雨滴溅蚀下土壤团聚体破碎-形成过程驱动有机碳矿化的机制解析

本研究通过模拟降雨和土壤培养实验，结合稀土氧化物(REOs)示踪技术，揭示了不同降雨强度(60-120 mm/h)下土壤团聚体周转与有机碳(SOC)矿化的定量关系。研究发现降雨强度增加会加速大-中团聚体破碎(最高达58.49%)并提升CO2排放量(23.853 mg·kg-1)，结构方程模型证实团聚体破碎对SOC矿化的直接效应(路径系数0.625)显著大于间接效应，为黄土高原土壤固碳提供了理论支撑。

　　

在黄土高原这片被誉为"中国土壤碳库"的特殊区域，地表0-20 cm土层储存着约0.85 Pg的有机碳，但其脆弱的生态环境却面临着严重的水蚀威胁。雨滴溅蚀作为水蚀的初始阶段，通过破坏土壤团聚体结构，深刻影响着有机碳(SOC)的动态平衡。然而，团聚体破碎与重组过程如何驱动SOC矿化？不同降雨强度下这种驱动效应有何差异？这些关键科学问题长期困扰着学界。

针对这一难题，来自陕西省水利厅科技计划项目支持的研究团队在《Solid Earth Sciences》发表了创新性成果。研究人员采用模拟降雨(60/90/120 mm/h)与56天土壤培养相结合的实验设计，创新性运用四种稀土氧化物(REOs)标记不同粒径团聚体(大2-5 mm、中1-2 mm、小0.25-1 mm、微<0.25 mm)，通过结构方程模型定量解析了团聚体周转与SOC矿化的因果关系。

关键技术包括：1) REOs示踪技术标记不同粒径团聚体；2) 三梯度降雨强度(60/90/120 mm/h)的模拟溅蚀实验；3) 56天土壤培养监测CO₂排放；4) 结构方程模型量化直接/间接效应路径。

【土壤团聚体在不同降雨强度下的周转特征】

数据显示，降雨强度显著影响团聚体破碎率(120 mm/h达12.02%)与形成率(60 mm/h达12.25%)。破碎主要发生在中→小团聚体路径，且随雨强增加呈梯度上升：120 mm/h(58.49%)>90 mm/h(48.07%)>60 mm/h(43.61%)。

【降雨驱动团聚体破碎-形成的机制】

高雨强(120 mm/h)导致50.28 g溅蚀量，显著加速大-中团聚体破碎。但后续重组过程中，低雨强(60 mm/h)更利于新团聚体形成，揭示出雨强对破碎-形成过程的差异化调控。

【SOC矿化与CO₂排放响应】

SOC矿化率与CO₂排放随雨强持续增加，120 mm/h处理总排放量达23.853 mg·kg^-1，较60 mm/h处理提高22.2%，证实雨强通过物理暴露加速碳释放。

【结构方程模型解析驱动路径】

模型显示团聚体破碎对SOC矿化的直接效应(路径系数0.625)显著大于间接效应，且该效应随雨强增强而放大，120 mm/h处理的直接效应比60 mm/h高17.3%。

这项研究首次定量揭示了溅蚀条件下团聚体周转驱动SOC矿化的双路径机制：一方面通过物理暴露直接释放包裹态碳，另一方面通过改变土壤微环境间接促进微生物分解。特别是发现120 mm/h强降雨使中→小团聚体破碎率达58.49%，导致CO₂排放增加22.2%，为黄土高原水土保持与碳汇管理提供了关键参数。研究建立的团聚体-SOC动态耦合模型，为全球变化背景下土壤碳循环预测提供了新范式。