土壤中低鎂黏土礦物與鐵氧化物富集輕鎂同位素研究進展

　　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，由于其極大的比表面積，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主要來源于孔隙流體，而土壤中的Mg來源于原硅酸鹽風化。

　　（2）由于重Mg同位素優先進入礦物中，鐵錳結核結構中的Mg相對于可交換及可溶性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于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，提供了一種關于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同位素組成匯編