石灰岩稻田土壤中铁锰结核对镉同位素分馏的制约

Cadmium (Cd) isotopes have been recently developed as a new proxy to trace the pollution source of cadmium. But this application requires better understanding of Cd isotope variations from the primary sources to the final sinks. Ferromanganese nodules are regionally high active minerals, which play a key role in Cd migration and transformation, as well as its isotope composition. This project focuses on the paddy soil-ferromanganese nodule system to systematically investigate the Cd isotope compositions of soils and ferromanganese nodules by a high-resolution MC-ICPMS. Combined with chemical and physical properties of soils, the controlling factors on their Cd isotope compositions will be revealed. Sequentially chemical extraction and the Cd isotope compositions of soil waters will be used to explore the fractionation mechanisms during formation of ferromanganese nodules. According to the Cd isotope compositions of soils and ferromanganese nodules, combined with isotopic mixing model, the constraint mechanism and the contributions from ferromanganese nodules will be studied. These results will enrich the theory of isotope geochemistry of cadmium, extend its application in the field of soil environmental geochemistry, and provide critical information for accurately identifying the pollution source of cadmium.

镉同位素已发展成为指示镉污染源的有效指标，其应用前必须厘定镉“源”和“汇”之间迁移演化过程中镉同位素的组成变化。铁锰结核作为区域性土壤中的高活性矿物，对土壤重金属元素镉的迁移转化及同位素组成有着重要的影响。本项目以“稻田土壤-铁锰结核体系”为研究对象，利用高分辨MC-ICPMS，系统调查稻田剖面土壤、铁锰结核镉同位素的组成特征，并结合土壤理化性质，查明土壤、铁锰结核镉同位素组成的影响因素；利用化学连续提取技术和土壤孔隙水镉同位素组成特征，探讨土壤铁锰结核形成过程中镉同位素的分馏机理，并以土壤和铁锰结核镉同位素组成特征为基础，构建二端元同位素混合模型，系统解析铁锰结核对土壤镉同位素组成的制约机制和贡献份额。该研究将丰富镉的同位素地球化学理论，拓展其在土壤环境地球化学领域中的应用，并为应用镉同位素准确识别土壤镉污染源提供科学依据。

镉是一种有毒重金属，其污染严重威胁着粮食安全和人类健康。稳定镉同位素是一种潜在的识别土壤中镉来源的有力工具。然而，地表的许多过程（吸附、淋滤、生物作用）可能会导致镉同位素发生分馏，阻碍利用镉同位素追踪土壤镉来源的应用。因此，迫切需要了解一些地表过程中镉同位素的分馏情况。铁(氢)氧化物是一种常见的天然矿物成分，广泛分布于土壤中，特别是经历过长时间发育的高度成熟的土壤。研究表明，铁(氢)氧化物的吸附对镉在土壤中的分布、迁移和生物有效性有很强的控制作用。然而，对于铁(氢)氧化物形成过程中的镉同位素分馏及其对土壤镉同位素组成的控制机理，尚不清楚。..本项目研究了两种不同类型土壤剖面中典型铁锰结核及其周围土壤的镉同位素组成(表达为δ114Cd)。结果表明，剖面底层(即C和W层)铁锰结核的镉同位素组成轻于周围土壤(Δ114Cd铁锰结核-土壤 = -0.114到-0.156‰)。这种同位素组成差异归咎于轻镉同位素优先吸收到针铁矿表面，因为吸附在针铁矿表面的镉的Cd-O键长于水溶液的Cd-O键。然而，P层Δ114Cd铁锰结核-土壤值达到最负(-0.213‰到-0.388‰)，A层中Δ114Cd铁锰结核-土壤转变为正值(0.061‰到0.204‰)。我们认为这主要是由土壤发育过程中的生物地球化学过程(如淋滤和生物吸收)所导致。土壤淋滤作用优先向下层土壤(即P层)释放重镉同位素，使表层土壤的镉同位素组成变轻，下层土壤的镉同位素组成变重。此外，生物吸收过程也可能改变表层土壤的同位素组成，因为轻镉同位素优先进入植物。..本项目的研究成果表明，铁(氢)氧化物的形成、淋滤和生物过程可显著改变土壤的镉同位素组成，突出了自然作用下产生的生物地球化学过程对利用镉同位素追踪土壤重金属来源的重要性。