土壤有机质和有机碳含量计算方法比较研究

王飞1，秦方锦1，吴丹亚2，楼飞2，岑汤校3，葛超楠3，史努益3

（1宁波市种植业管理总站，浙江宁波315000；2宁波市农业监测中心，浙江宁波315000；3宁海县农业技术推广总站，浙江宁波315600）

摘要：有机质水平常用作评价土壤肥力的首要指标，而土壤有机碳在全球气候变化研究中有重要作用。新垦耕地表土中有相当比例的>2 mm砾石。为了准确评价新垦耕地的土壤肥力及其碳贮量，以宁波市宁海县14 个新垦耕地表土(0~30 cm)土样为例，对表土有机质和有机碳含量计算方法进行了比较研究。结果表明：当这些样品的计算包括大于2 mm的砾石时，有机质水平下降了22%（平均值从23.1 g/kg下降到18.0 g/kg）；按照美国农业部的计算方法，表土(0~30 cm)有机碳含量在1.97~8.97 kg/m2间，参照加拿大农业-农产品部评价标准，这些样品的有机碳含量属于低的水平。

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关键词 ：土壤有机质；土壤有机碳；计算方法；累积指数；砾石；新垦耕地

中图分类号：S158.2 文献标志码：A 论文编号：2014-0698

基金项目：农业部测土配方施肥项目(财农[2012]99 号)。

第一作者简介：王飞，女，1968 年出生，浙江舟山人，高级农艺师，硕士，主要从事土肥技术研究与推广工作。通信地址：315000 宁波市宝善路220 号宁波市种植业管理总站，Tel：0574-87130748，E-mail：veg-wf@163.com。

收稿日期：2014-07-14，修回日期：2014-10-05。

0 引言

为加强耕地质量建设与管理，根据国土资源部农业部《关于加强占补平衡补充耕地质量建设与管理的通知》、农业部《关于补充耕地质量验收评定工作规范》和浙江省农业厅《关于规范和加强补充耕地质量评定工作的通知》等文件精神，农业部门开展了新垦耕地质量评定工作，即通过对开发造地项目工程和肥力要素的调查分析，来综合评定新垦耕地是否符合农业生产基本条件。根据《浙江省耕地质量评定与地力分等定级技术规范（试行）》（以下简称《规范》），“耕层有机质含量”即是最重要的肥力要素。由于大多数低丘缓坡开发垦造的耕地表土中，砾石占了相当大的比例。如何计算其表土有机质和有机碳含量，对正确评估土壤肥力、指导作物合理施肥具有重要意义。

土壤与岩石的主要区别是有机质。土壤有机质(SOM)也称作“土壤腐殖质”，其定义是除了土壤中未分解的各种动、植物残体外的有机部分。有机质的品质和性质决定土壤形成过程方向以及生物化学、化学、物理和土壤肥力性质。有机质影响所吸附的阳离子的组成和活性以及土壤颜色、能量平衡、容重、结持性和固相比重。有机质含量影响许多土壤性质，如持水量、交换性盐基、团聚体稳定性、土壤通气性以及供应氮、磷和微量养分的能力。因此土壤有机质含量是评价土壤质量的重要指标之一。然而实验室测定土壤有机质含量时，一般仅包括通过2 mm筛部分，因此，是难以定量地估计一个土壤有机质含量的[1]。

土壤有机碳通过土壤生物和植物根系呼吸排放CO2，是决定陆地生态系统碳平衡的主要因子。土壤有机碳较小幅度的变化，都有可能影响到碳向大气的排放，结果以温室气体影响全球气候变化。因此早在20 世纪70 年代，国际上就有学者开始对全球土壤有机碳进行估算，一般按土壤类型[2]、植被类型[3]、生命带[4]或以模型法[5]作统计，并提出了土壤剖面有机碳密度的概念。由于各研究之间计算方法不一致，因此各研究结果之间差异较大。20 世纪90 年代，中国开始对中国土壤有机碳总量进行计算。由于不同研究者所采用的资料来源和统计样本容量不同[6-9]，以及不同研究者所采用的深度标准、统计方法存在差异[10-13]，对土壤有机碳的估计差异也很大。

