Natur und Eigenschaften von Lateritböden aus verschiedenen Ausgangsmaterialien in Taiwan

Abstract

Das Ziel dieser Studie war es, die physikalische, chemische und mineralogische Zusammensetzung von Lateritböden zu untersuchen, um diese Böden in Zukunft als potenzielle Handelsprodukte für industrielle Anwendungen zu nutzen. Fünf lateritische Böden, die aus verschiedenen Ausgangsmaterialien in Taiwan stammen, darunter Andesit, Diluvium, Schiefergestein, Basalt und pleistozäne Ablagerungen, wurden auf der Ebene der Bodenproben gesammelt. Die Analysen ergaben, dass der Tungwei-Boden ein Alfisol ist, während andere lateritische Böden Ultrisol sind. Der höhere pH-Wert des Tungwei-Bodens ist auf die großen Mengen an Ca2+ und Mg2+ zurückzuführen. Die Böden Loupi und Pingchen sind aufgrund des geringeren aktiven Eisenanteils die älteren lateritischen Böden. Was die Eisenminerale betrifft, so wurden in den lateritischen Böden von Tamshui und Tungwei magnetische Eisenoxide wie Magnetit und Maghemit in großen Mengen gefunden. Lepidokrokit wurde nur im Soka-Boden gefunden, und mittlere Mengen an Goethit wurden in den Böden Loupi und Pingchen nachgewiesen. Nach Mg- und K-gesättigten Prozessen wurden in den Böden Loupi und Soka größere Mengen an Mischschichten beobachtet, während Montmorillonit nur im Boden Tungwei nachgewiesen wurde. Die Untersuchungsergebnisse zeigten, dass die Ausgangsmaterialien während des Bodenverwitterungsprozesses eine wichtige Rolle spielen und die physikalische, chemische und mineralogische Zusammensetzung die Bildung von lateritischen Böden stark beeinflusst.

1. Einleitung

Lateritische Böden gehören zu den wichtigen Böden und sind in tropischen Gebieten und subtropischen Klimazonen weit verbreitet. Sie sind die am stärksten verwitterten Böden des Klassifikationssystems. Die lateritischen Böden in Taiwan werden hauptsächlich in Ultisole und Alfisole unterteilt und bedecken etwa 25 % der Anbauflächen. Die wichtigsten Merkmale der lateritischen Böden sind ihre einzigartige Farbe, ihre geringe Fruchtbarkeit, ihr hoher Tongehalt und ihre geringe Kationenaustauschkapazität. Darüber hinaus weisen lateritische Böden einen hohen Anteil an Eisen- und Aluminiumoxiden auf. Eisenoxide, die hauptsächlich in amorphen und kristallinen anorganischen Formen vorkommen, sind einer der Hauptbestandteile vieler Bodenordnungen. In meiner früheren Studie wurden eine Reihe von Bodenproben, darunter Alfisol, Inceptisol, Entisol und Ultisol, verwendet, um ihre H2S-Entfernungseffizienz aus heißem Kohlegas zu testen. Die experimentellen Ergebnisse zeigten, dass die Ultisole unter allen Bodenproben die beste Entfernungseffizienz aufweisen. Darüber hinaus wurde bestätigt, dass der Gehalt an freiem Eisen die Hauptkomponente ist, die die Gesamtentfernungseffizienz beeinflusst. Es ist daher sehr wichtig, die detaillierten Eigenschaften von lateritischen Böden zu verstehen, wenn sie als kommerzielles Produkt für industrielle Anwendungen genutzt werden sollen. Auf der Grundlage der vorangegangenen Studie wird davon ausgegangen, dass die lateritischen Böden von Tamshui und Tungwei aufgrund des Vorhandenseins von Magnetit und Maghemit, zwei Arten von Eisenoxiden, die im Vergleich zu anderen Eisenoxiden eine ausgezeichnete thermodynamische Schwefelung aufweisen, die besten Kandidaten für eine industrielle Anwendung sind. Das Ausgangsmaterial ist ein Schlüsselfaktor, der die Zusammensetzung und Verteilung von Eisen und Mineralien in lateritischen Böden beeinflusst. Anda et al. berichteten über eine Reihe von Oxisolen, die aus Serpentinit, Basalt und Andesit gewonnen wurden, und stellten fest, dass der Gehalt an Eisenoxiden eine deutlich unterschiedliche Verteilung aufweist. Für die aus Serpentinit abgeleiteten lateritischen Böden wurde ein Eisenoxidgehalt von etwa 19 % ermittelt. Unterschiedliche Ausgangsmaterialien bringen auch unterschiedliche physikalische und chemische Eigenschaften mit sich.

