夏威夷火山土壤生态阈值的时间-气候序列演化：土壤发生学与生态生产力的关键转折点

本研究通过构建夏威夷火山土壤的时间-气候序列（5-4,100 ky），采用非线性断点分析量化了表层土壤生态阈值（Fertility Threshold和Mobile Fe Threshold）的演化规律。研究发现，随着土壤基质年龄增长，生态阈值向更干旱气候迁移（R2=0.94），揭示了年轻土壤快速风化与老年土壤趋于稳定的对数衰减模式，为理解大陆复杂环境下的土壤形成机制提供了模型系统。

　　

土壤是地球关键带（Critical Zone）中连接岩石圈与生物圈的重要界面，其形成过程受到气候、时间、生物等多因素调控。然而，土壤性质对气候和时间的响应并非线性，而是通过一系列土壤发生阈值（pedogenic thresholds）划分出不同的土壤过程域（soil process domains）。这些阈值如何随时间演化？这对理解土壤肥力分布和生态系统生产力有何启示？夏威夷群岛因其均一的火山母质、完整的气候梯度（年降水200-11,000 mm）和明确的地质年龄序列（5-4,100千年），成为研究这一问题的天然实验室。

美国夏威夷大学马诺阿分校（University of Hawai‘i at Mānoa）的研究团队通过整合577个新采样点和285个历史数据，构建了包含8个气候序列（5-4,100 ky）的时间序列。采用X射线荧光光谱（XRF）、离子交换树脂提取法和分段回归模型等关键技术，量化了不同年龄基质上生态阈值的空间分布规律。研究发现：

1. 阈值识别方法

   通过四种非线性断点分析（hinge/upper hinge/segmented/structural breaks）确定硅（Si）、铁（Fe）等元素的临界点，以钛（Ti）为惰性参照元素计算元素残留率（PR_i）。

2. 阈值演化规律

   • 肥力阈值（Fertility Threshold）：标记原生矿物耗竭的临界点，随基质年龄呈对数衰减（Threshold = -233.8*lnA + 3094），年轻土壤（<150 ky）阈值位于湿润区（如15 ky基质阈值940 mm/yr WB），而老年土壤（>150 ky）阈值迁移至干旱区（如4,100 ky基质阈值-402 mm/yr WB）。

   • 铁动员阈值（Mobile Fe Threshold）：仅在老年基质（>450 ky）出现，标记Fe氧化物还原溶解的临界点（如1,400 ky基质阈值843 mm/yr WB）。

3. 土壤过程域特征

   • 原生矿物风化域：pH较高（5.3-6.8），交换性Ca²⁺（14.6-37.8 cmol₊/kg）和树脂磷（Resin P 8.4-137 mg/kg）丰富。

   • 铁富集域：以铝水解（Al hydrolysis）为主导，pH降低（4.3-5.7），Fe₂O₃含量高达40%。

   • 铁动员域：极端酸化（pH 3.9-5.1），养分严重耗竭（Resin P <10 mg/kg）。

研究首次建立了土壤阈值演化的定量模型，揭示年轻土壤的快速风化与老年土壤的惰性化（pedogenic inertia）规律。这一发现不仅解释了夏威夷传统雨养农业系统（如150 ky基质上的"肥力甜点"）的空间分布机制，还为预测气候变化下的土壤演化提供了理论框架。值得注意的是，5 ky基质的异常阈值（213 mm/yr WB）暗示极年轻土壤可能存在表面活性限制（surface area limitation），这为后续研究指明了方向。

该成果发表于《Geoderma》，通过多学科交叉方法（土壤学、地球化学、生态学）揭示了时间-气候互作对土壤功能的深层调控，为全球变化背景下的土壤资源管理提供了科学依据。