浑善达克沙地沉积地层易溶盐的组成特征及其影响因素

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00156

浑善达克沙地沉积地层易溶盐的组成特征及其影响因素

任孝宗^,¹, 杨小平²

1.太原师范学院地理科学学院/汾河流域地表过程与资源生态安全山西省重点实验室，山西晋中 030619

2.浙江大学地球科学学院，浙江杭州 310027

Composition of soluble salts in sedimentary strata of the Hunshandake Sandy Land and its influencing factors

Ren Xiaozong^,¹, Yang Xiaoping²

1.School of Geography Science / Shanxi Key Laboratory of Earth Surface Processes and Resource Ecological Security in Fenhe River Basin，Taiyuan Normal University，Jinzhong 030619，Shanxi，China

2.School of Earth Sciences，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China

收稿日期: 2025-08-25 修回日期: 2025-10-09

基金资助:

山西省基础研究计划（自由探索类）项目. 202403021211205

Received: 2025-08-25 Revised: 2025-10-09

作者简介 About authors

任孝宗（1983—），男，甘肃白银人，博士，副教授，主要从事水化学、水文地球化学方面的研究E-mail：renxzmail@126.com , E-mail：renxzmail@126.com

摘要

沙漠/沙地沉积物中普遍含有的易溶盐影响着区域乃至全球盐分循环，其表层沉积物易溶盐的形成常被认为与气候关系密切，而对表层以下沉积物易溶盐的形成因素争议较多。本文对浑善达克沙地赛罕锡林（SX）和巴彦诺尔（BN）两个沉积地层的易溶盐进行浸提，分析浸提液的水化学综合指标、水化学类型和主量组分。结果表明：除个别样品外，SX和BN剖面易溶盐浸提液的TDS（溶解性固体总量）较低，pH呈中性—微碱性，且前者表层风成沙、古土壤和浅色风成沙的TDS均值均较后者高，而除表层风成沙外，其pH均值均较后者低。对SX和BN剖面表层风成沙易溶盐种类和数量的分析表明，不同于中国西部沙漠优势阴、阳离子的种类为Cl^-和Na⁺，相对湿润的SX和BN剖面则为HCO $_{3}^{-}$ 和Ca²⁺；其易溶盐含量则与中国西部沙漠类似，均与干燥度指数密切相关，主要受现代气候的控制，同时也受物源等区域环境的影响。古土壤及其以下各层沉积物易溶盐受古气候影响显著，出现了与当时湿润气候相对应的淋溶层和CaCO₃淀积层，离子交换和简单溶解/线性混合等水化学过程也影响着剖面沉积物易溶盐的分布。此外，生物和人类活动通过多种方式对沉积物易溶盐的分布产生影响。

关键词： 浑善达克沙地 ; 沉积地层 ; 易溶盐 ; 水化学 ; 影响因素

Abstract

The soluble salts commonly found in desert/sandy land affect the salt cycle in regions and even globally. The formation of soluble salts in surface sediments is often considered related to climate， while there is much controversy over the factors that contribute to the formation of soluble salts in sub-surface sediments. Soluble salts extracted from two Holocene sections， Saihanxili （SX） and Bayan Nur （BN）， in the Hunshandake Sandy Land， were sampled. The synthetic parameters， hydrochemical types， and major ion contents of the extraction solution were analyzed. The results showed that except for a few samples， the TDS （Total Dissolved Solids） of the soluble salt extract from SX and BN sections was low， and the pH was neutral to slightly alkaline. Additionally， the average values of TDS from aeolian sand， paleosol， and light-colored aeolian sand in the surface layers of the SX section were higher than those in the BN section， while the average values of pH from all layers except the surface aeolian sand layer were lower. The average TDS and pH of the soluble salt extract from the surface layer of aeolian sand in SX section were higher than those in BN section. An analysis of the types and quantities of soluble salts in the surface aeolian sand layer of the SX and BN sections showed that， unlike the dominant ions Cl^- and Na⁺ in western deserts of China， the SX and BN sections from relatively humid areas exhibited HCO $_{3}^{-}$ and Ca²⁺ as the primary ions. The soluble salt content in these sections was similar to that in western deserts of China， closely correlated with the aridity index and primarily controlled by modern climate， while also influenced by regional environmental factors such as sediment sources. The soluble salts in paleosol and its lower layer sediment are significantly influenced by the ancient environment and climate， resulting in leaching and CaCO₃ deposition corresponding to the humid climate at that time. Water chemical processes such as ion exchange and simple dissolution/linear mixing also affect the distribution of soluble salts in the sections. In addition， biological and human activities affect the distribution of soluble salts in sediments through various means.

