土壤中铁锰结核的研究进展

苏优 杨立辉 吕成文

摘要通过对国内外近几十年关于土壤铁锰结核研究的文献进行系统梳理，总结了土壤中铁锰结核的成因、物质组成、形态构造及其与环境变化的关系等方面研究成果。发育于土壤中的铁锰结核形成过程受到环境条件的严格限制，因此各种理化性质都是环境的产物，是反映环境变化信息的良好载体。然而，目前对土壤铁锰结核的研究尚存在如空间分异的规律及机理不清、年代学薄弱等不足。

关键词土壤；铁锰结核；研究进展

中图分类号S153.6；K903文献标识码A文章编号0517-6611（2014）21-07017-03

Research Advance of Ferromanganese Nodules in Soil

SU You， YANG Lihui et al （Anhui Key Laboratory of Natural Disaster Process and Protection Research， Anhui Normal University， Wuhu， Anhui 241003）

Abstract Through the combing of domestic and international literatures on soil ferromanganese nodules research， the causes of soil ferromanganese nodules， material composition， morphological structure and its relationship with environmental changes were summarized. Development of ferromanganese nodules in the soil formation was strictly limited by the environmental conditions. The nodules variations of physical and chemical properties are the products of the environment. The ferromanganese nodules were believed to good information carrier for the study of climate change. Currently there were still weaknesses of the ferromanganese nodules research in soil， such as the mechanism of spatial variation， chronology and so on.

Key words Soil； Ferromanganese nodules； Research advance

土壤中铁锰结核是指表生过程中铁锰等元素经过强烈迁移和积聚形成的以铁锰元素为主的矿物集合体，其物理化学性质与母质有显著的差异。发育在土壤中的铁锰结核与温度、湿度、降水等气候条件息息相关，是记录环境信息良好的载体，因此受到国内外学者的研究与关注。很多学者从结核的形成机理、物质组成、年代学等方面对不同地区的土壤铁锰结核做了系统研究，取得丰硕的成果，但也存在许多争议。

1土壤中铁锰结核的成因与影响因素

对于发育于土壤中铁锰结核的成因，目前仍没有统一的认识。大多数学者认为，在土壤淹水条件下，土壤中原有铁锰氧化物被还原为低价的Fe2+和Mn2+离子。这些低价的铁锰离子在土壤中易迁移，在具有氧化性的环境中逐渐氧化沉淀，随着该过程的进行，铁锰氧化物不断沉积，从而形成结核。潘根兴等[1]认为，富铁锰的溶液被毛管水输送到土体质地疏松部分，被氧化凝聚，析出结核。李雪等[2]认为，极细的胶体溶液首先凝聚成微结核，再聚集形成环带。也有部分学者认为，结核的发育与当地环境气候、地质条件等因素密切相关[3]。谭文峰等[4]也认为，结核很可能是在大气候变化背景下，土壤环境发生大幅度波动时形成的。

1.1土壤水分条件土壤水分状况是影响铁锰元素迁移、淀积的最重要因素之一。结核是在土壤季节性干湿交替，氧化还原条件下形成的。过度淹水条件不利于铁锰结核的发育[5]。红壤性水稻土研究表明，相对于长期渍水，土壤干湿交替变化更有利于土壤锰元素的迁移与淀积[6]。Winters[7]在土壤季节性饱水层中发现，铁锰结核多集中在此层，由此推测结核是在土壤中周期性干湿交替的环境中逐渐形成的。

1.3土壤微生物研究证实，土壤中许多微生物的新陈代谢活动常常会影响土壤的Eh或pH，从而间接影响锰的氧化还原过程。Wang等[15]利用高分辨率的扫描电子显微镜和EDX，首次证明土壤锰结核内部存在微生物生物膜。这些生物膜是由不同的微生物混合而成的。我国武汉、贵阳等地的铁锰结核提取的细菌DNA研究表明，土壤铁锰结核中的细菌种类与大洋结核相似，主要属于厚壁菌门b变形菌、g变形菌，影响Mn2+的氧化反应，从而影响结核的形成[16]。杨伟红等[17]发现，棕壤结核密集层中具有锰氧化活性的新菌属，提出锰氧化细菌在由氧化锰矿物和氧化铁矿物的富集而形成铁锰结核的过程中可能发挥着重要的作用。

2土壤鐵锰结核的地球化学特征

2.1土壤铁锰结核对元素的富集作用及顺序很多学者发现，稀有金属元素、重金属元素、稀土元素等在结核表面富集，主要是由于它们表面对稀有元素的强烈吸附作用，或者是在结核形成过程中与铁、锰元素相互影响的沉淀作用[18]。稀土元素的分布模式显示了结核中Ce元素的强烈正异常[19]。苏春田等[20]对广西岩溶地区铁锰结核的研究表明，铁锰结核对土壤锰元素具有轻度的富集效应，

