土壤矿物对松嫩平原主要土壤类型反射光谱特征的影响机理

尽管纯矿物的反射光谱特征分析与数据库建设工作已经开展,但土壤中各原生矿物、粘土矿物的测试主要是定性的,即能测定土壤中含有何种矿物,但难以测定准确的矿物组分含量。土壤矿物是土壤学与地质学的交叉点,易被忽视,特别是已有研究忽略了土壤矿物对土壤反射光谱曲线的影响。探讨了土壤矿物在可见光-近红外光谱部分(400~2 500 nm)对土壤反射光谱特征的影响,明确影响土壤反射光谱特征的主要机理。土壤样本于2014年采集于松嫩平原黑龙江部分,包括4个土类和7个土属,共54个土壤样本。土壤样本通过研磨、过筛后,在室内暗室中测得反射光谱数据,土壤矿物的反射光谱数据在2017美国地质调查局(USGS)最新矿物光谱库Spectral Library Version 7中获得,对反射光谱数据进行九点平滑、10 nm重采样和去包络线处理。土壤矿物含量测试采用荷兰Philip X’ Pert Pro 型X射线衍射仪分析样品的矿物组成,测试了土壤中石英、长石、方解石和闪石等原生矿物和蒙脱石、伊利石和高岭石等粘土矿物的含量。首先分析7个土属的反射光谱特征,明确每个土属反射光谱曲线的形状特征和吸收位置,其次分析土属的矿物含量情况,找出不同土属各矿物含量的共性和差异;再次分析不同粘土矿物和原生矿物的反射光谱特征,确定不同土壤矿物反射光谱曲线的形状特征和特征吸收的位置;最后将不同土属的反射光谱特征、不同土属的矿物含量情况和土壤矿物的反射光谱特征结合,得到如下结论：(1)土壤矿物决定了土壤反射光谱的骨架特征,土壤矿物对土属的反射光谱影响最明显,由于土类存在多种反射光谱特征,土壤矿物对土类的影响不明显。(2)粘土矿物对土壤反射光谱特征的影响大于原生矿物,主要受蒙脱石和伊利石等粘土矿物的影响,但砂性土受部分原生矿物的影响,主要是长石类矿物和高岭石的影响。(3)蒙脱石和伊利石分别决定土壤反射光谱的第一个吸收谷和第二个吸收谷特征,高岭石决定1 400和1 900 nm前的两个小吸收谷特征,钾长石和钠长石决定了砂性土的前两个吸收谷特征。(4)蒙脱石含量足够高时,会完全掩盖高岭石和长石类的反射光谱特征,部分掩盖伊利石的反射光谱特征;随着蒙脱石含量降低,伊利石的反射光谱特征逐渐体现;蒙脱石和伊利石的含量降到很低时,高岭石和长石类矿物的反射光谱特征逐渐体现出来。研究结果揭示了不同土属反射光谱特征差异的原因,可以为土壤反射光谱分类、土壤精细制图和基于高光谱图像的矿物分布研究等提供理论依据。     

内蒙古东升庙白垩系红层的近红外光谱分析

在内蒙古东升庙矿区西部采取白垩系红层岩心及地表风化土壤样,用近红外光谱分析技术对各个样品进行测试分析。结果表明,近红外光谱技术能通过矿物中各基团的特征吸收峰快速鉴别出矿物,东升庙矿区西部白垩系红层为泥质胶结主要由石英、长石、蒙脱石、伊利石、绿泥石、白云母等组成,其矿物组成主要受到上游物源区影响;其崩解主要为蒙脱石等粘土矿物吸水膨胀,失水收缩不均匀,使原有裂隙扩大并产生新的裂隙,导致强度降低,发生崩解;根据其粘土矿物的组合推测其风化过程中气候以寒冷干燥为主,风化过程主要为物理风化。研究结果一方面可以完善该矿区地质特征,另一方面表明在矿物光谱学的基础上,近红外光谱分析技术可以有效地分析土壤和岩石的矿物成分,从而论证了近红外光谱分析技术应用于土壤、岩石矿物的的快速分析可行性,表明了其在地质研究中的可行性,为以后的土壤、岩石研究提供新思路。     

