矿物学控制因素与地貌影响在热带超基性土壤中对铬和镍的分布及其生物可利用性的作用

《CATENA》：Mineralogical control and landscape influence on chromium and nickel distribution and bioavailability in tropical ultramafic soils

本研究在巴西东北部热带超镁铁质土壤坡度序列中，通过矿物学（XRD）、地球化学（sequential提取）及理化性质分析，揭示地形调控矿物组成对铬镍分布的影响。结果表明：镍生物有效性显著（约2.5%总浓度）高于铬，主要受铁氧化物和层状硅酸盐（蛇纹石、氯ite等）控制，铬因残积相稳定而迁移性低。该发现为超镁铁土区土壤管理和镍农业开发提供依据。

　　

Jakson dos Santos Nascimento | Ygor Jacques Agra Bezerra da Silva | Jean Cheyson Barros dos Santos | Valdomiro Severino de Souza Júnior | Caroline Miranda Biondi | Clístenes Williams Araújo do Nascimento

伯南布哥联邦农村大学农学系，Dom Manuel de Medeiros街，S/N - Dois Irm?os，累西腓，PE 52171-900，巴西

摘要

超基性土壤中高浓度的铬（Cr）和镍（Ni）是一个自然环境问题，尤其是当这些金属具有生物可利用性时。本研究测试了这样一个假设：矿物学特性，在景观位置的调节下，控制着Cr和Ni在土壤各组分中的分布，从而影响它们在巴西东北部潮湿热带环境中土壤剖面序列中的总浓度和有效浓度。具体目标包括：(i) 比较沿土壤剖面序列的Cr和Ni的总浓度和有效浓度；(ii) 通过连续提取方法评估这些元素的迁移潜力；(iii) 将Cr和Ni的浓度与土壤的关键物理、化学和矿物学性质相关联。尽管在潮湿热带条件下化学风化作用强烈，但这些超基性土壤仍保留了母岩的强烈地球化学特征，有利于粘土组分中的双矿物化作用，并保留了易风化的原生矿物。总Cr和Ni浓度较高，并且随着坡度的下降而增加，这反映了地形和风化梯度的综合影响。值得注意的是，Ni的有效性显著高于Cr（约为总浓度的2.5%），而Cr主要局限于残余组分中，表明其迁移性较低，对环境的直接风险也较小。连续提取和矿物学分析表明，Ni的有效性主要受铁氧化物和层状硅酸盐（如蛇纹石、绿泥石、滑石和蒙脱石）的控制。而Cr则主要与难风化相结合，Ni的较高有效性引发了环境问题，同时也突显了谨慎管理土壤的必要性以及镍农业开采的潜力。

