土壤中低镁黏土矿物与铁氧化物富集轻镁同位素机制研究取得新进展

镁是动植物必需的营养元素之一，参与动植物生长的多个生理过程，如蛋白和叶绿素的合成等。土壤是植物主要的“营养元素库”，镁通过根系吸收进入植物，再通过食物链进入动物体中。因此，了解镁在土壤体系中的生物地球化学行为，对农业生产及人体健康保护具有重要的科学意义。铁锰结核是区域性土壤中的常见矿物组分，由于其极大的比表面积，强烈影响金属元素在土壤中的迁移分布及生物有效性。中国科学院地球化学研究所刘承帅课题组通过Mg同位素地球化学手段对我国华南水稻土壤、铁锰结核、孔隙流体及植物体等Mg同位素组成进行了系统的研究，取得新的认识和进展:

（1）铁锰结核与土壤具有完全不同的Mg同位素组成，这可能与Mg的来源有关：铁锰结核中的Mg主要来源于孔隙流体，而土壤中的Mg来源于原硅酸盐风化；

（2）由于重Mg同位素优先进入矿物中，铁锰结核结构中的Mg相对于可交换及可溶性Mg具有较重的Mg同位素组成；但是，频繁的氧化还原反应会使铁锰结核富集轻Mg同位素；

（3）因为低镁黏土矿物的Mg同位素组成主要受控于具有较轻同位素组成的可交换Mg，土壤具有很轻的Mg同位素组成；孔隙流体与次生矿物（如铁氧化物和黏土矿物）相互作用过程中，离子交换反应可以优先置换矿物中的重Mg同位素。

本研究证实了铁氧化物和低镁黏土矿物可富集轻Mg同位素，提供了一种关于自然界中部分土壤具有较轻Mg同位素组成的新解释（图1）。研究也进一步证实，孔隙流体与次生矿物之间的离子交换也是土壤Mg同位素分馏的关键过程，这也是决定Mg由惰性态转变为可利用态的关键地球化学过程。成果发表在地球化学领域顶级期刊Geochimica et Cosmochimica Acta.Gao, T., Ke, S., Wang, S., Li, F., Liu, C*., Lei, J., Liao, C., Wu, F. Contrasting Mg isotopic compositions between Fe-Mn nodules and surrounding soils: Accumulation of light Mg isotopes by Mg-depleted clay minerals and Fe oxides. Geochim. Cosmochim. Acta, 2018, 237: 205-222。第一作者为高庭博士生，通讯作者为刘承帅研究员。研究受到国家自然科学基金项目（41701266、U1612442、41420104007、41561092）、中国科学院前沿重点项目（QYZDB-SSW-DQC046）资助。 

图1. 本研究及已发表文章土壤的Mg同位素组成汇编