專利名稱：一種喀斯特地區(qū)土壤養(yǎng)分儲(chǔ)量取樣與計(jì)算方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及土壤培育技術(shù)領(lǐng)域，更具體涉及一種喀斯特地區(qū)土壤養(yǎng)分儲(chǔ)量取樣與計(jì)算的方法，適用于喀斯特地區(qū)土壤養(yǎng)分儲(chǔ)量估算、典型生態(tài)系統(tǒng)固碳現(xiàn)狀等方面。
背景技術(shù)：
陸地生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)研究是國際科學(xué)界廣泛關(guān)心的前沿問題，已經(jīng)成為國際地圈生物圈計(jì)劃(IGBP)、世界氣候研究計(jì)劃(WCRP)和全球環(huán)境變化國際人文因素計(jì)劃(IHDP)等重大科學(xué)計(jì)劃的主題。發(fā)達(dá)國家作為全球變化科學(xué)研究的領(lǐng)先者，不斷增強(qiáng)對(duì)養(yǎng)分循環(huán)研究的力度，紛紛提出各自國家或地區(qū)的大型養(yǎng)分循環(huán)科學(xué)研究計(jì)劃。2000年后伴隨著中國科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新重大項(xiàng)目“中國陸地與近海生態(tài)系統(tǒng)碳收支研究”、國家自然基金委重大專項(xiàng)計(jì)劃“全球變化及區(qū)域響應(yīng)科學(xué)研究”、國家973計(jì)劃“中國陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制研究”項(xiàng)目的全面啟動(dòng)和實(shí)施，注重對(duì)《氣候公約》談判和履約過程中所涉及的科學(xué)問題的研究，提高中國全球變化科學(xué)的研究水平，建立完整的陸地碳及養(yǎng)分過程資料和數(shù)據(jù)，為參與編寫IPCC報(bào)告提供重要的科學(xué)依據(jù)，直接為中國的環(huán)境外交和國家生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)建設(shè)提供服務(wù)。土壤作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，對(duì)維持陸地生態(tài)平衡、保護(hù)生態(tài)安全、防止生態(tài)危機(jī)起著決定性的作用，隨著全球變化的日益明顯、《京都議定書》的生效和CDM造林再造林的實(shí)施，準(zhǔn)確評(píng)估陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤養(yǎng)分儲(chǔ)量具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。近20年來，世界大多數(shù)國家和地區(qū)都進(jìn)行了區(qū)域或國家尺度的生態(tài)系統(tǒng)土壤養(yǎng)分儲(chǔ)量評(píng)估，但在對(duì)不同類型生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分儲(chǔ)量尤其是對(duì)同一區(qū)域不同類型生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分儲(chǔ)量計(jì)算和評(píng)估的研究需要進(jìn)一步深入。
土壤養(yǎng)分是陸地生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分庫的重要組成部分，主要來自于地表枯枝落葉層的分解補(bǔ)充與累積，既是極為重要的養(yǎng)分儲(chǔ)存庫，又是一個(gè)相當(dāng)重要的養(yǎng)分源。如:森林土壤碳庫約為927PgC,約占全球土壤碳庫的73%,中國主要森林生態(tài)系統(tǒng)土壤碳為210X10lclt。全球土壤養(yǎng)分儲(chǔ)量的地理格局與植被養(yǎng)分儲(chǔ)量有顯著的不同，土壤養(yǎng)分儲(chǔ)量在全球養(yǎng)分總儲(chǔ)量中所占的比重隨著緯度的降低而降低，這是氣候、植被、土壤相互作用平衡后的一種結(jié)果。土壤養(yǎng)分儲(chǔ)量有很大的不確定性，故土壤養(yǎng)分儲(chǔ)量的估算、分布及其轉(zhuǎn)化正成為全球養(yǎng)分循環(huán)研究的熱點(diǎn)。
