《CATENA》：Organic carbon dominates soil porosity across environmental gradients, with organic carbon–clay metrics providing secondary insight
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土壤孔隙度是控制近地表地球系统行为的关键土壤属性，因为它决定了土壤中水、气体和溶质的储存与传输，并支撑着地表过程（Robinson et al., 2025; Panagos et al., 2024）。总孔隙度是土壤结构及其相关功能（包括水和气
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土壤孔隙度是控制近地表地球系统行为的关键土壤属性，因为它决定了土壤中水、气体和溶质的储存与传输，并支撑着地表过程（Robinson et al., 2025; Panagos et al., 2024）。总孔隙度是土壤结构及其相关功能（包括水和气体储存、入渗、水力传导度和通气性）的一阶指示指标（Hirmas et al., 2018; Golchin et al., 1994; Rabot et al., 2018）。在大尺度上，孔隙度的计算主要依赖于常规测定土壤属性（最常见的是容重和有机碳（organic carbon, OC）含量，部分计算包含质地）的经验公式。理解这些模式对于在水文和地球系统模型中表征土壤–景观相互作用尤为重要，其中孔隙度是水储存和流动路径的关键控制因素。研究人员利用统计建模方法，在多种土壤类型和环境条件下（包括大规模数据集），一致地将OC单独识别为容重和孔隙度的强预测因子（Thomas et al., 2024; Robinson et al., 2022; Robinson et al., 2026）。Thomas et al. (2024)发现有机质比质地指标能更好地预测孔隙度，Robinson et al. (2022)确立了在土壤转换函数（pedotransfer functions）中纳入有机质的重要性。Robinson et al. (2026)进一步证明了欧洲LUCAS数据集中有机质与孔隙度之间的强关系。这反映了有机碳在土壤系统中的多重作用，包括其对团聚、生物活性和孔隙形成的影响（Lehmann and Kleber, 2015; Six et al., 2002; Tisdall and Oades, 1982; Bronick and Lal, 2005）。然而，OC与孔隙度之间的关系并非均匀一致，而是随土壤矿物组成、质地和环境背景而变化（Thomas et al., 2024; Feeney et al., 2024）。特别是，OC与黏土之间的相互作用已被提出是土壤结构属性的重要控制因素（Dexter et al., 2008; Johannes et al., 2017; Koop et al., 2023）。此外，有机碳组分的几何形态，尤其是其以细长、纤维状或孔隙桥接结构存在的程度，可能比碳的总量更是土壤孔隙度的决定因素（Robinson et al., 2025）。Dexter et al. (2008)的工作表明，与黏土复合的OC量比OC本身对孔隙度和土壤结构的控制更为重要。这促使了简单的OC:黏土比作为土壤状况指标的发展（Dexter et al., 2008; Koop et al., 2023; Johannes et al., 2017），尽管这些指标的有用性也受到质疑（Poeplau and Don, 2023; Feeney et al., 2024）。Dexter et al. (2008)报告称复合OC与总体积和基质孔隙度正相关，而Koop et al. (2023)在大陆尺度数据集中将复合有机碳和黏土识别为有效孔隙度的重要预测因子，有效孔隙度与复合有机碳和黏土的比例正相关。利用独立评估的结构质量指标，Johannes et al. (2017)提出了SOC:黏土阈值1:13、1:10和1:8来区分退化、中等、良好和极好的土壤结构状况。该框架随后被Prout et al. (2021)使用英格兰和威尔士的更大数据集所支持。相反，对大型农业土壤数据集的分析发现这些SOC:黏土类别与总体积之间的关系较弱，且受黏土含量的偏倚影响，被归类为退化的土壤比例随黏土含量增加而增加（Poeplau and Don, 2023）。