Um die detaillierten Informationen über lateritische Böden besser zu verstehen, bestand das Hauptziel dieser Studie darin, die Eigenschaften von lateritischen Böden zu untersuchen, die aus unterschiedlichen Ausgangsmaterialien stammen, einschließlich Schiefergestein, Basalt, Diluvium und Andesit, und grundlegende Informationen über lateritische Böden für die landwirtschaftliche Entwicklung bereitzustellen.

2. Materialien und Methoden

2.1. Untersuchungsgebiet

Fünf lateritische Böden, die in dieser Studie verwendet wurden, wurden an verschiedenen Orten in Taiwan gesammelt. Sie befinden sich im Bezirk Taipei (Tamshui), im Bezirk Taoyuan (Pingchen), im Bezirk Pingtung (Loupi), im Bezirk Taitung (Soka) und im Bezirk Penghu (Tungwei). Eine kurze Beschreibung der morphologischen Merkmale dieser lateritischen Böden findet sich in Tabelle 1. Nach der Bodenklassifikation sind Tamshui, Pingchen, Loupi und Soka Ultraisol und Tungwei ist ein Alfisol.

2.2. Analytische Methoden

Die Bodenproben wurden an der Luft getrocknet, mit einem Mörser zerkleinert und gesiebt, um grobe (>2 mm) Fragmente zu entfernen. Die Partikelgrößenverteilung wurde nach Entfernung von Karbonat, organischen Stoffen und MnO2 mit der Pipettenmethode ermittelt. Karbonat wurde durch 1 M NaOAc mit pH = 5 bei 60°C entfernt, und organische Stoffe und MnO2 wurden zu 30% aufgeschlossen. Der pH-Wert des Bodens wurde mit einer Mischung aus 1 : 1 Boden/deionisiertem Wasser bzw. 1 : 1 Boden/1 M KCl-Lösung mit einer Glaselektrode gemessen. Der Gehalt an organischer Substanz wurde mit der Walkley-Black-Nassoxidationsmethode bestimmt. Die Kationenaustauschkapazität wurde mit der Ammoniumacetatmethode bei pH = 7 bestimmt. Freies Fe (Fed) wurde nach der Dithionit-Citrat-Bikarbonat (DCB)-Methode extrahiert. Zur Extraktion von nicht kristallinem (schlecht kristallinem und organisch gebundenem) Fe (Feox) wurde saures Ammoniumoxalat im Dunkeln verwendet. Die Konzentration von austauschbaren Kationen und Fe wurde mittels ICP/AES (Modell JY38P, JOBIN YVON) bestimmt. Die mineralogische Zusammensetzung der Tonproben wurde durch Röntgenpulverdiffraktometrie ermittelt. Die Tonproben wurden mit 0,5 M MgCl2 (Mg-gesättigt) bzw. 1 M KCl (K-gesättigt) gesättigt. Die Ausdehnungseigenschaften der Mg-gesättigten Tonproben wurden unter Verwendung von Ethylenglykol-Solvatisierung bei 65°C für 24 Stunden bestimmt. Die K-gesättigten Tonproben wurden 2 Stunden lang einer Wärmebehandlung bei 110, 350 und 550 °C unterzogen. Die orientierten Tonproben wurden mit einem Rigaku Model D/MAX III-V Röntgenpulverdiffraktometer untersucht, das mit einer Ni gefilterten CuKα-Strahlung bei 30 mA und 40 kV ausgestattet war. Die Beugungsmuster wurden von 3° bis 90° mit einer Abtastrate von 3°/min aufgenommen. Die Identifizierung und semiquantitative Bestimmung der Tonminerale basierte auf der Differenz der Reflexionsmuster der K-gesättigten, Mg-gesättigten, glykolisierten, erhitzten und luftgetrockneten Proben.

