土壤是地表过程的产物，也是地表历史过程的记录者。
现代冰缘环境主要分布于极地及青藏高原等高海拔地区；而在更新世一些冷期阶段，冰缘环境则更为广布，甚至可延伸至欧亚、北美等大陆腹地。冰缘环境下，地表过程活跃，土壤常表现出多元性与复杂性。正确理解地表历史过程是理解冰缘土壤形成与演变的前提。
为理解欧亚大陆现代及历史冰缘环境下地表过程及土壤形成演变，中国科学院南京土壤研究所张甘霖团队联合德国哥廷根大学Daniela Sauer教授团队，选取了代表现代冰缘环境的亚洲高山区-青藏高原祁连山，以及代表晚更新世冰缘环境的欧洲中部低山区，进行了系统研究。
在亚洲高山区-祁连山托勒小流域的研究发现，沉积物、土壤及植被类型在不同地貌单元呈规律性分布（图1）。通过整合地表各要素并解析其内在关联，我们提出了青藏高原（东北部）地表多元要素耦合模型（图2）(Geomorphology, 2020)。其中，粉尘输入是土壤细土物质的主要贡献者，不同来源粉尘进入地表后，被高山小嵩草等植被捕获，并经根土长期缠结互作，形成坚韧的草毡表层，起到稳定地表的关键作用（图3）。草毡表层的形成是地貌-沉积物-土壤-植被耦合过程的体现。相较于冲积物和冰缘坡积物母质发育的土壤，发育于风积物的土壤富含粉质细土，持水能力强，有利于有机质积累与草毡层形成；而一旦形成草毡表层，土壤生态水文功能得到极大提升（Journal of Hydrology, 2021）。该模型对理解青藏高原景观历史及生态系统演变有重要指导意义。
图1 祁连山托勒小流域沉积物与土壤景观分异
图2 青藏高原地表多元要素（地貌-沉积物-土壤-植被）耦合模型
图3 亚洲高山区冰缘环境中的草毡表层
在欧洲中部低山区晚更新世冰缘小流域（图4）的研究发现，黄土（粉尘输入）是土壤的重要组成部分，其比例随地形部位而变。通过采集地形序列土壤，利用粒度端元模型对土壤中黄土组分进行了量化(Journal of Plant Nutrition and Soil Science, 2020)。冰缘坡积理论奠基人之一，德累斯顿工业大学Arno Kleber教授评论:“该研究首次量化了冰缘坡积物中的黄土比例，是对冰缘坡积理论发展的重要推动”。在此基础上对土壤中黄土比例的空间变异特征进行了精细刻画（图5），并结合粒度分布曲线及14C测年对黄土混合过程及区域景观历史（尤其是人类历史活动对景观的改造）进行了发生学解译(Catena, 2021)。通过建立黄土比例与土壤持水、入渗等水文功能属性在景观尺度的定量关系，进一步明确了黄土添加对冰缘土壤生态水文功能演的关键作用(Journal of Hydrology, 2022)。
图4 欧洲低山区典型晚更新世冰缘小流域景观、母岩与土壤
图5 欧洲低山区冰缘坡积物发育土壤中黄土比例及其景观分异
本研究以时空为纽带，将欧亚大陆现代及历史冰缘环境下地貌、沉积物、土壤、植被等地表要素串联，以地球系统科学视角审视冰缘土壤形成过程与功能演变。取得的重要科学认识包括：冰缘土壤形成与发育是地表多要素耦合过程的结果；粉尘输入是冰缘环境中重要的细土物质来源；冰缘景观历史，包括人类活动历史，影响现代成土过程；沉积过程与土壤发生过程共同驱动土壤生态水文功能演变。本研究为理解冰缘景观历史及生态系统演变提供关键科学依据，为理解沉积环境下土壤形成演变提供典型研究范式，也为理解高寒环境下土壤发育与生态系统演变和可持续发展之间的复杂关系提供了新的视角。
系列研究成果发表于Journal of Hydrology、Geomorphology、Catena和Jounral of Plant Nutrition and Soil Science等期刊。论文第一作者为杨飞博士，现任中国科学院南京土壤研究所特别研究助理。中德双方负责人分别为张甘霖研究员和Daniela Sauer教授。该研究得到中科院对外合作重点项目（151432KYSB20190004）、中德科学中心Mobility项目（M-0046）、科技部第二次青藏科考项目（2019QZKK0306）、国家自然科学基金（42007001）以及国家留学基金委和德意志学术交流中心博士后项目（CSC-DAAD）资助。
1. Yang F, Zhang GL, Sauer D, Yang F, Yang RM, Liu F, Song XD, Zhao YG, Li DC, Yang JL. (2020). The geomorphology–sediment distribution–soil formation nexus on the northeastern Qinghai-Tibetan Plateau: Implications for landscape evolution. Geomorphology, 354, 107040.
https://doi.org/10.1016/j.geomorph.2020.107040
2. Yang F, Liu F, Huang LM, Gu J, Yang RM, Yang F, Zhang GL. (2021). Changing controls of soil water retention in an alpine catchment: Integrating sedimentological and pedological processes. Journal of Hydrology, 603, 126832.
https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2021.126832
3. Yang F, Karius V, Sauer D. (2020). Quantification of loess proportions in Pleistocene periglacial slope deposits and Holocene colluvium using grain‐size data by laser diffractometry. Journal of Plant Nutrition and Soil Science, 183(3), 277-281.
https://doi.org/10.1002/jpln.201900376
4. Yang F, Zhang GL, Karius V, Sauer D. (2021). Loess in Pleistocene periglacial slope deposits and Holocene colluvium of European low mountain ranges: Mixing processes and spatial variations. Catena, 207, 105666.
https://doi.org/10.1016/j.catena.2021.105666
5. Yang F, Rossiter DG, He Y, Karius V, Zhang GL, Sauer D. (2022). Quantification of the effect of loess admixture on soil hydrological properties in sandy slope deposits. Journal of Hydrology, 127904.
https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2022.127904
致谢：本研究涉及大量野外工作，采样过程极为艰辛。每张照片背后都有一段难忘的故事，每段故事里都有一群可爱的人。所爱越山海，致每一位为本研究付出辛勤劳动的土壤时空团队及哥廷根大学师友！
文章来源：土壤时空
原文链接：https://xw.qq.com/cmsid/20220514A0ALS600
