土壤有多深？——重新审视地球生物活性层的深度与生态意义

作者及发表信息
本文由Daniel D. Richter（杜克大学环境学院土壤与森林生态学副教授）和Daniel Markewitz（杜克大学环境学院研究生）合作完成，发表于1995年10月的《BioScience》第45卷第9期（第600-609页）。两位作者的研究兴趣集中于土壤形成与森林生态系统。

学术背景与研究动机
传统上，土壤被定义为“耕作层深度”，即犁耕可达的范围（通常仅1-2米）。然而，这一观点低估了生物活动对地球表层的实际影响。本文挑战了这一传统认知，提出土壤应被视为“地球表层生物活跃的圈层”，其深度远超农业视角下的定义。研究背景基于以下科学共识：
1. 土壤与生态系统的协同演化：自泥盆纪（约3.5亿年前）陆地植物兴起以来，植物根系与微生物活动通过呼吸作用释放二氧化碳，形成碳酸（H₂CO₃），加速了岩石风化与养分释放，推动了土壤与生态系统的共同进化。
2. 深层土壤的生物活性：现代研究表明，微生物和植物根系可活跃于地表以下数十米，甚至影响深层水文和地球化学循环。
3. 土壤科学的范式扩展：随着环境问题（如碳循环、水污染）的凸显，土壤科学需从农业应用转向更广泛的生态视角。

研究方法与流程
研究以美国南卡罗来纳州Calhoun实验森林的Ultisol（老成土）为对象，通过多相分析（气体、液体、固体）评估土壤的生物地球化学过程：

1. 土壤剖面采样

   • 研究对象：Appling土壤系列（Ultisol土纲），深度达8米，包含O（有机层）、A（耕作层）、E（淋溶层）、B（淀积层）、C（母质层）等典型层次。
     
   • 采样设计：在长期种植火炬松（*Pinus taeda*）的样地中，按深度分层采集气体、溶液及固体样本，分析其理化性质。
     

2. 气相分析：土壤二氧化碳浓度

   • 方法：1992-1994年间定期测量土壤孔隙中CO₂浓度（0-6米），对比大气背景值（0.035%）。
     
   • 关键发现：CO₂浓度随深度增加而升高（B层0.41-2.01%，C层2.37-2.91%），表明深层呼吸活动活跃；季节性波动显示生物活动对气候的响应。
     

3. 液相分析：酸源与风化机制

   • 有机酸：表层（O、A层）有机酸贡献显著（DOC浓度31.4 mg/L），但在B层以下锐减（0.6米处降至1.4 mg/L），因黏土吸附与微生物分解。
     
   • 碳酸系统：深层（>0.6米）碳酸（H₂CO₃）成为主要酸源，其解离推动硅酸盐矿物（如钠长石）风化，生成高岭石和可溶性盐（如NaHCO₃）。
     
   • 硫酸与硝酸：大气沉降的硫酸盐（SO₄²⁻）在B层被铁氧化物吸附，硝化作用（HNO₃）贡献微弱。
     

4. 固相分析：土壤酸度与矿物转化

   • pH与交换性酸度：全剖面pH≤4.2（基岩pH=7.9），交换性酸（H⁺+Al³⁺）占阳离子交换量（CEC）的90%以上，需15万公斤/公顷石灰中和。
     
   • 风化速率：每米花岗岩需消耗约10⁵ kmol/ha酸度转化为高岭石，凸显生物驱动的风化强度。
     

主要结果与逻辑链条
1. 生物活动的深度证据：微生物数量在8米处仍达1.8×10⁷ cells/g，根系延伸至4米，证实C层是生物活跃的“土壤”而非惰性母质。
2. 碳酸驱动的风化：高CO₂浓度（C层>2.37%）迫使碳酸解离，即使强酸性条件下（pH≤5.0）仍持续释放HCO₃⁻（年均0.11-0.22 kmol/ha），导致深层矿物溶解。
3. 土壤定义的扩展：C层占土壤体积的绝大部分，其生物地球化学过程与表层不可分割，应纳入土壤范畴。

结论与科学价值
1. 理论意义：提出“全剖面土壤”概念，将土壤下限扩展至生物活动显著影响的深度（可达数十米），修正了传统以耕作层为核心的土壤模型。
2. 生态应用：深层土壤是碳汇、水文调节和养分循环的关键区域，忽视其作用将低估生态系统的碳储存与抗逆能力。
3. 方法论创新：结合气体-溶液-固相分析，揭示了生物化学风化（如碳酸作用）在深层土壤中的主导地位。

研究亮点
- 深度突破：首次系统论证C层是土壤形成的活跃部分，挑战了“土壤=O-A-B层”的经典分类。
- 跨尺度证据：从微生物计数（图3）、CO₂梯度（图4）到矿物转化（图2），多尺度数据支持生物对深层地壳的改造。
- 全球适用性：Ultisol广布于热带（如亚马逊550万平方公里）和温带，结论对理解全球风化-碳循环有普适意义。

其他价值
研究呼吁将“地球化学风化”更名为“生物地球化学风化”，以强调生物活动的核心作用。这一观点为全球变化研究（如碳封存、酸化修复）提供了新框架。