《Agriculture》：Does Small-Scale Spatial Heterogeneity Influence Carbon Dioxide Emissions from Agricultural Sandy Soil? A Case Study
编辑推荐：
土壤中碳的固存与释放是农业生产研究的关键方面，涉及众多小区域试验和建模过程。土壤性质的小尺度异质性可能影响测得的二氧化碳（CO?）通量。本研究旨在（1）比较采用相同农业管理措施的相邻两块砂质土壤地块的CO?排放量；（2）识别影响土壤CO?排放的关键因素；（3）
土壤中碳的固存与释放是农业生产研究的关键方面，涉及众多小区域试验和建模过程。土壤性质的小尺度异质性可能影响测得的二氧化碳（CO?）通量。本研究旨在（1）比较采用相同农业管理措施的相邻两块砂质土壤地块的CO?排放量；（2）识别影响土壤CO?排放的关键因素；（3）考察土壤水分含量（SWC）和土壤温度（Ts）对结果的影响。研究选取了两块相距约30 m、腐殖质层深度和含量不同的地块进行调查，对SWC和Ts进行了连续监测，并使用便携式设备测定CO?排放、穿透阻力（PR）和植被覆盖度。A地块的腐殖质层比B地块厚55 cm，0–30 cm和30–90 cm土层的土壤有机碳（SOC）含量分别高出18%和163%。A地块的植被覆盖度几乎是B地块的两倍，平均土壤CO?排放量比B地块高出36%。SWC呈现相反趋势，B地块在表层和最深土层的SWC分别比A地块高9.7%和17.7%。这些发现强调了在参数化或解释生物地球化学模型时纳入小尺度空间异质性的重要性，特别是当模型输入基于特定地点的有限土壤测定数据时。
**论文解读：小尺度空间异质性对农业砂质土壤CO?排放的影响——基于匈牙利?rbottyán地区相邻地块的对比研究**
**1. 研究背景与科学问题**
土壤是地球上最大的陆地碳库，土壤呼吸是生态系统呼吸的重要组成部分，土壤CO?排放对全球碳循环具有关键作用。工业革命以来，大气CO?浓度已从280 ppm持续上升至410 ppm，主要归因于人类活动的加剧。土壤CO?排放主要来源于植物根系及其相关菌根共生体的自养呼吸，以及由微生物活动和有机质分解驱动的异养呼吸。大量研究已证实，土壤水分含量和土壤温度是控制土壤CO?排放的主要环境因子，二者与CO?排放之间存在非线性关系。此外，土壤有机质（SOM）、土壤紧实度、pH和植被覆盖密度也是影响土壤CO?排放的关键参数。
然而，土壤CO?排放受众多相互作用因素的影响，这些因素在时间和空间上均表现出变异性，且常常在小尺度上呈现显著的空间异质性。许多小区域试验往往忽视这种小尺度异质性，同一处理在该尺度下的数据有限。此外，单个土壤性质通常由地块水平的混合样品测定，这可能掩盖小尺度的空间异质性。在预测建模过程中，模型通常假设基于点源数据的均质输入参数，但模型结果是基于面积的，至少上推到田间尺度，这种不匹配会引入不确定性。即使在表面看似均质、经过多年相同土地管理的地块，关键土壤性质也可能存在变异性，导致功能上不同的土壤状态。这种变异性在实验设计或数据解释中很少被考虑，可能导致对土壤CO?排放和土壤水分含量的估计产生偏差，降低上推方法和基于模型的预测在样地或区域尺度上的可靠性。因此，评估自然小尺度空间异质性在可比条件下对土壤CO?排放和SWC的影响具有重要的科学意义。该研究发表于《Agriculture》期刊。