基于XRD-Rietveld全谱拟合技术定量分析花岗岩风化壳中矿物组成

XRD-Rietveld全谱拟合方法突破了传统XRD定量分析的众多技术局限,在解决复杂多相混合物的定量问题方面具有显著优势。将XRD-Rietveld全谱拟合方法引入风化壳矿物学研究,有助于解决长期以来地学界对风化壳中矿物组分缺乏准确定量认知的技术瓶颈。在制定专门针对风化样品的全谱拟合精修策略基础上,以广西玉林大容山地区的花岗岩风化壳为研究对象,对发育在两组不同岩性之上的风化剖面(剖面A和剖面B)进行了对比研究。结果表明,风化剖面A(母岩为粗粒黑云母花岗岩)的矿物组合及含量变化范围为：高岭石(6.05%～44.67%)+伊利石(15.85%～49.59%)+石英(29.72%～46.15%)+钾长石(12.04%～22.85%)+斜长石(24.33%～32.70%);风化剖面B(母岩为细粒黑云母花岗岩)的矿物组合及含量变化范围为：高岭石(3.12%～11.47%)+伊利石(13.95%～31.94%)+石英(26.60%～58.05%)+钾长石(13.70%～43.47%)+斜长石(17.95%～23.47%)。两组剖面的全谱拟合修正因子R_wp值<15且gof值<5,计算谱与原始谱拟合效果好,指示矿物定量数据可靠,且能与地质规律较好匹配。在地质意义上,本研究通过母岩原生矿物与次生矿物的含量同步变化,深入揭示了研究区内花岗岩的化学风化过程,厘定了长石类矿物在亚热带气候环境下所经历的长石→伊利石→高岭石演变序列。基于剖面A与剖面B中粘土矿物总量和矿物构成出现显著差异,研究认为在研究区内粗粒黑云母花岗岩比细粒黑云母花岗岩更易遭受强烈的化学风化作用。     

应用XRD光谱研究水旱利用方式下盐碱土粘粒矿物演化特性

以吉林省典型盐碱土为研究对象,对比分析水田与旱田利用方式下土壤粘粒矿物的组成特征,并利用X射线衍射(XRD)光谱研究两种利用方式下粘粒矿物的演化规律。结果表明,水田利用方式下,盐碱土各项理化性质均优于旱田利用,且水田利用较旱田利用更能促进盐碱土颗粒风化,提高粉粒颗粒含量。水田利用下土壤有强烈的脱钾过程,粘粒矿物的水化程度较高,伊利石结晶度降低。XRD光谱分析表明,两种利用方式下粘粒矿物组成相似,但衍射峰的强度及峰位存在差异。旱田利用的盐碱土粘粒矿物演变过程主要为S/I混层矿物→蛭石,水田方式下演变过程则主要为黑云母→伊利石和S/I混层矿物→蛭石→高岭石;长期水田利用后的盐碱土会出现一类羟基化的“绿泥石化”矿物。研究结果表明水田利用更有助于改善土壤结构,培育高肥力土壤,对盐碱土的改良效果较好。利用XRD光谱分析方法,较为全面的测定了粘粒矿物的各项特性,并针对两种利用方式进行对比分析,是土壤矿物研究的新视角。     

