《Soil Science Society of America Journal》：Applying soil morphology to inventory tidal marsh blue carbon
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潮汐沼泽（tidal marshes）是重要的碳（C）汇，然而由于其碳密度的高度变异性，预测其碳储量（C stocks）较为困难。本研究旨在检验土壤属性与碳密度之间的关系，以估算碳储量。研究人员描述了355个土体（pedons），并对1087个
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潮汐沼泽（tidal marshes）是重要的碳（C）汇，然而由于其碳密度的高度变异性，预测其碳储量（C stocks）较为困难。本研究旨在检验土壤属性与碳密度之间的关系，以估算碳储量。研究人员描述了355个土体（pedons），并对1087个土层（horizons）进行了容重（bulk density）和土壤有机碳（soil organic carbon, SOC）含量分析，以测定新英格兰（New England, NE）、中大西洋（Mid-Atlantic, MA）和东南部（Southeast, SE）地区的碳密度。研究人员通过t检验（t-tests）、方差分析（analysis of variance, ANOVA）和回归分析（regression analysis），对各土层的沼泽类型、土层类型、色调（hue）、质地（texture）、流态（fluidity）、色值（value）、彩度（chroma）及深度等变量进行比较，以识别具有相似形态特征且碳密度相近的土层。每个区域内具有相似形态特征的土层被归为土壤材料组（soil material group, SMG），每个SMG被赋予相应的碳密度值。有机质SMG的平均碳密度最高（0.0295–0.0471 g C cm?3），且变异性最低（变异系数23%–33%）。在矿质SMG中，较低的Munsell色值、较细的质地和流态特征与较高的碳密度相关。研究区域呈现自北向南的增温梯度，总体上碳密度随该梯度递减。研究人员将SMG应用于独立土体以估算碳储量，并将模型预测值与实测值（至200 cm深度）进行比较。SMG模型表现良好，且在三个区域间具有一致性（r2 = 0.71–0.75；平均绝对相对差异（mean absolute relative difference, MARD）= 17%–18%），偏差较低。结果表明，SMG能够捕捉区域内部及区域间的碳储量变异性，并可提供准确的200 cm深度碳储量估算。
论文解读文章：
一、研究背景与问题提出
潮汐沼泽是地球上最高效的碳汇生态系统之一，尽管其仅占蓝碳生态系统面积的3%，却贡献了全球蓝碳储量的约15%。潮汐沼泽之所以具有极高的碳累积效率，主要得益于高植物生产力带来的大量自源有机碳输入、富碳外源沉积物的累积、近永久性还原条件对好氧分解的限制，以及高硫化物浓度对产甲烷作用的抑制。然而，潮汐沼泽土壤碳储量的估算面临巨大挑战。全球范围内，潮汐沼泽土壤碳密度的报道值在0.010至0.119 g C cm?3之间波动，对应上层1米土壤的碳储量可达10至119 kg C m?2。不同研究报道的碳储量差异可达一个数量级以上，这种高度不确定性主要源于潮汐沼泽生态系统中沉积作用、成土过程和生态过程的高度动态性。潮汐周期、风暴事件、沼泽年龄、沉积物供给、植物生产力及侵蚀程度等因素共同导致土壤属性在土体和景观尺度上存在显著的内在变异性。
目前，估算潮汐沼泽碳储量的常用方法存在明显不足。许多研究假设碳密度在不同土层间或随深度不变，但这一假设备受质疑。此外，全面采集土壤样本并测定SOC含量和容重耗时且成本高昂，导致许多研究仅采样至30 cm深度，难以准确反映深层碳储量。Holmquist等人（2018）曾建议对潮汐沼泽土壤统一采用27.0 kg C m?2的固定碳密度值进行估算，但后续研究发现，这种固定值模型在景观尺度上可高估碳储量高达220%，在区域尺度上则对新英格兰地区低估38%、对东南部地区低估28%。因此，亟需开发一种低成本、高精度的区域性或景观级碳储量估算方法。
二、研究内容与主要结论
针对上述问题，研究人员提出了一种基于土壤形态学特征的碳储量估算新方法。研究区域覆盖美国大西洋沿岸的南新英格兰（NE）、中大西洋（MA）和东南部（SE）三个区域，共描述了355个土体，并对175个土体中的1087个土层进行了实验室分析。研究人员通过分析土层形态特征（包括Munsell颜色、质地、流态、土层类型、深度及地貌位置等）与碳密度之间的关系，在每个区域内建立了6至8个土壤材料组（SMG），共识别出21个SMG。每个SMG具有独特的形态学判别标准，并赋予相应的平均碳密度值。
