Comment#1
Clay Mineralogy of Spodosols with High Clay Contents in the Subalpine Forests of Taiwan
2021/07/11
Comment系列開始！
主要是論文閱讀的心得與整理，讓自己有辦法回來追蹤所看的一些paper，主要內容嘛，就是自己覺得重要的寫，不是嚴謹發表方式，也不算是純翻譯。
Topic:
Lin, C.W., Hseu, Z.Y., and Chen, Z.S. 2002. Clay Mineralogy of Spodosols with High Clay Contents in the Subalpine Forests of Taiwan. Clays and Clay Minerals, 50, 726–735. https://doi.org/10.1346/000986002762090254
前言
淋澱土 (Spodosols) 一般出現在砂質地母質例如冰河沉積物所化育出的土壤，且生成環境多屬於寒帶氣候，但在臺灣的高山地區及亞高山地區皆能發現淋澱土或淋澱化土壤 (podzolic soils) 的生成，這些地方的水分境況多為udic或perudic，而溫度境況多為mesic。但若要生成可被歸類至淋澱土綱的話通常位於地勢平坦的summit或backslope。臺灣的淋澱土的特徵在於黏粒含量大多較高，常可高於30%。
本篇重點在於探討礦物風化，層狀矽酸鹽 (phyllosilicate) 風化時包含K的移除 (mica類) 與Mg, Al的流失 (例如chlorite的brucite結構)，更進一步則包含八面體層中Fe的氧化。在淋澱土中，由於spodic material可能會包裹著礦物而移動，所以妨礙風化作用進行，在表層土壤中常發現quartz之存在，但在Bh層常發現的礦物有kaolinite, smectite及gibbsite，也有hydroxy-interlayered vermiculite (HIV) 的存在。先前的文章提出在人倫林道的四個壤質淋澱土 (分類為Typic Haplohumods及Typic Haplorthod) 剖面中的風化序列為illite, chlorite → vermiculite → smectite → HIV。
採樣地點與土壤描述
位於阿里山，高度介於1500-3000 m，此地的土壤化育自黏質地的海洋沉積物 (marine argillaceous sediments) 及砂頁岩互層 (interbedded sandstone and shale)，應該是臺灣中部山區典型的母質，沉積物來源是中新世 (Miocene) 至上新世 (Pliocene)。植被主要為紅檜等針葉樹。重要的氣候資訊則是年雨量約4000 mm集中在5-9月，年平均溫10.6°C，因此水分及溫度境況分別為udic to perudic及mesic。
採集的三個土壤剖面根據分析結果皆被分類為Ultic Haplorthods，但有著強烈的黏粒移動。
結果與討論
質地分析的結果顯示剖面具黏粒累積的現象，剖面901、902的B層黏粒達到E層的兩倍之多，B層的有機碳含量也高於E層。土壤pH值以表層最低，而隨深度增加。整個剖面的鹽基飽和度 (base saturation) 均小於10%，這是淋澱土常有的特性，鹽基飽和度較低。
在此研究中鐵選擇性抽出的結果是Fed > Fep > Feo，而鋁選擇性抽出則較無差異，可能是因為方法上這些抽出法都是針對鐵的關係，分析結果顯示被有機質chelate住的鐵佔大多數。
礦物
由XRD圖譜中可辨識的礦物有vermiculite, HIV, interstratified vermiculite-illite minerals, illite, kaolinite, quartz及gibbsite。
- Vermiculite: 在Mg飽和時層間距離1.4 nm，以水合能力較低的K飽和處理時層間距離則collapse至1.0 nm。
- HIV: 與vermiculite相近，但其在K飽和時層間距離的collapse程度較低，在加熱至350°C以後才開始降低至1.0 nm。若在室溫K處理即collapse就代表著存在的是vermiculite而非HIV。
- Vermiculite-illite interstratified minerals: Mg飽和時層間距離為兩種礦物之間 (1.0-1.4 nm)，K飽和加熱至110°C後只會剩下1.0 nm，要知道illite因為層間的K離子牢牢吸著，所以不會膨脹收縮，只會出現1.0 nm的peak，此種礦物在O/A層樣品中含量高。
- Illite: 不膨脹收縮的1.0 nm peak為其特徵。
- Kaolinite: 以不膨脹收縮的0.72 nm peak為特徵，在加熱550°C之後高嶺石就會分解消失。
- Quartz: 0.426 nm及0.334 nm peak為特徵。
- Gibbsite: 這我較不熟，主要是在K飽和下0.485 nm peak會在加熱至350°C時消失。
- Chlorite: 不膨脹收縮的1.4 nm，但因為1.4的一半接近於kaolinite的0.72 nm，所以會多做一組HCl處理 (不添加陽離子)，主要目的是破壞chlorite的結構以辨別兩種礦物。本研究中HCl處理所殘留的1.4 nm及0.72 nm peaks便驗證了Bhs層中kaolinite而非chlorite的存在。
本研究中，E層的礦物組成類似O/A層，在E層中皆無發現HIV的存在並以vermiculite與quartz為主，Mg飽和處理中1.4 nm及1.0 nm間移動的大面積peak也顯示了vermiculite-illite混合礦物的存在。
在Bhs層的礦物以vermiculite, vermiculite-illite及HIV為主，但K飽和處理在室溫就collapse至1.0 nm，所以vermiculite所佔的比例較多。Bt層的特徵與Bhs層相似，但HIV較多。C層則以illite與vermiculite為最主要礦物。
值得注意的是，本次甘油處理皆無發現1.7 nm peak，因此無smectite的存在。
礦物的風化
僅有HIV是在E層沒有發現，但卻在其他化育層 (O/A, Bhs, Bt) 皆有發現並在B層最多。要知道HIV是vermiculite層間發生Al intercalation，即被嵌入了水合的鋁聚合物而形成類似chlorite這種不膨脹特性的礦物。有利於HIV形成的條件是中等的酸性 (pH 4.6-5.8)，在本研究土壤中Al也可順利的嵌入層間形成HIV，然而在E層的強酸性可能使HIV無法生成
另外，illite在C層最多，vermiculite隨深度減少，兩者的趨勢剛好相反，代表illite隨著風化而轉變成vermiculite，其過程是illite在風化過程中逐漸釋出層間的K離子而轉變成vermiculite，過往文獻也指出illite容易透過釋出K離子的過程轉變成能膨脹的2:1型礦物 (vermiculite或smectite)，但是在鋁濃度較低且pH > 6的環境下才容易生成smectite，反之在這種pH < 6的酸性環境下較易生成vermiculite。因此，在這種無定型鋁含量高且酸性的條件下，vermiculite是illite主要的風化產物。
酸性的沉積岩母質，例如本次的砂頁岩互層，在風化時由於雲母類的層間可接納Al離子，所以風化過程中的Al並不會直接形成氧化物如gibbsite，這稱為anti-gibbsite effect，因此本研究的剖面中，gibbsite含量較少。
因此，本研究提出的風化機制可以整理為以下幾點：
- Vermiculite是C層的illite之風化產物
- 多雨狀況下的leaching of bases使HIV有辦法生成
- 在礦物於B層生成後，隨淋澱化作用被包裹著有機-金屬錯合物而無法進一步風化
故風化序列為illite → vermiculite (interstratified with illite) → HIV and vermiculite。