环境地球化学

8.1. 砖红壤风化过程中的Fe同位素行为：Li (李淼) et al. (2017)

 砖红壤形成于热带和亚热带极度风化的玄武岩，覆盖了全球约三分之一的地表和二分之一的河流流域，在大陆发育、陆海元素循环和陆地生命发展中均有关键作用（Tardy, 1997）。Fe是陆壳丰度第四的元素，也是砖红壤富含的元素。Fe同位素组成在氧化还原和土壤形成过程中存在分馏（Chapman et al., 2009; Fantle and DePaolo, 2004），因此研究砖红壤中Fe的元素和同位素行为有助于理解砖红壤的形成和发育。

图8.1 菲律宾Surigao砖红壤风化剖面δ⁵⁶Fe和τ_Ti,Fe参数（Li et al., 2017）。

本课题组对菲律宾Surigao市附近的一处砖红壤风化剖面的研究显示，剖面大部分深度Fe元素丢失（τ_Ti,Fe）超过75%，但Fe同位素（δ⁵⁶Fe）分馏却非常有限（图8.1）。由于Fe同位素在氧化还原过程中会产生明显分馏（Wiederhold et al., 2007），因此该剖面中Fe的迁移机制可能是先在原位完全氧化，再以胶体物质的形式丢失，因此保留了原来的同位素组成。我们在广东湛江的一处砖红壤剖面也观测到了类似的结果，剖面Fe丢失最高达60%，但Fe同位素接近于地幔值且分馏非常有限（图8.2），再次印证了上述结论。        

图8.2 广东湛江砖红壤风化剖面δ⁵⁶Fe和τ_Ti,Fe参数。

8.2. 砖红壤风化剖面的V同位素行为：戚玉菡，准备中

 V同位素对所处环境的氧逸度变化非常敏感，因此在研究与氧化还原有关的地球化学过程时是非常有力的工具。然而由于⁵⁰V同位素自然丰度极低⁵¹V/⁵⁰V ≈ 400，且自然样品中干扰元素多（⁵⁰Ti、⁵⁰Cr）、仪器测量中多原子聚合物干扰严重（³⁶Ar¹⁴N⁺、³⁶Ar¹⁶O⁺、³⁸Ar¹⁴N⁺），V同位素的精确测量一直是研究中的难点。本课题组基于近年来自主开发的V同位素测量方法（Wu et al., 2016），精确测定了一个菲律宾砖红壤风化剖面的V同位素组成，发现在整个风化剖面上δ⁵¹V 的变化范围为-0.77 ± 0.06‰到-0.94 ± 0.05‰，大部分结果在误差范围内一致（图8.3）。该剖面中的V同位素变化范围明显小于其他储库。考虑到砖红壤的高氧化性，我们认为V在砖红壤风化过程中也是先在原位彻底氧化，再迁移丢失。由于该剖面中V含量与Fe含量具有非常显著的正相关性（r²₄₂ = 0.9523，P = 4.8 × 10^-28），因此我们推断V的迁移与氧化性Fe胶体密切相关。

图8.3 各类地质储库和广东湛江砖红壤风化剖面的δ⁵¹V值。

8.3. 砖红壤风化剖面的Ba同位素行为：宫迎增，准备中

大陆风化是Ba从岩石圈向水圈运移的关键环节，研究风化过程中Ba同位素分馏有助于理解Ba元素地球化学循环的机制。本课题组测定了广东湛江砖红壤风化剖面全岩和交换态、可还原铁氧化物结合态以及残余态的δ^137/134Ba值，结果显示相对易迁移的交换态和可还原铁氧化物结合态均低于全岩和基岩的δ^137/134Ba值（图8.4），因此在风化过程中丢失的Ba同位素组成偏重。而前人在海水（+0.16 ± 1.02‰）（Cao et al., 2015; Horner et al., 2015; Bates et al., 2017）和河流（+0.16 ± 0.10‰）（Cao et al., 2015）中均测得了偏高的δ^137/134Ba，我们的工作很好地解释了以上观测结果。同时我们根据Ba元素和同位素的质量平衡模型，计算得出湛江砖红壤剖面风化丢失的δ^137/134Ba平均组成为+0.12‰，与前人在邻近风化剖面的主要水体珠江测得的溶解态δ^137/134Ba组成一致（+0.10‰ ± 0.06‰、+0.13‰ ± 0.07‰）（Cao et al., 2015），因此珠江水体中溶解的Ba元素可能主要来自于上地壳风化。

      图8.4 广东湛江砖红壤风化剖面全岩和交换态、可还原铁氧化物结合态以及残余态的δ^137/134Ba值。

8.4. 水稻土中的Fe同位素行为：戚玉菡，准备中

水稻是世界一半人口的主食。水稻土作为一种人造土壤，覆盖了超过1.5亿公顷的地表，已经成为全球生态系统的关键部分。因此研究水稻土的形成与发育不仅是农业生产的需求，也是研究全球元素循环的重要一环。水稻土最重要的特点是在人类活动影响下长期经历淹水和排干的循环，而在淹水期和落干期的一个重要区别就是土壤的氧化还原条件。本课题组利用Fe同位素对氧化还原变化的响应，研究了苏州水稻土剖面的Fe元素迁移转化过程。结果显示耕作和水稻种植活动显著影响了水稻土中的Fe元素循环。土壤表层Eh电位在淹水期显著下降，三价Fe被还原成易迁移的二价Fe并随孔隙水向下迁移，并在地下Eh电位较高的不饱和层（110-160cm）沉降。由于二价Fe的δ⁵⁶Fe值较轻，因此在反复的淹水-落干循环作用下，遗留在表层的Fe同位素偏重，而在不饱和层沉降的Fe同位素偏轻（图8.5）。

图8.5 苏州水稻土剖面δ⁵⁶Fe值和Fe₂O₃含量