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Comment#8 Geochemical characterization of placic horizons in subtropical montane forest soils, northeastern Taiwan

2021/07/16
日更一篇論文進入第六天，這種在家可以瘋狂看論文的時期應該不多了，這周吸收知識的速度應該會是人生高峰吧 (說不定寫論文時還能更多)。

Topic:
Jien, S.H., Hseu, Z.Y., Iizuka, Y., Chen, T.H., & Chiu, C.Y. 2010. Geochemical characterization of placic horizons in subtropical montane forest soils, northeastern Taiwan. European journal of soil science, 61(3), 319-332.
https://doi.org/10.1111/j.1365-2389.2010.01238.x

前言

薄膠層 (placic horizon) 指的是在土壤中形成具深紅色至黑色外表的鐵盤薄層，質地堅硬且不透水，能阻礙根系、水分的穿透，通常出現在udic至perudic的水分境況。
淋澱層 (spodic horizon) 與硬盤層 (ortstein horizon) 則是由有機-鐵鋁錯合物 (organic Fe/Al complex) 累積形成的，與薄膠層中無機的鐵錳累積不同，薄膠層中有機質是吸附在鐵氧化物的表面而非與其錯合。薄膠層多是因為上層土壤發生鐵的還原而以移動性較高的Fe2+形式移動到土壤的下層，再受到氧化作用沉澱所形成的。
針對土壤中的鐵鋁分布，雖有選擇性抽出方法可區別不同狀態的鐵鋁，額外使用顯微鏡方法包含energy-dispersive spectrometry (EDS)、electron probe microanalysis (EPMA) 及scanning electron microscopy (SEM) 則可進一步觀察在土壤中的空間分布與較細微的異質性，因此本研究除了選擇性抽出外也選用了這些顯微鏡方法。

材料與方法

採樣地區
採樣地區位於太平山地區，海拔1800-2100 m，此地的土壤母質來自中新世 (Miocene) 地殼抬升形成的頁岩 (shale) 及板岩 (slate)，年均溫10°C，年雨量3200 mm，尤其在7-11月的季風時期帶來強降雨，植被主要為臺灣紅檜等針葉林樹種。
採集五個具有薄膠層的土壤剖面並進行後續化學分析。

Differential X-ray diffraction (DXRD)
為了偵測結晶性鐵礦物的含量，使用CuKα光源的XRD分析2θ角介於32-48°範圍的繞射圖譜，並比較在DCB處理前/後的圖譜。

Micromorphology and micro probe mapping
使用Kubiena box進行採樣後送交公司進行切片固定，除了觀察玻片外，以SEM觀察其表面的細微質地變化，並在選定位置後以EDS測量元素組成 (EDS的原理與XRF類似)。電子顯微探針EPMA則用於觀察表面的元素分布。

結果與討論

形態特徵
五個剖面 (TP-1, TP-2, TP-3, TP-4與TP-5) 的層序相似，均具灰白色洗出層 (eluvial horizon, AE或E)、深紅褐色薄膠層 (Bsm) 及紅棕-黃色的黏聚層 (argillic horizon, Bt)，在Bsm及Bt層均有發現洗入的黏粒累積形成黏粒膜 (clay coating)。薄膠層顏色介於2.5YR 2.5/1至7.5YR 5/8且化育層上界為abrupt wavy，下界為gradual。其中在TP-1、TP-3及TP-5的薄膠層內又有發育出上下兩個sub-horizon，上層呈現棕紅色，較硬且密實，而下層除了棕紅色外呈現偏黃且較上層鬆散。

理化性質
在剖面中的Bt層發現明顯的黏粒累積現象，質地分析也符合Soil Taxonomy對黏聚層的定義。有機碳含量從E層至Bsm層有明顯的上升，CEC也有相同的趨勢，不同方式萃取的鐵也都在Bsm層呈現最高的濃度，在TP-3及TP-5的Bsm層中Fed約莫等同於桌上型XRF測定的全鐵濃度，顯示在此累積的鐵多數為游離鐵。鋁方面僅Ald在Bsm層累積，其餘萃取法的濃度在整個剖面較無差異。Mnd則隨深度而增加。
與有機質錯合的鐵鋁 (Fep及Alp) 在Bt層的濃度高於Bsm層，這顯示有機-鐵鋁錯合物在薄膠層形成前便淋洗至較深處的Bt層。

黏土礦物
在薄膠層的Feo/Fed比值介於0.33-0.53，顯示仍有大部分的游離鐵是以結晶型態 (crystalline) 存在於薄膠層中。DXRD的結果在薄膠層顯示goethite、Ferrihydrite與lepidocrocite的存在，lepidocrocite在這種潮濕且有機質較高的環境容易生成。

顯微觀察
土壤微型態觀察發現薄膠層內的sub-horizon又細分成不同的c/f-related distribution，在上層呈現bimodal porphyric distribution，下層則呈現porphyric narrower ration distribution，porphyric描述的是土壤中較大的成分被較為密集的小成分所包圍，也就是空隙都被小成分填滿。
EDS的元素分析發現在薄膠層內的元素以鐵與氧為主，顯示氧化鐵的累積，而薄膠層內部則是下層的鋁與矽比上層高。EPMA的結果則顯示鐵、鋁以條狀的方式累積。
XRF測量的Fe, Al, Ca, Na, K及Mg全量結果與前述實驗類似，除了清楚顯示鹽基離子的淋洗流失外，鐵全量也以薄膠層的濃度最高。

化育過程
薄膠層的形成是因為氧化還原作用使得鐵錳的移動性上升而累積在特定深度，在本研究剖面的薄膠層中鐵含量大於鋁含量非常多，顯示薄膠層主要累積的是鐵，且 (Fed+Alo)/OC的比值大於5，顯示累積的以無機鐵為主，根據前人文獻指出當這個比值大於3便會使有機錯合態的鐵鋁移動性降低。
然而在薄膠層的下半層也有Fep的累積，因此作者提出的假說是有機錯合的鐵鋁、黏粒以及還原態的Fe2+同時隨著水淋洗移入，後在具有質地差異的薄膠層深度發生氧化作用而沉澱，在上層sub-horizon形成之後阻礙了排水，更進一步還原土壤，增加上層sub-horizon累積的鐵含量。
這也解釋了薄膠層內部又細分不同的sub-horizon，在下層sub-horizon累積了有機錯合的鐵鋁，而上層sub-horizon則以無機鐵為主。兩階段的化育過程得以用於解釋薄膠層內sub-horizon的形成且與化學、顯微觀察的結果一致，並可總結為四段呈土過程：

  1. 此地的強降雨造成表土的風化以及強烈淋洗作用，黏粒的淋洗與累積形成了黏聚層。
  2. 淋澱化作用也與黏粒的淋洗同時發生，有機錯合態的鐵鋁移動至黏聚層之上。
  3. 由此產生的質地差異 (表土質地粗/裡土質地細) 造成表土浸水呈現還原狀態 (發生episaturation)，因而使鐵還原成Fe2+並移動、累積在薄膠層的深度，形成單一層的薄膠層。
  4. 形成的薄膠層進一步限制透水性，表土的浸水狀態還原更多的鐵並累積在薄膠層的上層，使薄膠層內部出現sub-horizon的分化。

單字

surmise：(v.) 推測
prerequisite：(n.) 先決條件