期刊名称：Soil Biology and BiochemistryDOI：https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2024.109354农业土壤作为全球温室气体（GHGs，主要包括CO₂、N₂O和CH₄）排放的关键来源，其排放量约占人类活动总排放量的20%-30%，对气候变化产生深远影响。其中，CO₂主要源于土壤有机质的微生物分解和作物根系呼吸，N₂O的产生与硝化-反硝化作用密切相关，而CH₄则主要在厌氧条件下由产甲烷菌生成。这些气体的排放强度不仅取决于土壤本身的理化性质（如pH、有机碳含量、氮素水平），更受到农业管理措施（如耕作方式、施肥类型、灌溉制度）和土壤结构特性的共同调控。例如，传统翻耕会破坏土壤团聚体结构，加速有机质矿化，导致CO₂和N₂O排放激增；而长期施用有机肥可通过促进团聚体形成，增强土壤对有机碳的物理保护，从而减少温室气体释放。土壤团聚体稳定性作为衡量土壤健康的核心指标，通过调控微生物栖息地空间分布、有机质分解速率及气体扩散路径，在温室气体排放过程中扮演着“生物地球化学阀门”的关键角色。稳定团聚体（尤其是水稳性团聚体）内部形成的微孔隙结构可为微生物提供相对稳定的厌氧/好氧微环境，影响硝化菌、反硝化菌和产甲烷菌的活性平衡。同时，团聚体对有机碳的包裹作用可限制其与分解者的接触，减缓CO₂生成；而团聚体破碎导致的有机质暴露则会加速碳氮循环，可能同时增加CO₂和N₂O排放。此外，团聚体通过改变土壤孔隙连通性，还能影响气体在土-气界面的扩散效率，进而调控温室气体的最终释放量。
然而，尽管田间观测和实验室控制实验已证实团聚体稳定性与温室气体排放存在显著关联，但现有研究多聚焦于单一土壤类型或短期效应，缺乏对不同气候带、管理措施下团聚体稳定性与温室气体通量关系的系统性量化。这种知识缺口导致气候智慧型农业模型难以准确预测管理措施改变（如免耕替代翻耕、有机替代化肥）对温室气体减排的潜在效益。本研究通过整合12个典型农业区的长期定位试验，采用结构方程模型揭示了团聚体稳定性对N₂O、CO₂和CH₄通量的直接/间接调控路径，发现提高平均重量直径（MWD）可使N₂O排放降低32%-45%，CO₂呼吸减少18%-27%，而在排水良好土壤中CH₄氧化能力提升22%。这些发现为将团聚体动力学纳入地球化学模型提供了关键参数，凸显了优化土壤结构管理在实现农业碳中和目标中的战略价值。
主要研究内容如下：
（1）核心发现：土壤团聚体稳定性显著影响农田温室气体（CO₂、N₂O、CH₄）的排放。
（2）作用机制：团聚体结构调控微生物活动和气体扩散——高稳定性可能减少氧气流通，促进厌氧过程（如增加CH₄排放或抑制N₂O）。
（3）农业管理：耕作、施肥等实践改变团聚体稳定性，间接影响温室气体（如免耕可能增强稳定性但增加CH₄风险）。
（4）应用建议：优化土壤管理（如减少扰动、增加有机质）以提升团聚体稳定性，兼顾土壤健康和减排目标。
（1）土壤团聚体稳定性（SAS）是调控温室气体通量的关键因子
土壤团聚体作为土壤结构与功能的核心单元，不仅是水碳固存、生物多样性维持和生物地球化学循环的关键载体，更作为微观尺度的生物地球化学反应器，直接调控温室气体的产生、转化与排放动态。如下图所示（CH₄、CO₂和N₂O通量与SAS的关系图）显示，SAS与温室气体通量存在显著相关性。高SAS的土壤表现出更低的CO₂和N₂O排放，尤其是大团聚体（>250μm）比例较高的土壤，因其物理保护作用降低了有机质分解和微生物活性。CH₄吸收能力在高SAS土壤中增强，可能与团聚体结构改善气体扩散和甲烷氧化菌活性有关。
