李秀芝, 胡聰月, 王德彩, 韓光中*

(1. 內(nèi)江師范學(xué)院 地理與資源科學(xué)學(xué)院, 四川 內(nèi)江 641112; 2. 河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院, 河南 鄭州 450002)

土壤是全球第三大碳庫[1],大約是大氣碳庫的3倍[2].如果全球土壤有機(jī)碳(SOC)的10%轉(zhuǎn)化為CO2,將超過30年來人類CO2的總排放量[3].這樣看來,土壤碳庫的微小變化可能會(huì)對(duì)大氣中CO2的濃度產(chǎn)生很大影響[4-5],土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量(SOCS)估算的研究也因此成為國(guó)內(nèi)外研究的焦點(diǎn).但是目前中國(guó)對(duì)土壤有機(jī)碳密度(SOCD)估算并沒有形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范.由于學(xué)者們的研究方法和角度不同,使得SOCS的估算結(jié)果存在較大差異[6-11],這也成為不同區(qū)域SOCS評(píng)估和比較的重要障礙.為提高中國(guó)SOCS的估算精度,部分學(xué)者對(duì)導(dǎo)致SOCD估算存在的不確定性因素進(jìn)行了探討[11-15].如于東升等[11]詳細(xì)分析了不同SOCD計(jì)算方法之間的差異.金峰等[12]探討了一種較為精確的SOCD計(jì)算方法.王紹強(qiáng)等[13]對(duì)實(shí)際剖面厚度與標(biāo)準(zhǔn)1 m厚度兩種方式估算結(jié)果進(jìn)行了誤差分析及不確定性討論.

一般而言,SOCD由SOC含量、礫石含量、土層厚度和土壤容重共同確定.但當(dāng)前的研究很少關(guān)注土壤容重對(duì)SOCD估算的影響.理論上,土壤容重的測(cè)定很簡(jiǎn)單(干土質(zhì)量/總體積).實(shí)際上,土壤容重多以環(huán)刀法測(cè)定[16-17],需要挖掘土壤標(biāo)準(zhǔn)剖面,在操作上費(fèi)時(shí)費(fèi)力.這也是我國(guó)大多數(shù)土壤數(shù)據(jù)庫缺失或部分缺失土壤容重?cái)?shù)據(jù)的原因之一.以全國(guó)第二次土壤普查成果資料[18-22]為例,土壤容重?cái)?shù)據(jù)信息完整度低于15%[23].另外,當(dāng)土壤中礫石、根系等非土壤物質(zhì)較多時(shí),環(huán)刀法經(jīng)常會(huì)錯(cuò)誤評(píng)估土壤細(xì)土物質(zhì)的容重(細(xì)土容重).這些土壤容重?cái)?shù)據(jù)的不確定性因素會(huì)影響實(shí)際的SOCD估算.了解中國(guó)土壤容重?cái)?shù)據(jù)的不確定性對(duì)SOCD估算的影響,對(duì)準(zhǔn)確評(píng)估區(qū)域乃至全國(guó)SOCD或SOCS具有重要意義.

1材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)收集收集了中國(guó)第二次土壤普查成果資料[18-22]和中國(guó)土壤系統(tǒng)分類資料[24-27].其中,第二次土壤普查成果資料,通過與中國(guó)土壤系統(tǒng)分類的近似參比[28-31],轉(zhuǎn)化成土壤系統(tǒng)分類體系.通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量篩選,剔除部分異常值,現(xiàn)有完整的2 441個(gè)數(shù)據(jù).由于鐵鋁土、富鐵土、干旱土、灰土、火山灰土等土綱土壤容重?cái)?shù)據(jù)匱乏,因此本研究未涉及.

