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使用四种不同的方法比较土壤样本中的碳含量
Benito R. Bonfatti, Alfred E. Hartemink and Elvio Giasson
摘要：土壤有机碳（SOC）浓度不同在于其深度，土壤和土地用途的不同。不同的方法已被用于计算SOC库存，在这里，我们使用来自巴西南部10个地方的数据来比较4种方法：具有离散数据的层值，指数函数，等面积指数函数和等面积二次样条函数。SOC库存计算直到30厘米和100厘米的深度从（i）原始数据（ii）基于相等质量的标准化数据（iii）基于等质量减粗略碎片（碎石）的标准化数据。结果被用来比较计算30和100厘米深的SOC储量。通过层产生的离散值产生了30和100厘米深度的平均SOC储量，6.9和14.6kg/m2为原始值，6.5和14.1kg/m2是按质量标准化，6.3和13.5kg/m2是按质量减去碎片标准化。负指数函数产生了6.1的平均值，原值为14.1kg/m2，标准值为5.6和13.3kg/m2，等质量减粗略碎片的标准化值为5.4和12.9kg/m2。平均区域指数函数的平均值为7.1，原始值为14.5 kg/m2，6.6和13.9kg/m2为等质量标准值，6.4和13.5kg/m2等质量减粗略碎片的标准化值。平均面积平均产生6.8和14.7kg/m2的原始值，6.3和14.2kg/m2的等质量标准值，6.1和13.7kg/m2的等质量减粗略碎片的标准化值。通过比较，我们发现负指数函数在上层产生更低的的SOC储量而在低层产生更高的储量；等面积指数生成的SOC储量在统计上与层值相似；等面积样条函数产生的统计数据在30厘米深度与层相似，在100厘米深相异。我们可以得出结论通过深度计算SOC储量的不同方法产生显著差异，等面积指数和等面积样条的不同结果和值更类似于水平值。
关键词：SOC；样条;指数函数;土壤等质量
20.1 引言
土壤有机碳含量及其深度分布与气候，植被覆盖，土壤类型，地貌和农业活动有关。通常具有茂密植被的高降水地区导致土壤碳的积累。相反的情况发生在干燥地区的土壤中，还有不具有足够的水分的，碳要结合钙和固定（Schaetzl and Anderson 2005）。SOC的水平景观有相当大的变化，山谷的底部可能会从上部地区接受侵蚀沉积物，形成深埋土壤与埋藏的视野。农业活动大部分影响碳储量，耕种和免耕做法导致不同的SOC不适用（Angers and Eriksen-Hamel 2008; Sisti等 2004）。
只有少数研究考虑100厘米深的碳(Minasny等 2013)。大多数研究采用达30厘米土壤深度的数据，这是IPCC深度标准与农作物相关。评估30厘米以下的碳量，需要了解不同耕作系统的SOC动力学(Angers and Eriksen-Hamel 2008; Sisti等 2004)或在不同的土地利用下的深度分布 (Guo and Gifford 2002;Jobbaacute;gy and Jackson 2000)。
不同环境条件下SOC的比较是复杂的因为数据通常来自离散的视野。当土壤中的数据是连续的时，关于碳汇的知识和解释是方便有利的。属性的连续分布可以为诊断视野提供新的见解甚至可能导致新课程的形成（Hartemink and Minasny 2014）。
通过数学函数表示SOC提供了深度的连续值，并为固定或深度范围提供了SOC。最近的研究使用了等地面样条函数（Adhikari 2014; Malone 2009; Odgers 2012），其模拟局部二次多项式函数（Bishop 1999;Ponce-Hernandez 1986）。其他方法使用指数衰减函数（Minasny等 2006; Mishra等 2009; Zinn等 2005），他们假定碳浓度随深度呈指数下降。研究也有使用基于层数据的指数函数，考虑区域等价类似于等面积样条（Kempen等 2011）
SOC储量的量化包括堆积密度和粗碎片（例如，砾石）的含量的变化。SOC储量发生计算错误当通过压实改变堆积密度或当不考虑耕作后堆积密度的降低。不同堆积密度下的SOC储量必须通过厚度差异来校正（Ellert和Bettany 1995）或通过累积质量坐标标准化（Gifford和Roderick 2003）。此外，当计算SOC储量时，应考虑粗碎片的量。
