碳酸盐岩风化-成土过程中重金属两阶段富集机制的微尺度证据及其环境意义

本文通过宏观剖面分析与微区技术（LA-ICP-MS/SEM-EDS）相结合，揭示了碳酸盐岩风化-成土过程中重金属（HMs）的两阶段富集机制：早期碳酸盐溶解阶段因Ca淋失和黏土矿物形成导致HMs富集；后期土壤pH升高促进HMs进一步固定化。研究为岩溶区重金属污染防控与风险评估提供了理论依据。

　　

Highlight

本研究通过整合宏观土壤剖面与微尺度风化壳分析，揭示了碳酸盐岩风化过程中重金属（HMs）的两阶段富集规律，强调了界面地球化学过程对生态环境的潜在影响。

土壤基本理化性质

在LL1剖面中，pH值范围为7.1至7.3，在20 cm处的亚表层达到峰值。从表层向下，pH先升高后降低。LL2剖面的pH值为6.9至7.6，最高值（7.6）出现在30 cm的亚表层，随深度变化趋势相似。相比之下，XP剖面的最高pH值（7.6）出现在最深处（95 cm），最低值（6.8）出现在25 cm处，pH垂直变化与其他剖面不同。

土壤pH与有机质

pH显著影响研究中剖面的重金属（HMs）迁移与富集模式。除PB剖面外，pH的垂直变化与重金属含量的垂直变化趋势一致（图2和图S3）。普遍认为，较高的土壤pH会降低HMs的迁移性，使其更容易在土壤胶体中积累。一些研究表明，H⁺浓度降低会增加土壤胶体表面的负电荷，从而增强对阳离子型重金属的吸附能力。

结论

本研究系统调查了贵州省不同成土强度的四个碳酸盐岩土壤剖面及岩石表面的风化壳。在风化强度较低的土壤中，pH起主导控制作用；而在高成土强度的土壤中，HMs主要受铁氧化物和铝硅酸盐黏土矿物控制。研究揭示了一种两阶段富集模式：第一阶段通过碳酸盐溶解和黏土矿物形成实现初始富集，第二阶段通过高pH值和持续成土作用促进HMs的固定化与结构整合。

环境意义

本研究详细考察了不同风化与成土程度的碳酸盐岩土壤剖面及土壤-岩石界面的微形态风化壳，系统揭示了成土过程中重金属的地球化学行为，创新性提出了碳酸盐岩风化-成土过程中重金属的两阶段富集模式，并明确了不同阶段的关键控制因素。研究成果对岩溶区重金属污染治理与生态风险评估具有重要理论指导价值。