CN103018401A

CN103018401A - 一种飞播林沙质土壤有机碳储量测定的方法

Info

Publication number: CN103018401A
Application number: CN2012105377715A
Authority: CN
Inventors: 王让会; 曹华
Original assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Priority date: 2012-12-13
Filing date: 2012-12-13
Publication date: 2013-04-03

Abstract

本发明提供一种飞播林沙质土壤有机碳储量测定方法，提升人工林沙质土壤C储量测算精度，指导干旱半干旱区以植树种草为核心的CO₂生物减排工程的规划、设计及客观实践。

Description

一种飞播林沙质土壤有机碳储量测定的方法

技术领域

本发明公布了一种人工林沙质土壤有机碳储量的测定方法，属生态工程技术、环境监测技术等领域。

背景技术

生态系统是维护生态稳定性，保障生态安全的重要资源，生态系统是由生物与环境组成的功能单位，土壤作为生态系统的重要环境因子之一，是生态功能发挥的重要媒介。而土壤碳库作为陆地生态系统重要的C库，是全球碳循环的重要组成部分，在全球C收支中占主导地位。干旱半干旱区分布有大面积的沙质土壤，该类土壤的碳循环的作用，直接制约着生态系统生态过程的特征及规律。

土壤是生态系统中重要的组成要素，土壤理化性质、土壤养分、土壤微生物数量等指标是综合反映土壤性能的重要参数，土壤是植被正常生长发育的基础和保证，同时，植被的演替对土壤性能有重要影响(Anderson T H. ,2003;Doran J W,et al,2000)。目前国内外土壤效应的研究主要针对上述指标及其相互关系进行。土壤理化性质是影响土壤生态过程的内在条件，对土壤的生物学、肥、水等过程有一定的调节作用，有研究表明，森林砍伐会破坏土壤结构，使土壤容重变大，从而导致土壤易于侵蚀。土壤养分是植物生长的基本要素，其含量大小直接关系到植物的生长、发育，国外对土壤有机碳储量的研究相对较早，大量研究表明，毁林会使20-50%的土壤有机碳流失(Silveria A M,et al,2000)，同时相应的全氮、C/N、速效磷、全磷等营养元素也会明显下降，目前土地利用对土壤有机碳的影响成为国内外的研究热点，在经过不同类型的土地利用后，土壤碳库的形式产生了质的改变，使其既可以成为大气中CO2的“汇”，也可能变成“源”。国内诸多学者对水土保持林改良、植被类型改良等土壤效应进行了研究，研究表明，不同类型的植被种植模式都能改善土壤理化性质、土壤生物效应，且上层土壤的效果优于下层，不同种植模式下的土壤效应存在显明的差异性(夏江宝等,2009)。

目前，几乎所有全球气候变化的模型都预测土壤碳的损失是全球气候变暖的原因之一(Schimel D S,et al. 1994)。全球变暖的一个反应就是加速土壤有机碳的分解，并增加对大气的碳释放,这也将进一步加强全球变暖的趋势（McGuire A D, et al.,1995）。土壤碳库及其变动是影响大气CO₂浓度的关键生态过程，因此，土壤碳库的精确估算是研究全球变化、土壤碳循环的重要基础。国外开展土壤有机碳储量的研究较早,一般采用土壤类型法、森林类型法、生命带类型和模型法。土壤有机碳储量与土壤理化性质、气候、土地利用方式等密切相关。

