异，探究元素间相关性可以更好地追溯元素的来源。