專利名稱：一種飛播林沙質(zhì)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量測定的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明公布了一種人工林沙質(zhì)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的測定方法，屬生態(tài)工程技術(shù)、環(huán)境監(jiān)測技術(shù)等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
生態(tài)系統(tǒng)是維護(hù)生態(tài)穩(wěn)定性，保障生態(tài)安全的重要資源，生態(tài)系統(tǒng)是由生物與環(huán)境組成的功能單位，土壤作為生態(tài)系統(tǒng)的重要環(huán)境因子之一，是生態(tài)功能發(fā)揮的重要媒介。而土壤碳庫作為陸地生態(tài)系統(tǒng)重要的C庫，是全球碳循環(huán)的重要組成部分，在全球C收支中占主導(dǎo)地位。干旱半干旱區(qū)分布有大面積的沙質(zhì)土壤，該類土壤的碳循環(huán)的作用，直接制約著生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)過程的特征及規(guī)律。土壤是生態(tài)系統(tǒng)中重要的組成要素，土壤理化性質(zhì)、土壤養(yǎng)分、土壤微生物數(shù)量等指標(biāo)是綜合反映土壤性能的重要參數(shù)，土壤是植被正常生長發(fā)育的基礎(chǔ)和保證，同時(shí)，植被的演替對(duì)土壤性能有重要影響(Anderson T H. , 2003;Doran J W，et al, 2000)。目前國內(nèi)外土壤效應(yīng)的研究主要針對(duì)上述指標(biāo)及其相互關(guān)系進(jìn)行。土壤理化性質(zhì)是影響土壤生態(tài)過程的內(nèi)在條件，對(duì)土壤的生物學(xué)、肥、水等過程有一定的調(diào)節(jié)作用，有研究表明，森林砍伐會(huì)破壞土壤結(jié)構(gòu)，使土壤容重變大，從而導(dǎo)致土壤易于侵蝕。土壤養(yǎng)分是植物生長的基本要素，其含量大小直接關(guān)系到植物的生長、發(fā)育，國外對(duì)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的研究相對(duì)較早，大量研究表明，毀林會(huì)使20-50%的土壤有機(jī)碳流失(Silveria A M, et al，2000)，同時(shí)相應(yīng)的全氮、C/N、速效磷、全磷等營養(yǎng)元素也會(huì)明顯下降，目前土地利用對(duì)土壤有機(jī)碳的影響成為國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)，在經(jīng)過不同類型的土地利用后，土壤碳庫的形式產(chǎn)生了質(zhì)的改變，使其既可以成為大氣中C02的“匯”，也可能變成“源”。國內(nèi)諸多學(xué)者對(duì)水土保持林改良、植被類型改良等土壤效應(yīng)進(jìn)行了研究，研究表明，不同類型的植被種植模式都能改善土壤理化性質(zhì)、土壤生物效應(yīng)，且上層土壤的效果優(yōu)于下層，不同種植模式下的土壤效應(yīng)存在顯明的差異性(夏江寶等，2009)。目前，幾乎所有全球氣候變化的模型都預(yù)測土壤碳的損失是全球氣候變暖的原因之一(Schimel D S，et al. 1994)。全球變暖的一個(gè)反應(yīng)就是加速土壤有機(jī)碳的分解,并增加對(duì)大氣的碳釋放，這也將進(jìn)一步加強(qiáng)全球變暖的趨勢(McGuire A D, et al.，1995)。土壤碳庫及其變動(dòng)是影響大氣CO2濃度的關(guān)鍵生態(tài)過程，因此，土壤碳庫的精確估算是研究全球變化、土壤碳循環(huán)的重要基礎(chǔ)。