基于不同方法的林下土壤有機(jī)質(zhì)含量測定

陶真鵬，徐宗恒，丁俊楠，張宇

(云南師范大學(xué)地理學(xué)部，昆明 650500)

土壤有機(jī)質(zhì)主要由土壤中形成的和外部加入的所有動植物殘?bào)w不同分解階段的各種產(chǎn)物和合成產(chǎn)物組成[1]，是土壤中含碳有機(jī)化合物的總稱，是衡量土壤肥力的重要指標(biāo)之一[2-4]。在山區(qū)流域林下斜坡區(qū)，土壤有機(jī)質(zhì)除了對土壤陽離子交換量[5]等土壤理化性質(zhì)、生物活動、肥力等造成一定影響外，還間接影響著降雨條件下水分的入滲和斜坡土壤的抗侵蝕性，因此對土壤有機(jī)質(zhì)含量的準(zhǔn)確測定是開展土壤相關(guān)研究的前提。選擇一種簡單有效的方法測定土壤有機(jī)質(zhì)含量，并保證測定結(jié)果的準(zhǔn)確性，能夠?yàn)橥寥烙袡C(jī)質(zhì)相關(guān)研究提供重要的理論依據(jù)。

土壤有機(jī)質(zhì)含量測定的方法很多，如干燒法、濕燒法、重鉻酸鉀容量法、灼燒法[6]和光譜分析法[7]等，其中以灼燒法和重鉻酸鉀容量法較為常用。灼燒法快速易操作，無需復(fù)雜的土樣前處理，可直接測定原土樣，灼燒過程中也無需添加任何化學(xué)試劑，減少對樣品的污染，適合大批量土樣的測定[6]。但是采用灼燒法時(shí)，灼燒時(shí)間和灼燒溫度對土壤燒失量有很大影響，進(jìn)而直接地影響著土壤有機(jī)質(zhì)含量的測定[8-9]。此外，Heiri等[10]與張文河等[11]指出樣品的尺寸大小和爐內(nèi)樣品位置也會對測定結(jié)果造成一定影響。由于灼燒法的灼燒溫度和灼燒時(shí)間沒有明確規(guī)定，其測定結(jié)果精確度較差，所以選擇合適的灼燒溫度和灼燒時(shí)間，且試驗(yàn)操作程序正確，能有效地提高實(shí)驗(yàn)效率和精確度，較準(zhǔn)確地測定出土壤有機(jī)質(zhì)含量，灼燒法不失為一種較好的方法。重鉻酸鉀容量法是化學(xué)氧化法的一種，是測定土壤有機(jī)質(zhì)含量的標(biāo)準(zhǔn)方法，不需要特殊的設(shè)備和操作技巧，不受樣品中碳酸鹽的干擾，快速簡便[12]，實(shí)驗(yàn)誤差小，分析結(jié)果較準(zhǔn)確，但操作過程繁瑣，實(shí)驗(yàn)過程中有許多細(xì)節(jié)需要注意，并且會產(chǎn)生有害物質(zhì)，對身體健康造成影響[13]。在已有研究成果中，錢寶等[14]用TOC(total organic carbon)分析儀法，550 ℃燒失量法，950 ℃燒失量法和水合熱重鉻酸鉀氧化比色法測定長江底沉積物標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中的有機(jī)質(zhì)含量并分析不同測定方法的準(zhǔn)確度；陳碧珊等[15]用過量的重鉻酸鉀-硫酸溶液測定雷州半島紅樹林典型分布區(qū)的土壤有機(jī)質(zhì)含量；劉肖[16]通過實(shí)驗(yàn)分析指出，國標(biāo)法測定土壤有機(jī)質(zhì)所用的重鉻酸鉀-硫酸溶液使用過量,并將其用量減半使用后取得了較好的研究成果。目前研究多關(guān)注土壤有機(jī)質(zhì)的測定與空間變異特征及其影響因素等方面，少有綜合考慮不同灼燒溫度、不同灼燒時(shí)間、不同土壤深度以及不同化學(xué)試劑使用量的確定等，對有機(jī)質(zhì)含量測定結(jié)果的影響，并進(jìn)行對比分析的研究成果。現(xiàn)以取自云南昭通一高植被覆蓋度斜坡的分層林下土壤為研究對象，采用灼燒法(burning method，BM)和重鉻酸鉀容量法(potassium dichromate volumetric method，PDVM)對土壤有機(jī)質(zhì)含量進(jìn)行測定，探究不同灼燒溫度和不同灼燒時(shí)間對測定結(jié)果的影響，并與重鉻酸鉀容量法的測定結(jié)果進(jìn)行線性擬合分析，對不同情況下土壤有機(jī)質(zhì)含量測定方法選擇進(jìn)行評述，以期為土壤有機(jī)質(zhì)含量測定分析方法的選擇提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 取樣點(diǎn)概況及取樣

