土壤有機質和有機碳含量計算方法比較研究

王飛　秦方錦　吳丹亞　樓飛　岑湯校　葛超楠　史努益

摘 要：有機質水平常用作評價土壤肥力的首要指標，而土壤有機碳在全球氣候變化研究中有重要作用。新墾耕地表土中有相當比例的>2 mm礫石。為了準確評價新墾耕地的土壤肥力及其碳貯量，以寧波市寧海縣14個新墾耕地表土（0—30 cm）土樣為例，對表土有機質和有機碳含量計算方法進行了比較研究。結果表明：當這些樣品的計算包括大于2 mm的礫石時，有機質水平下降了22%（平均值從23.1 g/kg下降到18.0 g/kg）；按照美國農業部的計算方法，表土（0—30 cm）有機碳含量在1.97—8.97 kg/m2間，參照加拿大農業一農產品部評價標準，這些樣品的有機碳含量屬于低的水平。

關鍵詞：土壤有機質；土壤有機碳；計算方法；累積指數；礫石；新墾耕地

中圖分類號：S15 8.2

文獻標志碼：A

論文編號：2014-0698

0 引言

為加強耕地質量建設與管理，根據國土資源部農業部《關于加強占補平衡補充耕地質量建設與管理的通知》、農業部《關于補充耕地質量驗收評定工作規范》和浙江省農業廳《關于規范和加強補充耕地質量評定工作的通知》等文件精神，農業部門開展了新墾耕地質量評定工作，即通過對開發造地項目工程和肥力要素的調查分析，來綜合評定新墾耕地是否符合農業牛產基本條件。根據《浙江省耕地質量評定與地力分等定級技術規范（試行）》（以下簡稱《規范》），“耕層有機質含量”即是最重要的肥力要素。由于大多數低丘緩坡開發墾造的耕地表土中，礫石占了相當大的比例。如何計算其表土有機質和有機碳含量，對正確評估土壤肥力、指導作物合理施肥具有重要意義。

土壤與巖石的主要區別是有機質。土壤有機質（SOM）也稱作“土壤腐殖質”，其定義是除了土壤中未分解的各種動、植物殘體外的有機部分。有機質的品質和性質決定土壤形成過程方向以及牛物化學、化學、物理和土壤肥力性質。有機質影響所吸附的陽離子的組成和活性以及土壤顏色、能量平衡、容重、結持性和固相比重。有機質含量影響許多土壤性質，如持水量、交換性鹽基、團聚體穩定性、土壤通氣性以及供應氮、磷和微量養分的能力。因此土壤有機質含量是評價土壤質量的重要指標之一。然而實驗室測定土壤有機質含量時，一般僅包括通過2 mm篩部分，因此，是難以定量地估計一個土壤有機質含量的。

土壤有機碳通過土壤牛物和植物根系呼吸排放C02，是決定陸地牛態系統碳平衡的豐要因子。土壤有機碳較小幅度的變化，都有可能影響到碳向大氣的排放，結果以溫室氣體影響全球氣候變化。因此早在20世紀70年代，國際上就有學者開始對全球土壤有機碳進行估算，一般按土壤類型、植被類型、生命帶或以模型法作統計，并提出了土壤剖面有機碳密度的概念。由于各研究之間計算方法不一致，因此各研究結果之間差異較大。20世紀90年代，中國開始對中國土壤有機碳總量進行計算。由于不同研究者所采用的資料來源和統計樣本容量不同，以及不同研究者所采用的深度標準、統計方法存在差異，對土壤有機碳的估計差異也很大。

中國歷來對土壤有機質含量以通過2 mm篩部分為基數進行計算，至今仍以此方法作為評價土壤有機質含量分級標準。但對丘陵山地礫石含量高的土壤，按此法所測得的土壤有機質含量普遍較高，因而被賦予較高的農業牛產能力，這不符合客觀事實。因此，筆者以寧波市寧海縣2013年低丘緩坡墾造耕地項目為例，參照美國農業部和加拿大農業一農產品部有關標準，對表土有機質和有機碳含量計算方法進行了比較研究，旨在為準確估算土壤碳庫和合理施肥提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