Keywords： Hunshandake Sandy Land ; sedimentary strata ; soluble salts ; hydrochemistry ; influencing factors

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本文引用格式

任孝宗, 杨小平. 浑善达克沙地沉积地层易溶盐的组成特征及其影响因素. 中国沙漠[J], 2026, 46(2): 177-187 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00156

Ren Xiaozong, Yang Xiaoping. Composition of soluble salts in sedimentary strata of the Hunshandake Sandy Land and its influencing factors. Journal of Desert Research[J], 2026, 46(2): 177-187 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00156

0 引言

沙漠/沙地沉积物中普遍含有易溶于水的无机盐分，称为易溶盐或可溶盐。沉积物中的易溶盐在地表径流的作用下可以进入河流、湖泊、地下水，并对其化学组成产生重要影响。位于岩块细小裂缝中的易溶盐，吸水膨胀、失水收缩，在这种反复作用下可加快岩石的物理风化，促进岩块碎裂^［1］，影响岩石的抗风蚀能力^［2］，对风沙沉积物中细粒成分的形成起到举足轻重的作用^［3］。此外，沙漠易溶盐在联系全球陆地和海洋盐分的传输、促进海陆盐分循环和生物地球化学循环方面具有重要作用^［4-5］，其在风力的搬运下可沉积于下风向，在全球环流的影响下可传输至更远的陆地和海洋，甚至在南极冰芯中发现了来自沙漠地区的易溶盐^［6］。

国内外学者对沙漠/沙地表层沉积物易溶盐与气候的关系进行了深入研究。郭志清^［7］发现，从中国东部沙地到西部沙漠，随着气候类型的变化，沙丘沙易溶盐组分中阳离子（Na⁺+K⁺）和阴离子（Cl^-+SO $_{4}^{2 -}$ ）的比例均表现出增高的趋势。赵文智等^［8］根据易溶盐成分将中国主要沙地分为盐分强淋溶型、盐分淋溶型、盐分弱淋溶型沙地和盐分非淋溶型沙地，认为气候条件是影响沙地盐分特征的主导因素。朱秉启等^［9］分析了中国北方四大沙漠风成沙易溶盐的组成、含量和分布，讨论了风成沙易溶盐与气候的关系。此外，Voigt等^［10］对阿塔卡马沙漠的研究也表明表层沉积物易溶盐的空间分布与长期的干旱气候有关。

不同于表层沉积物，国内外学者对干旱半干旱地区沉积地层中不同类型沉积物的易溶盐能否反映气候争议较大。Yaalon^［11］认为古土壤往往受多次成壤作用的改造，其化学特征不可靠。Zhu等^［12］认为应谨慎采用易溶盐在沉积剖面中的变化解释古环境演变，特别是当风成沙中夹杂了湖相沉积。此外，Marion等^［13］认为沙漠土壤易溶盐的控制因素较复杂，应充分考虑大气输入、岩石风化、化学平衡、土壤淋溶和植物循环等因素的影响。但在黄土-古土壤研究中，前人发现仍然存在没有成壤作用改造的沉积物，其易溶盐具有气候指示作用^［14］。孙斌等^［15］发现，黄土和古土壤易溶盐成分差异显著，黄土层表现出较明显的碱化特征，易溶盐以Na₂CO₃和NaHCO₃为主，而古土壤层则更多表现出盐化特征，易溶盐中NaCl和Na₂SO₄较多。此外，Sun等^［16］认为，易溶盐的形成主要受控于降水输入、土壤湿度的变化、蒸散发和太阳辐射等气候因子，因此能反映盐分和气候变化，并将该指标应用于5.3 Ma的长时间尺度沉积序列研究中。

位于内蒙古高原东部的浑善达克沙地属于沙漠/黄土边界带和农牧交错区^［17-18］，表层沉积物以风成沙为主，但其晚更新世末期以来的沉积地层中普遍分布着古土壤层，指示当时较湿润的沉积环境^［19］。风成沙、古土壤、湖相沉积等构成了浑善达克沙地复杂的沉积地层，给古气候重建带来了很多挑战。本文通过对浑善达克沙地两个沉积地层易溶盐的分析，利用Piper图、扩展型Durov三线图等水化学方法，讨论了沉积地层中易溶盐的组成特征、影响因素以及与气候之间的关系。

