高海拔草甸穿透深厚积雪层土壤采样新方法

《Applied Soil Ecology》:A simple and cost-effective method for soil sampling through substantial snowpack in alpine grasslands

【字体: 大 中 小 】 时间:2026年09月25日 来源:Applied Soil Ecology 5.6

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   •高海拔生态系统冬季土壤采样因恶劣条件而受到限制•我们开发了一种简单且经济有效的方法,可在高海拔草甸中穿透深厚积雪层采样土壤,而无需使土壤暴露于霜冻中•该方法为监测冬季通行受限生态系统的土壤健康提供了机会大多数高海拔生态系统被积雪覆盖长达八个月,若是雪坑甚至可达十个月。连续的

  
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    高海拔生态系统冬季土壤采样因恶劣条件而受到限制
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    我们开发了一种简单且经济有效的方法,可在高海拔草甸中穿透深厚积雪层采样土壤,而无需使土壤暴露于霜冻中
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    该方法为监测冬季通行受限生态系统的土壤健康提供了机会
大多数高海拔生态系统被积雪覆盖长达八个月,若是雪坑甚至可达十个月。连续的积雪层增加了反照率并起到有效的隔热作用,因此保持土壤不冻结,允许地下活动(Aanderud et al., 2013;Edwards et al., 2007),尤其是在气温为零下且风力极强的时期。追踪适应寒冷的生态系统对气候变化的响应至关重要,因为它们是最受影响的地区之一(Hock and Rasul, 2019)。由于冬季是一个关键时期,此前已做出努力在冬季进行土壤采样,以更好地了解生态系统功能,例如研究土壤微生物群落组成和生物量、酶活性或土壤呼吸在广泛处理条件下的表现(Gavazov et al., 2017;Lazzaro et al., 2015;Rindt et al., 2023;Tan et al., 2014)。然而,在许多情况下,迄今为止使用的方法(大多数情况下通过移除积雪层到达土壤)是次优的,因为:(1)它们可能因土壤暴露于冷冻大气温度而引起霜冻,即使在温度明显较低时进行快速采样也是如此;(2)对植被的识别有限可能导致采样偏差(例如在不需要的植物物种上采样),特别是在铲雪破坏植被的情况下;(3)踩踏和压实最上层土壤,特别是在积雪覆盖较薄的情况下,可能会改变土壤水分和养分循环(例如更高的反硝化速率(Broadbent et al., 2024));(4)在实际操作中物理实施困难。因此,关注生态系统功能的研究不成比例地集中在短暂的无雪季节,而在积雪覆盖期间的采样往往偏向于其末期。
为了应对这一挑战并缓解目前季节采样的不平衡,我们开发了一种易于实施且经济有效的穿越深厚积雪层进行土壤采样的方法。我们利用瑞士中部阿尔卑斯山脉海拔2500米处(46°33′47″N, 8°23′28″E)一片略微倾斜(约10°)的高海拔草甸上正在进行的长期田间实验来测试该方法,该实验位于酸性部分灰化潜育土上。简而言之,实验性地提前或延迟积雪融化(通过将积雪层手动减少至50厘米或增加至1.30米),并结合5周或10周的夏季干旱(通过雨棚诱导),以评估未来气候下高海拔草甸的功能(更多信息见M?hl et al., 2023)。每种处理组合在2 × 2.5米的样方中重复5次(3 × 3因子设计,共45个样方)。