中国历来对土壤有机质含量以通过2 mm筛部分为基数进行计算[14]，至今仍以此方法作为评价土壤有机质含量分级标准[15]。但对丘陵山地砾石含量高的土壤，按此法所测得的土壤有机质含量普遍较高，因而被赋予较高的农业生产能力，这不符合客观事实。因此，笔者以宁波市宁海县2013 年低丘缓坡垦造耕地项目为例，参照美国农业部[1]和加拿大农业-农产品部[16]有关标准，对表土有机质和有机碳含量计算方法进行了比较研究，旨在为准确估算土壤碳库和合理施肥提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

宁海县位于浙江省东部沿海、宁波市的南部，地处北纬29°06′—29°32′，东经121°09′—121°49′之间，属沿海低山丘陵地区。总面积1843 km2，山地面积945 km2，平原面积805 km2。拥有耕地3.5万hm2，林地10.8万hm2，滩涂2.6万hm2，素有“七山二地一分田”之称。

宁海属亚热带季风性湿润气候区，常年以东南风为主，气候温暖湿润，四季分明，日照充足，雨水充沛，年平均气温15.3~17℃，年日照1900 h 左右，平均相对湿度78%，年平均降水量1000~1600 mm，无霜期230天。

1.2 供试土壤

根据1994 年浙江省土壤普查办公室所编著的《浙江土壤》[17]一书中浙江省土壤分类及中国国家标准《中国土壤分类与代码》(GB/T 17296—2009)[18]，本研究的土壤分类属红壤土类黄红壤亚类砂泥质黄红壤土属黄泥砂土土种（代码A1321611）。此土种在浙江省分布广泛，因此有一定代表性。

1.3 土壤样品的采集和测定

根据《规范》要求，采集0~30 cm土层(30 cm×30 cm×30 cm)土样，用筛分法，计算粒径≥2 mm固体颗粒的重量百分比。

土壤样品按农业部发布的农业行业标准中规定的方法进行检测：按NY/T 1121.4—2006环刀法测定<2 mm土壤容重；按NY/T 1121.1—2006 土样制备方法和NY/T 1121.6—2006 重铬酸钾容量法进行<2 mm土壤有机质含量测定。

1.4 土壤有机质和有机碳含量计算方法

（1）以<2 mm土壤干土重为基数的土壤有机质含量计算方法，见NY/T 1121.6—2006[15]。

（2）以包括>2 mm砾石为基数的土壤有机质含量计算方法：<2 mm土壤有机质含量(g/kg)×(100->2 mm砾石含量)/100。

（3）按美国农业部自然资源保护局的土壤有机碳(C)累积指数的计算方法[1]：土壤有机碳累积指数(kg/m2)=Wtoc×0.1×p×Hcm ×Cm

其中：Wto为以<2 mm土壤为基数的有机碳(C)含量百分数(%)；0.1为转换因子，常数；p 为<2 mm土壤容重(g/cm3)；Hcm 为土层厚度(cm)；Cm为>2 mm砾石转换系数，如无砾石，Cm=1；如有砾石，Cm计算如下：Cm =(100->2 mm砾石体积%)/100

>2 mm砾石体积%计算如下：

P>2 mm={(A/B)/[(A/B)+(100-A)/C]}×100

其中：P>2 mm为>2 mm砾石体积%；A为>2 mm部分重量百分数(%)；B 为>2 mm部分容重(g/cm3)，如无测定值，可用2.65 g/cm3；C为<2 mm土壤容重(g/cm3)，如无测定值，矿质土壤可用1.45 g/cm3。

1.5 土壤有机质和有机碳含量评价标准

（1）采用《规范》中“工程与肥力要素评价标准”，对测定的土壤有机质含量（<2 mm土壤，g/kg）进行生产能力赋值：＜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）对包括大于2 mm砾石为基数计算的有机质含量(g/kg)进行生产能力赋值，标准同上。

（3）按加拿大农业-农产品部土地和生物资源研究中心标准对表土0~30 cm 有机碳(C)含量(kg/m2)进行评价，从低到高分级为：<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[16]。

1.6 数据分析

采用Excel 2003 进行数据处理与分析。

2 结果与分析

2.1 表土土壤有机质含量计算方法的校正及评价由于有机碳是土壤有机质的主要成分，因此NY/T 1121.6—2006 标准中，用测定土壤有机碳来间接地求得有机质，即用测得的有机碳值乘以范贝梅伦系数(Van Bemmelen Factor=1.724）来计算有机质含量。

由于用NY/T 1121.6—2006 标准测定的是以<2 mm土壤为基数的有机质含量，不包含>2 mm砾石含量，因此有必要对测定值进行校正，即将>2 mm砾石含量计算在内。

