土壤团聚体是土壤结构的基本单元，也是土壤碳的储存库，在生态系统的碳循环中发挥着重要作用。土壤团聚体的孔隙特征影响土壤有机碳的矿化，然而，黑土中在团聚体水平上对土壤有机碳固存机制的研究是有限的。因此，本研究探讨保护性耕作下粒径分布、形状参数、胞外酶活性与 > 2 mm团聚体内矿化有机碳之间的关系。研究结果将阐明保护性耕作对土壤孔隙形态和大小的影响，并有助于理解 > 2 mm团聚体土壤固碳的微观机制。

本研究基于2004年在海伦站建立的保护性耕作长期定位实验，选取常规耕作、少耕和免耕三个处理进行研究。利用工业纳米级计算机断层扫描技术测量了原状土及> 2 mm团聚体填充土柱的土壤孔径分布、形状参数、胞外酶活性和碳矿化。研究结果显示，长期免耕和少耕增加了原状土中总孔隙度和较大孔隙比例，显著降低了较小孔隙比例。传统耕作由于其更高的孔隙分型维数（2.75-2.90）、各向异性（0.366-0.516）以及更低的球度（5.1-28.7），表现出更复杂的孔隙（图1a）。对于> 2 mm团聚体来说，少耕显著增加了3.02-3.62%的孔隙连通性，而免耕对其没有改变（图1b）。结构方程模型表明，在> 2 mm团聚体填充土柱中，孔隙的形状参数（包括连通性和各向异性）直接对β-葡萄糖苷酶和β-木糖苷酶的活性有正向影响，并能通过影响细胞外酶的活性对土壤碳矿化产生正向间接影响（图2）。研究结果强调了孔形状参数对土壤碳固存的影响的重要性，并说明了> 2 mm团聚体中土壤碳固存的微观路径。

图1 原状土体孔隙(a)和> 2 mm团聚体填充土柱孔隙(b)的可视化。扫描后的土柱在图中红色框内，每条红色框线的边长为2cm。红框中的白色部分为土壤孔隙，透明部分为土壤的固体部分。

图2 孔隙分布和形状参数通过直接和间接途径影响累积有机碳矿化的结构方程模型。箭头上的数值表示标准化路径系数。红色箭头表示正相关关系。路径的显著性表示为: *代表p < 0.05; **代表p < 0.01; ***代表p < 0.001，黑色虚线代表路径不显著。R²值代表自变量对因变量变异的解释程度。

研究成果近期发表在农林科学国际重要期刊Soil & Tillage Research（中科院一区Top）上。农田分子生态学科组联合培养硕士毕业生肖扬为论文第一作者，土壤资源与利用学科组周萌助理研究员为通讯作者，刘晓冰研究员和张兴义研究员参与了本项工作。研究得到国家重点研发计划项目（2021YFD1500700）、国家自然科学基金青年项目（42307437）、黑龙江省自然科学基金优秀青年项目（YQ2023D007）、吉林省自然科学基金面上项目（20240101052JC）和中国科学院战略性先导科技专项（XDA28070302）联合资助。

论文信息：Yang Xiao, Meng Zhou*, Xiaobing Liu, Xingyi Zhang, Leilei Xiao, Liu Jian, Richard M. Cruse. Pore connectivity and anisotropy affect carbon mineralization via extracellular enzymes in> 2 mm aggregates under conservation tillage of Mollisols. Soil & Tillage Research, 2024, 106253.

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.still.2024.106253