本研究分析了计算土壤碳储量达30和100厘米深度的四种方法：（a）层分布（b）指数函数分布（c）等面积指数函数分布（d）等面积样条函数分布。层离散值直接从数据库中使用数据，而函数使用每个水平值的中点数据。方法分为3组：（I）原始值（II）相等质量标准化的值（III）通过等质量减去粗略碎片标准化的值。
20.2 材料和方法
20.2.1 土壤
我们使用了从巴西南非里约热内卢州东北部的淡水河谷dos Vinhedos（葡萄园谷）收集的10种土壤样本的SOC和体积密度数据。该区年平均降水量1736mm，年平均气温17.2°C。气候被归类为Cfb（EMBRAPA 2008）。 一些土壤是砾石（Flores等 2012），主要的土壤是始成土，较小的地区有老成土，软土，新成土，淋溶土和氧化土。 大多数土壤被森林覆盖或用作葡萄园。
弗洛雷斯等人（2012）从土壤调查报告中提取10份资料（表20.1），并补充了在2014年做的土壤体积密度测量。体积密度在不同的土壤和土地利用（葡萄园，森林/种植的森林，牧场，耕作和休耕）被测量。土壤通过土层采样，Walkley-Black分析SOC（Flores等 2012; Santoset等 2006）。
20.2.2 方法
在这项研究中，我们使用了四种计算30和100厘米深的碳储量的方法。通过平滑样条插入准时体积密度值，结果使用每厘米计算。这些值是平均值，并分配给每个相应的土层线，土层的中点用于插值。 各种方法的详细情况如下。
表20.1 来自巴西Rio Grande do Sul的Vale dos Vinhedos研究区的10个样本描述
在不同深度采集体积密度样品; 表中的值对应于每层的导出值，来自平滑样条函数
|
土体 |
参考土体 |
层 |
深（cm） |
SOC（g/kg） |
体积密度（Mg/m3） |
粗碎片（%） |
土类 |
土地利用 |
|
1 |
4 |
Ap |
0-15 |
19.8 |
1.15 |
16 |
正常新成土 |
葡萄园 |
|
CR |
15-35 |
15.1 |
1.17 |
6 |
||||
|
2 |
5 |
Ap |
0-16 |
16.7 |
1.17 |
0 |
Udepts |
葡萄园 |
|
Bi |
16-36 |
7.4 |
1.21 |
0 |
||||
|
BC |
36-50 |
5.5 |
1.22 |
0 |
||||
|
3 |
27 |
Ap |
0-23 |
13,8 |
1.14 |
1 |
湿润老成土 |
葡萄园 |
|
AB |
23-55 |
5.7 |
1.21 |
19 |
||||
|
Bt1 |
55-74 |
3.9 |
1.23 |
0 |
||||
|
Bt2 |
74-120 |
2.9 |
1.25 |
0 |
||||
|
4 |
28 |
Ap |
0-30 |
14.7 |
1.20 |
0 |
殖质老成土 |
葡萄园 |
|
Bt1 |
30-72 |
13.8 |
1.24 |
1 |
||||
|
Bt2 |
72-120/140 |
8.6 |
1.17 |
0 |
续表20.1
|
土体 |
参考土体 |
层 |
深（cm） |
SOC（g/kg） |
体积密度（Mg/m3） |
粗碎片（%） |
土类 |
土地利用 |
|
C |
120/140-200 |
2.8 |
1.17 |
0 |
||||
|
5 |
53 |
Ap1 |
0-30 |
37.3 |
0.97 |
0 |
Udoxs |
森林 |
|
A2 |
30-55 |
26.7 |
1.06 |
0 |
||||
|
Bt1 |
55-90 |
14.4 |
1.18 |
0 |
||||
|
Bt2 |
90-200 |
6 |
1.23 |
0 |
||||
|
6 |
78 |
Ap |
0-35 |
25.5 |
1.03 |
0 |
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