東北地理所在保護性耕作下黑土團聚體孔隙結構特征及其固碳機制方面取得進展
土壤團聚體是土壤結構的基本單元，也是土壤碳的儲存庫，在生態系統的碳循環中發揮著重要作用。土壤團聚體的孔隙特征影響土壤有機碳的礦化，然而，黑土中在團聚體水平上對土壤有機碳固存機制的研究是有限的。因此，本研究探討保護性耕作下粒徑分布、形狀參數、胞外酶活性與 > 2 mm團聚體內礦化有機碳之間的關系。研究結果將闡明保護性耕作對土壤孔隙形態和大小的影響，并有助于理解 > 2 mm團聚體土壤固碳的微觀機制。
本研究基于2004年在海倫站建立的保護性耕作長期定位實驗，選取常規耕作、少耕和免耕三個處理進行研究。利用工業納米級計算機斷層掃描技術測量了原狀土及> 2 mm團聚體填充土柱的土壤孔徑分布、形狀參數、胞外酶活性和碳礦化。研究結果顯示，長期免耕和少耕增加了原狀土中總孔隙度和較大孔隙比例，顯著降低了較小孔隙比例。傳統耕作由于其更高的孔隙分型維數（2.75-2.90）、各向異性（0.366-0.516）以及更低的球度（5.1-28.7），表現出更復雜的孔隙（圖1a）。對于> 2 mm團聚體來說，少耕顯著增加了3.02-3.62%的孔隙連通性，而免耕對其沒有改變（圖1b）。結構方程模型表明，在> 2 mm團聚體填充土柱中，孔隙的形狀參數（包括連通性和各向異性）直接對β-葡萄糖苷酶和β-木糖苷酶的活性有正向影響，并能通過影響細胞外酶的活性對土壤碳礦化產生正向間接影響（圖2）。研究結果強調了孔形狀參數對土壤碳固存的影響的重要性，并說明了> 2 mm團聚體中土壤碳固存的微觀路徑。
圖1 原狀土體孔隙(a)和> 2 mm團聚體填充土柱孔隙(b)的可視化。掃描后的土柱在圖中紅色框內，每條紅色框線的邊長為2cm。紅框中的白色部分為土壤孔隙，透明部分為土壤的固體部分。
圖2 孔隙分布和形狀參數通過直接和間接途徑影響累積有機碳礦化的結構方程模型。箭頭上的數值表示標準化路徑系數。紅色箭頭表示正相關關系。路徑的顯著性表示為:*代表p < 0.05;**代表p < 0.01;***代表p < 0.001，黑色虛線代表路徑不顯著。R2值代表自變量對因變量變異的解釋程度。
研究成果近期發表在農林科學國際重要期刊Soil & Tillage Research（中國科學院一區Top）上。農田分子生態學科組聯合培養碩士畢業生肖揚為論文第一作者，土壤資源與利用學科組周萌助理研究員為通訊作者，劉曉冰研究員和張興義研究員參與了本項工作。研究得到國家重點研發計劃項目（2021YFD1500700）、國家自然科學基金青年項目（42307437）、黑龍江省自然科學基金優秀青年項目（YQ2023D007）、吉林省自然科學基金面上項目（20240101052JC）和中國科學院戰略性先導科技專項（XDA28070302）聯合資助。
論文信息：Yang Xiao,Meng Zhou*,Xiaobing Liu,Xingyi Zhang,Leilei Xiao,Liu Jian,Richard M.Cruse. Pore connectivity and anisotropy affect carbon mineralization via extracellular enzymes in> 2 mm aggregates under conservation tillage of Mollisols. Soil & Tillage Research,2024,106253.
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.still.2024.106253
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