萬榮縣土壤有機(jī)碳與有機(jī)質(zhì)分布特征及其轉(zhuǎn)化系數(shù)的評(píng)估

劉虎王嘉偉周林康

(1.太原碧藍(lán)水利工程設(shè)計(jì)有限公司，山西 太原 030024；2.太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024)

近年來，由于人類活動(dòng)(化石能源燃燒、土地不合理利用等)造成大量碳排放到大氣中，破壞了正常的碳循環(huán)過程，引起各種極端天氣(颶風(fēng)、洪水、森林火災(zāi)等)和極端現(xiàn)象(冰川消融、海平面上升等)的頻發(fā)[1]。作為受人類活動(dòng)干擾最大的生態(tài)系統(tǒng)之一，農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)一直是人們所關(guān)注的焦點(diǎn)。大量研究表明，實(shí)行合理的農(nóng)田管理措施(如保護(hù)性耕作)，不僅對(duì)農(nóng)田中碳的固持產(chǎn)生積極影響，從而緩解全球氣候變暖的問題；而且可以改善農(nóng)田土壤結(jié)構(gòu)，促進(jìn)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展[2，3]。

SOM指存在于土壤中的所有含碳的有機(jī)物質(zhì)，SOC指通過微生物作用所形成的腐殖質(zhì)、動(dòng)植物殘?bào)w和微生物體的合稱。作為SOM的主要組成部分，SOC是衡量土地肥力，維持作物正常生長(zhǎng)的物質(zhì)基礎(chǔ)[4]，其可通過碳源/碳匯的方式參與到全球碳循環(huán)中，對(duì)全球氣候變化也有著顯著影響[5]。因此，進(jìn)行地區(qū)SOC空間分布特征的研究，對(duì)于評(píng)價(jià)地區(qū)土地肥力、促進(jìn)碳的固持等都具有重要意義[6]。

SOC可以通過各種方法進(jìn)行測(cè)定，其中實(shí)驗(yàn)室中常用的方法是重鉻酸鉀氧化外加熱法，盡管其很有價(jià)值，但是操作繁瑣，效率低下并且會(huì)污染環(huán)境，其它的方法如元素分析儀[7]、紅外碳硫儀[8]等價(jià)格昂貴，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。SOM建模可以為SOC提供一種更便宜、更快速的測(cè)定方法。近年來，統(tǒng)計(jì)回歸模型和AI模型(包括ANN、RBF以及圖像處理等)已被用于SOM建模。如，Ataeean[9]等使用基于圖像處理的ANN和MLR模型對(duì)伊朗不同地區(qū)80多個(gè)土壤樣本進(jìn)行建模，結(jié)果表明，ANN模型能夠準(zhǔn)確估算該地區(qū)SOC含量。

本文以山西省萬榮縣為研究區(qū)，協(xié)同多個(gè)樣本采集數(shù)據(jù)，繪制出萬榮縣SOC與SOM空間分布圖，并探究了SOC與SOM存在的轉(zhuǎn)換關(guān)系，為實(shí)現(xiàn)因地制宜，促進(jìn)土地可持續(xù)利用提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

萬榮縣位于山西省西南，運(yùn)城地區(qū)西北部，見圖1，地處N110°25′52″～110°59′40″，E35°13′45″～35°31′40″[10]，陸地面積約為1081.5km2，其中耕地面積6.8萬hm2。研究區(qū)地勢(shì)總體為東南高西北低，最高海拔1411.2m，最低海拔354m。地貌類型多樣，根據(jù)地貌分區(qū)原則，可分為基巖山區(qū)、低山丘陵區(qū)、山前傾斜平原、黃土高原區(qū)及沖洪積平原區(qū)5類。研究區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，常年平均氣溫12.0℃，年均降雨量522.2mm，日照時(shí)數(shù)2364h，無霜期為190d左右[11]。四季分明，冬季雨雪稀少，春季干旱少雨，夏季酷熱多雨，秋季降溫迅速。研究區(qū)天然水系比較缺乏，僅有部分黃河和汾河支流流入該區(qū)域。研究區(qū)土壤類型主要以褐土為主，占研究區(qū)總面積的86.92%。主要農(nóng)作物有小麥、玉米、蘋果、柿子及藥材等。

1.2 樣品采集

為反映萬榮縣SOC的整體分布特征，采樣地點(diǎn)遍布研究區(qū)各個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，并選擇遠(yuǎn)離工業(yè)和城市的耕地土壤作為采樣地點(diǎn)，見圖2，于2023年5—6月進(jìn)行人工挖掘并采集耕作層(0～30cm)土樣。本研究共涉及采樣點(diǎn)76個(gè)，根據(jù)地貌類型、面積大小及質(zhì)量等級(jí)等條件適當(dāng)增加或減少樣本密度。

1.3 土樣測(cè)定

在測(cè)定開始前要去除土壤中的石塊、植物根系及動(dòng)植物殘?bào)w等雜質(zhì)，將土樣在自然狀態(tài)下風(fēng)干。采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定SOC含量，采用干燒法測(cè)定SOM含量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用SPSS 27分析與處理土樣數(shù)據(jù)，利用ArcGIS 10.6繪制SOC等值線圖與SOM等值線圖，利用Origin 2019繪制SOC與SOM的線性擬合圖。

1.5 模型精度的評(píng)定

本研究采用模型的決定系數(shù)R2、誤差百分比Pe[12]及一致化指標(biāo)d[13]等統(tǒng)計(jì)參數(shù)對(duì)模型模擬結(jié)果進(jìn)行評(píng)定。模型評(píng)定計(jì)算公式：

(1)

(2)

(3)