供測土樣取自云南省昭通市昭陽區(qū)盤河鄉(xiāng)頭寨溝，取樣點(diǎn)位于103°51′58″E、27°33′28″N，海拔2 300 m(圖1)。在該地選擇一處植被披覆的斜坡進(jìn)行采樣[圖2(a)、圖2(b)]，清除表面植被后從地表向下挖掘出一段100 cm×100 cm的垂直切面區(qū)域。從表層土開始每間隔20 cm采集1個(gè)土樣，如表1所示，共采集5層[圖2(a)，分別定義為A～E層]。去除土壤中的石礫、樹根等較大的雜質(zhì)，將各層土樣混合均勻，混勻后用四分法收集土樣[7]，每層土樣收集5 kg左右?guī)Щ貙?shí)驗(yàn)室。

表1 供試土樣基本特征

圖1 取樣點(diǎn)地理位置

土樣帶回后過2 mm篩處理，大部分放入烘箱中經(jīng)105 ℃烘干除去吸濕水，制備灼燒法試驗(yàn)樣品，烘干時(shí)需將土樣攤成薄層(保證土壤受熱均勻)。少部分在自然條件下風(fēng)干10 d左右。風(fēng)干過程中應(yīng)經(jīng)常翻動土樣，使土壤中含有的還原性物質(zhì)得到充分氧化，消除還原性物質(zhì)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。將風(fēng)干后的土壤過0.149 mm篩，放入燒杯中用保鮮膜密封保存[圖2(c)]。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 重鉻酸鉀容量法

根據(jù)《森林土壤有機(jī)質(zhì)的測定及碳氮比的計(jì)算》(LY/T 1237—1999)[17]，稱取0.4 g土樣、0.1 g硫酸銀粉末置于大試管底部，用吸量管注入5 mL 0.8 mol/L的重鉻酸鉀法標(biāo)準(zhǔn)溶液，最后用移液管加入5 mL濃硫酸溶液，旋轉(zhuǎn)搖勻。將試管插入鐵絲架中，放入180 ℃的油浴鍋中加熱20 min。將冷卻后的溶液移入錐形瓶中，用鄰菲啰啉指示劑，0.2 mol/L FeSO4溶液進(jìn)行滴定，到溶液變?yōu)樽丶t色且搖晃后不再變色為終點(diǎn)，如圖2(d)所示，記錄下FeSO4用量，根據(jù)此用量計(jì)算有機(jī)質(zhì)含量。需注意的是，消煮冷卻后發(fā)現(xiàn)溶液顏色為綠色，說明重鉻酸鉀法用量不足，需適當(dāng)減少土樣量，重新進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1.2.2 灼燒法

灼燒法采用的主要設(shè)備是SX-4-10型箱式電阻爐控制箱，其實(shí)驗(yàn)原理是通過測定灼燒前后土壤重量的差值來計(jì)算燒失量(loss on ignition，LOI)。因燒失量與土壤中的碳含量具有很好的相關(guān)性，在一定程度上可以代表土壤中有機(jī)質(zhì)的含量，故用該數(shù)值乘以1.724(碳換算成有機(jī)質(zhì)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù))，近似地表示有機(jī)質(zhì)的含量[14,18-19]。首先將洗凈的坩堝放入馬弗爐中，用105 ℃的溫度灼燒30 min，后取出放入干燥室待冷卻后稱其質(zhì)量。后將經(jīng)105 ℃烘干后的每份土樣稱取5 g左右于坩堝中，將坩堝放入電阻爐控制箱[如圖2(e)所示]，從350 ℃開始灼燒，每隔2 h后把坩堝取出置于干燥箱冷卻，待常溫后再稱重，得到灼燒前后土樣的重量差。為研究不同灼燒溫度和灼燒時(shí)間對測定結(jié)果的影響，采用4個(gè)溫度(350、450、550、650 ℃)，6個(gè)灼燒時(shí)間(2、4、6、8、10、12 h)分別進(jìn)行灼燒，即每隔2 h測量一次土壤的灼燒減重，每個(gè)溫度灼燒12 h。每層土樣重復(fù)三組試驗(yàn)，結(jié)果取平均值[12]。

