地下高压直流电缆施工措施与运行热排放对斯佩尔特小麦(Triticum spelta L.)生长及产量的影响

为评估德国能源转型中地下高压直流电缆(HVDC)对农田生态的影响，研究人员通过"三层分层"(triple lift)施工法结合模拟电缆热排放(32 W m-1)，系统研究了土壤物理性质变化与1.5 m深度土壤升温(Δ1.2°C)对斯佩尔特小麦的复合效应。结果表明：分层施工使底土容重(BD)降低8.9-12.1%，穿透阻力显著下降，配合地下升温使产量提升24%，为可再生能源基础设施建设与农业协同发展提供了关键技术参数。

　　

在全球能源转型背景下，德国计划到本世纪中叶实现零碳供电，这需要大规模扩建525千伏高压直流(HVDC)地下电缆网络。然而这些穿越农田的电缆埋设深度达1.5米，其施工过程带来的土壤扰动和运行产生的持续热排放，可能对土壤生态系统和农作物生产造成双重威胁。尤其令人担忧的是，现有研究多聚焦于表土升温效应，而对深层土壤加热及其与施工措施的协同影响知之甚少，这给兼顾可再生能源发展与粮食安全的政策制定带来了巨大挑战。

为破解这一科学难题，德国霍恩海姆大学的研究团队在巴登-符腾堡州Boxberg实验站开展了为期两年的田间试验，研究成果发表在《Journal of Agriculture and Food Research》。研究创新性地采用"三层分层法"(triple lift)处理土壤剖面，设置加热沟槽(HT)、非加热沟槽(UT)和对照三组处理，通过动态锥形贯入仪(PANDA 2)、土壤温湿度传感器网络和高频生物量采样，系统解析了深层土壤升温与施工扰动对斯佩尔特小麦生长的影响机制。

在实验方法上，研究团队建立了包含72个处理组合的裂区设计，使用Pt1000传感器和Teros 11分别监测15-130 cm深度的温度与体积含水量。通过Gompertz生长函数拟合叶面积指数(LAI)和穗重(Ew)动态曲线，结合穿透阻力与容重(BD)测定，量化了不同土层物理性质变化。氮素矿化(N_min)数据通过分层取样(0-90 cm)获取，所有数据分析采用考虑区块效应的混合模型处理。

土壤物理性质变化
"三层分层"施工法显著改善了底土条件：在69-130 cm深度(Big2层)，UT处理容重降低12.1%(1.38 vs 1.57 g cm^-3)，HT处理降低8.9%，对应穿透阻力峰值从对照的19.6 MPa降至HT的10.8 MPa。水分特征曲线显示处理组空气容量(AC)提升6倍(7.6% vs 1.2%)，创造了更有利的根系生长环境。

温度与水分动态
电缆模拟加热使130 cm深处温度升至25.1°C(对照13.0°C)，热传导导致50 cm根区升温4.1°C。2022年干旱期间，HT处理在50 cm深度提前20天达到水分胁迫阈值(pF>2.7)，但通过增强底土水分利用维持了较高蒸腾需求。

作物响应特征
分层施工本身使UT处理增产14%，叠加升温效应后HT处理增产达24%。LAI_max在HT处理达5.4，显著高于对照(3.6)。穗重积累模型显示HT处理具有最高潜力(Ew_max 0.7 kg m^-2)，2023年湿润条件下UT与HT处理产量持平(6.1 t ha^-1)，但HT处理千粒重(TGW)降低7.3%。

讨论与意义
该研究首次揭示了深层土壤升温与分层施工的协同效应：1) 分层法通过保持自然土层结构，有效缓解了传统施工导致的底土压实；2) 1.5 m深度热排放产生的温度梯度促进了底土氮矿化(N_min增加83%)，但高温在灌浆期可能加速籽粒脱水；3) 斯佩尔特小麦的深根特性使其能利用改善的底土条件，在水分胁迫下表现突出。这些发现为优化电缆埋设工艺提供了科学依据，特别是"三层分层"法可作为平衡能源基础设施与农田保护的标准操作。未来研究需关注长期热传导对土壤微生物群落和碳循环的影响，以及不同作物品种的响应差异。