长期监测下德国下萨克森州耕地土壤有机碳含量的时间动态

《Journal of Plant Nutrition and Soil Science》：Temporal Dynamics of Soil Organic Carbon Contents in Long-Term Monitored Arable Sites in Lower Saxony, Germany

　　

背景：农业土壤中土壤有机碳（SOC）含量的时间变化具有变异性，其潜在驱动因素尚未被充分理解。目的：本研究旨在描述德国下萨克森州41个样点SOC含量的长期动态，并分析估算的SOC含量长期变化与气候、土壤及农业管理数据之间的关系。方法：为估算长期SOC变化（ΔSOC），对每个样点计算了带观测权重的混合效应回归模型，随后利用气候、土壤和农业管理变量对长期ΔSOC值进行描述。结果：在96%的观测中，SOC动态时间轨迹的拟合回归线落在年均SOC值95%置信区间内，与拟合良好模型下的预期覆盖率一致。针对估算的长期ΔSOC值的多元线性回归建模令人满意地解释了估算ΔSOC的变异（决定系数R² = 0.77），并识别出四个具有显著贡献的变量：初始SOC含量（回归系数为负）、初始pH、初始填闲作物年份比例和黏粒含量（回归系数均为正）。结论：结果表明，初始土壤属性（SOC含量和pH）、农业管理以及黏粒含量可能在很大程度上解释SOC含量的时间变化。

研究背景方面，土壤至少对联合国17项可持续发展目标中的12项具有贡献，并为社会提供多种效益，其中最突出的作用是提供生物质（食物、纤维和能源），同时还具有气候调节、养分循环、生物多样性保护和水分循环等重要功能。土壤有机碳（SOC）在这些关键土壤功能中处于核心地位，是欧盟重要的土壤健康描述指标。SOC可作为团聚体形成、水分保持、养分周转和生物质生产等过程的有价值替代指标，但其缺点是通常变化缓慢，在湿润环境中对管理措施的响应估计需要3–5年才能检测到显著变化。土壤有机质（SOM）的积累具有位点特异性，取决于成土特征。驱动矿物土壤中SOC含量和储量随时间变化的基础过程复杂且多面，受土地利用变化（及其多年遗留效应）、施肥量和有机肥类型变化、作物和轮作变化、作物残茬管理变化、温度和降水模式变化以及土壤类型、坡度和海拔等一系列因素影响。长期土壤监测计划对于研究中欧和北欧SOC时间动态至关重要，比利时、丹麦、英格兰和威尔士以及芬兰的农田土壤已有SOC含量和储量下降的报道，而下奥地利、荷兰和瑞士西部则报道了SOC增加。德国巴伐利亚大多数农田土壤在1986年至2016年间SOC含量总体变化不显著。长期土壤监测虽然对识别SOC显著变化至关重要且与实际农业管理相关，但与其他所有观察性研究一样存在固有局限，即任何因果解释都只能是初步的。因此，对于大多数监测研究，观察到的SOC变化可能存在截然不同的解释，无法通过使用不同预测方法来解决，因为具有高决定系数的成功模型校准并不能证明因果关系。总体而言，结合额外信息（理想情况下来自随机对照试验）的多项土壤监测研究的累积知识将产生更稳健的因果解释。本研究的目标是使用带观测权重的混合效应回归描述德国下萨克森州41个样点SOC含量的长期动态，并分析估算的SOC含量长期变化与气候、土壤和农业管理数据之间的关系。研究人员假设线性模型可用于描述长期SOC动态，且所分析的气候、土壤和农业管理数据能解释SOC含量变化的大部分变异。研究人员开展了为期21至32年的41个耕地样点长期监测研究，建立带观测权重的线性混合效应回归模型估算各站点长期SOC变化（ΔSOC），并利用多元线性回归分析ΔSOC与23个气候、土壤和农业管理变量之间的关系。研究得出结论：初始土壤属性（SOC含量和pH）、初始农业管理（初始填闲作物年份比例）以及黏粒含量可能在很大程度上解释SOC含量的时间变化；长期监测样点结合对照田间试验和建模对于更好地理解不同时间尺度上的SOC动态是必要的。本研究的重要意义在于，揭示了初始土壤属性和农业管理措施对SOC时间变化的解释能力，为农业土壤碳管理提供了长期监测证据。

