夏威夷哈雷阿卡拉火山西坡土壤发育的气候与火山灰影响：沿海气候序列与海拔梯度的成土作用研究

这篇研究通过分析夏威夷茂宜岛哈雷阿卡拉火山西坡的沿海气候序列（461-2768 mm MAP）和海拔梯度（73-1362 m）的16个土壤剖面，揭示了气候（MAP/PET）与火山灰沉积对玄武岩母质土壤发育的动态影响。研究发现，沿海序列在MAP/PET>0.4（1500 mm MAP）时出现pH、盐基饱和度（BS）和有机碳（OC）的成土阈值，而海拔梯度在MAP/PET>0.8（1600 mm MAP）时因火山灰输入差异表现出更复杂的Al/Si（AO）和结晶铁（CD-HH）分布规律，为热带岛屿生态系统土壤演化提供了关键指标。

　　

引言

土壤形成是母质、气候、生物、地形和时间五因素交互作用的结果（Jenny, 1941）。夏威夷哈雷阿卡拉火山西坡独特的自然梯度——沿海低地（15-224 m）与海拔高差（73-1362 m）形成鲜明对比，为研究气候（年均降水MAP与潜在蒸散PET）和火山灰沉积对成土作用的独立影响提供了理想场所。研究区域覆盖465 km²的农业与牧区，土壤类型从氧化土（Oxisols）到火山灰土（Andisols）跨越8个土纲，其多样性源于西北裂谷带喷发的库拉火山（0.15-0.78 Ma）间歇性火山灰输入与强降水梯度（300-6000 mm MAP）的叠加效应。

研究方法

团队选取16个坡度<5%的剖面，通过选择性溶解实验（柠檬酸连二亚硫酸盐CD、盐酸羟胺HH、草酸铵AO）量化非晶态铁铝（AO）、结晶铁（CD-HH）及有机结合态金属（焦磷酸钠PY）。气候数据采用Giambelluca等（2013）的高分辨率模型，土壤分类依据美国土壤系统分类（Soil Taxonomy）。

核心发现

沿海气候序列：5个未受火山灰影响的剖面显示，MAP/PET=0.4（1500 mm MAP）是关键阈值。低于此值，土壤如机场（AIR）剖面保持高BS（100%）和碱性pH（8.1），而东哈库（HAI-E）在MAP/PET=0.8时BS骤降至32%，OC累积达2.12%，黏土/铁（CD）比值下降60%，反映强烈淋溶与脱硅作用。

海拔梯度：11个受火山灰影响的剖面中，下库拉（LKUL）因近期火山灰输入呈现异常高的Al+?Fe（AO）（11.7%），而北基黑（KI-N1）等低海拔土壤结晶铁（CD-HH）达9.12%，暗示更古老的地貌年龄。值得注意的是，奥琳达（OL）剖面埋藏A层的Al+?Fe（AO）峰值（15.09%）揭示了火山灰沉积的阶段性。

讨论与意义

MAP/PET作为气候指标的有效性在跨区域比较中得到验证——夏威夷科哈拉半岛与内华达山脉土壤的BS阈值均出现在MAP/PET≈0.8。火山灰的“年轻化”效应通过提供非晶态矿物（如水铝英石）促进养分保持，但低海拔土壤（如KI-N2）较高的SiO₂/TiO₂比值暗示其发育时间可能比上坡土壤长3-5倍。研究还发现，AO提取的磁铁矿可能高估热带土壤“活性”铁含量，而HH方法能更准确区分结晶相。

结论

哈雷阿卡拉案例证实，MAP/PET可预测热带岛屿生态系统的成土阈值，而火山灰的时空异质性会显著改变土壤发育轨迹。该成果为理解火山岛链的土壤-气候反馈机制及农业适应性管理提供了理论框架。