《Soil Security》：Gas Diffusivity in Peat Soils Across Denmark is Controlled by Soil-Water Characteristics and Effective Porosity
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摘要翻译：
气体扩散性（Dp/D0）是在丹麦全国范围内对完整泥炭土壤样品进行测量的。在每个基质势（pF）下，Dp/D0随充气孔隙度线性增加。Dp/D0与ε之间关系的斜率（孔隙连通性，P）与pF呈极佳的相关性。研究人员利用有效孔隙度（pF 3时的ε）和P建立了预
摘要翻译：
气体扩散性（Dp/D0）是在丹麦全国范围内对完整泥炭土壤样品进行测量的。在每个基质势（pF）下，Dp/D0随充气孔隙度线性增加。Dp/D0与ε之间关系的斜率（孔隙连通性，P）与pF呈极佳的相关性。研究人员利用有效孔隙度（pF 3时的ε）和P建立了预测性Dp/D0模型。该预测性Dp/D0模型已成功针对独立数据进行验证。
论文解读文章
**一、研究背景与问题的提出**
土壤生态系统服务功能涵盖粮食生产与气候调节等多个方面，其中粮食生产是核心服务之一。全球约95%的粮食供应依赖于可持续的土壤管理实践，土壤与粮食安全密切相关。随着气候变化影响的日益凸显，土壤在气候调节中的作用备受关注。土壤有机碳（SOC）是陆地生态系统中最大的碳库，而泥炭地土壤在全球碳循环中扮演着重要角色，占全球土壤有机碳总量的五分之一。泥炭土壤具有巨大的碳储存潜力，但同时也存在大量SOC以二氧化碳形式排放的风险。甲烷是仅次于二氧化碳的第二大温室气体，全球约30%的甲烷排放可归因于泥炭地和湿地地区。泥炭土壤温室气体的排放与土壤孔隙空间中的传输过程密切相关，因为许多产气过程受氧气可利用性控制。
土壤气体扩散在温室气体（如甲烷）通过土壤的传输以及氧气输运以支持植物根系和细菌群落生长方面起着关键作用。气体扩散通常被认为是土壤气相中的主要传输机制。土壤气体扩散通常以归一化气体扩散性（Dp/D0）来描述，即土壤中气体扩散系数与自由空气中特定气体扩散系数之比。气体扩散受充气孔隙空间的弯曲度和连通性控制。然而，现有的气体扩散性模型主要针对矿质农业土壤开发，新近研究表明这些模型无法准确描述不同栖息地类型（尤其是高有机质泥炭土壤）的气体扩散性。传统的“一刀切”建模方法难以满足泥炭土壤气体扩散性预测的需求，亟需开发适用于高有机质土壤的新型预测模型。
**二、研究内容与意义**
本研究旨在验证高有机质土壤与矿质土壤相比具有不同的Dp/D0控制因素和行为特征这一假设。研究团队在2021至2023年间采集了丹麦全国127个低地和泥炭地农业区域的土壤样品，仅纳入SOC > 12%的高有机质土壤。每个地点在0-20厘米深度采集3-4个原状土柱（100 cm3）及散状土样。研究通过对完整泥炭土柱在不同吸力水平（pF）下进行气体扩散性测量，探究Dp/D0的主要物理控制因素，评估现有Dp/D0模型对泥炭土壤的适用性，并开发一种简单、精确的高有机质土壤预测模型。最终对新建模型进行了初步的独立数据验证。该研究对于理解泥炭土壤中温室气体的产生、排放与吸收，以及评估土壤通气性和生产力具有重要的科学意义，研究成果发表于《Soil Security》期刊，为土壤安全评估框架中气相系统的理解提供了关键支撑。
**三、主要关键技术方法**
本研究采用了以下主要技术方法：（1）利用一室稳态法，以氧气为示踪气体，在不同基质势下测量原状土柱的气体扩散系数；（2）采用张力表和Richards压力板装置控制土壤水分基质势（-30至-1000 cm H?O）；（3）利用Campbell（1974）水分保持模型拟合土壤水分特征曲线；（4）采用干燃烧法测定总碳含量，经碳酸盐校正获得SOC；（5）运用水置换法测定颗粒密度；（6）采用三种统计指标（RMSE、NSE、AIC）系统评估模型性能；（7）利用独立国际数据集（包括格陵兰矿质土、日本泥炭土、泰国油棕地土壤及芬兰森林土壤）进行模型初步验证。研究样本来源于2021-2023年丹麦全国127个泥炭土采样点。
**四、研究结果**
**4.1 SOC对土壤-空气性质的影响**
研究对比了具有相似SOC含量（约35%）的三个泥炭土壤样品的持水特性与气体扩散行为，发现尽管SOC含量相近，三个样品展现出截然不同的水分特征曲线和Campbell b值（4.61、7.49和28.03），表明相同SOC含量可对应差异显著的土壤结构和传输性质。进一步分析显示，气体扩散性与SOC含量之间不存在一致的趋势性规律，而按基质势（水分条件）分组时则呈现出清晰的不同模式，表明水分条件对Dp/D0的影响强于SOC含量。该发现表明需要更具描述性的物理参数来表征泥炭土壤的气体传输特性。