圖2 林下土壤分層取樣及室內(nèi)試驗(yàn)

2 結(jié)果分析

2.1 土壤有機(jī)質(zhì)含量隨灼燒時(shí)間和灼燒溫度的變化分析

針對不同層次土壤有機(jī)質(zhì)含量(soil organic matter，SOM)的測定結(jié)果，分析土壤有機(jī)質(zhì)含量隨灼燒溫度和灼燒時(shí)間的變化情況，結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，在相同灼燒溫度下，不同層次的土壤有機(jī)質(zhì)含量隨灼燒時(shí)間的變化趨勢基本一樣，且在350、450、550、650 ℃這4個(gè)不同的灼燒溫度中，A層土壤測得的SOM均值始終高于其他土層測得的SOM均值，以灼燒溫度為350 ℃為例[圖3(a)]，在灼燒時(shí)間為2 h時(shí)，A～E層的SOM值分別為20.65%、12.35%、9.60%、7.90%、7.20%。且在灼燒時(shí)間2 h內(nèi)測得的SOM值呈顯著增加趨勢，增幅明顯，后隨灼燒時(shí)間增加，SOM值增加趨勢放緩，灼燒4 h以后，SOM值基本趨于穩(wěn)定。在4個(gè)不同的灼燒溫度下，不同層位的土壤灼燒2 h至灼燒12 h的SOM值最大增加幅度為26.2%，且2 h時(shí)的結(jié)果與其他時(shí)間相比，偏差值(此處為絕對偏差，是2 h測定值與6個(gè)時(shí)間平均值的差值)總是最大，以2 h、450 ℃為例，A～E層偏差值分別為-0.75%、-0.35%、-0.14%、-1.3%、-1.79%，表明灼燒2 h時(shí)的測定結(jié)果并不穩(wěn)定，而當(dāng)灼燒4 h以后，與8、10、12 h結(jié)果比較增幅基本在5%以內(nèi)，誤差較小，偏差值也較小，表明當(dāng)溫度為450 ℃，時(shí)間為4 h時(shí)適宜測定土壤有機(jī)質(zhì)含量。從該變化情況可知，隨著溫度的增加，至550 ℃和650 ℃時(shí)，灼燒4 h后隨著灼燒時(shí)間的增加對真實(shí)有機(jī)質(zhì)含量測定有一定影響。結(jié)合已有成果[20-21]和本文的分析，當(dāng)灼燒溫度高于450 ℃，灼燒時(shí)間大于4 h得到的結(jié)果相比之前灼燒溫度低于450 ℃、灼燒時(shí)間小于4 h得到的結(jié)果高一些是合理的，所以建議灼燒法測定土壤有機(jī)質(zhì)含量時(shí)溫度不宜超過450 ℃，時(shí)間可選擇4 h。

