低成本CO2传感器揭示地中海农业生态系统中季节与管理驱动的土壤碳通量

《Environmental Technology & Innovation》：Low-Cost CO? Sensors Reveal Seasonal and Management-Driven Soil Carbon Fluxes in a Mediterranean Agroecosystem

本研究针对地中海气候区农业土壤碳动态监测难题，利用低成本便携式CO2传感器开展为期三年的农田管理转型监测。通过同步采集土壤湿度、温度和NDVI数据，发现灌溉管理（漫灌/喷灌）驱动的土壤湿度是CO2通量最强预测因子（β=5.91），聚类分析识别出冬/夏/秋三季典型排放模式，为农业碳循环精准监测提供了技术路径和理论依据。

　　

土壤作为地球第二大碳汇，其碳动态变化对全球气候减缓战略具有关键意义。在气候变化不断加剧的背景下，如何通过可持续的土地管理来增强土壤碳封存能力，已成为农业领域面临的重要挑战。特别是在地中海气候区，高温干燥的夏季与凉爽湿润的冬季形成了鲜明的季节性对比，加之多样化农业管理措施的实施，使得土壤二氧化碳（CO₂）排放过程变得尤为复杂。传统上，由于监测设备昂贵且部署困难，对农田土壤碳通量的长期、连续观测数据相对匮乏，限制了我们对农业管理措施碳效应的理解。

为解决这一难题，由Humberto Flores-Landeros、Ana Grace Alvarado、Anna Jurusik、Jorge Andres Morande、Emily Waring和Thomas C. Harmon组成的研究团队，在美国加州大学默塞德分校的实验智能农场开展了一项为期三年的实地研究。该研究创新性地采用低成本便携式CO₂传感器，监测了一块5公顷农田从漫灌牧场向喷灌作物地转型过程中的土壤CO₂通量变化，相关成果发表在《Environmental Technology》上。

研究人员重点关注了五种典型的农业管理活动：漫灌、牧场放牧、土壤翻耕、雨养冬季饲料种植和喷灌行作作物。通过同步采集土壤温度、湿度和植被指数（NDVI，Normalized Difference Vegetation Index）等环境变量，研究团队旨在揭示季节变化和人为管理如何共同调控土壤碳通量模式。他们假设，土壤CO₂排放模式主要受土壤湿度、温度和植被等季节性环境因素驱动，而土地管理活动则通过改变这些条件产生独特的排放响应。

研究团队开发了一套系统的技术方法体系。他们使用自制的便携式CO₂通量室（基于K30 NDIR传感器和Arduino微控制器）进行现场测量，每个采样活动在约1.5小时内获取25-30个空间点的数据。土壤温度和体积含水量由TEROS 11传感器同步记录。植被状况通过获取与采样日期相近的Landsat 8-9卫星影像计算NDVI来表征。数据分析综合运用了韦尔奇方差分析（Welch's ANOVA）、多元聚类分析、普通最小二乘法回归（OLS）和双变量空间制图等多种统计与空间分析技术，确保了研究结论的可靠性。

3.1. 土地管理和环境条件对土壤碳CO₂通量的影响

研究结果显示，不同管理措施下的土壤CO₂通量存在显著差异。通量值范围在-0.64至15.33 μmol m^-2s^-1之间，总体平均值为2.44 ± 2.77 μmol m^-2s^-1。与水相关的管理活动产生了最高的平均通量值：漫灌期间为5.06 ± 3.57 μmol m^-2s^-1，喷灌期间为3.46 ± 3.41 μmol m^-2s^-1，显著高于非灌溉阶段。这表明，在炎热夏季进行灌溉会显著刺激土壤呼吸作用。相反，放牧、翻耕和冬季种植等非灌溉或雨养阶段通量较低。土壤湿度被确定为CO₂通量的最强预测因子，其次是植被覆盖（NDVI）和土壤温度。季节性环境背景与管理措施相互交织，共同塑造了通量的时空格局——夏季灌溉创造了高温高湿条件使呼吸作用最大化，而冬季种植虽有一定水分输入，但因温度较低仅产生中等通量。

3.2. 多元聚类分析揭示的土壤CO₂通量模式

多元聚类分析将观测数据归纳为三个具有显著特征的集群，而非按照五个管理活动简单划分。集群1以冬季种植活动为主，代表了凉爽、中等湿度的条件；集群2主要由夏季漫灌观测值组成，特点是高温高湿；集群3则涵盖了秋季的放牧、翻耕以及大部分喷灌观测值。这一结果清晰地表明，CO₂通量模式呈现出强烈的季节性特征，管理措施的影响在很大程度上是通过改变季节性环境条件（水热组合）而体现的。喷灌管理的观测值分散于三个集群，暗示了其管理效果的复杂性，可能与行作系统中植被行（灌溉）与非植被行（不灌溉）的微环境差异有关。

3.3. 环境条件与土地管理对CO₂通量的相对影响

普通最小二乘法回归模型进一步量化了各因素的影响力。模型证实土壤湿度是最关键的正向预测因子（β=5.91），植被覆盖（NDVI）次之（β=2.92），土壤温度的影响相对较小但仍显著（β=0.04）。在控制环境变量后，管理措施本身仍显示出独立效应：漫灌和喷灌均显著增加通量，而冬季种植则表现出抑制作用。翻耕对通量无显著影响，这与许多在非地中海气候区的研究结果不同，可能源于研究期间持续的干旱背景和翻耕前植被（因放牧）已减少，限制了微生物和根系的呼吸底物。研究也发现，模型对高通量值（>6 μmol m^-2s^-1）的预测存在局限，这反映了极端通量事件（如漫灌后的"热时刻"）背后可能存在非线性的物理生物学过程，如土壤孔隙水饱和导致的气体扩散受阻与后续排水刺激的微生物活动爆发等。

研究结论与讨论部分强调，这项研究成功地揭示了地中海农业生态系统中土壤CO₂通量是由季节性环境条件（尤其是土壤湿度）主导，并由土地管理措施进行重组和调节的复杂过程。低成本传感器的应用证明了其在捕捉田间尺度碳通量时空变异方面的有效性和经济性。该研究的重要意义在于，它强调了在评估农业管理措施的碳效应时，必须充分考虑其发生的季节性环境背景。短期的测量或单纯的管理措施比较，如果脱离环境背景，可能会误解排放动态。研究成果为连接农业活动、碳循环监测和碳信用市场提供了科学依据，指明了通过优化灌溉等管理措施来调节农业碳排放的潜力。未来研究需要结合更长期的自动化监测、更多温室气体通量测量以及土壤碳库和微生物群落分析，以更全面地评估农业管理对土壤碳平衡的净效应。