Natuur en eigenschappen van lateritische bodems afkomstig van verschillende moedermaterialen in Taiwan

Abstract

Het doel van deze studie was om de fysische, chemische en mineralogische samenstelling van lateritische bodems te onderzoeken om deze bodems in de toekomst te kunnen gebruiken als potentiële commerciële producten voor industriële toepassing. Vijf lateritische bodems afkomstig van verschillende moedermaterialen in Taiwan, waaronder andesiet, diluvium, leisteen, basalt en pleistocene afzetting, werden verzameld uit het niveau van bodemmonsters. Op basis van de analyses is de Tungwei-bodem een alfisol, terwijl andere lateritische bodems ultisol zijn. De hogere pH-waarde van Tungwei wordt toegeschreven aan de grote hoeveelheden Ca2+ en Mg2+. Loupi en Pingchen zouden de oudere lateritische bodems zijn vanwege de lagere actieve ijzerverhouding. Wat de ijzermineralen betreft, werden de magnetische ijzeroxiden zoals grote hoeveelheden magnetiet en maghemiet aangetroffen voor respectievelijk de laterietgronden van Tamshui en Tungwei. Lepidocrociet werd alleen aangetroffen in de Soka-bodem en middelmatige hoeveelheden goethiet werden aangetroffen in de Loupi- en Pingchen-bodems. Na Mg-verzadigde en K-verzadigde processen werden grote hoeveelheden gemengde laag waargenomen in Loupi en Soka bodems, terwijl het montmorilloniet alleen in Tungwei bodem werd waargenomen. De onderzoeksresultaten toonden aan dat de moedermaterialen een belangrijke rol zouden spelen tijdens het bodemverouderingsproces en dat de fysische, chemische en mineralogische samenstellingen een sterke invloed hebben op de vorming van lateritische bodems.

1. Inleiding

Lateritische bodems zijn een van de belangrijkste bodems en zijn wijdverspreid in tropische gebieden en subtropische klimaten. Het zijn de meest verweerde bodems in het classificatiesysteem. Laterietgronden in Taiwan worden meestal ingedeeld in ultisolen en alfisolen en beslaan ongeveer 25% van de landbouwgronden. De belangrijkste kenmerken van de laterietgronden zijn hun unieke kleur, hun geringe vruchtbaarheid, hun hoge kleigehalte en hun lagere kationenuitwisselingscapaciteit. Bovendien bezitten laterietgronden een grote hoeveelheid ijzer- en aluminiumoxiden. IJzeroxiden, die voornamelijk in amorfe en kristallijne anorganische vormen voorkomen, zijn een van de belangrijkste componenten in veel bodemorden. In mijn vorige studie werd een reeks bodemmonsters, waaronder alfisol, inceptisol, entisol en ultisol, gebruikt om hun H2S-verwijderingsefficiëntie uit heet steenkoolgas te testen. Experimentele resultaten toonden aan dat de ultisol de beste verwijderingsefficiëntie van alle bodemmonsters hebben. Bovendien bleek het gehalte aan totaal vrij ijzer de belangrijkste component te zijn die het verwijderingsrendement beïnvloedt. Het is dus erg belangrijk om de gedetailleerde eigenschappen van lateritische bodems te begrijpen als ze een commercieel product voor industriële toepassing willen worden. Op basis van de voorgaande studie wordt aangenomen dat de laterietgronden Tamshui en Tungwei de beste kandidaten zijn voor industriële toepassing vanwege de aanwezigheid van magnetiet en maghemiet, twee soorten ijzeroxiden met een uitstekende thermodynamische ontzwaveling in vergelijking met andere ijzeroxiden. Het moedermateriaal is een sleutelfactor die de samenstelling en verdeling van ijzer en mineralen in lateritische bodems beïnvloedt. Anda et al. rapporteerden een serie oxisolen afgeleid van serpentiniet, basalt, en andesiet en ontdekten dat het gehalte aan ijzeroxiden een duidelijk verschillende verdeling heeft. Ongeveer 19% ijzeroxide werd bepaald voor de lateritische bodems afgeleid van serpentiniet. Verschillende moedermaterialen brengen ook de verschillende fysische en chemische eigenschappen met zich mee.

Om de gedetailleerde informatie van lateritische bodems beter te begrijpen, waren de hoofddoelstellingen van deze studie dan ook het onderzoeken van de eigenschappen van lateritische bodems afkomstig van verschillende moedermaterialen, waaronder leisteen, basalt, diluvium, en andesiet, en het verstrekken van basisinformatie over lateritische bodems voor landbouwontwikkeling.

