土壤容重數據的不確定性對有機碳密度估算的影響

李秀芝, 胡聰月, 王德彩, 韓光中*

(1. 內江師范學院 地理與資源科學學院, 四川 內江 641112; 2. 河南農業大學 林學院, 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].如果全球土壤有機碳(SOC)的10%轉化為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對大氣中CO2的濃度產生很大影響[4-5],土壤有機碳儲量(SOCS)估算的研究也因此成為國內外研究的焦點.但是目前中國對土壤有機碳密度(SOCD)估算并沒有形成統一標準或規范.由于學者們的研究方法和角度不同,使得SOCS的估算結果存在較大差異[6-11],這也成為不同區域SOCS評估和比較的重要障礙.為提高中國SOCS的估算精度,部分學者對導致SOCD估算存在的不確定性因素進行了探討[11-15].如于東升等[11]詳細分析了不同SOCD計算方法之間的差異.金峰等[12]探討了一種較為精確的SOCD計算方法.王紹強等[13]對實際剖面厚度與標準1 m厚度兩種方式估算結果進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.但當前的研究很少關注土壤容重對SOCD估算的影響.理論上,土壤容重的測定很簡單(干土質量/總體積).實際上,土壤容重多以環刀法測定[16-17],需要挖掘土壤標準剖面,在操作上費時費力.這也是我國大多數土壤數據庫缺失或部分缺失土壤容重數據的原因之一.以全國第二次土壤普查成果資料[18-22]為例,土壤容重數據信息完整度低于15%[23].另外,當土壤中礫石、根系等非土壤物質較多時,環刀法經常會錯誤評估土壤細土物質的容重(細土容重).這些土壤容重數據的不確定性因素會影響實際的SOCD估算.了解中國土壤容重數據的不確定性對SOCD估算的影響,對準確評估區域乃至全國SOCD或SOCS具有重要意義.

1材料與方法

1.1 數據收集收集了中國第二次土壤普查成果資料[18-22]和中國土壤系統分類資料[24-27].其中,第二次土壤普查成果資料,通過與中國土壤系統分類的近似參比[28-31],轉化成土壤系統分類體系.通過對數據進行質量篩選,剔除部分異常值,現有完整的2 441個數據.由于鐵鋁土、富鐵土、干旱土、灰土、火山灰土等土綱土壤容重數據匱乏,因此本研究未涉及.

在河南省濟源市南山林場(年均氣溫為14.6 ℃,年均降水量860 mm,成土母質主要為砂巖和頁巖,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.在甘肅瑪曲縣歐拉鄉(年均氣溫1～2 ℃, 年均降水量596 mm,成土母質主要為沙質沖洪積物,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.

1.2 樣品采集與分析土壤容重和SOC等基本理化性質測定方法參照文獻[32].

1) 礫石質量比:采用環刀取樣,取樣體積固定，記為V環刀.對土壤樣品中的礫石和細土部分進行篩分,105 ℃烘至恒重后分別稱重,

礫石質量比(%)=礫石質量/總質量.

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環刀.

3) 根系質量比:采用環刀取樣,用內徑5 cm環刀在0～40 cm土層每10 cm層取土柱,共4層,重復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,稱干質量,

根系質量比(%)=根系質量/總質量.

4) 根系體積比:用內徑5 cm環刀在0～40 cm土層每10 cm層取土柱,重復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SOC的總量;θi為第i層>2 mm礫石或根系等非土壤物質體積分數(%);ρi為第i層細土容重(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為參與計算的土壤層次總數.鑒于中國第二次土壤普查成果資料中土壤剖面厚度不一,本文只計算了0～20 cm厚度的SOCD.

1.4 統計分析方法應用統計分析軟件SPSS 13.0,采用相關分析和逐步回歸分析研究土壤容重對SOCD估算的影響.主要利用平均誤差(MPE)、均方根差(RMSPE)和R2對估算精度進行檢驗,計算公式分別為:

(2)

(3)

(4)

2 結果與討論

2.1 礫石和根系對容重測定的影響土壤容重用環刀法取樣時通常會避開礫石,減少礫石的影響.但對一些礫石含量較高的土壤而言,礫石的存在不可避免的會對細土容重的測定結果產生影響.假設環刀取樣的體積為V環刀,取樣中礫石和細土的體積分別為V礫石和V細土.對應的原狀土取樣總重為m(礫石和細土),礫石和細土的質量分別為m礫石和m細土.原狀土容重BD原狀為

細土容重BD細土為

采樣于河南省濟源市土壤的測定結果顯示,原狀土容重和細土容重的差值 (BD原狀-BD細土)介于0～0.98 g/cm3,均值為0.15 g/cm3.環刀法在測定富含礫石土壤的容重時會高估細土容重,其高估率(BD原狀-BD細土)/BD原狀與礫石質量分數和體積分數均呈極顯著正相關(圖1).

