巴西干旱森林巨型铁铝土形成机制及其古环境指示意义

针对巴西半干旱区土壤演化信息匮乏的现状，研究人员通过多指标分析（形态学、微形态学、地球化学、碳同位素及稀土元素分馏）揭示了阿拉里佩高原6米厚铁铝土(Ferralsol)的形成机制。发现埋藏腐殖质层记录的全新世8 cal kyr BP以来干湿气候波动，稀土元素异常(Ce负异常、Eu正异常)指示氧化-还原环境变迁，证实该土壤为侵蚀-搬运-再沉积形成的多成因系统，为热带干旱区古气候重建提供新视角。

　　

在巴西广袤的卡廷加(Caatinga)半干旱生态区，薄层初育土占据主导地位，这些土壤对区域景观演化的记录能力极为有限。然而，海拔约1000米的阿拉里佩高原(Araripe Plateau)却如同沙漠中的绿洲，保存着与周边环境截然不同的厚层铁铝土(Ferralsol)和热带雨林植被残遗群落。这种"生态孤岛"现象暗示着该地区可能经历过复杂的气候变迁，但关于这些特殊土壤的形成时代、发育过程及其环境指示意义，科学界仍知之甚少。

为解开这个谜团，来自巴西高等教育人才协调委员会(CAPES)和国家科技发展委员会(CNPq)资助的研究团队，对高原上一处六米深的铁铝土剖面展开多学科攻关。研究人员采用"地质侦探"般的综合手段：通过土壤形态学观察识别出70 cm和150 cm深处的两个埋藏腐殖质层(umbric horizons)；借助微形态学揭示土壤微结构特征；运用地球化学分析主微量元素组成；结合放射性碳测年(radiocarbon dating)和δ¹³C同位素追踪有机质来源；创新性地引入稀土元素(REE)分馏模式作为"化学指纹"来解码古环境信号。

关键发现首先体现在时间维度上。δ¹³C同位素曲线显示，4.2 cal kyr BP(校准年前)是该地区气候转型的关键节点，标志着持续干旱化的开始。两个埋藏腐殖质层如同"时间胶囊"，分别记录了更早时期的湿润气候阶段，其有机质积累特征与现代半干旱环境形成鲜明对比。

稀土元素(REE)的"行为密码"为理解土壤形成机制提供了独特视角。研究发现：剖面中的铈(Ce)呈现"人格分裂"般的双重特征——腐殖质层中的Ce负异常暗示过去曾存在还原条件，而高结晶度铁氧化物中的Ce正异常则指向氧化环境。铕(Eu)的异常模式同样耐人寻味：整体剖面的Eu负异常反映深度淋溶作用，但有机质组分中的Eu正异常却揭示了金属-有机络合作用的局部影响。这些"化学签名"共同证明该铁铝土并非简单原位风化产物，而是经历了复杂的侵蚀-搬运-再沉积过程。

微形态学证据显示，土壤中保存着"冰与火之歌"般的矛盾特征——既有强烈风化形成的致密基质，又包含明显的外源物质。结合沉积速率分析，研究人员重建出这样的场景：全新世气候波动引发周期性坡面不稳定，导致风化产物通过平移滑动和旋转滑动等块体运动重新分配，最终形成现今观察到的"地质千层糕"结构。

这项发表在《CATENA》的研究，首次系统揭示了巴西半干旱区深部铁铝土的多成因本质。其意义不仅在于建立了稀土元素分馏模式与古气候指标的对应关系，更重要的是为理解"为什么干旱高原会保存雨林植被"这个生态悖论提供了土壤学答案。正如论文通讯作者José Jo?o Lelis Leal de Souza强调的："阿拉里佩高原的铁铝土就像一本被部分撕毁的地质日记，而我们开发的多指标解读方法，成功拼凑出了其中最关键的气候变迁篇章。"这些发现对预测热带生态系统对未来气候变化的响应具有重要参考价值。

[关键技术方法]

研究选取阿拉里佩高原典型剖面(7°14′11.50″S, 39°29′2.44″W)，按国际标准进行土壤发生学分层描述。采用微波消解-ICP-MS测定稀土元素含量，计算Ce异常(Ce/Ce)和Eu异常(Eu/Eu)；通过δ¹³C分析结合AMS-¹⁴C测年建立年代框架；运用微形态薄片分析微结构特征；采用X射线衍射(XRD)鉴定次生矿物组成。

[主要结果]

1. 土壤形态学：鉴定为腐殖质深厚铁铝土(Umbric Profundihumic Geric Ferralsol)，发现两个埋藏A层

2. 年代学：放射性碳测年揭示8 cal kyr BP以来的气候波动，4.2 cal kyr BP出现干旱化转折

3. REE分馏：Ce异常揭示氧化-还原环境变迁，Eu异常反映淋溶与有机络合作用

4. 微形态证据：发现磨圆石英颗粒和定向粘粒胶膜，证实外源物质输入

[结论与意义]

这项研究颠覆了对巴西半干旱区土壤形成机制的传统认知，证明阿拉里佩高原的铁铝土是气候波动与地貌过程共同作用的"多成因档案"。其价值在于：①建立REE分馏指标与古气候的定量关系；②揭示4.2 cal kyr BP的气候转型事件；③为热带干旱区生物多样性保护提供地质背景。未来需通过铁氧化物定年等技术进一步厘清土壤绝对年龄，这将有助于完善新热带区古环境重建模型。