地中海喀斯特景观中红土表层土的地球化学、矿物学及光谱变异

《CATENA》：Geochemical, mineralogical, and spectral variation of Terra Rossa topsoils in a Mediterranean karst landscape

　　

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  利用Vis-NIR、pXRF、XRD和SEM对Terra Rossa表层土壤进行了表征。
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  土壤性质和元素浓度表现出较高的短距离变异性。
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  云母、伊利石、蒙脱石和高岭石是常见的黏土矿物。
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  Terra Rossa表层土壤在短距离范围内表现出显著的变异性。

引言

Terra Rossa因其独特的地球化学和矿物学特性而在喀斯特景观中较为常见。这些土壤通常源自风化石灰岩中的杂质，在耕地稀缺的地区具有重要的生态和农业意义（Micheletti等，2023）。喀斯特地区的土壤发育受碳酸盐岩基岩（如石灰岩、白云岩或大理石）被酸性水溶解的影响（Gombert，2002）。喀斯特景观中存在许多地表和地下特征（如垂直竖井、天坑、消失的溪流）（Legrand，1973），这种景观占据了全球陆地面积的15%（Goldschider等，2020），主要分布于东欧、中东、地中海地区、东南亚、加勒比地区和南美洲东南部（Yuan，1997）。

Terra Rossa通常是一种红色的粉质黏土至黏土材料，形成于白云岩和石灰岩之上的不连续层（Durn，2003；Muhs等，2010），厚度从几厘米到几米不等（Durn等，1999）。喀斯特景观中的一些土壤较浅薄，原因是可溶性基岩的成土能力较低（Wang等，2019），土壤发育受化学风化控制（Zhang等，2022）。在本研究区域，陡峭且不规则的地形（坡度为13.3%至31.5%）、相对较高的降水量（1719–1855 mm）、不连续的植被和土壤覆盖以及基岩中的裂隙可能促进了地表径流和土壤重新分布。尽管降水量较高，但石灰岩母质持续提供碳酸盐来源，这可能有助于碳酸盐（CaCO?）的持续存在和碱性土壤条件的维持。喀斯特景观中土壤的浅薄特性受地形、气候和生物因素的综合影响。陡峭的地形、不连续的植被覆盖、相对较高的降水量以及碳酸盐基岩中裂隙的存在促进了地表径流和地下土壤流失（Pimentel和Burgess，2013）。喀斯特地表裂隙也可能影响土壤厚度，因为表层土壤容易被输送到喀斯特地区的裂隙中，即所谓的地下侵蚀。因此，喀斯特地区土壤深度和土壤性质在短距离范围内存在变化。因此，这种景观中的土壤流失和重新分布被认为是局部喀斯特和地形环境的后果，而非Terra Rossa土壤本身易于侵蚀的内在敏感性。

系统评估土壤的地球化学和矿物学特性对于理解喀斯特生态系统至关重要。海拔和地形变化会影响景观水文学和微气候，从而影响土壤形成（Tromp-van Meerveld和McDonnell，2006）。已有几项研究报告了喀斯特地区土壤的高空间异质性（Alexakis等，2021；Dindaroglu等，2023）。少数研究关注了喀斯特地中海地区和土耳其南部的土壤特征，包括物理化学性质、颜色特征和矿物学（Atalay，1997；Irmak和Aydemir，2008；Vingiani等，2018；Kirsten和Heinrich，2022；D'Amico等，2023）。

可见近红外（Vis-NIR）和便携式X射线荧光（pXRF）光谱仪已被土壤科学家广泛使用，因为土壤光谱与土壤性质（特别是物理和化学性质）之间存在相关性，且具有环保、经济和非破坏性的特点（Viscarra Rossel和Webster，2011；Gozukara等，2022a-b）。pXRF可以提供总元素浓度（包括Al、Ca、Fe、K、P、Si、Ti、Zr和Zn），这些浓度可与土壤性质和光谱反射率相关联（Silva等，2020）。Vis-NIR和pXRF光谱可用于长期监测土壤，帮助追踪土壤性质和质量的随时间变化。仅有少数研究使用Vis-NIR或XRF光谱仪研究地中海地区的Terra Rossa土壤（Leone等，2012；Kirsten和Heinrich，2022）。然而，这些研究通常侧重于个别分析技术或有限的土壤属性，而结合光谱、地球化学、矿物学和风化信息的综合评估仍然稀缺。因此，Terra Rossa土壤的光谱响应、矿物组成、元素浓度和风化特征之间的关系仍然知之甚少。

需要更全面地表征喀斯特景观中发育于Terra Rossa之上的土壤。对光谱响应与物理化学、地球化学、矿物学和风化特征的综合评估可能为Terra Rossa的短距离异质性提供新的见解，并改进对地中海喀斯特环境中土壤形成过程的理解。我们假设，由于风化强度、地形位置和土壤重新分布过程的差异，发育于喀斯特景观中的Terra Rossa土壤在物理化学、地球化学和矿物学特征上具有高度的空间变异。此外，我们假设Vis-NIR和pXRF光谱与Terra Rossa表层土壤中观察到的物理化学和地球化学变异相关。本研究的具体目标包括：（i）评估和量化物理化学性质、元素浓度、颜色坐标、风化指数和矿物学特性；（ii）分析它们与地形和气候变量相关的短距离变异；（iii）评估Vis-NIR和pXRF光谱与土壤性质之间的关系。此外，还使用SEM提供了补充的形态学证据，用于识别XRD提供的黏土矿物。

章节摘要

研究区与土壤采样

研究区位于土耳其安塔利亚省凯末尔市塔赫塔勒山（图1）。海拔在1541至1794米之间。气候被归类为炎热夏季地中海气候（Csa-K?ppen），年均降水量和年均温度分别为1719至1855毫米和9.3至10.6摄氏度。土壤温度和水分制度分别为中温性和旱性。这些土壤被归类为岩质旱土（Soil Survey Staff，2014）。这些土壤发育于

结果与讨论

描述性统计、土壤物理化学性质、元素浓度、颜色坐标和风化指数详见表1及补充表2–5。

结论

本研究利用Vis-NIR、pXRF、XRD和SEM探索了Terra Rossa表层土壤的地球化学和矿物学特性。表层土壤pH值呈中等碱性（7.9–8.4），质地为粉质黏土至黏土，黏土含量主要超过30%。色相值范围为5R至7.5R（深红色）。Fe浓度最高，其次是Si、Al、Ca和K。Ruxton风化指数值（>2）反映了所研究表层土壤高度风化的地球化学状态。CaCO?、钾、

CRediT作者贡献声明

Gafur Gozukara：写作——审阅与编辑，写作——初稿撰写，可视化，验证，监督，软件，资源，项目管理，方法学，调查，资金获取，形式化分析，数据整理，概念化。Alfred E. Hartemink：写作——审阅与编辑，写作——初稿撰写，监督，方法学，数据整理，概念化。Orhan Dengiz：写作——审阅与编辑，写作——初稿撰写，监督，方法学，数据整理，

利益冲突声明

作者声明以下可能与潜在利益冲突相关的财务利益/个人关系：Gafur GOZUKARA报告获得了埃斯基谢希尔奥斯曼加济大学的资金支持。Gafur GOZUKARA报告了与埃斯基谢希尔奥斯曼加济大学的关系，包括：科研经费。

致谢

本研究由埃斯基谢希尔奥斯曼加济大学科学研究项目协调单位资助，项目编号FU?-2022-2318。

Gafur Gozukara|Alfred E. Hartemink|Orhan Dengiz|Eric O. Young|Emre Babur|Ekrem Ozlu|Hüseyin ?enol