华南土壤铁锰结核性状及其发生学指示意义

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随着人口的增长和经济的快速发展,土壤发生过程深受人为活动的影响,开展人为作用对土壤发生演变影响的研究尤为重要。铁锰结核作为风化成土过程的产物,是重要的土壤新生体。土壤铁锰结核因其结构的相对稳定性,能够将其形成过程相对完整地记录下来,进而再现相应的成土环境。因此,铁锰结核可以作为破译土壤发生信息的“密码”,对揭示成土过程具有重要的意义。本研究以华南地区第四纪红土、河流冲积物和玄武岩三种成土母质发育的、不同利用方式(水田、旱地、林地)下土壤铁锰结核为研究对象,运用体视显微镜、配有能谱分析的扫描电镜(SEM/EDS)、X-射线衍射(XRD)、化学分析等手段,从形貌学、元素地球化学、矿物学以及吸附解吸性能等方面,研究华南地区土壤铁锰结核的特性,以揭示铁锰结核特性对土壤发生的指示意义。主要研究结果如下:1)通过芒塞尔比色、体视显微镜观察和SEM/EDS分析,发现不同成土母质发育土壤中铁锰结核的形貌特征有明显差异。第四纪红土中存在从橙色到黑色的球状铁锰结核,结核切面呈环带状构造;河流冲积物土壤中为浊黄橙色到灰黄棕色的管状铁锰结核,结核切面呈匀态分布构造,管内壁胶结有土壤颗粒;玄武岩土壤中为灰棕色到浊红棕色的球状、次棱角状、不规则状等多种形状并存的铁锰结核,结核切面形态呈匀态分布,某些点位嵌有石英颗粒。土壤铁锰结核的形貌特征因利用方式的不同,也有所差异,尤其是表面颜色和内部构造;第四纪红土旱地土壤铁锰结核的表面颜色以黑棕色和暗红棕色为主,而水田土壤结核颜色包括暗棕色、棕色、浊橙色、橙色等;这主要是土壤干湿交替的周期和强度不同所致,因此土壤铁锰结核的形貌特征可以指示土壤发生过程的变化。2)不同成土母质发育土壤铁锰结核化学组成存在差异,第四纪红土中铁锰结核以SiO2、Al2O3、Fe2O3、MnO为主,而河流冲积物和玄武岩以SiO2、Al2O3、Fe2O3为主。不同粒径的铁锰结核化学组成也存在差异,随着粒径的增大,第四纪红土铁锰结核Fe2O3、Al2O3、P2O5、Cr、V、As、Zr含量呈减小趋势,SiO2、MnO、TiO2、CaO、Pb、Cd、Ni、Co、Mo、Li、Ba、Sr、Rb、∑REE呈增加趋势;河流冲积物和玄武岩土壤铁锰结核没有明显的变化规律。通过Pearson相关性分析和非度量多维尺度分析(NMDS),SiO2、Al2O3、TiO2、K2O、MgO、Zr、Li、Sr、Rb相互之间关系密切,代表了硅酸盐矿物的元素组合;Fe2O3对P2O5、V、As在铁锰结核中的富集贡献极大;MnO与Pb、Cd、Ni、Co、Mo、Ba、稀土元素在铁锰结核中的富集关系更加密切;Cu、Zn受Fe2O3和MnO共同影响。供试土壤和铁锰结核稀土元素均以轻稀土(LREE)为主,且配分曲线均为“右倾-轻稀土富集型”模式。三种成土母质土壤铁锰结核中的铁、锰氧化物基本上以游离态铁、锰为主。无论是铁锰结核还是基质土壤,三种成土母质中锰的活化度均明显高于铁活化度。3)铁锰结核化学蚀变指数(CIA)、化学风化指数(CIW)、δEu在结核与基质土壤中没有差异,在不同母质间表现为玄武岩>第四纪红土>河流冲积物,这些评价指标表明铁锰结核可以指示不同成土母质土壤发生过程的差异性;而δCe可以反映成土环境的差异。4)XRD分析结果显示,铁锰结核与基质土壤层状硅酸盐矿物组成基本相似,第四纪红土结核和基质土壤的主要矿物均为高岭石、伊利石、蒙脱石和1.42 nm过渡矿物;河流冲积物土壤和结核均含有高岭石、伊利石和蒙脱石;玄武岩土壤和铁锰结核及半风化体均含有高岭石和三水铝石,表明层状硅酸盐矿物可以指示结核与基质土壤物源的相似性。铁锰结核与基质土壤相比,矿物相对含量差异较大,第四纪红土结核中蒙脱石、伊利石相对含量高于基质土壤,河流冲积物土壤结核伊利石相对含量高于基质土壤,玄武岩土壤中结核与半风化体矿物成分相对含量相似,而与基质土壤差异较大。铁锰结核与基质土壤中均含有赤铁矿和针铁矿,铁锰结核中以针铁矿为主,而基质土壤中主要为赤铁矿,表明结核的形成环境多湿润且氧化势较高。5)供试结核与基质土壤对Pb(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)、As(Ⅴ)的吸附曲线符合Langmuir方程。与基质土壤相比,结核的吸附能力更强一些,且不同成土母质土壤铁锰结核的吸附解吸能力不同。不同成土母质土壤铁锰结核的吸附解吸能力不同,表明其表面吸附与氧化还原等化学活性的差异,因此,可以通过结核的吸附解吸反映不同成土母质土壤发生过程所存在的差异。
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