智利南部火山土壤土地利用变化对形态、理化及矿物学特性的影响及其成土过程启示

本研究针对智利南部火山土壤（Andisols和Ultisols）在土地利用转变（从原生林到农林系统）下的成土过程变化展开。通过形态、理化及矿物学分析，发现农业利用导致土壤结构改变、有机层丧失，并显著影响容重、有机碳(SOC)、pH及可提取铝等指标。研究揭示了部分土壤中特性（andic properties）的丧失，强调了土地利用变化对火山土壤可持续管理的重要性，为区域农业实践与土壤保护提供了科学依据。

　　

在智利南部，覆盖了全国50-60%可耕地的火山土壤（如Andisols和Ultisols）不仅是农业生产的基石，还因其独特的矿物学特性（如富含非晶质矿物、高有机碳含量和反应性表面）而备受重视。然而，近一个多世纪以来，随着人类活动加剧，尤其是从原生林向农业用地和外来树种人工林的转变，这些土壤的成土过程和生态功能正面临前所未有的挑战。尽管这些土壤支撑着全球最高的作物和草地产量，但土地利用变化对其长期可持续性的影响却鲜为人知。更令人担忧的是，智利南部的原生林覆盖率已降至56%，而人类作为主要的地貌塑造者，通过酸化、有机质动态变化和胶体迁移等方式，显著加速了土壤性质的改变。在此背景下，理解土地利用变化如何影响火山土壤的成土过程、粘土矿物学、铝/铁-有机复合物以及理化性质，成为了一项紧迫而重要的科学任务。

为了深入探究这一问题，研究人员在智利南部的Los Ríos和Los Lagos地区选择了四种代表性的火山土壤类型：Acrudoxic Duraquand、Duric Hapludand、Typic Paleudult和Typic Hapludult。这些土壤源自第四纪火山活动产生的火山碎屑物质，其中Ultisols形成于更新世，而Andisols则更为年轻，源自Würm或后Würm火山作用。研究区域的主要火山来源是Mocho-Choshuenco火山，其喷发历史复杂，火山灰成分从玄武质到安山质不等，但以英安质到流纹质为主，这导致了母质材料矿物组成的显著异质性。研究地点基于三个标准选择：同一土壤类型上至少存在三种不同的土地利用方式（原生林、草地和耕地）；不同土地利用方式在空间上接近以减少变异性；以及区域农业和林业活动的代表性。土地利用包括次生原生林（作为参考）、永久草地、耕地（传统耕作），以及额外的用途如外来树种人工林（桉树）和免耕。所有选定的地点当前土地利用方式均持续了至少50年。研究人员对每个土壤类型的代表性剖面进行了形态学表征，描述了遗传层次并采样。田间评估确定了质地等级，而颗粒大小分布则采用hydrometer法分析。土壤pH在NaF（1 M）和CaCl₂（0.01 M）中测量，土壤有机碳（SOC）通过Walkley-Black方法测定，容重通过core方法确定。选择性溶解分析用于测定不同土壤组分，包括用酸性草酸铵提取非晶质铁、铝和硅（Fe_o, Al_o, Si_o），以及用焦磷酸钠提取有机结合的铁和铝（Fe_p, Al_p）。allophane含量通过Parfitt的方程估算。矿物学分析通过X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和差示扫描量热法（DSC）进行。统计分析包括使用Tukey's HSD检验评估不同土地利用方式下土壤参数的显著差异，以及进行Pearson相关分析和主成分分析（PCA）。

3.1. 形态学特征

研究发现，不同土地利用方式下土壤形态学特征存在显著差异。在Acrudoxic Duraquand中，原生林具有发育良好的有机层（Oi），而草地和人工林则缺乏此层；耕地的结构更为紧实，生物活性低。Duric Hapludand的原生林具有有机层和颗粒结构，而草地和耕地则显示过去扰动的迹象。Typic Paleudult和Typic Hapludult也显示了类似趋势，农业利用导致有机层丧失和结构变化。这些形态学差异反映了土地利用变化对土壤物理条件和生物活性的直接影响。

