土壤中铁锰结核的微尺度三维(3D)结构和元素分异及其蕴含的环境指纹

Soil Fe-Mn nodules, a soil new growth with specific internal structure, extensively occur in tropical and subtropical soils. They are the products of long-term soil-forming processes and environmental evolution. Their internal structure, elemental composition and Fe-Mn oxide phases have great significance for understanding pedogenic processes, elemental geochemistry and environmental change. In this project, synchrotron-radiation-based X-ray computed microtomography (SR-μCT), combing with mercury intrusion porosimetry and nitrogen adsorption techniques, is used to quantitatively characterize the three-dimensional (3D) structure and pore space system of Fe-Mn nodules. Three noninvasive synchrotron-based techniques: X-ray microfluorescence (μ-XRF), X-ray microdiffraction (μ-XRD), and X-ray absorption near edge structure spectroscopy (μ-XANES) are used to inspect the micrometer scale spatial distribution of Fe, Mn, and microelement and heavy metals, and to gain insights into metals phase association and speciation in Fe-Mn nodules. Synchrotron-based soft X-ray and Fourier-transform infrared (SR-FTIR) microspectroscopy are used to determine the type, geochemical characteristics and spatial distribution of trapped carbon in the nodule. This study will reveal the three-dimensional internal structure, nano-micrometer scale pore space features of Fe-Mn nodules and their environmental signatures. The synchrotron techniques reveal the molecular mechanism of geochemical association of various metals with Fe-Mn oxides phases, and evaluate the contribution of physically trapped carbon in Fe-Mn nodule as a carbon sink in soil system. The study will establish a methodology for characterizing in situ internal microstructure of soil Fe-Mn nodule at the micrometer scale, which will help the development of micrometer scale soil studies. These results will provide ample information and opportunity for understanding pedogenic processes, elemental geochemistry, and environmental changes recorded in internal structure and the mode of formation of Fe-Mn nodules. These results also provide a scientific basis for understand the geochemical processes of heavy metals and the mechanism of carbon protection within Fe-Mn nodules.

铁锰结核广泛存在于热带亚热带土壤中，是具有独特结构的重要土壤新生体，对理解土壤形成过程、元素地球化学循环和环境演变等有重要理论意义和实用价值。项目围绕铁锰结核的内部结构、元素分异以及蕴含的环境指纹信息提取等问题，利用同步辐射显微CT和孔隙定量技术，全面揭示土壤中铁锰结核内部的3D结构和纳米-微米尺度全谱孔隙特征；利用同步辐射X-射线荧光、X-射线衍射、X-射线近边吸收谱学等前沿技术，探明结核中重金属的微尺度空间分布规律及其耦合关系，揭示重金属元素和氧化铁锰矿物耦合的分子机制；利用同步辐射软X-射线和红外显微成像技术探明结核的固碳作用及其物理保护固碳机制。研究将建立系统揭示结核内部“黑箱”的微尺度原位定量方法体系，为微尺度土壤研究提供新方法；阐明利用结核内部蕴含的环境指纹认识成土过程、重金属元素固定以及指示环境演变等问题的科学原理，为深入理解重金属的地球化学过程和土壤固碳新途径提供科学依据。

土壤铁锰结核作为成土过程的产物，其内部结构和元素组成及其空间分布等记录了成土过程、元素地球化学循环和古环境演变等信息，是研究成土环境与古气候演变的重要载体。项目采用基于同步辐射的前沿技术，探究土壤中铁锰结核内部三维结构和铁锰元素分布特征及其蕴含的环境信息，以建立土壤铁锰结核作为环境变化信息载体的科学依据。利用同步辐射显微CT分析了铁锰结核的微尺度3D孔隙结构(孔隙度、孔隙大小分布、空间分布与孔隙网络等)，表明铁锰结核的环带数量反映其生长过程，直径反映铁锰结核生长的累积量，两者的比值反映结核的生长速率。结核内部的3D结构纪载了结核的形成过程和环境指纹信息，可以通过铁锰结核的生长过程重建成土环境。利用电镜-能谱和同步辐射微束X射线荧光解析了铁锰结核中的元素空间分异规律，结合土壤铁锰结核3D结构，提出土壤铁锰结核形成主要是铁锰氧化物的富集以及对土壤网络孔隙系统的填充。发现结核中铁锰元素的空间分布能够直接反映铁锰结核生长过程中土壤氧化还原历史，而它们的分布模式是结核生长过程记载的环境指纹，探明了铁锰结核环带结构记录环境信息重建铁锰结核三维生长过程和氧化还原历史的原理。以亚热带第四纪红土为例，根据铁锰结核内部3D构造和元素分布，利用结核内部铁锰环带空间变化的时序分析，完整地重建了第四纪红土中铁锰结核的三维生长过程和蕴含的环境变化信息，表明土壤中铁锰结核形成过程记录了四个明显的环境变化周期以及气候干湿变化速率，重建了铁锰结核指示的第四纪古环境。项目建立了土壤中铁锰结核三维(3D)结构和元素空间分异研究的方法体系，为原位非破坏性地解剖土壤“黑箱”提供了新方法。阐明了根据铁锰结核蕴含的环境指纹理解成土环境演变与重金属地球化学循环的科学依据。通过提取土壤铁锰结核蕴含的环境指纹，可以重建成土环境或古气候演变，为重建亚热带地区古环境演变提供重要信息载体。