萬榮縣土壤有機碳與有機質分布特征及其轉化系數的評估

劉虎王嘉偉周林康

(1.太原碧藍水利工程設計有限公司，山西 太原 030024；2.太原理工大學水利科學與工程學院，山西 太原 030024)

近年來，由于人類活動(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過程，引起各種極端天氣(颶風、洪水、森林火災等)和極端現象(冰川消融、海平面上升等)的頻發[1]。作為受人類活動干擾最大的生態系統之一，農業生態系統一直是人們所關注的焦點。大量研究表明，實行合理的農田管理措施(如保護性耕作)，不僅對農田中碳的固持產生積極影響，從而緩解全球氣候變暖的問題；而且可以改善農田土壤結構，促進農田生態系統的可持續發展[2，3]。

SOM指存在于土壤中的所有含碳的有機物質，SOC指通過微生物作用所形成的腐殖質、動植物殘體和微生物體的合稱。作為SOM的主要組成部分，SOC是衡量土地肥力，維持作物正常生長的物質基礎[4]，其可通過碳源/碳匯的方式參與到全球碳循環中，對全球氣候變化也有著顯著影響[5]。因此，進行地區SOC空間分布特征的研究，對于評價地區土地肥力、促進碳的固持等都具有重要意義[6]。

SOC可以通過各種方法進行測定，其中實驗室中常用的方法是重鉻酸鉀氧化外加熱法，盡管其很有價值，但是操作繁瑣，效率低下并且會污染環境，其它的方法如元素分析儀[7]、紅外碳硫儀[8]等價格昂貴，限制了其大規模應用。SOM建模可以為SOC提供一種更便宜、更快速的測定方法。近年來，統計回歸模型和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模型對伊朗不同地區80多個土壤樣本進行建模，結果表明，ANN模型能夠準確估算該地區SOC含量。

本文以山西省萬榮縣為研究區，協同多個樣本采集數據，繪制出萬榮縣SOC與SOM空間分布圖，并探究了SOC與SOM存在的轉換關系，為實現因地制宜，促進土地可持續利用提供一定的科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

萬榮縣位于山西省西南，運城地區西北部，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。研究區地勢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，根據地貌分區原則，可分為基巖山區、低山丘陵區、山前傾斜平原、黃土高原區及沖洪積平原區5類。研究區屬溫帶大陸性季風氣候，常年平均氣溫12.0℃，年均降雨量522.2mm，日照時數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。研究區天然水系比較缺乏，僅有部分黃河和汾河支流流入該區域。研究區土壤類型主要以褐土為主，占研究區總面積的86.92%。主要農作物有小麥、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，采樣地點遍布研究區各個鄉鎮，并選擇遠離工業和城市的耕地土壤作為采樣地點，見圖2，于2023年5—6月進行人工挖掘并采集耕作層(0～30cm)土樣。本研究共涉及采樣點76個，根據地貌類型、面積大小及質量等級等條件適當增加或減少樣本密度。

1.3 土樣測定

在測定開始前要去除土壤中的石塊、植物根系及動植物殘體等雜質，將土樣在自然狀態下風干。采用重鉻酸鉀容量法測定SOC含量，采用干燒法測定SOM含量。

1.4 數據分析

利用SPSS 27分析與處理土樣數據，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 模型精度的評定

本研究采用模型的決定系數R2、誤差百分比Pe[12]及一致化指標d[13]等統計參數對模型模擬結果進行評定。模型評定計算公式：

(1)

(2)

(3)

2 結果與分析

2.1 SOC分布概況

研究表明，在0～30cm土壤刨層內，萬榮縣SOC處于9～14g·kg-1，見圖3。根據土壤有機碳分級標準中分的5個等級(極低、低、中、高、極高)，萬榮縣SOC大部分處于中等級(10～15g·kg-1)，少部分處于低等級(5～10g·kg-1)。由圖2可知，萬榮縣SOC整體上呈現出由東北向西南遞增的趨勢，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和王顯鄉一帶，而最低處集中于萬榮縣東北偏下的通化鎮和解店鎮一帶，可能與當地土壤質地及農田管理情況相關。

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，萬榮縣SOM處于13～22g·kg-1，見圖4，低于全國農田平均有機質含量(24.65g·kg-1)。全國第二次土地普查曾按有機質含量將SOM分為6個等級：≤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含量最低點集中于萬榮縣北部的通化鎮一帶，最高點集中于萬榮縣西南部的榮河縣與王顯鄉一帶。

圖4 萬榮縣SOM等值線圖

2.3 SOC與SOM相關性分析

SOC與SOM 2個概念涵義相同，量綱有所區別。SOC含量是以純碳含量進行計算的，而SOM含量則是以總有機物質含量進行計算的。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，因為SOC可以直接使用重鉻酸鉀外加熱法測定的數值來表示，不需要乘以任何系數。兩者之間的換算：

SOM=SOC×1.724

SOC=SOM×0.58[14]

式中，2個換算系數1.724和0.58為通用的換算系數(Van Bemmelen轉化系數)，實際中換算系數會隨著土壤中有機物質組成的變化而變化。

由圖5可知，大多數數據點都高于y=0.58x的直線，因此，采用Van Bemmelen轉化系數將低估SOC含量；而大多數數據點都均勻分布于y=0.665x線的兩側，可以較好地反映萬榮縣SOC與SOM的真實關系。

圖5 萬榮縣SOC和SOM線性擬合圖

由表1可知，采用Van Bemmelen轉化系數，SOC含量將偏低估計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轉化系數進行SOC-SOM轉換可以接受但不是很理想。而使用0.665作為轉換系數時，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，遠超極限值0.7。因此，使用0.665作為轉換系數，可以很好地進行萬榮縣SOC與SOM之間的轉換。

表1 萬榮縣SOC與SOM回歸曲線

3 結語

SOC和SOM作為反映土壤質量的2個重要指標，對于衡量土壤肥力、維持作物正常生長乃至實現固碳減排目標發揮著無可替代的作用。本文收集分析了萬榮縣各個鄉鎮共76個土樣數據，繪制出SOC與SOM空間分布圖，并建立SOM-SOC轉換系數，得出以下結論。

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在水平空間上呈現出東北低、西南高的趨勢，地域分級較為明顯。

Van Bemmelen轉換系數(0.58)作為一個通用的轉化系數，并不適用于所有地區，僅適用特定土壤質地或特定有機質組成的地區。本文SOC-SOM轉化系數為0.655，其R2、Pe及d皆優于0.58，可以很好地反映萬榮縣SOC與SOM之間的轉換關系。