《European Journal of Soil Science》：Soil Organic Carbon Stocks and Saturation Deficit in Mediterranean Olive Groves: Effects of Intensification and Management Practices
土壤有机碳（SOC）在气候调节中扮演着关键角色，尤其是在土壤管理实践显著影响碳固定的农业生态系统中。在地中海盆地，橄榄园代表了主要的农业系统，其碳储存潜力在大空间尺度上仍未得到充分表征。本研究评估了在五个地中海国家（西班牙、希腊、意大利、葡萄牙和摩洛哥）采集的52个橄榄园中的SOC储量及其饱和状态，在对容重和粗碎片数据进行质量控制后，保留了39个果园用于储量计算。SOC通过干燃烧法和Nelson与Sommers湿氧化法两种方法进行定量。两种方法之间的一致性经过正式检验，干燃烧法存在依赖碳酸盐的正偏差（ISO?NS差值与碳酸盐含量之间的r = +0.20，p < 0.0001），这导致研究人员保留Nelson & Sommers值用于所有储量计算。使用Kopecky环刀测得的容重优先于Saxton & Rawls土壤转换函数估算值，因为配对比较显示两者一致性较差（Lin's CCC = 0.08；95% LoA = ±0.5 g cm?3）。最大SOC饱和限值（SOC_max）根据粉粒+黏粒保护性组分估算，并对当前储量和最大储量均采用一致的（1?FG）粗碎片校正，使饱和亏缺（SOC_potential = SOC_max?SOC_current）成为可直接比较、具有物理意义的差距。多元分析（PCA、Wilks' Λ的LDA、双因素PERMANOVA）揭示，橄榄园沿单一主导集约化梯度（PC1，30.5%方差；CD1，91.7%典型方差，p < 0.001）组织，而非形成可分离的农艺管理类别；该梯度在排除操作性同义反复变量后仍然稳健。地中海橄榄园平均运营于其质地碳储存能力的41%，平均饱和亏缺为64 Mg C ha?1（占SOC_max的59%）。亏缺沿集约化轴的变化方向与碳饱和理论预测一致（饱和水平：有机49%，常规39%，高密度33%），尽管各组间差异在每管理类别n = 9–12个果园的情况下未达到显著性。超集约化（树篱式）系统（>1000株 ha?1）未包含在样本中，这一点被认定为局限性。这些发现强调，相较于有机与常规的二分法，集约化更多地构建了地中海橄榄园的多元变异性，且大多数系统中当前SOC储量远低于质地饱和水平，表明通过土壤保护实践具有显著的额外碳固定潜力。
**论文解读：地中海橄榄园土壤有机碳储量与饱和亏缺的多尺度评估**
**一、研究背景与科学问题**
土壤在生态系统可持续性中发挥着关键作用，提供维持肥力、过滤和储存水分、提供结构支撑、保护生物多样性以及通过碳固定和减缓温室气体排放来调节气候等基本服务功能（Dominati et al. 2010; Adhikari and Hartemink 2016）。在应对气候变化的诸多策略中，土壤碳储存潜力已受到越来越多的关注（Walker et al. 2022）。增加土壤有机质不仅可以减少温室气体排放，还能改善土壤健康、防止侵蚀并提高农业产量（Lal 2005; Xiao 2015; Pereira et al. 2018）。
然而，农业生产实践常导致多种作物系统中土壤有机碳（SOC）储量的下降（Beillouin et al. 2023; Mehra et al. 2018）。在欧盟，约38%–40%的土地用于农业，其中包括460万公顷的橄榄园，尤其是集中在地中海地区（Eurostat 2023）。橄榄农业生态系统的可持续管理对于维持SOC储量、增强气候韧性和保障长期农业生产力至关重要（Paustian et al. 2016; Davis et al. 2023; Crystal-Ornelas et al. 2021）。尽管已有研究表明农业生态实践有助于保护和增强SOC储量（Gómez-Mu?oz et al. 2016; Sastre et al. 2024; Crystal-Ornelas et al. 2021），但集约化土壤管理实践已导致地中海橄榄园土壤退化，并因农业集约化和气候压力而加剧（Borrelli et al. 2025）。尽管如此，在不同管理和土壤生物学背景下，退化效应对橄榄园土壤SOC储量的影响在大尺度上仍未得到充分探索。