内蒙古草原拜仁达坝矿区地表土壤的X射线衍射和近红外光谱分析

在内蒙古草原拜仁达坝矿区上部的地表覆盖层中均匀采集土壤样品,用X射线衍射和近红外光谱技术对样品进行分析测试,旨在探讨草原矿区土壤成分来源及其与地下岩体的关系。结果表明,该土壤样品主要由石英、石墨、碳酸盐、角闪石、云母、绿泥石、蒙脱石、伊利石、块磷铝矿、硬水铝石、蓝铜矿、赤铁矿等组成,说明了地表土壤成分不仅来源于地表岩体风化产物,与地下岩体及其围岩蚀变作用更加密切相关。土壤中所含蓝铜矿和赤铁矿主要来源于矿体氧化带,可作为找矿标志;蚀变矿物组合主要为绿泥石-伊利石-蒙脱石,推测该区域大致经历了钾化→硅化、碳酸盐化→绢云英岩化→泥化的蚀变过程。通过分析蚀变矿物组合,可以还原围岩蚀变及物理风化过程,为深部找矿以及矿床成因研究提供了重要的参考信息,提高了找矿的成功率。X射线衍射和近红外光谱技术用于矿物、矿床研究方面,有着经济、快速的特点,能很好的鉴定矿区地表土壤中的矿物成分。尤其是近红外光谱分析技术对样品要求低,可以对样品进行快速批量的分析,具有其独特的优越性。随着近红外技术的发展,其在地质领域中将有越来越广泛的应用,并且能在找矿勘探中发挥重要的作用。     

两种典型耕作土壤粘粒矿物XRD光谱特性分析

以东北粮食主产区典型耕作黑土和黑钙土为研究对象,在测定同一气候和地理位置下两种耕作土壤颗粒组成特征情况的基础上,采用X射线衍射(XRD)分析方法,对两种耕作土壤的粘粒矿物组成及相关差异进行分析,深入探讨其内在变化机理,是土壤矿物研究的新视角。结果表明：两种供试土壤颗粒组成均以砂粒为主,粘粒、粉粒次之;当颗粒累积率达到50%时,中央粒径分布在15～130 μm区间,除胜利乡黑土剖面外,各采样地两类土壤的剖面中粘粒含量的分布顺序呈现出与中央粒径大小相反的趋势。土壤粘粒在两种土壤剖面中呈现不同的分布规律,黑土剖面中粘粒在表层富集(18.82%),而黑钙土剖面中在钙积层富集(17.41%)。除泉眼岭黑土剖面外,其余采样地的土壤剖面中粘粒含量均在母质层中最少。XRD图谱分析显示,不同土壤中粘粒矿物图谱的差异不仅表现在衍射峰的强度及部分衍射峰位的变化上,还表现在矿物组成上。黑土、黑钙土均以2∶1型粘粒矿物为主,黑土组成为蒙伊混层-伊利石-蛭石型,黑钙土为蒙伊混层-伊利石-蒙脱石型,且均含有少量的高岭石、绿泥石、石英等原生矿物。     

艾比湖滨岸盐碱土中碳酸盐的XRD衍射特征与微观形态分析

结合X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和能谱分析(EDS)方法,对现代盐湖沉积环境下,新疆艾比湖滨岸盐碱土中碳酸盐的分布特征、存在形式以及与其他土壤原生、次生矿物之间的关系进行探讨,结果表明：艾比湖滨岸盐碱土中的原生矿物主要是石英和长石,粘土矿物主要为绿泥石和伊利石,土壤矿物的风化程度顺序为北部>西部>东部,西部样点的现代盐湖化学沉积作用最为显著,北部样点则生物风化过程十分强烈;XRD方法和气量法分别测得的碳酸盐含量之间呈极显著正相关关系,判定系数R2达0.640 9。当盐碱土中含有较高的绿泥石时,碳汇潜力会增加,同时,XRD方法对碳酸盐相对含量的鉴定误差也明显增加,衍射峰形变得复杂,碳酸盐含量明显被低估,低估原因可能与有机质含量高导致的弥散散射增加及粘土矿物含量高使得类质同象现象增加有关;西部和北部土壤矿物溶蚀强烈,石膏以纤维状或长柱状晶体分散或放射状分布于方解石晶体之间,方解石则以异质成核形式呈颗粒状或片状在其他矿物或底质表面生长,表现为次生碳酸盐形貌特征。     