2 結(jié)果與分析

2.1 SOC分布概況

研究表明，在0～30cm土壤刨層內(nèi)，萬榮縣SOC處于9～14g·kg-1，見圖3。根據(jù)土壤有機(jī)碳分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中分的5個(gè)等級(jí)(極低、低、中、高、極高)，萬榮縣SOC大部分處于中等級(jí)(10～15g·kg-1)，少部分處于低等級(jí)(5～10g·kg-1)。由圖2可知，萬榮縣SOC整體上呈現(xiàn)出由東北向西南遞增的趨勢(shì)，東北部大部分位于10～11g·kg-1，西南部大部分處于12～14g·kg-1，地域分級(jí)較為明顯，但跨度不是很大。其中，SOC含量最大處集中于萬榮縣西南部的榮河鎮(zhèn)和王顯鄉(xiāng)一帶，而最低處集中于萬榮縣東北偏下的通化鎮(zhèn)和解店鎮(zhèn)一帶，可能與當(dāng)?shù)赝寥蕾|(zhì)地及農(nóng)田管理情況相關(guān)。

圖3 萬榮縣SOC等值線圖

2.2 SOM分布概況

研究表明，在0～30cm土壤刨層內(nèi)，萬榮縣SOM處于13～22g·kg-1，見圖4，低于全國(guó)農(nóng)田平均有機(jī)質(zhì)含量(24.65g·kg-1)。全國(guó)第二次土地普查曾按有機(jī)質(zhì)含量將SOM分為6個(gè)等級(jí)：≤6g·kg-1、6～10g·kg-1、10～20g·kg-1、20～30g·kg-1、30～40g·kg-1、>40g·kg-1，由此可見，萬榮縣SOM含量處于中等偏下水平。由圖3可知，萬榮縣SOM空間分布情況與SOC類似，仍然是西南高，東北低，中間處于中等水平。其中，SOM含量最低點(diǎn)集中于萬榮縣北部的通化鎮(zhèn)一帶，最高點(diǎn)集中于萬榮縣西南部的榮河縣與王顯鄉(xiāng)一帶。

圖4 萬榮縣SOM等值線圖

2.3 SOC與SOM相關(guān)性分析

SOC與SOM 2個(gè)概念涵義相同，量綱有所區(qū)別。SOC含量是以純碳含量進(jìn)行計(jì)算的，而SOM含量則是以總有機(jī)物質(zhì)含量進(jìn)行計(jì)算的。年份較早的著作和論文中主要使用的是SOM這一概念，而近年來逐漸采用SOC這一概念，因?yàn)镾OC可以直接使用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定的數(shù)值來表示，不需要乘以任何系數(shù)。兩者之間的換算：

SOM=SOC×1.724

SOC=SOM×0.58[14]

式中，2個(gè)換算系數(shù)1.724和0.58為通用的換算系數(shù)(Van Bemmelen轉(zhuǎn)化系數(shù))，實(shí)際中換算系數(shù)會(huì)隨著土壤中有機(jī)物質(zhì)組成的變化而變化。

由圖5可知，大多數(shù)數(shù)據(jù)點(diǎn)都高于y=0.58x的直線，因此，采用Van Bemmelen轉(zhuǎn)化系數(shù)將低估SOC含量；而大多數(shù)數(shù)據(jù)點(diǎn)都均勻分布于y=0.665x線的兩側(cè)，可以較好地反映萬榮縣SOC與SOM的真實(shí)關(guān)系。

圖5 萬榮縣SOC和SOM線性擬合圖

由表1可知，采用Van Bemmelen轉(zhuǎn)化系數(shù)，SOC含量將偏低估計(jì)12.6%，雖未超過誤差限15%，但已接近；R2為0.619，低于0.7，處于一般擬合水平；d為0.881，超過極限值0.7。因此，使用Van Bemmelen轉(zhuǎn)化系數(shù)進(jìn)行SOC-SOM轉(zhuǎn)換可以接受但不是很理想。而使用0.665作為轉(zhuǎn)換系數(shù)時(shí)，誤差百分比Pe僅為0.2%；R2為0.802，高于0.7，擬合水平為極好；d為0.941，遠(yuǎn)超極限值0.7。因此，使用0.665作為轉(zhuǎn)換系數(shù)，可以很好地進(jìn)行萬榮縣SOC與SOM之間的轉(zhuǎn)換。

表1 萬榮縣SOC與SOM回歸曲線

3 結(jié)語

SOC和SOM作為反映土壤質(zhì)量的2個(gè)重要指標(biāo)，對(duì)于衡量土壤肥力、維持作物正常生長(zhǎng)乃至實(shí)現(xiàn)固碳減排目標(biāo)發(fā)揮著無可替代的作用。本文收集分析了萬榮縣各個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)共76個(gè)土樣數(shù)據(jù)，繪制出SOC與SOM空間分布圖，并建立SOM-SOC轉(zhuǎn)換系數(shù)，得出以下結(jié)論。

萬榮縣SOC處于9～14g·kg-1，SOM處于13～22g·kg-1，均處于中等偏下水平。萬榮縣SOC與SOM在水平空間上呈現(xiàn)出東北低、西南高的趨勢(shì)，地域分級(jí)較為明顯。

Van Bemmelen轉(zhuǎn)換系數(shù)(0.58)作為一個(gè)通用的轉(zhuǎn)化系數(shù)，并不適用于所有地區(qū)，僅適用特定土壤質(zhì)地或特定有機(jī)質(zhì)組成的地區(qū)。本文SOC-SOM轉(zhuǎn)化系數(shù)為0.655，其R2、Pe及d皆優(yōu)于0.58，可以很好地反映萬榮縣SOC與SOM之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。