在侧伏基岩（波罗的海克拉通）上发现的吉维蒂安古土壤（Givetian paleosol）表明，原始植被的根茎系统对岩石进行了强烈的风化作用

《CATENA》：Givetian paleosol on sidefitic bedrock (Baltica Craton) reveals intense weathering by rhizomatous system of primitive vegetation

古土壤发育与矿物转化机制研究：揭示中泥盆世热带环境下的植物-土壤互作与Fe(III)还原过程。

　　
本文报道了俄罗斯库尔斯克地区 Mikhailovsky 铁矿坑道中发现的一处保存完好的 Middle Devonian 古土壤剖面（年龄约 378.9–385.3 百万年前），为研究早期陆地生态系统和古土壤形成机制提供了关键样本。该剖面发育于铁质前寒武纪基岩风化壳之上，由角砾岩构成，富含次生 сидерит（FeCO?）沉积，并密集保存了原始植物的地下器官化石。以下从多个维度解析这一重要发现：

**地质背景与剖面特征**
研究区域位于巴尔干克拉通 Voronezh 弓形结构带，处于 Dnieper-Donets 裂谷北缘。Middle Devonian 时期该地区接近赤道，气候湿润，具备形成典型热带古土壤的构造和气候条件。剖面垂直节理发育，厚度达 150 厘米以上，整体呈现上红下黄的分层特征（5YR 5/4 至 10YR 7/1），且未发现显著外源物质混入痕迹，证实为原地成土过程。

**矿物学与地球化学演化**
基岩主要由前寒武纪铁质石英岩构成，原始矿物组成为 сидерит（56.5%）、赤铁矿（31%）和磁赤铁矿（13%）。成土过程中发生显著矿物相转化：
1. **还原带（层2）**：赤铁矿和磁赤铁矿被还原为 сидерит（含量达 68.3%），伴随磁性矿物（如磁铁矿）形成，磁化率显示局部升高（0.19×10?? SI）
2. **氧化带（层3）**：还原过程不完全，残留赤铁矿（7.9% Fe?O?），同时检测到硫铁矿化迹象（方解石含量达 85%）
3. **基岩层（层1）**：保持原始矿物组成，显示典型风化壳特征

同位素分析显示 сидерit δ13C 值（-9.6‰至-9.9‰ VPDB）与基岩无显著差异，但 δ1?O 值（-4.4‰）较基岩（-1.8‰）显著偏移，暗示成土期间存在温度梯度驱动的流体作用。XRD 分析证实黏土矿物以高岭石为主（含量达 79.4%），这与热带干旱区古土壤的典型特征一致。

**植物-土壤互作证据**
显微观察显示：植物残体呈现网状结构（直径 5-300 微米），其组织学与基岩矿物形成空间对应关系。特别值得注意的是：
- 地上部分表现为煤化维管束（直径 1-2 毫米），与地下器官（直径 0.5-1 毫米）结构同源
- 植物根系替代结构发育，形成连续的网状系统（图4C-E）
- 植物化石与矿物转化存在时空耦合（层2还原带对应最大根系密度）

**微生物地球化学作用**
综合磁化率（层2达 0.19×10?? SI）、硫同位素（-4.4‰ δ13C）及矿物相分析，推测存在多相微生物群落：
1. **铁循环微生物**：Fe(III) 还原菌（如 Desulfovibrio 属）在缺氧带（层2）将赤铁矿转化为 сидерит
2. **硫循环微生物**：检测到黄铁矿微晶（图7B），暗示硫还原过程
3. **硝酸盐代谢菌**：植物残体含氮量达 1%，结合 сидерит δ1?O 值，推测存在硝酸盐还原作用

**古气候与水文重建**
古土壤的显著分异（Fe?O?含量从基岩层的 85% 降至氧化带的 1.1%）表明：
- **季节性积水**：层2-3 的磁化率变化（0.06→0.19×10?? SI）与植物根系发育深度吻合
- **蒸发平衡**：Feng 指数（2.8→1.7）和 IOL 指数（14→5）显示干湿交替过程
- **铁质迁移**：植物根系可能通过有机酸分泌促进 Fe(III) 还原，形成生物矿化产物

**分类学挑战与意义**
该古土壤在现有分类体系中面临定位难题：
- **氧化还原指标矛盾**：虽然具有氧化带特征（保留 7.9% Fe?O?），但磁化率（层2达 0.19×10?? SI）和矿物组合（sideline-kaolinite-磁铁矿）更接近于氧化成土作用
- **养分限制特征**：全剖面 K、Ca、P、Mg 含量均低于检测限（XRF 检测精度 0.1%），暗示存在特殊的养分循环机制

该发现突破了以下研究瓶颈：
1. **深剖面保存**：首次发现超过 150 厘米的连续成土剖面，为研究古土壤发育动力学提供理想样本
2. **矿物-生物耦合**：揭示植物根系可能通过物理屏障（直径 0.5-1 毫米）和化学分泌物（有机酸浓度 > 0.5 mol/L）调控微生物群落分布
3. **前寒武纪成土机制**：证实 3.8 亿年前已存在类似现代湿热气候区的强烈生物地球化学作用

**研究局限与展望**
当前研究存在以下局限：
- 古植物分类依赖分子系统发育，需结合宏化石证据
- 水文条件重建依赖间接指标（如磁化率、矿物组合）
- 微生物群落结构未完全解析（需宏基因组测序）

未来研究建议：
1. 开展原位同位素比值质谱（IRS）分析，精确测定矿物形成顺序
2. 进行多孔介质扫描电镜分析，重建古土壤孔隙结构
3. 结合古气候模型，验证 3.8 亿年前热带气候假设

该成果不仅完善了 Middle Devonian 生态序列，更为理解现代热带红壤形成机制提供了 3.8 亿年前的"自然实验室"。特别是揭示了植物根系在铁氧化物还原过程中的调控作用，这一发现将推动古土壤学在行星科学中的应用发展。