短程有序矿物在塑造火山地区土壤持水曲线中的关键作用

《Vadose Zone Journa》：Critical roles of short-range-order minerals in shaping soil water retention curves in volcanic regions

火山土壤的水分保持特性受有机质（OM）和短程有序矿物（SRO）显著影响。研究通过van Genuchten、Durner和Assouline模型参数与土壤物理性质（OM、砂、SRO矿物等）的回归分析，发现SRO矿物（如Allophane和Ferrihydrite）能增加pF4.2-7.0的高持水能力，而OM主要提升pF1.5-4.2的可利用水分。火山土壤的微孔直径（0.012 μm）小于非火山土壤（0.020 μm），导致更强的水分保持。直接基于土壤组成（砂含量、OM、SRO矿物）的预测模型（RMSE=0.12）优于传统pedo-transfer函数（RMSE=0.24）。结论强调火山土壤中SRO矿物的关键作用，建议通过OM和矿物添加提升水分管理效率。

　　土壤水保持特性是影响植物生产力和流域水循环的重要因素，特别是在结构复杂的火山土壤（Andisols）中，由于孔隙分布的异质性，预测其水保持能力具有一定的挑战性。本文旨在探讨火山土壤中的和ic材料（即短程有序矿物）对土壤水保持曲线的影响，并通过土壤组成数据建立预测模型。我们收集了来自文献的土壤水分保持数据，并结合土壤的物理化学性质和成分（有机质、砂粒、粉粒、结晶黏土以及短程有序矿物组分）来获取水保持曲线模型（如van Genuchten、Durner和Assouline模型）的参数。研究发现，通过土壤组成直接估计水保持曲线的方法在预测能力上优于基于土壤类型（如质地类别）的间接估算方法。有机质能够提高植物可利用水（pF 1.5–4.2）的保持能力，而火山土壤中的短程有序矿物则增强了高水势下的水保持能力（pF 4.2–7.0），这主要是由于火山土壤中的微孔隙体积较大（平均直径约为0.012微米），而非火山土壤的微孔隙平均直径为0.020微米。因此，研究强调了在火山地区中包含和ic特性（如可溶性铝和铁含量）对于提高土壤水保持预测的重要性，尽管在全球尺度上，砂粒含量可以粗略地预测土壤水保持特性。

土壤水保持曲线是描述在特定基质势下土壤中水分含量的重要工具，常用于预测流域尺度上的水分动态，如SWAT模型。然而，传统模型在预测具有多模式孔隙分布的火山土壤时存在局限性，例如van Genuchten模型假设单峰孔隙分布，这限制了其对高基质势下水保持曲线的拟合效果。相比之下，Durner模型能够更好地描述具有双峰孔隙分布的土壤，如火山土壤，而Assouline模型则适用于更广泛的孔隙分布情况。研究通过分析土壤的物理化学性质，包括土壤有机质、砂粒、粉粒、结晶黏土以及短程有序矿物组分，发现这些因素对不同基质势下的水保持能力有显著影响。特别是，短程有序矿物的含量与水保持能力密切相关，而砂粒含量则对水保持能力有负面影响。

在方法上，研究通过多组数据进行建模和分析，包括日本、泰国、印度尼西亚、加拿大和捷克等地区的土壤样本。这些样本覆盖了多种土壤类型，从寒带半干旱到热带湿润气候。研究通过非线性拟合和最小二乘法优化，评估了不同模型的拟合效果，并计算了根均方误差（RMSE）来衡量模型预测的准确性。研究还通过逐步多元回归分析，识别了影响土壤水保持曲线的关键土壤成分，并构建了土壤水保持的转移函数（pedo-transfer functions）。

研究结果表明，火山土壤的水保持能力显著高于非火山土壤，尽管两者在黏土含量上相似。在van Genuchten模型中，火山土壤的饱和水含量（θ_s）和残余水含量（θ_r）均较高，且模型参数n值也更高，这反映了火山土壤中微孔隙和中孔隙的分布特性。此外，Assouline模型中的参数μ与黏土含量呈负相关，且随着黏土含量的降低而增加，这表明火山土壤中存在更细的微孔隙。同时，研究还发现，火山土壤的微孔隙直径显著小于非火山土壤，这可能与其中丰富的短程有序矿物有关。

在讨论部分，研究指出，尽管火山土壤具有较高的水保持能力，但这种能力并不总是意味着对植物的可用性。例如，火山土壤中较高的残余水含量（θ_r）可能表明其在高基质势下的水分保持能力更强，但这些水分可能对植物来说难以利用。因此，为了提高植物可利用水的保持能力，火山土壤中中孔隙的水分保持能力显得尤为重要。有机质的施用可以改善火山土壤的中孔隙结构，从而增强其水分保持能力并缓解干旱的影响。

最后，研究得出结论，火山土壤的高水保持能力主要归因于其微孔隙体积较大，这使得其在不同基质势下的水分保持特性与其他土壤类型存在显著差异。虽然基于土壤类型（如质地类别）的模型在某些情况下可以预测水保持曲线，但直接利用土壤组成数据进行估算的方法在预测精度上更具优势。此外，研究还强调了和ic特性在火山土壤水保持预测中的重要性，尤其是在亚洲地区的火山土壤中，其孔隙分布和水保持特性对水分动态的影响尤为显著。这些发现为火山地区的土壤和水资源管理提供了重要的理论支持和实践指导，同时也为未来研究提供了方向，特别是在验证和推广这些模型到其他含有短程有序矿物的土壤类型时。