引言

超基性土壤是由超基性火成岩和变质岩（例如橄榄岩、辉石岩和蛇纹岩）风化形成的（Vithanage等人，2019年）。这些岩石富含橄榄石、辉石、角闪石、黑云母、尖晶石、 lizardite、antigorite、温石棉、铬铁矿和磁铁矿等含金属矿物，赋予了超基性土壤独特的化学性质。其中，低自然肥力和极高的重金属浓度（尤其是Cr和Ni）尤为突出，通常远超全球土壤背景水平（van der Ent等人，2018年；Kierczak等人，2021年；Nascimento等人，2022年）。 超基性土壤中高浓度的Cr和Ni对人类健康和生态系统构成重大环境威胁，尤其是当这些元素具有生物可利用性时（Kierczak等人，2008年；Cheng等人，2011年；Hseu和Iizuka，2013年；Kelepertzis和Stathopoulou，2013年；Pavlova等人，2022年）。以往的研究主要集中在超基性土壤中Cr和Ni的矿物学、地球化学分馏及其结合形式上，旨在了解成土作用和地形如何影响其浓度（Kierczak等人，2007年；Caillaud等人，2009年；Cheng等人，2009年；Cheng等人，2011年；Kelepertzis等人，2013年；Bani等人，2014年；Hseu等人，2018年）。然而，在热带地区开展的相关研究仍然较少（Lima等人，2024年）。在这些环境中，超基性土壤受到强烈的化学风化作用，改变了这些元素的滞留和迁移模式（Becquer等人，2006年；Cheng等人，2011年）。 在潮湿热带气候条件下形成的土壤中，铁和铝的氧氢氧化物（如针铁矿、赤铁矿、氢氧化铝）以及结晶度较低的矿物相构成了Cr和Ni的主要地球化学储存库（Becquer等人，2006年；Cheng等人，2011年；Hseu等人，2015年）。铬通常迁移性较低，主要与不溶性氧化物（如尖晶石和结晶铁氧化物）结合（Kierczak等人，2007年；Quantin等人，2008年），而镍则具有较高的迁移性和有效性，其迁移性受非晶态铁氧化物和层状硅酸盐（如蛇纹石）的调控（Massoura等人，2006年；Chardot等人，2007年；Quantin等人，2008年；Kelepertzis等人，2013年；Hseu等人，2016年）。尽管该领域取得了进展，但在矿物学和景观位置如何控制Cr和Ni的地球化学分馏和动态方面仍存在显著的知识空白，特别是在热带超基性土壤中。结合地球化学和矿物学方法的综合研究对于深入理解矿物组成、金属分馏和土壤性质之间的关系至关重要（Vithanage等人，2019年）。 在超基性土壤中，Cr和Ni的分布和矿物形态受多种相互作用因素的控制，包括矿物学、风化过程和景观位置。其中，母岩的矿物组成在决定这些元素的总浓度和主要储存库方面起着关键作用（Garnier等人，2009年；Raous等人，2013年）。超基性岩石富含铬和镍矿物（如蛇纹石、绿泥石、滑石和尖晶石），这些矿物在土壤形成过程中是这些元素的主要来源。然而，这些金属在土壤系统中的迁移或滞留程度并不仅仅取决于矿物学特性。气候条件，特别是在降雨量和温度较高的热带地区，强烈影响风化速率，加速了原生矿物的分解，并促进了金属向次生相（包括铁氧化物和锰氧化物以及各种粘土矿物）的再分布（Echevarria等人，2006年）。 景观位置也通过对淋溶、沉积物积累和沿坡度横向迁移等过程的影响，对Cr和Ni的动态起着决定性作用（Cheng等人，2011年）。位于较低坡度的土壤通常具有较高的Cr和Ni浓度，因为它们是沉积环境，从上游位置迁移来的金属在此积累。相比之下，上部坡度的土壤经历更强烈的淋溶和金属流失，并由于风化程度更高而发生更显著的矿物学变化。因此，矿物学、气候和地形的综合效应决定了超基性土壤中Cr和Ni的空间变异性、地球化学分配和环境行为，以及这些元素是保持在与稳定矿物相结合的状态，还是以更易风化的、潜在可利用的形式存在。理解这些控制因素不仅对于评估超基性土壤中Cr和Ni带来的环境风险至关重要，也有助于指导土地管理和探索这些富含金属系统的农业开采机会。 考虑到不同的地质和成土作用情景，超基性土壤为研究Cr和Ni的生物地球化学循环提供了独特的环境（Kelepertzis等人，2013年；Kelepertzis和Stathopoulou，2013年；Vithanage等人，2014年；Hseu等人，2017年；Ettler等人，2024年）。虽然区域和大陆尺度的研究对于评估金属分布和识别地球化学异常现象具有重要意义（Albanese等人，2015年；Petrik等人，2018年），但局部尺度的研究可以提供关于金属来源、动态、生物有效性和相关环境风险的详细见解（van der Ent等人，2018年；Ratié等人，2019年；Delina等人，2020年；Novak等人，2022年；Delina等人，2024年；Ettler等人，2024年）。 尽管已有关于超基性土壤中Cr和Ni的研究，但在理解矿物学和地形如何共同影响这些元素在热带环境中的动态方面仍存在显著差距，因为热带地区的风化过程与温带地区不同。本研究通过整合矿物学（XRD）、地球化学（连续提取）以及物理和化学分析方法，评估了热带条件下土壤剖面序列中Cr和Ni的动态。我们这种局部尺度的多学科方法为了解未充分探索的热带超基性系统中微量金属的行为提供了新的见解。 在此背景下，本研究探讨了矿物学特性在景观位置的调节下如何控制Cr和Ni在土壤各组分中的分布，从而影响它们在超基性土壤剖面序列中的总浓度和有效浓度。为此，分析了位于不同景观位置的三个剖面的土壤样本。本研究的具体目标是：(i) 比较沿超基性土壤剖面序列的Cr和Ni的总浓度和有效浓度；(ii) 通过连续提取方法评估Cr和Ni的迁移潜力；(iii) 将Cr和Ni的含量与土壤的物理、化学和矿物学性质相关联。研究结果有助于增进对超基性土壤中重金属环境风险的认识，并为管理这些区域提供科学依据，包括其在农业开采中的潜在用途以及缓解Cr和Ni相关环境风险的策略。

研究区域和土壤采样

研究区域位于巴西东北部伯南布哥州Buonis Aires市的超基性岩体中。根据K?ppen气候分类，该地区属于As气候类型，夏季干燥，年平均降雨量为1,080毫米，年平均温度为27摄氏度（APAC，2024年）。土壤根据世界土壤资源参考基础（WRB，2014年）进行分类，具体类型为：剖面1 - Eutric Cambisol

沙粒相的矿物学

对土壤样本的X射线衍射（XRD）分析显示，所有剖面中沙粒相的矿物组成相似（图2）。长石是该组分中的主要矿物，显示出最强烈的衍射峰。分析剖面中沙粒相中长石的优势可能归因于采样点附近共存岩石的风化作用。此外，富含硅的侵入岩脉的存在也影响了沙粒相的矿物组成

结论

在潮湿热带环境中研究的超基性土壤表现出高度的化学风化作用，尽管这一过程部分被来自超基性母岩的持续元素输入所掩盖。这种地球化学继承特性阻止了单矿物化作用，促进了粘土组分中的双矿物化作用，同时使得沙粒相中易风化的原生矿物得以保留。 这些土壤中的Cr和Ni总浓度较高，并且这些浓度会随...

CRediT作者贡献声明

Jakson dos Santos Nascimento：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、方法论、调查、数据分析、概念化。 Ygor Jacques Agra Bezerra da Silva：初稿撰写、验证、方法论。 Jean Cheyson Barros dos Santos：初稿撰写、方法论。 Valdomiro Severino de Souza Júnior：初稿撰写、方法论。 Caroline Miranda Biondi：初稿撰写、可视化、验证、资源提供。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

作者感谢伯南布哥联邦农村大学（UFRPE）为这项工作提供的机构支持和基础设施。特别感谢环境土壤化学小组（GQAS/UFRPE）为该研究的实施所提供的合作环境。同时，我们也感谢高等教育人员协调委员会（CAPES）提供的奖学金，使该项目得以实现。