1 研究区概况

浑善达克沙地位于中国东北和华北之间^［20］，面积约21 400 km²，境内以固定和半固定沙地为主^{［17-18，21-22］}。其东部和南部分别被大兴安岭和阴山山脉包围，西部属于二连盆地的一部分，北部与平坦的锡林郭勒草原相邻。沙地东南高（海拔1 300 m）、西北低（海拔1 000 m）。浑善达克沙地属于北温带干旱半干旱气候区，东亚季风对沙地的影响强度从东南向西北逐渐降低，年降水量相应地从东南部的约450 mm减少到西北部的150 mm^［19］。沙地内部年蒸发量为1 455.4~2 116.4 mm，干燥度为1.4~1.8^［23］。

2 样品采集与分析方法

地层沉积物采集自浑善达克沙地赛罕锡林剖面（SX）及其以东的巴彦诺尔剖面（BN），后者所在区域较前者湿润，且两者附近有干涸、半干涸湖泊分布（图1）。SX和BN剖面采样深度均为300 cm，采样间隔为10 cm。Yang等^［19］对两个剖面的研究发现，两者整体形成于晚更新世末期，沉积地层底部年龄约为13 ka（图2）。其中，SX剖面第一层为浅黄色的表层风成沙，第二层为富含有机质的深色古土壤层，第三层为浅白色的浅色风成沙；BN剖面与SX剖面类似，但沉积更复杂，其最上部仍为浅黄色的表层风成沙，第二层为浅色古土壤，属于从古土壤向风成沙的过渡类型，第三层为深色古土壤，第四层与SX剖面第三层类似，为浅白色的浅色风成沙，第五层为风选较差的河流/湖岸粗粒沉积物，第六层为胶结较好的、由粉砂和黏土组成的湖相沉积（本文未对该地层分析）。

图1

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图1 研究区概况及剖面位置

Fig.1 The map of study area and the locations of two sections

图2

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图2 SX、BN剖面沉积序列

注：图修改自文献［19］

Fig.2 Stratigraphy of the SX and BN sections

剖面沉积物易溶盐的浸提和分析过程如下：首先，按照沉积物与超纯水（电阻18.2 MΩ）1∶5混合^{［9，24-25］}，充分搅拌使沉积物中的易溶盐完全溶解于水，将液体静置12 h后用直径0.45 μm 的微孔滤膜过滤，得到制备好的易溶盐浸提液。其次，采用具温度校准功能的Eijkelkamp 18.28型多参数水质分析仪于室温下测定易溶盐浸提液的酸碱性（pH）、氧化-还原电位（Eh）、电导率（EC）和可溶性固体总量（TDS）等水化学综合指标。再次，采用离子色谱法测定水溶液中的主要阴离子（Cl^-、NO $_{3}^{-}$ 、SO $_{4}^{2 -}$ ）和主要阳离子（Na⁺、K⁺、NH₄⁺、Mg²⁺、Ca²⁺）。测试结果显示，阴离子相对误差小于±3%，阳离子相对误差小于±2%。最后，HCO $_{3}^{-}$ 的测定采用Gran滴定法，分析误差小于5%。

3 结果与分析

3.1　水化学综合指标

浓度较低的情况下，样品的pH与Eh线性相关，EC与TDS线性相关^［26］。SX和BN剖面易溶盐浸提液的TDS较低，绝大多数<100 mg·L^-1，上述参数的相关性较好，在SX剖面中，pH与Eh、EC与TDS的R²分别为0.995和0.999，在BN剖面中R²则分别为0.996和0.999，故本文只选择TDS和pH作为指标以简化分析过程。对比表层风成沙、古土壤、浅色风成沙易溶盐浸提液的TDS发现（表1），其在SX剖面的均值均高于BN剖面对应地层（对于BN剖面而言，浅色古土壤和深色古土壤差异不大，此处作为一层处理）；对比pH发现（表1），其均值在SX剖面表层风成沙中高于BN剖面，但在古土壤和浅色风成沙中均低于BN剖面，但整体而言，SX和BN剖面易溶盐浸提液的pH较低，普遍小于8，呈中性—微碱性。

表1 SX和BN剖面易溶盐浸提液水化学综合指标、主量组分和其他指标统计

Table 1 The statistics of the synthetic parameters， major ion contents and other indicators in extraction solution from soluble salt， SX and BN section