超越特定管理下的绝对SOC储量，土壤的碳储存潜力——即土壤在达到由其物理化学环境决定的饱和平衡之前理论上可以额外积累的碳量——已成为土壤碳科学的核心概念（Hassink 1997; Six et al. 2002, 2024; Cotrufo et al. 2019）。饱和理论认为，粉粒+黏粒保护性组分提供了稳定的矿物结合有机碳的有限容量，该容量（SOC_max）与当前储量（SOC_current）之间的差值定义了饱和亏缺（SOC_potential = SOC_max?SOC_current），用以量化土壤目前运营状态与其质地上限之间的距离。与绝对储量相比，亏缺是更有效的固碳评估目标，因为它对不同地点的质地和土壤异质性进行了归一化处理。最新的全球再分析（Six et al. 2024）已细化了基于粉粒+黏粒的饱和框架，在橄榄园系统中的研究也证明了该框架对评估管理对碳动态影响的相关性（Calero et al. 2022）。尽管如此，地中海橄榄园土壤的饱和状态在区域尺度上仍未得到充分表征，农艺管理与集约化水平对当前SOC储量及饱和差距的相对贡献尚未被正式区分。当前全球评估估计非永久冻土矿物土壤表层一米的矿物结合有机碳（MAOC）储量约为899 Pg C，许多农业用地运营水平低于其矿物学容量（Georgiou et al. 2022）。该概念近期已被整合到欧洲农业土壤的饱和风险指数中（Breure et al. 2025）。然而，该框架仍存在争议：Begill et al.（2023）在温带农业土壤中未检测到MAOC的可检测上限，提醒应将饱和亏缺视为一种质地归一化的参考而非严格的物理极限。具体到地中海橄榄园，Aguilera-Huertas et al.（2022）研究了常规耕作下<20 μm矿物土壤组分中的碳稳定和饱和问题，为本研究采用的基于饱和的方法提供了区域支持。
基于上述研究空白，本研究旨在评估跨越西班牙、希腊、意大利、葡萄牙和摩洛哥五个国家的52个地中海橄榄园的SOC储量及其饱和状态，涵盖多样化的地理、气候、土壤和管理条件。除比较原有三个管理类别（常规、有机、高密度）间的SOC储量差异外，研究还明确检验了果园属性的多元变异性是否能更好地由连续集约化梯度而非分类管理方案来描述，并按照Six et al.（2024）饱和框架对每个果园的SOC饱和亏缺进行估算。研究围绕三个核心问题展开：（i）地中海橄榄园在管理×集约化矩阵中的当前SOC储量有多大？（ii）当前储量代表质地饱和限值（SOC_max）的多少比例，饱和亏缺如何随管理实践和集约化变化？（iii）哪一轴线——农艺管理、集约化或二者组合——能更好地解释果园属性的多元结构和碳储量的变异性？
**二、关键技术方法**
本研究从五个地中海国家共选取52个果园，涵盖多样化的地理、农艺和土壤气候条件。田间记录地理变量（经纬度、海拔），气候变量源自WorldClim高分辨率全球气候数据集，景观格局使用最大斑块指数（LPI）和欧几里得最近邻距离（ENN）量化。研究人员采用LUCAS协议在每个果园采集5个重复样（每个重复由5个子样本组成），分0–10和10–20 cm两层，共获得494个土壤样本。SOC采用ISO 10694:1995干燃烧法和Nelson与Sommers（1996）湿氧化法（NS）两种方法测定并检验一致性，发现ISO法存在碳酸盐依赖性正偏差后，所有储量计算统一使用NS值。容重分别用Kopecky环刀实测和Saxton与Rawls（2006）土壤转换函数估算，经一致性比较后保留实测值。质地饱和上限SOC_max按Six et al.（2024）框架估算，即SOC_max = 0.78 ×（黏粒% + 粉粒%），并对称应用（1?FG）粗碎片校正。经容重和粗碎片数据质量控制后，最终39个果园（362个样本）纳入储量计算，其中33个用于饱和分析。统计分析在R 4.4.3和Python 3.11中完成，采用混合效应模型、主成分分析（PCA）、线性判别分析（LDA）、双因素PERMANOVA、Kruskal–Wallis检验及Pearson/Spearman相关分析等方法。
