土壤中低鎂黏土礦物與鐵氧化物富集輕鎂同位素機制研究獲進展

鎂是動植物必需的營養元素之一，參與動植物生長的多個生理過程，如蛋白和葉綠素的合成等。土壤是植物主要的「營養元素庫」，鎂通過根系吸收進入植物，再通過食物鏈進入動物體中。因此，了解鎂在土壤體系中的生物地球化學行為，對農業生產及人體健康保護具有重要的科學意義。鐵錳結核是區域性土壤中的常見礦物組分，由於其極大的比表面積，強烈影響金屬元素在土壤中的遷移分布及生物有效性。中國科學院地球化學研究所劉承帥課題組通過 Mg 同位素地球化學手段對我國華南水稻土壤、鐵錳結核、孔隙流體及植物體等 Mg 同位素組成進行了系統的研究，取得新的認識和進展：

（1）鐵錳結核與土壤具有完全不同的 Mg 同位素組成，這可能與 Mg 的來源有關：鐵錳結核中的 Mg 主要來源於孔隙流體，而土壤中的 Mg 來源於原硅酸鹽風化。

（2）由於重 Mg 同位素優先進入礦物中，鐵錳結核結構中的 Mg 相對於可交換及可溶性 Mg 具有較重的 Mg 同位素組成；但是，頻繁的氧化還原反應會使鐵錳結核富集輕 Mg 同位素。

（3）因為低鎂黏土礦物的 Mg 同位素組成主要受控於具有較輕同位素組成的可交換 Mg，土壤具有很輕的 Mg 同位素組成；孔隙流體與次生礦物（如鐵氧化物和黏土礦物）相互作用過程中，離子交換反應可以優先置換礦物中的重 Mg 同位素。

該研究證實了鐵氧化物和低鎂黏土礦物可富集輕 Mg 同位素，提供了一種關於自然界中部分土壤具有較輕 Mg 同位素組成的新解釋（如圖）。研究也進一步證實，孔隙流體與次生礦物之間的離子交換也是土壤 Mg 同位素分餾的關鍵過程，這也是決定 Mg 由惰性態轉變為可利用態的關鍵地球化學過程。成果發表在地球化學領域期刊 Geochimica et Cosmochimica Acta（Gao, T., Ke, S., Wang, S., Li, F.,Liu, C*., Lei, J., Liao, C., Wu, F.Contrasting Mg isotopic compositions between Fe-Mn nodules and surrounding soils: Accumulation of light Mg isotopes by Mg-depleted clay minerals and Fe oxides. Geochim. Cosmochim. Acta, 2018, 237: 205-222）。第一作者為博士生高庭，通訊作者為研究員劉承帥。研究受到國家自然科學基金項目（41701266、U1612442、41420104007、41561092）、中科院前沿重點項目（QYZDB-SSW-DQC046）和中科院百人計劃項目資助。

圖：該研究及已發表文章土壤的Mg同位素組成彙編

來源：中國科學院地球化學研究所

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