剖面名称	地层类型	统计值	TDS	pH	Na⁺	K⁺	Mg²⁺	Ca²⁺	NH $_{4}^{+}$	NO $_{3}^{-}$	HCO $_{3}^{-}$	SO $_{4}^{2 -}$	Cl^-	CaCO₃	TOC
SX	表层风成沙(n=8)	最小值	71.00	7.57	1.72	1.03	1.53	9.78	0.53	4.82	60.60	1.13	0.85	0.32	0.15
		最大值	140.00	7.72	6.66	8.36	3.79	15.82	1.45	20.79	170.80	11.13	3.87	0.77	0.31
		均值	84.25	7.65	2.62	2.32	2.31	12.29	0.74	9.40	103.21	5.62	1.60	0.55	0.20
		标准差	21.67	0.04	1.55	2.35	0.68	1.72	0.29	4.99	32.46	3.81	0.92	0.15	0.06
		变异系数	25.72	0.59	59.03	101.11	29.50	13.98	39.07	53.06	31.44	67.80	57.58	26.83	27.12
	深色古土壤(n=12)	最小值	64.00	7.12	2.84	0.35	2.89	7.09	0.13	0.63	56.80	2.05	0.72	0.28	0.12
		最大值	98.00	7.65	4.66	2.88	6.16	12.28	1.88	19.05	96.80	5.62	6.85	0.83	0.24
		均值	79.08	7.39	3.60	1.24	4.61	9.65	0.61	5.93	78.12	4.25	2.00	0.54	0.19
		标准差	8.80	0.17	0.57	0.57	1.06	1.51	0.43	4.27	11.96	0.85	1.57	0.16	0.04
		变异系数	11.13	2.34	15.85	46.26	22.94	15.66	71.33	71.96	15.31	19.99	78.67	28.95	21.98
	浅色风成沙(n=10)	最小值	75.00	7.16	4.41	0.66	4.99	9.21	0.08	0.10	68.90	1.08	0.71	0.74	0.06
		最大值	101.00	7.74	7.12	1.37	7.77	14.60	0.12	0.83	91.00	4.40	2.16	2.26	0.13
		均值	88.00	7.45	6.13	1.13	6.20	11.03	0.10	0.36	81.79	2.10	1.26	1.57	0.08
		标准差	7.21	0.19	0.98	0.19	0.85	1.46	0.02	0.21	6.93	0.99	0.49	0.49	0.02
		变异系数	8.19	2.51	15.93	16.92	13.78	13.27	15.97	60.04	8.48	47.04	38.61	31.52	26.29
BN	表层风成沙(n=7)	最小值	58.00	7.28	2.26	1.72	1.27	12.58	0.63	7.46	42.20	1.47	1.38	0.24	0.12
		最大值	108.00	7.74	3.83	4.62	2.33	18.94	1.37	28.47	89.00	11.89	3.64	0.60	0.29
		均值	80.86	7.56	2.95	2.61	1.83	15.63	0.90	17.61	65.91	6.01	2.68	0.38	0.19
		标准差	17.83	0.18	0.49	0.91	0.41	2.42	0.23	7.03	16.59	3.42	0.78	0.12	0.06
		变异系数	22.05	2.37	16.72	35.05	22.37	15.50	25.72	39.90	25.17	56.86	28.97	31.25	32.82
	浅色古土壤(n=3)	最小值	72.00	7.55	2.38	1.08	2.38	14.67	0.42	8.30	51.60	6.68	2.54	0.27	0.25
		最大值	83.00	7.67	3.13	1.94	2.64	15.46	0.83	10.04	63.30	14.40	5.92	0.36	0.32
		均值	77.00	7.62	2.65	1.51	2.52	15.16	0.64	9.16	56.27	10.49	4.48	0.31	0.29
		标准差	4.55	0.05	0.34	0.35	0.11	0.35	0.17	0.71	5.06	3.15	1.42	0.04	0.03
		变异系数	5.90	0.69	12.91	23.27	4.32	2.33	26.43	7.75	8.99	30.07	31.76	13.42	10.13
	深色古土壤(n=6)	最小值	67.00	7.70	1.57	1.01	2.06	13.36	0.10	1.35	59.10	3.03	1.01	0.27	0.22
		最大值	88.00	8.02	2.17	1.77	3.76	26.88	0.17	3.80	307.70	8.88	8.57	4.25	0.50
		均值	77.17	7.86	1.97	1.33	3.02	18.39	0.14	2.74	135.55	5.00	3.39	1.64	0.35
		标准差	7.82	0.12	0.20	0.23	0.60	5.53	0.03	0.85	94.84	2.11	2.48	1.70	0.09
		变异系数	10.13	1.52	10.14	17.52	19.92	30.06	20.61	31.10	69.96	42.13	73.00	103.68	26.92
	浅色风成沙(n=12)	最小值	38.80	7.73	0.59	0.98	3.08	9.20	0.11	0.21	52.70	0.36	0.28	0.53	0.06
		最大值	76.00	8.30	1.34	2.76	4.79	26.01	0.18	0.85	155.20	2.04	1.95	2.75	0.14
		均值	61.42	7.89	0.80	1.70	3.36	14.80	0.14	0.38	88.40	0.90	0.65	1.06	0.08
		标准差	10.71	0.15	0.25	0.43	0.44	5.63	0.02	0.18	34.41	0.59	0.51	0.66	0.02
		变异系数	17.44	1.95	31.37	25.11	13.04	38.06	14.32	47.40	38.93	66.27	78.58	62.54	28.79
	河流/湖岸粗粒沉积物(n=2)	最小值	68.00	7.70	1.59	2.69	5.13	8.58	0.14	0.40	69.80	0.70	0.57	0.58	0.07
		最大值	71.00	8.01	1.92	3.46	5.21	10.04	0.14	0.61	75.80	0.96	0.62	0.75	0.07
		均值	69.50	7.86	1.75	3.08	5.17	9.31	0.14	0.50	72.80	0.83	0.60	0.66	0.07
		标准差	1.50	0.16	0.17	0.38	0.04	0.73	0.00	0.11	3.00	0.13	0.03	0.08	0.00
		变异系数	2.16	1.97	9.48	12.48	0.85	7.80	0.12	21.04	4.12	15.49	4.67	12.73	0.62

