几种水平地带性土壤颗粒中粘粒矿物的组成与演化特征

摘要

粘粒矿物广泛分布于地球表面，具有颗粒细小、比表面积大和活性高等特点，显著影响着土壤的物理、生物以及化学过程，其结构和类型的变化能够指示土壤的演化、环境的变迁。研究颗粒中粘粒矿物的地带性特点，对揭示我国土壤中粘粒矿物的演化规律及其成土过程有重要意义。本文以我国由北到南分布的主要地带性土壤（棕壤、黄棕壤、红壤和砖红壤）为对象，在分离出土壤中450-2000和100-450nm的颗粒后，采用纳米粒子超过滤器(AUD)分离其无机纳米颗粒(25-100nm)，采用同步辐射X射线衍射(XRD)等手段对不同粒径的颗粒进行分析，研究不同粒径颗粒的形貌和矿物结构的异同;阐明土壤颗粒中粘粒矿物类型、组合和演化特点;从纳米尺度揭示我国水平地带性土壤中粘粒矿物演化的地带性特点，以丰富土壤纳米化学和土壤矿物的理论研究。主要结果如下:
　　(1)由北到南，花岗岩和片麻岩发育的土壤存在脱硅富铝化的现象，土壤中2∶1型粘粒矿物的含量逐渐减少，而1∶1型粘粒矿物和铁氧化物的含量逐渐增加，并出现三水铝石。棕壤和黄棕壤中的粘粒矿物为蛭石、层间羟基矿物(HIV)、伊利石-蛭石混层矿物(I-V)、伊利石、高岭石、高岭石-2∶1间层矿物(KIMs)和蒙脱石。红壤中粘粒矿物主要为高岭石，其次为伊利石、HIV（和少量蛭石）、伊利石-HIV混层矿物(I-HIV)、三水铝石。砖红壤中粘粒矿物为高岭石、伊利石和三水铝石。供试土壤均存在针铁矿和赤铁矿，棕壤以赤铁矿为主，其它土壤以针铁矿为主。
　　(2)随着颗粒粒径减小，棕壤和砖红壤中的矿物颗粒边缘变得模糊，层状堆垛减少。棕壤450-2000nm颗粒主要呈片状，少量细条状;棕壤25-100nm（纳米颗粒）矿物颗粒主要为无规则的、密集排列的、锯齿边缘的片状颗粒。砖红壤450-2000nm颗粒主要呈分散排列的多边形片状和杆状，片状颗粒的边数在4-6之间;砖红壤纳米颗粒主要呈条状、椭圆和多边形片状。在原子力显微镜图谱中，砖红壤450-2000nm颗粒的高度约为100和200nm，纳米颗粒高度约为6nm;相比450-2000 nm颗粒，砖红壤纳米颗粒的形貌大小更加均一，并具有较多规则形貌的颗粒。
　　(3)随着颗粒粒径减小，供试土壤存在脱硅、富集铁铝的现象，其硅铝率呈降低的趋势。此外，由北到南，纳米颗粒中硅铝率同样呈降低的趋势，晶形铁呈增加的趋势。随着颗粒粒径减小，粘粒矿物由2∶1型向1∶1型转变以及由三八面体向二八面体转变;由北到南，纳米颗粒中粘粒矿物均以二八面体矿物的演化为主，并由2∶1型向1∶1型转变。相比450-2000和100-450 nm颗粒，纳米颗粒经受更为强烈的风化作用，其主要粘粒矿物均为高岭石（和KIMs）和伊利石。棕壤纳米颗粒中高岭石(和KIMs)和伊利石的含量分别为45％和55％;黄棕壤、红壤和砖红壤纳米颗粒中高岭石（和KIMs）的含量依次为94、85和86％，伊利石含量在3-9％之间。此外，黄棕壤和红壤纳米颗粒中还分别存在少量蛭石(4％)和HIV(5％);红壤和砖红壤纳米颗粒中存在少量三水铝石(5％)。红壤中HIV主要存在于表层土壤450-2000和100-450nm颗粒中，其层间物质主要为羟基铝。
　　(4)随着颗粒粒径减小，伊利石和高岭石的结晶度均存在降低的趋势;由北到南，纳米颗粒中伊利石结晶度降低而高岭石结晶度增加。伊利石的Weaver指数在纳米颗粒中达到最低，而伊利石的Kübler指数和积分宽度(IB)在纳米颗粒中达到最高。大部分颗粒中伊利石化学指数(ICI)低于0.4，主要以物理风化为主。高岭石d001和d002的FWHM值均在纳米颗粒中达到最大，平均结晶直径(MCD)、平均层数(ALN)和H&B指数在纳米颗粒中达到最小。随粒径减小至纳米尺度，高岭石脱羟基温度降低了7-17℃。高岭石表面羟基和八面体中AlO6层的减少从而导致其在纳米颗粒中的结晶度降低。
　　(5)棕壤和砖红壤颗粒中伊利石均存在高密度的缺陷，其转变过程为层-层的替换的固相转变。棕壤450-2000和纳米颗粒中伊利石的缺陷主要来自其晶格条纹的边缘位错和螺旋位错。砖红壤450-2000 nm颗粒中伊利石的缺陷主要来自其晶格条纹的边缘位错，而砖红壤25-100 nm颗粒中伊利石的缺陷主要来自螺旋位错。棕壤450-2000nm颗粒中存在伊利石和蛭石、伊利石和和高岭石混合排列的晶格条纹;棕壤纳米颗粒中存在蛭石和高岭石混合排列的条纹。
　　(6)纳米颗粒中层状硅酸盐矿物主要继承大颗粒(450-2000和100-450 nm)中已有的次生矿物。不同粒径颗粒间粘粒矿物的演化过程为:首先是较大的层状硅酸盐矿物破碎成小粒径的层状硅酸盐矿物，然后2∶1型向1∶1型层状硅酸盐矿物演化。由北到南，纳米颗粒中粘粒矿物演化序列为:伊利石→蛭石→HIV→高岭石(和KIMs)→三水铝石。相比450-2000和100-450nm的颗粒，纳米颗粒的矿物演化过程中不存在蒙脱石、伊利石-HIV混层矿物(I-HIV)等膨胀性矿物。