3. Ergebnisse und Diskussion

3.1. Grundlegende physikalische und chemische Eigenschaften verschiedener lateritischer Böden

Kurzbeschreibungen einiger physikalischer und chemischer Eigenschaften sowie der Ausgangsbedingungen der gesammelten Böden sind in den Tabellen 2 und 3 aufgeführt. Die Munsell-Bodenfarben dieser Böden sind in 2,5 bis 5YR angegeben, was bedeutet, dass die Farbe dieser Böden rot oder rotbraun ist. Loupi, Soka und Tungwei enthalten einen hohen Anteil an Ton, während Tamshui und Pingchen hauptsächlich aus Schluff bestehen. Sie gehören zu den Tonböden bzw. den schluffigen Lehmböden. Mit Ausnahme von Pingchen weisen alle Böden eine mäßige Struktur auf. Tamshui und Tungwei weisen eine mäßig und sehr feinkörnige Struktur auf; die anderen sind subangulär blockig und eckig blockig. Die pH-Werte () der Böden liegen bei 4,85, 4,06, 4,02, 4,46 bzw. 8,13 für Tamshui, Pingchen, Loupi, Soka und Tungwei. Offensichtlich sind alle Böden außer Tungwei von Natur aus sauer. Die Differenz des pH-Wertes (pHKCl-) weist für alle Böden einen negativen Wert auf, was darauf hindeutet, dass die vorherrschende Ladung auf der Oberfläche aller Böden negativ ist. Andererseits bedeutet dies auch, dass ein Teil der Austauschstellen Wasserstoffionen enthält. Dies führt zu einer Anionenaustauschkapazität und verringert den Wert für die Kationenaustauschkapazität. Bei pH 7 sind die Wasserstoffionen nicht mehr vorhanden, so dass die Kationenaustauschkapazität einen überhöhten Wert darstellt. Im Falle von Tungwei liegt der pH-Wert im alkalischen Bereich. Dies ist darauf zurückzuführen, dass dieser Standort große Mengen an Kalziumkarbonat und Muschelknollen enthält. Daher liegen die austauschbaren Kationen Ca2+ und Mg2+ für Tungwei bei 9,28 bzw. 8,73 (cmol kg-1). Der Wert ist deutlich höher als der anderer lateritischer Böden, was darauf hindeutet, dass der hohe pH-Wert für Tungwei aus großen Mengen von Ca2+ und Mg2+ resultiert.

Die freien Eisenoxide oder DCB-extrahierbaren Eisenoxide (Fed) in fünf untersuchten Böden liegen zwischen 3,86 und 13,8%. Die Gehalte an oxalatextrahierbaren Eisenoxiden (Feox) in den fünf Böden sind sehr niedrig. Die Feox-Werte der fünf Böden reichen von 0,36 bis 2,42 %. Dieses Ergebnis spiegelt wider, dass die Eisenoxide in lateritischen Böden nur geringe Mengen der schlechten kristallinen oder amorphen Form von Eisenoxiden enthalten und die Hauptform der Eisenoxide im Boden kristalline Eisenoxide sind. Das Verhältnis von Feox zu Fed wurde von Lekwa und Whiteside als „aktives Eisenverhältnis“ bezeichnet. In dieser Studie ist das aktive Eisenverhältnis für Loupi und Pingchen geringer als das von Tamshui und Tungwei. Dieses Ergebnis kann Hinweise auf das Alter der Bodenbildung liefern. Das Verhältnis von Feox zu Fed der fünf lateritischen Böden folgt der Reihenfolge Tungwei > Tamshui > Soka > Pingchen > Loupi. Dies bedeutet, dass Loupi im Vergleich zu den anderen Böden der älteste lateritische Boden sein könnte.