我们3D打印了直径15毫米、总长175毫米的不锈钢土芯(JLCPCB,中国香港),分为两个隔室:一个长62.5毫米的部分插入土壤中(因此采样深度约为62毫米),另一个长112.5毫米的部分延伸到植被上方,其中50毫米插入一根100厘米长的PVC管(外径20毫米),并用螺钉和螺母固定。两个隔室的侧面都是开放的,以防止植物受到光照或风力移除的影响,并允许根系生长(图1)。在冬季之前,2025年10月2日,我们在每个样方中安装了四个土芯,确保它们位于我们关注的植物物种附近。我们将塑料管牢固地固定在之前设置在界定样方的杆子之间(约120厘米处)的绳索上,使用扎带穿过PVC管上预先钻好的孔进行固定(视频1;图1)。安装后,我们在ALPFOR气象站(距离3公里)记录到了超过150公里/小时的强风速,PVC管暴露在其中。随后不久降雪,管子被部分或完全覆盖直到采样时(图S1)。现场记录的最低气温为?23.1°C,发生在2026年1月7日。采样于2026年5月19日和20日进行,当时平均积雪高度为130厘米,范围从60到170厘米。尽管积雪运动(即雪滑和风)导致一些杆子和PVC管倾斜,但土芯在整个冬季期间未受影响,并在轻轻旋转以促进取出和防止土壤流失后,轻松穿过了积雪层(视频2)。每个样方采集四个土芯,获得约30克新鲜土壤。
我们设计了由JLCPCB公司3D打印的土芯。每个土芯的成本约为8欧元,重量为30克。四人小组足以在一天内安装180个土芯(45个样方,每个样方4个土芯),采样由两人在两天内完成,但这也可能减少到一天,因为后者还进行了其他活动。采样系统最初是为分子分析设计的(需要约2克),因此土芯设计得相对较小,以尽量减少对实验样方的干扰。然而,我们鼓励研究人员根据具体要求调整尺寸,例如采样更深的土壤层或更大的体积。对于更大的体积,我们建议在整个样方中安装多个土芯,而不是单个较大的土芯,以提高空间代表性。此外,较大的土芯可能难以取出,会对样方造成更大的破坏,并且土芯可能会因土壤重量而弯曲。管长应根据所关注地点观察到的典型积雪厚度进行调整。在此处,杆子和PVC管被积雪(>2米)完全覆盖超过两个月,没有任何负面影响(图S1)。我们选择外径20毫米的PVC管,因其价格低廉(约1–2欧元)且重量轻(约110克),能够承受通常被认为是恶劣的条件。该方法可能会受到土壤采样固有的实际限制(例如暴露于食草动物或人为破坏),并且可能不适用于坡度更陡或土壤较浅的生态系统,在这些生态系统中,管子和杆子可能无法保持原位。
穿透深厚积雪层进行土壤采样具有挑战性,但对于更好地了解高海拔生态系统在漫长冬季期间的功能至关重要。虽然对土壤采样技术标准化的呼声日益增加(Sciurba et al., 2026),但富雪环境中的采样方法往往滞后。我们在此介绍一种新方法,该方法能够精确选择采样地点,从而减少与能见度有限相关的潜在偏差,同时避免对土壤的人为影响(霜冻和压实)。该方法为未来研究提供了机会:例如,通过将土芯直接放置在感兴趣的植物个体周围,研究植物地下器官的生理学,或监测冬季的土壤化学参数。事实上,通过在附近安装多个土芯,我们可以减少土壤中通常很高的空间异质性。该方法可扩展到其他季节性土壤访问困难的生态系统(例如湿地),而无需额外基础设施或能源来源,使其甚至可用于偏远地区。
图1
  1. 下载:高分辨率图片 (904KB)
  2. 下载:原尺寸图片

图1. 2025年10月2日冬季前安装的照片(a)和2026年5月19日采样前即刻的照片(b),以及土壤采样方法的设置(c):土芯的下部(62.5毫米)插入土壤中,上部(112.5毫米)用于连接到100厘米长的塑料管上。

CRediT作者贡献声明

Coline Le Noir de Carlan:撰写—初稿、方法学、调查研究。Erika Hiltbrunner:撰写—审阅与编辑、监督、方法学、调查研究、经费获取、概念构思。
Coline Le Noir de Carlan|Erika Hiltbrunner
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