源自火山物质的智利南部土壤中功能性碳组分与土壤稳定性之间的关系

《CATENA》：Relationship between functional carbon fractions and soil stability in southern CHILEAN soils derived from volcanic materials

　　

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  在火山土壤深层，颗粒态有机碳对土壤有机碳稳定化起着重要作用。
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  在老成土中矿物结合态有机碳占主导地位，但在年轻火山土壤中并非如此。
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  地表层揭示的成土对比在表土层中被掩盖了。
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  与矿物结合态有机碳相比，颗粒态有机碳在深层与团聚体稳定性的相关性更强。

引言

火山土壤虽然仅占全球土壤总量的0.84%，但由于其有利的物理、化学和生物特性，对农业和林业发展至关重要（Maaz等，2026）。这些土壤具有高持水性、低容重、可变电荷、高磷吸附能力、高有机碳含量、强结构稳定性，以及所含的短程有序矿物，包括水铝英石、富水高岭石和纳米氧化铁（D?rner等，2010；Caurapan等，2025a）。它们是由成土因素和成土过程的相互作用形成的，在很大程度上受智利景观的气候和地形多样性决定（Luzio，2010）。由此形成了多种类型的火山土壤，其形态特征和理化性质存在显著差异（Valle和Carrasco，2018），使得在局部尺度上进行区分成为可能。

在智利南部，主要存在三种火山土壤类型：（1）水铝英石型安蒂斯土，以水铝英石和富水高岭石等矿物的占主导地位为特征（Matus等，2006）。（2）非水铝英石型安蒂斯土，以有机质-铝/铁复合物的占主导地位为特征，有时还存在导致季节性积水的淀积层（Zu?iga等，2019）。（3）具有火山影响的老成土，以岭石和高岭石等矿物为特征，同时具有水铝英石型安蒂斯土的部分典型特性（Pizarro等，2017）。

土壤有机质含量取决于碳的输入和输出（即分解和氧化），主要受温度和降水、土壤性质、排水条件以及土地利用的影响（Schimel，2023）。因此，将土壤有机质与环境变量和成土因素相结合进行分析，对于了解不同的成土途径如何在各类火山土壤中调节有机质的形成和稳定化至关重要。土壤有机碳总量由不同的组分或碳库组成，它们在化学和物理特性、周转时间以及土壤功能方面各不相同（K?gel-Knabner和Amelung，2021）。因此，有人提出分选法作为一种了解有机质形成和功能的有效方法（Poeplau等，2018）。

颗粒态有机碳和矿物结合态有机碳代表主要的功能性土壤有机碳碳库（Cotrufo等，2019）。颗粒态有机碳由部分分解的植物或微生物残余物组成，被认为是一种活性、低密度、快速周转的组分。相比之下，矿物结合态有机碳由与矿物基质相关的精细有机化合物组成，形成稳定的复合物（Lavallee等，2020）。该组分是大多数矿物土壤中有机碳的最大储存库，并具有显著的长期稳定性（Kleber等，2015）。此外，有机质和矿物组分主导着土壤的理化性质，反映了碳积累、保护与转化的过程（K?gel-Knabner等，2008）。

由于火山土壤的性质主要由其黏土分量的性质决定，已有多种化学指标被提出用于表征这些土壤的矿物学和反应性（García-Rodeja等，2004）。其中，（NaF）pH被广泛用作短程有序矿物的指标。交换性铝被提出作为反应性的指标，在火山土壤中表现出与土壤有机碳的强相关性，并且有助于安蒂斯土的区分（Matus等，2006；Valle等，2015）。

火山土壤具有高团聚体稳定性的特征，这被归因于有机质-铝/铁复合物的形成，表明这些复合物丰度的差异可能导致火山土壤间团聚体稳定性的变化（Zu?iga等，2014）。水稳性团聚体为理解土壤有机碳的分布和稳定化提供了一个重要的结构维度。稳定团聚体的形成和持久性可以通过减少对微生物分解的可及性和促进其在土壤基质中的保留，从而对颗粒态有机碳起到物理保护作用。在火山土壤中，这种物理机制可能与与活性铝和铁相及短程有序矿物相关的矿物学稳定化过程相互作用（Wagai等，2018）。因此，将碳组分与团聚体稳定性及土壤反应性指标相结合进行考虑，可以提供关于碳稳定化过程中可能涉及过程的更全面视角，特别是在地表层，成土过程和矿物-有机质相互作用变得更加重要（Matus等，2024b）。