中國西南喀斯特地區(qū)位于世界三大連片喀斯特發(fā)育區(qū)之一的東亞片區(qū)中心，面積約54萬km2，受地球內(nèi)動(dòng)力、強(qiáng)烈的地質(zhì)運(yùn)動(dòng)、高溫多雨且分布不均、碳酸鹽巖溶蝕性強(qiáng)、水文二維結(jié)構(gòu)明顯以及其適生植物具有嗜鈣性、耐旱性和石生性等限制特點(diǎn)的綜合影響，生境和植被具有高度異質(zhì) 性和特殊性，生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾性差，除少數(shù)險(xiǎn)要地勢(shì)和森林自然保護(hù)區(qū)外，大面積森林受人為干擾發(fā)生了不同程度的退化，出現(xiàn)了次生林、人工林、灌木林和草叢等偏途、不同演替階段群落共存格局，部分地帶完全石漠化，土壤養(yǎng)分的匯功能逐漸喪失。前期研究及數(shù)據(jù)積累遠(yuǎn)不如國內(nèi)其他地區(qū)，在進(jìn)行國家層面的主要養(yǎng)分儲(chǔ)量現(xiàn)狀估算時(shí)，往往按照同緯度的紅黃壤類推，沒有考慮該區(qū)域的特殊性，導(dǎo)致前期的估算可能存在較大的不確定性。
基于長期的野外調(diào)查與林業(yè)作業(yè)，根據(jù)不同生態(tài)系統(tǒng)樣地土壤平均厚度挖取剖面，結(jié)合樣點(diǎn)不同層次取樣，測(cè)定不同土層土壤容重、石礫含量、養(yǎng)分含量，計(jì)算各層土壤養(yǎng)分密度，從而獲得單位面積土壤養(yǎng)分儲(chǔ)量。有效解決了喀斯特地區(qū)土壤養(yǎng)分儲(chǔ)量的取樣和計(jì)算方法，使喀斯特地區(qū)土壤養(yǎng)分儲(chǔ)量數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，達(dá)到事倍功半的效果。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是針對(duì)喀斯特地區(qū)土壤瘠薄、不連續(xù)及巖石裸露率高的特點(diǎn)及主要養(yǎng)分儲(chǔ)量現(xiàn)狀估算按同緯度的紅黃壤類推存在較大的不確定性，是在于提供了一種適合喀斯特地區(qū)土壤養(yǎng)分儲(chǔ)量取樣與計(jì)算的方法，方法簡單易行，操作性強(qiáng)簡便，省時(shí)、省力、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性高，能準(zhǔn)確獲取喀斯特地區(qū)土壤養(yǎng)分儲(chǔ)量的數(shù)據(jù)。
本發(fā)明目的通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)。
使用剖面和樣點(diǎn)不同層次取樣測(cè)定喀斯特地區(qū)土壤養(yǎng)分含量及密度，結(jié)合平均厚度獲取單位面積土壤養(yǎng)分儲(chǔ)量的方法。
一種喀斯特地區(qū)土壤養(yǎng)分儲(chǔ)量取樣與計(jì)算方法，其步驟是:
(I)在喀斯特地區(qū)選擇旱地、水田、草地、灌草叢、灌叢、人工林、次生林和人工林等典型生態(tài)系統(tǒng),在坡向、土壤母質(zhì)等立地條件基本一致的情況下,建立20mX 20m樣地。
(2)將樣地劃分小樣方獲得24-26個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)，用土鉆用力打入每個(gè)網(wǎng)點(diǎn)的土壤，直至土鉆打不進(jìn)去，那么土鉆的深度就是土壤的厚度(<100cm)，24-26個(gè)網(wǎng)點(diǎn)土壤的平均厚度即為樣地的土壤平均厚度(<100cm)。
(3)在每個(gè)樣地中根據(jù)土壤平均厚度挖取一個(gè)典型土壤剖面分層取樣，用環(huán)刀測(cè)定土壤容重；同時(shí)取500g土樣；在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣地的4角和中間分層用土鉆取樣，4-5個(gè)點(diǎn)同層次的土樣組成一個(gè)混合樣。
