土壤有机碳对团聚体孔隙结构的调控机制：基于同步辐射显微CT和过氧化氢雾化系统的原位研究

针对传统方法难以原位解析土壤有机碳(SOC)与孔隙结构关系的难题，浙江大学团队创新性地结合过氧化氢雾化系统和同步辐射显微CT(SR-μCT)技术，揭示了Cambisol和Ultisol两类土壤中SOC对孔隙形态、连通性的差异化调控机制，发现矿物结合态有机碳(MAOC)比颗粒态有机碳(POC)更具稳定性，为土壤碳封存和生态功能评估提供了新视角。

　　

土壤被誉为地球的"皮肤"，其内部错综复杂的孔隙网络如同微型城市的地下管网，调控着水分运移、气体交换和微生物活动。这些孔隙结构的形成与土壤有机碳(SOC)密切相关，但传统技术如同"盲人摸象"，难以在不破坏土壤结构的前提下揭示SOC的三维分布特征。更棘手的是，不同土壤类型中SOC与矿物的结合方式存在显著差异，这种差异如何影响孔隙结构的形成机制，一直是土壤科学领域的"黑箱"难题。

针对这一科学瓶颈，浙江大学农业资源与环境省级重点实验室的研究团队在《Geoderma》发表了创新性研究成果。他们巧妙设计了两阶段实验方案：首先采用过氧化氢(H₂O₂)雾化系统选择性去除团聚体中的SOC，随后运用同步辐射显微计算机断层扫描(SR-μCT)技术进行纳米级三维成像。研究选取中国南方两种典型农田土壤——江西鹰潭的Ultisol和浙江乐清的Cambisol作为研究对象，通过建立SOC含量梯度样本(低、中、高三个水平)，结合先进的图像处理算法，首次实现了SOC去除前后孔隙网络变化的定量解析。

关键技术方法包括：1)过氧化氢雾化系统实现SOC的原位去除，维持团聚体结构完整性；2)同步辐射显微CT在20-25 keV能量范围进行高分辨率(3.25 μm)扫描；3)基于Avizo软件的26邻域体素连通性算法重建三维孔隙网络；4)线性混合模型(LMM)统计分析孔隙参数变化。

研究结果揭示：

1. SOC去除效率的土壤类型差异

   Cambisol的SOC去除效率(38.58–63.31%)显著高于Ultisol(27.33–45.74%)，且MAOC比POC表现出更强的抗去除性，证实矿物-有机复合体的稳定性。

2. 孔隙体积的规律性变化

   SOC含量与总孔隙度呈显著正相关(p < 0.001)，但Cambisol表现为线性响应，而Ultisol呈现非线性变化，说明SOC对孔隙的支撑机制存在土壤类型依赖性。

3. 孔隙形态的差异化响应

   Cambisol中SOC去除导致等轴状孔隙(Eq.)增加而长条状孔隙(Pr.)减少，Ultisol则呈现相反趋势，反映SOC在不同土壤中塑造孔隙几何特征的独特方式。

4. 孔喉结构的重构

   SOC去除后，Ultisol倾向于形成宽大通道(等效直径>75 μm)，Cambisol则发育细密微通道(<30 μm)，这种分异与两类土壤的矿物组成(高岭石vs绿泥石)和胶结方式密切相关。

5. 拓扑结构的根本转变

   三维重建显示SOC去除显著增加孔隙连通性，但Cambisol形成均匀网络而Ultisol呈现异质性分布，印证了"有机主导"与"矿物-有机混合"两种不同的结构形成模式。

讨论部分深入阐释了这些发现的科学意义：通过建立"有机碳-矿物-孔隙"相互作用的概念模型(图5)，研究首次揭示SOC在Cambisol中作为"结构骨架"主导孔隙形成，而在Ultisol中则与矿物组分协同作用。这一发现革新了传统认为SOC仅通过胶结作用影响结构的认知，提出SOC可能通过两种途径调控孔隙：直接占据孔隙空间和调节矿物颗粒排列。特别值得注意的是，MAOC的稳定性与其和层状硅酸盐矿物的结合方式有关，这为土壤碳封存策略提供了新思路——增强MAOC形成可能是提升土壤固碳潜力的关键。

该研究的创新价值体现在方法学和理论认知两个维度：技术层面开发的过氧化氢雾化-SR-μCT联用方案，克服了传统 osmium 染色法的毒性和分辨率限制；理论层面阐明了SOC对土壤结构的调控存在"土壤类型依赖性"，这一发现对精准预测不同农田管理措施下的土壤功能演变具有重要指导意义。正如作者 Shenggao Lu 团队强调的，未来研究需要扩展到更多土壤类型，并整合矿物表征技术，以全面揭示有机-无机相互作用对土壤"微建筑"的塑造规律。