人类活动驱动第四纪红壤加速团聚体形成的机制与模型研究

为解决土壤团聚体形成机制不明确的问题，研究人员针对第四纪红壤(QRS)在不同人为土地利用活动下的长期演化开展研究。通过定量土壤重建方法，揭示了SOC(土壤有机碳)和Feo(非晶质铁氧化物)促进MAA(大团聚体)形成的四阶段模型，发现FL(稀疏森林草地)和WL(林地)的MAA累积速率显著高于GL(草地)和CL(耕地)。该研究为土壤资源可持续利用提供理论依据。

　　

土壤是地球生态系统的基石，其结构单元——团聚体的形成机制直接关系到土壤肥力维持和碳封存能力。尽管前人提出了团聚体层级理论（Tisdall和Oades, 1982）和SOC动态模型（Six等, 2000a），但关于铁氧化物这一关键无机胶结剂在团聚体形成中的行为机制仍存在认知空白。尤其在人类活动剧烈干扰的第四纪红壤（Quaternary red soil, QRS）生态系统中，长期尺度（千年级）的团聚体演化规律更是一片未知领域。

针对这一科学瓶颈，中国沈阳农业大学的研究团队在《CATENA》发表了创新性成果。研究人员选取辽宁朝阳S1地层出露的QRS序列，涵盖稀疏森林草地（FL）、草地（GL）、林地（WL）和耕地（CL）四种土地利用方式，采用定量土壤重建法（Soil Reconstruction Method），以Ti为稳定元素，计算了91.01 ka BP以来不同粒径团聚体（MAA₁
-MAA₅
、MIA、SCF）及其胶结剂（SOC、Fec结晶铁氧化物、Feo）的百年尺度动态变化。

关键技术包括：（1）基于基准剖面（423.00 ka BP沉积序列）的土壤发生层采样；（2）团聚体粒径分级（>5 mm至<0.053 mm共7级）；（3）SOC元素分析仪测定；（4）铁氧化物形态连续提取（Fed游离铁、Feo非晶质铁、Fec结晶铁）；（5）UVF单位体积因子定量模型计算组分盈亏。

研究结果揭示：

1. 团聚体组成特征：所有土地利用方式下，MAA₁
   -MAA₄
   含量显著增加（最高71.85 g/100 cm³
   ），SCF显著减少（最大降幅58.74 g/100 cm³
   ），WL的MAA₁
   累积量达1838.21 g/100 cm²
   ，显著高于其他类型。GL因冻融作用导致MAA₄
   成为主要聚集粒径。

2. 有机碳动态：SOC在MAA₁
   -MAA₅
   中增加（0.01-0.96 g/100 cm³
   ），与粒径呈正相关，WL累积量达34.93 g/100 cm²
   。CL因耕作扰动使MIA/SCF的SOC增加，体现人类活动的双面性。

3. 铁氧化物转化：Feo在MAA中增加（0.01-0.14 g/100 cm³
   ）且与SOC显著相关；Fec在MAA₁
   -MAA₄
   结晶（0.03-0.92 g/100 cm³
   ），而在MAA₅
   激活流失，揭示该粒径易解体的关键机制。

4. 四阶段模型：提出"有机碳输入→铁激活→碳分解→铁结晶"的循环模型，阐明SCF通过SOC和Feo介导向MAA₁
   的转化路径，FL和WL的MAA累积速率（0.60和0.38 g/(cm²
   ·ka)）显著高于GL和CL。

这项研究首次量化了人类活动对QRS团聚体形成的千年尺度影响，突破性地将铁氧化物结晶动力学与经典有机碳理论耦合。发现的MAA₅
不稳定机制为土壤结构调控提供新靶点，而WL的高效团聚能力为生态修复中植被配置提供科学依据。该成果不仅深化了土壤发生学理论，更为全球变化背景下红壤资源的可持续管理奠定了基石。