Natur och egenskaper hos lateritiska jordar från olika modermaterial i Taiwan

Abstract

Syftet med den här studien var att undersöka den fysikaliska, kemiska och mineralogiska sammansättningen hos lateritiska jordar i syfte att använda dessa jordar som potentiella kommersiella produkter för industriell användning i framtiden. Fem lateritiska jordar som härrör från olika modermaterial i Taiwan, inklusive andesit, diluvium, skiffersten, basalt och pleistocena avlagringar, samlades in från nivån av jordprover. På grundval av analyserna är Tungwei jorden en alfisol, medan andra lateritiska jordar är ultisol. Tungweis högre pH-värde tillskrivs de stora mängderna Ca2+ och Mg2+. Loupi- och Pingchen-jordarna skulle vara de äldre lateritjordarna på grund av den lägre aktiva järnkvoten. När det gäller järnmineraler hittades magnetiska järnoxider, t.ex. stora mängder magnetit och maghemit, i Tamshui och Tungwei lateritiska jordar. Lepidokrokit hittades endast i Soka-jord och medelstora mängder goethit påträffades i Loupi- och Pingchen-jordarna. Efter Mg-mättade och K-mättade processer observerades större mängder blandskikt i Loupi- och Soka-jordarna, medan montmorillonit endast påträffades i Tungwei jorden. Undersökningsresultaten visade att modermaterialen skulle spela en viktig roll under markens vittringsprocess och att fysiska, kemiska och mineralogiska sammansättningar starkt påverkar bildandet av lateritjordar.

1. Introduktion

Lateritiska jordar är en av viktiga jordar och är utbredda i tropiska områden och subtropiska klimat. De är de mest vittrade jordarna i klassificeringssystemet. Lateritiska jordar i Taiwan klassificeras huvudsakligen i ultisoler och alfisoler och täcker cirka 25 procent av odlingsmarkerna. De viktigaste kännetecknen för lateritjordar är deras unika färg, dåliga bördighet, höga lerhalt och lägre katjonbyteskapacitet. Dessutom har lateritiska jordar en stor mängd järn- och aluminiumoxider. Järnoxider, som huvudsakligen finns i amorfa och kristallina oorganiska former, är en av de viktigaste komponenterna i många jordarter. I min tidigare studie användes en rad jordprover, däribland alfisol, inceptisol, entisol och ultisol, för att testa deras effektivitet när det gäller att avlägsna H2S från varm kolgas. Experimentella resultat visade att ultisolerna har den bästa avskiljningseffektiviteten bland alla jordprover. Dessutom har det bekräftats att innehållet av totalt fritt järn är den viktigaste komponenten som påverkar den totala avskiljningseffektiviteten. Det är därför mycket viktigt att förstå de detaljerade egenskaperna hos lateritiska jordar när de ska bli en kommersiell produkt för industriell användning. Baserat på den tidigare studien tros det att Tamshui och Tungwei lateritiska jordar är de bästa kandidaterna för industriell användning på grund av närvaron av magnetit och maghemit, som är två typer av järnoxider som har en utmärkt termodynamisk svavelavskiljning jämfört med andra järnoxider . Modermaterialet är en nyckelfaktor som påverkar järn- och mineralsammansättningen och fördelningen för lateritiska jordar. Anda et al. rapporterade en serie oxisoler som härrör från serpentinit, basalt och andesit och fann att innehållet av järnoxider har en uppenbart annorlunda fördelning. Cirka 19 % järnoxid fastställdes för de lateritiska jordar som härrör från serpentinit. Olika modermaterial medför också olika fysikaliska och kemiska egenskaper.

För att bättre förstå den detaljerade informationen om lateritiska jordar var huvudmålen för denna studie därför att undersöka egenskaperna hos lateritiska jordar som härstammar från olika modermaterial, inklusive skiffersten, basalt, diluvium och andesit, och att tillhandahålla grundläggande information om lateritiska jordar för utveckling av jordbruket.

2. Material och metoder

2.1. Undersökningsområde

Fem lateritiska jordar som användes i denna studie samlades in från olika platser i Taiwan. De ligger i Taipei County (Tamshui), Taoyuan County (Pingchen), Pingtung County (Loupi), Taitung County (Soka) respektive Penghu County (Tungwei). En kort beskrivning av den morfologiska karakteriseringen av dessa lateritiska jordar ges i tabell 1. Enligt markklassificeringen är Tamshui, Pingchen, Loupi och Soka ultisoler och Tungwei är en alfisol.