墨脱区域滑坡滑带土矿物谱学特征及其工程意义

利用X射线衍射、X射线荧光光谱及红外吸收光谱对墨脱县北侧和格林村两处洪积扇滑坡面内采集的滑带土样品测试,分析了的主要矿物、黏土矿物的组成和含量及其化学成分。结果表明,滑带土中主要矿物组成受洪积扇组分控制,其黏土矿物含量分别占9%和10%,墨脱县附近滑动面中滑带土样品的黏土矿物含大量的伊利石,反应出该滑坡事件在很短的时间内完成,滑坡体滑动速率非常高;两处滑带土样品的红外吸收光试均未发现CO2-₃,HCO1-₃或C—H等振动相应产生的吸收峰,表明洪积扇滑动之后,滑坡面处于封闭系统,没有力学性质较差的碳酸盐等外来矿物或含腐蚀质的次生黏土沿滑动面充填进去,其结果增加了滑坡体的稳定性;样品中含有一定量的埃洛石,反应了区域洪积扇发育在非常潮湿温暖的环境中,同时封闭体系内滑带土所含的Na₂O和CaO等化学组分不能通过淋滤作用排出,滑坡面内发生强烈的水-岩相互作用,促使其内部的黏土矿物发生伊利石-伊利石/蒙脱石混层-蒙脱石趋势的转化,导致格林村附近滑坡面内的滑带土中含大量后期分解形成的伊利石/蒙脱石混层。该类黏土矿物组合很大程度上降低了滑带的摩擦强度值,从而提高了再次发生滑坡的危险性。     

长期定位施肥对黑土养分平衡和胡敏素分子结构动态变化的影响

以黑土长期定位试验(始于1979年)为基础,根据土壤养分的输入和输出分析长期不同施肥处理的土壤养分收支状况。利用红外光谱和核磁共振光谱分析胡敏素(Humin,Hu)分子结构的动态变化特征并分析土壤养分收支状况与Hu结构变化之间的关系。结果表明：不同施肥措施在改变黑土养分含量的同时,影响了土壤中惰性组分Hu的分子结构。1980年-2014年有机无机肥配施(MNPK)处理可以满足作物对养分的吸收,土壤总养分含量有盈余,且较不施肥(CK)处理增加土壤有机碳含量,降低土壤C/N比,同时土壤Hu的2 920/1 620和2 920/2 850、脂族C/芳香C、烷基C/烷氧C和疏水C/亲水C比值均增加,表明黑土Hu分子结构变得脂族化、简单化,施肥可以增加土壤活性有机碳,减少惰性有机碳组分含量。有机肥(M)和氮磷钾化肥(NPK)处理不能满足作物对养分的吸收,土壤养分出现亏缺状况。红外光谱显示,施肥年限增加,有机肥(M)和氮磷钾化肥(NPK)处理土壤Hu的2 920/1 620下降,表明其脂族C含量降低;核磁共振光谱显示,氮磷钾化肥(NPK)和不施肥(CK)处理烷基C/烷氧C降低,表明其活性有机碳含量下降。虽然各施肥处理较不施肥(CK)处理整体增加土壤Hu的脂族C含量,降低芳香C含量,但随着施肥年限的增加,氮磷钾化肥(NPK)处理使土壤Hu结构有变复杂化的趋势。各养分盈亏量与土壤Hu的结构特征参数之间具有相关性,N,P₂O₅和K₂O养分盈亏量和总养分盈亏量与2 920/1 620、脂族C呈正相关,与芳香C呈负相关,表明养分状况可以影响土壤Hu的结构。节约经济成本情况下,轮作周期内施入一次有机肥,每年结合氮磷钾化肥的施入可以满足作物对养分的吸收,在提高作物产量的同时,改善土壤腐殖质惰性组分结构,培肥地力。     

