热带深层铁铝土生物扰动作用的微形态学研究：生物扰动层（biomantle）的深度特征与古环境意义

本研究针对热带深层铁铝土（Ferralsols）中生物扰动（bioturbation）过程及其古环境意义不明的问题，通过分析巴西三个地区15个土壤剖面（深达950 cm）的微形态学（micromorphology）和微形态计量学（micromorphometric）特征，揭示了白蚁、切叶蚁等生态系统工程师（ecosystem engineers）驱动的深层生物扰动层（biomantle）形成机制，证实其可追溯至晚更新世（～14,422 cal yrs BP），为热带土壤演化与古气候重建提供了新视角。

　　

热带铁铝土作为地球上最古老且高度风化的土壤类型之一，其形成过程隐藏着地球环境演化的密码。长期以来，科学家们已明确铁铝化（ferralitization）是这类土壤的关键成土过程，但另一个同等重要的角色——生物扰动（bioturbation）却鲜少被深入探讨。尤其在深度超过2米的铁铝土中，生物活动如何塑造土壤结构？这些痕迹能否成为解读古气候的“时间胶囊”？这些问题悬而未决，部分源于传统研究多聚焦于表层土壤，而深层土壤的生物扰动特征如同被遗忘的“地下森林”，亟待探索。

为揭开这一谜题，来自巴西的研究团队在《CATENA》发表了一项突破性研究。他们选取巴西三个气候带（巴拉那、圣保罗和米纳斯吉拉斯州）的15个铁铝土剖面，从表层土壤一直挖掘至风化前沿（BC/CR层，最深950 cm），运用微形态学薄片分析、微形态计量学统计，结合δ¹³C同位素和放射性碳定年（¹⁴C dating），首次系统描绘了热带深层铁铝土中生物扰动的三维图谱。

关键技术方法
研究团队采用以下核心方法：1）全剖面微形态学分析，通过树脂浸渍土壤样本制作薄片，识别生物孔（biopores）、粪便颗粒（excrements）等生物成因特征（BFs）；2）微形态计量学量化BFs的分布频率；3）总有机碳（TOC）和δ¹³C分析追踪碳源变化；4）加速器质谱（AMS）¹⁴C定年确定生物扰动事件年代。

研究结果

生物扰动深度突破认知边界
在传统认为“生命禁区”的深层土壤（>200 cm）中，研究者发现了密集的根系、白蚁通道和蚂蚁巢穴痕迹，最深达950 cm。切叶蚁（Atta spp.）和白蚁（如鼻白蚁科Rhinotermitidae）被确认为主要“生态系统工程师”，其活动形成的生物扰动层（biomantle）占土壤体积50%以上。

古气候的“土壤档案”
δ¹³C和¹⁴C数据显示，不同深度的BFs对应多个古气候时期。例如，PR1剖面400-600 cm层的BFs形成于晚更新世（～14,422 cal yrs BP），反映当时湿润气候下的活跃生物活动。深层BFs的保存状态表明，热带铁铝土具有罕见的“记忆冻结”效应——古生物扰动特征可历经数万年而不被后期过程完全覆盖。

生物扰动的垂直分带性
微形态计量学揭示出三大扰动带：1）0-200 cm为“活跃带”，BFs占比高达70%，呈现高度混合特征；2）200-500 cm为“过渡带”，BFs以白蚁垂直通道为主；3）>500 cm的“化石带”保留完好的古生物构造，如蚂蚁巢穴的蜂窝状结构。这种分带性与古降水变化直接相关。

结论与意义
该研究颠覆了“生物扰动仅影响表层土壤”的传统认知，证明热带铁铝土的生物扰动层可贯穿整个风化剖面。白蚁和蚂蚁通过构建深层通道网络，显著改变土壤孔隙结构和物质循环路径，这一过程被形象地称为“地下生态系统工程”。更重要的是，BFs的垂直分布模式成为解读晚更新世以来热带气候波动的全新指标——例如深层BFs的集中出现可能对应古湿润期。

这项研究为理解热带土壤-生物协同演化提供了微形态学框架，其方法论（如BFs定量化标准）可推广至全球其他深层土壤系统。未来，通过整合更多古气候代理指标，铁铝土生物扰动层有望成为继冰芯、湖芯之后的第三大古环境档案库。正如研究者所言：“每一寸深层土壤都是地球生命与气候对话的刻痕，而我们刚刚学会阅读这种语言。”