AVG為4個(gè)溫度下測定的SOM均值

不同層位的SOM隨灼燒溫度升高呈線性增加趨勢，將灼燒溫度(T)與SOM進(jìn)行線性擬合發(fā)現(xiàn)，相關(guān)系數(shù)R2在0.77～0.98區(qū)間內(nèi)，二者呈較好的正相關(guān)關(guān)系，不論不同層次土壤或不同灼燒時(shí)間，增加的趨勢都基本一致，斜率在0.016～0.027區(qū)間內(nèi)(圖4)。但是，隨著灼燒時(shí)間的增加，其增長速度趨于緩慢，以A層為例，從圖4擬合直線斜率可看出，其斜率分別為0.022、0.020、0.019、0.019、0.018、0.017，呈線性方式遞減，說明隨著灼燒時(shí)間的增加，可灼燒可揮發(fā)性的物質(zhì)在逐漸減少。其次還可發(fā)現(xiàn)，在任一灼燒溫度下，不同層位的SOM呈直線遞增且無相交，且A層的SOM遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其余深度土層(圖4)，以450 ℃、4 h為例，A～E層測得的SOM分別為24.35%、16.4%、13.9%、10.25%、8.75%，SOM 均隨土壤深度增加而降低，且表層土壤的SOM最高，土壤深度越深，SOM越低。

圖4 同一灼燒時(shí)間條件下SOM隨灼燒溫度變化情況

在不同灼燒溫度下，無論灼燒時(shí)間長或灼燒時(shí)間短，SOM結(jié)果都存在較大差異(圖5)。隨著灼燒溫度升高，SOM也隨之呈線性增加；在350～450 ℃區(qū)間段時(shí)，各時(shí)段曲線離散型較大，誤差值偏高，特別是對D、E層而言，2 h灼燒時(shí)間得到的結(jié)果偏差值最大，再加上從圖5(f)中的各灼燒溫度所得結(jié)果平均值也可以看出，350 ℃所得誤差值最大，說明用較低的灼燒溫度和灼燒時(shí)間測定SOM是不合適的；在550～650 ℃區(qū)間段時(shí)，6組時(shí)段曲線離散型較小，趨于重合，且隨溫度增加后SOM呈緩慢上升趨勢，即在450 ℃以后，隨著灼燒時(shí)間增加，SOM增速放緩。在灼燒溫度相同時(shí)，灼燒4 h與灼燒6、8、10、12 h的SOM變化相差不大，即灼燒時(shí)間大于4 h以后，灼燒時(shí)間對SOM的影響較小，各時(shí)段曲線都大致重疊在一起，以線性方式增長到一，定值后趨于平緩，呈現(xiàn)出SOM隨灼燒溫度升高和灼燒時(shí)間增長呈先增加后趨于穩(wěn)定的趨勢，與前述結(jié)論一致。

圖5 相同土層位置SOM隨灼燒時(shí)間和灼燒溫度變化圖

2.2 重鉻酸鉀容量法與灼燒法之間的比較

重鉻酸鉀容量法是化學(xué)法的一種，是測定有機(jī)質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)方法，與受灼燒溫度、灼燒時(shí)間以及爐內(nèi)樣品位置等因素影響的灼燒法相比，實(shí)驗(yàn)誤差小，測定結(jié)果較準(zhǔn)確。就重鉻酸鉀容量法測定結(jié)果分析，A層SOM最高，達(dá)到21.85%，B層～E層分別為19.60%、8.19%、4.08%、3.97%，可以看出，越往下的土層，土壤有機(jī)質(zhì)含量越低。而采用灼燒法時(shí)，以灼燒溫度為450 ℃灼燒時(shí)間為4 h的測定結(jié)果進(jìn)行分析，A層～E層測得的土壤有機(jī)質(zhì)含量分別為24.38%、16.31%、13.91%、11.75%、10.80%?？梢娭劂t酸鉀容量法與灼燒法的測定結(jié)果均呈現(xiàn)SOM隨土層深度增加而降低的分布規(guī)律，即A層SOM值最高，土層深度越深，SOM值越低，這與董莉麗等[22]的研究結(jié)果一致。對于不同土層，越靠近上層的土壤有機(jī)質(zhì)含量越高，在一定范圍內(nèi)兩種方法測得的土壤有機(jī)質(zhì)含量差別較小，溫度和時(shí)間對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響越小。

