干旱区土壤有机质与碳酸钙对团聚体结构的差异化调控机制及其碳汇意义

针对干旱区钙质土壤结构形成机制不明的科学问题，本研究通过天山海拔梯度采样，揭示了土壤有机质(SOM)主导大团聚体(>250 μm)形成，而碳酸钙(CaCO3)与交换性Ca促进微团聚体构建的拮抗作用，发现CaCO3去除可提升比表面积(SSA)和总孔隙体积(TPV)，为干旱区土壤固碳管理提供理论依据。

　　

在广袤的干旱区，土壤如同沉默的守护者，维系着脆弱的生态系统平衡。然而，极端气候与人类活动正不断挑战着这片土地的承载力，其中土壤结构的退化尤为突出。传统认知将土壤有机质(SOM)视为团聚体形成的核心，但在钙质土壤占全球陆地面积三分之一的背景下，碳酸钙(CaCO₃)的角色却长期被忽视。这种认知空白直接制约着干旱区土壤固碳潜力的评估——要知道，土壤碳库是大气碳库的3倍，其微小波动都将显著影响全球气候变化。更令人担忧的是，现有研究对CaCO₃与SOM在团聚体形成中的交互作用知之甚少，导致生态恢复措施常事倍功半。

为破解这一难题，中国中央高校基本科研业务费专项等项目支持的研究团队，在天山山脉海拔梯度上展开了一场"土壤结构的侦探之旅"。这项发表于《CATENA》的研究创新性地采用多尺度指标联用策略：通过平均重量直径(MWD)捕捉宏观团聚特征，比表面积(SSA)和孔隙度解析微观结构，结合CaCO₃去除实验，首次系统揭示了干旱区土壤中无机与有机胶结剂的博弈规律。

海拔梯度揭示的环境密码
研究团队沿天山北坡481-3035米的海拔梯度设置样带，巧妙利用自然形成的CaCO₃富集与贫乏土壤作为天然实验场。这里每升高100米，温度和降水的变化相当于水平距离上1000公里的气候差异，为研究环境因子对土壤结构的调控提供了理想条件。

胶结剂的"权力游戏"
数据分析显示，SOM含量与MWD呈显著正相关，尤其在CaCO₃贫乏土壤中，SOM每增加1g/kg可使>250μm宏团聚体比例提升5.2%。这验证了"团聚体层级理论"——新鲜有机质如同"生物胶水"，通过根系缠绕和微生物活动构建大团聚体骨架。然而在CaCO₃富集土壤中，故事出现反转：尽管SOM含量相近，其团聚效应却降低37%，暗示碳酸盐的干扰作用。

碳酸钙的"双面刃"效应
CaCO₃展现出令人意外的行为模式：它与交换性Ca²⁺协同促进<53μm微团聚体形成，却对宏团聚体稳定性产生抑制。更关键的是，CaCO₃去除实验显示，溶解碳酸盐可使SSA增加21-38%，TPV提升15-29%，这源于碳酸盐胶结作用的解除暴露出被包裹的矿物表面。这种"封印效应"在<2μm粘粒中尤为显著，说明CaCO₃主要通过堵塞纳米孔隙影响结构。

铁铝氧化物的"隐藏剧本"
在传统认知中，铁(Fe)/铝(Al)氧化物是重要的团聚剂，但本研究揭示其在钙质土壤中的作用受CaCO₃调控。当CaCO₃含量>12%时，Fe氧化物与团聚体的正相关消失，表明碳酸盐可能通过包裹氧化物颗粒削弱其表面活性。这一发现解释了为何相同气候带下钙质与非钙质土壤的碳稳定性存在显著差异。

这项研究犹如打开干旱区土壤黑箱的钥匙，其价值不仅在于纠正了"CaCO₃仅具物理填充作用"的片面认知，更建立了无机-有机胶结剂互作的定量框架。实践层面，研究建议干旱区土壤管理需"因钙制宜"：在CaCO₃富集区应优先通过有机质输入打破碳酸盐封闭效应，而在贫钙区则需注重Ca²⁺与有机质的协同调控。这些发现为全球干旱区1.3亿公顷钙质土壤的碳汇潜力评估提供了新参数，对实现"4per1000"土壤固碳倡议具有重要指导意义。

正如研究者Wang等强调，未来需深入探究CaCO₃-SOM-矿物三元复合体的形成动力学，特别是在气候变化背景下碳酸盐溶解-再沉淀循环对土壤结构的长期影响。这项研究为干旱区这片"沉默的大多数"生态系统，奏响了科学认知的新乐章。