在技术方法方面，研究人员开展了以下主要工作：在德国下萨克森州建立并维护41个耕地长期监测样点（1991–2001年建立，最终采样年份为2020–2024年），每个样点为10,000 m²的均质区域，内含4个256 m²子区，每次采样在每个子区随机取16个土芯（内径3 cm，深度一般0–20 cm）混合；每站点共进行6–13次采样。实验室测定采用催化燃烧法测定总碳（2017年前900°C，2018年起1140°C），pH(CaCl₂)值高于6.5时用Scheibler法测定无机碳，SOC含量为总碳与无机碳之差；土壤pH在0.01 M CaCl₂溶液中以1:2.5 g/mL土水比测定。气候数据来自德国气象局HYRAS水文气象网格数据，包括年均气温（MAT）、年均降水量（MAP）和年潜在蒸散量（ETP），并计算气候水分平衡（CWB）。农业管理数据由农民通过下萨克森州农业商会提供，包括作物类型、播种和收获日期、耕作日期和类型、有机和无机施肥日期类型和用量、灌溉日期和用量、产量及留在田间的潜在副产物。腐殖质平衡（HB）按照VDLUFA（2014）方法计算。统计分析使用R版本4.6.1，采用带观测权重的混合效应回归（glmmTMB包，限制最大似然法估计方差分量）描述各站点SOC长期动态，将回归系数换算为10年SOC变化量（ΔSOC），随后对23个变量进行配对相关分析以检测多重共线性，并开展多元线性回归分析（以Akaike信息准则简化模型），最后用Mann–Whitney U检验比较有机与常规农业体系对ΔSOC的影响。

研究结果方面，3.1 农业土壤SOC含量的时间动态：41个监测样点建立于1991年至2001年间，最终采样年份为2020年至2024年，观测期为21年（Sehlde）至32年（Hornburg、Reinshof）。41个样点的时间轨迹复杂，呈现近似线性增加（如Hiddestorf）、线性下降（如Vinnhorst）、稳定模式（如Listrup）以及非线性响应（如Barum）。线性混合效应回归的决定系数（R²）范围为0至0.89，拟合回归线在482个观测中的462个（即96%）落在年均SOC值95%置信区间内。41个样点的回归系数换算为10年ΔSOC范围为?0.38至0.14 g/(100 g)。估算下降最明显的三个样点为Vinnhorst（?0.38 g/(100 g)）、Starkshorn（?0.21）和Markhausen（?0.20），这三个样点初始SOC含量最高，且初始pH值较低（4.6–5.3），质地为壤土（Vinnhorst）或砂土（Starkshorn、Markhausen）。估算增加最明显的三个样点为Drütte（0.11 g/(100 g)）、Jühnde（0.13）和Wendhausen（0.14），这三个样点初始pH值均为7.3，高于大多数样点。3.2 估算SOC长期变化与气候、土壤和农业管理数据的关联：散点图显示ΔSOC与初始SOC含量呈强负相关，与初始pH值和黏粒含量呈强正相关。多重共线性分析发现MAP/CWB（r = 0.98）、MAP变化/CWB变化（0.89）、ETP/CWB（?0.85）、MAP/ETP（?0.73）等存在显著Pearson相关，谷物比例变化/玉米比例变化（ρ = ?0.75）、初始pH/黏粒（0.73）等存在显著Spearman秩相关。多元线性回归最终模型识别出四个显著变量（p ≤ 0.05）：初始SOC含量（回归系数为负，?9.72 × 10^?2）、初始pH（正，4.18 × 10^?2）、黏粒含量（正，3.09 × 10^?3）和初始填闲作物年份比例（正，2.10 × 10^?3），模型R²为0.77，估算值与模拟值吻合令人满意。农业体系（常规与有机）对估算ΔSOC的影响不显著（p = 0.41）。

