热带与温带非火山区域土壤有机碳的深度分布控制机制及其气候-母质-活性铝铁交互作用

本研究针对非火山区域土壤有机碳(SOC)的深度分布控制机制这一关键科学问题，通过整合随机森林回归(RFR)和结构方程模型(SEM)技术，系统分析了211个站点表层土(topsoil)和底土层(subsoil)的17项土壤理化指标与4项气候参数。研究发现活性铝铁(Alo+Feo)是底土层SOC的核心控制因子(解释方差达75%)，而表层土SOC则受温度(MAT)、pH和活性铝铁共同调控；气候和母质(Al2O3+Fe2O3)通过调节活性铝铁含量间接影响SOC分布。该研究为改进全球碳循环模型提供了关键参数，对预测不同气候带土壤碳汇潜力具有重要意义。

　　

土壤作为陆地生态系统中最大的有机碳库，其碳储量是大气碳库的三倍以上。然而，土壤有机碳(SOC)的稳定机制仍存在显著认知空白，特别是在非火山区域，传统模型强调黏土含量的主导作用，但近年研究发现活性铝铁(acid-oxalate extractable Al/Fe, Al_o+Fe_o)可能具有更关键的调控功能。这种认知差异严重制约着全球碳循环模型的预测精度，尤其在气候变暖背景下，亟需明确不同土层深度中气候-母质-土壤性质的交互作用机制。

为解决这一科学难题，日本京都大学等机构的研究团队在《Geoderma》发表了开创性研究。团队采集了涵盖热带(印尼、泰国等)和温带(日本)178个热带与33个温带站点的422个土壤样本(包含topsoil和subsoil)，采用随机森林回归(RFR)筛选关键变量，结合结构方程模型(SEM)解析控制路径。通过测定17项土壤参数(包括pH、Al_o+Fe_o、黏土含量等)和4项气候指标(MAT、EP等)，构建了跨气候带的土壤碳循环模型。

3.1 土壤特性与气候梯度
数据显示温带站点SOC含量显著高于热带(日本topsoil达750±337 cmol kg^-1)，且活性铝铁含量与SOC呈显著正相关(r>0.5)。EP(降水-潜在蒸散)作为水分指标，与土壤pH呈负相关(β=-0.45)，证实了淋溶作用对酸化过程的驱动。

3.2 机器学习识别关键因子
RFR模型揭示：在topsoil中MAT是最重要变量(%IncMSE=15.3)，而subsoil中Al_o+Fe_o贡献率超72%。部分依赖图显示SOC与Al_o+Fe_o呈明显剂量效应，当含量达50 cmol kg^-1时topsoil SOC增长57%。

3.3 结构方程模型解析路径
SEM证实subsoil中Al_o+Fe_o对SOC的直接效应(β=0.76***)远超MAT和pH。气候因子通过双重路径影响SOC：MAT降低Al_o+Fe_o含量(β=-0.21)，而EP通过促进母质风化间接增加活性铝铁。值得注意的是，topsoil存在SOC与Al_o+Fe_o的反馈循环，表明有机输入可抑制矿物结晶。

这项研究首次系统阐明了非火山区域土壤碳库的深度分异机制：在subsoil中，母质衍生的活性铝铁是SOC的核心"守门人"，其控制力是传统黏土模型的1.6倍；而topsoil SOC则受气候直接调控。该发现突破了现有模型对黏土作用的过度依赖，提出活性铝铁应作为碳循环模型的新核心参数。特别是在预测亚表层碳汇对气候变化的响应时，需重点考虑母质组成(Al₂O₃+Fe₂O₃)通过活性铝铁介导的间接效应。研究为全球1.4×10¹⁵ kg非火山土壤碳库的精准管理提供了理论基石，对实现"双碳"目标具有重要实践价值。