(4) 土樣置于陰涼處自然風(fēng)干后，取土樣過篩、編號(hào)待測(cè)有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀含量；去除環(huán)刀內(nèi)土樣的植物根系和石礫，烘干、稱重并計(jì)算土壤容重。采用孔徑Imm的篩子濾去可見植物根系，用清水洗凈、烘干(70°C)至恒重，稱重得根系生物量。
(5) 土壤容 重根據(jù)課題組11個(gè)生態(tài)系統(tǒng)33個(gè)土壤剖面的數(shù)據(jù)建立的土壤有機(jī)碳含量和土壤容重關(guān)系散點(diǎn)圖，發(fā)現(xiàn)二者存在良好直線關(guān)系y=_0.0lx+1.4983 (P〈0.05，R2=0.6482，n=165, y代表有機(jī)碳含量，x代表土壤容重，P值是檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量拒絕方向的概率，R2是相關(guān)系數(shù)，η代表樣本個(gè)數(shù))，從而依據(jù)測(cè)定的有機(jī)碳含量可以求得土壤容重。
(6) 土壤養(yǎng)分密度以土體體積為基礎(chǔ)作計(jì)算，排除了面積和土壤深度的影響，因此它已成為評(píng)價(jià)和衡量土壤中養(yǎng)分儲(chǔ)量的一個(gè)極其重要的指標(biāo)。以有機(jī)碳為例，某一土層i的有機(jī)碳密度(SOCi, kg/m2)的計(jì)算公式為:
SOCi = CiXDiXEiX (1-Gi)/100(I)
式中，Ci為土壤有機(jī)碳含量(g/kg), Di為容重(g/m3), Ei為土層厚度(cm), Gi為直徑大于2_的石礫所占的體積百分比(％)。如果某一土壤剖面由k層組成，那么該剖面的有機(jī)碳密度(SOCt，kg/m2)為:k
SOCr = Jci XDi XE,.x(l-G..)/ IOO(2) i
K代表土壤剖面層數(shù)；i代表某一土層。
(7)根據(jù)各生態(tài)系統(tǒng)樣方各層的土壤養(yǎng)分密度以及土層厚度，獲得了不同生態(tài)系統(tǒng)單位面積土壤養(yǎng)分儲(chǔ)量。
本發(fā)明的有益效果是:
一、本發(fā)明設(shè)計(jì)合理、可靠。根據(jù)不同生態(tài)系統(tǒng)樣地土壤平均厚度挖取剖面，結(jié)合樣點(diǎn)不同層次取樣，測(cè)定不同土層土壤容重、石礫含量、養(yǎng)分含量，計(jì)算各層土壤養(yǎng)分密度，從而獲得單位面積土壤養(yǎng)分儲(chǔ)量，解決了喀斯特地區(qū)土壤養(yǎng)分儲(chǔ)量估算不準(zhǔn)確等問題，為準(zhǔn)確評(píng)估喀斯特地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)土壤養(yǎng)分儲(chǔ)量現(xiàn)狀奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
二、本發(fā)明目的明確。針對(duì)喀斯特地區(qū)土壤瘠薄、不連續(xù)及巖石裸露率高的特點(diǎn)及主要養(yǎng)分儲(chǔ)量現(xiàn)狀估算按同緯度的紅黃壤類推存在較大的不確定性，及時(shí)地提供了一種適合喀斯特地區(qū)土壤養(yǎng)分儲(chǔ)量取樣與計(jì)算的方法。
三、綜上所述本發(fā)明簡單實(shí)用，可操作性強(qiáng)，省時(shí)、省力，且獲取數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，是一套適合喀斯特地區(qū)土壤養(yǎng)分儲(chǔ)量取樣與計(jì)算的實(shí)用方法，具有廣闊的應(yīng)用前景。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明根據(jù)不同生態(tài)系統(tǒng)樣地土壤平均厚度挖取剖面，結(jié)合樣點(diǎn)不同層次取樣，測(cè)定不同土層土壤容重、石礫含量、養(yǎng)分含量，計(jì)算各層土壤養(yǎng)分密度，從而獲得單位面積土壤養(yǎng)分儲(chǔ)量，是喀 斯特地區(qū)土壤養(yǎng)分儲(chǔ)量有效的取樣和計(jì)算方法，使喀斯特地區(qū)土壤養(yǎng)分儲(chǔ)量數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。