Feeney et al. (2024)也支持这一点，他们发现SOC:黏土类别在欧洲土壤中对孔隙度的区分相对较差，并且同样发现粗质地土壤被不成比例地归类为结构“极好”，而富黏土土壤被归类为“退化”。概念上，Dexter et al. (2008)的工作意味着1:10的参考OC:黏土比代表与黏土复合的OC，表明OC和黏土在该比例内形成矿物结合有机质（mineral-associated organic matter, MAOM），任何高于该比例的OC将以其他形式存在，例如颗粒有机质（particulate organic matter, POM）。然而，1:10比例是作为代表性而非普适性提出的，且与MAOM的关系难以用常规数据验证。近期关于与OC:黏土比相关的OC饱和点的存在性和一致性存在许多争论（Cotrufo et al., 2023）。近期证据表明，MAOM积累不仅受黏土含量限制，还受碳输入、成土氧化物、水文和pH的影响，表明稳定化能力不能仅从质地推断（Begill et al., 2023; Poeplau, 2023）。此外，MAOM积累的表观限制可能反映动态平衡而非固定储存上限（Song et al., 2025）。额外的容量可能源于有机–有机结合，允许超出仅从矿物表面积预期的额外碳积累（Schweizer et al., 2021; Begill et al., 2023）。黏土含量也只是反应性矿物表面的间接代理。尽管如此，OC:黏土比指标仍可作为代理来捕捉土壤结构的系统变化，通过将土壤定位在OC:黏土组成空间中，即使其机制解释仍然模糊。在本研究中，研究人员使用涵盖大不列颠、威尔士、欧洲（LUCAS）和美国（USDA-NRCS NCSS）的土壤数据集汇编来回答这一问题。通过关注受干扰最小的表土，研究人员旨在检验主要由自然和半自然过程驱动的结构变化。研究人员评估了孔隙度、OC和黏土含量之间的关系，以及两个代表OC与黏土平衡的衍生指标：复合OC–黏土指标（来自Koop et al., 2023）和描述偏离参考OC:黏土比的有符号指标（NonCOCC）（结合Dexter et al., 2008的指标）。研究目标为：(i)量化OC和OC–黏土平衡指标在解释大环境梯度下孔隙度中的相对重要性；(ii)评估衍生OC–黏土指标是否在OC单独之外提供额外解释价值；(iii)在数据子集中探索这些梯度是否与团聚体大小分布的变化相关。
论文解读文章
一、研究背景与问题
土壤孔隙度是控制近地表地球系统行为的关键土壤属性，它决定了土壤中水、气体和溶质的储存与传输，并支撑着地表过程。总孔隙度作为土壤结构及其相关功能（包括水和气体储存、入渗、水力传导度和通气性）的一阶指示指标，在大尺度上主要依赖于常规测定土壤属性（最常见的是容重和有机碳含量，部分计算包含质地）的经验公式计算。理解孔隙度在环境梯度上的空间变异模式，对于在水文和地球系统模型中表征土壤–景观相互作用尤为重要。
已有研究一致地将有机碳（organic carbon, OC）识别为容重和孔隙度的强预测因子，这反映了有机碳在土壤系统中的多重作用，包括其对团聚、生物活性和孔隙形成的影响。然而，OC与孔隙度之间的关系并非均匀一致，而是随土壤矿物组成、质地和环境背景而变化。特别是，OC与黏土之间的相互作用已被提出是土壤结构属性的重要控制因素。Dexter et al. (2008)的工作表明，与黏土复合的OC量比OC本身对孔隙度和土壤结构的控制更为重要，这促使了简单的OC:黏土比作为土壤状况指标的发展。然而，这些指标的有用性受到质疑：Poeplau和Don (2023)发现SOC:黏土类别与总体积之间的关系较弱且受黏土含量偏倚，Feeney et al. (2024)发现SOC:黏土类别在欧洲土壤中对孔隙度的区分相对较差。此外，关于与OC:黏土比相关的OC饱和点的存在性和一致性存在许多争论，近期证据表明矿物结合有机质（mineral-associated organic matter, MAOM）积累不仅受黏土含量限制，还受碳输入、成土氧化物、水文和pH的影响。尽管如此，OC:黏土比指标仍可作为代理来捕捉土壤结构的系统变化。因此，需要在大尺度、多样化的环境梯度上进一步评估这些指标的应用价值。
二、研究内容与意义