根系也會對容重的測定結果產生影響.假設環刀取樣的體積為V環刀,取樣中根系和細土的體積分別為V根和V細土.對應的原狀土取樣總重為m(根系和細土),根系和細土的質量分別為m根和m細土.原狀土容重為

BD原狀=m/V環刀,

細土容重為

采樣于甘肅省瑪曲縣土壤的測定結果顯示,原狀土容重和細土容重的差值(BD原狀-BD細土)介于-0.11～-0.31 g/cm3,均值為-0.21 g/cm3.環刀法在測定富含根系土壤的容重時會低估細土容重,其低估率(BD細土-BD原狀)/ BD原狀與根系質量分數和體積分數均呈極顯著正相關(圖1).

圖1 礫石和根系對細土容重測定的影響

2.2 礫石和根系對SOCD估算的影響對富含礫石的土壤而言,傳統方法通常利用原狀土容重去估算SOCD,這會高估SOCD.河南省濟源市土壤的估算結果顯示,SOCD的高估率(SOCD原狀-SOCD細土)/SOCD原狀介于-1.5%～45.5%,均值為13.7%,其與礫石質量分數和體積分數均呈極顯著正相關(P< 0.05)(圖2).

圖2 礫石和根系對SOCD估算的影響

對富含根系的土壤而言,傳統方法通常忽略根系的影響,這也會高估SOCD.圖2甘肅省瑪曲縣土壤的估算結果顯示,SOCD的高估率(SOCD原狀-SOCD細土)/ SOCD原狀介于2.4%～8.5%,均值為6.0%,其與根系質量分數和體積分數均呈極顯著正相關(P< 0.05).

為了提高SOCD的估算精度,通過SPSS 統計軟件對典型區土壤數據進行逐步回歸分析,建立細土容重的換算函數.其中,自變量包括原狀土容重、礫石質量分數、礫石體積分數、根系質量分數、根系體積分數等數據資料.同時對部分土壤屬性進行了換算,包括礫石和根系含量的平方.這是因為相關分析研究表明這些參數與細土容重關系密切.因變量為細土容重或細土容重和原狀土容重的比值(BD細土/BD原狀).將建立的模型進行比較,最后得到最優細土容重換算函數如下:

BD細土=BD原狀(-0.000 26X2+0.990),

R2= 0.920,

BD細土= 1.299 BD原狀+0.010Y-0.307,

R2= 0.988,

式中,BD細土為細土容重(g/cm3),BD原狀為原狀土容重(g/cm3),X為礫石質量分數(%),Y為根系體積分數(%).

富含礫石或根系的土壤,以原狀土容重估算SOCD的結果和利用細土容重估算的結果相比,MPE值分別為0.347和0.714,RMSPE值分別為0.456和0.767.以換算函數得到的細土容重數據估算SOCD的結果和利用細土容重估算的結果相比,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和散點圖(圖3),細土容重換算函數能大幅度提高SOCD的估算精度.

圖3 細土容重數據精度對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,使研究結論在應用時存在一定的局限性和不確定性.在實際應用過程中,研究人員可根據實際測定的礫石密度或者根系密度再結合本文提議的換算方法對細土容重數據進行換算,提高估算精度.

2.3 土壤容重缺失數據的填補方法對SOCD估算的影響土壤容重數據的缺失會限制對已有數據庫的開發利用.現有的研究通常利用土壤容重傳遞函數或容重平均值對缺失容重數據進行填補,以用于模型相關估算.對中國大部分土壤類型而言,利用土壤容重均值估算SOCD的結果和利用測量容重估算的結果相比,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高估SOCD.其中,有機土和潛育土的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時需特別小心.同時利用中國不同土壤類型的最優土壤容重傳遞函數[33]獲得土壤容重數據用于SOCD估算.此方法估算的結果和利用測量容重估算的結果相比,MPE和RMSPE值分別介于-0.29～0.52 和0.15～4.11.綜合比較MPE、RMSPE和散點圖,如圖4所示.

圖4 土壤容重缺失數據的填補方法對SOCD估算的影響

當土壤容重數據缺失時,利用土壤容重傳遞函數獲得土壤容重數據能大幅度提高SOCD的估算精度.

3 結論

我國土壤容重數據的不確定性主要來源于兩個方面:一些非土壤性物質導致的細土容重測定結果的偏差;已有土壤數據庫土壤容重數據的缺失.通常礫石會高估細土容重，根系會低估細土容重,其高估率或低估率與其質量分數和體積分數呈極顯著正相關.當土壤中的礫石和根系較多時,傳統的估算方法均會高估SOCD,高估率分別介于-1.5%～45.5%和2.4%～8.5%.可根據礫石或根系的含量,利用提議公式對容重數據進行換算,提高SOCD的估算精度.當土壤容重數據缺失時,利用土壤容重傳遞函數預測土壤容重能明顯提高SOCD的估算精度.

致謝內江師范學院校級科研項目(17JC25)對本文給予了資助,謹致謝意.