黄山花岗岩关键带化学风化与元素迁移海拔分异与影响因素研究

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硅酸盐岩化学风化是全球大气CO2重要的碳汇过程,也是森林生态系统矿质养分主要来源之一,是关键带内元素地球化学循环的重要环节。硅酸盐岩关键带土壤剖面中元素在风化成土过程中的分异、富集及迁移特征一直是学者们的关注对象。在全球气候升温背景条件下,深入理解硅酸盐岩关键带化学风化与元素迁移的影响因素是全面揭示其对全球气候变化影响的重要前提。黄山景区是以中生代花岗岩为主的世界地质公园。因构造运动形成了独特的地形地貌特征及局部山地微气候,使其成为一个研究硅酸盐岩关键带化学风化及元素迁移海拔分异特征的理想场所。本文以黄山核心景区为研究区域,选取黄山风景区从山顶至山脚代表性关键带土壤风化剖面进行样品采集,同时收集研究区地形地貌、气候水文及植被分布信息,利用常量元素、微量元素及稀土元素地球化学特征为主要研究手段,并结合分子生物学手段,分析黄山花岗岩关键带化学风化及元素迁移特征,并对其主要控制因素进行定性探讨,以有助于深入理解黄山地质生态系统在极端环境背景下矿质养分来源及循环过程,为黄山花岗岩关键带地质生态系统环境保护提供支撑科学数据。同时本研究的开展亦有助于深入理解构造及气候多重影响背景下硅酸盐岩化学风化过程。得出如下主要结论:(1)通过对土壤剖面化学风化强度分析,得出黄山花岗岩关键带五个不同海拔梯度下风化剖面存在差异性风化特征,所有剖面风化趋势均向富铝化发展,长石矿物风化及钠淋失特征随海拔抬升逐渐减弱。模型计算得出黄山景区化学风化速率遵循高海拔>中海拔>低海拔的变化规律。因此黄山景区随海拔提升过程中,土壤化学风化为森林生态系统提供矿质养分过程更为困难。黄山花岗岩关键带土壤化学风化海拔差异性特征体现了不同时期花岗岩化学组成的微小变化协同矿物非均一性风化带来的调控作用,且因海拔不同导致构造、气候、生物等因素的差异性变化对化学风化也存在一定的控制效应。(2)黄山花岗岩关键带元素上地壳标准化分析发现MgO、Na2O、CaO、Cu、Sr、Ba等为亏损状态。Fe2O3在低海拔区富集,中高海拔亏损;而K2O相反。Co、Rb、U、Th等呈富集态,高场强元素较稳定。稀土元素球粒陨石标准化分析得出轻稀土较重稀土富集且配分模式右倾程度随海拔提升而逐渐平缓。低海拔处Eu负异常程度弱于中高海拔。迁移率计算得出黄山景区土壤元素迁移特征为:Si O2、K2O、Na2O、Ca O、Rb、高场强元素及稀土元素亏损;Al2O3、Fe2O3、Mg O、Co、Cr等元素富集。黄山花岗岩关键带元素地球化学海拔分异特征受随海拔抬升而逐级递减的化学风化作用及不同时期花岗岩组成影响显著。(3)对黄山花岗岩关键带化学风化和元素迁移控制因素分析发现:气候对化学风化的控制效应显著,温度主要通过调控土壤微生物呼吸及加速矿物溶解正向作用于化学风化;降雨因黄山陡峭地貌背景导致停留时间短,加上物理冲刷而进行反向调控。土壤微生物群落结构与化学风化表现为相互调控机制,微生物可有效分解有机质及酶促进化学风化,反之风化强则提供更为优势环境促进微生物生长代谢过程。同时矿物结构及其吸附作用联合p H、有机质而作用于化学风化过程。在多重影响背景下,黄山花岗岩关键带化学风化与元素迁移海拔分异特征显著,花岗岩化学风化碳汇能力随海拔抬升而逐渐减弱。
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