讨论部分总结：4.1 农业土壤SOC含量的时间动态：21–32年的长期监测结合线性混合效应回归识别出SOC含量近似线性下降的样点，最大估算下降出现在Vinnhorst、Starkshorn和Markhausen，这些样点初始SOC含量最高，估算SOC下降大致遵循初始SOC含量降低的顺序，且所有三个样点初始pH较低，两个样点为砂质质地。总体而言，8个样点10年估算SOC下降≥0.05 g/(100 g)，25个样点变化较小（?0.04至0.04 g/(100 g)），8个样点估算增加≥0.05 g/(100 g)。这些观察与Wiesmeier等（2025）对巴伐利亚1986–2016年农业长期监测的总体无显著变化的结果一致。Harbo等（2026）在对1955–2024年欧洲农业地区的综述中总结，SOC既有增加也有减少的报道，56%的农业面积发现SOC损失。4.2 估算SOC长期变化与气候、土壤和农业管理数据的关联：多元线性回归识别出四个变量（初始SOC含量为负贡献，初始pH、初始填闲作物年份比例和黏粒含量为正贡献）。初始SOC含量高与SOC损失的关联已在许多欧洲土壤监测研究中报道，并在监测开始前土地利用变化的背景下以及气候变化背景下（对高SOC含量土壤影响更大）进行了讨论。pH对化学、生物和物理土壤过程的影响是多方面的，包括养分和有毒元素的可用性以及植物生物量生产和微生物过程。黏粒对SOC固存的重要性已在众多研究中确立，有机-矿物相互作用对SOM稳定的相关性已被强调。研究未发现初始（前6年）HB对10年ΔSOC的显著影响，需注意HB计算可能过于简化，无法描述SOC动态。回归结果提示初始填闲作物年份比例对估算10年ΔSOC有正贡献，表明农业管理对SOC积累的重要性。总体而言，研究提示土壤和管理因素之间存在复杂的相互作用。SOC下降的土壤通常起源于初始SOC水平较高的条件，可能是由于历史上地下水位较高（GLC 2至GLC 5）或草地转化为耕地。这些土壤通常黏粒含量较低，降低了SOC对矿化的物理保护，而在观测pH值（最低值4.5）下，低pH条件的潜在化学SOC保护对SOC稳定可能并不那么有效。砂质土壤上的作物产量通常因有效持水量（AWC）降低而趋于低水平，这反过来限制了生物质生产和腐殖质形成所需的OM归还。气候变化可能加剧这些过程：温度升高增强SOC矿化速率，而预计的降水减少在亚大西洋气候区不太明显，该区域相对较高的湿度减轻了微生物的干旱胁迫并有利于OM矿化。最后，尽管延长的植被期理论上可增加生产力，但由于夏季月份水分可用性不足，这一潜力在 prevailing 条件下可能无法实现，这一限制与这些土壤固有的低AWC密切相关。在气候变化条件下，温度升高可能加速SOC矿化，但这一效应可被延长的生长季部分抵消，前提是土壤水分可用性充足。农业管理（常规与有机）与SOC变化之间无显著关系，这与Don等（2025）对德国土壤清单的发现一致，但与Wiesmeier等（2025）报道的有机农业下SOC储量较高的结果形成对比。有机农业下SOC增加的原因可能包括种植更多增强SOC的作物，而SOC下降可能是由于作物产量低、农场层面OM可用性低导致有机肥施用少，从而SOC积累少。此外，本研究中有机农业监测样点大多位于砂质（7个中的4个）或酸性（pH < 6.5，7个中的5个）土壤上，这些土壤通常倾向于SOC下降。需注意，有机农场的SOC积累以较低的环境成本实现，因此可比常规系统更可持续。总体而言，回归结果指向实践中的土壤条件、站点（土壤和地下水）与管理因素之间广泛相互作用的连续体，以及不同时间尺度上效应遗留对SOC含量及其变化的影响。除常见的多重共线性外，还需注意观察性研究中处理与结果之间关联的最佳解释不一定处理对结果的因果效应。土壤监测样点允许在农业实践和条件下长期观察SOC含量及其变化，包括所有因素，而不给出单维因果关系。与建模一起，它们可能有助于更好地理解因素的相对重要性及其效应的不同时间尺度。总体而言，正在进行的土壤监测、随机对照试验和建模的累积发现将进一步推进对耕地SOC时间动态的理解。

研究结论部分翻译：对下萨克森州耕地的长期监测（持续21至32年）结果表明，初始土壤属性（SOC含量和pH）、初始农业管理（初始填闲作物年份比例）以及黏粒含量可能在很大程度上解释SOC含量的时间变化。需要长期监测样点结合对照田间试验和建模，以更好地了解不同时间尺度上的SOC动态。