土壤中纳米尺度氧化铁的多样性和环境磁学效应机理

项目主要研究内容包括土壤中纳米氧化铁的表征，土壤中纳米氧化铁的磁性与响应机理，土壤中纳米氧化铁多样性的形成机制。项目按计划完成了上述内容，获得了预期的实验数据和结果。项目应用高分辨透射电镜结合X射线能谱(HRTEM/EDS)、XRD、岩石磁学、同步辐射和化学选择性溶解等技术，对土壤中纳米尺度氧化铁的颗粒大小、形状、粒度分布、化学组成和矿物相进行了表征。土壤中的纳米颗粒主要由三种形态组成：纳米颗粒、纳米片和纳米棒，水稻土中存在粒径平均为3.6 nm，大小十分均一的纳米水铁矿，Fe/O为1:4，证明了土壤中纳米矿物(nanomineral)的存在。XRD和岩石磁学分析表明亚热带强磁性土壤中的纳米尺度氧化铁组成主要是磁赤铁矿和赤铁矿，Ms-T曲线表明在310-320度和570-580度存在磁赤铁矿和磁铁矿的居里点温度，VFTB测定磁滞参数Mrs/Ms和Hcr/Hc值作成的Day图判断土壤中磁性氧化铁颗粒为超顺磁性(PSD)颗粒，证明了超顺磁性矿物(粒径20-30 nm)是土壤磁性增强的主要载体，它们主要以高岭石-氧化铁和高岭石-三水铝石-氧化铁组合形式存在。DCB(Dithionite-citrate-bicarbonate)、CB和Tamm(acid-oxalate)溶液的比较试验，结合提取前后的XRD和岩石磁学矿物验证，证明了2次连续DCB提取可区分成土起源SP颗粒，DCB处理后的磁化率损失量与绝对频率磁化率反映的SP颗粒有良好的相关性。同步辐射荧光分析等技术对铁锰结核的矿物和元素分布分析，发现铁锰结核中Fe和Co两种元素有强烈的耦合关系，而Mn元素和Cu、Ni、Zn、V、Ca等存在强烈的耦合关系。水稻土有更为复杂的k-T曲线，出现多个峰值，表明了水稻土中的无定形氧化铁在有机质存在下的高温转变过程。水稻土渗育层土壤存在针铁矿、赤铁矿和磁铁矿/磁赤铁矿，认为铁在还原条件下迅速还原为Fe2+，在氧化条件下Fe2+迅速沉淀可成形成结晶度较低的大小在几十纳米的纳米矿物。研究初步建立了表征土壤中纳米物质特性和行为的方法体系，明确了土壤中纳米氧化铁的颗粒大小、形态、矿物相、化学组成和形成机制，为土壤纳米颗粒表征和环境行为等重要科学问题研究提供了新思路和新方法，揭示了纳米磁性氧化铁的土壤磁性增强机制，为建立和发展环境纳米磁学提供了理论依据。