在河南省濟(jì)源市南山林場(chǎng)(年均氣溫為14.6 ℃,年均降水量860 mm,成土母質(zhì)主要為砂巖和頁巖,土壤類型主要為新成土和雛形土)采集富含礫石的土壤剖面75個(gè).在甘肅瑪曲縣歐拉鄉(xiāng)(年均氣溫1～2 ℃, 年均降水量596 mm,成土母質(zhì)主要為沙質(zhì)沖洪積物,土壤類型主要為新成土和雛形土)采集富含草根的土壤剖面15個(gè).

1.2 樣品采集與分析土壤容重和SOC等基本理化性質(zhì)測(cè)定方法參照文獻(xiàn)[32].

1) 礫石質(zhì)量比:采用環(huán)刀取樣,取樣體積固定，記為V環(huán)刀.對(duì)土壤樣品中的礫石和細(xì)土部分進(jìn)行篩分,105 ℃烘至恒重后分別稱重,

礫石質(zhì)量比(%)=礫石質(zhì)量/總質(zhì)量.

2) 礫石體積比:通過排水法得到礫石體積,

礫石體積比(%)=V礫石/V環(huán)刀.

3) 根系質(zhì)量比:采用環(huán)刀取樣,用內(nèi)徑5 cm環(huán)刀在0～40 cm土層每10 cm層取土柱,共4層,重復(fù)3次,樣品過篩得到土壤樣品并稱重,清水沖洗得到根系樣品,依次在60和105 ℃烘至恒重,稱干質(zhì)量,

根系質(zhì)量比(%)=根系質(zhì)量/總質(zhì)量.

4) 根系體積比:用內(nèi)徑5 cm環(huán)刀在0～40 cm土層每10 cm層取土柱,重復(fù)3次,收集草根,將其洗凈并用濾紙吸干水分,再裝入500 mL容量瓶中,加水V1至刻度,根系體積V根=500-V1,

根系體積比(%)=V根/V環(huán)刀.

1.3 剖面SOCD的估算剖面SOCD估算公式為

(1)

式中,Xd為SOC的剖面密度(kg/m2),表示單位面積某一深度土壤內(nèi)SOC的總量;θi為第i層>2 mm礫石或根系等非土壤物質(zhì)體積分?jǐn)?shù)(%);ρi為第i層細(xì)土容重(g/cm3);Xi為第i層土壤SOC含量(g/kg);Ti為第i層土層厚度(cm);n為參與計(jì)算的土壤層次總數(shù).鑒于中國(guó)第二次土壤普查成果資料中土壤剖面厚度不一,本文只計(jì)算了0～20 cm厚度的SOCD.

1.4 統(tǒng)計(jì)分析方法應(yīng)用統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS 13.0,采用相關(guān)分析和逐步回歸分析研究土壤容重對(duì)SOCD估算的影響.主要利用平均誤差(MPE)、均方根差(RMSPE)和R2對(duì)估算精度進(jìn)行檢驗(yàn),計(jì)算公式分別為:

(2)

(3)

(4)

2 結(jié)果與討論

2.1 礫石和根系對(duì)容重測(cè)定的影響土壤容重用環(huán)刀法取樣時(shí)通常會(huì)避開礫石,減少礫石的影響.但對(duì)一些礫石含量較高的土壤而言,礫石的存在不可避免的會(huì)對(duì)細(xì)土容重的測(cè)定結(jié)果產(chǎn)生影響.假設(shè)環(huán)刀取樣的體積為V環(huán)刀,取樣中礫石和細(xì)土的體積分別為V礫石和V細(xì)土.對(duì)應(yīng)的原狀土取樣總重為m(礫石和細(xì)土),礫石和細(xì)土的質(zhì)量分別為m礫石和m細(xì)土.原狀土容重BD原狀為

細(xì)土容重BD細(xì)土為

采樣于河南省濟(jì)源市土壤的測(cè)定結(jié)果顯示,原狀土容重和細(xì)土容重的差值 (BD原狀-BD細(xì)土)介于0～0.98 g/cm3,均值為0.15 g/cm3.環(huán)刀法在測(cè)定富含礫石土壤的容重時(shí)會(huì)高估細(xì)土容重,其高估率(BD原狀-BD細(xì)土)/BD原狀與礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)和體積分?jǐn)?shù)均呈極顯著正相關(guān)(圖1).

