東北地理所在黑土團聚體結構轉變關鍵過程與碳磷互饋關系研究方面取得進展
土壤團聚體作為土壤結構組成與養分循環的基本單元，其內部孔隙結構不僅決定著水分、氣體及養分的遷移過程，還深刻影響著碳的固持能力與磷有效性的維持。然而，長期以來有關土壤碳磷循環的研究主要聚焦于有機碳組分和磷形態變化，而對團聚體尺度孔隙結構如何連接土壤結構演變與碳磷循環過程的內在調控機制，仍缺乏系統認識。
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，系統比較了免耕（NT）、條帶耕作（ST）和傳統耕作（MP）三種耕作方式下團聚體孔隙結構、有機碳組分及磷組分的差異，解析了團聚體內部孔隙特征與碳、磷組分變化間的耦合關系，揭示了“孔隙結構—有機碳—磷循環”的協同調控機制。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境影響土壤碳固持與磷循環過程。
研究發現，不同耕作方式對黑土團聚體內部孔隙結構產生了顯著影響，其中ST表現出更為優化的孔隙結構特征。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絡。相比之下，NT因長期缺少擾動，深層土壤孔隙數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雖然增加了孔隙數量和表面積，但強烈的機械擾動破壞了團聚體穩定性，導致新形成的孔隙難以持久維持。
在有機碳積累方面，研究發現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大團聚體中表現出最高的總有機碳含量及較高的顆粒態有機碳/礦物結合態有機碳比例，體現了其在促進表層碳輸入和物理保護方面的優勢。而ST則有利于礦物結合態有機碳在0.053–0.25 mm微團聚體中的積累，促進形成更為穩定的礦物結合態碳庫。然而，MP由于持續破壞團聚體結構，降低了有機碳的物理保護能力，限制了其長期碳固持潛力。
從磷循環角度看，不同耕作方式通過改變團聚體粒級分布與孔隙環境，調控了磷的形態分配與有效性。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。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，其不穩定孔隙結構難以支撐持續的碳磷協同循環。
進一步分析表明，孔隙結構在土壤碳循環與磷循環之間發揮著關鍵的物理紐帶作用。回歸分析結果顯示，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，而孔隙數量則與總有機碳含量呈負相關，表明孔隙結構的“質量”遠比單純數量更能決定其生態功能。具有較高復雜度和連通性的孔隙網絡，有助于促進有機物輸入、微生物活動以及礦物結合態碳的形成。與此同時，大孔隙比例增加與有機磷積累密切相關，表明良好的孔隙環境可通過改善氧氣供應、水分條件以及微生物活動，有效促進磷轉化和有效性提升。
本研究創新性地從團聚體尺度系統闡釋了孔隙結構調控黑土碳磷耦合循環的物理機制，提出了“碳–孔隙–磷”協同調控框架。研究明確，穩定、復雜且高度連通的孔隙網絡是維持土壤肥力、促進養分循環的重要結構基礎。其中，ST通過構建“上松下緊”的優化孔隙構型，在實現表層大孔隙增加的同時兼顧了深層結構的穩定性，進而促進有機碳的穩定積累和磷的有效利用，為黑土區保護性耕作模式優化和土壤質量提升提供了理論依據。
相關成果以“Aggregate pore architecture as a bridge between soil carbon and phosphorus cycling”為題發表于土壤學領域國際主流期刊《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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