夏威夷哈雷阿卡拉火山西坡沿海气候序列与海拔梯度土壤发生过程：火山灰输入与气候阈值的交互作用

这篇研究通过哈雷阿卡拉火山西坡沿海气候序列（15-224米）和海拔梯度样带（73-1362米）的16个土壤剖面，揭示了MAP/PET（年均降水/潜在蒸散比）作为有效气候指标在夏威夷生态系统中的重要性。研究发现沿海序列在0.4 MAP/PET（1500 mm MAP）、海拔样带在0.8 MAP/PET（1600 mm MAP）存在土壤发生阈值，表现为BS（基饱和度）、pH和OC（有机碳）的突变。火山灰输入显著影响海拔样带土壤性质，而低地土壤更高的黏土/Fe(CD)比和晶质Fe(CD-HH)含量指示其发育于更古老的地貌。研究为理解火山灰沉积与气候因子协同调控土壤发育提供了新见解。

　　

气候与火山灰协同作用的土壤发生模式

研究背景

夏威夷哈雷阿卡拉火山西坡独特的自然环境为研究土壤发生提供了理想场所。该区域存在从旱生到湿润的陡峭气候梯度（MAP 461-2768 mm，MAT 13-24°C），同时受西北裂谷带火山灰沉积影响。研究通过沿海气候序列和海拔样带的对比，揭示了气候因子与母质输入对土壤发育的交互作用。

研究方法

采用16个典型土壤剖面（5个沿海序列+11个海拔样带）的系统分析。创新性地运用选择性溶解技术：CD（柠檬酸-连二亚硫酸盐）提取总游离铁，HH（盐酸羟胺-盐酸）区分晶质铁，AO（草酸铵）测定非晶质铝硅比。结合CEC₇（pH7阳离子交换量）和BS_CE（强迫交换法基饱和度）等指标，建立了土壤发育程度与MAP/PET的定量关系。

关键发现

沿海气候序列显示：

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  在0.4 MAP/PET阈值处出现BS从100%骤降至<40%，pH从碱性突变为强酸性

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  Al/Si(AO)摩尔比从0.8增至3.4，反映脱硅作用增强

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  机场(AIR)剖面晶质Fe(CD-HH)达8.08%，显著高于高降水区

海拔样带特征：

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  火山灰输入导致LKUL剖面Al+?Fe(AO)高达11.7%，而邻近UKUL仅2.5%

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  OL剖面埋藏层晶质Fe(CD-HH)达24.81%，指示古土壤发育事件

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  云层附近HALE剖面OC含量异常高（12.87%）

机制解析

MAP/PET比值有效区分了水分限制（<0.4）和能量限制（>0.8）系统。火山灰中玻璃质快速风化导致：

1. 1.

   短程有序(SRO)矿物形成，提升磷吸附能力（LKUL剖面P-retention达99%）

2. 2.

   黏土/Fe(CD)比降低反映铁氧化物老化过程

3. 3.

   AO-PY提取数据显示有机络合铁在湿润区占比提升

应用价值

研究建立的MAP/PET阈值模型可推广至其他火山岛屿生态系统。土壤分类修正建议：

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  原判Andisol的UKUL应重分类为Mollisol

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  沿海CEM剖面从Mollisol修正为Oxic Haplustept

  为热带农业土壤管理和碳封存策略提供了理论依据。