國外開展土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的研究較早，一般采用土壤類型法、森林類型法、生命帶類型和模型法。土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量與土壤理化性質(zhì)、氣候、土地利用方式等密切相關(guān)。在人工林中，當(dāng)土壤有機(jī)碳含量接近飽和水平時(shí)，增加外源C的投入將不再增加土壤有機(jī)碳庫。因此，研究不同條件下人工林的土壤碳匯機(jī)制、分辨土壤碳匯區(qū)，不但是人工林沙質(zhì)土壤碳增匯的重要理論基礎(chǔ)，也是國家制定人工林沙質(zhì)土壤固碳策略的重要基礎(chǔ)科學(xué)依據(jù)。飛播造林指在適宜的時(shí)空尺度上，根據(jù)森林植被自然演替規(guī)律，以樹種天然下種更新原理為理論基礎(chǔ)，結(jié)合樹種生態(tài)、生物學(xué)特性，人工模擬天然下種，使用飛機(jī)播撒適宜的植物種子進(jìn)行造林種草。即通過飛機(jī)將種子均勻地播撒在沙地上，依靠自然降水和風(fēng)力覆沙，在適宜的溫度條件下，使植被種子生根、發(fā)芽、成苗，經(jīng)過管護(hù)、達(dá)到成林成草，固定流沙，從而恢復(fù)區(qū)域生態(tài)環(huán)境。飛播造林因其造林成本低、作業(yè)半徑大、節(jié)省勞動(dòng)力、播種速度快、造林效果好等優(yōu)勢，早已成為榆林沙區(qū)主要的造林方式之一(周楠，2010)。同時(shí)，飛播林的C匯效應(yīng)評(píng)估還是空白，飛播林生態(tài)系統(tǒng)背景下的沙質(zhì)土壤C儲(chǔ)量估算更是一項(xiàng)急需探索的基礎(chǔ)性及應(yīng)用性為一體的工作。目前，國內(nèi)外關(guān)于C儲(chǔ)量問題的研究十分活躍，針對(duì)不同目的，關(guān)于C問題的研究方法有土壤類型法、植被類型法和模型法等，并取得了一些積極的進(jìn)展。由于土壤類型復(fù)雜，變化多樣，不確定因素多，數(shù)據(jù)誤差較大，準(zhǔn)確估算土壤有機(jī)碳仍有諸多問題沒有解決。在飛播林生態(tài)系統(tǒng)中，其C儲(chǔ)量與土壤類型、土壤理化性狀、土地利用方式等有關(guān)，還取決于凈生物輸入量、耕作方式和有機(jī)碳穩(wěn)定性等眾多因素。因此，準(zhǔn)確測定飛播林沙質(zhì)土壤C 儲(chǔ)量和進(jìn)行土壤C循環(huán)研究成為人們關(guān)注的重要課題。在這種背景下，國際C減排要求可報(bào)告、可測量和可證實(shí)；探索飛播林沙質(zhì)土壤有機(jī)碳的估算問題，分析飛播林C的賦存形式及轉(zhuǎn)化機(jī)制，對(duì)于科學(xué)認(rèn)識(shí)C減排，進(jìn)一步制定減排標(biāo)準(zhǔn)，具有重要的理論價(jià)值與現(xiàn)實(shí)意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種飛播林沙質(zhì)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量測定的方法，以提升人工林沙質(zhì)土壤碳儲(chǔ)量測定精度，指導(dǎo)二氧化碳生物減排工程的規(guī)劃設(shè)計(jì)及實(shí)施。本發(fā)明的具體技術(shù)方案
一種飛播林沙質(zhì)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量測定的方法，該方法包括以下步驟
(1)土壤樣品獲取
在飛播林的不同區(qū)域確定若干土壤采樣點(diǎn)；在每個(gè)采樣點(diǎn)挖掘IOOcm深標(biāo)準(zhǔn)土壤剖面，并進(jìn)行分層，將所述標(biāo)準(zhǔn)土壤剖面每20cm厚度分為一層；采集各采樣點(diǎn)各層的土壤樣品，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室土壤化學(xué)性質(zhì)分析；