注：TDS表示可溶性固体总量（mg·L^-1）；pH表示酸碱度（无量纲）；主量组分的单位均为mg·L^-1；CaCO₃（%）、TOC（%）数据来源于文献［19］。

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在SX剖面中（图3A），最表层沉积物（即第一个表层风成沙样品，是距离地面最近的样品）易溶盐浸提液的TDS含量为整个剖面最高，达140 mg·L^-1，与其他表层风成沙样品有显著差异。除该样品外，随着深度的增加，易溶盐浸提液的TDS表现为增加的趋势。其pH在表层风成沙中变化不大，随着深度的增加，在古土壤层中逐渐下降，在古土壤-浅色风成沙过渡区突然升高后在浅色风成沙中又开始下降。

图3

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图3 水化学综合指标、主量组分和其他指标随地层深度的变化

注：TDS表示可溶性固体总量（mg·L^-1），CaCO₃（%）、TOC（%）、M_z（Φ）和磁化率数据来源于文献［19］

Fig.3 The variation of synthetic parameters， major ion contents and other indicators with section depth

在BN剖面中（图3B），易溶盐浸提液TDS的变化趋势较SX剖面复杂，在表层风成沙、浅色古土壤层和深色古土壤层中均表现为先增加后减少的特征，在浅色风成沙中出现多次增-减变化，在第五层沉积物中含量较稳定。BN剖面pH的变化较显著，随着深度的增加，表层风成沙样品的pH逐渐降低，在浅色古土壤和深色古土壤层中pH逐渐升高，在最后两层沉积物中出现多次增-减变化。

3.2　水化学类型

Piper水化学图形分类法对剖面沉积物易溶盐浸提液的分类表明（图4），SX和BN剖面易溶盐的水化学类型相同，均属于碱土金属离子>碱金属离子且碳酸盐硬度>50%的类型，优势阴、阳离子分别为HCO $_{3}^{-}$ 和Ca²⁺。除少数样品外，SX和BN剖面不同类型沉积物易溶盐的分布模式差异较显著，尤其在Piper图阳离子部分更明显，其中SX剖面中不同类型沉积物易溶盐的差异是由Ca²⁺和Mg²⁺的不同引起的（图4A），而在BN剖面中则是由Na⁺和K⁺的差异引起的（图4B）。

图4

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图4 Piper图指示的SX和BN剖面沉积物易溶盐的水化学类型

Fig.4 Hydrochemical types of soluble salt from SX and BN section indicated by Piper diagram