目录

论文说明

声明

摘要

1 前言

1．1 土壤中主要粘粒矿物的组成和转变

1．1．1 层状硅酸盐矿物的组成和转变

1．1．2 氧化物矿物的组成和转变

1．2 我国粘粒矿物的水平地带性演化

1．2．1 气候对土壤中粘粒矿物类型的影响

1．2．2 我国粘粒矿物的水平地带性演化特征

1．3 土壤颗粒中的矿物组成特征

1．4 土壤中纳米颗粒的组成、形貌及提取方法

1．4．1 土壤纳米颗粒的组成

1．4．2 土壤纳米颗粒的形貌特征

1．4．3 土壤纳米颗粒的提取过程

1．5 研究目的

1．6 技术路线

2 地带性土壤的粘粒矿物演化特征

2．1 引言

2．2 材料与方法

2．2．1 供试土壤

2．2．2 样品分析

2．2．3 数据处理

2．3 结果与分析

2．3．1 土壤基本理化性质

2．3．2 地带性土壤的层状硅酸盐矿物组成

2．3．3 地带性土壤的铁氧化物和原生矿物的组成

2．3．4 地带性土壤的元素组成

2．4 讨论

2．5 小结

3 几种地带性土壤颗粒的表征

3．1 引言

3．2 材料与方法

3．2．1 供试土壤

3．2．2 样品制备

3．2．3 样品分析

3．3 结果与分析

3．3．1 不同粒径颗粒的提取量

3．3．2 土壤纳米颗粒的一些特性

3．3．3 棕壤和砖红壤颗粒的HRSEM图谱

3．3．4 棕壤和砖红壤颗粒的HRTEM图谱

3．3．5 砖红壤颗粒的尺寸特征

3．4 讨论

3．5 小结

4 地带性土壤颗粒中矿物的组成特征

4．1 引言

4．2 材料与方法

4．2．1 供试土壤

4．2．2 样品制备

4．2．3 样品分析

4．2．4 数据处理

4．3 结果与分析

4．3．1 层状硅酸盐矿物的组成

4．3．2 氧化物矿物和原生矿物的组成

4．3．3 三八面体和二八面体矿物

4．3．4 土壤颗粒的元素组成

4．4 讨论

4．5 小结

5 地带性土壤颗粒中伊利石和高岭石的结构特征

5．1 引言

5．2 材料与方法

5．2．1 供试土壤

5．2．2 样品制备

5．2．3 样品分析

5．2．4 数据处理

5．3 结果与分析

5．3．1 粘粒矿物的结晶参数特征

5．3．2 粘粒矿物的热稳定性

5．3．3 粘粒矿物的官能团特征

5．3．4 粘粒矿物的Si和Al链的结构

5．4 讨论

5．5 小结

6 红壤颗粒中层间羟基蛭石的结构特征

6．1 引言

6．2 材料与方法

6．2．1 供试土壤

6．2．2 样品制备

6．2．3 样品分析

6．3 结果与分析

6．3．1 红壤B层和C层颗粒的粘粒矿物组成

6．3．2 红壤B层和C层颗粒的元素组成

6．3．3 红壤颗粒中矿物的层间羟基物质的组成

6．3．4 红壤颗粒中层间羟基蛭石脱羟基后的膨胀性

6．3．5 红壤颗粒中层间羟基矿物的交换性离子

6．4 讨论

6．5 结论

7 棕壤和砖红壤颗粒中粘粒矿物的微观结构

7．1 引言

7．2 材料与方法

7．2．1 供试土壤

7．2．2 样品制备

7．2．3 样品分析

7．3 结果与分析

7．3．1 棕壤和砖红壤颗粒中矿物的多型体结构

7．3．2 棕壤颗粒中矿物的晶格结构

7．3．3 砖红壤颗粒中矿物的晶格结构

7．4 讨论

7．4．1 伊利石的结构缺陷

7．4．2 伊利石的转变

7．5 结论

8 全文讨论和主要结论

8．1 全文讨论

8．2 主要结论

8．3 创新点

8．4 研究展望

参考文献

致谢

攻读博士期间撰写与发表的文章