實(shí)施例1:
—種喀斯特地區(qū)土壤養(yǎng)分儲(chǔ)量取樣與計(jì)算方法，其步驟是:
(I)建立樣地:在喀斯特地區(qū)選擇典型生態(tài)系統(tǒng)，在立地條件基本一致的情況下，各設(shè)置3個(gè)20mX 20m標(biāo)準(zhǔn)樣地，樣地間隔25m。
(2)計(jì)算土壤平均厚度:首先將樣地劃分為16個(gè)5mX5m的小樣方，各獲得25個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)，用土鉆測(cè)定每個(gè)網(wǎng)點(diǎn)的土壤厚度，計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)樣地的土壤平均厚度。
(3)挖剖面、取樣:在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣地中根據(jù)土壤平均厚度挖取一個(gè)典型土壤剖面分層取樣，由于土層較薄，每IOcm土層取三個(gè)環(huán)刀用于測(cè)定土壤容重，同時(shí)取500g土樣；在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣地的4角和中間分0-10、10-20、20-30、30-40、40-50、50-60cm六層分層用土鉆取樣，5個(gè)點(diǎn)同層次的土樣組成一個(gè)混合樣。
(4) 土壤樣品處理與測(cè)定:土樣置于陰涼處自然風(fēng)干后，用四分法取土樣過0.149mm篩，編號(hào)后供指標(biāo)的測(cè)定。去除環(huán)刀內(nèi)土樣的植物根系和石礫，在105°C烘干24h后，稱重并計(jì)算土壤容重。采用孔徑Imm的篩子濾去可見植物根系，用清水洗凈、烘干(700C )至恒重，稱重得根系生物量。土壤有機(jī)碳測(cè)定采用重鉻酸鉀一外加熱法；全氮采用半微量凱氏定氮法；全磷采用硫酸高氯酸消煮鑰銻抗比色法；全鉀采用NaOH溶解火焰光度計(jì)法測(cè)定；水解氮用堿解擴(kuò)散法；速效磷用碳酸氫鈉浸提鑰銻抗比色法；速效鉀用lmol/L醋酸銨火焰光度計(jì)法測(cè)定(來源:鮑仕旦，2000)。
(5) 土壤容重的測(cè)定:喀斯特地區(qū)土壤土層淺薄、石礫含量和巖石較多，導(dǎo)致一些剖面深層的土壤容重?zé)o法測(cè)定。根據(jù)課題組11個(gè)生態(tài)系統(tǒng)33個(gè)土壤剖面的數(shù)據(jù)建立的土壤有機(jī)碳含量和土壤容重關(guān)系散點(diǎn)圖，發(fā)現(xiàn)二者存在良好直線關(guān)系y=_0.0lx+1.4983(P〈0.05，R2=0.6482，n=165)，從而依據(jù)測(cè)定的有機(jī)碳含量可以求得土壤容重。
(6) 土壤養(yǎng)分密度的計(jì)算:土壤養(yǎng)分密度是指單位面積一定深度土層中的土壤某一養(yǎng)分儲(chǔ)量，一般用t/hm2或kg/m2表示。由于它以土體體積為基礎(chǔ)作計(jì)算，排除了面積和土壤深度的影響，因此土壤養(yǎng)分密度已成為評(píng)價(jià)和衡量土壤中養(yǎng)分儲(chǔ)量的一個(gè)極其重要的指標(biāo)。以有機(jī)碳為例，某一土層i的有機(jī)碳密度(SOCi, kg/m2)的計(jì)算公式為:
SOCi = CiXDiXEiX (1-Gi)/100(I)
式中，Ci為土壤有機(jī)碳含量(g/kg), Di為容重(g/m3), Ei為土層厚度(cm), Gi為直徑大于2_的石礫所占的體積百分比(％)。如果某一土壤剖面由k層組成，那么該剖面的有機(jī)碳密度(SOCt，kg/m2)為:
權(quán)利要求