3.3　主量组分

在SX剖面中（图3A），最表层沉积物易溶盐的各主量组分与其下部表层风成沙的差异明显，其中Na⁺和K⁺含量显著高于其他表层风成沙，Mg²⁺、Ca²⁺、HCO $_{3}^{-}$ 、SO $_{4}^{2 -}$ 、Cl^-的含量也较高。除最表层沉积物外，Na⁺和Mg²⁺在表层风成沙和古土壤层中呈增加趋势，在浅色风成沙中Na⁺仍在增加而Mg²⁺则缓慢下降；K⁺在表层风成沙中表现为下降趋势，在古土壤层（除一个样品外）和浅色风成沙中变化较小。此外，Ca²⁺与CaCO₃的变化趋势类似；NH $_{4}^{+}$ 和NO $_{3}^{-}$ 的变化趋势类似；HCO $_{3}^{-}$ 和SO $_{4}^{2 -}$ 在表层风成沙中变化较剧烈，在古土壤和浅色风成沙中逐渐变小；Cl^-除在古土壤层中出现了一个突然增加的信号外，在其他地层中的变化较小。

在BN剖面中（图3B），最表层沉积物各主量组分与其下部表层风成沙也存在一定差异，但差异较SX剖面小。此外，BN剖面Na⁺和K⁺的变化趋势类似；Mg²⁺在整个地层中呈增加趋势；Ca²⁺与CaCO₃的变化趋势类似，但Ca²⁺变化较剧烈；NH $_{4}^{+}$ 和NO $_{3}^{-}$ 的变化趋势类似；HCO $_{3}^{-}$ 在深色古土壤底部和浅色风成沙底部有较明显的变化；SO $_{4}^{2 -}$ 和Cl^-在表层风成沙、浅色古土壤层和深色古土壤层变化较剧烈，在浅色风成沙和河流/湖岸粗粒沉积物中浓度逐渐趋向于0。

4 讨论

4.1　现代气候和区域环境对表层沉积物易溶盐的影响

SX和BN剖面表层沉积物易溶盐的种类和含量具有明显的区域特征，与中国西部塔克拉玛干沙漠和腾格里沙漠差异显著。在易溶盐种类方面，Piper图显示塔克拉玛干沙漠和巴丹吉林沙漠表层沉积物易溶盐以Cl^-和Na⁺为优势阴、阳离子，而SX和BN剖面表层沉积物易溶盐则以HCO $_{3}^{-}$ 和Ca²⁺为优势阴、阳离子（图4）。前者在水中的溶解度远大于后者，指示了更强烈的蒸发环境。上述沙漠表层沉积物易溶盐种类的差异与西部沙漠较东部沙漠蒸发强烈、降水较少的气候特征一致。干燥度指数为蒸散发与降水量之比，能综合反映两者对区域气候的影响^［27-28］。为了进一步讨论气候因素对表层沉积物易溶盐含量的影响，本文基于SX和BN剖面及相关文献，以沙漠表层沉积物易溶盐样品采集地的多年平均干燥度指数（1995—2024年，国家地球系统科学数据中心）为纵坐标指示区域气候、TDS数据为横坐标指示易溶盐含量，绘制了气候-易溶盐含量分布图（图5）。结果表明，在干燥度指数一定范围内，干燥度指数与易溶盐TDS之间具有较强的对数关系，易溶盐TDS随着干燥度指数的增加而增加，这与前人基于空间分布特征发现的中国北方沙漠风成沙易溶盐的含量自西向东逐渐降低的趋势一致^［7，9］，即随着降水量逐渐增多、蒸发量逐渐减少，区域表层沉积物淋溶过程增强、强蒸发过程减小，从而导致表层沉积物易溶盐含量也相应降低^［12］。

图5

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图5 干燥度指数与沙漠表层沉积物易溶盐TDS关系

Fig.5 Relationship between aridity index and TDS in dissolved salts in desert surface sediments

从区域角度看，SX和BN剖面表层沉积物易溶盐的含量基本符合气候因素控制的特点，两者均位于干燥度指数和TDS较低的区域，且更干燥的SX剖面位于BN剖面上方（图5）；但两者相对偏离拟合曲线，表明其易溶盐含量还受其他因素的影响。浑善达克沙地干涸、半干涸湖泊分布面积广阔^［29］，沙地内部还发现了大量全新世古大湖干涸后残留的湖相沉积^［30］，卫星影像图显示SX和BN剖面附近分布着较多干涸、半干涸湖泊（图1B）。这些湖相沉积中的盐分是构成浑善达克沙地易溶盐的潜在物源，在地表过程的作用下，可引起盐分的再溶解和再迁移，从而影响区域易溶盐的分布。此外，Pariente^［31］对引起易溶盐变化的气候因素分析发现，易溶盐含量与降水量之间是非线性关系，区域表层土壤易溶盐的含量与200 mm降水量线密切相关，低于该阈值的地区具有表层土壤易溶盐含量显著升高的特征，而高于这个阈值的地区其表层土壤的易溶盐含量非常低。SX和BN剖面的年均降水量均高于200 mm^［19］，这可能是导致两者偏离图5对数拟合曲线的另一个重要原因。

