東北地理所在保護(hù)性耕作下黑土團(tuán)聚體孔隙結(jié)構(gòu)特征及其固碳機(jī)制方面取得進(jìn)展
土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，也是土壤碳的儲存庫，在生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)中發(fā)揮著重要作用。土壤團(tuán)聚體的孔隙特征影響土壤有機(jī)碳的礦化，然而，黑土中在團(tuán)聚體水平上對土壤有機(jī)碳固存機(jī)制的研究是有限的。因此，本研究探討保護(hù)性耕作下粒徑分布、形狀參數(shù)、胞外酶活性與 > 2 mm團(tuán)聚體內(nèi)礦化有機(jī)碳之間的關(guān)系。研究結(jié)果將闡明保護(hù)性耕作對土壤孔隙形態(tài)和大小的影響，并有助于理解 > 2 mm團(tuán)聚體土壤固碳的微觀機(jī)制。
本研究基于2004年在海倫站建立的保護(hù)性耕作長期定位實(shí)驗(yàn)，選取常規(guī)耕作、少耕和免耕三個處理進(jìn)行研究。利用工業(yè)納米級計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)測量了原狀土及> 2 mm團(tuán)聚體填充土柱的土壤孔徑分布、形狀參數(shù)、胞外酶活性和碳礦化。研究結(jié)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(tǒng)耕作由于其更高的孔隙分型維數(shù)（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(xiàn)出更復(fù)雜的孔隙（圖1a）。對于> 2 mm團(tuán)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(jié)構(gòu)方程模型表明，在> 2 mm團(tuán)聚體填充土柱中，孔隙的形狀參數(shù)（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(xì)胞外酶的活性對土壤碳礦化產(chǎn)生正向間接影響（圖2）。研究結(jié)果強(qiáng)調(diào)了孔形狀參數(shù)對土壤碳固存的影響的重要性，并說明了> 2 mm團(tuán)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(tuán)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(nèi)，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(shù)通過直接和間接途徑影響累積有機(jī)碳礦化的結(jié)構(gòu)方程模型。箭頭上的數(shù)值表示標(biāo)準(zhǔn)化路徑系數(shù)。紅色箭頭表示正相關(guān)關(guān)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(fā)表在農(nóng)林科學(xué)國際重要期刊Soil & Tillage Research（中國科學(xué)院一區(qū)Top）上。農(nóng)田分子生態(tài)學(xué)科組聯(lián)合培養(yǎng)碩士畢業(yè)生肖揚(yáng)為論文第一作者，土壤資源與利用學(xué)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(xiàng)工作。研究得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2021YFD1500700）、國家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目（42307437）、黑龍江省自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年項(xiàng)目（YQ2023D007）、吉林省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（20240101052JC）和中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（XDA28070302）聯(lián)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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