在人工林中，当土壤有机碳含量接近饱和水平时，增加外源C的投入将不再增加土壤有机碳库。因此，研究不同条件下人工林的土壤碳汇机制、分辨土壤碳汇区，不但是人工林沙质土壤碳增汇的重要理论基础，也是国家制定人工林沙质土壤固碳策略的重要基础科学依据。飞播造林指在适宜的时空尺度上，根据森林植被自然演替规律，以树种天然下种更新原理为理论基础，结合树种生态、生物学特性，人工模拟天然下种，使用飞机播撒适宜的植物种子进行造林种草。即通过飞机将种子均匀地播撒在沙地上，依靠自然降水和风力覆沙，在适宜的温度条件下，使植被种子生根、发芽、成苗，经过管护、达到成林成草，固定流沙，从而恢复区域生态环境。飞播造林因其造林成本低、作业半径大、节省劳动力、播种速度快、造林效果好等优势，早已成为榆林沙区主要的造林方式之一（周楠,2010）。同时，飞播林的C汇效应评估还是空白，飞播林生态系统背景下的沙质土壤C储量估算更是一项急需探索的基础性及应用性为一体的工作。

目前，国内外关于C储量问题的研究十分活跃，针对不同目的，关于C问题的研究方法有土壤类型法、植被类型法和模型法等，并取得了一些积极的进展。由于土壤类型复杂，变化多样，不确定因素多，数据误差较大，准确估算土壤有机碳仍有诸多问题没有解决。在飞播林生态系统中，其C储量与土壤类型、土壤理化性状、土地利用方式等有关，还取决于净生物输入量、耕作方式和有机碳稳定性等众多因素。因此，准确测定飞播林沙质土壤C储量和进行土壤C循环研究成为人们关注的重要课题。在这种背景下，国际C减排要求可报告、可测量和可证实；探索飞播林沙质土壤有机碳的估算问题，分析飞播林C的赋存形式及转化机制，对于科学认识C减排，进一步制定减排标准，具有重要的理论价值与现实意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种飞播林沙质土壤有机碳储量测定的方法，以提升人工林沙质土壤碳储量测定精度，指导二氧化碳生物减排工程的规划设计及实施。

本发明的具体技术方案：

一种飞播林沙质土壤有机碳储量测定的方法，该方法包括以下步骤：

（1）土壤样品获取

在飞播林的不同区域确定若干土壤采样点；在每个采样点挖掘100cm 深标准土壤剖面，并进行分层，将所述标准土壤剖面每20cm厚度分为一层；采集各采样点各层的土壤样品，进行实验室土壤化学性质分析；

（2）土样化学分析

把所述土壤样品经风干或烘干预处理后通过100目筛后备用，每个土壤样品取重量W（1.0g），备作化学分析；

（3）土壤有机碳信息获取，对每个所述土壤样品采用重铬酸钾容量法进行测定，分别确定R值，R为实际滴定所用滴定液（FeSO₄）与标准液（1/6K₂Cr₂O₇）体积比例关系；