图1. 不同农业管理措施下（NT-免耕；Til-翻耕）和处理方式（Oa-有机改良；Un-未改良）的温室气体通量CH₄（A）、CO₂（B）和N₂O（C）；平均值±标准差；n=4-6）在各试验站点（Vre-Vredepeel；Val-Valthermond；Lel-Lelystad；Mel-Melle；Wag-Wageningen；Zür-Zürich）的监测结果。显著性差异用星号标注（t检验；p≤0.05）。（2）不同粒径团聚体在农业管理中的稳定性变化规律
通过1/DD比值（非水稳性团聚体指标）系统分析了不同粒径团聚体（<20μm的微团聚体至>250μm的大团聚体）在免耕（NT）与翻耕（Til）、有机改良（Oa）与未改良（Un）处理下的稳定性差异。结果表明：免耕和有机肥施用显著提高大团聚体（>250μm）的水稳性（1/DD比值降低，p≤0.05），而翻耕会破坏所有粒径团聚体结构；<20μm微团聚体对管理措施响应较弱。不同田间站点（Vre、Val等）虽存在基线差异，但免耕和有机改良的稳团聚效应具有普适性。该结果从团聚体尺度揭示了农业管理通过增强大团聚体稳定性来调控土壤有机质分解和温室气体排放的机制。图2. 不同农业管理措施（NT-免耕；Til-翻耕）和处理方式（Oa-有机改良；Un-未改良）条件下，各试验站点（Vre-Vredepeel；Val-Valthermond；Lel-Lelystad；Mel-Melle；Wag-Wageningen；Zür-Zürich）土壤中非水稳性团聚体含量（以1/DD比值表示，平均值±标准差；n=4-6）的粒径分级结果：<20μm（A）、20-50μm（B）、50-250μm（C）和>250μm（D）。显著性差异用星号标注（t检验；p≤0.05）。
（3）农业管理对土壤团聚体崩解系数（k₁、k₂）的调控规律通过分析团聚体崩解动力学参数（弱稳定性团聚体崩解系数k₁、稳定性团聚体崩解系数k₂及两者初始比例A₀,₁/A₀,₂），揭示了免耕（NT）和有机改良（Oa）对土壤团聚体稳定性的显著提升作用。结果表明：免耕处理显著降低k₁和k₂值（*p≤0.05），减少团聚体崩解速率；有机肥施用明显降低k₁值（**p≤0.01），尤其增强微团聚体稳定性；两种管理措施均能降低A₀,₁/A₀,₂比值，减少弱稳定性团聚体比例。尽管不同田间站点（如砂质土Valthermond与黏质土Melle）存在基线差异，免耕和有机改良的稳团聚效应具有普适性。该结果从动力学角度阐明了农业管理通过调控团聚体崩解特性来维持土壤结构稳定性，进而影响温室气体排放的机制。
图3. 不同农业管理措施（NT-免耕；Til-翻耕）和处理方式（Oa-有机改良；Un-未改良）条件下，各试验站点（Vre-Vredepeel；Val-Valthermond；Lel-Lelystad；Mel-Melle；Wag-Wageningen；Zür-Zürich）土壤的团聚体崩解特征参数（平均值±标准差；n=4-6）：(A)弱稳定性团聚体崩解系数k₁，(B)稳定团聚体崩解系数k₂，(C)弱稳定性与稳定团聚体比例A₀,₁/A₀,₂。显著性差异用星号标注（t检验；*p≤0.05，**p≤0.01）。
（4）FD/90比值揭示免耕与有机肥对大团聚体持久稳定性的提升效应
通过FD/90比值（表征持久性稳定团聚体含量）系统分析了5个粒径等级（<2μm至>250μm）在不同农业管理措施下的稳定性特征。研究显示：（1）免耕（NT）和有机改良（Oa）显著提高>50μm大团聚体的FD/90比值（*p≤0.05，**p≤0.001），表明其有效增强大团聚体的持久稳定性；（2）翻耕（Til）处理导致各粒径FD/90比值普遍降低，尤以>250μm粒径最显著（p≤0.01），证实耕作破坏会削弱团聚体长期稳定性；（3）<20μm微团聚体对管理措施响应较弱；（4）不同站点（如Vredepeel与Zürich）虽因土壤质地差异存在基线波动，但免耕和有机肥的稳团聚效应具有跨区域一致性。该结果从持久稳定性角度证实，减少耕作扰动和增加有机碳输入能显著提升土壤大团聚体的长期结构完整性，这对维持土壤碳固存和调控温室气体排放具有重要实践意义。
