印度阿萨姆邦Dima Hasao地区Kopili页岩上覆土壤地球化学特征及其对成土作用、养分动态和有毒元素富集的启示

本研究针对印度阿萨姆邦Kopili页岩上覆土壤的成土过程、养分迁移及有毒元素污染问题，通过系统采样和XRF/ICP-MS分析，揭示了土壤化学风化强度（CIA=87.40±0.37）、铁钛氧化物富集（Fe2O3达11.19%）及砷钒超标（As 17.5–145.7 ppm，V 191–391 ppm）等关键特征，为热带地区土壤管理及生态风险防控提供科学依据。

　　

在印度东北部阿萨姆邦的Dima Hasao地区，覆盖在Kopili页岩上的土壤正面临着一系列严峻挑战：酸性淋溶导致养分流失、铁钛氧化物异常富集，以及砷和钒等有毒元素超标。这片土地不仅是当地农民赖以生存的农业基地，更是频繁发生滑坡的高风险区。更令人担忧的是，传统的轮耕方式（Jhum cultivation）因土壤贫瘠而不断扩张，加剧了森林砍伐和地质灾害。这些问题的根源，与页岩母质在热带气候下的特殊风化过程密切相关。

为了揭示这一复杂机制，来自印度地质调查局等机构的研究团队在Garampani地区展开了系统性研究。他们通过102立方米的大规模土壤剖面采样，结合先进的地球化学分析手段，首次阐明了Kopili页岩上覆土壤的形成机制与环境效应。这项发表在《Soil Advances》的研究，不仅为理解热带地区页岩风化提供了典型案例，更对农业可持续发展和重金属污染防治具有重要指导意义。

研究团队采用了多尺度技术方法：通过X射线荧光光谱（XRF）分析26种主量元素氧化物和微量元素，利用电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）检测23种稀土和痕量元素；运用SEDMIN软件计算标准矿物组成；结合Pearson相关系数、主成分分析（PCA）和层次聚类分析（HCA）解析元素迁移规律。所有样本均取自避开人为干扰的B层土壤（regolith），确保数据反映自然成土过程。

土壤剖面特征
开挖的102立方米探槽和探坑显示，土壤发育典型A-B层结构：A层（10-50厘米）富含腐殖质，B层呈红褐色含铁质结核。值得注意的是，土壤剖面较薄（约80厘米），C层基本缺失。这种特征与页岩的低渗透性和构造裂隙共同作用，导致铁氧化物在B层富集，形成独特的"铁染色"现象。

元素分布规律
地球化学数据显示：主量元素中SiO₂（52.33%）、Al₂O₃（19.93%）和Fe₂O₃（11.19%）占主导，而CaO（0.33%）、Na₂O（0.08%）严重亏损。微量元素呈现两极分化——V（294 ppm）、As（37.2 ppm）分别超出地壳均值3倍和7.75倍，但Ba、Sr、Cu等营养元素显著流失。稀土元素配分曲线显示中稀土（MREE）富集特征，暗示磷酸盐矿物的控制作用。

风化强度指标
化学蚀变指数（CIA=87.4）和化学风化指数（CIW=97.96）表明极端强烈的化学风化，而成分变异指数（ICV=0.86）证实土壤已演化至粘土矿物主导阶段。标准矿物计算显示高岭石占40.31%，石英22.23%，与A-CN-K三角图中样品集中高岭石区的结论一致。

元素迁移机制
PCA分析提取的8个主因子（累计解释率87.5%）揭示：因子1（25.6%方差）关联CaO-P₂O₅-REE组合，反映磷酸盐矿物的控制；因子3（16.6%）显示TiO₂-Th-Ta-La正相关，指示重矿物风化；因子4（8.9%）的Fe₂O₃-MnO-V-Ni组合证实铁锰氧化物对有毒元素的吸附。HCA聚类进一步将37种元素分为4类，其中Cluster C3（Fe-Ni-As-V）与C4（Cu-Mo-U-Zr）的分离，清晰展现了元素在氧化-还原条件下的分异行为。

生态与健康风险
研究指出三大核心问题：

1. 养分失衡：碱（土）金属的极端流失（αAlE_Na=0.07）导致土壤贫瘠，迫使农民采用破坏性的轮耕方式；
2. 毒性富集：As通过铁氧化物吸附（FeH₂AsO₄）在酸性条件下稳定存在，但在还原环境中可能转化为可溶态H₃AsO₃；
3. 地质联动：下伏Sylhet灰岩中的碳酸盐可能加速As解吸，加剧地下水污染风险。

这项研究开创性地建立了页岩风化-土壤演化-生态风险的完整链条，其价值体现在三方面：首先，提出的CIA-CIW-ICV多参数体系为热带土壤风化评估提供了新工具；其次，揭示的As-Fe₂O₃耦合机制解释了东北印度砷污染的地球化学成因；最后，研究警示在类似地质背景区，需避免灰岩-页岩接触带的地下水开采，并为土壤修复提供了铁氧化物调控的理论依据。正如作者Tiwari等强调的，这项成果"将地质过程与表生环境问题直接关联，为联合国可持续发展目标（SDGs）中'零饥饿'和'清洁饮水'的实现提供了科学支撑"。