(2)土樣化學(xué)分析
把所述土壤樣品經(jīng)風(fēng)干或烘干預(yù)處理后通過100目篩后備用，每個(gè)土壤樣品取重量W(1. Og),備作化學(xué)分析；
(3)土壤有機(jī)碳信息獲取，對(duì)每個(gè)所述土壤樣品采用重鉻酸鉀容量法進(jìn)行測定，分別確定R值，R為實(shí)際滴定所用滴定液(FeSO4)與標(biāo)準(zhǔn)液(l/6K2Cr207)體積比例關(guān)系；
(4)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量計(jì)算模式建立
基于物質(zhì)循環(huán)原理以及化學(xué)反映平衡原理，同時(shí)，考慮參數(shù)量綱及其標(biāo)準(zhǔn)化，構(gòu)建飛播林沙質(zhì)土壤有機(jī)碳的測定模式，測定出每個(gè)采樣點(diǎn)每層土壤樣品的有機(jī)碳儲(chǔ)量
C= α. · σ · R· β · δ ·w
式中C為飛播林的一個(gè)米樣點(diǎn)一層土壤樣品的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量；
R為實(shí)際滴定所用滴定液(FeSO4)與標(biāo)準(zhǔn)液(l/6K2Cr207)體積比例關(guān)系；
W為十壤樣品的烘干重；(注:為Ig)
Cf力標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度；(注0. 8000mol · L_\即l/6K2Cr207標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度) σ為量綱轉(zhuǎn)化系數(shù)；(注將mL換算為L,為10_3)該值為常規(guī)定量 β為1/4碳原子的摩爾質(zhì)量；(注該值為常量，12gC12原子的物質(zhì)的量是Imol，β取值應(yīng)為3g/mol)
δ為氧化校正系數(shù)；(注為經(jīng)驗(yàn)值，取1.1)
(5)根據(jù)步驟4分別求出每個(gè)采樣點(diǎn)每層的土壤樣品碳儲(chǔ)量，進(jìn)而求得每個(gè)采樣點(diǎn)每層飛播林土壤的平均有機(jī)碳含量的測定。其中所述的重鉻酸鉀容量法的具體測定過程如下
將上述每個(gè)W重的土壤樣品分別放入一干燥的硬質(zhì)試管中，取5ml的O. 8000mol · I/1 (即l/6K2Cr207濃度)標(biāo)準(zhǔn)溶液和5ml的98%濃H2SO4,用注射器將所述濃H2SO4加入到標(biāo)準(zhǔn)溶液中，充分搖勻，管口蓋上彎頸小漏斗得重鉻酸鉀一硫酸溶液，以防冷凝·水汽蒸發(fā)，用該重鉻酸鉀一硫酸溶液滴定土壤樣品至結(jié)束，剩余的重鉻酸鉀用硫酸亞鐵滴定，(用標(biāo)準(zhǔn)的O. 2mol · L—1硫酸亞鐵滴定，滴定過程中不斷搖動(dòng)內(nèi)容物，直至溶液的顏色由棕紅經(jīng)紫色變?yōu)榘稻G(灰藍(lán)綠色)，即為滴定終點(diǎn)。)從所消耗的重鉻酸鉀量，計(jì)算有機(jī)碳的含量。其中重鉻酸鉀一硫酸溶液滴定土壤樣品時(shí)進(jìn)行外加熱，油浴溫度為180°C，沸騰5分鐘。(基于實(shí)驗(yàn)分析有機(jī)碳含量的化學(xué)原理，有機(jī)碳含量是通過實(shí)驗(yàn)消耗的重鉻酸鉀量計(jì)算得到的，在第(4)步測定模式中，式中R為實(shí)際滴定所用滴定液(FeS04)與標(biāo)準(zhǔn)液(K2Cr2O7)比例關(guān)系，在此將式中相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了相應(yīng)的數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換)
