東北地理所在黑土團聚體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變關(guān)鍵過程與碳磷互饋關(guān)系研究方面取得進展
土壤團聚體作為土壤結(jié)構(gòu)組成與養(yǎng)分循環(huán)的基本單元，其內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)不僅決定著水分、氣體及養(yǎng)分的遷移過程，還深刻影響著碳的固持能力與磷有效性的維持。然而，長期以來有關(guān)土壤碳磷循環(huán)的研究主要聚焦于有機碳組分和磷形態(tài)變化，而對團聚體尺度孔隙結(jié)構(gòu)如何連接土壤結(jié)構(gòu)演變與碳磷循環(huán)過程的內(nèi)在調(diào)控機制，仍缺乏系統(tǒng)認識。
針對上述問題，黑土有機碳與保護性耕作學科組依托黑土保護性耕作長期定位試驗，利用X射線微計算機斷層掃描（X-ray micro-CT）技術(shù)，系統(tǒng)比較了免耕（NT）、條帶耕作（ST）和傳統(tǒng)耕作（MP）三種耕作方式下團聚體孔隙結(jié)構(gòu)、有機碳組分及磷組分的差異，解析了團聚體內(nèi)部孔隙特征與碳、磷組分變化間的耦合關(guān)系，揭示了“孔隙結(jié)構(gòu)—有機碳—磷循環(huán)”的協(xié)同調(diào)控機制。研究旨在闡明耕作擾動如何通過改變團聚體微尺度孔隙環(huán)境影響土壤碳固持與磷循環(huán)過程。
研究發(fā)現(xiàn)，不同耕作方式對黑土團聚體內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了顯著影響，其中ST表現(xiàn)出更為優(yōu)化的孔隙結(jié)構(gòu)特征。在0-5 cm土層，ST顯著提升了大孔隙（>100 μm）的比例，并在0-10 cm土層維持了較高的總孔隙度與連通孔隙度，形成了具有良好通氣性和水分傳輸能力的孔隙網(wǎng)絡(luò)。相比之下，NT因長期缺少擾動，深層土壤孔隙數(shù)量和連通性相對偏低，限制了碳向深層的遷移及磷有效性的提升；MP雖然增加了孔隙數(shù)量和表面積，但強烈的機械擾動破壞了團聚體穩(wěn)定性，導致新形成的孔隙難以持久維持。
在有機碳積累方面，研究發(fā)現(xiàn)不同耕作方式改變了碳在不同粒級團聚體中的分布格局。NT促進了表層有機碳積累，在>2 mm大團聚體中表現(xiàn)出最高的總有機碳含量及較高的顆粒態(tài)有機碳/礦物結(jié)合態(tài)有機碳比例，體現(xiàn)了其在促進表層碳輸入和物理保護方面的優(yōu)勢。而ST則有利于礦物結(jié)合態(tài)有機碳在0.053–0.25 mm微團聚體中的積累，促進形成更為穩(wěn)定的礦物結(jié)合態(tài)碳庫。然而，MP由于持續(xù)破壞團聚體結(jié)構(gòu)，降低了有機碳的物理保護能力，限制了其長期碳固持潛力。
從磷循環(huán)角度看，不同耕作方式通過改變團聚體粒級分布與孔隙環(huán)境，調(diào)控了磷的形態(tài)分配與有效性。磷含量隨團聚體粒徑減小而增加，在<0.053 mm微團聚體中達到最高，這與細顆粒較大的比表面積和豐富吸附位點有關(guān)。ST提高了各土層有效磷和無機磷含量，得益于較高的孔隙度和豐富的大孔隙改善了氧氣供應(yīng)與水分遷移，促進了有機磷礦化。NT利于有機磷保存，但其孔隙連通性受限削弱了磷的遷移性與生物可利用性。MP則改變了磷的粒級分布格局，其不穩(wěn)定孔隙結(jié)構(gòu)難以支撐持續(xù)的碳磷協(xié)同循環(huán)。
進一步分析表明，孔隙結(jié)構(gòu)在土壤碳循環(huán)與磷循環(huán)之間發(fā)揮著關(guān)鍵的物理紐帶作用。回歸分析結(jié)果顯示，在ST處理中，總孔隙度和連通孔隙度與總有機碳含量呈顯著正相關(guān)，而孔隙數(shù)量則與總有機碳含量呈負相關(guān)，表明孔隙結(jié)構(gòu)的“質(zhì)量”遠比單純數(shù)量更能決定其生態(tài)功能。具有較高復(fù)雜度和連通性的孔隙網(wǎng)絡(luò)，有助于促進有機物輸入、微生物活動以及礦物結(jié)合態(tài)碳的形成。與此同時，大孔隙比例增加與有機磷積累密切相關(guān)，表明良好的孔隙環(huán)境可通過改善氧氣供應(yīng)、水分條件以及微生物活動，有效促進磷轉(zhuǎn)化和有效性提升。
本研究創(chuàng)新性地從團聚體尺度系統(tǒng)闡釋了孔隙結(jié)構(gòu)調(diào)控黑土碳磷耦合循環(huán)的物理機制，提出了“碳–孔隙–磷”協(xié)同調(diào)控框架。研究明確，穩(wěn)定、復(fù)雜且高度連通的孔隙網(wǎng)絡(luò)是維持土壤肥力、促進養(yǎng)分循環(huán)的重要結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。其中，ST通過構(gòu)建“上松下緊”的優(yōu)化孔隙構(gòu)型，在實現(xiàn)表層大孔隙增加的同時兼顧了深層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，進而促進有機碳的穩(wěn)定積累和磷的有效利用，為黑土區(qū)保護性耕作模式優(yōu)化和土壤質(zhì)量提升提供了理論依據(jù)。
相關(guān)成果以“Aggregate pore architecture as a bridge between soil carbon and phosphorus cycling”為題發(fā)表于土壤學領(lǐng)域國際主流期刊《Soil & Tillage Research》（IF=8.4）。論文第一作者為黑土有機碳與保護性耕作學科組已畢業(yè)碩士研究生黃文智，通訊作者為陳學文副研究員。梁愛珍研究員、黃丹丹工程師；已畢業(yè)碩士研究生劉立名、張蕾、劉京京、柳亞彤等參與了該研究。
研究得到國家重點研發(fā)計劃項目（2022YFD1500103）、國家自然科學基金項目（41977070）、中國科學院國際合作局國際伙伴計劃項目（131323KYSB20210004）、吉林省重大科技項目（20230302005NC）以及“黑土糧倉”科技會戰(zhàn)專項人才基金（HTRC202213）等項目資助。
論文鏈接如下：https://doi.org/10.1016/j.still.2026.107416
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