爱尔兰农业石质土壤土壤有机碳储量估算方法比较：一种基于回归的方法

《Soil Use and Management》：Comparing Soil Organic Carbon Stock Estimation Methods for Agricultural Stony Soils in Ireland: A Regression-Based Approach

　　

尽管国家尺度土壤有机碳（SOC）监测具有重要意义，当前的测量方法常缺乏可靠性。已有研究主要聚焦于全球标准化，但仍迫切需要在兼顾大尺度监测物流可行性的同时考虑土壤异质性的方法。本研究通过比较两种SOC储量评估方法——等效土质量（ESM）与固定深度（FD），填补了这一空白，所用数据来自爱尔兰东南部空间分布的1184个土壤样品。研究人员构建了一个纳入石质性（stoniness）与深度的线性回归模型，以改进基于ESM的估算。结果表明，经这些因素校正后的ESM可提供可靠的SOC储量估计，并在大多数条件下替代FD。相较于FD，ESM易于实施且能捕捉景观变异性，因此推荐用于大尺度SOC监测。然而，在极端石质性土壤中可能需采用混合方法。这些发现支持将ESM整合进国家碳监测框架，以提升国家SOC清单的准确性。

研究背景方面，农业土壤固存大气二氧化碳及C-N温室气体于SOC库中的潜力是环境科学与政策辩论的核心议题，但目前缺乏统一标准来长期监测SOC储量及其稳定性。现有研究多追求全球标准化方法，却忽视了国家与场地特异性代表条件，如母质多样性，尤其在高度异质土壤中。爱尔兰矿质土壤因地质成因普遍石质化（>2 mm岩屑），石质性在基于深度的SOC储量计算中是重要不确定源，忽略岩屑可导致SOC储量系统性高估达300%。固定深度（FD）法依赖容重（BD）测量，需挖掘剖面坑，耗时耗力且BD随季节、土地利用和管理变化，易引入偏差；等效土质量（ESM）法基于单位面积土层土质量计算，常通过连续土芯取样实现，减少BD依赖，更适于重复采样，但在实验室仍需烘干、称重、筛分去岩屑。为此，研究人员在爱尔兰东南Signpost计划37个矿质土壤农场148块田块中，至60 cm深度同步采用FD剖面坑法与ESM液压取芯法（0–15、15–30、30–45、45–60 cm四层），获548个完整数据层点，以FD为基准比较ESM，并构建线性回归提升估算精度。该研究发表于《Soil Use and Management》，其意义在于为异质石质土壤提供可操作、低成本的MRV（监测、报告与核查）方案，支撑国家碳清单准确性。

关键技术方法上，研究人员依托Teagasc Signpost Programme东南11郡37个矿质土农场148田块，春季2023年采集0–60 cm土壤；FD组挖剖面坑按四层取约1 kg样并取BD环刀1776个，ESM组用液压取芯器按W形布点取5芯合层成592个复合样；样品40°C烘干过2 mm筛分岩屑，总碳（TC）由Vario Max Cube CN干烧法测，无机碳（IC）用10% HCl起泡试验加Scheibler仪定，SOC=TC-IC；FD储量按Hobley等质量平衡方程（含细土SOC比例、粗碎屑质量比、全样BD）算，ESM按Wendt和Hauser多层层积土质量立方样条插值算；数据清洗后剩548层点，依次用配对均值差置信区间（RQ1）、单变量线性回归ESM→FD（RQ2）、多元线性回归加入石质性与深度（RQ3）、按石质性分段算标准误定阈值（RQ4）、分层深度单独回归（RQ5）作统计推断，未做交叉验证。

研究结果部分，3.1节描述统计显示ESM均值24.24 t C ha^?1、FD均值24.89 t C ha^?1，ESM范围更宽。3.2节RQ1配对分析得ESM-FD均值差?0.65，95% CI(?1.75,+0.45)，SD 13.1，说明ESM略低估但无显著偏倚可作近似。3.3节RQ2建FD=8.8+0.6×ESM，调整R²=0.51，CI宽1.96略优于RQ1，但解释力有限。3.4节RQ3加入石质性与深度得FD=34+0.39×ESM?14.45×Stoniness?0.42×Depth，调整R²=0.62，CI宽1.7，精度提升，石质性与深度均负向影响FD估计。3.5节RQ4以标准误<5（FD均值24.85的20%）为界，确定石质性4%–37%区间模型可靠，>37%因样本少（n=58）性能下降，<4%顶层腐殖质高变异性亦偏弱。3.6节RQ5分四层建模，表层0–15 cm R²=0.41且石质性系数?36.37，随深度降至45–60 cm R²=0.07、石质性系数近0，证明分层揭示表层石质主导但全局RQ3模型更实用。

讨论部分指出，FD法在BD稳定时适于一次性清单，但重复测量中压实或疏松致同深度土质量变而虚增/减SOC，ESM以等土质量消除体积效应更适时间动态；ESM略低估FD源于表层FD含土少、深层FD含土多之残差方向所致。石质性修正表明4%–37%为爱尔兰常见区间，极端低石质顶层高有机质斑块与极端高石质深层均需混合采样。全局RQ3模型平衡准确与简便，推荐纳入国家MRV。结论部分翻译如下：本文比较经典FD与更易实施的ESM，显示在特定石质性条件下，含ESM储量、石质性、采样深度的线性回归可准确估计FD所得SOC储量；该方法消除剖面BD法不确定，利于重复年度测量，为4%–37%石质范围爱尔兰土壤提供可靠预测工具；深度分层推荐ESM以捕土地利用与时间趋势，FD仅适一次性跨国比对；低石质(<4%)高有机质表层与高石质(>37%)深层用FD-ESM混合；发展易实施且顾母质多样性的SOC算法是建立稳健矿质土MRV、提升国家碳清单与气候策略之关键。