耦合成土与地貌演化模型的山坡土壤剖面动态模拟及其对气候变化的响应机制

研究人员针对气候变化背景下土壤景观响应预测的难题，采用状态空间土壤生产评估模型(SSSPAM)框架，系统研究了四种深度依赖性风化函数（指数型、驼峰指数型、静态反向指数型和动态反向指数型）对山坡土壤剖面演化的影响。研究发现不同风化函数导致土壤剖面呈现阶段性演化特征，并揭示土壤结构反馈机制与风化函数的关联性，为改进景观演化模型预测提供了关键参数化依据，对扰动地表系统（如采矿后地貌）的土壤重构具有重要指导价值。

　　

在全球气候变化加剧的背景下，理解山坡土壤剖面的动态演化规律成为预测土壤景观响应的关键科学问题。传统地貌演化模型(LEM)大多将土壤视为静态实体，忽视了成土作用(pedogenesis)与地貌演化间的重要反馈机制。这一认知局限严重制约了我们对扰动地表系统（如采矿后地貌）土壤重建的预测能力，也阻碍了优化景观设计以实现土壤可持续利用的实践探索。

澳大利亚纽卡斯尔大学( The University of Newcastle )的研究团队通过开发状态空间土壤生产评估模型(SSSPAM)，首次系统比较了四种深度依赖性风化函数对十万年尺度土壤剖面演化的影响。这项发表在《Soil Biology and Biochemistry》的研究揭示，不同风化函数会导致土壤剖面呈现独特的动态演化模式，这些发现为构建更精确的耦合土壤-地貌演化模型提供了理论基础。

研究团队采用矩阵方程和边际转移矩阵方法，建立了包含21个土壤层级的SSSPAM模型框架。模型设置48米长、坡度21%的平面山坡作为基准地形，采用Ranger1a和Ranger1b两组粒径分布数据分别表征表层和基岩初始条件。通过对比指数型、驼峰指数型、静态反向指数型和动态反向指数型四种风化函数的模拟结果，系统分析了土壤剖面d₅₀（中值粒径）的时空演化特征。所有模拟均持续至土壤剖面达到动态稳定状态，其中前两种函数模拟10万年，后两种因演化缓慢延长至100万年。

土壤剖面演化与指数型风化函数

当采用表面风化速率最高的指数型函数时，表层d₅₀呈现"快速上升-缓慢下降-趋于稳定"的三阶段特征。侵蚀主导期（0-2000年）表层快速粗化，d₅₀峰值达12mm；转入风化主导期后，表层d₅₀因持续风化而逐渐降低至平衡值4-8mm。值得注意的是，高汇流面积节点（下游）比低汇流面积节点（上游）更快达到平衡，且平衡d₅₀值更高约30%，这揭示了地貌位置对成土速率的调控作用。

驼峰指数型函数的独特响应

最大风化速率出现在次表层的驼峰型函数产生了显著不同的剖面结构。虽然表层d₅₀演化阶段与指数型相似，但平衡d₅₀值普遍高出50%，且土壤剖面更浅。三维演化图示显示，最细物质层（d₅₀最小值）出现在第二 subsurface 层而非表层，这种"埋藏细粒层"现象是驼峰型函数区别于其他模型的标志性特征。

反向风化函数的颠覆性发现

静态和动态反向指数型函数（最大风化速率位于剖面底部）展现出突破传统认知的演化模式。模拟显示这两种函数需要10倍于常规函数的时间才能达到平衡，且表层d₅₀呈现周期性振荡现象。动态反向函数还表现出空间异质性振荡，下游节点出现3个明显的d₅₀下降阶段，而上游节点则呈现阻尼振荡特征。这种振荡源于基岩物质上升过程中经历差异风化所导致的"装甲层强化-弱化"循环反馈。

讨论与意义

该研究首次通过数值实验证实，土壤剖面演化动态强烈依赖于深度风化函数的形态特征。指数型函数适合描述物理风化主导的快速成土过程，而反向函数更符合化学风化（如溶蚀作用）主导的深层成土机制。特别值得注意的是，模型预测的振荡平衡现象为解释野外观察到的土壤剖面旋回性提供了新机制。

从应用角度看，这些发现对采矿后地貌重建具有直接指导价值。通过选择适当的风化函数参数，可以预测不同基质材料的最佳铺覆位置和厚度，从而优化土壤生产速率。研究揭示的地貌位置效应（下游比上游更快平衡）也为数字土壤制图(DSM)中的空间采样策略提供了理论依据。

该研究的局限在于尚未整合生物扰动等关键成土过程，未来需要结合采矿后地表的原位观测数据进一步验证模型。团队正在将SSPAM框架扩展至包含曲率的复杂地形，并探索与植物生长模型的耦合方法，这些进展将推动"设计型土壤"在生态修复中的实际应用。