廣州地化所在火山灰土酸化的微觀機制研究上取得新進展
水鋁英石質火山灰土（allophanic Andosols）是一類具有高保水率、強磷保持性、富有機質、低密度、低鋁毒性等優異特性的火山灰土，是可耕作性最好、肥力最高的土壤類型之一。同時，該類土壤與火山活動及其地質作用關系密切，對地球表層系統的諸多物質循環過程具有重要影響。在某些自然過程（如降雨）或人類活動擾動下，水鋁英石質火山灰土會發生酸化（pH值可低至約2.5），從而使其物理化學特性、鋁毒性等發生顯著改變，進而影響其可耕作性和作物生產能力。酸化火山灰土對有機質的保存和對相關元素（如磷）的吸持能力和機制也隨之發生改變，從而影響表生環境的元素遷移歸趨及其衍生的地球化學和環境效應。因此，無論對于土壤學領域還是表生地球化學領域，深入理解水鋁英石質火山灰土酸化的微觀機制均具有重要意義。
水鋁英石質火山灰土的重要組分特征是含有大量（最高約60%）的水鋁英石。水鋁英石是具有納米空心球結構的鋁硅酸鹽礦物，其結構可視作似三水鋁石片內側鋁羥基被原硅酸基團取代發生卷曲形成的外部為鋁羥基、內部為硅羥基的空心球（多余的硅以低聚體形式連接到該結構之上）（如圖1所示）。由于水鋁英石粒徑極細微（僅3.5~5.0 nm），且結構有序度低，穩定性差，其提純和微觀結構-性質分析難度較大。因此，對水鋁英石的微結構和對其在酸性介質條件下結構變化的認識還很少，這制約了對水鋁英石質火山灰土酸化機制的深入理解。
為此，中國科學院廣州地球化學研究所袁鵬研究組的博士生王順、博士后杜培鑫等探索采用高分辨透射電鏡和固體魔角旋轉核磁共振譜等方法，系統地研究了高純合成水鋁英石在酸性介質條件下的微結構變化及機理。主要結果如下（圖1），較弱酸性條件下，附著在水鋁英石骨架結構上的聚合硅發生溶解，骨架結構中硅和鋁原子的局域結構和配位環境不發生明顯改變；納米空心球形貌基本不變，比表面積和微孔體積略有增加。較強酸性條件下，聚合硅和骨架結構均發生溶解，硅和鋁溶出量顯著增加；歸屬于骨架結構的硅原子（具有Q3（6Al）結構，即硅原子通過三個橋氧鍵與六個相鄰鋁原子相連）和六配位鋁的相對含量逐漸減少，一部分溶出的硅聚合形成結構無序的無定形硅。與此同時，缺陷孔逐漸增大，部分空心球結構甚至發生坍塌；所形成的結構碎片與新生成的無定形硅膠結團聚，使得多孔性顯著弱化。上述結構變化對水鋁英石的吸附性等性質將產生顯著影響。
圖1 酸性介質中水鋁英石的結構變化及機理示意圖
上述工作從礦物微觀界面作用和微結構變化的角度提供了有助于認識火山灰土酸化機制的新依據。研究結果對于理解富水鋁英石土壤的pH緩沖能力和鋁毒性來源，以及對合理制定相應的土壤管理措施具有參考價值。
研究工作得到了國家自然科學基金、廣東省科技計劃、國家高層次人才特殊支持計劃等課題的資助。論文近期發表于土壤學主流期刊Geoderma。
論文信息：Wang Shun, Du Peixin, Yuan Peng*, Liu Yaqi, Song Hongzhe, Zhong Xuemin, Liu Dong. Structural alterations of synthetic allophane under acidic conditions: implications for understanding the acidification of allophanic Andosols. Geoderma, 2020, 376, 114561.
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2020.114561