4.2　古气候和水文地球化学过程对古沉积层易溶盐的影响

不同于表层沉积物形成时的干旱气候及其主导的蒸发过程，SX和BN剖面古土壤层形成时期的气候较现代湿润，导致原本在干旱气候下较难形成的土壤淋溶现象发生频率增高，引起易溶盐淋失，并形成CaCO₃淀积。这种与CaCO₃淀积有关的碳酸盐一般称为次生碳酸盐或土壤发生性碳酸盐，对固定大气CO₂具有重要作用^［32］。在SX和BN剖面中，CaCO₃淀积层主要出现在古土壤层底部（图3），类似的现象在浑善达克沙地中部地区的古土壤层中也有记录，并发现了可能与多次湿润事件有关的钙结层^［33］。对SX和BN剖面易溶盐的垂直变化分析发现，Ca²⁺表现出类似于CaCO₃的变化趋势，而与Ca²⁺水化学性质类似的Mg²⁺也表现出相似的趋势，但不如Ca²⁺明显，指示了古土壤层形成时期的淋溶淀积作用。此外，浑善达克沙地古土壤层分布广泛，一直延伸到浑善达克沙地中、东部^［34］，且东部较西部厚^［35］，表明前者较后者更加湿润^［19］，其在SX和BN剖面上表现为后者古土壤的沉积时间较前者更长、淋溶作用更强烈，从而导致后者淀积层中的CaCO₃和Ca²⁺的含量均较前者高（图3）。已有研究发现^［19］，粒度指标M_z在SX和BN剖面古土壤层与风成沙之间无明显差异，但TOC和频率磁化率在整个古土壤层中的数值通常高于其上、下层的表层风成沙和浅色风成沙，这与CaCO₃集中于古土壤层底部的情况不同（图3），表明在湿润环境下CaCO₃不能像TOC和频率磁化率等气候代用指标一样保存在原始地层中，而是受到当时降水增加的影响，因水文地球化学过程而在垂直方向上发生迁移。

除淋溶淀积作用外，引起SX和BN剖面易溶盐在垂直方向上发生变化的原因还包括离子交换和溶解/线性混合。土壤中的黏土矿物、有机质和氢氧化物等固相可作为吸附剂，与液相接触时发生离子交换，该过程属于可逆的等当量交换反应^［36］。在SX剖面上、中层，随着深度的增加，Ca²⁺含量减少而Na⁺+ K⁺（水化学分析中通常将Na⁺和K⁺合并处理）和Mg²⁺含量增加（图3A），扩展型Durov三线图（图6A）显示产生该现象的原因是离子交换。由图3A可知，这个过程中CaCO₃的减少并不明显，但沉积物易溶盐中的Ca²⁺显著减少，从占阳离子总量最高超75%减小到不足50%（图4A）。这是由于对特定的固相物质而言，Ca²⁺的吸附亲合力大于Mg²⁺、K⁺、Na^+［37］，通过阳离子交换，沉积物原来吸附的Na⁺+ K⁺和Mg²⁺被解吸释放，而Ca²⁺则被吸附在沉积物上，从而减缓了CaCO₃的溶解速度。因此在SX剖面中，Na⁺+ K⁺和Mg²⁺应具有相似的变化趋势，但由于K⁺在SX剖面10 cm以下近似为0，实际情况则是Na⁺和Mg²⁺具有相似的变化趋势（图3A）。此外，扩展型Durov三线图（图6B）显示，BN剖面从底层至表层属于简单溶解/线性混合过程，并伴随着Na⁺+ K⁺的明显增加（图4B）。这种Na⁺、K⁺向表层集聚的现象一般是盐碱化引起的，BN剖面的这种易溶盐分布特征可能和底层易溶盐的上升有关。引起盐碱化的主要原因包括干旱少雨、蒸发强烈、地形低洼、坡度平缓、湿地浸渍和灌排不协调等^［38］。BN剖面底部有明显的湖相沉积物，这些湖相沉积可能来自于全新世中期曾出现的古大湖^［30］。该剖面相对周边地形较低，目前周围仍残存多个大小不等的盐湖，地下水位较浅，这些条件为易溶盐随毛管上升水向表层移动和聚积提供了有利条件。

