万荣县土壤有机碳与有机质分布特征及其转化系数的评估

2023-10-08刘虎王嘉伟周林康

农业与技术 2023年18期

刘虎王嘉伟周林康

(1.太原碧蓝水利工程设计有限公司，山西太原 030024；2.太原理工大学水利科学与工程学院，山西太原 030024)

近年来，由于人类活动(化石能源燃烧、土地不合理利用等)造成大量碳排放到大气中，破坏了正常的碳循环过程，引起各种极端天气(飓风、洪水、森林火灾等)和极端现象(冰川消融、海平面上升等)的频发[1]。作为受人类活动干扰最大的生态系统之一，农业生态系统一直是人们所关注的焦点。大量研究表明，实行合理的农田管理措施(如保护性耕作)，不仅对农田中碳的固持产生积极影响，从而缓解全球气候变暖的问题；而且可以改善农田土壤结构，促进农田生态系统的可持续发展[2，3]。

SOM指存在于土壤中的所有含碳的有机物质，SOC指通过微生物作用所形成的腐殖质、动植物残体和微生物体的合称。作为SOM的主要组成部分，SOC是衡量土地肥力，维持作物正常生长的物质基础[4]，其可通过碳源/碳汇的方式参与到全球碳循环中，对全球气候变化也有着显著影响[5]。因此，进行地区SOC空间分布特征的研究，对于评价地区土地肥力、促进碳的固持等都具有重要意义[6]。

SOC可以通过各种方法进行测定，其中实验室中常用的方法是重铬酸钾氧化外加热法，尽管其很有价值，但是操作繁琐，效率低下并且会污染环境，其它的方法如元素分析仪[7]、红外碳硫仪[8]等价格昂贵，限制了其大规模应用。SOM建模可以为SOC提供一种更便宜、更快速的测定方法。近年来，统计回归模型和AI模型(包括ANN、RBF以及图像处理等)已被用于SOM建模。如，Ataeean[9]等使用基于图像处理的ANN和MLR模型对伊朗不同地区80多个土壤样本进行建模，结果表明，ANN模型能够准确估算该地区SOC含量。

本文以山西省万荣县为研究区，协同多个样本采集数据，绘制出万荣县SOC与SOM空间分布图，并探究了SOC与SOM存在的转换关系，为实现因地制宜，促进土地可持续利用提供一定的科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

万荣县位于山西省西南，运城地区西北部，见图1，地处N110°25′52″～110°59′40″，E35°13′45″～35°31′40″[10]，陆地面积约为1081.5km2，其中耕地面积6.8万hm2。研究区地势总体为东南高西北低，最高海拔1411.2m，最低海拔354m。地貌类型多样，根据地貌分区原则，可分为基岩山区、低山丘陵区、山前倾斜平原、黄土高原区及冲洪积平原区5类。研究区属温带大陆性季风气候，常年平均气温12.0℃，年均降雨量522.2mm，日照时数2364h，无霜期为190d左右[11]。四季分明，冬季雨雪稀少，春季干旱少雨，夏季酷热多雨，秋季降温迅速。研究区天然水系比较缺乏，仅有部分黄河和汾河支流流入该区域。研究区土壤类型主要以褐土为主，占研究区总面积的86.92%。主要农作物有小麦、玉米、苹果、柿子及药材等。

1.2 样品采集

为反映万荣县SOC的整体分布特征，采样地点遍布研究区各个乡镇，并选择远离工业和城市的耕地土壤作为采样地点，见图2，于2023年5—6月进行人工挖掘并采集耕作层(0～30cm)土样。本研究共涉及采样点76个，根据地貌类型、面积大小及质量等级等条件适当增加或减少样本密度。

1.3 土样测定

在测定开始前要去除土壤中的石块、植物根系及动植物残体等杂质，将土样在自然状态下风干。采用重铬酸钾容量法测定SOC含量，采用干烧法测定SOM含量。

1.4 数据分析

利用SPSS 27分析与处理土样数据，利用ArcGIS 10.6绘制SOC等值线图与SOM等值线图，利用Origin 2019绘制SOC与SOM的线性拟合图。

1.5 模型精度的评定

本研究采用模型的决定系数R2、误差百分比Pe[12]及一致化指标d[13]等统计参数对模型模拟结果进行评定。模型评定计算公式：

(1)

(2)

(3)

2 结果与分析

2.1 SOC分布概况

研究表明，在0～30cm土壤刨层内，万荣县SOC处于9～14g·kg-1，见图3。根据土壤有机碳分级标准中分的5个等级(极低、低、中、高、极高)，万荣县SOC大部分处于中等级(10～15g·kg-1)，少部分处于低等级(5～10g·kg-1)。由图2可知，万荣县SOC整体上呈现出由东北向西南递增的趋势，东北部大部分位于10～11g·kg-1，西南部大部分处于12～14g·kg-1，地域分级较为明显，但跨度不是很大。其中，SOC含量最大处集中于万荣县西南部的荣河镇和王显乡一带，而最低处集中于万荣县东北偏下的通化镇和解店镇一带，可能与当地土壤质地及农田管理情况相关。

图3 万荣县SOC等值线图

2.2 SOM分布概况

研究表明，在0～30cm土壤刨层内，万荣县SOM处于13～22g·kg-1，见图4，低于全国农田平均有机质含量(24.65g·kg-1)。全国第二次土地普查曾按有机质含量将SOM分为6个等级：≤6g·kg-1、6～10g·kg-1、10～20g·kg-1、20～30g·kg-1、30～40g·kg-1、>40g·kg-1，由此可见，万荣县SOM含量处于中等偏下水平。由图3可知，万荣县SOM空间分布情况与SOC类似，仍然是西南高，东北低，中间处于中等水平。其中，SOM含量最低点集中于万荣县北部的通化镇一带，最高点集中于万荣县西南部的荣河县与王显乡一带。

图4 万荣县SOM等值线图

2.3 SOC与SOM相关性分析

SOC与SOM 2个概念涵义相同，量纲有所区别。SOC含量是以纯碳含量进行计算的，而SOM含量则是以总有机物质含量进行计算的。年份较早的著作和论文中主要使用的是SOM这一概念，而近年来逐渐采用SOC这一概念，因为SOC可以直接使用重铬酸钾外加热法测定的数值来表示，不需要乘以任何系数。两者之间的换算：

SOM=SOC×1.724

SOC=SOM×0.58[14]

式中，2个换算系数1.724和0.58为通用的换算系数(Van Bemmelen转化系数)，实际中换算系数会随着土壤中有机物质组成的变化而变化。

由图5可知，大多数数据点都高于y=0.58x的直线，因此，采用Van Bemmelen转化系数将低估SOC含量；而大多数数据点都均匀分布于y=0.665x线的两侧，可以较好地反映万荣县SOC与SOM的真实关系。

图5 万荣县SOC和SOM线性拟合图

由表1可知，采用Van Bemmelen转化系数，SOC含量将偏低估计12.6%，虽未超过误差限15%，但已接近；R2为0.619，低于0.7，处于一般拟合水平；d为0.881，超过极限值0.7。因此，使用Van Bemmelen转化系数进行SOC-SOM转换可以接受但不是很理想。而使用0.665作为转换系数时，误差百分比Pe仅为0.2%；R2为0.802，高于0.7，拟合水平为极好；d为0.941，远超极限值0.7。因此，使用0.665作为转换系数，可以很好地进行万荣县SOC与SOM之间的转换。