一种稻田表层土壤净碳储量估算方法

摘要

本发明公开了一种稻田表层土壤碳储量估算的方法，其步骤：A、确定表层土壤的基准统计厚度，计算该厚度内表层土壤质量和土壤碳储量；B、测定试验第

说明书

技术领域

本发明涉及农田土壤碳储量技术领域，更具体涉及一种稻田表层土壤净碳储 量估算的方法，适合于全球变化领域中农田(稻田表层)土壤碳储量估算。

背景技术

稻田碳储量是陆地生态系统中重要的碳库之一，而稻田耕层土壤碳储量是其 中变化最大的部分，耕层土壤碳储量对施肥等农作措施、气候变化的响应受到生 态环境和全球变化等研究领域的广泛关注，而对稻田表层土壤碳储量的精确估算 是以上研究的基础。目前表层土壤碳储量的估算主要有：①固定层次法，是基于 假设试验前后表层土壤厚度(H_FD)固定不变条件下的估算方法，估算公式如下： C_i，FD＝conc_i×BD_i×H_FD×10，式中H_FD是假设的固定表层土壤厚度，C_i，FD是 H_FD厚度表层土壤的碳储量(t hm^-2)，conc_i是H_FD厚度表层土壤有机碳含量(kg t^-1)，BD_i是H_FD厚度土壤容重(t m^-3)。但随着稻田的长期耕作、施肥，表层土 壤容重会产生升高或降低的趋势，随之表层土壤厚度也呈现出相对应的变化，而 采用固定层次估算法忽略了这种表层土壤厚度变化现象，直接导致试验前后统计 的表层土壤重量不一致，将产生较大的系统估算误差。②变化土壤层次法，根据 土壤容重变化情况或调查的表层土壤厚度情况，统一增加或减少表层土壤厚度 值，虽然在一定程度上提高了估算精度，但是该方法忽略了容重变化的差异性， 减小试验处理间碳储量变化的差异性。因此，有必要设计新的估算方法，需要同 时考虑土壤容重及表层土壤厚度变化对表层土壤净碳储量估算的影响，进一步校 正净碳储量变化值。

发明内容

本发明的目的是在于提供一种稻田表层土壤碳储量估算的方法，方法易行， 操作简便。该方法依据试验前后表层土壤质量守恒原理，区分相同厚度表层土壤 质量变化，结合土壤容重变化特征，通过校正这部分质量变化的表层土壤碳储量， 达到提高表层土壤净碳储量估算精度目的，为稻田表层土壤碳储量研究提供科学 估算方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术措施：

以试验开始时稻田表层土壤厚度为基准统计厚度，采用质量守恒的原理，计 算试验第i年时与试验开始时(第0年)基准统计厚度内表层土壤的质量差值， 该质量差值为土壤容重变化带来的基准统计厚度内的土壤质量的变化，再利用该 质量的土壤碳储量来校正第i年表层土壤净碳储量变化值。

一种稻田表层土壤碳储量估算的方法，其步骤是：

A、本方法中是根据试验前后同一厚度内的表层土壤作基准进行研究的。需要首 先确定实验前表层土壤基准统计厚度，用H₀表示，同时需要获得该厚度内试 验开始时的数据，如土壤容重(BD₀)、土壤有机碳含量(conc₀)，下标用₀表示。本方法以试验开始时的表层土壤厚度为基准统计厚度(H₀)，该厚度内 表层土壤质量(M₀)和土壤碳储量(C_0，FD)分别利用公式M₀＝BD₀×H₀×10⁴和公式C_0，FD＝conc₀×M₀×10^-3进行计算。

B、其次，确定试验进行i年时土壤的基本数据，为了比较的一致性，测定实验 第i年时基准统计厚度(H₀)内的表层土壤容重(BD_i)、有机碳含量(conc_i)， 下标用_i表示。但是还需要对H₀层次内的数据进行校正，这也是本方法的关 键点，需要测定下层土壤的数据，即基准统计厚度H₀～2倍基准统计厚度H₀内的土壤有机碳含量(conc_ib)，conc_ib为第i年下层(b)土壤有机碳含量， 下标用_ib表示。第i年时基准统计厚度(H₀)内土壤质量(M_i)和土壤碳储 量(C_i，FD)分别利用公式M_i＝BD_i×H₀×10⁴和公式C_i，FD＝conc_i×M_i×10^-3计算。