根系也會(huì)對(duì)容重的測(cè)定結(jié)果產(chǎn)生影響.假設(shè)環(huán)刀取樣的體積為V環(huán)刀,取樣中根系和細(xì)土的體積分別為V根和V細(xì)土.對(duì)應(yīng)的原狀土取樣總重為m(根系和細(xì)土),根系和細(xì)土的質(zhì)量分別為m根和m細(xì)土.原狀土容重為

BD原狀=m/V環(huán)刀,

細(xì)土容重為

采樣于甘肅省瑪曲縣土壤的測(cè)定結(jié)果顯示,原狀土容重和細(xì)土容重的差值(BD原狀-BD細(xì)土)介于-0.11～-0.31 g/cm3,均值為-0.21 g/cm3.環(huán)刀法在測(cè)定富含根系土壤的容重時(shí)會(huì)低估細(xì)土容重,其低估率(BD細(xì)土-BD原狀)/ BD原狀與根系質(zhì)量分?jǐn)?shù)和體積分?jǐn)?shù)均呈極顯著正相關(guān)(圖1).

圖1 礫石和根系對(duì)細(xì)土容重測(cè)定的影響

2.2 礫石和根系對(duì)SOCD估算的影響對(duì)富含礫石的土壤而言,傳統(tǒng)方法通常利用原狀土容重去估算SOCD,這會(huì)高估SOCD.河南省濟(jì)源市土壤的估算結(jié)果顯示,SOCD的高估率(SOCD原狀-SOCD細(xì)土)/SOCD原狀介于-1.5%～45.5%,均值為13.7%,其與礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)和體積分?jǐn)?shù)均呈極顯著正相關(guān)(P< 0.05)(圖2).

圖2 礫石和根系對(duì)SOCD估算的影響

對(duì)富含根系的土壤而言,傳統(tǒng)方法通常忽略根系的影響,這也會(huì)高估SOCD.圖2甘肅省瑪曲縣土壤的估算結(jié)果顯示,SOCD的高估率(SOCD原狀-SOCD細(xì)土)/ SOCD原狀介于2.4%～8.5%,均值為6.0%,其與根系質(zhì)量分?jǐn)?shù)和體積分?jǐn)?shù)均呈極顯著正相關(guān)(P< 0.05).

為了提高SOCD的估算精度,通過SPSS 統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)典型區(qū)土壤數(shù)據(jù)進(jìn)行逐步回歸分析,建立細(xì)土容重的換算函數(shù).其中,自變量包括原狀土容重、礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)、礫石體積分?jǐn)?shù)、根系質(zhì)量分?jǐn)?shù)、根系體積分?jǐn)?shù)等數(shù)據(jù)資料.同時(shí)對(duì)部分土壤屬性進(jìn)行了換算,包括礫石和根系含量的平方.這是因?yàn)橄嚓P(guān)分析研究表明這些參數(shù)與細(xì)土容重關(guān)系密切.因變量為細(xì)土容重或細(xì)土容重和原狀土容重的比值(BD細(xì)土/BD原狀).將建立的模型進(jìn)行比較,最后得到最優(yōu)細(xì)土容重?fù)Q算函數(shù)如下:

BD細(xì)土=BD原狀(-0.000 26X2+0.990),

R2= 0.920,

BD細(xì)土= 1.299 BD原狀+0.010Y-0.307,

R2= 0.988,

式中,BD細(xì)土為細(xì)土容重(g/cm3),BD原狀為原狀土容重(g/cm3),X為礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%),Y為根系體積分?jǐn)?shù)(%).

