精准打孔通气与全区域打孔通气对草坪运动场表面硬度空间变异性的影响

《Agronomy Journal》：Precision and blanket aerification effects on spatial variability of surface hardness in turfgrass sports fields

　　

运动场表面硬度在空间和时间上均存在变异性，有证据表明这种变异性可影响运动员的感知、运动表现和受伤风险。因此，需要针对场内变异性而非仅平均硬度的管理策略。研究人员于2021年和2022年在美国德克萨斯州大学城（College Station, TX）对两个具有壤质砂土和覆砂根区的Tifway 419杂交狗牙根[Cynodon dactylon (L.) Pers. × C. transvaalensis Burtt-Davy]休闲运动场，评估了全区域打孔通气（blanket aerification）和精准打孔通气（precision aerification）方案在降低表面硬度空间变异性方面的效果。处理包括未处理对照、年度全区域、年度精准、三次全区域和三次精准打孔通气方案，均使用实心尖齿（solid tines）。全区域打孔通气应用于整个样地，而精准打孔通气仅针对超过表面硬度中位数的区域，这些区域通过每周地理参考的Toro Mobile Tester（TMT）数据的贝叶斯克里金（Bayesian kriging）识别。空间变异性通过变异系数（coefficient of variation，CV）和地统计总基台值（total sill）进行评估，每种指标均采用混合效应框架建模。在壤质砂土上，年度精准和三次全区域打孔通气处理相对于对照降低了平均表面硬度，而在覆砂根区上，所有处理对平均表面硬度均无显著影响。两个场地的变异系数比较均未达到显著性。处理对空间变异性的影响在地统计分析中更为明显：在壤质砂土上，精准处理降低了总基台值；而在覆砂场地上，仅三次全区域处理降低了总基台值，且三次精准处理相对于其他打孔通气处理增加了空间结构。处理响应在不同根区类型间不一致，表明在打孔通气方案设计中，根区特征可能比应用策略更为重要。

运动场表面硬度在空间和时间上均存在显著变异性，这种变异性可能影响运动员的感知、运动表现和受伤风险。运动员的踩踏是表面硬度增加的主要来源，不同运动项目的踩踏模式会诱发场内空间异质性。以往的管理措施多关注平均硬度，而忽略了场内变异性。打孔通气是缓解运动场表面压实的常用养护措施，通常以全区域方式应用，但这种方式可能无法改善表面硬度的均匀性。精准草坪管理理念主张根据空间数据划分管理单元，实施定点干预，但缺乏实证。因此，研究人员在两种不同根区构造的杂交狗牙根运动场上，比较了全区域打孔通气（blanket aerification）与精准打孔通气（precision aerification）方案对表面硬度空间变异性的影响，并假设精准打孔通气能比全区域打孔通气更有效地提高均匀性，且效果可能取决于根区特性。

研究于2021和2022年在德克萨斯A&M大学Penberthy休闲运动中心进行，对象为两个Tifway 419杂交狗牙根[Cynodon dactylon (L.) Pers. × C. transvaalensis Burtt-Davy]运动场，根区分别为壤质砂土和覆砂。试验设置未处理对照（Ctl）、年度全区域（1B）、年度精准（1P）、三次全区域（3B）和三次精准（3P）打孔通气处理。结果表明，打孔通气仅在壤质砂土上显著降低了平均表面硬度，其中年度精准和三次全区域处理效果最明显；在覆砂根区上所有处理对平均硬度均无显著影响。在空间变异性方面，变异系数（CV）无显著差异，但地统计总基台值（total sill）显示精准处理在壤质砂土上显著降低了空间方差，而覆砂场地上仅三次全区域有效，三次精准反而增加了空间结构。总体而言，根区特性比应用策略对处理效果的影响更大。

研究人员采用随机完全区组设计，每场地设5个处理、3次重复，样地尺寸21.3 m×27.9 m。每周使用Toro Mobile Tester（TMT）以约2.4 m间隔采集表面硬度（G_max，即峰值减速度）数据，并通过全球导航卫星系统（GNSS）定位。全区域处理均匀打孔；精准处理基于贝叶斯克里金插值识别超过样地中位数的区域进行定点打孔。数据分析采用线性混合效应模型分析平均硬度，采用广义线性混合模型（Gamma分布、log链接）分析变异系数，采用两阶段地统计方法计算半变异函数并提取总基台值，再以线性混合效应模型分析。所有处理使用实心尖齿（solid tines）。

### 3.1 壤质砂土场地

在壤质砂土运动场上，未处理对照的平均表面硬度最高（78.5 G_max），年度精准和三次全区域处理的平均硬度最低，分别为59.6和58.9 G_max，均显著低于对照（p=0.003和p=0.002）；年度全区域和三次精准处理虽数值略低，但与对照差异不显著。变异系数方面，对照为22.5%，各处理在19.0%–20.3%之间，但所有比较均未达显著。地统计总基台值分析显示，对照的估计值最高（6.2），年度精准和三次精准处理显著低于对照（p=0.001和p<0.001），而两个全区域处理与对照差异不显著。这表明在壤质砂土上，打孔通气能降低平均硬度，且精准处理在降低空间结构方差方面更有效，但各处理间无显著差异。

### 3.2 覆砂场地

在覆砂运动场上，对照的平均表面硬度最高（62.5 G_max），各处理平均硬度在54.4–60.0 G_max之间，但均未显著低于对照。变异系数也无显著处理效应，对照为15.5%，三次全区域处理最低（12.9%），但差异不显著。地统计总基台值分析呈现出不同模式：三次精准处理的估计值最高（5.6），甚至高于对照，三次全区域处理最低（4.3），且对照与三次全区域差异显著（p=0.005）；同时三次精准显著高于年度精准（p=0.009）和三次全区域（p<0.001）。这说明在覆砂根区，高频率精准打孔通气可能反而增加空间异质性，而三次全区域处理有助于降低空间方差。

讨论部分指出，打孔通气降低平均硬度的效果在壤质砂土上显著，而在覆砂根区不显著，这归因于壤质砂土细颗粒含量高、易压实且天然异质性强；覆砂根区颗粒粗、排水好，本身压实程度低且均匀，处理改善空间有限。精准打孔通气未能一致优于全区域处理，可能因为精准策略是反应性的，只能处理已变硬的区域，不能预防软区变硬，而全区域处理具有预防作用；此外，精准处理本身会形成异质性处理格局。研究还发现CV和总基台值提供了互补信息，精准处理在降低空间结构化方差方面可能比CV更敏感。作者强调根区特性比应用策略更能决定通气效果。局限性包括空间变异性作为二阶统计量噪声大，有效样本量较低，且场地使用和管理无法完全受控。但即使在管理良好的运动场上，场内心硬度变异仍较大（CV 12.9%–22.5%），未处理的壤质砂土上估计95%范围约70 G_max，即使均值在可接受范围内也可能构成隐患。

研究结论：本研究在两个生长季内，评估了全区域和精准打孔通气方案在两个根区构造不同的杂交狗牙根运动场上改善表面硬度均匀性的效果。打孔通气降低了壤质砂土场地的平均表面硬度，但在覆砂场地未降低，表明处理效果强烈依赖于根区特性。与假设相反，精准打孔通气在两个场地上均未一致地比全区域打孔通气更有效地改善表面硬度均匀性，在某些情况下反而增加了空间结构。两个场地的场内空间变异性均较大（CV为12.9%–22.5%），表明仅凭平均表面硬度可能无法完全反映场上实际经历的条件范围。未来研究应在更广泛的根区类型和管理强度下评估打孔通气策略，以确定空间变异性的降低能否转化为场地性能的有意义改善。