脱硅富铝是热带和亚热带地区土壤最重要的形成过程。基于岩石、土壤、植物和水体硅含量的研究已经表明了热带和亚热带地区存在旺盛的硅生物地球化学循环。随地表和淋溶过程流失的硅可来源于不同的土壤组分，如何能够追踪硅迁移的路径和流失的硅源，从而动态、系统地理解土壤的形成过程和机理仍然是深入理解脱硅富铝化过程的关键。
本室杨金玲研究员在皖南花岗岩小流域内系统地观测了岩石、土壤、植物和水体的硅同位素值。发现流域体系中岩石、土壤、植物、水体之间存在着明显的硅同位素分馏，径流水中的硅偏重，植物和土壤中的硅偏轻，这与前人的研究结果相一致（图1，图2）。而不同土壤组分之间硅同位素分馏也十分明显，土壤黏粒明显富集轻硅，而且随着土壤的发育，硅同位素的分馏一直在进行。因此，土壤硅同位素值与土壤的发生演变密切相关（图3）。
图1：流域系统中的硅同位素分馏
图2：植物体内的硅同位素分馏
图3：土壤不同组分的硅同位素分馏
通过流域内岩石、土壤、植物和水体的硅同位素值比较，结合硅在自然界中动力学分馏的原理，进一步明确了该地区岩石、土壤、植物和水体内硅同位素的分馏过程（图4），发现径流水中的硅主要来自原生矿物风化过程，受植硅循环过程的影响较小，这一研究结果与利用流域内硅循环通量计算结果相一致。因此，水体的硅同位素值能够指示硅的来源。
图4：典型花岗岩发育土壤体系中的硅循环和同位素分馏过程
水体明显富集重硅同位素（δ30Si值为+1.5 ‰），这样土壤脱硅过程会不断降低土壤的δ30Si值。但由于植物优先从土壤中吸收轻硅，其在植物体内进一步分馏（图2），导致以落叶归还土壤的植物硅酸体硅可以减缓土壤硅同位素值的进一步下降。
黏粒显著富集轻硅同位素（δ30Si值为-1.1 ‰），证实了一个重要成土过程的存在——次生黏土矿物的再合成过程。一般认为，土壤中的黏土矿物主要有3个形成途径：岩屑物理风化、化学风化和再合成。化学风化是矿物逐渐脱盐基和脱硅，这个过程硅同位素不分馏（图5①, ②, ③， ④）；岩屑物理破碎过程硅亦不产生分馏。因此，黏粒富集轻硅同位素证实了土壤黏粒的再生机制（图5⑥），而且这个过程很可能是亚热带地区次生黏土矿物形成的主要机制。
图5：黏粒硅同位素偏轻指示了矿物风化和次生黏土矿物的形成过程
上述研究成果最近发表于Geoderma 337 (2019) 479-490. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2018.09.047. 研究得到国家自然科学基金项目（No. 41471176; 41571130051）资助。