2.2. Analysmetoder

Jordproverna lufttorkades, krossades med en mortel och siktades för att avlägsna grova (>2 mm) fragment. Partikelstorleksfördelningen erhölls med pipettmetoden efter avlägsnande av karbonat, organiska ämnen och MnO2. Karbonat avlägsnades med 1 M NaOAc med pH = 5 vid 60 °C och organiska ämnen och MnO2 smältes med 30 % . Jordens pH-värde mättes i en blandning av 1:1 jord/dejoniserat vatten respektive 1:1 jord/1 M KCl-lösning med en glaselektrod . Innehållet av organiskt material bestämdes med Walkley-Black våtoxidationsmetod . Kationbyteskapaciteten bestämdes med ammoniumacetatmetoden vid pH = 7 . Fri Fe (Fed) extraherades med dithionit-citrat-bikarbonat-metoden (DCB). Surt ammoniumoxalat i mörker användes för att extrahera icke-kristallin (dåligt kristallin och organiskt bunden) Fe (Feox) . Koncentrationen av utbytbara katjoner och Fe bestämdes med ICP/AES (modell JY38P, JOBIN YVON). Den mineralogiska sammansättningen bestämdes med hjälp av röntgenpulverdiffraktion för lerproverna. Lerproverna mättades med 0,5 M MgCl2 (Mg-mättad) respektive 1 M KCl (K-mättad). Expansionsegenskaperna hos de Mg-mättade lerproverna bestämdes med hjälp av etylenglykol-lösning vid 65 °C i 24 timmar. De K-mättade lerproverna utsattes för successiv värmebehandling vid 110, 350 och 550 °C i 2 timmar. De orienterade lerproverna undersöktes med en Rigaku Model D/MAX III-V röntgenpulverdiffraktometer utrustad med Ni-filterad CuKα-strålning genererad vid 30 mA och 40 kV. Diffraktionsmönstren registrerades från 3° till 90° med en skanningshastighet på 3°/min. Identifiering och semikvantitativ bestämning av lermineralerna baserades på skillnaden mellan reflektionsmönstren från K-mättade, Mg-mättade, glykolerade, uppvärmda och lufttorkade prover .

3. Resultat och diskussion

3.1. Grundläggande fysikaliska och kemiska egenskaper hos olika lateritiska jordar

Kortfattade beskrivningar av vissa fysikaliska och kemiska egenskaper samt föräldraförhållanden hos de insamlade jordarna visas i tabellerna 2 och 3. Munsell-markfärgnoteringen av dessa jordar förekommer i 2,5 till 5YR, vilket indikerar att färgen på dessa jordar är röd eller rödbrun. Loupi, Soka och Tungwei innehåller stora mängder lerfraktion, medan Tamshui och Pingchen huvudsakligen består av siltfraktion. De tillhör lera respektive siltig lera i texturklassificeringen. Med undantag för Pingchen har alla jordarterna en måttlig struktur. Tamshui och Tungwei har måttlig och mycket finkornig struktur, medan de andra har subangulära blockiga och kantiga blockiga strukturer. Jordarnas pH-värden () är 4,85, 4,06, 4,02, 4,46 och 8,13 för Tamshui, Pingchen, Loupi, Soka respektive Tungwei. Det är uppenbart att alla jordar är sura till sin natur utom Tungwei. Skillnaden i pH (pHKCl-) visar ett negativt värde för alla jordar, vilket tyder på att den dominerande laddningen på ytan av alla jordar är negativ. Å andra sidan tyder detta också på att en del av utbytesplatserna har vätejoner. Detta ger anjonbyteskapacitet och minskar värdet för katjonbyteskapaciteten. Vid pH 7 är vätejonerna borta, och därför är katjonbyteskapaciteten ett överdrivet värde. När det gäller Tungwei hör pH-värdet till det alkaliska området. Detta beror på att platsen innehåller stora mängder kalciumkarbonat och skalknölar. Därför är de utbytbara katjonerna Ca2+ och Mg2+ för Tungwei 9,28 respektive 8,73 (cmol kg-1). Värdet är betydligt högre än för andra lateritjordar, vilket tyder på att det höga pH-värdet för Tungwei beror på stora mängder Ca2+ och Mg2+.

