土壤中水铁矿的非生物形成及向晶质氧化铁的转化

Ferrihydrite is a weekly crystallized nano ferric hydrous oxide, omnipresent in the surface environments such as soils and sediments. It possesses nano particle size, low crystallinity and high reactivity, and regarded as the precursor of crystalline iron (hydr)oxides. During its evolution process, it greatly influences the formation of soil aggregation, and speciation, transfer and fate of many pollutants and nutrient elements in the environment. However, relative to the crystallized iron (hydr)oxides it is difficult to separate and identify, which regulates behaviors and processes of soils like an invisible hand and make its effects unclear. Ferrihydrite formation conditions, characteristics of mineralogy and conversion relationship to the crystalline iron (hydr)oxides are not fully understood. In this project, we plan to investigate the distribution, abiotic formation and transformation of ferrihydrite in soils and its effects on soil chemical processes with combination of characterization of soils with different climatic zones and tillage styles, and laboratorial stimulation studies. Modern analytic techniques, such as M?ssbauer spectroscopy, differential SR-XRD ray diffraction and Rietveld refinement, infrared spectroscopy, X ray adsorption spectroscopy, electronic microscopy, will be applied to reveal ferrihydrite's kinetic process of formation and transformation of ferrihydrite, composition and speciation of the enriched elements, structure and evolution of morphology, and interrelationship with soil environments. The results of this project will provide the important scientific basis to understand the environmental geochemical behaviors of iron (hydr)oxides and relative elements.

水铁矿为弱晶质纳米水合氧化铁，在土壤、沉积物和水等环境中几乎无处不在。它是晶质氧化铁形成的前驱物，尺寸小、结晶弱、活性高，影响和决定着土壤结构体的形成，污染物和营养元素的形态、转化和归趋。然而与晶质氧化铁相比，土壤水铁矿难以分离和鉴定表征，它像一只无形的手调控着土壤的行为与过程而未被充分认识，对其形成条件、矿物学特性及与晶质氧化铁的转化关系等缺乏深入了解。课题拟通过不同地带性和不同耕作方式土壤考察与实验室模拟相结合，研究土壤水铁矿的分布与矿物组合、非生物形成与转化及在土壤化学过程中的作用；采用现代分析技术（穆斯堡尔谱、示差同步辐射X-射线衍射与结构精修、X-射线吸收光谱、红外光谱、电子显微技术等）和化学形态分析，阐明水铁矿化学形成与转化的动力学过程、组成和元素赋存特点、结构和形貌演化等矿物学机制，及与土壤环境条件的关系，课题实施为深入理解铁氧化物及相关元素环境地球化学行为提供依据。

水铁矿为弱晶质纳米水合氧化铁，在土壤、沉积物和水等环境中几乎无处不在。它是晶质氧化铁形成的前驱物，尺寸小、结晶弱、活性高，影响和决定着土壤结构体的形成，污染物和营养元素的形态、转化和归趋。然而与晶质氧化铁相比，土壤水铁矿难以分离和鉴定表征，它像一只无形的手调控着土壤的行为与过程而未被充分认识，对其形成条件、矿物学特性及与晶质氧化铁的转化关系等缺乏深入了解。课题通过不同地带性和不同耕作方式土壤考察与实验室模拟相结合，研究了土壤水铁矿的分布与矿物组合、非生物形成与转化及在土壤化学过程中的作用；采用现代分析技术和化学形态分析，阐明水铁矿化学形成与转化的动力学过程、组成和元素赋存特点、结构和形貌演化等矿物学机制，及与土壤环境条件的关系。结果表明不同尺寸水铁矿的XRD、PDF和XAFS图谱均可由Michel模型拟合，表明其具有相似的局域、中程和长程结构，但随着尺寸增加，Fe-Fe平均配位数和晶胞参数c增加，而Fe2和Fe3空位和晶胞参数a减小，此外颗粒细小水铁矿具有强的表面效应，其磁化率和矫顽力随尺寸增加而降低；随Fe3+水解速率的减小，产物由2线水铁矿（2LFh）向6线水铁矿、纤铁矿和针铁矿演化，随Si浓度增加，Fe2+氧化产物由针铁矿和纤铁矿，向6线水铁矿和少量弱结晶纤铁矿和针铁矿，继而向2线水铁矿转变，Si在中间相矿物表面的吸附与聚合，这是阻碍产物结晶和生长的主要原因；水铁矿对Mn(II)的氧气氧化起较强的催化作用，并随Mn(II)浓度增大而增强，作为半导体矿物，水铁矿主要通过电化学机制催化Mn(II)和O2在表面进行电子传递，并大大促进As(III)在水铁矿表面的氧化。同时，AQDS在水铁矿体系催化Mn(II)氧化形成水钠锰矿过程中作为“电子载体”促进了Mn(II)的表面催化氧化过程。课题从结构、演化及其界面反应特性上阐明了水铁矿的土壤化学行为，为深入理解铁氧化物及相关元素环境地球化学行为提供理论依据。