如圖6所示，將重鉻酸鉀容量法和4個(gè)灼燒溫度下得到的結(jié)果進(jìn)行線性擬合發(fā)現(xiàn)，二者相關(guān)系數(shù)分別為0.71、0.73、0.74、0.76，有一定相關(guān)性，但相關(guān)性不高，如重鉻酸鉀容量法與灼燒法中溫度為650 ℃測定的結(jié)果相關(guān)性較差，相關(guān)系數(shù)為0.71。其原因主要是兩種方法測得的SOM隨土壤深度的變化是基本一致的，但在相同層位上兩種方法測得的SOM大小卻有所偏差。同時(shí)，由于灼燒法燒失物質(zhì)存在不確定性，影響因素較多，一般灼燒法測得的SOM均高于重鉻酸鉀容量法。所以，若對測定結(jié)果準(zhǔn)確度要求較高時(shí)，建議優(yōu)先采用重鉻酸鉀容量法；若確定有機(jī)質(zhì)含量較高、樣品量大且需快速測定時(shí)，可使用灼燒法，灼燒溫度為450 ℃，灼燒時(shí)間為4 h。

圖6 重鉻酸鉀容量法與灼燒法測定結(jié)果之間的關(guān)系

3 討論

綜上所述，A層土壤的SOM值始終高于其他土層，且A層～E層的土壤有機(jī)質(zhì)含量均呈現(xiàn)隨土層深度增加而降低的分布規(guī)律，這與董莉麗等[22]對漢康陵封土土壤有機(jī)質(zhì)含量測定的結(jié)果大體一致，土壤有機(jī)質(zhì)含量隨土層深度增加而減少。結(jié)合取樣點(diǎn)土壤剖面[圖2(a)]的宏觀特征進(jìn)行原因討論分析，取樣點(diǎn)植被覆蓋度較高且植被類型多樣，土壤表層10 cm范圍內(nèi)多為呈錯(cuò)落狀疊瓦結(jié)構(gòu)[23]的枯枝落葉層及腐殖質(zhì)層，土壤輕組有機(jī)質(zhì)[24](可分解的植物殘?bào)w)富集，50 cm范圍之內(nèi)分布有根系帶，整個(gè)剖面殘坡積特征明顯，100 cm范圍內(nèi)偶有夾雜玄武巖碎礫。A層為根系-有機(jī)質(zhì)富集帶以及枯枝落葉覆蓋層，各種生物殘?bào)w及微生物分解物腐化堆積，與下層土壤界面分層明顯，因此有機(jī)質(zhì)多富集于此層，土壤有機(jī)質(zhì)含量較高。有機(jī)質(zhì)與植被根系和動物活動及腐殖質(zhì)層、微生物群落相伴而生，隨著植被根系影響程度隨土壤深度減弱以及表層豐富有機(jī)質(zhì)向更深層次土壤輸送的限制，SOM降低也正常。此外，灼燒4 h后隨著灼燒溫度和灼燒時(shí)間的增加對有機(jī)質(zhì)含量測定存在影響，其原因是因?yàn)閷υ?05 ℃條件下烘干的樣品進(jìn)行350～450 ℃的灼燒時(shí)，該時(shí)間段主要完成的是絕大部分有機(jī)質(zhì)的灼燒，包括各種破碎植物體、動物殘骸、微生物及其分解合成的有機(jī)物質(zhì)，而在550 ℃和650 ℃這樣的較高溫度灼燒條件下，不僅完成了樣品有機(jī)質(zhì)的灼燒，還包括部分碳酸鹽、結(jié)構(gòu)水、礦物質(zhì)等的灼燒，導(dǎo)致結(jié)果偏大，對土壤有機(jī)質(zhì)的測定造成影響。