图6

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图6 扩展型Durov三线图指示的SX和BN剖面易溶盐水文地球化学演变过程

Fig.6 The hydrogeochemical evolution process of soluble salt from SX and BN section indicated by the Expanded Durov Diagram

4.3　生物和人类活动对沉积物易溶盐的影响

动植物能导致土壤结构发生变化，从而改变原有的水盐运移模式^［39］。例如，动物的挖掘和植物根系生长导致的孔隙有助于水分及其溶解的易溶盐以优先流或旁流的形式进入土壤深处，从而绕开了水分逐渐下渗的模式^［40-41］。植物根系在SX和BN剖面的分布深度最深可达剖面底部，这些孔隙平时可作为空气进入到土壤的通道，在强降水情况下则有助于表层易溶盐直接入渗至剖面深部。另外，生物作用通过改变土壤含水量和pCO₂影响碳酸钙的溶解度，从而影响到前文所述的次生碳酸盐淀积过程^［42］。一方面，植物根系可通过吸收和蒸散发强烈影响土壤含水量，该过程是季节性的，因此往往导致碳酸钙淀积也具有季节性；另一方面，植物和微生物的呼吸作用可以改变土壤CO₂含量，影响碳酸钙的溶解性，从而对碳酸钙淀积产生影响。此外，土壤微生物还可参与针状纤维方解石的沉淀过程，并对真菌菌丝、细菌和根毛的钙化产生重要影响^［43-44］。浑善达克沙地沉积剖面中可见白色菌丝体等多种形态的CaCO₃^［23］，表明微生物对该地区的CaCO₃沉淀具有重要作用。

氮作为植物的重要营养元素，因植物吸收而不易长期存在于土壤中，特别是硝酸根很容易淋失，因其与土壤中的阳离子结合不紧密。但在SX和BN剖面中均出现了NO $_{3}^{-}$ 和NH $_{4}^{+}$ 形态的氮，且两者在剖面中的分布规律也较相似，即主要集中于表层风成沙和古土壤层中，而在古土壤层之下则几乎不存在（图3）。两者的相关性很高，其在SX和BN剖面中的R²分别高达0.926和0.734，表明两者可能具有相同的来源。NO $_{3}^{-}$ 和NH $_{4}^{+}$ 被认为主要和人类活动有关^［45-46］，一般同时出现于被畜牧业污染的水体中。在浑善达克沙地地下水中NO $_{3}^{-}$ 和NH $_{4}^{+}$ 也普遍存在，其含量在某些区域甚至处于优势地位^［47］。此外，SX和BN剖面毗邻居民点，且其周边均有湖泊分布，水源充分，畜牧业相对活跃，上述人为因素可能是影响NO $_{3}^{-}$ 和NH $_{4}^{+}$ 空间分布的主要原因。

5 结论

本文通过对浑善达克沙地SX和BN剖面沉积地层易溶盐浸提液的水化学综合指标、水化学类型和主量组分研究，分析了引起沉积地层易溶盐变化的因素。得出以下结论：除个别样品外，SX和BN剖面各类沉积物易溶盐浸提液的TDS均小于100 mg·L^-1，呈中性—微碱性（pH<8），且前者表层风成沙、古土壤和浅色风成沙的TDS均值均较后者高，而除表层风成沙外，其pH均值均较后者低。SX和BN剖面表层风成沙易溶盐主要受现代气候和区域环境的控制，并影响着易溶盐的种类和含量。在易溶盐种类方面，相对湿润的浑善达克沙地表层风成沙易溶盐以HCO $_{3}^{-}$ 和Ca²⁺为优势阴、阳离子，不同于相对干旱的塔克拉玛干沙漠、巴丹吉林沙漠、腾格里沙漠和库姆塔格沙漠等西部沙漠以Na⁺和Cl^-为优势离子；易溶盐含量方面，浑善达克沙地表层风成沙易溶盐与中国西部沙漠类似，均与干燥度指数呈对数关系，但同时又受到物源等区域环境的影响。古土壤及其下层沉积物易溶盐受古气候的影响显著，出现了与当时湿润气候相对应的淋溶和CaCO₃淀积。水化学过程影响着易溶盐的垂直分布，在SX剖面中表现为离子交换，在BN剖面中则表现为简单溶解/线性混合。生物和人类活动通过多种途径影响着沉积物易溶盐的分布，导致易溶盐在沉积地层中的分布更加复杂。

参考文献

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文中引用次数倒序

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