从表1 可以看出，以包括>2 mm砾石为基数计算时，14 个采样点土壤有机质平均含量已由测定时的23.1 g/kg 降至18.0 g/kg，降幅达22%，生产能力赋值也由0.86 分降低到0.71 分，降幅达19%。尤其是8 号土样>2 mm砾石含量达44%，该土壤应划为粗骨土类酸性粗骨土亚类[17]。

2.2 土壤有机碳按累积指数法的计算及评价

1995 年美国农业部自然资源保护局在《土壤调查实验室信息手册》第一版中就提出了土壤有机碳累积指数accumulation index)的概念和计算方法[19]，到2011年该手册第二版得到进一步规范[1]：这一计算方法的另一术语是碳贮量(C stocks)，其定义是碳库(carbonpool)含有的碳的数量，意思是贮藏库或系统中累积或释放碳的能力，以土层深度为1 m时，每平方米所贮存的有机碳(C)数量(kg/m2)来表示。

宁海县低丘缓坡垦造耕地表土(0~30 cm)有机碳含量按累积指数法计算结果见表2，按加拿大农业-农产品部标准[16]，除3 号和4 号土样的有机碳含量在4.9~14 kg/m2 外，其余12 个土样的有机碳含量均在1.7~4.9 kg/m2范围内，可见总体上来说，所分析的土样有机碳含量是低的。

3 结论与讨论

3.1 土壤有机质含量计算的改进

对于砾石占比大的土壤如新垦耕地等，以包括大于2 mm的砾石含量为基数进行有机质含量计算，其值较为符合实际生产能力。中国第二次土壤普查时也有类似情形，如浙江省的酸性粗骨土亚类石砂土（砾石含量28%，2~0.02 mm砂粒含量50%）<2 mm部分有机质的含量高达53 g/kg[17]，但这些土壤的农业生产能力均为低下。

另外，中国在20 世纪50 年代至70 年代土壤粒级及质地分类用的是卡庆斯基制，即＞1 mm为砾石；到第二次土壤普查时改为国际制，而中国土壤系统分类用的是美国农部制[20]，都以＞2 mm为砾石；但中国在采用国际制质地分类时并未考虑砾石含量。因此笔者认为，对砾石占比大的土壤质地分类及其有机质含量计算方法有必要进一步研究和明确，并在有关标准中予以规定。

3.2 土壤有机质含量的表达方式

范贝梅伦系数假定土壤有机质含有58%有机碳，实际上该系数在土壤与土壤之间，以及同一土壤剖面的不同深度，都会有所变化。从土壤学发展的观点看，土壤成分数量表达的统一系统是必不可少的。因此，有机碳含量一词比有机质含量更好，因为后者不是一个适宜的或准确可量度的实体[21]。

为准确评估土壤碳库，笔者认为应从国家层面上建立统一的土壤碳贮量计算方法。本研究引入土壤有机碳累积指数的概念，可供参考。

值得注意是，加拿大表土(0~30 cm)碳含量图上还标出了3 种图例：100%岩石（转换系数为0），100%冰和100%水[15]。100%岩石在第二次土壤普查时，浙江省称为“岩秃”，据统计浙江省“岩秃”面积达27888 hm2，占浙江省土壤面积的0.29%，这部分面积当时均归到酸性粗骨土亚类中石砂土，这就是说石砂土有机质含量没有原统计值高。另外，中国青藏高原等地的冰川（永冻土）的有机质含量计算也值得进一步研究[22-23]。

3.3 本研究在作物施肥上的应用

对于无砾石的土壤，<2 mm土壤有效氮、磷、钾等养分测定结果可基本上反映该土壤养分供给能力；但对于含有砾石的土壤，有必要循本文思路，对其测定值进行换算，并及时补充有关养分。但肥料一次不能施用太多，因过量施肥会引起土壤养分浓度过高，造成伤苗，甚至减产。

3.4 结论

综合以上对土壤有机质含量计算的比较分析表明，以包括＞2 mm的砾石含量为基数的有机质含量计算值，要优于仅包括过2 mm筛的测定值；而引进的土壤有机碳累积指数的计算方法，对土壤碳贮量从体积上有了统一而又较为准确的计算方法，值得推广和应用。

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致谢：本文承蒙浙江大学环境与资源学院厉仁安教授修改补充，谨致谢意！