尽管存在这种机制性预期，但以往在火山土壤中的研究报告，在地深层矿物结合态有机碳占主导地位，且矿物结合态有机碳与矿物学反应性指标之间没有显著关联，包括水铝英石、Al_o和Al_p（Matus等，2024a；Panichini等，2012；Parada等，2024）。这些发现表明，贯穿成土层碳稳定化的机制可能比仅从矿物学反应性预期的更为复杂，且尚未得到充分解决。本研究评估了智利南部沿纬度梯度分布的、在不同发育条件下处于草地环境下的多种火山土壤。我们假设，占主导地位的矿物学控制了不同火山土壤中有机碳稳定化的机制。具有更大成土发育程度和结晶质矿物的土壤预计主要通过表面吸附稳定碳，在较低土壤有机碳总量条件下有利于矿物结合态有机碳。相比之下，以短程有序矿物和有机质-铝/铁复合物为主的年轻土壤预计通过两条互补但独立的路径稳定碳：（i）吸附到反应性矿物表面，促进矿物结合态有机碳的形成和持久性；（ii）在高稳定性团聚体内对颗粒态有机碳进行物理保护，与颗粒态有机碳在深层对土壤有机碳总量贡献更大相关。研究目的是评估颗粒态有机碳和矿物结合态有机碳对团聚体稳定性的影响，以及它们与火山物质成土中反应性指标的关系。

章节摘要

实验条件

本研究在智利Araucanía、Los Ríos、Los Lagos和Aysén地区，介于南纬38°59′至43°58′之间选择了七个样地（图1）。样地选择基于五项标准：（i）土壤由火山物质形成；（ii）过去五年内为永久性草地利用；（iii）沿纬度梯度分布且具有对比鲜明的成土条件；（iv）在同一地理区域内包含水铝英石型和非水铝英石型土壤；以及（v）当

土壤形态和理化特征

水铝英石型安蒂斯土组以表土层颜色从黑色（2.5 Y 2.5/1）到非常暗的灰褐色（10 YR 3/3）为特征（表2）。这些层主要显示细到中等的小棱角块状结构。在该组中，位于Aysén地区的样地各层均显示出更高的砂粒比例。这导致了更粗的结构性发育，范围从中等到粗的棱角块状结构，其中Las Ovejas

土壤有机碳积累、土壤有机碳组分及其与结构稳定性的关系

本研究中所涉及的多种土壤组在深层表现出不同的有机碳组分积累动态，这与成土发育程度和环境条件的差异有关（图3）。具体而言，老成土和水铝英石型安蒂斯土——除位于Aysén地区的那些外——在所有土层中均表现出矿物结合态有机碳的占主导地位。已有研究表明，矿物结合态有机碳的形成通常在生物活动和根系输入较强的土层中更为有利，因此更加

结论

火山土壤的化学性质表现出高度变异性，主要受土壤气候条件和成土发育程度控制。在表土层中，矿物结合态有机碳构成土壤有机碳总量的最大比例。然而，颗粒态有机碳在深层变得相对更为重要，特别是在Aysén地区的非水铝英石型和水铝英石型安蒂斯土中，那里存在低温、高降水以及有机质-铝/铁复合物矿物学占主导的条件。

A

人工智能声明

作者声明使用了人工智能工具，具体为Grammarly来增强本稿件的可读性和语言质量。这些工具仅用于文字润色和语法改进。此外，本稿件还经过英语教授审阅，以确保其语言准确性和清晰度。

CRediT作者贡献声明

Alicia Henríquez：写作–初稿撰写、方法论、调查研究、形式分析、数据管理、概念构思。Susana R. Valle：写作–审阅与编辑、监督指导、方法论、调查研究、资金获取、概念构思。John Clunes：写作–审阅与编辑。Felipe Zu?iga：写作–审阅与编辑。

基金支持

本研究由Fondecyt Regular 1,220,767和ANID CIN250005（CISFECh）资助。

未引用参考文献

Basile-Doelsch等，2007

Tisdall和Oades，1982

WRB（世界土壤资源参考基础），2022

利益冲突声明

作者声明，不存在任何可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

我们感谢国家研究与开发局（ANID）资助Fondecyt项目1,220,767（S.R. Valle）和ANIDCIN250005（CISFECh）。

Alicia Henríquez|Susana R. Valle|John Clunes|Felipe Zu?iga