土壤安全评估框架下新南威尔士州下亨特谷土壤养分循环能力的光谱学评价

本研究针对传统土壤评估方法难以区分土壤固有潜力与当前状态的问题，开发了基于土壤安全评估框架（SSAF）的养分循环能力评价体系。研究人员通过整合中红外光谱（MIR）和X射线荧光（XRF）技术，对澳大利亚下亨特谷五种主要pedogenon类型的genosoil和phenosoil进行量化评估，成功构建了养分循环能力指数图谱。结果表明MIR光谱分析与传统实验室方法具有高度一致性，为大规模土壤安全评估提供了高效可靠的技术路径，对可持续土地管理决策具有重要指导意义。

　　

在全球化石燃料依赖与粮食安全危机的双重挑战下，土壤作为地球关键资源的战略地位日益凸显。传统土壤评估方法存在明显局限：一方面难以区分土壤的固有潜力（capacity）与当前状态（condition），另一方面过度聚焦农业产出而忽视土壤本身的功能特性。更令人担忧的是，常规评估成本高昂、耗时漫长，使得大尺度土壤健康监测难以实施。正是在这样的背景下，悉尼大学研究团队在《Soil Biology and Biochemistry》上发表了开创性研究，首次将土壤安全评估框架（Soil Security Assessment Framework, SSAF）应用于养分循环功能的量化评价，并创新性地融合光谱学技术，为土壤安全监测带来了技术革命。

研究人员采用多技术融合的研究方法：首先基于pedogenon分类系统（一种根据成土因素划分土壤类型的体系）在下亨特谷葡萄酒产区选取5种主要土壤类型（Wandin红铬溶土、Stanleigh棕铬溶土、Tamburlaine红库溶土、Sandalyn棕铬溶土和Marrowbone钙溶土）的genosoil（未受干扰的自然土壤）和phenosoil（人类活动改变的土壤）样本；运用中红外光谱（MIR）和X射线荧光（XRF）技术预测土壤性质；通过茶袋指数（Tea Bag Index, TBI）法测定有机质分解速率；使用密闭室法测量土壤呼吸速率；最后采用主成分分析（PCA）确定指标权重并构建养分循环能力指数。

2.3.1. Soil physical and chemical potential indicators

通过对比实验室测量与MIR光谱预测数据，研究发现pH值（R2=0.89）和阳离子交换量（Cation Exchange Capacity, CEC）（R2=0.62）具有高度一致性，统计检验显示无显著差异（P>0.05），证实了光谱技术在土壤性质预测中的可靠性。这表明MIR光谱可以替代传统实验室方法用于关键土壤指标的快速检测。

2.3.2. Soil biological potential indicators

生物指标测定显示，土壤呼吸速率和有机质分解速率在不同pedogenon类型间呈现显著变异。通过90天孵育实验获得的分解速率（k值）和稳定化因子（s值）揭示了微生物活性的空间分异规律，为养分转化过程提供了量化依据。

2.4. Utility estimation

研究团队创新性地构建了六大指标的效用曲线：pH值采用"最优范围"曲线（6-7为最佳）；钛锆比（Ti:Zr）采用"越低越好"曲线反映剩余养分供应；CEC和有机碳（OC）采用"越高越好"曲线表征养分储存能力；呼吸速率和分解速率曲线则体现微生物驱动养分转化的效率。这些曲线为指标标准化提供了理论框架。

2.4.4. Indicator selection and weights

主成分分析（PCA）确定了关键指标及其权重：实验室数据组识别出呼吸速率效用（权重0.76）和有机碳效用（权重0.24）；MIR数据组则识别出有机碳效用（权重0.55）、呼吸速率效用（权重0.41）和CEC效用（权重0.04）。两组结果无显著差异，验证了光谱方法的有效性。

3.4. Mapping nutrient cycling capacity across the HWCPID

空间制图结果显示：研究区整体呈现中等至良好的养分循环能力，Wandin和Sandalyn的pedogenon能力最高，Tamburlaine次之，Marrowbone和Stanleigh相对较低。值得注意的是，phenosoil（葡萄园）区域普遍表现为中等能力，而genosoil（自然植被下）区域则显示出更好的养分循环能力，特别是在北部、东部和西南边界的国家公园区域。

这项研究的重要意义在于：首次实现了土壤安全评估框架在养分循环功能中的操作化应用，建立了genosoil作为capacity参考基准的科学依据；证明了光谱技术在大尺度土壤评估中的实用价值，为降低监测成本提供了技术支撑；开发的效用曲线和指标权重体系为其他土壤功能的评估提供了方法论借鉴。研究结果不仅对澳大利亚葡萄酒产区的可持续管理具有直接指导意义，更为全球土壤安全评估提供了可推广的技术框架。未来研究可进一步拓展到其他土壤功能和服务评估，并探索光谱技术在野外原位监测中的应用潜力，最终构建全球土壤安全监测网络。