Comment#2 Soil characteristics and clay mineralogy of two subalpine forest spodosols with clay accumulation in Taiwan
2021/07/12
我覺得自己寫comment最開心的地方是可以中英文混用，畢竟有些字用中文寫實在很難理解意思，某些翻譯又不清楚。
Topic:
Liu, J.C., and Chen, Z.S. 2004. Soil characteristics and clay mineralogy of two subalpine forest spodosols with clay accumulation in Taiwan. Soil Science, 169(1), 66-80.
https://doi.org/10.1097/01.ss.0000112013.97541.74
前言
本篇的內容是在探討南投縣郡大山、望鄉山地區淋澱土的化育作用，該地與臺灣其他地區的淋澱土一樣具有淋澱化作用與黏粒累積現象。
臺灣的淋澱土多分布於中央山脈，具有冷涼潮濕的氣候，在所謂高山 (alpine) 與亞高山 (subalpine) 地區，但因母質為sandstone, shale或slate，多具有較黏的質地，不利淋澱化作用進行，化育出的土壤與其他溫帶地區淋澱土有所不同。
溫帶地區淋澱土的漂白層 (E) 之黏土礦物組成中，多為vermiculite或smectite，這兩種2:1型黏土礦物是來自non-expanding的黏土礦物例如illite, chlorite及hydroxy-interlayered vermiculite (HIV)。
Vermiculite及smectite是常見具膨脹收縮能力的2:1型黏土礦物，又以smectite的膨脹能力較強，其原因是smectite的同構取代在八面體層較多所以對層間引力較弱，反之vermiculite的同構取代則集中在四面體層較多，所以引力較強，膨脹能力稍小於smectite。值得一提的是，針對臺灣淋澱土的研究多未在剖面中發現smectite。
而non-expanding的礦物通常是層間有足夠引力固定的，如illite是層間的K離子、chlorite是層間的brucite結構、HIV是層間的水合Al聚合物。
採樣地點
在郡大山與望鄉山地區 (23°37’N, 120°56’E)海拔2400-2700 m處挖掘兩個壤質地淋澱土剖面，該地氣候特徵為高降雨量 (年雨量3000 mm) 與低溫 (年均溫12.7°C)，相對溼度可達到70%，因此土壤水分、溫度境況分別為udic與mesic，林相為針葉樹林，母質為slate and sandstone。
結果與討論
Soil morphology & micromorphology
兩個剖面的診斷表育層皆為Ochric epipedon且具深黑色，為O/A層，層序分別為O/A-E-BE-Bhs-Bs-BC1-BC2和O/A-E-BE-Bhs-Bs1-Bs2-Bs3-BC。漂白層顏色為10YR 7/1但參雜一些mottle (7.5YR 6/6)。Bhs層皆達到分類標準呈現7.5YR 4/6，具有angular blocky及granular構造。兩個剖面皆具些微 (slightly) 的黏性與塑性，結持度為firm。有明顯的有機-金屬錯合物累積在Bhs層，但沒有發現clay film。
微型態的部分，漂白層具有enaulic c/f distribution，在Bhs層的intergranular space被棕至黑色的物質填充，這些物質主要為有機質、無定型鐵以及黏粒，除了無定型物質的累積外，也有少部分已具定向 (orented) 排列的黏粒累積。在pedon-2的微型態切片中也看到所謂的dark pellet及organo-ferran分布於孔洞，以及oriented clay累積。這證明podzolization及clay illuviation均在此地發生，然而podzolization會限制黏粒的移動。
理化性質
這兩個剖面的母質都是slate and sandstone，因此質地較細，B層的黏粒含量均超過30%，和臺灣他地發現的淋澱土相似，主要質地為loam, clay loam及silty clay loam。土壤pH值介於3.8-4.9且隨深度增加，有機碳在E層最低且在Bhs層有明顯增加。