3.2. Tonmineralogie der lateritischen Böden

Die mineralogische Zusammensetzung der fünf lateritischen Böden ist in Tabelle 4 aufgeführt. Der Hauptunterschied zwischen diesen Böden ist der Gehalt an Eisenoxiden. Die vorherrschenden Eisenarten sind Magnetit und Maghemit in Tamshui und Tungwei. Diese beiden Bodenproben weisen die magnetischen Eisenarten auf, was wahrscheinlich auf die Bedingungen ihres Ausgangsmaterials zurückzuführen ist. Die Ausgangsmaterialien von Tamshui und Tungwei sind Andesit bzw. Basalt, die zu den magmatischen Gesteinen gehören. Aufgrund der jüngeren Ausgangsmaterialien oder Landschaften ist das Ausmaß der Verwitterung oder chemischen Auslaugung weniger intensiv, und das Vorhandensein von Magnetit und Maghemit wird auf diesen Grund zurückgeführt. Im Gegensatz zu Tamshui und Tungwei enthalten Pingchen und Loupi identische Eisenoxidarten (Goethit und weniger Hämatit), und die wichtigste Eisenoxidart in Soka ist Lepidokrokit. Im Allgemeinen ist Hämatit die stabile Phase für Eisenoxide in der Atmosphäre. Taiwan befindet sich an der Grenze zwischen tropischem und subtropischem Klima. Die durchschnittliche jährliche Niederschlagsmenge beträgt etwa 2.400 mm und die Durchschnittstemperatur liegt bei 23 °C. Unter solch hohen Feuchtigkeitsbedingungen wird Hämatit in Goethit oder Lepidokrokit umgewandelt. Bei allen fünf Böden werden geringe Mengen an Hämatit durch XRD nachgewiesen. Nach einer K- und Mg-gesättigten Behandlung werden in dieser Studie auch einige Tonminerale identifiziert. Pingchen und Loupi weisen die gleichen Tonminerale auf, darunter Kaolinit, Glimmer, Gibbsit, Vermiculit und geringe Mengen an Chlorit in Mischschichten. Soka enthält große Mengen an Quarz, Glimmern und gemischten Tonmineralien sowie geringe Mengen an Chlorit und Gibbsit. Einzigartig ist, dass die Tonminerale in Tamshui und Tungwei nicht auffällig sind. Im Tungwei-Boden wird nur Montmorillonit nachgewiesen. Anhand der chemischen und mineralogischen Analyse lässt sich feststellen, dass die Unterschiede zwischen den lateritischen Böden in Taiwan auf die verschiedenen Ausgangsmaterialien zurückzuführen sind. Das Ausgangsmaterial ist ein wichtiger Faktor im Bodenbildungsprozess von lateritischen Böden. Das Ausmaß der Verwitterung nimmt wahrscheinlich in der Reihenfolge Loupi ≒ Pingchen > Soka > Tamshui > Tungwei ab.

4. Schlussfolgerungen

In dieser Studie wurden fünf lateritische Böden aus verschiedenen Ausgangsmaterialien in Taiwan untersucht, um ihre physikalischen, chemischen und mineralogischen Eigenschaften zu verstehen. Die Ergebnisse zeigten, dass die Ausgangsmaterialien bei der Bodenverwitterung eine wichtige Rolle spielen. Die physikalische, chemische und mineralogische Zusammensetzung hat einen starken Einfluss auf die Bildung des Bodens. Die lateritischen Böden von Pingchen und Loupi weisen wahrscheinlich einen stärkeren Verwitterungsprozess auf, während der Tungwei ein jüngeres Bodenbildungsalter aufweist. Der größte Unterschied zwischen allen lateritischen Böden ist ihr Gehalt an Eisenoxiden. In den lateritischen Böden von Tamshui und Tungwei wurden magnetische Eisenoxide gefunden. Magnetit und Maghemit sind die wichtigsten Eisenoxide in Tamshui bzw. Tungwei. Lepidokrokit wurde nur in den lateritischen Böden von Soka gefunden und eine mittlere Menge Goethit wurde für die Böden von Loupi bestimmt.

Interessenkonflikt

Der Autor erklärt, dass es keinen Interessenkonflikt in Bezug auf die Veröffentlichung dieser Arbeit gibt.

Danksagungen