舟曲泥石流源区土壤分散性高光谱探测模型

通过开展土壤分散性高光谱测量实验,首次明确了舟曲泥石流源区土壤分散性敏感波段位置、建立了土壤分散性高光谱探测模型、探讨了土壤分散性高光谱探测机理。结果表明,（1）傅里叶变换可以将光谱从时间域转换为频率域,实现对光谱信号与噪声的分离。通过开发矿物组分精细鉴别系统,实现了光谱去噪,为构建土壤分散性高光谱探测模型提供了高保真数据源; （2）基于多元线性回归分析法建立的土壤分散性高光谱探测模型在研究区具有较好的预测能力,所确定的敏感波段位置及其反射率与土壤分散性具有较高的相关性; （3）分析矿物光谱结果表明,土壤分散性高光谱探测的敏感波段位置实际上反映了土壤矿物组分及其所吸附的离子类型,揭示了导致土壤分散的深层原因： 与舟曲泥石流源区土壤分散性关系最为密切的是钠离子,其次是方解石、蒙脱石和伊利石,与绿泥石、高岭石、pH值、石英、钾长石、斜长石等的相关性较弱。其原因主要是与钠离子所具有的离子价低、半径小、水化力强的特点,方解石所具有的水溶性特点,蒙脱石所具有的层间结合力极弱、易吸附钠离子的特点,伊利石在高PH值条件下所具有的强吸附阳离子、高土壤分散性的特性有关。     

东北4种典型土壤粘粒矿物的初步表征

以黑土、白浆土、棕壤和褐土为研究对象,采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线衍射(XRD)及扫描电镜(SEM)等方法对东北4种典型土壤的粘粒矿物进行了表征,结果显示,它们属于蒙脱石型图谱。4种土壤的主要矿物成分均为石英,但黑土和白浆土还有蒙脱石和高山石等成分,棕壤和褐土还有高山石和云母等成分。黑土、棕壤和褐土的粘土矿物颗粒均呈层状结构,表面具有十分明显的非均匀特性,其中黑土粘土矿物表面粗糙不平,而棕壤和褐土的粘土矿物表面比黑土要光滑;与此相反,白浆土的粘土矿物表面轮廓清晰、表面光滑,且有较多的空洞。分析结果表明土壤粘粒矿物的组成和特性可以利用土样的光谱特征进行分析和检验,得到的信息是准确有效的。     

长期绿肥翻压对西北旱地小麦籽粒矿质元素含量的影响

绿肥对保障作物高产、土壤培肥和养分高效利用有重要影响,但长期翻压绿肥对旱地小麦籽粒矿质元素的影响尚不清楚。故依托甘肃武威25年长期定位试验,采集试验中不施肥、化肥和绿肥3个处理的小麦成熟期籽粒样品,利用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)技术分析了长期绿肥翻压对小麦籽粒矿质元素的影响。结果表明,绿肥处理下小麦籽粒大部分矿质元素含量较不施肥处理有增加趋势,其中硅、铁和铷元素含量均较不施肥和化肥处理显著增加;绿肥处理下籽粒重金属元素与不施肥处理无显著性差异,但镍含量较化肥处理表现增加。因而,长期绿肥翻压能有效提高旱地小麦部分矿质营养元素,有利于在保障小麦高产的同时提高籽粒营养品质,但也应关注绿肥翻压对重金属元素在土壤-作物系统中行为的影响。     

Near Infrared Spectroscopy of the Cretaceous Red Beds in Inner Mongolia DongshengmiaoSCIEI北大核心CSCD

Take the cores and surface weathered soil from the Cretaceous red beds in the western of Dongshengmiao mine of Inner Mongolia and analysis with near-infrared spectroscopy. The result shows that near-infrared spectroscopy can identify mineral quickly through the characteristic absorption peaks of each group. The Cretaceous red beds in the western of Dongshengmiao mine is argillaceous cementation, it is mainly composed of quartz, feldspar, montmorillonite, illite, chlorite, muscovite etc, the mineral composition is mainly affected by the upstream source area. The clay mineral like montmorillonite water swelling and uneven drying shrinkage expands the original crack and creates new cracks, reduces its strength, which is the mainly reason of its disintegration. According to the composition of clay mineral, we speculate its weathering process is mainly physical weathering, the climate during the weathering is cold and dry. The results can not only improve the geological feature of the mining area, but also show that the near-infrared spectroscopy technology can analyze the mineral composition of soil and rock effectively on the basis of Mineral spectroscopy, which demonstrates the feasibility of the near-infrared spectroscopy can analyze minerals in soil and rock quickly, that shows the feasibility in geology study, provides new ideas for the future research of soil and rock.     

