长期氮肥施用通过增强孔隙连通性促进秸秆还田下大团聚体内新鲜颗粒有机质积累

本研究发现长期氮肥施用（360和540 kg ha?1 year?1）结合秸秆还田可显著提升Vertisol土壤中3–5 mm大团聚体比例，并通过增加中孔隙度（30–100 μm）、连通孔隙度和生物孔隙度，促进新鲜颗粒有机质（POM）在连通孔隙内的空间分布（占比68–75%）。研究首次采用X射线计算机断层扫描（CT）技术结合机器学习，非侵入式解析了POM形态分类（新鲜/分解POM）与孔隙结构的空间耦合关系，为农业管理措施提升土壤固碳能力提供了微观机制证据。

　　

Highlight

长期氮肥施用在秸秆还田条件下通过增强孔隙连通性促进大团聚体内新鲜颗粒有机质积累

Introduction

土壤团聚体由矿物颗粒和胶结物质组成，是土壤结构的基本单元和重要质量指标。团聚体内的物理保护对颗粒有机质（POM）的长期积累与固存起着关键作用（Six等，2002；Lavallee等，2020）。POM被包裹在这些团聚体及其复杂孔隙结构中，形成减少微生物接触的微环境（Six等，1999；Wei等，2023）。作为重要胶结剂，POM还能通过与土壤细颗粒和微生物残骸结合促进团聚体形成（Husain和Dijkstra，2023）。此外，POM分解促进孔隙网络发育，进一步增强其物理保护（Kravchenko和Guber，2017）。因此，提高POM含量对促进土壤团聚和改善结构至关重要。

土壤团聚体中的孔隙网络调节水分运动和气体交换，间接影响微生物对POM的分解。近年来，越来越多研究关注团聚体内POM与孔隙特性的关系。Wu和Hu（2024）发现大团聚体中POM含量与＞200 μm孔隙度呈负相关，表明这些孔隙可能促进POM分解。相反，Kravchenko等（2015）报道在4–6.3 mm团聚体中＞13 μm孔隙与POM流失呈正相关，而Wang和Hu（2023）发现大团聚体POM含量与15 μm至＞80 μm孔隙度无显著相关性。此外，孔隙连通性也影响POM动态。Wei等（2023）观察到高孔隙连通性与POM含量呈显著正相关。然而，这些研究主要采用破坏POM空间分布的粒度和密度分离方法。X射线计算机断层扫描（CT）结合机器学习算法，现已实现CT图像中POM的非侵入式识别与分割（Schlüter等，2022b）。需进一步探索孔隙特性与POM分布的关系，以深化对孔隙结构物理保护POM机制的理解。

POM主要来源于植物残体和微生物分解产物，其形态、矿化程度和团聚体内空间分布差异显著。根据形态特征，POM可分为新鲜和分解两类（Schlüter等，2022a）。新鲜POM源自植物残体和凋落物，体积较大，为微生物分解提供热点，并在孔隙网络中稳定存在（Leuther等，2022）。分解POM较小且高度矿化，与土壤基质结合更紧密，分布于更小孔隙中（Elyeznasni等，2012）。要理解团聚体如何物理保护新鲜和分解POM，需深入研究其空间分布及与孔隙结构的关系。

氮肥（N）广泛用于提高作物产量，但过量施氮会破坏土壤结构（Blanco-Canqui等，2014；Yang等，2024）。Guo等（2022）报道当施氮量超过360 kg ha^?1 year^?1时，团聚体稳定性降低12%–18%。过量氮通过减少胶结剂和增加分散剂破坏团聚体结构（Guo等，2018；Zhou等，2013），从而降低POM保护。秸秆还田可改善土壤结构（Guo等，2018），通过秸秆分解产物和微生物分泌物促进团聚过程（Sodhi等，2009）。合理施氮可通过增加植物生物量和改善团聚体孔隙结构促进POM积累（Tang等，2023），但秸秆还田下施氮量对POM与孔隙特性关系的影响尚不明确。

华北平原的砂姜黑土（Vertisol）面积约400 ha，具有有机质含量低、结构差、土壤强度高的特点，导致作物产量中低（Guo等，2022）。秸秆还田已被证明可改善土壤结构和POM积累，但施氮与秸秆管理下孔隙结构物理保护POM的机制仍不清楚。我们假设长期氮肥施用在秸秆还田下促进大团聚体内POM积累，可能与孔隙网络增加有关。为验证此假设，我们在Vertisol上进行了长期田间试验，设置三种施氮量（0、360和540 kg ha^?1 year^?1）和两种秸秆管理（还田与移除）。采用X射线CT技术研究大团聚体内POM（新鲜与分解）、孔隙及其相互作用的