团聚体破坏驱动农业黑土 catena 上土壤碳矿化与激发效应的差异

《Soil Biology and Biochemistry》：Aggregate disruption drives contrasting soil carbon mineralization and priming across an agricultural Mollisol catena

　　

• •
  团聚体扰动导致侵蚀土壤与沉积土壤中有机碳动态呈现相反趋势。
• •
  心土层土壤有机碳矿化对团聚体扰动相对不敏感。
• •
  团聚体破坏抑制微生物生物量及碳利用效率。
• •
  结构扰动依地貌位置改变土壤激发效应。

引言

土壤侵蚀是驱动全球陆地碳（C）再分布的普遍因素，但其最终作用——是充当净碳源还是碳汇——仍存在高度争议（Kirkels 等人，2014；Doetterl 等人，2015；FAO，2015；Guerra 等人，2020）。这种不确定性核心在于土壤结构的复杂物理扰动与重组。在农业景观中，侵蚀-输移-沉积过程并非仅仅转移土壤质量，而是从根本上改变了由土壤团聚体所介导的土壤有机碳（SOC）的物理保护（Wang 等人，2014；de Nijs 和 Cammeraat，2020）。虽然稳定团聚体可将SOC与微生物及胞外酶接触物理隔离，但侵蚀力（例如雨滴冲击、径流剪切）和沉积后动态持续诱导团聚体崩解、选择性分选和再团聚。这一动态循环从根本上重置了SOC的暴露、埋藏和稳定化途径（von Lützow 等人，2007；Cui 等人，2022；Du 等人，2022；Bai 等人，2025b）。

大团聚体（> 0.25 mm）在温带土壤中储存了相当比例的SOC，但极易受到侵蚀和耕作等结构扰动的破坏（Wang 等人，2014；Zhu 等人，2017）。这些大团聚体的破坏使先前被封闭的C暴露于微生物分解，迅速削弱有机质的稳定性（Six 等人，2002；Li 等人，2019；Peng 等人，2025）。虽然通过比较机械团聚体扰动前后的CO₂排放来量化这种结构性保护的SOC已被证实是一种有效方法（Tian 等人，2015；Wei 等人，2016），且水槽实验已展示了侵蚀诱导的团聚体崩解（Qiu 等人，2021；Bai 等人，2025a；Bai 等人，2025b），但仍存在一个关键缺口：将这些微观尺度的周转机制扩展以评估更广泛侵蚀-沉积地貌连续体中的结构遗产。

关键在于，受侵蚀影响的土壤仍然暴露于后续侵蚀事件之中。反复降雨可对土壤团聚体施加新的雨滴冲击和径流剪切，而团聚体结构在事件之间可能仅部分恢复（Shi 等人，2017）。近期研究进一步表明，溅蚀加速了团聚体周转，且团聚体崩解与SOC损失和矿化紧密耦合（Wang 等人，2024a；Bai 等人，2025b）。因此，团聚体崩解是侵蚀的一个反复发生的结构性组成部分，尽管它仅是完整的侵蚀-输移-沉积过程的一部分。尚不清楚已被侵蚀和沉积分化的土壤对随后大团聚体保护丧失是否作出相似反应。侵蚀位置优先损失细颗粒、活性SOC和大团聚体相关C，而沉积位置则积累输移的细粒物质和SOC，这些物质可随后被埋藏、再团聚并与矿物表面结合（Wei 等人，2016；Lv 等人，2023）。这些对比过程可产生SOC可及性以及团聚体封闭与矿物结合相对重要性的差异，导致相同结构扰动在不同坡位产生不同的矿化反应。此外，结构扰动响应可能随土壤深度变化，因为心土SOC接收较少的新鲜C输入，并更受物理和矿物保护约束，可能增加其对结构扰动的敏感性（Wordell-Dietrich 等人，2017；Min 等人，2021）。

更重要的是，在地貌活跃景观中，结构扰动很少孤立发生；它不断与新鲜C输入（例如根系分泌物）相互作用。然而，结构扰动与新鲜C输入对本土SOC分解的交互作用——激发效应——仍然知之甚少（Bastida 等人，2019；Chen 等人，2019）。结构扰动可能不仅暴露本土SOC，还可能改变微生物对新鲜C的利用途径，从而放大或抑制激发诱导的SOC不稳定化。忽视这些耦合动态严重阻碍了对侵蚀景观中C循环的准确建模。

为弥合这些关键知识缺口，我们在中国东北黑土区农业黑钙土地貌序列上侵蚀位置和沉积位置两种对比土壤深度处开展了受控培养实验。我们采用结构扰动（2 mm过筛原土与 <0.25 mm粉碎土）与¹³C标记葡萄糖添加的因子组合。这种同位素示踪使我们能够明确区分源自葡萄糖与源自本土SOC的CO₂，从而精确量化激发效应。我们假设：(i) 团聚体扰动将对本土SOC矿化和葡萄糖诱导激发产生依赖于坡位的影响，且在沉积土壤中比在侵蚀土壤中对本土SOC矿化的刺激更强；以及 (ii) 心土对团聚体扰动的敏感性将高于表土，因为心土SOC通常更受团聚体介导的物理封闭保护。

章节摘要

地点描述与土壤采样

本研究在中国东北黑土区的耕地上进行（北纬43°18′，东经124°26′）。根据美国农业部土壤分类系统，该土壤被归类为黑钙土。该地区属半湿润大陆性季风气候，年平均温度为7.3°C，年平均降水量为550 mm。值得注意的是，约65%的降水以6月至8月间高强度降雨或暴雨形式发生。这种强烈降雨驱动着严重

本土土壤有机碳矿化

初始土壤性质在坡位间存在差异，沉积表土具有较高的湿度和pH以及较低的容重，沉积心土具有较高的SOC和TN以及较低的容重（表S1）。结构扰动在原生土壤中驱动了显著分化的累积矿化响应，高度依赖于地貌位置和深度（图1A）。在表土中，累积矿化表现出显著的交互效应（坡位×结构，P = 0.011），而

地貌位置调控本土SOC矿化对团聚体扰动的响应

团聚体扰动通常通过增加微生物对先前被封闭有机质的可及性来提高SOC矿化（Wang 等人，2014；Kpemoua 等人，2022）。我们在沉积表土中的发现支持了这一机制，即物理粉碎增加了原生CO₂矿化并增加了周转速率常数（k）（图1）。然而，这种扰动效应强烈依赖于坡位。在侵蚀表土中，粉碎出乎意料地减少了累积CO₂排放

结论

在研究的农业黑钙土地貌序列中，团聚体扰动对SOC矿化并未产生统一效应。相反，其后果强烈依赖于坡位和土壤深度。在表土中，粉碎抑制了侵蚀位置的原生SOC矿化，但刺激了沉积位置的矿化，表明团聚体扰动的效应受SOC先前再分布和稳定化状态的调控。相比之下，心土矿化

CRediT作者贡献声明

严玉鑫： 撰写-初稿、可视化、形式分析、数据整理。张子云： 调查。王翔： 撰写-审阅与编辑、方法学、资金获取。石佳： 调查、数据整理。王子： 撰写-审阅与编辑、调查、数据整理。彭玉梅： 调查、数据整理

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有任何已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

本研究由中国国家重点研发计划（2022YFD1500901）和国家自然科学基金（42077063）资助。

严玉鑫|王子|彭玉梅|石佳|张子云|王翔