本發(fā)明針對(duì)飛播林沙質(zhì)土壤有機(jī)碳的定量化問題，開展方法探索，為飛播林結(jié)構(gòu)合理配置、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值發(fā)揮以及節(jié)能減排、低碳經(jīng)濟(jì)等問題的解決，提供重要理論依據(jù)及方法支撐。關(guān)于土壤有機(jī)碳測定方法，首次實(shí)現(xiàn)對(duì)飛播林C儲(chǔ)量的測定，是飛播林生態(tài)工程建設(shè)的理論與技術(shù)進(jìn)一步科學(xué)化；把實(shí)際調(diào)查土壤與遙感監(jiān)測方法相結(jié)合，并定量測定有機(jī)碳儲(chǔ)量，是C儲(chǔ)量測定方法的新進(jìn)展；構(gòu)建了針對(duì)飛播林的土壤有機(jī)碳測定的模式及途徑，對(duì)于飛播林建設(shè)以及植物C吸收減排具有重要指導(dǎo)價(jià)值；比較方便地獲得飛播林C儲(chǔ)量時(shí)空特征及動(dòng)態(tài)變化，為生態(tài)建設(shè)、循環(huán)經(jīng)濟(jì)及低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提供了模式與途徑。本發(fā)明具有如下有益效果
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，提供一種飛播林沙質(zhì)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量估算方法，提升人工林沙質(zhì)土壤C儲(chǔ)量估算精度，指導(dǎo)干旱半干旱區(qū)以植樹種草為核心的CO2生物減排工程的規(guī)劃、設(shè)計(jì)及客觀實(shí)踐。沙質(zhì)土壤在我國西部干旱及半干旱地區(qū)具有大面積的分布，飛播林對(duì)于固定沙質(zhì)土壤具有重要的生態(tài)價(jià)值，而飛播林下沙質(zhì)土壤碳儲(chǔ)量測定模式及方法尚無報(bào)導(dǎo)。目前，關(guān)于農(nóng)田土壤碳儲(chǔ)量以及部分森林土壤碳儲(chǔ)量的測定方法有一定報(bào)導(dǎo)；而針對(duì)飛播林下沙質(zhì)土壤碳測定均不完全適用。飛播林下沙質(zhì)土壤在土壤碳儲(chǔ)量的測定方面因監(jiān)測及分析對(duì)象理化性狀的差異，其樣品采樣技術(shù)、樣品預(yù)處理技術(shù)、樣品滴定與分析技術(shù)、樣品碳測定方法等都具有不同于普通土壤測定的模式與方法。
具體實(shí)施例方式發(fā)明要解決的技術(shù)問題是基于相關(guān)碳轉(zhuǎn)化的原理進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室分析與定量測定，針對(duì)飛播林碳儲(chǔ)量評(píng)估進(jìn)行技術(shù)研發(fā)。本發(fā)明一種飛播林沙質(zhì)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的測定方法，其主要步驟如下
(I) 土壤樣品獲取
基于遙感信息的識(shí)別與提取，在飛播林的不同區(qū)域，結(jié)合地下水埋深、樹種類型、樹木生長狀況等確定9個(gè)土壤采樣點(diǎn)；挖掘IOOcm深標(biāo)準(zhǔn)土壤剖面，并按照土壤地理學(xué)、土壤分類學(xué)的原理每20cm分為一層；基于對(duì)各層土壤物理性狀的了解，采集各層土壤樣品，作為實(shí)驗(yàn)室土壤化學(xué)性質(zhì)分析的依據(jù)。(2) 土樣化學(xué)分析
把土壤原始采集樣品在室內(nèi)經(jīng)風(fēng)干及烘干過100目篩備用，干燥后每個(gè)采樣點(diǎn)每層取樣，預(yù)處理前將每個(gè)采樣點(diǎn)各層土壤樣品進(jìn)行編號(hào)、分裝備作化學(xué) 分析；按照化學(xué)分析的原理制備土壤溶液，制備化學(xué)滴定。(3) 土壤有機(jī)碳信息獲取
