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原名：The soil health assessment protocol and evaluation applied to soilorganic carbon  

譯名：土壤健康評(píng)價(jià)方案及其在土壤有機(jī)碳評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

原文地址：https://doi.org/10.1002/saj2.20244

發(fā)表期刊：Soil Science Society of America Journal

發(fā)表年份：2021年

通訊作者：Márcio R. Nunes

通訊作者單位：USDA-ARS，國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，農(nóng)業(yè)與環(huán)境專業(yè)

①土壤健康(SH)指標(biāo)對(duì)土地利用和管理的響應(yīng)是因地制宜的。

②土壤健康評(píng)價(jià)協(xié)議(SHAPE)是一種靈活的評(píng)價(jià)工具。

③SHAPE以SMAF和現(xiàn)金協(xié)議建立的概念框架為基礎(chǔ)。

④SHAPE為土壤同儕群體提供了基于土壤和氣候因素的SH解釋。

⑤這一工具提供了有關(guān)土壤狀況的知識(shí)，以響應(yīng)農(nóng)業(yè)實(shí)踐。

①數(shù)據(jù)集

        一個(gè)由來自美國(guó)各地的14,680個(gè)SOC觀測(cè)數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)集來自三個(gè)來源：(A)公布的供美國(guó)各地研究的數(shù)據(jù)；(B)2014年至2018年期間康奈爾土壤健康測(cè)試實(shí)驗(yàn)室分析的現(xiàn)金數(shù)據(jù)樣本；(C)NRCS數(shù)據(jù)來自東北林肯的NRCS Kellogg土壤調(diào)查實(shí)驗(yàn)室分析的樣本。

②土壤和氣候變量

       站點(diǎn)特定的變量是根據(jù)環(huán)境覆蓋的位置(緯度和經(jīng)度)獲得的。利用網(wǎng)格土壤調(diào)查地理數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)土壤變量進(jìn)行分配。氣候變量來自美國(guó)地質(zhì)勘探局，或直接從文章(特別是為已發(fā)表的數(shù)據(jù)集)或通過計(jì)算(AI和WI)提供。在每個(gè)給定的位置提取優(yōu)勢(shì)地圖單元的土壤調(diào)查信息?？傊罱K數(shù)據(jù)庫(kù)(所有三個(gè)數(shù)據(jù)集合并)由9個(gè)固有變量(5個(gè)定量變量和4個(gè)類別)組成，SOC作為目標(biāo)響應(yīng)變量。

③數(shù)據(jù)分析

         探索了多種技術(shù)來選擇最佳的氣候變量作為評(píng)分工具的開發(fā)工具。采用探索性數(shù)據(jù)分析相結(jié)合的方法，對(duì)模型中包含的初始變量進(jìn)行了選擇。R包的最佳子集回歸用于確定最佳氣候預(yù)測(cè)變量，其中只有5個(gè)被認(rèn)為是全模型中的SOC預(yù)測(cè)因子。還使用隨機(jī)森林模型和逐步回歸來識(shí)別變量的重要性。這兩種技術(shù)產(chǎn)生了相似的結(jié)果。變量的最終選擇被納入了SHAPE，在那里更正式地評(píng)估了擬合的優(yōu)度?？傊剿餍詳?shù)據(jù)分析和專題專門知識(shí)僅用于模型開發(fā)的初始階段。

①SOC對(duì)SMAF氣候和土壤亞類的響應(yīng)

       SMAF-SOC評(píng)分曲線法假定內(nèi)在SOC含量從粗(T1)增加到細(xì)(T5)質(zhì)地類。同樣，假定SOM從質(zhì)地級(jí)T1增加到T3。這些總體趨勢(shì)已在新的合并數(shù)據(jù)集中得到確認(rèn)；因此，五個(gè)原始的SMAF質(zhì)地類被用于SHAPE-SOC評(píng)分曲線的開發(fā)。同樣地，使用了原始的smaf土壤分類亞序因子，該因子由四類組成。SMAF程序假定土壤中有機(jī)碳濃度從土壤亞類S4增加到S1。組合數(shù)據(jù)集部分支持這一假設(shè)，該數(shù)據(jù)集顯示SOC值遵循S4=S3<S2<S1的順序。這可能導(dǎo)致一些SMAF評(píng)估觀察到的SOC評(píng)分被低估或高估。為了改進(jìn)SHAPE，將子順序分組重新分配為五個(gè)類。它們現(xiàn)在顯示出內(nèi)在的表土SOC值從S5增加到S1，綜合數(shù)據(jù)集證實(shí)了這一點(diǎn)。