**三、主要研究结果**
**3.1 土壤有机碳含量**
ISO 10694:1995与Nelson & Sommers湿氧化法两种方法总体呈正相关（Pearson r = 0.50；Spearman ρ = 0.60；Lin's CCC = 0.48；n = 481配对样本），但ISO法平均系统性低估SOC 2.7 g kg
?1（95% LoA = ±18.6 g kg
?1），且偏差显著依赖于碳酸盐含量（r = +0.20, p < 0.0001），反映HCl预处理过程中碳酸盐去除不完全。NS方法则与碳酸盐含量无关（r = ?0.06, p = 0.17），符合选择性氧化有机碳的预期。因此，后续储量和饱和分析均仅使用NS法SOC值。NS法测定的0–20 cm平均SOC浓度呈现有机>常规>高密度的预期排序（中位数分别为19.5、13.8和12.0 g kg
?1；Kruskal–Wallis检验H = 5.3, p = 0.071），有机和常规果园在0–10与10–20 cm深度间存在显著差异，高密度果园则无显著差异。
**3.2 容重**
在排除38个物理上不合理的实测值（>2.0 g cm
?3，集中在39个果园中的6个）后，Kopecky环刀实测容重与Saxton and Rawls（2006）土壤转换函数估算值显示较差的一致性：Pearson r = 0.13，Lin's CCC = 0.08，Bland–Altman 95% LoA = [?0.63, +0.39] g cm
?3，MAPE = 20.4%（n = 318配对样本）。土壤转换函数给出的预测值范围较窄（1.13–1.60 g cm
?3, σ = 0.11），未能追踪实测值的变异性（0.79–1.77 g cm
?3, σ = 0.21），倾向于系统性低估低值和高估高值。实测容重因能直接反映各管理下土壤的物理状态、可同步确定粗碎片比例并捕获地点间自然变异性而被保留。
**3.3 果园变异的多元结构及集约化轴**
标准化农艺和土壤气候变量的第一主成分（PC1）解释了30.5%的多元方差，主要载荷变量为树密度（+0.65）、灌溉量（+0.72）、年均温（+0.68）、海拔（?0.71）、坡度（?0.63）、种植年限（?0.64）和年均降水量（?0.68），清晰构成一条从寒冷高海拔、成熟、低投入的传统果园到温暖、灌溉、高密度、年轻化的集约化果园的连续梯度。PC2（18.9%）主要由干旱度（?0.87）和LPI（?0.72）载荷，代表残余的气候-景观对比。线性判别分析（LDA）中，第一典型函数（CD1）解释了91.7%的典型方差，典型相关系数为0.91，是唯一显著的分离轴（Wilks' Λ = 0.127, χ2 = 51.5, df = 22, p < 0.001）。CD1的结构相关性排序为TREEDENSITY（+0.88）、AGE（?0.61）、SIZE（+0.46）、IRRIGATION（+0.46）和MAP（?0.35）。三个管理组的质心在CD1上分别为高密度+3.2、常规?0.83和有机?1.6。当排除TREEDENSITY和IRRIGATION这两个操作上同义反复的变量后，多元分离崩溃（Λ = 0.481, p = 0.39），留一法交叉验证分类准确率降至36%（随机水平33%）。双因素PERMANOVA确认了相同模式：集约化解释了11.9%的多元方差（pseudo-F = 4.33, p = 0.0007），管理解释了5.4%（pseudo-F = 1.96, p = 0.069，不显著），交互作用可忽略（R2 = 3.2%, p = 0.30）。即使排除树密度和灌溉变量，集约化仍保持显著（R2 = 8.0%, p = 0.013–0.015），而管理则不显著（p > 0.15）。数据集因此支持集约化作为稳健的多元轴线，而有机与非有机管理在剩余生物物理和土壤气候梯度上不可多元分离。