土壤有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀容量法——外加熱法測定。在外加熱的條件下(油浴溫度為180°C，沸騰5分鐘)，用一定濃度的重鉻酸鉀一硫酸溶液氧化土壤有機(jī)質(zhì)(碳)，剩余的重鉻酸鉀用硫酸亞鐵來滴定，從所消耗的重鉻酸鉀量，計(jì)算有機(jī)碳的含量。(4) 土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量計(jì)算模式建立
基于物質(zhì)循環(huán)原理以及化學(xué)反映平衡原理，同時(shí)，考慮參數(shù)量綱及其標(biāo)準(zhǔn)化，構(gòu)建飛播林沙質(zhì)土壤有機(jī)碳的測定模式；C= (X · σ · R · β · δ · W (各參量內(nèi)涵如前所述)。( 5 )構(gòu)建土壤有機(jī)碳測定模型
應(yīng)用生態(tài)系統(tǒng)耦合的原理與方法，基于碳在土壤中的存在方式及狀態(tài)，在其理化性狀的指導(dǎo)下，構(gòu)建土壤有機(jī)碳的測定模式。(6)分析飛播林土壤有機(jī)碳測定結(jié)果
通過野外取樣及實(shí)驗(yàn)室化學(xué)分析得出，各樣地平均有機(jī)質(zhì)含量介于1. 102 mg/g-2. 616mg/g,如表I。在所有樣方中，以編號(hào)為YLS08的樣方土壤平均有機(jī)質(zhì)含量最高,為2. 616mg/g,以編號(hào)為YLS04的樣方土壤平均有機(jī)質(zhì)含量最低，為1. 102 mg/g,不同樣地土壤各層有機(jī)質(zhì)含量介于 O. 42 mg/g-3. 90 mg/g,樣地 YLS02、YLS03、YLS06、YLS08、YLS09 土壤層有機(jī)質(zhì)含量以表層最大。土壤平均有機(jī)碳含量介于O. 640 mg/g-1. 520 mg/g之間,樣方各土層有機(jī)碳含量變化趨勢與其有機(jī)質(zhì)含量密切相關(guān)，兩者呈顯著正相關(guān)。表I 各樣地土壤有機(jī)質(zhì)及有機(jī)碳平均含量(土壤有機(jī)質(zhì)是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，其中的碳即為土壤有機(jī)碳。土壤有機(jī)碳的含量是進(jìn)入土壤的生物殘?bào)w等有機(jī)物質(zhì)的輸入與以土壤微生物分解作用為主的有機(jī)物質(zhì)的損失之間的平衡。有機(jī)質(zhì)是在實(shí)驗(yàn)室中經(jīng)過一系列化驗(yàn)分析及計(jì)算得出，由于有機(jī)質(zhì)及有機(jī)碳均是諸多物質(zhì)組成在一起的區(qū)分各自成份及含量有較大難度，這也是本專利發(fā)明的出發(fā)點(diǎn)之一，有機(jī)質(zhì)中不一定都是有機(jī)碳，還有其他的物質(zhì)組成。在本研究案例特定的土壤中，有機(jī)質(zhì)與有機(jī)碳之間的轉(zhuǎn)換有一定的規(guī)律，大經(jīng)驗(yàn)表明I mg/g有機(jī)質(zhì)可以轉(zhuǎn)換為O. 580 mg/g的有機(jī)碳。下表即由此規(guī)律轉(zhuǎn)換而來。)本發(fā)明的最后結(jié)果就是確定每個(gè)采樣點(diǎn)的五層平均碳含量。進(jìn)一步大量取樣，并按本發(fā)明進(jìn)行測定，就可以得到更大范圍的碳儲(chǔ)量。)
權(quán)利要求
1.一種飛播林沙質(zhì)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量測定的方法，該方法包括以下步驟(1)土壤樣品獲取在飛播林的不同區(qū)域確定若干土壤采樣點(diǎn)；在每個(gè)采樣點(diǎn)挖掘IOOcm深標(biāo)準(zhǔn)土壤剖面，并進(jìn)行分層，將所述標(biāo)準(zhǔn)土壤剖面每20cm厚度分為一層；采集各采樣點(diǎn)各層的土壤樣品，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室土壤化學(xué)性質(zhì)分析；(2)土樣化學(xué)分析把所述土壤樣品經(jīng)風(fēng)干或烘干預(yù)處理后通過100目篩后備用，每個(gè)土壤樣品取重量W， 