李秀芝, 胡聪月, 王德彩, 韩光中*

(1. 内江师范学院 地理与资源科学学院, 四川 内江 641112; 2. 河南农业大学 林学院, 河南 郑州 450002)

土壤是全球第三大碳库[1],大约是大气碳库的3倍[2].如果全球土壤有机碳(SOC)的10%转化为CO2,将超过30年来人类CO2的总排放量[3].这样看来,土壤碳库的微小变化可能会对大气中CO2的浓度产生很大影响[4-5],土壤有机碳储量(SOCS)估算的研究也因此成为国内外研究的焦点.但是目前中国对土壤有机碳密度(SOCD)估算并没有形成统一标准或规范.由于学者们的研究方法和角度不同,使得SOCS的估算结果存在较大差异[6-11],这也成为不同区域SOCS评估和比较的重要障碍.为提高中国SOCS的估算精度,部分学者对导致SOCD估算存在的不确定性因素进行了探讨[11-15].如于东升等[11]详细分析了不同SOCD计算方法之间的差异.金峰等[12]探讨了一种较为精确的SOCD计算方法.王绍强等[13]对实际剖面厚度与标准1 m厚度两种方式估算结果进行了误差分析及不确定性讨论.

一般而言,SOCD由SOC含量、砾石含量、土层厚度和土壤容重共同确定.但当前的研究很少关注土壤容重对SOCD估算的影响.理论上,土壤容重的测定很简单(干土质量/总体积).实际上,土壤容重多以环刀法测定[16-17],需要挖掘土壤标准剖面,在操作上费时费力.这也是我国大多数土壤数据库缺失或部分缺失土壤容重数据的原因之一.以全国第二次土壤普查成果资料[18-22]为例,土壤容重数据信息完整度低于15%[23].另外,当土壤中砾石、根系等非土壤物质较多时,环刀法经常会错误评估土壤细土物质的容重(细土容重).这些土壤容重数据的不确定性因素会影响实际的SOCD估算.了解中国土壤容重数据的不确定性对SOCD估算的影响,对准确评估区域乃至全国SOCD或SOCS具有重要意义.

1材料与方法

1.1 数据收集收集了中国第二次土壤普查成果资料[18-22]和中国土壤系统分类资料[24-27].其中,第二次土壤普查成果资料,通过与中国土壤系统分类的近似参比[28-31],转化成土壤系统分类体系.通过对数据进行质量筛选,剔除部分异常值,现有完整的2 441个数据.由于铁铝土、富铁土、干旱土、灰土、火山灰土等土纲土壤容重数据匮乏,因此本研究未涉及.

在河南省济源市南山林场(年均气温为14.6 ℃,年均降水量860 mm,成土母质主要为砂岩和页岩,土壤类型主要为新成土和雏形土)采集富含砾石的土壤剖面75个.在甘肃玛曲县欧拉乡(年均气温1～2 ℃, 年均降水量596 mm,成土母质主要为沙质冲洪积物,土壤类型主要为新成土和雏形土)采集富含草根的土壤剖面15个.

1.2 样品采集与分析土壤容重和SOC等基本理化性质测定方法参照文献[32].

1) 砾石质量比:采用环刀取样,取样体积固定，记为V环刀.对土壤样品中的砾石和细土部分进行筛分,105 ℃烘至恒重后分别称重,

砾石质量比(%)=砾石质量/总质量.

2) 砾石体积比:通过排水法得到砾石体积,

砾石体积比(%)=V砾石/V环刀.

3) 根系质量比:采用环刀取样,用内径5 cm环刀在0～40 cm土层每10 cm层取土柱,共4层,重复3次,样品过筛得到土壤样品并称重,清水冲洗得到根系样品,依次在60和105 ℃烘至恒重,称干质量,

根系质量比(%)=根系质量/总质量.

4) 根系体积比:用内径5 cm环刀在0～40 cm土层每10 cm层取土柱,重复3次,收集草根,将其洗净并用滤纸吸干水分,再装入500 mL容量瓶中,加水V1至刻度,根系体积V根=500-V1,

根系体积比(%)=V根/V环刀.

1.3 剖面SOCD的估算剖面SOCD估算公式为

(1)

式中,Xd为SOC的剖面密度(kg/m2),表示单位面积某一深度土壤内SOC的总量;θi为第i层>2 mm砾石或根系等非土壤物质体积分数(%);ρi为第i层细土容重(g/cm3);Xi为第i层土壤SOC含量(g/kg);Ti为第i层土层厚度(cm);n为参与计算的土壤层次总数.鉴于中国第二次土壤普查成果资料中土壤剖面厚度不一,本文只计算了0～20 cm厚度的SOCD.

1.4 统计分析方法应用统计分析软件SPSS 13.0,采用相关分析和逐步回归分析研究土壤容重对SOCD估算的影响.主要利用平均误差(MPE)、均方根差(RMSPE)和R2对估算精度进行检验,计算公式分别为:

(2)

(3)

(4)

2 结果与讨论

2.1 砾石和根系对容重测定的影响土壤容重用环刀法取样时通常会避开砾石,减少砾石的影响.但对一些砾石含量较高的土壤而言,砾石的存在不可避免的会对细土容重的测定结果产生影响.假设环刀取样的体积为V环刀,取样中砾石和细土的体积分别为V砾石和V细土.对应的原状土取样总重为m(砾石和细土),砾石和细土的质量分别为m砾石和m细土.原状土容重BD原状为

细土容重BD细土为

采样于河南省济源市土壤的测定结果显示,原状土容重和细土容重的差值 (BD原状-BD细土)介于0～0.98 g/cm3,均值为0.15 g/cm3.环刀法在测定富含砾石土壤的容重时会高估细土容重,其高估率(BD原状-BD细土)/BD原状与砾石质量分数和体积分数均呈极显著正相关(图1).