（4）土壤有机碳储量计算模式建立

基于物质循环原理以及化学反映平衡原理，同时，考虑参数量纲及其标准化，构建飞播林沙质土壤有机碳的测定模式，测定出每个采样点每层土壤样品的有机碳储量：

C=

·σ·R·β·δ·W

式中： C为飞播林的一个采样点一层土壤样品的土壤有机碳储量；

R为实际滴定所用滴定液（FeSO₄）与标准液（1/6K₂Cr₂O₇）体积比例关系；

W为土壤样品的烘干重；（注：为1g）

为标准溶液的浓度；（注：0.8000mol·L^-1，即1/6K₂Cr₂O₇标准溶液的浓度）

σ为量纲转化系数；（注：将mL换算为L，为10^-3）该值为常规定量

β为1/4碳原子的摩尔质量；（注：该值为常量，12gC12原子的物质的量是1mol，β取值应为3g/mol）

δ为氧化校正系数；（注：为经验值，取1.1）

（5）根据步骤4分别求出每个采样点每层的土壤样品碳储量，进而求得每个采样点每层飞播林土壤的平均有机碳含量的测定。

其中所述的重铬酸钾容量法的具体测定过程如下：

将上述每个W重的土壤样品分别放入一干燥的硬质试管中，取5ml的0.8000mol·L^-1(即1/6K₂Cr₂O₇浓度)标准溶液和5ml的98%浓H₂SO₄，用注射器将所述浓H₂SO₄加入到标准溶液中，充分摇匀，管口盖上弯颈小漏斗得重铬酸钾—硫酸溶液，以防冷凝水汽蒸发，用该重铬酸钾—硫酸溶液滴定土壤样品至结束，剩余的重铬酸钾用硫酸亚铁滴定，（用标准的0.2mol·L^-1硫酸亚铁滴定，滴定过程中不断摇动内容物，直至溶液的颜色由棕红经紫色变为暗绿(灰蓝绿色)，即为滴定终点。）从所消耗的重铬酸钾量，计算有机碳的含量。

其中重铬酸钾—硫酸溶液滴定土壤样品时进行外加热，油浴温度为180℃，沸腾5分钟。

（基于实验分析有机碳含量的化学原理，有机碳含量是通过实验消耗的重铬酸钾量计算得到的，在第（4）步测定模式中，式中R为实际滴定所用滴定液（FeSO4）与标准液（K₂Cr₂O₇）比例关系，在此将式中相关参数进行了相应的数学转换）

本发明针对飞播林沙质土壤有机碳的定量化问题，开展方法探索，为飞播林结构合理配置、生态系统服务价值发挥以及节能减排、低碳经济等问题的解决，提供重要理论依据及方法支撑。

关于土壤有机碳测定方法，首次实现对飞播林C储量的测定，是飞播林生态工程建设的理论与技术进一步科学化；把实际调查土壤与遥感监测方法相结合，并定量测定有机碳储量，是C储量测定方法的新进展；构建了针对飞播林的土壤有机碳测定的模式及途径，对于飞播林建设以及植物C吸收减排具有重要指导价值；比较方便地获得飞播林C储量时空特征及动态变化，为生态建设、循环经济及低碳经济的发展提供了模式与途径。

本发明具有如下有益效果：

本发明针对现有技术中存在的缺陷，提供一种飞播林沙质土壤有机碳储量估算方法，提升人工林沙质土壤C储量估算精度，指导干旱半干旱区以植树种草为核心的CO₂生物减排工程的规划、设计及客观实践。

沙质土壤在我国西部干旱及半干旱地区具有大面积的分布，飞播林对于固定沙质土壤具有重要的生态价值，而飞播林下沙质土壤碳储量测定模式及方法尚无报导。目前，关于农田土壤碳储量以及部分森林土壤碳储量的测定方法有一定报导；而针对飞播林下沙质土壤碳测定均不完全适用。飞播林下沙质土壤在土壤碳储量的测定方面因监测及分析对象理化性状的差异，其样品采样技术、样品预处理技术、样品滴定与分析技术、样品碳测定方法等都具有不同于普通土壤测定的模式与方法。

具体实施方式

发明要解决的技术问题是基于相关碳转化的原理进行实验室分析与定量测定，针对飞播林碳储量评估进行技术研发。本发明一种飞播林沙质土壤有机碳储量的测定方法，其主要步骤如下：

（1）土壤样品获取

基于遥感信息的识别与提取，在飞播林的不同区域，结合地下水埋深、树种类型、树木生长状况等确定9个土壤采样点；挖掘100cm 深标准土壤剖面，并按照土壤地理学、土壤分类学的原理每20cm分为一层；基于对各层土壤物理性状的了解，采集各层土壤样品，作为实验室土壤化学性质分析的依据。

（2）土样化学分析

把土壤原始采集样品在室内经风干及烘干过100目筛备用，干燥后每个采样点每层取样，预处理前将每个采样点各层土壤样品进行编号、分装备作化学分析；按照化学分析的原理制备土壤溶液，制备化学滴定。

（3）土壤有机碳信息获取

土壤有机碳含量采用重铬酸钾容量法——外加热法测定。

在外加热的条件下（油浴温度为180℃，沸腾5分钟），用一定浓度的重铬酸钾—硫酸溶液氧化土壤有机质（碳），剩余的重铬酸钾用硫酸亚铁来滴定，从所消耗的重铬酸钾量，计算有机碳的含量。