備作化學(xué)分析；(3)土壤有機(jī)碳信息獲取，對(duì)每個(gè)所述土壤樣品采用重鉻酸鉀容量法進(jìn)行測定，分別確定R值，R為實(shí)際滴定所用滴定液(FeSO4)與標(biāo)準(zhǔn)液(l/6K2Cr207)體積比例關(guān)系；(4)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量計(jì)算模式建立基于物質(zhì)循環(huán)原理以及化學(xué)反映平衡原理，同時(shí)，考慮參數(shù)量綱及其標(biāo)準(zhǔn)化，構(gòu)建飛播林沙質(zhì)土壤有機(jī)碳的測定模式，測定出每個(gè)采樣點(diǎn)每層土壤樣品的有機(jī)碳儲(chǔ)量C=CX . O . R . β . δ . W式中C為飛播林的一個(gè)米樣點(diǎn)一層土壤樣品的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量；R為實(shí)際滴定所用滴定液(FeSO4)與標(biāo)準(zhǔn)液(l/6K2Cr207)體積比例關(guān)系；W為土壤樣品的烘干重；(注:為Ig) tt.為標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度；(注0. 8000mol · L_\即l/6K2Cr207標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度)O為量綱轉(zhuǎn)化系數(shù)；該值為常規(guī)定量為10—3β為1/4碳原子的摩爾質(zhì)量；β取值應(yīng)為3g/molδ為氧化校正系數(shù)；經(jīng)驗(yàn)值，取1.1(5)根據(jù)步驟4分別求出每個(gè)采樣點(diǎn)每層的土壤樣品碳儲(chǔ)量，進(jìn)而求得每個(gè)采樣點(diǎn)每層飛播林土壤的平均有機(jī)碳含量的測定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的飛播林沙質(zhì)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量測定的方法，其中所述的重鉻酸鉀容量法的具體測定過程如下將上述每個(gè)W重的土壤樣品分別放入一干燥的硬質(zhì)試管中，取5ml的O. 8000mol · Γ1 標(biāo)準(zhǔn)溶液和5ml的98%濃H2SO4,用注射器將所述濃H2SO4加入到標(biāo)準(zhǔn)溶液中，充分搖勻，管口蓋上彎頸小漏斗得重鉻酸鉀一硫酸溶液，以防冷凝水汽蒸發(fā)，用該重鉻酸鉀一硫酸溶液滴定土壤樣品至結(jié)束，剩余的重鉻酸鉀用硫酸亞鐵滴定，從所消耗的重鉻酸鉀量，計(jì)算有機(jī)碳的含量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的飛播林沙質(zhì)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量測定的方法，其中重鉻酸鉀一硫酸溶液滴定土壤樣品時(shí)進(jìn)行外加熱，油浴溫度為180°C，沸騰5分鐘。
全文摘要
本發(fā)明提供一種飛播林沙質(zhì)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量測定方法，提升人工林沙質(zhì)土壤C儲(chǔ)量測算精度，指導(dǎo)干旱半干旱區(qū)以植樹種草為核心的CO2生物減排工程的規(guī)劃、設(shè)計(jì)及客觀實(shí)踐。
文檔編號(hào)G01N31/16GK103018401SQ20121053777
公開日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2012年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月13日
發(fā)明者王讓會(huì), 曹華 申請(qǐng)人:南京信息工程大學(xué)