寧海縣位于浙江省東部沿海、寧波市的南部，地處北緯29。06-29。32，東經121。09-121。49之間，屬沿海低山丘陵地區。總面積1843 km2，山地面積945 km2，平原面積805 km2。擁有耕地3.5萬hm2，林地l0.8萬hm2，灘涂2.6萬hm2，素有“七山二地一分田”之稱。

寧海屬亞熱帶季風性濕潤氣候區，常年以東南風為豐，氣候溫暖濕潤，四季分明，日照充足，雨水充沛，年平均氣溫15.3—17℃，年日照1900 h左右，平均相對濕度78%，年平均降水量1000—1600 mm，無霜期230天。

1.2 供試土壤

根據1994年浙江省土壤普查辦公室所編著的《浙江土壤》一書中浙江省土壤分類及中國國家標準《中國土壤分類與代碼》（GB/T 17296-2009），本研究的土壤分類屬紅壤土類黃紅壤亞類砂泥質黃紅壤土屬黃泥砂土土種（代碼A1321611）。此土種在浙江省分布廣泛，因此有一定代表性。

1.3 土壤樣品的采集和測定

根據《規范》要求，采集0—30 cm土層（30 cmx30 cmX30 cm）土樣，用篩分法，計算粒徑≥2 mm固體顆粒的重量百分比。

土壤樣品按農業部發布的農業行業標準中規定的方法進行檢測：按NY/T 1121.4-2006環刀法測定<2 mm土壤容重；按NY/T 1121.1-2006土樣制備方法和NY/T 1121.6-2006重鉻酸鉀容量法進行<2 mm土壤有機質含量測定。

1.4 土壤有機質和有機碳含量計算方法

（1）以<2 mm土壤干土重為基數的土壤有機質含量計算方法，見NY/T ll21.6-2006。

（2）以包括>2 mm礫石為基數的土壤有機質含量計算力‘法：<2 mm土壤有機質含量（g/kg）x（100->2 mm礫石含量）/100。

（3）按美國農業部自然資源保護局的土壤有機碳（C）累積指數的計算方法：土壤有機碳累積指數（kg/m2）=Wt。。XO.1xpxllcm，×Cm，

其中：Wt。為以<2 mm土壤為基數的有機碳（C）含量百分數（%）；0.l為轉換因子，常數；p為<2 mm土壤容重（g/cm3）；Hcm為土層厚度（cm）；Cm為>2 mm礫石轉換系數，如無礫石，Cm=l；如有礫石，Cm計算如下：

Cm =（100->2 mm礫石體積%）/100

>2 mm礫石體積%計算如下：

P>2mm={（A/B）/[（A/B）+（100-A）/C]}×100

其中：P>2 mm為>2 mm礫石體積%；A為>2 mm部分重量百分數（%）；B為>2 mm部分容重（g/cm3），如無測定值，可用2.65 g/cm3；C為<2 mm土壤容重（g/cm3），如無測定值，礦質土壤可用1.45 g/cm3。

1.5 土壤有機質和有機碳含量評價標準

（1）采用《規范》中“工程與肥力要素評價標準”，對測定的土壤有機質含量（<2 mm土壤，g/kg）進行牛產能力賦值：<5 g/kg，0.2分；5～10 g/kg，0.4分；10～15 g/kg，0.6分；15～20 g/kg，0.8分；>20 g/kg，1分。

（2）對包括大于2 mm礫石為基數計算的有機質含量（g/kg）進行生產能力賦值，標準同上。

（3）按加拿大農業一農產品部土地和牛物資源研究中心標準對表土0～30 cm有機碳（C）含量（kg/m2）進行評價，從低到高分級為：<1.7 kg/m2； 1.7～4.9 kg/m2； 4.9～14 kg/m2； 14～35 kg/m2； 35～69 kg/m2； >69 kg/m2.