**3.4 土壤有机碳储量**
在储量水平（Mg C ha
?1），三个管理类别的排序仍保持（均值：有机41.8，常规37.8，高密度31.7），但果园水平无显著单变量差异（Kruskal–Wallis H = 2.46, p = 0.29）。按2×2因子设计重组数据后，同一效应沿集约化梯度显现而非有机与非有机管理间的对比。传统果园（≤200株 ha
?1）平均SOC储量为39.7 Mg C ha
?1，集约化果园（>200株）为32.6 Mg C ha
?1，在每个集约化水平内，有机与非有机之间约4 Mg C ha
?1的小差异在该样本量下未达到显著。PERMANOVA全模型分解确认携带信号的是集约化而非有机管理轴。
**3.5 SOC饱和状态：SOC_max与饱和亏缺**
按Six et al.（2024）框架估算的33个果园SOC_max均值为101.7 Mg C ha
?1（范围32.4–158.7），饱和水平（SOC_current/SOC_max × 100）平均为41%（范围14%–98%）。平均饱和亏缺绝对值为64.1 Mg C ha
?1，占饱和限值的58.9%，表明研究的大多数地中海橄榄园运营水平远低于其质地碳储存容量。不同管理类型的饱和亏缺方向与碳饱和理论预测一致：高密度果园平均亏缺最大（74.5 Mg C ha
?1，为容量的67.5%），常规居中（69.2 Mg C ha
?1，60.6%），有机果园最接近其质地饱和（51.3 Mg C ha
?1，50.7%）；对应饱和水平为有机49.3%、常规39.4%、高密度32.5%。管理组间差异未达显著（Kruskal-Wallis检验H = 3.32, p = 0.19），反映每组n = 9–12的有限样本量和组内质地与容重的广泛变异性。沿连续集约化轴（PC1），SOC_max呈显著负相关（Pearson r = ?0.36, p = 0.04；Spearman ρ = ?0.40, p = 0.02），表明集约化程度更高的果园倾向于占据质地饱和能力较低的土壤。经质地归一化后（饱和亏缺%），与PC1的关系消失（r = 0.002），提示集约化对绝对SOC储量的影响部分由集约化橄榄园所处的质地背景介导。
**3.6 土壤气候和土壤性质驱动因子**
在所有管理组中，海拔是最一致的重要土壤气候预测因子，与SOC储量呈强正相关。树密度在所有组中与SOC呈负相关，符合上述多元集约化效应。在土壤性质方面，氮、磷和黏粒含量是主要驱动因子，但在不同管理组中符号不同：有机果园中磷和黏粒正向预测SOC；常规果园中氮和磷与SOC呈负相关，可能反映合成投入引起的养分失衡；高密度果园中黏粒和氮与SOC呈强正相关。鉴于每管理组n = 9–12的样本量，这些对比应被视为对上述统一多元分析的探索性补充。
**四、讨论与结论**
本研究通过多元分析得出统一实证结论：该数据集中地中海橄榄园属性的变异性沿单一主导集约化梯度组织（PC1：30.5%方差；LDA CD1：91.7%典型方差，典型相关系数0.91，p < 0.001），原有三类别方案（常规、有机、高密度）在很大程度上是该梯度在分类标签上的重新投影。高密度组沿PC1/CD1清晰分离，而常规组和有机组在多元质心和置信椭圆上大量重叠。当排除操作上定义高密度类别的变量（树密度、灌溉）后，LDA分离崩溃（Wilks' Λ从0.127升至0.481；p从<0.001降至0.39），确认残余生物物理和土壤气候变量无法区分有机与常规管理。PERMANOVA分解同样明确：集约化解释了11.9%的多元方差（p < 0.001），有机管理解释了5.4%（p = 0.069，不显著），交互作用可忽略（p = 0.30）。集约化效应在排除同义反复变量后仍然稳健（R2 = 8%, p≈0.015），而有机管理效应则不具备此稳健性。因此，研究人员将集约化梯度重新确立为结构主轴，农艺管理作为较弱的次要调节因素。
应用Six et al.（2024）饱和框架于33个果园子集的结果显示，地中海橄榄园土壤平均运营于其质地SOC饱和容量的41%，平均饱和亏缺为64 Mg C ha
