《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》：Climate indicators forclassifying soil moisture regimes of paleosols
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本研究通过分析299个现代土壤pedons数据，建立了基于年降水量（MAP）和年温度（MAT）的土壤湿度 regimes（SMR）分类指标，采用模糊逻辑模型解决古气候代理数据精度问题，成功将现代SMR分类标准应用于奥陶纪至更新世的古土壤研究，提升了古土壤分类和成土过程推断的准确性。
李·诺德特（Lee Nordt）| 加里·E·斯廷奇科姆（Gary E. Stinchcomb）| 威廉·E·卢肯斯（William E. Lukens）| 萨拉·科格勒（Sarah Kogler）
美国德克萨斯州韦科市贝勒大学（Baylor University）地球科学系，邮编76798
摘要
“perudic”、“udic”、“ustic”、“xeric”和“aridic”是根据平均月降水量（MMP）、平均月潜在蒸散量（MMPET）以及土壤持水能力定义的土壤水分分类体系（SMRs），用于估算土壤处于干燥或湿润状态的时段。然而，由于标准的古气候代用指标仅能提供年平均降水量（MAP）和年平均温度（MAT），因此在埋藏的古土壤中估算这些分类体系存在困难。为此，我们分析了来自美国农业部-自然资源保护局（USDA-NRCS）三个数据集的299个土壤样本，并开发了仅使用MAP和MAT来识别这些分类体系的指标。研究结果表明，具有“perudic”水分分类体系的土壤样本主要分布在年平均降水量超过2200毫米的地区，这表明这些地区的土壤水分较为充足。区分“udic”（湿润）和“ustic”（湿润/干燥）两个子分类体系的界限是：年平均降水量在300至2200毫米之间时，以及年平均温度在8至22摄氏度之间时。对于“aridic”水分分类体系，当年平均降水量低于400毫米且年平均温度在8至22摄氏度之间时属于一个子分类体系；当年平均降水量低于600毫米且年平均温度在22摄氏度以上时属于另一个子分类体系。“crygel”土壤温度分类体系（STR）则出现在年平均温度低于8摄氏度且年平均降水量低于300毫米的情况下；而“xeric”水分分类体系未包含在此分类体系中。由于MAP和MAT的古气候代用指标存在不确定性，我们采用了模糊逻辑模型来识别主要的水分分类体系及其相邻分类体系的隶属关系。将该模型应用于奥陶纪至更新世沉积物中的古土壤后，重建的水分分类体系有助于更准确地判断土壤类型及成土过程和植物群落特征。
引言
美国农业部-自然资源保护局（USDA-NRCS）在国家合作土壤调查计划中建立了土壤水分分类体系（SMR）的概念（Soil Survey Staff, 1975; Soil Survey Staff, 1999）。土壤水分分类体系是定义土壤类型的重要依据，与区域水循环（Seneviratne et al., 2010; Li et al., 2018）、环境温度（Lembrechts et al., 2022）以及成土过程（Arkley, 1963, Arkley, 1967; Soil Survey Staff, 1999; Guo et al., 2003; Buol et al., 2011; Bonfante et al., 2011）密切相关。为了识别古土壤中的水分分类体系，Nordt等人（2025a）发布了一套形态学指标。具有“aquic”水分分类体系的土壤具有长期饱和和还原条件，表现为有机物质积累、土壤颜色从灰白色变为红色，以及铁氧化还原状态的改变（Soil Survey Staff, 1999; Vepraskas and Craft, 2016; Vasilas et al., 2018; Smirnova and Kozlov, 2023）。然而，目前尚无识别古土壤中“非aquic”水分分类体系（perudic、udic、ustic、xeric、aridic）的标准方法。因此，大多数研究人员要么不尝试对它们进行分类，要么仅根据古土壤的一般特性或古气候代用指标进行推断（参见Retallack, 2019）。这是一个重要限制，因为“aridic”水分分类体系对于分类Aridisol土类至关重要，而“perudic”、“udic”、“ustic”和“xeric”水分分类体系则有助于分类Oxisols、Alfisols、Ultisols、Vertisols、Mollisols、Andisols和Inceptisols等土类。此外，不了解古土壤中的水分分类体系会限制对风化过程、地下水位动态以及土壤对植物和动物群落分布影响的认识（Hasiotis, 2004; Nordt et al., 2011; McElwain, 2018; Lukens and Fox, 2022; Peppe et al., 2023; Jahren and Schubert, 2024）。
