云南高原土壤磁性特征、起源及其与土壤过程的定量关系

土壤磁性是地球科学和环境科学领域具有多用途意义的属性，它对深入理解土壤发生和环境过程与机制具有重要意义。项目以具有丰富土壤多样性和独特磁性现象的云南高原土壤为对象，利用野外实地和室内土壤磁测，阐明土壤磁性分布规律及其对成土环境的响应机制，以丰富世界土壤磁性数据库，发展预测土壤磁性分布的概念性模型；应用高分辨透射电镜-能谱等矿物学和岩石磁学方法探明土壤磁性矿物特征和成土起源磁性矿物的形成途径，建立解释热带亚热带土壤磁性增强的新理论和新方法，以完善和发展土壤磁性发生理论；探明磁性矿物形成与土壤发生过程和微量元素地球化学过程的耦合协同演化规律，揭示云南高原土壤磁性蕴含的区域环境演变信息和磁性指示成土风化强度与环境过程的内在机制，以建立磁性与土壤环境过程联系的新内容。研究结果将丰富和发展土壤磁学理论，拓展土壤磁学应用领域，为热带亚热带区域环境变化、土壤发生分类和土壤过程定量提供科学理论和新手段。

项目以云南高原典型土壤为对象，运用土壤学、矿物学、岩石磁学、地球化学等手段，研究土壤磁性发生分布规律、磁性矿物起源及其与土壤形成和元素地球化学过程的联系，建立磁性反映成土过程与古环境演变的理论基础。通过云南高原典型土壤磁测，明确了土壤磁性的空间分布规律与影响因素，发现了云南高原强磁性土壤分布的独特现象。应用岩石磁学、差示XRD和化学选择性溶解等技术，证明了成土起源的磁铁矿、磁赤铁矿和赤铁矿是磁性的主要载体；磁滞参数(Mrs/Ms和Hcr/Hc)判断土壤磁性矿物为超顺磁性(SP)-稳定单畴(SSD)颗粒，土壤磁化率与土壤中SP-SSD矿物存在显著正相关；高分辨电镜-能谱(HRTEM/EDS)证明了土壤中SP-SSD颗粒的大小、形态和结晶状况；提出了土壤磁性矿物形成途径的石英表面生长模式。云南高原强磁性土壤中存在Fe-Ti氧化物矿物，系成土风化过程中母岩中的钛磁铁矿和磁铁矿转变为钛磁赤铁矿和磁赤铁矿。高原地区红土风化发育指标，包括硅铝率(Sa)、硅铁铝率(Saf)、风化淋溶系数(ba)、化学风化指数(CWI)和黏土矿物学等发生学特征分析表明，红土经历了强烈的成土风化作用，黏土矿物以高岭石、三水铝矿和氧化铁为主；利用古土壤-气候环境的转化函数估计，红土形成时期的温度和降雨量明显高于现代；发现云南高原红土的分布与云南高原抬升过程密切相关，综合磁性与成土风化指标推测红土形成时期为中更新世，形成后抬升了1600-2000米。对第四纪网纹红土成土风化指数与磁性指标的关系分析，发现反映磁性矿物含量相关的磁性参数(磁化率和SIRM)不能指示成土作用的强弱，而硬剩磁(HIRM)和SIRM/x能指示成土风化作用强度，可指示古气候环境演变。磁性矿物对土壤中的微量元素有明显的富集作用，对Cd、Co、Ga、Mn、Pb、Sn和Ti的富集尤其明显。云南高原土壤磁性研究丰富了世界土壤磁性数据库，验证和发展了现有土壤磁性矿物形成机制和途径；揭示了土壤磁性与成土地球化学过程的关系，建立了利用土壤磁性理解和认识土壤过程和性质的新途径；提出了利用土壤磁性揭示古环境演变和高原新构造抬升的新方法与磁性代用指标，为云南高原古环境重建和理解新构造运动抬升幅度和时期提供了科学依据。