C、根据质量守恒原理，计算同一基准统计厚度(H₀)内表层土壤试验i年后的 土壤质量与实验开始时的土壤质量的差值，计算公式为M_i，chnange＝M₀-M_i。 土壤质量M₀是实验开始时H₀厚度内的表层土壤质量，M_i是实验i年时H₀厚度内的表层土壤质量，M_i，cange是两者的差值。

D、通过计算基准统计厚度(H₀)内变化的表层土壤质量(M_i，cange)的碳储量 来获得碳储量校正值(C_i，change)。依据M_i，change大小，校正值(C_i，change)有3 种校正情况：

(1)在土壤质量M_i，change＝0条件下，试验前后土壤容重没有发生变化，H₀厚度内土壤净碳储量校正值(C_i，change)为0，即C_i，change＝0；

(2)在土壤质量M_i，change＞0条件下，试验第i年时土壤容重降低，H₀厚度内 土壤碳储量校正值(C_i，change)为正值，计算公式为C_i，change＝conc_ib×M_i，change×10^-3；

(3)在土壤质量M_i，change＜0条件下，试验第i年时土壤容重升高，H₀厚度内 土壤碳储量校正值(C_i，change)为负值，计算公式为C_i，change＝conc_i×M_i，change×10^-3；

E、根据公式C_i，equiv＝C_i，FD+C_i，change计算等质量的表层土壤试验第i年时的碳储 量；根据公式C_i，equiv＝C_i，FD+C_i,change-C_0，FD，计算表层土壤试验第i年时净 碳储量值；

其中：C_i，equiv为表层土壤净碳储量值，C_i，FD为实验第i年时H₀厚度内土壤 碳储量值，C_i，change为第i年时表层土壤碳储量校正值，C_0，FD为试验开始时基准 统计厚度(H₀)内土壤碳储量值。

本发明具有以下优点：

根据表层土壤试验前后质量守恒原理，同时考虑了土壤容重及表层土壤厚度 变化对表层土壤净碳储量估算的影响，只需获取试验前后土壤容重及有机碳数据 即可对表层土壤碳储量进行校正，方法简便，易于操作。该等质量法在土壤容重 降低的情况下，通过增加净碳储量的校正方法来提高估算精度及处理间差异敏感 性；该等质量法在土壤容重升高的情况下，通过等质量法减少净碳储量的校正方 法来提高估算精度。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为一种表层土壤容重降低的碳储量估算示意图。

图2为一种表层土壤容重升高的碳储量估算示意图。

图3为一种表层土壤容重不变的碳储量估算示意图。

图4为一种长期不同施肥稻田表层土壤净碳储量估算结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步详细描述：实现本发明的方法的示意图如图 1、图2和图3所示。

实施例1：(在稻田土壤容重降低的情况下，实现本发明方法的示意图如图1)

一种稻田表层土壤碳储量估算的方法，其步骤是：

A、以试验开始时稻田表层土壤厚度作为基准统计厚度H₀，测定试验开始时 该厚度H0内的土壤容重(BD₀)、土壤有机碳含量(conc₀)和试验第i年时该该厚 度H₀内的土壤容重(BD_i)和有机碳含量(conc_i)。同时在试验第i年时测量基 准统计厚度H₀～2倍基准统计厚度H₀厚度内土壤有机碳含量(conc_ib)。

B、根据公式C_i，FD＝conc_i×M_i×10^-3和公式M_i＝BD_i×H₀×10⁴计算第i年基准 统计厚度H₀内土壤的碳储量(C_i，FD)，根据公式C_0，FD＝conc₀×M₀×10^-3和公式 M₀＝BD₀×H₀×10⁴计算试验开始时基准统计厚度H₀内土壤的碳储量(C_0，FD)。