富含礫石或根系的土壤,以原狀土容重估算SOCD的結(jié)果和利用細(xì)土容重估算的結(jié)果相比,MPE值分別為0.347和0.714,RMSPE值分別為0.456和0.767.以換算函數(shù)得到的細(xì)土容重?cái)?shù)據(jù)估算SOCD的結(jié)果和利用細(xì)土容重估算的結(jié)果相比,MPE值分別為-0.056和0.13,RMSPE值分別為0.101和0.192.綜合比較MPE、RMSPE和散點(diǎn)圖(圖3),細(xì)土容重?fù)Q算函數(shù)能大幅度提高SOCD的估算精度.

圖3 細(xì)土容重?cái)?shù)據(jù)精度對(duì)SOCD估算的影響

需要特別指出的是,不同礫石或根系類型密度

有差異,使研究結(jié)論在應(yīng)用時(shí)存在一定的局限性和不確定性.在實(shí)際應(yīng)用過程中,研究人員可根據(jù)實(shí)際測(cè)定的礫石密度或者根系密度再結(jié)合本文提議的換算方法對(duì)細(xì)土容重?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行換算,提高估算精度.

2.3 土壤容重缺失數(shù)據(jù)的填補(bǔ)方法對(duì)SOCD估算的影響土壤容重?cái)?shù)據(jù)的缺失會(huì)限制對(duì)已有數(shù)據(jù)庫的開發(fā)利用.現(xiàn)有的研究通常利用土壤容重傳遞函數(shù)或容重平均值對(duì)缺失容重?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行填補(bǔ),以用于模型相關(guān)估算.對(duì)中國(guó)大部分土壤類型而言,利用土壤容重均值估算SOCD的結(jié)果和利用測(cè)量容重估算的結(jié)果相比,MPE和RMSPE值分別介于-11.28～-0.12和0.23～17.70.說明利用土壤容重均值估算會(huì)高估SOCD.其中,有機(jī)土和潛育土的RMSPE值較大(17.24～17.70),這兩種土綱在利用土壤容重均值估算SOCD時(shí)需特別小心.同時(shí)利用中國(guó)不同土壤類型的最優(yōu)土壤容重傳遞函數(shù)[33]獲得土壤容重?cái)?shù)據(jù)用于SOCD估算.此方法估算的結(jié)果和利用測(cè)量容重估算的結(jié)果相比,MPE和RMSPE值分別介于-0.29～0.52 和0.15～4.11.綜合比較MPE、RMSPE和散點(diǎn)圖,如圖4所示.

圖4 土壤容重缺失數(shù)據(jù)的填補(bǔ)方法對(duì)SOCD估算的影響

當(dāng)土壤容重?cái)?shù)據(jù)缺失時(shí),利用土壤容重傳遞函數(shù)獲得土壤容重?cái)?shù)據(jù)能大幅度提高SOCD的估算精度.

3 結(jié)論

我國(guó)土壤容重?cái)?shù)據(jù)的不確定性主要來源于兩個(gè)方面:一些非土壤性物質(zhì)導(dǎo)致的細(xì)土容重測(cè)定結(jié)果的偏差;已有土壤數(shù)據(jù)庫土壤容重?cái)?shù)據(jù)的缺失.通常礫石會(huì)高估細(xì)土容重，根系會(huì)低估細(xì)土容重,其高估率或低估率與其質(zhì)量分?jǐn)?shù)和體積分?jǐn)?shù)呈極顯著正相關(guān).當(dāng)土壤中的礫石和根系較多時(shí),傳統(tǒng)的估算方法均會(huì)高估SOCD,高估率分別介于-1.5%～45.5%和2.4%～8.5%.可根據(jù)礫石或根系的含量,利用提議公式對(duì)容重?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行換算,提高SOCD的估算精度.當(dāng)土壤容重?cái)?shù)據(jù)缺失時(shí),利用土壤容重傳遞函數(shù)預(yù)測(cè)土壤容重能明顯提高SOCD的估算精度.

致謝內(nèi)江師范學(xué)院校級(jí)科研項(xiàng)目(17JC25)對(duì)本文給予了資助,謹(jǐn)致謝意.