2. Materialen en methoden

2.1. Studiegebied

Vijf lateritische bodems die in deze studie werden gebruikt, werden verzameld op verschillende plaatsen in Taiwan. Zij bevinden zich respectievelijk in Taipei County (Tamshui), Taoyuan County (Pingchen), Pingtung County (Loupi), Taitung County (Soka), en Penghu County (Tungwei). Tabel 1 bevat een korte beschrijving van de morfologische karakterisering van deze laterietgronden. Volgens de bodemclassificatie zijn Tamshui, Pingchen, Loupi, en Soka ultisol en is Tungwei een alfisol.

2.2. Analysemethoden

Bodemmonsters werden aan de lucht gedroogd, met een vijzel fijngestampt en gezeefd om grove (>2 mm) fragmenten te verwijderen. De korrelgrootteverdeling werd verkregen met de pipetmethode na verwijdering van carbonaat, organische stoffen en MnO2. Carbonaat werd verwijderd met 1 M NaOAc met pH = 5 bij 60°C en organische stoffen en MnO2 werden verteerd met 30%. De pH-waarde van de bodem werd gemeten met een mengsel van 1 : 1 bodem/geïoniseerd water en 1 : 1 bodem/1 M KCl-oplossing, respectievelijk met een glaselektrode. Het gehalte aan organische stof werd bepaald met de natte oxidatiemethode Walkley-Black . De kationenuitwisselingscapaciteit werd bepaald met behulp van de ammoniumacetaatmethode bij pH = 7 . Vrij Fe (Fed) werd geëxtraheerd met de dithioniet-citraat-bicarbonaat (DCB)-methode . Zuur ammoniumoxalaat in het donker werd gebruikt om niet-kristallijn (slecht kristallijn en organisch gebonden) Fe (Feox) te extraheren. De concentratie van uitwisselbare kationen en Fe werd bepaald door ICP/AES (JY38P model, JOBIN YVON). De mineralogische samenstelling van de kleimonsters werd vastgesteld met röntgenpoederdiffractie. De kleimonsters werden verzadigd met respectievelijk 0,5 M MgCl2 (Mg-verzadigd) en 1 M KCl (K-verzadigd). De uitzettingseigenschappen van de met Mg verzadigde kleimonsters werden bepaald met behulp van ethyleenglycol solvatatie bij 65°C gedurende 24 uur. De met K verzadigde klei proefstukken werden onderworpen aan opeenvolgende warmtebehandelingen bij 110, 350, en 550°C gedurende 2 uur. De georiënteerde kleimonsters werden onderzocht met een Rigaku Model D/MAX III-V röntgen-poeder diffractometer uitgerust met een Ni-gefilterde CuKα straling opgewekt bij 30 mA en 40 kV. De diffractiepatronen werden opgenomen van 3° tot 90° met een scansnelheid van 3°/min. De identificatie en semikwantitatieve bepaling van de kleimineralen werden gebaseerd op het verschil van de reflectiepatronen van de met K verzadigde, met Mg verzadigde, geglycolateerde, verhitte en aan de lucht gedroogde specimens.

3. Resultaten en Discussie

3.1. Korte beschrijvingen van enkele fysische en chemische eigenschappen en van de moederomstandigheden van de verzamelde bodems worden gegeven in de tabellen 2 en 3. De Munsell bodemkleurnotatie van deze gronden is 2.5 tot 5YR, hetgeen aangeeft dat de kleur van deze gronden rood of roodachtig bruin is. Loupi, Soka, en Tungwei bevatten grote hoeveelheden kleifractie, terwijl Tamshui en Pingchen hoofdzakelijk uit siltfractie bestaan. Zij behoren tot respectievelijk de klei en de siltige klei in de textuurclassificatie. Met uitzondering van Pingchen hebben alle bodems een matige structuur. Tamshui en Tungwei lijken matig en zeer fijnkorrelig van structuur; de andere lijken subangular blocky en angular blocky. De pH () waarden van de bodems zijn 4,85, 4,06, 4,02, 4,46, en 8,13 voor respectievelijk Tamshui, Pingchen, Loupi, Soka, en Tungwei. Het is duidelijk dat alle bodems zuur van aard zijn, behalve Tungwei. Het verschil in pH (pHKCl-) vertoont een negatieve waarde voor alle bodems, wat erop wijst dat de dominante lading aan het oppervlak van alle bodems negatief is. Anderzijds geeft dit ook aan dat een deel van de uitwisselingsplaatsen waterstofionen bevat. Dit levert anionenuitwisselingscapaciteit op en verlaagt de waarde voor kationenuitwisselingscapaciteit. Bij pH 7 zijn de waterstofionen verdwenen, en is de kationenuitwisselingscapaciteit dus een opgeblazen waarde. In het geval van Tungwei behoort de pH-waarde tot het alkalische gebied. Dit is te wijten aan het feit dat deze locatie grote hoeveelheden calciumcarbonaat en schelpknollen bevat. Daarom bedragen de uitwisselbare kationen van Ca2+ en Mg2+ voor Tungwei respectievelijk 9,28 en 8,73 (cmol kg-1). Deze waarde is aanzienlijk hoger dan die van andere laterietgronden, hetgeen erop wijst dat de hoge pH-waarde voor Tungwei het gevolg is van grote hoeveelheden Ca2+ en Mg2+.