②最終SOC評(píng)分曲線

        評(píng)分曲線附有95%的點(diǎn)態(tài)可信區(qū)間，以表示這些估計(jì)值的不確定性程度。每個(gè)圖中的垂直條形圖表示土壤有機(jī)碳濃度為2%，以說明土壤亞序和氣候的綜合影響。水平條表示基于模型的等效SOC分?jǐn)?shù)。經(jīng)過檢驗(yàn)，很明顯，對(duì)于相同的SOC濃度(2%)，分?jǐn)?shù)通常會(huì)從細(xì)質(zhì)土壤(T5)增加到粗質(zhì)土壤(T1)。這證實(shí)了新的評(píng)分曲線對(duì)土壤質(zhì)地是敏感的，這是影響表土SOC含量的主要內(nèi)在因素。同時(shí)，通過對(duì)同一質(zhì)地和氣候組合中不同土壤亞類土壤有機(jī)碳濃度(2%)的比較表明，在相同的土壤有機(jī)碳濃度值(2%)下，土壤有機(jī)碳濃度從最低的S5降至S2(最高內(nèi)在有機(jī)碳濃度)。這些分?jǐn)?shù)的變化反映了土壤分類(亞類)對(duì)表土SOC含量的顯著影響。結(jié)果表明，相同SOC值的得分從高到低、從低到高依次下降。同樣，這些變化也反映了氣候?qū)Ρ硗劣袡C(jī)碳含量的強(qiáng)烈影響。

③對(duì)管理的敏感性

        SMAF的土壤分類和對(duì)主要是農(nóng)業(yè)土壤的小型數(shù)據(jù)集的依賴，很可能解釋了這一差異以及其他研究中確定的高估問題。例如，除NY、T1沙質(zhì)案例研究外，SOC的SMAF評(píng)分表明，在20多年的密集耕作和單作條件下，土壤具有較高的功能(分?jǐn)?shù)>0.81)。相比之下，SHAPE表明，對(duì)于給定的一組內(nèi)在條件(土壤分類、土壤質(zhì)地、MAT和MAP)，SOC濃度可能要高得多。因此，根據(jù)土壤的SHAPE評(píng)分，我們可以得出結(jié)論，這四種土壤中的有機(jī)碳濃度隨著土地利用和管理的不同而有所提高。提供這些例子只是為了說明新的SHAPE曲線的效用，并邀請(qǐng)今后的研究使用這個(gè)框架來評(píng)估土地利用和管理對(duì)SOC的影響。

       為開發(fā)一種新的土壤健康評(píng)價(jià)解釋工具(SHAPE)，開發(fā)了一個(gè)穩(wěn)健、有原則的貝葉斯統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)，并利用新的土壤有機(jī)C(SOC)評(píng)分曲線進(jìn)行了說明。這些曲線是使用一個(gè)全面的全國(guó)性數(shù)據(jù)集和14 505個(gè)SOC觀測(cè)結(jié)果建立的。SHAPE以SMAF和健康卡協(xié)議建立的概念框架為基礎(chǔ)。對(duì)一組土壤和氣候變量進(jìn)行了評(píng)估，以說明確定美國(guó)大陸土壤特定土壤有機(jī)碳潛力的內(nèi)在因素。貝葉斯線性回歸模型根據(jù)土壤分類因素(土壤亞序和質(zhì)地類別)的組合，對(duì)連續(xù)氣候變量進(jìn)行調(diào)整，提供了一個(gè)基于估計(jì)條件的土壤同伴群體的得分。重新分析已發(fā)表的案例研究，證實(shí)了對(duì)土地利用和實(shí)地規(guī)模管理的敏感性。預(yù)計(jì)今后的SHAPE發(fā)展將產(chǎn)生多個(gè)土壤健康指標(biāo)的評(píng)分曲線，特別是在綜合數(shù)據(jù)集繼續(xù)增長(zhǎng)的情況下。SHAPE的全面發(fā)展將有助于滿足日益增長(zhǎng)的需求，使人們能夠利用、解釋和量化評(píng)分曲線，根據(jù)各種農(nóng)藝和養(yǎng)護(hù)倡議，提供有關(guān)土壤狀況的區(qū)域相關(guān)知識(shí)。