Wojciech等[27]利用定量X射線衍射（QXRD）、傅立叶变换红外光谱（FTIR）和穆斯堡尔谱（MS），发现波兰喀尔巴阡山麓漂白红砂土中的铁锰结核主要由硅酸盐（石英、钾长石、斜长石）和层状硅酸盐（二八面体云母、蒙脱石、绿泥石和高岭石）组成，结核中的针铁矿含量远远超过纤铁矿，结核在淋溶层中的碳酸盐含量比淀积层高，而层状硅酸盐含量与之相反，推测主要与土壤剖面中黏土矿物的下渗相关。谭文峰[28]通过对山东、桂阳、武汉等地区不同土壤中铁锰结核矿物分析，发现不同地区的结核内部的矿物含量有明显的不同，可能与母质、地下水、pH等因素相关。 Palumbo等[29]利用SEM对西西里岛西部薄层干热淋溶土和红色石灰土进行分析，得出2个剖面的结核主要成分是石英，其次是高岭石，另外一些结核中还含有针铁矿。章明奎[30]在研究浙江红壤中结核的矿物时发现结核中除氧化铁，还有水云母、高岭石等，同时结核的颜色与其矿物组成有关系。张民等[31]研究表明，结核发育的层位不同，其矿物组成存在差异。

3土壤铁锰结核的形态与构造特征

章明奎[30]将浙江省红壤中形成的铁锰结核分为黑色、黄色和红色3种类型。Phillippe等[32]对美国肯塔基州弱发育半干润淋溶土中的结核进行研究，发现排水良好的土壤中发育的结核通常具有环带状构造，而排水不好的土壤中无此现象。Zhang等[33]研究也发现，上层滞水层中的结核呈规则球状，内部有环带构造，而在黏质障碍层和石质界面的结核不规则，内部没有明显的环带构造，可能与土壤的黏粒含量和大空隙比率有关。Szymański等[34]发现，波兰喀尔巴阡山麓漂白红砂土淋溶层中的铁锰结核呈圆形紧密，边界清晰，表明经历频繁的氧化还原过程，而在脆磐土中发育的结核不规则，较软，可能是由当时长期的淹水环境造成的。Palumbo等[29]发现，薄层干热淋溶土中结核环带明显，结构致密，而在红色石灰土中的结核结构粗糙，颗粒聚集均匀分布。由此可知，一般规则结核内部有明显的环带构造，记录古气候变化，有望成为第四纪研究的良好载体。

4土壤结核的形成时代与记录的环境变化

4.1土壤结核形成的时代在大洋中铁锰结核大致以3～20 mm/M年的速度生长[35]，但对土壤铁锰结核的形成还没有确切的时间。一般认为，结核形成于母质风化之后，而且由于结核在发育过程中不断溶解-沉淀，因此结核年龄应小于其发育土层的年龄。于革等[36]首次对白浆土土中铁锰结核进行测年，分析得出结核并非近期形成，结合全新世的环境，得出铁锰结核主要在全新世中期形成发育。冯金良等[26]对云贵高原风化壳中锰结核的年代进行分析，发现结核年龄混杂，不具有地质意义。

4.2土壤结核记录的环境变化信息由于Fe、Mn的氧化还原电位不同，其沉积的先后顺序不同，于是形成了Fe、Mn含量交替的环带层。铁锰结核内的环带构造与土壤母质的干湿变化有关[8]。环带构造可能记录了土壤铁锰结核发育过程所经历的氧化还原历史，可以作为环境变化研究的载体[33，37]。由于Fe、Mn具有可变价态、氧化还原电位的特点，其含量和比值能明显地指示其形成环境[38-39]。Mn/Fe与结核生长速度、形成环境密切相关。有学者根据Mn/Fe比值区分不同成因的铁锰结核[39-41]。Cynthia等[42]对德克萨斯州墨西哥湾沿岸平原变性土气候土序中结核的总铁含量与当地年平均降水量进行回归分析，发现总铁含量与所处的剖面深度没有明显的函数关系，而后利用现代变性土、古生代古变性土中铁锰结核总铁含量数据估计古时年平均降水量，发现利用密西西比晚期未侵蚀的古变性土中结核估计的降水量值与利用深层土壤碳酸盐富集层得到的年平均降水量值非常相近，因此将结核与深层土壤碳酸盐富集层结合，将受到侵蚀的古变性土恢复原始土壤厚度成为可能。杨立辉等[43]对第四纪红土中铁锰结核的元素特征进行了分析，根据结核中稀土元素特征等方面分析，认为结核形成于富氧环境，并且经历多次气候的干旱波动。谭文峰等[4]根据武汉黄棕壤结核环带上的元素变化，推测结核在发育过程中经历了由弱到强的干湿交替过程。

5存在的主要问题

自土壤铁锰结核研究深入开展以来，目前仍存在一些问题，有待进一步研究：①对隐藏在土壤铁锰结核中的环境变化信息进行提取，当前的研究还较少；②对结核的空间分布信息进行研究，目前对结核的研究主要是在其本身物理化学特征方面，而空间尺度上对其从横向和纵向进行总体分析较少，后续研究可以联系气候变化规律与结核分布情况，从中提取规律，探讨古气候的变化规律；③结核的年代学研究有待深入。土壤铁锰结核中记录了丰富的环境变化信息。土壤铁锰结核的可靠年代学测定是提取结核与古环境、古气候信息的关键。土壤结核的研究是一项系统工程。它需要和土壤学、地球化学、第四纪等学科交叉互补。

42卷21期苏 优等土壤中铁锰结核的研究进展参考文献

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