广州地化所在火山灰土酸化的微观机制研究上取得新进展

  • 广州地化所 (中国科学院广州地球化学研究所)
  • 创建于 2020-07-29
  • 339

  水铝英石质火山灰土(allophanic Andosols)是一类具有高保水率、强磷保持性、富有机质、低密度、低铝毒性等优异特性的火山灰土,是可耕作性最好、肥力最高的土壤类型之一。同时,该类土壤与火山活动及其地质作用关系密切,对地球表层系统的诸多物质循环过程具有重要影响。在某些自然过程(如降雨)或人类活动扰动下,水铝英石质火山灰土会发生酸化(pH值可低至约2.5),从而使其物理化学特性、铝毒性等发生显著改变,进而影响其可耕作性和作物生产能力。酸化火山灰土对有机质的保存和对相关元素(如磷)的吸持能力和机制也随之发生改变,从而影响表生环境的元素迁移归趋及其衍生的地球化学和环境效应。因此,无论对于土壤学领域还是表生地球化学领域,深入理解水铝英石质火山灰土酸化的微观机制均具有重要意义。

  水铝英石质火山灰土的重要组分特征是含有大量(最高约60%)的水铝英石。水铝英石是具有纳米空心球结构的铝硅酸盐矿物,其结构可视作似三水铝石片内侧铝羟基被原硅酸基团取代发生卷曲形成的外部为铝羟基、内部为硅羟基的空心球(多余的硅以低聚体形式连接到该结构之上)(如图1所示)。由于水铝英石粒径极细微(仅3.5~5.0 nm),且结构有序度低,稳定性差,其提纯和微观结构-性质分析难度较大。因此,对水铝英石的微结构和对其在酸性介质条件下结构变化的认识还很少,这制约了对水铝英石质火山灰土酸化机制的深入理解。

  为此,中国科学院大学(以下简称“国科大”)博士研究生王顺(培养单位:中科院广州地球化学研究所)等在国科大博士生导师、中科院广州地球化学研究所袁鹏研究员的指导下,探索采用高分辨透射电镜和固体魔角旋转核磁共振谱等方法,系统地研究了高纯合成水铝英石在酸性介质条件下的微结构变化及机理。主要结果如下(图1),较弱酸性条件下,附着在水铝英石骨架结构上的聚合硅发生溶解,骨架结构中硅和铝原子的局域结构和配位环境不发生明显改变;纳米空心球形貌基本不变,比表面积和微孔体积略有增加。较强酸性条件下,聚合硅和骨架结构均发生溶解,硅和铝溶出量显著增加;归属于骨架结构的硅原子(具有Q3(6Al)结构,即硅原子通过三个桥氧键与六个相邻铝原子相连)和六配位铝的相对含量逐渐减少,一部分溶出的硅聚合形成结构无序的无定形硅。与此同时,缺陷孔逐渐增大,部分空心球结构甚至发生坍塌;所形成的结构碎片与新生成的无定形硅胶结团聚,使得多孔性显著弱化。上述结构变化对水铝英石的吸附性等性质将产生显著影响。

图1 酸性介质中水铝英石的结构变化及机理示意图

  上述工作从矿物微观界面作用和微结构变化的角度提供了有助于认识火山灰土酸化机制的新依据。研究结果对于理解富水铝英石土壤的pH缓冲能力和铝毒性来源,以及对合理制定相应的土壤管理措施具有参考价值。

  研究工作得到了国家自然科学基金、广东省科技计划、国家高层次人才特殊支持计划等课题的资助。论文近期发表于土壤学主流期刊Geoderma。

  论文信息:Wang Shun, Du Peixin, Yuan Peng*, Liu Yaqi, Song Hongzhe, Zhong Xuemin, Liu Dong. Structural alterations of synthetic allophane under acidic conditions: implications for understanding the acidification of allophanic Andosols. Geoderma, 2020, 376, 114561.

        原文链接:https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2020.114561 

 

责任编辑:余玉婷