土壤多孔微结构调控有机质迁移的多方法研究：化学依赖性结合机制与孔隙网络模型分析

《Environmental Technology & Innovation》：Soil porous microstructure control over soil organic matter mobility: a multimethod workflow for understanding chemistry-dependent organic matter binding in soil

本研究针对土壤有机质（SOM）迁移和稳定机制不清的问题，通过整合X射线计算机断层扫描（XCT）、傅里叶变换离子回旋共振质谱（FT-ICR-MS）和孔隙网络模拟等技术，系统揭示了耕作引起的土壤压实如何通过改变孔隙结构（如降低中值孔径至22.2 μm）影响SOM的氧化状态（如NOMC值差异）和矿质结合方式（如Ca/Fe矿物主导的稳定化差异）。结果表明，自然土壤的高孔隙连通性促进氧化态有机质迁移，而耕作土壤的微孔结构延长扩散路径，增强晶体矿物对SOM的封存。该研究为农业管理优化碳固存策略提供了微观机制支撑。

　　

在应对气候变化的全球行动中，土壤有机质（Soil Organic Matter, SOM）因其巨大的碳封存潜力而成为研究热点。SOM不仅能提升土壤肥力、改善结构，还可通过固定大气中的二氧化碳（CO₂）缓解温室效应。然而，SOM在土壤中的迁移和稳定机制仍不明确，尤其是微观孔隙结构如何影响其与矿物的相互作用、移动性和持久性。这一认知缺口限制了通过农业管理措施提升土壤碳汇能力的精准调控。传统研究多关注宏观土壤性质，忽视了孔隙尺度异质性对SOM化学组成和运输路径的关键控制作用。例如，耕作活动导致的土壤压实可能改变孔隙网络，进而影响SOM的可及性和降解速率，但相关定量证据匮乏。

为揭示这一复杂机制，来自太平洋西北国家实验室（Pacific Northwest National Laboratory）的Tamas Varga团队在《Environmental Technology》发表研究，通过多方法联用策略，对比分析了美国华盛顿州干旱区自然土壤（Uncultivated）与耕作土壤（Cultivated）的SOM行为。研究聚焦三个核心问题：耕作是否改变土壤孔隙特征与养分含量？孔隙结构差异是否驱动SOM化学组成（如氧化程度）的分异？不同管理方式下SOM的稳定化机制有何不同？

研究采用的关键技术包括：（1）X射线计算机断层扫描（X-ray Computed Tomography, XCT）对原状土柱进行高分辨率（27 μm）三维成像，量化孔隙率、连通性和孔径分布；（2）柱实验结合停流（stop-flow）设计，模拟SOM的平流-扩散传输与解吸动力学；（3）傅里叶变换离子回旋共振质谱（FT-ICR-MS）解析渗出液中有机分子的化学多样性，计算名义碳氧化态（Nominal Oxidation State of Carbon, NOSC）；（4）多溶剂连续提取（水、盐酸、羟胺-盐酸、连二亚硫酸钠、焦磷酸钠）区分SOM在不同矿质结合池中的分配；（5）基于XCT数据的孔隙网络模型（OpenPNM）模拟扩散路径与质量传输限制。

土壤化学与物理性质

XRD分析显示两类土壤均以辉石、云母和石英为主，但耕作土壤检测到沸石矿物（菱沸石）。耕作土壤的总碳（Total Carbon, TC）和总氮（Total Nitrogen, TN）含量（5.0 mg/g和0.5 mg/g）高于自然土壤（3.3 mg/g和0.4 mg/g），但孔隙率（47.2%）和含水量（12.3%）显著较低，表明耕作虽提升养分水平，却因机械压实减少孔隙空间。

碳淋溶动态

停流实验揭示，耕作土壤的SOM解吸峰值比自然土壤高5倍，且最后一次停流事件中峰值相对减弱，反映其SOM池中存在更强的结合态组分。两类土壤渗出液pH均从8降至7，提示矿物-SOM相互作用的酸碱调节参与解吸过程。

图像导向的孔隙网络特征

XCT成像表明，自然土壤的中值孔径（23.6 μm）显著大于耕作土壤（22.2 μm），且孔隙连通性更高。尽管两类土壤的绝对渗透率无统计差异，但耕作土壤的孔隙结构更破碎，模拟显示其扩散路径更长，可能限制微生物对SOM的降解。

不同碳库的提取分析

多级提取发现，自然土壤中SOM主要通过与钙（Ca）矿物络合稳定（如OM-矿物复合池碳含量达1200 mg/kg），而耕作土壤则以晶体铁（Fe）矿物吸附为主导（提取后Fe含量显著下降）。淋溶后，自然土壤的OM-矿物复合碳库减少76%，硅（Si）释放同步降低，表明Ca-Si矿物体系对SOM固定的敏感性。

依赖于吸附/孔隙的有机质组成

FT-ICR-MS数据显示，自然土壤渗出液含更多氧化态化合物（如缩合烃类，NOSC较高），而耕作土壤富集木质素类物质。停流事件中，两类土壤均出现蛋白质类和缩合烃类组分增加、木质素类减少的趋势，反映解吸过程优先释放特定化学族。矿物结合有机质（Mineral-Associated Organic Matter, MAOM）中，单宁类分子与Si/Al矿物（自然土壤）或Ca矿物（耕作土壤）显著相关，凸显有机-矿质配对的选择性。

孔隙网络模拟

OpenPNM模拟进一步证实，耕作土壤因孔径小、连通性低，扩散路径频率分布偏向较长尺度，从理论上支持其SOM迁移受限的结论。

研究结论强调，土壤微结构是调控SOM命运的核心枢纽。自然土壤的高孔隙连通性促进氧化态SOM的迁移，而耕作土壤通过压实作用形成微孔占优的网络，延长扩散路径，增强晶体矿物（尤其是Fe/Ca系）对SOM的物理保护。这种机制差异导致耕作土壤虽具更高碳储量，但其SOM化学组成更“年轻”，稳定化效率可能低于自然土壤。该工作首次将孔隙尺度结构、SOM分子多样性及多速率解吸模型整合，为预测农业活动对土壤碳循环的影响提供了跨尺度框架。未来需扩大土壤类型与重复样本量，以验证本方法论在更广生态系统的适用性。这一成果对优化耕作方式、提升土壤健康及碳封存潜力具有重要指导意义。