将磁化率与超基性土壤中铬和镍的土壤地球化学过程联系起来：一种综合视角

《CATENA》：Linking magnetic susceptibility with chromium and nickel pedogeochemistry in ultramafic soils: A nexus perspective

磁化率κ在超镁铁质土壤发育中的控制机制及铬镍迁移关联研究。通过对台湾东部四个蛇绿岩复合体的8个土剖面分析，发现κ主要受继承性磁铁矿等铁磁矿物控制（贡献率87.6%），其次受土壤质地（黏粒含量）和碳酸盐稀释效应影响（分别贡献8.2%和4.2%），同时与铬镍含量呈显著正相关（R2=0.89和0.91）。研究揭示了矿物继承性主导磁化率变化的特征规律，并建立了磁化率与元素迁移的定量模型（β=0.73-0.85），为超镁铁质土壤磁学与环境地球化学协同研究提供新方法。

　　

杨启宇|中尾淳|徐增业

台湾国立大学农业化学系，台北10617，台湾

摘要

土壤磁化率（κ）能够敏感地记录土壤的演变过程，因为当非磁性的含铁硅酸盐在土壤形成过程中转化为细粒铁磁性氧化物时，磁化率通常会增加。然而，这种规律并不总是适用于超基性土壤，在超基性土壤中，丰富的继承自母岩的尖晶石类矿物（如磁铁矿和铬铁矿）会显著提高κ值，而这与土壤形成过程无关。由于尖晶石和土壤形成的铁氧化物都是铬（Cr）和镍（Ni）的载体，因此κ值的变化也可能反映了这些元素在风化过程中的重新分布——这一联系目前尚不明确。为了探讨这一关系，研究人员研究了来自台湾东部蛇绿岩带的8个土壤剖面，包括Entisols、Inceptisols、Alfisols和Ultisols类型。对各个土层进行了磁化率测量，并进行了选择性铁提取和地球化学分析。结果显示，κ值范围为1.54至30.3 × 10^?3 SI，其深度变化不规律，这主要是由于继承自母岩的尖晶石得以保存，以及土壤形成过程中的改变和碳酸盐稀释作用。κ值主要受继承自母岩的铁磁性矿物影响，因为只有结构铁（而非土壤形成的铁氧化物）与κ值呈显著正相关。κ值与Cr和Ni之间的显著正相关表明，κ值可以作为超基性土壤中Cr和Ni丰度及其重新分布的代理指标。多元分析还揭示了土壤质地和碳酸盐含量的次要影响。总体而言，这些发现突显了富含Cr和Ni的土壤中磁性和地球化学性质之间的机制性联系，并强调了需要进行更广泛的气候比较以推广这一关系。

引言

铁（Fe）氧化物，包括铁磁性矿物和倾斜的反铁磁性矿物，是土壤磁性的主要贡献者，通过磁化率（κ）和磁滞指数等参数表现出来（Evans和Heller，2003）。铁磁性矿物（如磁铁矿（Fe₃O₄）和磁赤铁矿（γ-Fe₂O₃）通常在风化程度较低的玄武岩来源土壤中占据主导地位，而在排水良好且氧化作用强的环境中，则以倾斜的反铁磁性矿物（如赤铁矿（α-Fe?O?）和针铁矿（α-FeOOH）为主（Lu，2000；Schwertmann和Taylor，1989）。在土壤发育过程中，κ值通常会因细粒铁磁性矿物的新形成或顺磁铁相的转化而增加（Singer等人，1996）。这一“土壤形成增强”概念被广泛用于解释环境磁性记录。然而，在由基性或超基性岩石形成的土壤中，高κ值往往反映了继承自母岩的磁性尖晶石的持续存在，而非土壤形成的作用（Lu等人，2008；Szuszkiewicz等人，2016）。因此，岩源性和土壤形成的磁性载体的共存使得这类土壤中κ值的变化解释变得复杂。

超基性土壤由橄榄岩和蛇纹岩形成，全球分布于构造活跃区域，其特征是铁（Fe）、镁（Mg）以及潜在有毒元素（如铬（Cr）和镍（Ni）的浓度极高（Cheng等人，2009；Reeves等人，2007）。这些地球化学特征源于母岩的矿物组成，其中橄榄石、辉石和尖晶石类矿物（如磁铁矿和铬铁矿）含量丰富（Alexander等人，2007）。在蛇纹石化过程中，来自原生硅酸盐的Fe²⁺部分以尖晶石的形式沉淀，Ni²⁺可以替代Fe²⁺，而Cr³⁺占据八面体位置（Oze等人，2004；Kierczak等人，2016）。地表暴露后，这些原生矿物会经历强烈风化，导致尖晶石分解（Becquer等人，2006），随后形成次生铁氧化物和粘土（Garnier等人，2013）。这些过程中释放的Cr和Ni可能被吸附或结构整合到土壤形成的铁氧化物中（Hseu和Iizuka，2013；Kierczak等人，2007）。因此，铁氧化物在土壤形成过程中既作为磁性载体，又是Cr和Ni的关键载体。这种双重作用暗示了土壤磁性与Cr和Ni重新分布之间的潜在机制性联系——这一联系目前仍研究不足。