式中M_i和M₀分别是第i年和试验开始时基准统计厚度H₀内的土壤质量(t hm^-2)，C_i，FD和C_0，FD分别是第i年和试验开始时该厚度内的土壤碳储量(t hm^-2)， conc_i和conc₀是第i年和试验开始时该厚度内土壤有机碳含量(kg t^-1)，BD_i和BD₀是第i年和试验开始时该厚度内的土壤容重(t m^-3)，10^-3和10⁴是单位转化系数。

C、依据质量守恒原理，根据公式M_i，change＝M₀-M_i计算试验第i年与试验开 始时基准统计厚度H₀内的土壤质量差值。

D、根据土壤质量差值(M_i，change)的计算结果确定表层土壤碳储量的校正方 法，本实施例中土壤容重降低，即土壤质量M_i，change＞0，即在试验第i年时基准统 计厚度H₀内的土壤质量降低的情况下，表层土壤碳储量校正值为C_i，change，计算 公式为C_i，change conc_ib×M_i，change×10^-3。

E、根据公式C_i，equiv＝C_i，FD+C_i，change计算等质量的表层土壤试验第i年时的 碳储量；根据公式C_i，equiv＝C_i，FD+C_i，change-C_0，FD，计算表层土壤试验第i年时 净碳储量值；

其中：C_i，equiv为表层土壤净碳储量值，C_i，FD为实验第i年时H₀厚度内土壤 碳储量值，C_i，change为第i年时表层土壤碳储量校正值，C_0，FD为试验开始时基准 统计厚度(H₀)内土壤碳储量值。

实施例2：(在稻田土壤容重升高的情况下，实现本发明方法的示意图如图2)

一种稻田表层土壤碳储量估算的方法，其步骤是：

A、以试验开始时稻田表层土壤厚度作为基准统计厚度H₀，测定试验开始时 该厚度H₀内的土壤容重(BD₀)、土壤有机碳含量(conc₀)和试验第i年时该厚 度H₀内的土壤容重(BD_i)和有机碳含量(conc_i)。

B、根据公式C_i，FD＝conc_i×M_i×10^-3和公式M_i＝BD_i×H₀×10⁴计算第i年基准 统计厚度H₀内土壤的碳储量(C_i，FD)，根据公式C_0，FD＝conc₀×M₀×10^-3和公式 M₀＝BD₀×H₀×10⁴计算试验开始时基准统计厚度H₀内土壤的碳储量(C_0，FD)。

式中M_i和M₀分别是第i年和试验开始时基准统计厚度H₀内的土壤质量(t hm^-2)，C_i，FD和C_0，FD分别是第i年和试验开始时该厚度内的土壤碳储量(t hm^-2)， conc_i和conc₀是第i年和试验开始时该厚度内土壤有机碳含量(kg t^-1)，BD_i和BD₀是第i年和试验开始时该厚度内的土壤容重(t m^-3)，10^-3和10⁴是单位转化系数。

C、依据质量守恒原理，根据公式M_i，change＝M₀-M_i计算试验第i年与试验开 始时基准统计厚度H₀内的土壤质量差值。

D、根据土壤质量M_i，change的计算结果确定土壤碳储量的校正方法，本实施 例中土壤容重升高，即土壤质量M_i，change＜0，即在试验第i年时基准统计厚度H₀内的表层土壤质量升高的情况下，表层土壤碳储量校正值为C_i，change，计算公式 为C_i，change＝conc_i×M_i，change×10^-3。

E、根据公式C_i，equiv＝C_i，FD+C_i，change计算等质量的表层土壤试验第i年时的 碳储量；根据公式C_i，equiv＝C_i，FD+C_i，change-C_0，FD，计算表层土壤试验第i年时 净碳储量值；

其中：C_i，equiv为表层土壤净碳储量值，C_i，FD为实验第i年时H₀厚度内土壤 碳储量值，C_i，change为第i年时表层土壤碳储量校正值，C_0，FD为试验开始时基准 统计厚度(H₀)内土壤碳储量值。

实施例3：(在稻田土壤容重不变的情况下，实现本发明方法的示意图如图3)