3.2. 物理和化学土壤特性

土地利用变化对土壤物理和化学性质产生了显著影响。在Acrudoxic Duraquand中，耕地表现出更高的容重（>0.9 g cm^?3）和更低的SOC（<7%），而原生林、草地和人工林的容重较低（<0.75 g cm^?3），SOC较高（>15%）。可提取铝含量在耕地中低于500 mg kg^?1，而在其他土地利用中超过700 mg kg^?1。Duric Hapludand的性质更为均一，但耕地仍显示较低的提取铝含量。Typic Paleudult的变化较小，而Typic Hapludult的耕地和草地容重超过1 g cm^?3，SOC显著降低。这些结果表明，农业利用，尤其是耕地，导致了土壤压实和有机碳流失，从而影响了土壤的健康和功能。

3.2.1. 选择性溶解分析

选择性溶解分析揭示了土地利用变化对土壤矿物学特性的影响。在Acrudoxic Duraquand中，耕地的Al_o + ? Fe_o低于2%，而其他土地利用方式符合Andisol的典型范围。耕地的Al_p/Al_o比率大于0.5，表明有机复合物占主导，而其他土地利用方式显示allophanic特性。Duric Hapludand的所有土地利用方式均显示andic特性，而Typic Paleudult也是如此。Typic Hapludult则显示火山Ultisol的特性，以有机复合铝为主。这些发现表明，耕地利用可能导致andic特性的丧失，而非晶质矿物的转化则不明显。

3.2.2. XRD、FTIR和DSC分析的矿物学组成

XRD分析显示，所有土壤均含有14 ?矿物、石英、斜长石和非晶质成分。在Acrudoxic Duraquand的耕地中，发现了伊利石和高结晶度高岭石，而原生林仅含痕量高岭石。Duric Hapludand中所有土地利用方式均存在羟基夹层矿物（HIMs），而Typic Paleudult则以HIMs为主。Typic Hapludult则富含高岭石。FTIR和DSC进一步证实了高岭石和gibbsite的存在。这些矿物学结果表明，土地利用变化并未导致明显的粘土矿物转化，但影响了特定矿物的分布和丰度。

3.3. 火山土壤化学性质之间的关联

PCA分析显示，土壤化学性质在不同土地利用方式下呈现明显分组。PC1主要由Al_o + ? Fe_o和pH NaF驱动，而PC2则由pH CaCl₂和SOC主导。andic土壤在PC1上聚集，而Acrudoxic Duraquand的耕地则偏离此分组。在更深层次中，土地利用方式在各土壤类型内呈现更大分离，原生林与农业用地在所有土壤类型中均明显分开。这突出了土地利用变化对土壤化学性质的深远影响，尤其是在表层和深层土壤中的不同响应。

研究结论部分强调，土地利用变化从原生林到农林系统的转变确实影响了智利南部火山土壤的成土过程和理化性质。影响程度取决于火山土壤的类型和土地利用强度，其中耕地的影响最为显著。主要变化包括土壤形态学改变（如有机层丧失和结构紧实）以及andic特性的减少。在Typic Hapludult中，SOC的减少足以改变其在美国土壤分类系统中的大组分类。然而，研究未发现对Al/Fe-有机复合物或结晶粘土矿物的直接影响。但土壤分类的差异要求重新分类某些土壤，因为它们不再符合原始土纲的特征。这些发现不仅深化了对火山土壤成土过程的理解，还为区域农业实践和土壤保护提供了关键科学依据。特别是在全球变化和人类活动加剧的背景下，如何平衡农业生产与土壤可持续性已成为一项紧迫挑战。本研究通过综合形态学、理化和矿物学分析，揭示了土地利用变化的潜在风险，强调了在土壤管理中考虑成土过程的重要性。未来研究应进一步关注铝动态作为矿物学演化关键驱动力的作用，以及火山母质材料的地球化学变异性如何影响土壤形成。此外，针对智利火山土壤的矿物学和地层学研究仍显不足，限制了对喷发历史、母质和土壤发生之间关系的全面理解。总之，这项工作不仅提供了关于火山土壤响应人类活动的新见解，还为制定可持续土地管理策略奠定了坚实基础。