1.一種喀斯特地區(qū)土壤養(yǎng)分儲(chǔ)量取樣與計(jì)算方法，其步驟是: (1)在喀斯特地區(qū)選擇旱地、水田、草地、灌草叢、灌叢、人工林、次生林和人工林生態(tài)系統(tǒng),在坡向、土壤母質(zhì)立地條件一致,建立20mX 20m樣地； (2)將樣地劃分小樣方獲得24-26個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)，用土鉆用力打入每個(gè)網(wǎng)點(diǎn)的土壤，直至土鉆打不進(jìn)去，土鉆的深度就是土壤的厚度<100cm，24-26個(gè)網(wǎng)點(diǎn)土壤的平均厚度為樣地的土壤平均厚度〈100cm ； (3)在每個(gè)樣地中根據(jù)土壤平均厚度挖取一個(gè)土壤剖面分層取樣，用環(huán)刀測(cè)定土壤容重；同時(shí)取土樣；在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣地的4角和中間分層用土鉆取樣，4-5個(gè)點(diǎn)同層次的土樣組成一個(gè)混合樣； (4)土樣置于陰涼處自然風(fēng)干后，取土樣過篩、編號(hào)待測(cè)有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀含量；去除環(huán)刀內(nèi)土樣的植物根系和石礫，烘干、稱重并計(jì)算土壤容重，采用孔徑Imm的篩子濾去植物根系，用清水洗凈、烘干70°C至恒重，稱重得根系生物量； (5)土壤容重根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)33個(gè)土壤剖面的數(shù)據(jù)建立的土壤有機(jī)碳含量和土壤容重關(guān)系散點(diǎn)圖，發(fā)現(xiàn)二者存在直線關(guān)系y=_0.0lx+1.4983:P<0.05，R2=0.6482，n=165，測(cè)定的有機(jī)碳含量求得土壤容重； y代表有機(jī)碳含量，X代表土壤容重，P值是檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量拒絕方向的概率，R2是相關(guān)系數(shù)，η代表樣本個(gè)數(shù)； (6)土壤養(yǎng)分密度以土體體積作計(jì)算，排除了面積和土壤深度的影響，成為評(píng)價(jià)和衡量土壤中養(yǎng)分儲(chǔ)量的一個(gè)指標(biāo)，有機(jī)碳，某一土層i的有機(jī)碳密度的計(jì)算公式為: SOCi = CiXDiXEiX (1-Gi)/100(I) 式中，Ci為土壤有機(jī)碳含量g/kg, Di為容重g/m3, Ei為土層厚度cm, Gi為直徑大于2_的石礫所占的體積百分比％;土壤剖面由k層組成，該剖面的有機(jī)碳密度為:
全文摘要
本發(fā)明公開了一種喀斯特地區(qū)土壤養(yǎng)分儲(chǔ)量取樣與計(jì)算方法，其步驟(1)在喀斯特地區(qū)選擇旱地；(2)將樣地劃分小樣，用土鉆用力打入每個(gè)網(wǎng)點(diǎn)的土壤；(3)在每個(gè)樣地中根據(jù)土壤平均厚度挖取一個(gè)土壤剖面分層取樣，用環(huán)刀測(cè)定土壤容重；(4)土樣置于陰涼處自然風(fēng)干后，取土樣過篩、去除環(huán)刀內(nèi)土樣的植物根系，用清水洗凈、烘干至恒重，稱重得根系生物量；(5)土壤容重根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)土壤剖面的數(shù)據(jù)建立的土壤有機(jī)碳含量和土壤容重關(guān)系散點(diǎn)圖，測(cè)定有機(jī)碳含量求得土壤容重；(6)土壤養(yǎng)分密度以土體體積作計(jì)算；(7)根據(jù)各生態(tài)系統(tǒng)樣方的土壤養(yǎng)分密度，獲得了單位面積土壤養(yǎng)分儲(chǔ)量。方法簡單易行，操作性強(qiáng)簡便，省時(shí)、省力、能準(zhǔn)確獲取喀斯特地區(qū)土壤養(yǎng)分儲(chǔ)量的數(shù)據(jù)。
文檔編號(hào)G01N5/04GK103235103SQ20131012174
公開日2013年8月7日 申請(qǐng)日期2013年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月9日
發(fā)明者宋同清, 彭晚霞, 杜虎, 曾馥平, 宋敏 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所