1.6 數據分析

采用Excel 2003進行數據處理與分析。

2 結果與分析

2.1 表土土壤有機質含量計算方法的校正及評價

由于有機碳是土壤有機質的豐要成分，因此NY/T 1121.6-2006標準中，用測定土壤有機碳來問接地求得有機質，即用測得的有機碳值乘以范貝梅倫系數（Van Bemmelen Factor=1.724）來計算有機質含量。

由于用NY/T 1121.6-2006標準測定的是以<2 mm土壤為基數的有機質含量，不包含>2 mm礫石含量，因此有必要對測定值進行校正，即將>2 mm礫石含量計算在內。

從表1可以看出，以包括>2 mm礫石為基數計算時，14個采樣點土壤有機質平均含量已由測定時的23.1 g/kg降至18.0 g/kg，降幅達22%，牛產能力賦值也由0.86分降低到0.71分，降幅達19%。尤其是8號土樣>2 mm礫石含量達44%，該土壤應劃為粗骨土類酸性粗骨土亞類。

2.2 土壤有機碳按累積指數法的計算及評價

1995年美國農業部自然資源保護局在《土壤調查實驗室信息手冊》第一版中就提出了土壤有機碳累積指數accumulation index）的概念和計算方法，到2011年該手冊第二版得到進一步規范：這一計算方法的另一術語是碳貯量（C stocks），其定義是碳庫（carbonpool）含有的碳的數量，意思是貯藏庫或系統中累積或釋放碳的能力，以土層深度為1m時，每平方米所貯存的有機碳（C）數量（kg/m2）來表示。

寧海縣低丘緩坡墾造耕地表土（0～30 cm）有機碳含量按累積指數法計算結果見表2，按加拿大農業一農產品部標準，除3號和4號土樣的有機碳含量在4.9～14 kg/m2外，其余12個土樣的有機碳含量均在1.7～4.9 kg/m2范圍內，可見總體上來說，所分析的土樣有機碳含量是低的。

3 結論與討論

3.1 土壤有機質含量計算的改進

對于礫石占比大的土壤如新墾耕地等，以包括大于2 mm的礫石含量為基數進行有機質含量計算，其值較為符合實際牛產能力。中國第二次土壤普查時也有類似情形，如浙江省的酸性粗骨土亞類石砂土（礫石含量28%，2～0.02 mm砂粒含量50%）<2 mm部分有機質的含量高達53 g/kg，但這些土壤的農業牛產能力均為低下。

另外，中國在20世紀50年代至70年代土壤粒級及質地分類用的是卡慶斯基制，即>1 mm為礫石；到第二次土壤普查時改為國際制，而中國土壤系統分類用的是美國農部制，都以>2 mm為礫石；但中國在采用國際制質地分類時并未考慮礫石含量。因此筆者認為，對礫石占比大的土壤質地分類及其有機質含量計算方法有必要進一步研究和明確，并在有關標準中予以規定。

3.2 土壤有機質含量的表達方式

范貝梅倫系數假定土壤有機質含有58%有機碳，實際上該系數在土壤與土壤之問，以及同一土壤剖面的不同深度，都會有所變化。從土壤學發展的觀點看，土壤成分數量表達的統一系統是必不可少的。因此，有機碳含量一詞比有機質含量更好，因為后者不是一個適宜的或準確可量度的實體。

為準確評估土壤碳庫，筆者認為應從國家層面上建立統一的土壤碳貯量計算方法。本研究引入土壤有機碳累積指數的概念，可供參考。

值得注意是，加拿大表土（0—30 cm）碳含量圖上還標出了3種圖例：l00%巖石（轉換系數為0），100%冰和100%水。100%巖石在第二次土壤普查時，浙江省稱為“巖禿”，據統計浙江省“巖禿”面積達27888 hm2，占浙江省土壤面積的0.29%，這部分面積當時均歸到酸性粗骨土亞類中石砂土，這就是說石砂土有機質含量沒有原統計值高。另外，中國青藏高原等地的冰川（永凍土）的有機質含量計算也值得進一步研究。

3.3 本研究在作物施肥上的應用

對于無礫石的土壤，<2 mm土壤有效氮、磷、鉀等養分測定結果可基本上反映該土壤養分供給能力；但對于含有礫石的土壤，有必要循本文思路，對其測定值進行換算，并及時補充有關養分。但肥料一次不能施用太多，因過量施肥會引起土壤養分濃度過高，造成傷苗，甚至減產。

3.4 結論

綜合以上對土壤有機質含量計算的比較分析表明，以包括>2 mm的礫石含量為基數的有機質含量計算值，要優于僅包括過2 mm篩的測定值；而引進的土壤有機碳累積指數的計算方法，對土壤碳貯量從體積上有了統一而又較為準確的計算方法，值得推廣和應用。