De fria järnoxiderna eller DCB-extraherbara järnoxiderna (Fed) i de fem studerade jordarna varierar från 3,86 till 13,8 %. De oxalatextraherbara järnoxiderna (Feox) i de fem jordarna är mycket låga. Värdena för Feox i fem jordar varierar från 0,36 till 2,42 %. Detta resultat visar att järnoxiderna i lateritiska jordar innehåller mindre mängder av dålig kristallin eller amorf form av järnoxider och att den huvudsakliga formen av järnoxider som finns i jorden är kristallina järnoxider. Förhållandet mellan Feox och Fed har av Lekwa och Whiteside uttryckts som det ”aktiva järnförhållandet”. I denna studie är den aktiva järnkvoten för Loupi och Pingchen lägre än för Tamshui och Tungwei. Detta resultat kan ge belägg för jordbildningsåldern. Förhållandet mellan Feox och Fed i de fem lateritiska jordarna följer ordningen Tungwei > Tamshui > Soka > Pingchen > Loupi. Detta innebär att Loupi kan vara den äldsta lateritiska jorden jämfört med de andra.

3.2. Lermineralogi i lateritiska jordar

Den mineralogiska sammansättningen för de fem lateritiska jordarna är tabellerad i tabell 4. Den största skillnaden mellan dessa jordar är innehållet av järnoxider. De dominerande järnarterna är magnetit och maghemit för Tamshui och Tungwei. Dessa två jordprover har magnetiska järnarter, vilket troligen beror på deras modermaterial. Tamshui och Tungwei har andesit respektive basalt som tillhör magmatiska bergarter. På grund av yngre modermaterial eller landskap är graden av vittring eller kemisk urlakning mindre intensiv och förekomsten av magnetit och maghemit kan tillskrivas denna orsak. Till skillnad från Tamshui och Tungwei innehåller Pingchen och Loupi identiska järnoxidarter (goethit och mindre hematit) och den viktigaste järnoxidarten i Soka är lepidokrokit. I allmänhet är hematit den stabila fasen för järnoxider i atmosfären. Taiwan ligger på gränsen mellan tropiskt och subtropiskt klimat. Den genomsnittliga årliga nederbörden är cirka 2 400 mm och medeltemperaturen är cirka 23 °C. Under sådana förhållanden med hög luftfuktighet omvandlas hematit till goethit eller lepidokrokit. I alla fem jordar kan mindre mängder hematit påvisas med hjälp av XRD. Efter K- och Mg-mättad behandling identifieras också vissa lermineraler i denna studie. Pingchen och Loupi har samma lermineraler som kaolinit, mikas, gibbsit, vermikulit och mindre blandade kloritskikt. Soka innehåller stora mängder kvarts, mikas och blandade lager av lermineraler tillsammans med små mängder klorit och gibbsit. Unikt är att lermineralen i Tamshui och Tungwei inte är iögonfallande. Endast montmorillonit har påvisats i Tungwei jorden. På grundval av den kemiska och mineralogiska analysen kan man konstatera att skillnaderna mellan lateritjordar i Taiwan beror på skillnader mellan olika modermaterial. Modermaterialet är en viktig faktor i jordbildningsprocessen för lateritiska jordar. Graden av vittring minskar troligen i ordningen Loupi ≒ Pingchen > Soka > Tamshui > Tungwei.

4. Slutsatser

I den här studien undersöktes fem lateritiska jordar som bildats från olika modermaterial i Taiwan för att förstå deras fysiska, kemiska och mineralogiska egenskaper. Resultaten visade att modermaterialen spelar en viktig roll under markens vittring. De fysiska, kemiska och mineralogiska sammansättningarna påverkar starkt bildandet av jorden. Pingchen och Loupi lateritjordar har troligen en starkare vittringsprocess, medan Tungwei har en yngre jordbildningsålder. Den största skillnaden mellan alla lateritjordar är deras innehåll av järnoxider. Tamshui och Tungwei lateritiska jordar visade sig ha magnetiska järnoxider. Magnetit och maghemit är de viktigaste järnoxiderna i Tamshui respektive Tungwei. Lepidokrokit hittades endast i Soka lateritiska jordar och en intermediär mängd goethit bestämdes för Loupi jordar.

Intressekonflikter

Författaren förklarar att det inte finns någon intressekonflikt när det gäller publiceringen av denna artikel.

Acknowledgments