（4）土壤有机碳储量计算模式建立

基于物质循环原理以及化学反映平衡原理，同时，考虑参数量纲及其标准化，构建飞播林沙质土壤有机碳的测定模式；C=·σ·R·β·δ·W（各参量内涵如前所述）。

（5）构建土壤有机碳测定模型

应用生态系统耦合的原理与方法，基于碳在土壤中的存在方式及状态，在其理化性状的指导下，构建土壤有机碳的测定模式。

（6）分析飞播林土壤有机碳测定结果

通过野外取样及实验室化学分析得出，各样地平均有机质含量介于1.102 mg/g-2.616 mg/g，如表1。在所有样方中，以编号为YLS08的样方土壤平均有机质含量最高，为2.616 mg/g，以编号为YLS04的样方土壤平均有机质含量最低，为1.102 mg/g，不同样地土壤各层有机质含量介于0.42 mg/g-3.90 mg/g，样地YLS02、YLS03、YLS06、YLS08、YLS09土壤层有机质含量以表层最大。土壤平均有机碳含量介于0.640 mg/g-1.520 mg/g之间，样方各土层有机碳含量变化趋势与其有机质含量密切相关，两者呈显著正相关。

表1 各样地土壤有机质及有机碳平均含量（土壤有机质是指通过微生物作用所形成的腐殖质、动植物残体和微生物体的合称，其中的碳即为土壤有机碳。土壤有机碳的含量是进入土壤的生物残体等有机物质的输入与以土壤微生物分解作用为主的有机物质的损失之间的平衡。有机质是在实验室中经过一系列化验分析及计算得出，由于有机质及有机碳均是诸多物质组成在一起的【区分各自成份及含量有较大难度，这也是本专利发明的出发点之一】，有机质中不一定都是有机碳，还有其他的物质组成。在本研究案例特定的土壤中，有机质与有机碳之间的转换有一定的规律，大经验表明1 mg/g有机质可以转换为0.580 mg/g的有机碳。下表即由此规律转换而来。）本发明的最后结果就是确定每个采样点的五层平均碳含量。进一步大量取样，并按本发明进行测定，就可以得到更大范围的碳储量。）

Claims

1.一种飞播林沙质土壤有机碳储量测定的方法，该方法包括以下步骤：

（1）土壤样品获取

（2）土样化学分析

把所述土壤样品经风干或烘干预处理后通过100目筛后备用，每个土壤样品取重量W，备作化学分析；

（4）土壤有机碳储量计算模式建立

C=

·σ·R·β·δ·W

W为土壤样品的烘干重；（注：为1g）

σ为量纲转化系数；该值为常规定量为10^-3

β为1/4碳原子的摩尔质量；β取值应为3g/mol

δ为氧化校正系数；经验值，取1.1

2.根据权利要求1所述的飞播林沙质土壤有机碳储量测定的方法，其中所述的重铬酸钾容量法的具体测定过程如下：

将上述每个W重的土壤样品分别放入一干燥的硬质试管中，取5ml的0.8000mol·L^-1标准溶液和5ml的98%浓H₂SO₄，用注射器将所述浓H₂SO₄加入到标准溶液中，充分摇匀，管口盖上弯颈小漏斗得重铬酸钾—硫酸溶液，以防冷凝水汽蒸发，用该重铬酸钾—硫酸溶液滴定土壤样品至结束，剩余的重铬酸钾用硫酸亚铁滴定，从所消耗的重铬酸钾量，计算有机碳的含量。

3.根据权利要求1所述的飞播林沙质土壤有机碳储量测定的方法，其中重铬酸钾—硫酸溶液滴定土壤样品时进行外加热，油浴温度为180℃，沸腾5分钟。