在稻田土壤容重不变的情况下，在土壤质量M_i，change＝0条件下，试验前后土 壤容重没有发生变化，净碳储量校正值为C_i，change＝0，即在本条件下表层净碳储 量变化值不需要校正。表层土壤碳储量估算的方法，其步骤是：

A、以试验开始时稻田表层土壤厚度作为基准统计厚度H₀，测定试验开始时 该厚度H₀内的土壤容重(BD₀)、土壤有机碳含量(conc₀)和试验第i年时该该 厚度H₀内的土壤容重(BD_i)和有机碳含量(conc_i)。

B、根据公式C_i，FD＝conc_i×M_i×10^-3和公式M_i＝BD_i×H₀×10⁴计算第i年基准 统计厚度H₀内土壤的碳储量(C_i，FD)，根据公式C_0，FD＝conc₀×M₀×10^-3和公式 M₀＝BD₀×H₀×10⁴计算试验开始时基准统计厚度H₀内土壤的碳储量(C_0，FD)。

式中M_i和M₀分别是第i年和试验开始时基准统计厚度H₀内的土壤质量(t hm^-2)，C_i，FD和C_0，FD分别是第i年和试验开始时该厚度内的土壤碳储量(t hm^-2)， conc_i和conc₀是第i年和试验开始时该厚度内土壤有机碳含量(kg t^-1)，BD_i和BD₀是第i年和试验开始时该厚度内的土壤容重(t m^-3)，10^-3和10⁴是单位转化系数。

C、根据公式C_i，equiv＝C_i，FD-C_0，FD计算表层土壤试验第i年时净碳储量值；

其中：C_i，equiv为表层土壤净碳储量值，C_i，FD为实验第i年时H₀厚度内土壤 碳储量值，C_0，FD为试验开始时基准统计厚度(H₀)内土壤碳储量值。

试验例1：

选用中国科学院桃源农业生态试验站稻田长期定位试验(1990年开始)的8 个处理进行研究20年后(2010年)表层土壤碳储量的变化，8个处理分别为： ①不施化肥，收获物全部移出系统(CK)；②不施化肥，收获物中养分循环利 用(C)；③施化肥N，收获物移出系统(N)；④在施化肥N的基础上，收获 物中养分循环利用(N+C)；⑤施化肥N、P，收获物移出系统(NP)；⑥在施 化肥N、P的基础上，收获物中养分循环利用(NP+C)；⑦施化肥N、P、K， 收获物移出系统(NPK)；⑧在施化肥N、P、K的基础上，收获物中养分循环 利用(NPK+C)。收获物中养分循环利用简称C。大田试验每处理3次重复， 随机区组排列。有“C”处理冬季种植紫云英(Astragalus sinicus L.)，春耕时将紫 云英翻压入泥作早稻基肥；早晚稻稻草全部直接还田；生产稻谷的50％(1994 年以前为80％)以及全部空秕谷粉碎后喂猪，猪粪尿作为第二年的早稻基肥。 供试化肥为尿素(N：45％)、过磷酸钙(P₂O₅：12％)和氯化钾(K₂O：60％)。施肥情 况：1990～1996年为N262.5kg hm^-2、P39.3kg hm^-2、K137.0kg hm^-2；1997～2006 年为N182.3kg hm^-2、P39.3kg hm^-2、K197.2kg hm^-2。

试验开始时(1990年)土壤耕层厚度(H₀)为0.20m，土壤容重(BD₀)为 1.25t m^-3，土壤有机碳量conc₀为15.0g kg^-2。以1990年稻田表层土壤厚度0.20m 为基准统计厚度H₀，测定第20年(2010年)时各处理0～0.20m表层土壤容重 BD₂₀和有机碳值con₂₀，同时测量各处理0.20～0.40m内土壤有机碳值con_20b。试 验开始时0.20m土壤质量为M₀，计算公式为：M₀＝BD₀×0.20×10⁴。

根据土壤碳储量计算公式：M₂₀＝BD₂₀×0.20×10⁴和C_20，FD＝conc₂₀×M₂₀× 10^-3计算各施肥处理基准统计厚度(0.20m)内土壤的碳储量。

