亚热带土壤铁锰胶膜的形成机理

亚热带土壤铁锰胶膜是土壤中物质循环的产物和交汇场所、也是土壤演化中元素形态转化和迁移的重要界面，铁锰氧化物是铁锰胶膜的重要组分。研究土壤铁锰氧化物的淀积特点与铁锰胶膜的形成机理，对揭示亚热带土壤铁锰胶膜的形成规律、土壤演化过程及其环境效应有重要的理论和实践意义。本项目以无铁锰胶膜发育的亚热带典型土壤（黄棕壤）为对象，以石英砂为对照，采用土柱淋溶和室内模拟相结合的方法形成土壤铁锰胶膜，分析干湿交替等环境因素对胶膜形成的影响；并设计铁锰氧化物的浓度、pH和加入顺序试验，明确铁锰氧化物和土壤基质相互作用与铁锰胶膜形成的关系；用现代分析方法从微观尺度研究铁锰胶膜的物质组分、结构和微形貌等，探讨胶膜形成过程中铁锰氧化物在土壤表面的结合状态和作用方式，揭示铁锰氧化物的微观作用特点和铁锰胶膜的形成发育规律，为亚热带土壤形成演化和土壤环境质量的研究提供科学依据。

土壤铁锰胶膜是亚热带土壤长期演化的产物，研究其形成能反映重要的成土环境信息。本研究以石英砂以及无或少量铁锰胶膜发育的黄棕壤和棕红壤为供试材料，通过土壤和石英砂柱淋溶试验和室内合成试验，接近土壤自然条件，模拟形成石英砂和土壤颗粒表面铁锰胶膜。用X射线衍射（XRD）、扫描电镜(SEM)、电子探针(EDS)、X射线光电子能谱(XPS)等测试手段，探讨pH、铁锰摩尔浓度与摩尔比、淋溶方式与次数、土柱层次、干湿交替、温度、石英砂添加量、老化时间、阴离子种类等因素对铁锰胶膜中铁锰氧化物形成的影响，以揭示土壤铁锰胶膜的形成机理。. 研究表明，1）随着淋溶次数的增加，频繁的干湿交替使石英砂柱和土柱中全量、游离、非晶质等形态的铁锰逐渐淀积，总体上为土柱下层（20-30cm）的淀积量最高；2）铁锰同时淋溶、铁锰浓度高（0.08mol/L）、铁锰摩尔浓度比大(4:1)的处理较铁锰交替淋溶、铁锰浓度低（0.02mol/L）、铁锰浓度比小(2:1)的铁锰淀积量大；在各形态铁锰中，游离态的淀积量最多，铁的淀积量总体上比锰的大；3）颗粒表面已形成的氧化物对以后铁锰氧化物形成淀积的促进作用明显，且游离态铁锰氧化物及非晶形铁锰氧化物之间的相对比例越来越大；4）随着淋溶液中铁锰含量增多，石英砂表面铁锰胶膜呈小球状或簇状堆积；淋溶处理中铁浓度相同锰含量增加时，表面胶膜由小球状向块状或板状堆积；5）初始pH由5增至7时，铁摩尔比R（Fe2+/ Fe3+）由0.02增至0.1，合成石英砂颗粒表面针铁矿胶膜的晶体形貌逐渐变大；6）初始pH为7，R为0.1，石英砂添加量为10g，老化时间为25d时，随着温度由30℃到90℃增加，石英砂表面胶膜中针铁矿的XRD峰强度明显增强；7）老化温度为60℃、时间为18d左右时，石英砂表面铁胶膜包被较好，针铁矿的晶形最大且较均一，其电荷零点（PZC）为5.45；8）随着合成体系锰摩尔比例R(Mn2+/Mn7+)由1:1增至1:4，胶膜中的锰矿物从锰钾矿向水钠锰矿转化；在R为1:3、温度由30℃增至110℃时，水钠锰矿晶体随着温度的升高而变大；9) 锰矿物合成体系SO42-的存在利于锰钾矿的形成，而Cl-和NO3-利于水钠锰矿的形成；10）合成体系初始为碱性 (pH8.5)、高的Fe/Mn摩尔比(2:1)和铁摩尔比（Fe2+/ Fe3+）(1:1)有利于形成铁锰复合氧化物。