阴离子聚丙烯酰胺(APAM)对石灰性土壤结构特征及溶解性有机碳稳定性的调控机制

推荐：本研究针对石灰性土壤结构不稳定和有机碳(OC)易流失问题，通过多尺度实验探究阴离子聚丙烯酰胺(APAM)对土壤团聚体稳定性、孔隙特征及溶解性有机质(DOM)光学特性的影响。结果表明APAM显著提升土壤平均几何直径(GMD)0.14-0.87mm，增加小孔隙(5-30μm)比例23.40-34.88%，并通过增强物理保护使微生物源DOM荧光强度(Fmax)从1.12降至0.58-0.83。该研究为改良石灰性土壤结构、提升碳汇功能提供了实践依据。

　　

在全球气候变化背景下，土壤作为最大的陆地碳库，其微小的有机碳变化都会对大气碳浓度产生显著影响。石灰性土壤占全球陆地面积的30%以上，却因低团聚体稳定性、高粉粒含量等特性，面临严重的侵蚀和有机碳流失问题。这类土壤对有机碳的物理包裹和化学键合能力较弱，极大地限制了其作为碳汇的潜力。如何通过改良土壤结构来提升有机碳稳定性，成为增强石灰性土壤碳封存能力的关键路径。

传统有机改良剂（如秸秆、生物炭等）虽能促进团聚体形成，但阴离子聚丙烯酰胺(APAM)因其经济环保特性，在农业土壤改良中展现出独特优势。然而，APAM如何调控石灰性土壤孔隙结构并影响溶解性有机质(DOM)稳定性，其内在机制尚不明确。为此，Yan Wang团队在《Soil and Tillage Research》发表研究，通过多尺度实验揭示了APAM对土壤结构-DOM稳定性的协同调控机制。

研究采用扫描电镜(SEM)、zeta电位(ZP)、汞侵入孔隙测定法(MIP)和计算机断层扫描(CT)分析土壤结构特征，结合三维荧光光谱(3D-EEM)和并行因子分析(PARAFAC)解析DOM组分。样本来自祁连山脉大坂山中段耕地典型石灰性土壤，设置0.1-0.5%梯度APAM处理组与对照组对比。

土壤结构改善方面：APAM处理使>0.25mm团聚体比例从34.67%最高提升至85.33%，平均几何直径(GMD)从0.18mm增至1.05mm。SEM显示土壤颗粒接触方式从点接触转变为镶嵌接触，CT三维重建证实连通孔隙比例从2.96%增至9.83%。特别值得注意的是5-30μm小孔隙比例增加23.40-34.88%，这种孔隙尺度恰好有利于DOM的物理保护。

DOM稳定性调控方面：APAM使微生物源DOM组分(C1)的F_max值从1.12显著降至0.58-0.83，表明其有效抑制了微生物代谢产物的释放。紫外光谱参数SUVA₂₅₄从2.01降至0.49-0.61，反映芳香族化合物含量降低；而腐殖化指数(HIX)从8.21升至9.29-12.43，说明DOM稳定性增强。能量色散谱(EDS)显示碳元素分布从均匀变为聚集态，证实APAM促进碳的固定。

机制解析：通过偏最小二乘路径模型(PLS-PM)发现，APAM主要通过三条路径增强DOM稳定性：1)电荷中和作用降低土壤胶体Zeta电位(-20.37→-14.13mV)，促进DOM吸附；2)形成水稳性大团聚体(>2mm比例增加)提供物理保护；3)优化孔隙结构(小孔隙增加+曲折度提升)限制DOM迁移。非线性回归显示DOC含量随APAM添加呈指数下降(R2=0.97)，验证其控释效果。

这项研究首次系统阐释了APAM通过"结构改良-物理保护"双路径协同提升石灰性土壤DOM稳定性的机制。在实践层面，0.2-0.4%APAM添加量既能显著改善土壤结构，又可最大限度降低碳流失，为干旱区土壤碳管理提供了量化依据。理论层面，研究揭示了孔隙尺度分布(5-30μm)与DOM封存的关联规律，为发展基于物理保护的碳增汇技术提供了新思路。未来研究可拓展至不同气候带土壤类型，评估APAM在生态系统碳平衡中的长期效应。