**2. 研究目标与实验设计**
本研究的主要目标是评估在可比条件下自然小尺度空间异质性对土壤CO?排放和SWC的影响，通过比较腐殖质深度和SOC含量不同的两块样地来实现。研究地点位于匈牙利HUN-REN农业研究中心土壤科学研究所的?rbottyán试验站（47°40′22.6″ N; 19°14′56.2″ E），土壤类型为腐殖质砂土（Calcaric Arenosol）。根据K?ppen–Geiger气候分类，该地区属于Cfb气候类型，长期年平均降水量为560 mm，但研究年份极为干燥，总降雨量仅247 mm，其中5月至10月生长季降雨量为109 mm。2024年秋季建立了0.7 ha的研究区域，用于长期再生农业试验。2025年4月，划分了36个净面积为108 m2的样地。由于样地间腐殖质层厚度存在明显差异，选取了相距约30 m、腐殖质深度和含量不同的两个样地（A和B）进行进一步分析。研究的主要目标包括：（1）比较多年来采用相同农业管理措施的相邻地块间的土壤CO?排放；（2）识别该特定案例中影响土壤CO?排放的关键因素；（3）考察传统控制参数（如SWC和Ts）对结果的影响。基于研究初期进行的综合调查，研究人员提出了三个假设：（1）小尺度土壤异质性导致碳通量强度的显著差异；（2）土壤温度和水分含量并非总是土壤CO?排放的主要驱动因子；（3）植被覆盖程度可以影响这些主要环境因子的效应。
**3. 主要关键技术与方法**
研究人员在A和B两个样地安装了Teros 12土壤探头（Meter Group）和ZL6数据记录器，以10分钟间隔连续监测5–10 cm、15–20 cm和30–35 cm三个深度的SWC（m3 m?3）和Ts（°C），数据按日平均。土壤CO?排放测量使用便携式红外气体分析仪（EGM5；PP Systems），每块样地设置7个土壤环，于5月至10月期间通常每周一次在上午9–11时进行测量（每次采样时间2分钟），CO?通量以g m?2 h?1表示。土壤穿透阻力（PR）使用Eijkelkamp penetrologger（Royal Eijkelkamp Co. Ltd.）在每块样地随机选取20个点测定，插入深度至22 cm，分辨率为1 cm。植被覆盖度使用Canopy Cover智能手机应用程序非破坏性评估，在每块样地沿代表性对角线记录5个空间重复的垂直向下冠层照片。土壤样品按深度分层（0–30 cm、30–60 cm、60–90 cm）采集；分别在研究期初和期末从两块样地0–30 cm表层采集额外样品以测定腐殖质含量和pH；使用Zimmermann方法测定0–10 cm深度的颗粒有机物（POM）含量；SOC含量采用匈牙利标准（MSZ-08-0210-2:1977 2.1.6.）规定的重铬酸钾-硫酸消化后以0.2 N Mohr盐滴定测定，腐殖质含量使用van Bemmelen转换系数估算。研究期末采集5个重复的原状土样测定容重和土壤水分保持（pF）曲线。统计分析使用R 4.5.3版本，包括Shapiro–Wilk检验、Mann–Whitney检验、两样本t检验、Hedges' g效应量、基于10,000次随机重排的非参数置换检验（p值经Benjamini–Hochberg方法校正）等。数据可视化在Excel和R中使用ggplot2包完成。
**4. 研究结果**
**4.1 土壤温度与水分状况**
研究期间（5月至10月），两块样地在最初两个月内SWC在三个深度均呈现相似趋势，降雨事件的影响在两块样地间具有可比性。然而，在5–10 cm表层出现显著差异：A地块在此期间经历更快速和更严重的干燥。7月中旬开始的长期干旱后，两块样地的水分趋势出现分歧——A地块表层在短期内记录了较高的SWC值，而深层对降水响应极小；相比之下，B地块深层受降水影响的SWC增加更为显著。土壤温度方面，两块样地间未检测到显著差异。A地块表层平均SWC（8.15 ± 2.25%）显著低于B地块（8.99 ± 1.82%）；在15–20 cm深度，A地块平均SWC略高（9.20 ± 2.09%对比9.04 ± 2.40%）；在30–35 cm最深土层，B地块SWC（10.50 ± 2.47%）显著高于A地块（9.03 ± 1.79%）。