Monster Diepte (cm) Horizon Munsell-kleur (droog) Zand Silt Klei Structuur Structuura Consistentie (%) Tamshui 0-10 A 2.5JR 3/4 11,5 45,6 42.9 Silte klei 2-vf-gr Zeer kruimelig Pingchen 0-10 Ap1 5YR 6/8 14.4 43.8 41.8 Silty clay 1-vf-sbk Hard Loupi 0-10 Ap1 5YR 5/6 14.3 34.2 51.5 Clay 2-f-sbk Friable Soka 0-10 A 5YR 4/5 23.5 26.8 49.7 Clay 2-f-abk Firm Tungwei 0-10 A 2.5YR 3/4 17.7 22.1 60.2 Klei 2-vf-gr stevig

1: zwak; 2: matig; vf: zeer fijn; f: fijn; gr: korrelig; sbk: subangular blocky; abk: hoekig blocky.

Tabel 2

Enige fysische eigenschappen van de bestudeerde lateritische bodems.

>

monster pH H2O pH KCl ΔpH KCl – H2O CEC* (cmol/kg) Organische stoffen (g/kg) BSP (%) Gevoed (%) Feox (%) Feox/Vederd Tamshui 4.85 4.03 -0.82 12.3 15.8 17.4 6.75 1.06 15.7 Pingchen 4.06 2.94 -1.12 8.9 23.1 7.23 3.86 0.36 9.32 Loupi 4.02 3.39 -0.63 8.4 32.4 3.12 5.31 0.47 8.85 Soka 4.46 3.74 -0.72 13.8 3.5 87.3 8.74 1.03 11.8 Tungwei 8.13 7.31 -0.82 18.7 26.5 23.8 13.8 2.42 17.6

CEC-waarden zijn voor pH 7.

Tabel 3

Enige chemische eigenschappen van de bestudeerde laterietgronden.

De vrije ijzeroxiden of DCB-extraheerbare ijzeroxiden (Fed) in vijf bestudeerde bodems variëren van 3,86 tot 13,8%. De oxalaat-extraheerbare ijzeroxiden (Feox) gehaltes van de vijf bodems zijn zeer laag. De waarden van Feox in vijf bodems variëren van 0,36 tot 2,42%. Dit resultaat geeft aan dat ijzeroxiden in lateritische bodems minder arme kristallijne of amorfe vorm van ijzeroxiden bevatten en dat de belangrijkste vorm van ijzeroxiden die in de bodem aanwezig is, kristallijne ijzeroxiden zijn. De verhouding tussen Feox en Fed is door Lekwa en Whiteside uitgedrukt als de “actieve ijzerverhouding”. In deze studie is de verhouding actief ijzer voor Loupi en Pingchen lager dan die voor Tamshui en Tungwei. Dit resultaat kan het bewijs leveren met betrekking tot de leeftijd van de bodemvorming. De Feox tot Fed verhouding van de vijf lateritische bodems volgt de volgorde Tungwei > Tamshui > Soka > Pingchen > Loupi. Dit impliceert dat Loupi wellicht de oudste lateritische grond is in vergelijking met de andere.