研究人员使用涵盖大不列颠、威尔士、欧洲（LUCAS）和美国（USDA-NRCS NCSS）的土壤数据集汇编，通过关注受干扰最小的表土，旨在检验主要由自然和半自然过程驱动的结构变化。研究评估了孔隙度、OC和黏土含量之间的关系，以及两个代表OC与黏土平衡的衍生指标：复合OC–黏土指标（COCC，来自Koop et al., 2023）和描述偏离参考OC:黏土比的有符号指标（NonCOCC，结合Dexter et al., 2008的指标）。研究目标为：(i)量化OC和OC–黏土平衡指标在解释大环境梯度下孔隙度中的相对重要性；(ii)评估衍生OC–黏土指标是否在OC单独之外提供额外解释价值；(iii)探索这些梯度是否与团聚体大小分布的变化相关。该研究为解释大尺度土壤孔隙度变异及其控制因素提供了数据驱动框架，对改进大尺度模型中土壤物理属性的表征具有直接意义。
三、主要关键技术方法
研究人员编译了来自英国（UKCEH Countryside Survey 2019，CS 2019）、威尔士（Glastir监测与评估计划，GMEP 2013–2016）、欧洲（LUCAS 2018表土调查）和美国（USDA-NRCS国家合作土壤调查NCSS表征数据库）的土壤数据集。为聚焦自然或半自然条件下发育的土壤结构变异，排除了耕地和农田样点。过滤后共6335个样本。总孔隙度（φ, cm3 cm?3）根据实测容重（ρb, g cm?3）和假设的颗粒密度，采用有机质与矿物物质的两组分混合方法计算（有机质颗粒密度ρsOM≈1.4 g cm?3，矿物颗粒密度ρsM≈2.7 g cm?3）。为检验孔隙度计算中包含SOM的影响，研究人员使用平均颗粒密度（≈2.53 g cm?3）重新计算孔隙度进行敏感性分析。基于1:10参考OC:黏土比，计算了复合OC–黏土分数（COCC）和有符号的NonCOCC指标（正值表示相对OC过剩，负值表示相对黏土过剩，取值范围?1至+1）。所有分析在R中完成。
四、研究结果
4.1 有机碳是孔隙度的主导预测因子
研究发现，在跨区域的环境梯度上，有机碳（OC）是土壤孔隙度的主导预测因子。OC单独解释了孔隙度变异的最大部分，其预测能力在各数据集中一致且稳定。这一结果验证并扩展了先前研究中OC作为孔隙度强预测因子的发现，确认了在大尺度、多样化环境条件下OC对孔隙度的主导控制作用。
4.2 OC–黏土平衡指标提供额外解释价值
在OC和黏土之外，NonCOCC指标解释了额外的孔隙度变异。这表明OC–黏土平衡状态（即土壤在OC:黏土组成空间中的位置）对孔隙度具有独立于OC总量的影响。尽管OC是主导因子，但OC与黏土的相对平衡关系仍提供了次级但显著的解释力，支持了OC:黏土指标作为土壤结构状况指示器的实用性。
4.3 孔隙度敏感性峰值出现在低正值NonCOCC区间
研究发现，孔隙度对NonCOCC的敏感性在低正值区间（0.06–0.24）出现升高。这一区间对应于相对适度的OC过剩状态，表明在该平衡状态下，OC的增加对孔隙度的提升效果最为显著。这一非线性关系揭示了OC–黏土平衡对孔隙度影响的阈值效应，为理解OC添加对土壤结构改善的效率提供了重要参考。
4.4 低正值NonCOCC与大团聚体丰度相关
在具有团聚体大小分布数据的CS 2019子集中，低正值的NonCOCC值对应于更大的大团聚体（macro-aggregates）丰度。这表明当OC相对于黏土适度过剩时，有利于大团聚体的形成，从而可能通过改善团聚体结构间接促进孔隙度的增加。这一发现将OC–黏土平衡指标与团聚体形成过程联系起来，为理解OC影响孔隙度的机制提供了微观结构层面的证据。
五、讨论与结论
讨论部分指出，OC:clay平衡指标虽然在机制解释上存在模糊性（不能直接对应MAOM和POM等特定有机质组分），但作为经验描述指标，能够利用大规模监测计划中常规测定的变量识别OC–clay组成空间中土壤的系统性变异。研究结果支持OC作为孔隙度首要控制因子的观点，同时表明OC–clay平衡指标（特别是NonCOCC）在OC之外提供了次级但显著的补充解释力。研究结论部分翻译如下：本研究通过跨大不列颠、威尔士、欧洲和美国的多样化环境梯度数据集，证实了有机碳是土壤孔隙度的主导预测因子，而OC–黏土平衡指标（NonCOCC）在OC之外提供了额外的解释价值。孔隙度对NonCOCC的敏感性在低正值区间（0.06–0.24）升高，该区间对应于更大的大团聚体丰度，表明适度的OC过剩有利于团聚体形成和孔隙度提升。这些发现为在大尺度模型中改进土壤物理属性的表征提供了数据驱动基础，并为OC:clay指标作为土壤健康和结构指示器的应用提供了进一步支持。