长期不同施肥对土壤溶解性有机质含量及其结构特征的影响

以长期定位试验为研究平台,并结合紫外-可见吸收光谱,探求长期不同施肥管理措施：(1)CK(不施肥);(2)NPK(氮磷钾);(3) NPKS(化肥+稻草还田);(4)1.5NPKS(1.5倍化肥+稻草还田);(5)NPKM(化肥+猪粪)下0～20,20～40和40～60 cm土层的溶解性有机质(DOM)含量和结构特征。结果表明,长期施用化肥对土壤DOM的影响较小,化肥配施秸秆NPKS和化肥配施有机肥NPKM均显著提高了耕层土壤DOM的含量,在0～20 cm耕层土层DOM含量比化肥NPK处理分别提高39.1和12.1 mg·kg-1。相比不施肥和氮磷钾处理,化肥配施秸秆或配施有机肥明显降低0～20和20～40 cm土层溶解性有机质碳与有机氮的比值,提高了土壤供氮能力。长期施肥对40～60 cm土层DOM含量和溶解性有机质碳氮比没有明显影响,不同处理间差异不显著。在0～20和20～40 cm土层,相对于不施肥和氮磷钾处理,NPKM,NPKS和1.5NPKS处理能提高土壤DOM的共轭结构和腐殖化程度;在40～60 cm土层,提升效果不明显。化肥配施秸秆或有机肥能增加0～20 cm土层的紫外光谱吸收值(SUVA₂₅₄,SUVA₂₆₀和SUVA₂₈₀)和吸收系数α(355),降低吸光度比值(A₂₅₀/A₃₆₅),表明0～20 cm土层DOM的芳香度、疏水性、分子量和CDOM含量增加,在20～40和40～60 cm表现不明显。不同土层的A₃₀₀/A₄₀₀值均大于3.5,表明土壤中主要以富里酸为主。综上,长期化肥配施秸秆或配施有机肥能够提高0～20和20～40 cm土壤溶解性有机质的含量,降低溶解性有机质碳氮比,提升土壤肥力;同时增加0～20 cm土壤DOM共轭结构、腐殖化程度、芳香度、疏水部分比例和平均分子量。长期施肥对40～60 cm土层DOM含量和结构影响较小。     

有机无机肥配施黑土胡敏酸结构光谱学特征

土壤有机质是土壤的重要组成部分,在土壤肥力、环境保护、农业可持续发展等方面都具有重要作用。腐殖质作为土壤有机质的主体,对土壤的一系列性质和形态产生影响,其数量、组成和性质可以反映一定的成土条件和过程,是土壤肥力的重要指标。由于腐殖质分子组成的不确定性,各种方法均存在一定的局限性,优化寻求更为准确可靠的腐殖酸表征方法已成为当前研究的热点。施肥方式改变土壤中胡敏酸的组成与结构,但短期的影响程度难以用常规的测定技术检测出来。利用38年的黑土长期定位试验,通过腐殖质组分HA的分离和纯化,多种光谱分析方法的联合应用,从物质结构的角度分析土壤中单施有机肥和有机无机肥配施对黑土HA有机化合物的分子结构变化的影响。分析显示,M和MNPK施肥处理较CK处理均可提高土壤有机碳和HA含量,增加土壤中HA的总反应热、中温放热值、2920/1720值、脂族C含量、f450/500值,表明单施有机肥和有机无机肥配施后土壤HA芳构化程度降低,脂族含量增加,结合简单化,但M施肥处理增加幅度小于MNPK施肥处理。分析结果表明：多种光谱技术的联合应用,可以相互认证其结果的准确性。同时试验结果也证明有机无机肥配施较单施有机肥,更能提高土壤有机碳和土壤HA的脂族C含量,增加作物产量,培肥地力。     