研究结果表明，有机质SMG具有最高的平均碳密度（0.0295–0.0471 g C cm?3）和最低的变异性（变异系数23%–33%）。在矿质SMG中，较低的Munsell色值、较细的质地和流态特征与较高的碳密度显著相关。区域间比较显示，碳密度随纬度升高而增加，即NE > MA > SE，这与较冷地区分解速率较慢的规律一致。将SMG模型应用于独立验证土体后，模型预测的200 cm碳储量与实测值高度相关（r2 = 0.71–0.75），平均绝对相对差异（MARD）仅为17%–18%，远低于Maxwell等人（2024）报道的基于遥感方法的56%预测误差。这一结果表明，SMG模型能够有效捕捉区域内部及区域间的碳储量变异性，为潮汐沼泽蓝碳核算提供了一种低成本、高精度的估算工具。
三、关键技术方法
研究人员采用的主要技术方法包括：其一，野外土壤调查与描述，按照美国自然资源保护局（NRCS）标准协议对355个土体进行形态描述，涵盖Munsell颜色、质地、流态、腐殖化程度等指标；其二，实验室分析，通过烘干称重法测定容重，采用干燃烧法或灼烧减量法测定SOC含量，其中NE地区通过灼烧减量法测定有机质含量，并建立线性回归模型将有机质含量转换为SOC含量；其三，统计分析与模型构建，利用Welch t检验、方差分析（ANOVA）及Tukey–Kramer事后比较检验不同形态特征组间的碳密度差异，通过逐步分组和验证确定最终SMG划分方案；其四，独立数据集验证，利用USDA-NRCS海岸带土壤调查（CZSS）及大学研究提供的每区域30–40个独立土体数据对模型性能进行验证。样本来源涵盖MA地区28条样带72个土体、NE地区32条样带52个土体及SE地区4个沼泽复合体51个土体。
四、研究结果
4.1 有机质土壤材料与分组
各区域内，有机质SMG均表现出最高的平均碳密度（0.0295–0.0471 g C cm?3）和最低的变异系数（23%–33%）。在MA和SE地区，深层有机质土层的碳密度显著高于表层有机质土层（p < 0.05），这归因于深层有机质沉积物在长期厌氧条件下的缓慢分解以及上层沉积物的压实作用。在NE地区，有机质土层的碳密度差异主要由地貌位置驱动：后障壁沼泽和潮汐 creek 沼泽的有机质碳密度低于海湾和潮汐河流沼泽，据此将NE有机质SMG分为A组（0.0387 g C cm?3）和B组（0.0471 g C cm?3）。区域间比较显示，NE地区有机质土层的平均SOC含量（26.1%）显著高于SE地区（22.5%），而容重无显著差异，表明温度梯度是驱动区域碳密度差异的重要因素。
4.2 矿质土壤材料与分组
矿质土壤材料的平均碳密度（0.0210 g C cm?3）显著低于有机质土壤材料（0.0400 g C cm?3）。区域间比较显示，NE（0.0250 g C cm?3）和MA（0.0213 g C cm?3）矿质土壤的碳密度显著高于SE（0.0170 g C cm?3）。流态是区分碳密度的重要指标：流态矿质土壤的平均SOC含量（5.3%）是非流态矿质土壤（1.6%）的三倍以上，且各区域内流态与非流态土壤的碳密度差异均达到显著水平。质地方面，砂质土壤（loamy fine sand或更粗）的碳密度（0.0104 g C cm?3）显著低于壤质（0.0287 g C cm?3）和细质土壤（0.0255 g C cm?3），而壤质与细质之间无显著差异。Munsell色值与碳密度呈显著负相关（Spearman ρ = ?0.59），暗色土壤（色值< 4）的碳密度显著高于亮色土壤。在MA地区，由于海平面上升导致的埋藏高地土壤（submerged upland soils）较为普遍，研究人员将其单独划分为Submerged A和Submerged B & E两个SMG，其碳密度显著低于潮汐成因的矿质土层。
4.3 应用SMG估算碳储量
将SMG模型应用于独立验证土体后，模型在三个区域均表现出良好的预测性能。MA、NE和SE区域的r2分别为0.709、0.747和0.722，MARD分别为16.7%、17.6%和18.3%，均远低于预设的50%阈值。模型偏差方面，MA和SE区域表现为轻微低估（偏差分别为?1.83和?7.10 kg C m?2），而NE区域表现为高估（偏差为8.13 kg C m?2）。回归分析显示，对于碳储量大于约45 kg C m?2的MA和SE沼泽，模型倾向于低估，而低于该值的则倾向于高估。总体而言，SMG模型的预测误差与土体内部碳储量变异性（7%–35%，均值14%）相当，表明该模型能够有效捕捉潮汐沼泽碳储量的空间变异性。
五、讨论与结论
研究结果表明，基于土壤形态学的SMG建模方法能够准确估算至200 cm深度的潮汐沼泽碳储量，且误差远低于现有遥感建模方法。该方法具有操作简便、成本低廉的优势，可由非土壤学专业人员经过简短校准练习后实施。对于已拥有潮汐沼泽土壤描述数据的项目（如NRCS CZSS、州级海岸机构及修复实践者），SMG方法可立即利用历史形态学数据生成碳储量估算，无需额外实验室分析。研究结论强调，潮汐沼泽碳储量在区域内部及区域间均存在高度变异性，这种变异受沉积物来源、自源有机碳输入、分解速率、沼泽年龄及地貌位置等因素共同控制。基于土壤形态学的SMG方法能够有效整合这些控制因素，为区域和景观尺度的蓝碳核算及碳市场应用提供可靠的技术支撑。