3.2. De mineralogische samenstelling van de vijf laterietgronden is weergegeven in tabel 4. Het grootste verschil tussen deze bodems is het gehalte aan ijzeroxiden. De dominante ijzersoorten zijn magnetiet en maghemiet voor de Tamshui en Tungwei. Deze twee bodemmonsters bezitten de magnetische ijzersoorten waarschijnlijk als gevolg van de omstandigheden van hun moedermateriaal. De moedermaterialen van Tamshui en Tungwei zijn respectievelijk andesiet en basalt, die tot het stollingsgesteente behoren. Omdat de moedermaterialen of landschappen jonger zijn, is de mate van verwering of chemische uitloging minder intensief en wordt de aanwezigheid van magnetiet en maghemiet daaraan toegeschreven. In tegenstelling tot Tamshui en Tungwei bevatten Pingchen en Loupi identieke ijzeroxidesoorten (goethiet en minder hematiet) en de belangrijkste ijzeroxidesoort in Soka is lepidocrociet. In het algemeen is hematiet de stabiele fase voor ijzeroxiden in de atmosfeer. Taiwan bevindt zich op de grens tussen een tropisch en een subtropisch klimaat. De gemiddelde jaarlijkse neerslag is ongeveer 2.400 mm en de gemiddelde temperatuur is ongeveer 23°C. Onder dergelijke hoge vochtigheidsomstandigheden wordt hematiet omgezet in goethiet of lepidocrociet. Voor alle vijf bodems zijn kleine hoeveelheden hematiet aangetoond door XRD. Na K- en Mg-verzadigde behandeling worden in deze studie ook enkele kleimineralen geïdentificeerd. Pingchen en Loupi bezitten dezelfde kleimineralen waaronder kaoliniet, mica’s, gibbsiet, vermiculiet, en geringe hoeveelheden chloriet van gemengde lagen. Soka bevat grote hoeveelheden kwarts, mica’s en kleimineralen in gemengde lagen, samen met kleine hoeveelheden chloriet en gibbsiet. Uniek is dat de kleimineralen in Tamshui en Tungwei niet opvallend zijn. In Tungwei-bodem wordt alleen montmorilloniet aangetroffen. Op basis van de chemische en mineralogische analyse kan worden vastgesteld dat de verschillen tussen de laterietgronden in Taiwan het gevolg zijn van verschillen tussen de diverse moedermaterialen. De moedermaterialen spelen een belangrijke factor in het bodemvormingsproces van lateritische bodems. De mate van verwering neemt waarschijnlijk af in de volgorde Loupi ≒ Pingchen > Soka > Tamshui > Tungwei.

Ligging van de bodem Mineralogische samenstelling Qza Kao Mic Gib Hem Goe Lep Magb,c Maghemb,c Ver Mon Chl ML Tamshui ++ + ++ + + nd +++ ++ nd nd + + + Pingchen ++++ ++ +++ ++ + ++ nd nd nd ++ nd + ++ Loupi ++++ ++ +++ ++ + ++ nd nd ++ nd + +++ Soka +++ + +++ + + + ++ nd nd nd nd ++ +++ Tungwei ++ + + + + + nd + +++ + +++ nd +

Qz: kwarts of halloysiet; Kao: kaoliniet; Mic: mica’s; Gib: gibbsiet; Hem: hematiet; Goe: goethiet; Lep: lepidocrociet; Mag: magnetiet; Maghem: maghemiet; Ver: vermiculiet; Mon: montmorilloniet; Chl: chloriet; ML: gemengde laag. bKleifractie zonder verwijdering van vrije ijzeroxiden. cMagnetiet en Maghemiet werden geconcentreerd met de handmagneet. ++++: dominant; +++: belangrijk; ++: intermediair; +: minder belangrijk; nd: niet gedetecteerd.

Tabel 4

Mineraalsamenstelling in de kleifractie voor de vijf bestudeerde lateritische bodems.

4. Conclusies

In deze studie werden vijf lateritische bodems, gevormd uit verschillende moedermaterialen in Taiwan, onderzocht om hun fysische, chemische, en mineralogische eigenschappen te begrijpen. Uit de resultaten bleek dat de moedermaterialen een belangrijke rol spelen tijdens de verwering van de bodem. De fysische, chemische en mineralogische samenstellingen hebben een sterke invloed op de vorming van de bodem. De laterietgronden Pingchen en Loupi hebben waarschijnlijk een sterker verweringsproces ondergaan, terwijl de Tungwei een jongere bodemvormingsleeftijd heeft. Het grootste verschil tussen alle laterietgronden is hun gehalte aan ijzeroxiden. De laterietgronden Tamshui en Tungwei bleken magnetische ijzeroxiden te bevatten. Magnetiet en maghemiet zijn de belangrijkste ijzeroxiden voor respectievelijk Tamshui en Tungwei. Lepidocrociet werd alleen gevonden in Soka lateritische bodems en een middelmatige hoeveelheid goethiet werd bepaald voor Loupi bodems.

Conflict of Interests

De auteur verklaart dat er geen belangenconflict is met betrekking tot de publicatie van dit artikel.

Acknowledgments