化学氮肥有机替代条件下黑土DOC荧光光谱特征

有机无机肥配施是实现土壤培肥、减少无机肥施用的有效措施。为探讨黑土区有机肥替代无机肥(氮肥)对土壤溶解性有机碳（DOC）含量及结构的影响,本研究采用有机肥不同比例替代化学氮肥,分析土壤DOC的含量及荧光光谱特征。结果表明,M(100%有机替代化学氮肥)处理土壤DOC显著高于其他处理,其含量为325.97 mg·kg-1。与CK(不施肥)处理相比,各施肥处理荧光峰各波长均有不同程度蓝移,各处理土壤DOC的荧光指数(FI)分布在1.54~1.59范围内,腐殖化指数(HIX)均小于0.85,表明DOC来源受自生源和陆生源共同作用的影响,土壤腐质化程度均较低。平行因子分析法分析识别出3个荧光组分,分别为2个腐殖质类组分（富里酸类物质和腐殖酸类物质) 及1个类蛋白组分(类酪氨酸蛋白质物质)。各施肥处理3个组分荧光强度均高于CK处理,其中M和M₂N₂(25%有机替代化学氮肥)处理下土壤DOC总荧光强度较高,C3组分荧光强度以M₂N₂处理最高,土壤DOC中3个有机组分的相对比重以荧光组分C1最高,接近50%,表明该地区土壤中小分子物质占有较大比例,施肥能够提高土壤腐质化程度,有利于土壤DOC固定,合理的有机肥配施化学氮肥能增加DOC的有效性,提升土壤供肥能力。     

利用反射光谱研究砂岩风化与排氮作用——以江西龙虎山为例

近期,《Nature》、《Science》等世界顶级期刊揭示了地表岩石与全球氮循环的相互作用,认为岩石是氮素的重要储库,其风化排氮是生态系统氮素的主要来源之一,对局部乃至全球氮循环具有重大影响。陆地地表岩石分布面积75%是沉积岩,丹霞地貌是受沉积岩风化侵蚀作用形成的重要地貌类型之一,研究丹霞地貌沉积岩的风化与排氮作用对深入了解全球氮循环过程具有重要意义。以江西龙虎山丹霞地貌出露的红色砂岩为研究对象,在系统的野外样品采集工作基础上,利用偏光显微镜、ASD光谱仪和碳氮分析仪对样品的矿物组成、光谱曲线和氮素含量进行鉴定和测量。结果表明：龙虎山砂岩主要为长石砂岩,颗粒矿物为长石和石英,胶结物以铁质、钙质为主,次为泥质;砂岩的化学风化类型主要有胶结物溶蚀和颗粒矿物水化两种,其中胶结物溶蚀以铁质溶蚀为主,溶蚀后岩石的光谱曲线在902 nm处（Fe3+的特征吸收波段）的吸收指数下降,而颗粒矿物水化则主要体现为长石向粘土矿物转变,水化后岩石的光谱曲线在2 210 nm处（粘土Al-OH的特征吸收波段）的吸收指数上升。针对同一件样品,已被化学风化的部分与未被风化的部分相比,其氮元素含量有所下降,且氮元素含量与2 210 nm处的吸收指数存在一定的负相关系（R2=0.802 6）,说明岩石风化有助于氮排放;针对不同样品,氮元素含量与2 210 nm处的吸收指数相关性很差（R2=0.025 6）,说明岩石矿物组成与结构差异对岩石初始氮含量和吸收指数产生影响,从而降低两者间的相关性。以上研究说明,反射光谱为砂岩风化程度检测与氮排放研究提供了一种重要的技术手段,但研究时必须注意岩性的一致性。