识别古土壤中水分分类体系的挑战在于，需要利用平均月降水量（MMP）和平均月潜在蒸散量（MMPET）来确定土壤是湿润还是干燥状态，或利用Thornthwaite土壤水分平衡（SWB）模型判断土壤水分是过剩还是不足。由于目前缺乏可靠的月度降水量和蒸散量代用指标，因此需要探索其他方法来重建古土壤的水分分类体系。本文的目标是：1）利用现代土壤数据库中的MAP和MAT作为MMP和MMPET的代理指标来建立预测模型；2）在已知水分分类体系的土壤样本上测试MAP和MAT指标的可靠性；3）将这些指标应用于使用适当古气候代用指标的显生宙古土壤。
土壤温度分类体系
大约50厘米深度处的土壤温度被划分为不同的土壤温度分类体系（STRs），以反映温度对植物生长的影响。最常见的STRs包括gelic、cryic、mesic、thermic和hyperthermic（表1）（Soil Survey Staff, 1999）。这些分类体系用于区分不同耕作方式或自然植物群落变化的地区（如棉花种植区与玉米种植区、暖季草类与冷季草类）。其中，“iso”修饰符用于表示所有类型的土壤温度分类体系。
开发水分分类体系指标
图5A展示了数据库中299个土壤样本的MAP-MAT交叉图。结果显示，区分“udic”和“ustic”水分分类体系的MAP和MAT值之间存在弱但正的相关性；而对于“perudic”和“aridic”水分分类体系，相关性较弱。沿x轴和y轴划分的区块区域反映了产生较少误判结果的土壤样本分布。
讨论
随着最近发布的用于识别“aquic”水分分类体系的指标（Nordt et al., 2025a），现在也可以使用这些指标来识别“perudic”、“aridic”、“udic”和“ustic”水分分类体系，从而实现与现代土壤相同的分类（Soil Survey Staff, 1999）。这一点非常重要，因为最近已将12个土壤类型的分类体系扩展到古土壤中（Nordt et al., 2025b），并可以进一步细化到子分类（如paleo-Udert）和更大的分类群（如...
结论
研究表明，结合使用MAP和MAT值可以标准化古土壤中“perudic”、“udic”、“ustic”和“aridic”水分分类体系的识别。使用这些指标进行分类的误判率分别为：aridic水分分类体系为14%，而perudic、udic和ustic水分分类体系均为不到10%。将这些指标应用于一组现代土壤样本，证明了利用MAP和MAT作为替代指标的有效性。
关于手稿准备过程中生成式AI和AI辅助技术的声明
在撰写本文时，作者使用了Microsoft Copilot这一AI工具来辅助开发部分公式和Excel中的VBA宏（Visual Basic for Applications）以实现模糊逻辑算法。作者对内容进行了严格审查和编辑，并对最终发表的文章内容负全责。
作者贡献
诺德特（Nordt）参与了项目的初步概念构思、许多方法论的制定，并参与了数据分析和写作工作。斯廷奇科姆（Stinchcomb）和卢肯斯（Lukens）负责数据整理、正式数据分析、方法控制以及手稿的编写和编辑。科格勒（Kogler）协助绘制了土壤样本的地理位置图，并获取了相关的水分分类数据，同时还参与了手稿的编辑工作。
CRediT作者贡献声明
李·诺德特（Lee Nordt）：负责写作、审稿与编辑、初稿撰写、方法论研究、数据分析、数据整理和概念构建。加里·E·斯廷奇科姆（Gary E. Stinchcomb）：负责写作、审稿与编辑、初稿撰写、方法论研究、数据分析。威廉·E·卢肯斯（William E. Lukens）：负责写作、审稿与编辑、初稿撰写、方法论研究、数据分析。萨拉·科格勒（Sarah Kogler）：负责写作、审稿与编辑、数据可视化、数据分析。
未引用的参考文献
Nettleton, 1991
PRISM气候小组和俄勒冈州立大学，2025
Schoeneberger等人，2021
Thomas, 1996
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
作者声明以下财务利益或个人关系可能被视为潜在的利益冲突：