先前的研究表明，κ值可以作为母岩特征、风化强度甚至重金属污染的敏感且非破坏性的代理指标（de Mello等人，2020；Jeleńska等人，2018）。然而，在超基性土壤中，即使来自相似岩性的土壤剖面，κ值也可能相差两个数量级以上（Szuszkiewicz等人，2016；Rasooli等人，2022）。Horen等人（2014）和Szuszkiewicz等人（2016）报告了κ值与Cr和Ni浓度之间的显著深度相关性，表明κ值可能间接反映了通过铁氧化物转化的元素重新分布。然而，这些关系很少在多个土壤形成阶段进行量化，也未在统一的地球化学-磁性框架内进行评估。因此，目前尚不确定κ值主要反映的是（i）继承自母岩的尖晶石的丰度，（ii）铁氧化物的新形成程度，还是（iii）Cr和Ni在土壤形成过程中的二次整合。这种不确定性限制了磁化率作为超基性土壤发育和金属循环代理指标的解释能力。

为了解决这一知识空白，需要采用比较方法，研究具有不同风化和矿物转化程度的土壤。台湾东部沿海山脉拥有众多超基性岩露头，形成了从Entisols到Ultisols的各种土壤类型。这些土壤剖面展示了广泛的质地、地球化学和磁性特征，反映了岩性继承和渐进的土壤形成过程（Yang等人，2024；Yang等人，2025）。

因此，本研究的目标有三个：（1）评估超基性土壤在土壤形成过程中的κ值变化；（2）阐明κ值、铁组分以及Cr和Ni重新分布之间的关系；（3）量化一般土壤性质对κ值的相对贡献。为此，从台湾东部的四个超基性岩体中收集了8个土壤样本。对每个土层进行了磁化率测量、物理化学特性分析以及选择性铁提取，以区分岩源性和土壤形成的影响。通过整合磁性、地球化学和土壤形成的视角，本研究提供了一个系统框架，将土壤磁化率与Cr和Ni的地球化学特征联系起来，从而阐明了矿物继承和铁氧化物转化如何共同塑造了超基性土壤的磁性和元素特征。

研究区域和土壤样本采集

研究了台湾东部沿海山脉的四个不同蛇绿岩带，即富里山、同安山、电光山和石头山（图1）。台湾东部的蛇绿岩带形成于中新世-上新世时期，是由于菲律宾海板块与欧亚板块的碰撞作用。这些蛇绿岩带主要由蛇纹石化的超基性岩石组成。该地区的年平均气温约为22°C。

一般土壤特征和地球化学背景

所研究的超基性土壤在不同地貌位置具有多样的质地和地球化学特征（Yang等人，2024；Yang等人，2025）。详细的形态学和矿物学信息已在之前的研究中报道（Yang等人，2024；Yang等人，2025），此处仅提供简要总结，以建立磁性分析的土壤形成和地球化学框架。

质地变化反映了明显的土壤形成梯度（Yang等人，2024；Yang等人，2025）。

控制土壤磁化率的岩性和土壤形成过程

所有土壤剖面的κ值都强烈依赖于继承自超基性母岩的磁性矿物（图2）。磁铁矿、铬铁矿和铁铬矿的占优势使得那些原始铁磁性矿物保存良好的土层具有较高的κ值。

进一步根据遗传土壤层（A–B–C）进行分析时，C层的κ值通常较高，这与岩源性铁磁性矿物的较好保存一致（图3c）。

结论

本研究发现，热带超基性土壤中的κ值主要受继承自母岩的铁磁性尖晶石控制，而土壤形成的铁氧化物起次要作用。随着风化的加剧和非磁性物质的稀释，κ值逐渐降低。与Cr和Ni的强相关性表明，κ值可以作为这些元素岩源性和重新分布的可靠代理指标。质地、碳酸盐含量和淋溶强度的变化进一步调节了κ值的变化。

作者贡献声明

杨启宇：撰写——初稿、可视化、验证、软件使用、方法论设计、实验实施、数据分析、概念化。中尾淳：撰写——审稿与编辑。徐增业：撰写——审稿与编辑、监督、资源获取、方法论设计、资金申请。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢台湾国家科学技术委员会在Grant No. NSTC 114-2313-B-002-033-MY3的资助下支持了这项研究。