土壤团聚体的微结构和形成机制及其对碳的物理保护

Microstructures within the soil aggregates determine a wide range of essential properties and functions, such as aggregate stability, air, water transportation and carbon sequestration. Therefore, unlocking the “black box” within the aggregate is the key to explore the secret of soils, interpret the properties and functions of the aggregates. The aim of this project is to explore the “black box” inside the aggregates, investigate the microstructures, forming mechanism of red soil aggregates of different parent material, fertility and land use type, and establish the relationship between their internal structures, aggregate stability and carbon sequestration. The microstructures and spatial variation of the soil aggregates will be investigated in situ by synchrotron radiation based X-ray computed tomography (SR-mCT) to reveal how the 3D structures of aggregates and related to their functions. The mechanism and contribution of cementing substance to aggregate stability will be revealed by data fusion method. The mechanism of physical carbon protection will be revealed by investigating the spatial relations between aggregate microstructures and soil organic carbon. By analyzing the aggregates from long-term located fertilizer experiment, how microstructures of aggregates response to fertilization practice will be revealed. The systematic method of exploring the “black box” within soil aggregates in situ will be developed, which will provided new scientific basis to further interpret the environmental response and function of soil aggregate.

土壤团聚体内部微结构决定了土壤团聚体的许多关键属性和功能，如团聚体稳定性、水气运移和固碳等。解剖土壤团聚体内部“黑箱”，是揭开土壤团聚体秘密、理解团聚体性质和功能的关键。项目以不同成土母质、肥力水平和土地利用类型的红壤为对象，以探明团聚体内部“黑箱”、阐明团聚体内部微结构形成机制及其与团聚体稳定性和固碳等科学问题为目标开展研究。应用同步辐射显微CT等方法，原位分析团聚体内部微结构及其空间变异规律，探明团聚体三维结构与功能的关系。建立团聚体CT-电镜-红外成像分析数据融合方法，阐明胶结物质对团聚体形成和稳定性的作用与机制。分析土壤团聚体微结构与有机碳的空间关系，阐明土壤团聚体对有机碳的物理保护机制。结合长期定位试验，探明土壤团聚体微结构对不同施肥措施的响应。项目将建立原位解剖团聚体内部“黑箱”及其形成机制的方法和数据分析新体系，为深入理解土壤团聚体的功能和环境响应提供新的科学依据。

土壤内部结构决定了土壤的许多关键属性和功能，如团聚体稳定性、水气运移，养分传输以及有机碳固持等。因此，探明土壤内部“黑箱”，是理解土壤功能和过程，解决众多土壤学科学问题的关键。本项目以同步辐射先进成像技术和高分辨率工业CT为基础，结合了最新的土壤孔隙定量分析方法，构建了针对土壤孔隙结构的先进图像分析与可视化方法学体系，实现了探明土壤内部“黑箱”的目的。同时，项目以我国南方地区不同成土母质、地力状况以及不同施肥管理措施的水稻土为研究对象，探明了长期不同施肥对土壤孔隙结构的影响和生物炭改良剂对土壤孔隙结构的改良效果。研究结果表明，长期不同施肥措施会显著改变对水稻土团聚体的孔隙结构。其中团聚体内的大孔隙对不同施肥措施响应较为敏感，而中孔隙和小孔隙变化相对较少。长期使用氮肥会导致土壤团聚体尺度的孔隙结构退化。这种退化表现为土壤孔隙的连通性显著下降，但总孔度的变化并不显著。有机肥和化肥的混合施用能较好对的维持土壤孔隙结构，防止土壤退化。我们在研究中发现，总孔度和C/I 比值（连通孔隙率和孤立孔隙率的比值）可以作为土壤团聚体功能的评价的指标。生物炭改良实验的结果表明，水稻土中添加水稻秸秆生物炭（RSB），玉米秸秆生物炭（CSB）生物炭和毛竹生物炭（BB）之后总孔度，连通孔隙率显著变小，而孤立孔隙率显著增加，进而导致直接导致了孔隙网络通达性变差，水分养分运输能力变弱。生物炭对土壤孔隙结构的调控主要通过“占据效应”和“扩展效应”进行调控；当“占据效应”占主导时，土壤孔隙率会显著下降；而当“扩展效应”占主导时，土壤孔隙率会显著上升。主要学术贡献如下：（1）构建了一套新颖的土壤孔隙结构研究与可视化方法学体系，该方法学体系有助于后续对土壤结构展开深入研究。（2）探明了水稻土孔隙结构对不同农田管理措施的响应，为优化农田土壤结构管理提供了理论支持。