?1（占SOC_max的59%）。这是一个显著的差距，在果园尺度上量化了这些土壤在接近质地平衡之前理论上可额外积累的碳量。样本中33个果园中的30个低于60%饱和水平，只有质地最细的有机果园接近或超过质地上限，这与碳饱和假说一致，即黏粒+粉粒含量较高的土壤维持更高的稳定SOC库（Hassink 1997; Six et al. 2002, 2024）。饱和亏缺沿集约化轴的变化方向与碳饱和理论和土壤保护文献预测一致：有机果园亏缺均值为51%，常规为61%，高密度为67%。尽管各管理组间差异在n = 9–12的样本量下未达显著，但一致的排序支持管理选择对缩小碳差距的操作相关性。区域平均饱和水平41%与全球趋势一致，即大面积农业用地运营水平远低于其矿物学容量（Georgiou et al. 2022），也与Breure et al.（2025）的欧洲评估相符，该评估确定欧盟4300万至8300万公顷农业土壤相对于其有效MAOC容量存在SOC水平高风险。地中海木本作物在推荐实践下的固碳速率（1.1–5.3 t C ha
?1 yr
?1；Vicente-Vicente et al. 2016）表明，弥补本研究所观察到的64 Mg C ha
?1亏缺需要持续数十年的管理调整，与饱和理论预测的向新平衡缓慢推进一致（Nieto et al. 2010）。
连续分析中呈现的一个细微之处使单纯的“管理抑制SOC”解读复杂化。沿集约化轴（PC1），SOC_max本身呈显著负相关（r = ?0.36, p = 0.04），表明样本中集约化程度更高的果园倾向于占据内在质地饱和能力较低的土壤。经质地容量归一化后，饱和亏缺（%）与PC1无相关（r = 0.002），提示集约化对绝对SOC储量的影响部分由集约化橄榄园所处的质地背景介导，而非沿梯度对SOC的直接连续抑制。要分离纯管理效应与质地混杂效应，需要更大规模和质地更均衡的采样设计，例如在同一土壤类型上直接比较集约化与传统果园的配对地点设计。
本研究的局限性包括：第一，超集约化（树篱式）橄榄园系统（1000–2000株 ha
?1）未包含在样本中（最大树密度为800株 ha
?1），意味着集约化轴未覆盖完整范围，结论仅适用于密度至800株 ha
?1的果园。第二，SOC饱和分析基于n = 33个果园（经容重和粗碎片数据质量控制后），限制了管理分层对比的统计功效（每组n = 9–12）。第三，SOC储量仅计算0–20 cm层，未系统采样更深层土壤，无法量化地下碳动态或深层碳迁移。第四，饱和框架本身仍是争论议题，Begill et al.（2023）在温带农业土壤中未发现MAOC的可检测上限，因此SOC_max应被视为质地归一化的参考容量而非碳储存的绝对上限。
尽管如此，本研究仍为管理政策提供两点启示：第一，大多数果园存在显著的饱和亏缺（平均为SOC_max的59%），表明在更注重保护的实践下，包括有机改良剂、地表覆盖作物、修剪残体覆盖和减少耕作，这些土壤仍有充足的物理化学容量积累额外碳。第二，由于集约化梯度而非有机/非有机二分法是当前地中海橄榄园属性变化的主导轴，旨在提升土壤碳储存的政策工具应共同针对集约化实践及其土壤气候背景，而非仅依赖常规/有机认证二分法作为土壤保护结果的替代指标。
研究结论部分总结：本研究围绕两个互补轴重新构建了地中海橄榄园土壤碳储存评估：连续集约化梯度和相对于质地碳储存上限的饱和亏缺。果园属性的多元结构由集约化而非常规/有机二分法主导，所检查的39个果园的绝对SOC储量平均为其质地饱和容量的41%，平均饱和亏缺为64 Mg C ha
?1。饱和亏缺沿集约化梯度增加的方向与碳饱和理论预测一致，尽管各组间对比在现有样本量下未达显著。集约化下SOC储量表观降低的部分由质地背景介导——集约化果园倾向于占据黏粒+粉粒含量较低、质地饱和容量较低的土壤——这突出了采用配对地点或更大规模设计以分离纯管理效应与土壤混杂因素的必要性。样本中缺乏超集约化（树篱式）系统被认定为主要局限。总体而言，研究结果表明地中海橄榄园土壤保留了大量未实现的SOC积累潜力，旨在增强土壤气候减缓的政策和管理工具应针对集约化梯度及其土壤气候背景，而非仅依赖分类管理标签。
