新聞動態(tài)廣州地化所在火山灰土酸化的微觀機(jī)制研究上取得新進(jìn)展
水鋁英石質(zhì)火山灰土（allophanic Andosols）是一類具有高保水率、強(qiáng)磷保持性、富有機(jī)質(zhì)、低密度、低鋁毒性等優(yōu)異特性的火山灰土，是可耕作性最好、肥力最高的土壤類型之一。同時(shí)，該類土壤與火山活動及其地質(zhì)作用關(guān)系密切，對地球表層系統(tǒng)的諸多物質(zhì)循環(huán)過程具有重要影響。在某些自然過程（如降雨）或人類活動擾動下，水鋁英石質(zhì)火山灰土?xí)l(fā)生酸化（pH值可低至約2.5），從而使其物理化學(xué)特性、鋁毒性等發(fā)生顯著改變，進(jìn)而影響其可耕作性和作物生產(chǎn)能力。酸化火山灰土對有機(jī)質(zhì)的保存和對相關(guān)元素（如磷）的吸持能力和機(jī)制也隨之發(fā)生改變，從而影響表生環(huán)境的元素遷移歸趨及其衍生的地球化學(xué)和環(huán)境效應(yīng)。因此，無論對于土壤學(xué)領(lǐng)域還是表生地球化學(xué)領(lǐng)域，深入理解水鋁英石質(zhì)火山灰土酸化的微觀機(jī)制均具有重要意義。
水鋁英石質(zhì)火山灰土的重要組分特征是含有大量（最高約60%）的水鋁英石。水鋁英石是具有納米空心球結(jié)構(gòu)的鋁硅酸鹽礦物，其結(jié)構(gòu)可視作似三水鋁石片內(nèi)側(cè)鋁羥基被原硅酸基團(tuán)取代發(fā)生卷曲形成的外部為鋁羥基、內(nèi)部為硅羥基的空心球（多余的硅以低聚體形式連接到該結(jié)構(gòu)之上）（如圖1所示）。由于水鋁英石粒徑極細(xì)微（僅3.5~5.0 nm），且結(jié)構(gòu)有序度低，穩(wěn)定性差，其提純和微觀結(jié)構(gòu)-性質(zhì)分析難度較大。因此，對水鋁英石的微結(jié)構(gòu)和對其在酸性介質(zhì)條件下結(jié)構(gòu)變化的認(rèn)識還很少，這制約了對水鋁英石質(zhì)火山灰土酸化機(jī)制的深入理解。
為此，中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所袁鵬研究組的博士生王順、博士后杜培鑫等探索采用高分辨透射電鏡和固體魔角旋轉(zhuǎn)核磁共振譜等方法，系統(tǒng)地研究了高純合成水鋁英石在酸性介質(zhì)條件下的微結(jié)構(gòu)變化及機(jī)理。主要結(jié)果如下（圖1），較弱酸性條件下，附著在水鋁英石骨架結(jié)構(gòu)上的聚合硅發(fā)生溶解，骨架結(jié)構(gòu)中硅和鋁原子的局域結(jié)構(gòu)和配位環(huán)境不發(fā)生明顯改變；納米空心球形貌基本不變，比表面積和微孔體積略有增加。較強(qiáng)酸性條件下，聚合硅和骨架結(jié)構(gòu)均發(fā)生溶解，硅和鋁溶出量顯著增加；歸屬于骨架結(jié)構(gòu)的硅原子（具有Q3（6Al）結(jié)構(gòu)，即硅原子通過三個(gè)橋氧鍵與六個(gè)相鄰鋁原子相連）和六配位鋁的相對含量逐漸減少，一部分溶出的硅聚合形成結(jié)構(gòu)無序的無定形硅。與此同時(shí)，缺陷孔逐漸增大，部分空心球結(jié)構(gòu)甚至發(fā)生坍塌；所形成的結(jié)構(gòu)碎片與新生成的無定形硅膠結(jié)團(tuán)聚，使得多孔性顯著弱化。上述結(jié)構(gòu)變化對水鋁英石的吸附性等性質(zhì)將產(chǎn)生顯著影響。
圖1 酸性介質(zhì)中水鋁英石的結(jié)構(gòu)變化及機(jī)理示意圖
上述工作從礦物微觀界面作用和微結(jié)構(gòu)變化的角度提供了有助于認(rèn)識火山灰土酸化機(jī)制的新依據(jù)。研究結(jié)果對于理解富水鋁英石土壤的pH緩沖能力和鋁毒性來源，以及對合理制定相應(yīng)的土壤管理措施具有參考價(jià)值。
研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、廣東省科技計(jì)劃、國家高層次人才特殊支持計(jì)劃等課題的資助。論文近期發(fā)表于土壤學(xué)主流期刊Geoderma。
論文信息：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.
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2020.114561
中國科學(xué)院礦物學(xué)與成礦學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室&科技與規(guī)劃處供稿
