全球土壤可氧化有机碳（POXC）数据库：土地利用与管理变化对土壤健康影响的系统性评估

《Scientific Data》：A global database on land use and management change effects on soil KMnO4-oxidisable organic carbon (POXC)

本研究针对土壤有机碳（SOC）对管理变化敏感性不足的争议，系统构建了全球首个涵盖284项研究、10,068组对比数据的土壤高锰酸钾可氧化有机碳（POXC）数据库。该资源覆盖45个国家63种土地利用类型，首次量化了农业管理（如耕作强度、有机输入）和土地利用转换（如草地-耕地转化）对POXC的影响，为POXC作为土壤健康敏感指标提供了数据支撑，对完善土壤碳循环评估模型和土地退化防治政策具有重要科学价值。

　　

土壤作为地球生命系统的基石，不仅承载着农作物生产、水源涵养等生态系统功能，更在碳储存和气候调节中扮演关键角色。然而，全球范围内土壤退化问题日益严峻——至少33%的耕地处于中度或高度退化状态，每年因土地退化造成的经济损失高达全球生产总值的10%。面对这一危机，科学界迫切需要建立能够灵敏反映土壤健康状况的监测指标。传统上，土壤有机碳（SOC）被广泛用作土壤健康的核心指标，但其组分复杂且包含大量稳定化合物，对短期管理变化的响应不够敏感，难以有效指导土地恢复策略的实施。

在此背景下，土壤活性碳组分因其快速周转特性引起研究者关注。其中，高锰酸钾可氧化有机碳（POXC）作为活性碳库的重要代表，通过化学氧化法量化土壤中易被微生物利用的碳组分，自1987年首次测量以来，逐渐发展为评估管理诱导土壤有机质变化的潜在指标。POXC不仅测量成本低廉、操作简便，多项研究表明其比SOC更能灵敏捕捉耕作方式、有机输入等管理措施的变化。然而，不同研究间POXC测量协议的差异、对其化学氧化特性与生物有效性关联的质疑，以及全球尺度数据整合的缺失，阻碍了该指标的标准化应用。

为解决上述问题，由法国国际农业发展研究中心（CIRAD）Cécile Chéron-Bessou领衔的国际团队在《Scientific Data》发表了全球首个系统性评估土地利用与管理变化对POXC影响的数据库。研究团队遵循系统证据合成（ROSES）标准，检索了Web of Science、Scopus等4大数据库中截至2024年的文献，最终从284项研究中提取10,068组POXC对比数据，覆盖45个国家、63种土地利用类型。通过建立土地管理原型分类体系（如耕地、草地、农林复合系统等53个农业管理原型），整合土壤属性（pH值、黏土含量）和实验质量评估数据，构建了可追溯、可扩展的标准化数据库。

关键技术方法

研究采用系统文献检索与多重验证相结合的策略：1) 使用“Soil AND carbon AND (permanganate OR POXC OR KMnO₄)”检索式在全球四大数据库筛查文献；2) 通过标准化数据提取流程，从图表中获取POXC浓度（g·kg^-1）、离散度量（SD/SEM）及重复数；3) 利用世界土壤数据库（HWSD2）和ISRIC土壤网格数据补全土壤属性；4) 建立三类偏倚风险评估标准（分类风险、暴露时长风险、结果报告风险）进行质量评级。

数据库内容与覆盖范围

数据库包含10,068组处理-对照对比数据，其中耕地管理变化占比最高（n=7,809），尤以有机输入类型与用量（n>500）和耕作强度（n>200）研究最为集中。土地利用转换中，草地转为耕地（n=324）及反向转换（n=261）是研究热点，森林与耕地互转研究数量相当（各约170组）。地理分布显示数据点集中在美国、中国、印度等国，而非洲和欧洲数据相对稀缺。

土地管理原型分类体系

研究团队基于IPCC土地分类框架，构建了包含63种土地管理原型的分级系统（表1）。耕地细分为一年生作物、多年生作物和农林复合系统，森林类型按管理强度进一步区分。该分类有效解决了原始研究中管理措施描述异质性问题，为跨研究比较提供基础。例如，在分析耕作影响时，可将传统耕作、免耕等不同强度实践归入统一分析框架。

数据质量与控制措施

通过三重验证确保数据可靠性：1) 利用R软件检测POXC极值和坐标异常；2) 对198项存疑数据通过作者讨论决议（排除20项研究）；3) 采用决策树模型进行质量评分（低/中/高风险）。针对离散度量缺失数据，开发了基于显著性检验结果估算标准差的方法，并应用研究内变异系数中值填补缺失值，最大限度减少误差低估。

地理与生物群落代表性

坐标分析显示，数据点覆盖从热带到温带的主要生物群落，但寒带和苔原区域代表性不足（图4）。这种分布不均提示未来研究需关注高纬度地区POXC对气候变化的响应特性。

研究结论与意义

该数据库首次实现POXC数据的全球整合，为验证其作为土壤健康敏感指标的适用性提供实证基础。通过揭示不同管理措施（如覆盖作物、有机肥施用）对POXC的差异化影响，为农业实践优化提供量化依据。数据库设计的动态更新机制（可通过联系作者补充新数据）支持其持续扩展，未来可结合土壤微生物参数、作物产量等协变量深化POXC与生态系统服务关联研究。这一资源不仅助推土壤健康评估指标标准化进程，更为生命周期评价中土壤影响表征因子的完善提供数据支撑，对实现土地退化零增长目标具有重要政策意义。