💡这项突破是什么?
钾（K）是植物生长必需的三大营养元素之一。然而，随着农作物对K元素的持续吸收及土壤中K的淋溶作用加剧，全球范围内的土壤K资源呈现日益耗竭趋势。矿物K肥作为重要的补K手段已被广泛应用，但其对地表K循环的影响仍缺乏定量约束。近年来，K同位素（δ41K）因其在示踪土壤–植物–水系统中K迁移过程中的潜力，逐渐成为研究K循环的有力工具。然而，关于K同位素在矿物K肥中的分馏行为及其控制机制仍不明确，是当前制约K循环研究的关键科学问题之一。
中国科学院地质与地球物理研究所刘善科高级工程师选取由钾长石经人工水热蚀变制备的矿物K肥为研究对象，系统测定其总K、酸溶K、水溶K及水不溶但酸溶K等组分的K同位素组成。结合高精度(CC)-MC-ICP-MS(Nu Sapphire)分析方法，构建热力学与动力学分馏机制相结合的框架，并将实验结果与自然风化过程中的K同位素行为对比分析。
研究使用了中国七个地区的钾长石作为原料，经190 °C、24 小时的水热合成反应制备矿物K肥，分析其K同位素组成（图1）。取得了如下主要研究认识：
（1）矿物K肥中δ41K值范围为−0.755±0.023‰至−0.095±0.020‰，其中水溶K显著富集重K同位素，符合自然风化过程中重K向流体富集的趋势（图2）。
（2）理论模型表明，K–O键控制的热力学分馏机制主导K向溶液的迁移，而扩散控制的动力学分馏在一定程度上抵消该效应，从而解释了实验中观测到的分馏幅度小于理论值的现象。
（3）水热反应制备矿物K肥过程中形成的蚀变矿物Tobermorite倾向于富集轻K同位素，但其高比表面特性又吸附富集重K，两者共同作用使得K同位素组成趋于中和，展现出复杂的分馏特征，与自然风化过程中粘土的K同位素行为相似。
（4）矿物K肥与植物吸收作用可使土壤及河流中δ41K值升高，这一过程可能部分解释现代海水中δ41K值偏高的原因，提示K肥施用对全球K循环具有潜在的长期影响（图3）。
图1 实验流程示意图，展示了矿物K肥的制备步骤及不同K形态（如水溶K、酸溶K、水不溶酸溶K）的分离提取过程
图2 钾长石蚀变和花岗岩风化过程中K同位素的分馏对比示意图。(a) KMF中“水不溶但0.5 mol/L酸溶K”的δ41K值与其对应K转化率的关系图；(b) 矿物K肥中水溶K的δ41K值与其对应K转化率的关系图；(c) 风化花岗岩样品的δ41K值与化学风化指数（CIA）的关系图，图中红色五角星表示Teng等（2020）报道的未风化花岗岩样品；红线表示靠近花岗岩风化剖面附近溪流水体中K同位素的变化趋势
图3 全球K循环示意图，说明K肥施用对全球K循环有潜在的长期影响
该研究首次系统揭示了矿物K肥中K同位素的分馏机制，提出“热力学K–O键控制 + 动力学扩散驱动”的耦合机制模型，为K同位素在土壤–植物系统中作为地球化学示踪工具的应用提供了理论支撑。同时，该研究为认识人类活动在全球K循环中的作用，特别是现代海洋K同位素组成的形成过程，提供了新的视角。
研究成果发表于Applied Geochemistry (刘善科，苏本勋，李文君，刘建明. Potassium isotope fractionation of potassium-bearing mineral fertilizers and its implications for global potassium cycle[J]. Applied Geochemistry,2025,183: 106343. DOI: 10.1016/j.apgeochem.2025.106343.)。研究得到第二次青藏科考资助。
【实验室K同位素系列论文】
Li W,Cui M,Pan Q,et al. High-precision potassium isotope analysis using the Nu Sapphire collision cell (CC)-MC-ICP-MS[J]. Science China Earth Sciences,2022,65(8):1510-1521.（见亮点报道《基于碰撞反应池多接收等离子体质谱的K-Ca-Fe同位素高精度分析》）
Li W,Zhao Y,Su B,et al. Experimental investigation of improved tolerance for concentration mismatch in potassium isotope analysis on a hexapole collision cell MC-ICP-MS (Nu Sapphire)[J]. Journal of Analytical Atomic Spectrometry,2023,38(3):603-608.
Ding Z Y,Liu S K,Su B X,et al. Potassium isotope fractionation during granite differentiation and implications for crustal K isotope heterogeneity[J]. Lithos,2023,448: 107176.
Cui M M,Moynier F,Su B X,et al. Stable potassium isotope distribution in mouse organs and red blood cells: implication for biomarker development[J]. Metallomics,2023,15(7):mfad033.（见亮点报道《小白鼠不同器官中钾、钙稳定同位素的组成特征及分馏机制》）
Liu S,Li W,Su B,et al. K isotopic fractionation in K-feldspar: Effects of mineral chemistry[J]. American Mineralogist,2024,109(9):1523-1534.（见亮点报道《晶体化学对锂、钾同位素行为的制约》）
Pan Q Q,Xiao Y,Su B X,et al. Tracing material transport during subduction inception: Insights from potassium isotopes in the crustal sequence of the Troodos ophiolite[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta,2024,373: 259-270.（见亮点报道《初始俯冲过程中流体活动的记录及意义：来自Troodos蛇绿岩洋壳序列钾同位素的证据》）
Su B X,Pan Q Q,Bai Y,et al. Potassium isotope fractionation during silicate-carbonatite melt immiscibility and phlogopite fractional crystallization[J]. American Mineralogist,2024,109(3):591-598. （见亮点报道《金云母分离结晶及熔体不混溶过程中的K同位素分馏》）
Cui M M,Moynier F,Su B X,et al. Determination of K Isotope Compositions in Sedimentary Rocks and Their Implications for Discriminating Sediment Origin[J]. Rapid Communications in Mass Spectrometry,2025,39(10):e10015.
Li W J,Liu S K,Liu Y H,et al. Potassium isotopic analysis of trace levels of K in basaltic and carbonate samples using an HF precipitation per-separation method and collision cell MC-ICP-MS[J]. Microchemical Journal,2025a,213: 113551.
Li W,Gao B,Pan Q,et al. Potassium Isotope Ratios (δ41K) of Eighteen Chinese Rock Reference Materials[J]. Geostandards and Geoanalytical Research,2025b.
Liu S,Su B,Li W,et al. Potassium isotope fractionation of potassium-bearing mineral fertilizers and its implications for global potassium cycle[J]. Applied Geochemistry,2025,183: 106343.
Su B X,Bai Y,Tang Y J,et al. Earth's K recycling: Perspective from K isotopes of intracontinental magmas[J]. Geology,2025,53(3):264-268.