采用质量守恒原理，根据公式M₂₀＝BD₂₀×0.20×10⁴和公式M_20，change＝M₀-M₂₀，计算试验2010年基准统计厚度(0.20m)内土壤质量M₂₀与1990年该厚 度内土壤质量M₀的差值M_20，change。

本实例中8个处理的土壤容重都显著降低，M_i，change＞0，即在2010年0.20m 的表层土壤重量变小的情况下，土壤碳储量校正值为C_20，change＝conc_20b×M_20，change×10^-3。

根据公式C_20，equiv＝C_20，FD+C_20，change计算试验20年时等质量的表层土壤碳储 量值，式中C_20，FD为基准统计厚度0.20m内的表层土壤碳储量，C_20，change为表层 土壤碳储量校正值。

根据公式C_20，equiv＝C_20，FD+C_20，change-C_0，FD计算2010年与1990年相比表层 土壤净碳储量的变化值。

计算结果比较见图4。采用等质量法估算的8种施肥方式第20年表层土壤 碳储量值变化范围为4.6～21.2t hm^-2(均值为11.4t hm^-2)，而采用固定层次法(固 定层次为0.20m)计算表层土壤碳储量值变化范围为-1.1～10.4t hm^-2(均值为3.5t hm^-2)。等质量法估算的平均净碳储量是固定层次法估值的2.2倍，且处理间的差 异性比较的灵敏性更高，即处理间净碳储量值在统计学上差异性加大。

试验例2：

选用中国科学院桃源农业生态试验站常规稻田(2004年开始)，研究 2004～2009年表层土壤碳储量变化。稻田常规管理，收获物全部移出稻田，种植 制度为双季稻，冬季休闲；小机械进行耕作。供试化肥为尿素(N：45％)、过磷 酸钙(P₂O₅：12％)和氯化钾(K₂O：60％)。每年化肥施用量相同，N230.0kg hm^-2、 P₂O₅91.5kghm^-2、K₂O242.0kg hm^-2。2004年大田耕层土壤厚度为0.20m，土壤 容重(BD₀)和土壤有机碳含量(conc₀)分别为1.27t m^-3和15.2g kg^-2，2009 年土壤容重值(BD₆)、有机碳含量(conc₆)分别为1.35t m^-3和15.7g kg^-2。

以2004年稻田表层土壤厚度0.20m为基准统计厚度H₀，根据公式C_0，FD＝conc₀×M₀×10^-3和公式M₀＝BD₀×H₀×10⁴计算试验开始时基准统计厚度H₀内土壤的 碳储量(C_0，FD)，根据公式C_6，FD＝dconc₆×M₆×10^-3和公式M₆＝BD₆×0.20×10⁴计算第6年(2009年)基准统计厚度H0内土壤的碳储量(C_6，FD)。

依据质量守恒原理，根据公式M_6，change＝M₀-M₆计算试验第6年与试验开始 时基准统计厚度H₀内的土壤质量差值。

根据土壤质量M_6，change的计算结果确定土壤碳储量的校正方法，本实施例中 土壤容重升高，即土壤质量M_6，change＜0，即在2009年0.20m的表层土壤重量升 高的情况下土壤碳储量校正值C_6，change为负值，计算公式为C_6，change＝conc₆×M_6，change×10^-3。

根据公式C_6，equiv＝C_6，FD+C_6，change计算等质量的表层土壤试验第6年时的 碳储量；根据公式C_6，equiv＝C_6，FD+C_6，change-C_0，FD，计算表层土壤试验第6年 时净碳储量值；

计算结果C_0，FD值为38.6t hm^-2，C_6，FD值为42.4t hm^-2，C_6，change值为-2.5t hm^-2。 即按固定层次法估算第6年表层土壤净碳储量变化值＝C_6，FD+C_6，change-C_0，FD， 净储量值为1.3t hm^-2，可见在土壤容重升高的情况下，等质量法中的校正值为 负值，通过降低表层土壤净碳储量变化值来达到提高估算精度。