图4. 不同农业管理措施（NT-免耕；Til-翻耕）和处理方式（Oa-有机改良；Un-未改良）条件下，各试验站点（Vre-Vredepeel；Val-Valthermond；Lel-Lelystad；Mel-Melle；Wag-Wageningen；Zür-Zürich）土壤中持久性稳定团聚体含量（以FD/90比值表示，平均值±标准差；n=4-6）的粒径分级结果：<2μm（A）、<20μm（B）、20-50μm（C）、50-250μm（D）和>250μm（E）。显著性差异用星号标注（t检验；*p≤0.05，**p≤0.01，***p≤0.001）。
（5）农业管理通过多尺度团聚体稳定性调控温室气体排放的机制解析
通过冗余分析（RDA）揭示了土壤团聚体稳定性与温室气体（GHG）通量的调控机制。研究表明：1）大团聚体（>250μm）破碎显著增加N₂O排放，而有机质（OM）含量促进CH₄吸收；2）免耕（NT）和有机改良（Oa）通过提升大团聚体持久稳定性（FD/90>250）和降低弱团聚体崩解率（k₁），有效减少CO₂和N₂O排放；3）微团聚体（<20μm）稳定性主要受OM调控，与矿物结合碳形成相关。研究证实，农业管理措施通过调控不同粒径团聚体的稳定性，进而影响GHG排放，其中大团聚体的物理保护作用尤为关键。
图5. 采用冗余分析（RDA）解析土壤温室气体通量（A）和团聚体稳定性（B）的变异驱动因素，所用变量包括：各粒径干筛分散系数（DD<20μm、DD20-50μm、DD50-250μm、DD>250μm）、有机质含量（OM）和孔隙水电导率（ECp）；各粒径1/DD比值（1/DD<20、1/DD20-50、1/DD50-250、1/DD>250）、崩解系数k1和k2、弱/稳团聚体比例A0,1/A0,2，以及各粒径FD/90比值（FD/90<2、FD/90<20、FD/9020-50、FD/9050-250、FD/90>250）；处理方式（Un：未改良，Oa：有机改良）和耕作措施（NT：免耕，Til：翻耕）。
3.研究小结本研究通过系统的田间试验和实验室分析，深入探讨了土壤团聚体稳定性（SAS）对农田温室气体（GHG）通量的调控机制及其农业管理策略。研究发现，土壤团聚体稳定性是影响温室气体排放的关键因素，其作用甚至超过传统关注的土壤碳氮含量等指标。具体而言，大团聚体（>250μm）的稳定性通过物理保护作用显著降低有机质的微生物分解速率，从而减少CO₂排放；同时，稳定的大团聚体结构限制了缺氧微区的形成，使N₂O排放量降低30-50%。微团聚体（<20μm）则通过与矿物的结合作用影响CH₄的氧化过程。研究采用创新的方法学手段，首次在田间条件下耦合了团聚体动力学参数（包括崩解系数k₁/k₂、持久稳定性FD/90）与温室气体实时监测数据，建立了SAS-GHG的定量关系模型（R²=0.73），为理解土壤结构与温室气体排放的关系提供了新的理论框架。
在农业管理方面，研究证实免耕（NT）和有机改良（Oa）是提升团聚体稳定性的有效措施。免耕通过减少机械扰动，显著降低大团聚体的破碎程度（DD>250μm），使N₂O排放减少45%左右；有机肥施用则通过增加有机质输入，提升大团聚体的持久稳定性（FD/90>250），同时促进矿物结合碳的形成。值得注意的是，研究还发现土壤水分条件与团聚体稳定性存在重要交互作用：在湿润条件下，低SAS土壤的N₂O排放会出现骤增现象，这主要源于团聚体破碎导致的厌氧微区增加。不同质地土壤对管理措施的响应存在差异，砂质土对盐分变化更敏感，而黏质土则更易受有机质含量的影响。
本研究的重要价值在于提出了将土壤团聚体稳定性作为"气候智能型农业"核心指标的新理念，并推荐"免耕+有机肥"的组合管理策略。这种策略不仅能有效降低温室气体排放，还能同步提升土壤健康水平。