**4.2 Buckingham弯曲度-连通性参数中的SOC依赖性**
研究发现Buckingham弯曲度-连通性参数X在本研究数据集中介于1.5至6.0之间，反映出泥炭土壤孔隙网络的弯曲度、连通性和收缩性存在显著变异。整个数据集的最佳拟合X值为2.53（RMSE = 0.027），与Weber等（2020）对格陵兰高有机质土壤提出的X=2.5接近，暗示丹麦泥炭土与格陵兰富有机质砂质土壤在孔隙网络特征方面存在一定相似性。对于SOC约35%的单个样品，其X值范围几乎覆盖了整个数据集的范围，进一步证实SOC含量本身并不决定泥炭土壤的气体扩散行为。
**4.3 气体扩散性对土壤空气含量的依赖性**
在六个不同基质势水平下，Dp/D0与ε均呈显著的线性关系，这与矿质土壤通常遵循的非线性Buckingham模型行为形成鲜明对比。Penman孔隙连通性指数P随pF增大而线性增加，在pF 3时达到最佳拟合值P=0.25，显著低于矿质土壤研究中常用的P值（0.5-0.66）。泥炭土壤需要更高的吸力才能使孔隙开放以供气体传输——在pF 2时大部分样品仍低于充分通气阈值（Dp/D0 = 0.02），直至pF 2.5时才基本开放，这表明泥炭土壤需要更干燥的条件才能实现再通气。该线性关系特征在芬兰泥炭土壤数据中也得到验证，表明这一现象具有普遍性。
**4.4 双峰孔隙网络的影响**
模型对比分析表明，基于孔径分布依赖的Buckingham-Burdine-Campbell（BBC）模型和基于有效孔隙度（ε*）修正的Water-induced Linear Reduction（WLR）模型对Dp/D0的预测精度最高。ε*依赖模型的高性能可从水阻塞机制得到解释：对于任意低于ε*的ε值，位于扩散相关孔隙内的体积含水量等于ε*-ε，由于水中的扩散系数比自由空气中低约10,000倍，即使是瓶颈处的微小水桥也能有效阻断气体扩散。研究结果支持泥炭土壤具有双峰孔隙网络系统的功能特征，当大于3-10微米的孔隙在pF 2.5-3范围内排水后，充气孔隙网络的水阻塞最小化。
**4.5 独立模型测试**
将ε*修正WLR模型、GDC模型和BBC模型应用于六种不同的国际土壤数据集进行独立验证。ε*修正WLR模型在所有测试土壤中均表现优异，包括SOC含量超出适用范围的格陵兰矿质土、不同气候带的日本泥炭土、泰国油棕地土壤以及低分解程度的芬兰森林腐殖质土壤。基于总孔隙度的GDC模型在有机质含量较高的土壤中普遍低估Dp/D0，进一步证实总孔隙度基准不适于表征有机质土壤的气体扩散性。分解程度较低的土壤（如日本亚表层泥炭土和芬兰mor层土壤）展现出更低的气体扩散性，归因于其更明显的板状结构导致更高的孔隙网络弯曲度。
**4.6 泥炭功能行为的进一步探索**
利用ε*修正WLR模型和BBC模型分析表明，泥炭土壤达到充分通气（Dp/D0 = 0.02）所需的充气孔隙度显著超过传统认为的0.10 cm3/cm3阈值，这一发现对全球温室气体预算估算具有重要意义。孔隙网络弯曲度（T）随pF 3时的充气孔隙度增加和Campbell b值减小而增大，反映了水分条件变化导致的水桥效应增强。研究还指出，反Campbell孔径分布指数（1/b）与土壤基础呼吸速率之间存在显著关联，强调了孔径分布和气体扩散性在泥炭土壤温室气体输运与归趋中的关键作用。
**4.7 研究结论与讨论总结**
研究得出以下主要结论：（1）SOC含量本身并非泥炭土壤Dp/D0的主要控制因素，在狭窄SOC区间内的Dp/D0变异几乎与整个数据集相当；（2）pF水平（代表排水孔隙尺寸级别）是Dp/D0的主要驱动因子，各pF水平下Dp/D0与ε呈准线性但不同的关系；（3）Penman孔隙连通性指数P随pF线性增加，孔隙网络弯曲度受吸力水平的直接控制；（4）常用的基于总孔隙度的预测模型（如GDC模型）无法准确预测泥炭土壤的Dp/D0；（5）基于Campbell孔径分布指数的BBC模型和仅需充气孔隙度（ε）与有效孔隙度（ε*）的ε*修正WLR模型均对泥炭土壤具有高度预测精度；（6）独立数据初步验证证实了基于土壤水分特征的模型（BBC和ε*修正WLR）的优越性和广泛适用性。研究表明泥炭土壤中Dp/D0及其与ε和pF的关系在本质上不同于矿质土壤，在应用预测性Dp/D0模型时须充分认识这一差异。该研究通过深化对土壤气相特性的理解，为强化土壤安全评估框架提供了科学依据——鉴于气相特性对温室气体排放与减排、土壤碳储量以及土壤通气性和生产力的重要控制作用，土壤气相在评估土壤安全与土壤资本中应发挥更大的作用。