土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)中林木賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)[25]，在山區(qū)流域林下斜坡區(qū)，土壤中的有機(jī)質(zhì)含量不僅決定土壤肥力，還影響著植被的生長與土壤的結(jié)構(gòu)特征，間接影響著斜坡土壤水分的入滲和斜坡土壤的抗侵蝕性。在頭寨植被披覆的斜坡區(qū)，地表覆蓋的大量枯枝落葉層是土壤有機(jī)質(zhì)的主要來源，在表層一定深度范圍內(nèi)存在有大量的植被根系，加之動物活動性較強(qiáng)，動植物分泌、微生物活動、枯枝落葉層腐化形成的有機(jī)質(zhì)以及微生物分解產(chǎn)物是有機(jī)質(zhì)的主要組成部分。該區(qū)較高的SOM，促進(jìn)該地區(qū)植物的大量繁殖，而根系通道、動物通道等可以將有機(jī)質(zhì)輸送到土壤較深的部位，促進(jìn)和影響著土壤物理特征的演變。將重鉻酸鉀容量法與灼燒法(450 ℃、4 h)測定的SOM結(jié)果分別與土樣含水率w、天然密度ρ、干密度ρd和孔隙率n進(jìn)行擬合后發(fā)現(xiàn)，隨土壤深度增加，其含水率[圖7(a)]值波動較大，SOM和含水率無明顯關(guān)系可循，雖然土壤含水率受土壤有機(jī)質(zhì)含量、取樣時(shí)前期降雨、植被涵養(yǎng)水分功能等的影響，但明顯的是，頭寨植被披覆的斜坡區(qū)土壤含水率均較高，含水率均值為166.98%。同時(shí)，SOM與天然密度、干密度呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.85和0.73，且天然密度[圖7(b)]和干密度[圖7(c)]隨土壤深度增加均表現(xiàn)為增大，而與孔隙率呈正相關(guān)關(guān)系，隨土壤深度增加逐漸減小[圖7(d)]，最大值、最小值分別為83.28%、59.24%，這三者與供試土樣基本特征(表1)分布規(guī)律大體一致。

圖7 重鉻酸鉀容量法與灼燒法(450 ℃、4 h)測定的SOM與土樣基本參數(shù)之間的關(guān)系

土壤有機(jī)質(zhì)含量的變化差異較大，與氣候、植被、地形、土壤類型和耕作措施等因素密切相關(guān)，對于一般的土壤而言，SOM值多在0～5%，特殊的泥炭土可達(dá)20%，甚至30%以上[26]，可見，取樣區(qū)的土壤具有泥炭土高有機(jī)質(zhì)含量的性質(zhì)。同時(shí)，對比劉杰等[27]、陳莉莉等[28]、吳江琪等[29]對林下土壤有機(jī)質(zhì)及相關(guān)物理特征測定結(jié)果可知，頭寨斜坡取樣區(qū)土壤具有高孔隙度-低容重-高含水率的物理特征，而這種現(xiàn)象主要是由于高有機(jī)質(zhì)含量造成，因?yàn)橛袡C(jī)質(zhì)可以增強(qiáng)顆粒黏結(jié)性和促進(jìn)團(tuán)粒結(jié)構(gòu)形成，對土壤團(tuán)聚體形成過程和穩(wěn)定性方面有重要作用；此外，高有機(jī)質(zhì)土壤土質(zhì)松軟、多孔且呈絮狀，土壤透水透氣性較好，同時(shí)腐殖質(zhì)有巨大比表面積和親水基團(tuán)，能有效改善土壤有效持水量[26]。

4 結(jié)論

(1)灼燒法測定SOM受灼燒溫度和灼燒時(shí)間影響較大，相同灼燒溫度下，不同土層的SOM隨灼燒時(shí)間的變化一致，灼燒2 h燒失量顯著增加，后隨灼燒時(shí)間增加，測得的SOM有微小增加但增幅不大，灼燒至4 h以后，SOM基本穩(wěn)定不變；且灼燒溫度過高會導(dǎo)致試驗(yàn)測定結(jié)果偏高，所以灼燒法測定有機(jī)質(zhì)含量時(shí)溫度不宜超過450 ℃，時(shí)間可選擇4 h。

(2)灼燒法和重鉻酸鉀容量法測定結(jié)果表明A層土壤的SOM值始終高于其他土層，且SOM隨土壤深度增加而減小，規(guī)律一致，但相同層位的結(jié)果卻有所偏差，燒法燒失物質(zhì)存在不確定性，所以，若對結(jié)果準(zhǔn)確度要求較高時(shí)，建議優(yōu)先采用重鉻酸鉀容量法；若確定有機(jī)質(zhì)含量較高、樣品量大且快速測定時(shí)，建議使用灼燒法。

(3)有機(jī)質(zhì)對土壤結(jié)構(gòu)特征有著明顯影響，取樣區(qū)土壤高有機(jī)質(zhì)含量的性質(zhì)，導(dǎo)致具有高孔隙度-低容重-高含水率的物理特征。