陽離子交換容量 (cation exchange capacity, CEC) 介於10-50 cmol(+)/kg，鹽基飽和度 (base saturation, BS) 均小於5%，但可交換性Al及Al saturation均相當高，顯示此地強烈的leaching process。
鐵鋁選擇性抽出的部分，DCB萃取之游離鐵不意外的在Bhs層達到最大值 (分別為35.1及31.8 g/kg)，而草酸銨萃取的無定型鐵與焦磷酸萃取的有機結合態也有一樣的趨勢，極高的Fep/Feo比例也揭示該地的鐵主要以有機結合態存在，鋁具有相同的趨勢。
依照理化性質分析的結果，此地的Alo+0.5Feo > 0.5%且ODOE > 0.25，且這兩個指標在B層的數值也高於E層的兩倍以上，因此符合Soil Taxonomy中淋澱土綱的規定，可被分類為淋澱土。
黏土礦物
同樣使用XRD鑑定各化育層的礦物組成，判別標準如下
- Vermiculite: Mg飽和呈現1.4 nm d-spacing，甘油處理不改變，K飽和時加熱至110°C收縮至1.0 nm d-spacing。
- Illite: 任何處理都是1.0 nm d-spacing。
- Vermiculite-illite interstratified (V-I): Mg飽和時呈現1.0-1.4 nm d-spacing，甘油處理不改變，K飽和時加熱至110°C收縮至1.0 nm d-spacing。
- Gibbsite: 0.485 nm d-spacing，K飽和時加熱至350°C時消失。
- Chlorite and kaolinite: 兩者的d-spacing分別為1.4 nm及0.72 nm，所以難以分別，需利用HCl處理來摧毀chlorite的層間結構，若HCl處理下仍存在則為kaolinite。
- Hydroxy-interlayered vermiculite (HIV): Mg飽和時呈現1.4 nm d-spacing，甘油處理不改變，K飽和時在大約350°C才開始收縮至1.0 nm。
在E層最主要的礦物為vermiculite, illite及少量的V-I礦物、quartz及kaolinite。Bhs層則以illite, vermiculite及HIV為最主要礦物，另有少量的kaolinite, quartz及gibbsite。BC層最主要的礦物則是illite及HIV。此地的母質最主要的黏土礦物是illite。
此地的風化受到大量有機酸的影響，leaching process及植物吸收都會降低土壤中K的含量而使Illite層間的K釋出，進而生成vermiculite或是V-I礦物。HIV則較可能是由illite風化，或是含鋁的聚合物從E層流失之後沉澱至vermiculite的層間。
在土壤中illite含量的最大值出現在C及BC層，而vermiculite含量隨著深度而降低，兩者具有相反的趨勢，代表礦物從母質含量較多的illite逐漸失去層間K而風化成vermiculite。在illite風化的過程中若處於較低Al濃度，pH >6的環境下較易生成smectite，但在此地如此強酸性、排水良好的的條件下則易生成vermiculite。而illite的dioctahedral結構也作為後續HIV、kaolinite等礦物生成的前驅。隨後，在較表層土壤 (例如E層) 流失的Al進入vermiculite的層間並且沉澱成為hydroxy-Al polymeric compound固定，便生成HIV，而在Bhs層的礦物被有機物包裹而無法進一步風化。
因此，本地的黏土礦物風化序列應為illite → vermiculite (or V-I) → HIV。
分類建議
本次的兩個剖面可分別被分類為Typic Haplohumod (有機碳 > 6%) 與Typic Haplorthod，然而在Soil Taxonomy中淋澱土綱下並沒有一個分類可以描述本剖面較高的黏粒含量，因此本研究建議增加Ultic subgroup，以表示此種具有高黏粒含量的淋澱土。
後續學習
這篇文章講述礦物風化的過程，值得一讀。
Ismail, F. T. 1970. Biotite weathering and clay formation in arid and humid region, California. Soil Sci. 109:257–261.