根系也会对容重的测定结果产生影响.假设环刀取样的体积为V环刀,取样中根系和细土的体积分别为V根和V细土.对应的原状土取样总重为m(根系和细土),根系和细土的质量分别为m根和m细土.原状土容重为

BD原状=m/V环刀,

细土容重为

采样于甘肃省玛曲县土壤的测定结果显示,原状土容重和细土容重的差值(BD原状-BD细土)介于-0.11～-0.31 g/cm3,均值为-0.21 g/cm3.环刀法在测定富含根系土壤的容重时会低估细土容重,其低估率(BD细土-BD原状)/ BD原状与根系质量分数和体积分数均呈极显著正相关(图1).

图1 砾石和根系对细土容重测定的影响

2.2 砾石和根系对SOCD估算的影响对富含砾石的土壤而言,传统方法通常利用原状土容重去估算SOCD,这会高估SOCD.河南省济源市土壤的估算结果显示,SOCD的高估率(SOCD原状-SOCD细土)/SOCD原状介于-1.5%～45.5%,均值为13.7%,其与砾石质量分数和体积分数均呈极显著正相关(P< 0.05)(图2).

图2 砾石和根系对SOCD估算的影响

对富含根系的土壤而言,传统方法通常忽略根系的影响,这也会高估SOCD.图2甘肃省玛曲县土壤的估算结果显示,SOCD的高估率(SOCD原状-SOCD细土)/ SOCD原状介于2.4%～8.5%,均值为6.0%,其与根系质量分数和体积分数均呈极显著正相关(P< 0.05).

为了提高SOCD的估算精度,通过SPSS 统计软件对典型区土壤数据进行逐步回归分析,建立细土容重的换算函数.其中,自变量包括原状土容重、砾石质量分数、砾石体积分数、根系质量分数、根系体积分数等数据资料.同时对部分土壤属性进行了换算,包括砾石和根系含量的平方.这是因为相关分析研究表明这些参数与细土容重关系密切.因变量为细土容重或细土容重和原状土容重的比值(BD细土/BD原状).将建立的模型进行比较,最后得到最优细土容重换算函数如下:

BD细土=BD原状(-0.000 26X2+0.990),

R2= 0.920,

BD细土= 1.299 BD原状+0.010Y-0.307,

R2= 0.988,

式中,BD细土为细土容重(g/cm3),BD原状为原状土容重(g/cm3),X为砾石质量分数(%),Y为根系体积分数(%).

富含砾石或根系的土壤,以原状土容重估算SOCD的结果和利用细土容重估算的结果相比,MPE值分别为0.347和0.714,RMSPE值分别为0.456和0.767.以换算函数得到的细土容重数据估算SOCD的结果和利用细土容重估算的结果相比,MPE值分别为-0.056和0.13,RMSPE值分别为0.101和0.192.综合比较MPE、RMSPE和散点图(图3),细土容重换算函数能大幅度提高SOCD的估算精度.

图3 细土容重数据精度对SOCD估算的影响

需要特别指出的是,不同砾石或根系类型密度

有差异,使研究结论在应用时存在一定的局限性和不确定性.在实际应用过程中,研究人员可根据实际测定的砾石密度或者根系密度再结合本文提议的换算方法对细土容重数据进行换算,提高估算精度.

2.3 土壤容重缺失数据的填补方法对SOCD估算的影响土壤容重数据的缺失会限制对已有数据库的开发利用.现有的研究通常利用土壤容重传递函数或容重平均值对缺失容重数据进行填补,以用于模型相关估算.对中国大部分土壤类型而言,利用土壤容重均值估算SOCD的结果和利用测量容重估算的结果相比,MPE和RMSPE值分别介于-11.28～-0.12和0.23～17.70.说明利用土壤容重均值估算会高估SOCD.其中,有机土和潜育土的RMSPE值较大(17.24～17.70),这两种土纲在利用土壤容重均值估算SOCD时需特别小心.同时利用中国不同土壤类型的最优土壤容重传递函数[33]获得土壤容重数据用于SOCD估算.此方法估算的结果和利用测量容重估算的结果相比,MPE和RMSPE值分别介于-0.29～0.52 和0.15～4.11.综合比较MPE、RMSPE和散点图,如图4所示.

图4 土壤容重缺失数据的填补方法对SOCD估算的影响

当土壤容重数据缺失时,利用土壤容重传递函数获得土壤容重数据能大幅度提高SOCD的估算精度.

3 结论

我国土壤容重数据的不确定性主要来源于两个方面:一些非土壤性物质导致的细土容重测定结果的偏差;已有土壤数据库土壤容重数据的缺失.通常砾石会高估细土容重，根系会低估细土容重,其高估率或低估率与其质量分数和体积分数呈极显著正相关.当土壤中的砾石和根系较多时,传统的估算方法均会高估SOCD,高估率分别介于-1.5%～45.5%和2.4%～8.5%.可根据砾石或根系的含量,利用提议公式对容重数据进行换算,提高SOCD的估算精度.当土壤容重数据缺失时,利用土壤容重传递函数预测土壤容重能明显提高SOCD的估算精度.

致谢内江师范学院校级科研项目(17JC25)对本文给予了资助,谨致谢意.