**4.2 CO?排放趋势**
整个监测期间，A地块的CO?排放始终高于B地块，标准化效应量较大（Hedges' g = 0.91，CI: 0.59–1.22）。尽管A地块在每个测量日均比B地块排放更多CO?，但非参数置换检验显示，仅在12个测量日中的5天存在统计学显著差异，这些显著差异出现在研究期初和期末；6月至9月初期间，日平均CO?排放量无显著差异。变异系数（CV）表明B地块的CO?排放数据变异性更高——B地块每次测量的CV值均高于20%，而A地块在近一半的测量点显示低变异性。根据收集的数据估算，研究期间A地块的累积碳排放量约为197 g C m?2，比B地块（131 g C m?2）高出约50%。
**4.3 A和B地块土壤性质的差异**
对0–1 m土壤钻探的目视评估显示，A和B地块腐殖质层厚度存在显著差异：B地块腐殖质层在35 cm深度结束，而A地块达到90 cm深度。在0–30 cm深度，A地块平均SOC含量为0.38%，B地块为0.32%（p < 0.05）；在30–90 cm整个深度范围内，A和B地块的SOC含量平均值分别为0.29%和0.11%，存在显著差异。A地块的POM含量是B地块的两倍以上。PR测量显示，在2–11 cm深度范围内，B地块的土壤紧实度显著高于A地块，该土层含有作物根系的很大一部分。13 cm深度以下，PR急剧增加，达到3 MPa，显著抑制根系生长。研究期末的相机调查显示，A地块的植被覆盖度（14.4 ± 3.3%）显著高于B地块（7.4 ± 3.1%）。
**5. 讨论与结论**
讨论部分指出，研究结果支持了研究初期建立的全部三个假设，尽管支持程度不同。首先，尽管A和B地块距离较近，具有相同的土壤类型和长期管理实践，但它们在多项土壤物理和化学特性上表现出显著差异，这导致土壤CO?排放的显著差异，证实了小尺度土壤异质性可以导致碳通量强度的变化。其次，虽然Ts和SWC均对土壤呼吸有明确影响，但在本研究中，二者并不能解释地块间的差异——尽管B地块的SWC持续较高，但其CO?排放显著低于A地块。相反，较高的CO?排放与较高的SOC含量、更深的腐殖质层和更高的植被覆盖度相关。B地块较高的土壤紧实度可能通过限制气体扩散和微生物呼吸而抑制CO?排放。第三，A地块较高的植被覆盖度可能通过蒸腾作用加速土壤干燥，导致SWC降低；同时，较高的地下生物量和根系呼吸也可能促进CO?排放。研究表明，土壤CO?排放受物理、化学和生物土壤性质之间复杂相互作用的影响，即使在小尺度空间范围内，SWC、SOC含量、植被覆盖度和土壤紧实度的显著变异性也可导致CO?排放强度的显著差异。
研究结论部分指出，本研究揭示了在统一管理的耕地中，土壤水分动态、腐殖质和SOC含量、土壤结构、覆盖作物丰富度以及CO?排放速率均存在小尺度空间异质性。与B地块相比，A地块在采样期间持续表现出更高的CO?通量，这一现象无法仅由短期土壤水分变化完全解释。相反，结果表明土壤紧实度、SOC含量和覆盖作物生产力的差异可能也对CO?排放的观测差异有所贡献。这些发现强调了在建立保护性农业试验时评估样地或田间尺度土壤异质性的潜在重要性，因为未被识别的变异性可能影响处理效应的解释。研究结果还表明，在田间条件下，尤其当土壤性质和植被存在显著异质性时，仅靠SWC可能无法充分解释CO?排放的空间差异。然而，仍需要具有更好空间覆盖率和更密集采样的进一步研究来证实这些发现，并更好地理解土壤物理、化学和生物性质对CO?排放的综合影响。这些观察结果突显了土壤CO?排放上推过程中的一个潜在不确定性来源，因为在近距离采样区域之间观察到了显著差异。
