基于不同方法的林下土壤有机质含量测定

陶真鹏，徐宗恒，丁俊楠，张宇

(云南师范大学地理学部，昆明 650500)

土壤有机质主要由土壤中形成的和外部加入的所有动植物残体不同分解阶段的各种产物和合成产物组成[1]，是土壤中含碳有机化合物的总称，是衡量土壤肥力的重要指标之一[2-4]。在山区流域林下斜坡区，土壤有机质除了对土壤阳离子交换量[5]等土壤理化性质、生物活动、肥力等造成一定影响外，还间接影响着降雨条件下水分的入渗和斜坡土壤的抗侵蚀性，因此对土壤有机质含量的准确测定是开展土壤相关研究的前提。选择一种简单有效的方法测定土壤有机质含量，并保证测定结果的准确性，能够为土壤有机质相关研究提供重要的理论依据。

土壤有机质含量测定的方法很多，如干烧法、湿烧法、重铬酸钾容量法、灼烧法[6]和光谱分析法[7]等，其中以灼烧法和重铬酸钾容量法较为常用。灼烧法快速易操作，无需复杂的土样前处理，可直接测定原土样，灼烧过程中也无需添加任何化学试剂，减少对样品的污染，适合大批量土样的测定[6]。但是采用灼烧法时，灼烧时间和灼烧温度对土壤烧失量有很大影响，进而直接地影响着土壤有机质含量的测定[8-9]。此外，Heiri等[10]与张文河等[11]指出样品的尺寸大小和炉内样品位置也会对测定结果造成一定影响。由于灼烧法的灼烧温度和灼烧时间没有明确规定，其测定结果精确度较差，所以选择合适的灼烧温度和灼烧时间，且试验操作程序正确，能有效地提高实验效率和精确度，较准确地测定出土壤有机质含量，灼烧法不失为一种较好的方法。重铬酸钾容量法是化学氧化法的一种，是测定土壤有机质含量的标准方法，不需要特殊的设备和操作技巧，不受样品中碳酸盐的干扰，快速简便[12]，实验误差小，分析结果较准确，但操作过程繁琐，实验过程中有许多细节需要注意，并且会产生有害物质，对身体健康造成影响[13]。在已有研究成果中，钱宝等[14]用TOC(total organic carbon)分析仪法，550 ℃烧失量法，950 ℃烧失量法和水合热重铬酸钾氧化比色法测定长江底沉积物标准物质中的有机质含量并分析不同测定方法的准确度；陈碧珊等[15]用过量的重铬酸钾-硫酸溶液测定雷州半岛红树林典型分布区的土壤有机质含量；刘肖[16]通过实验分析指出，国标法测定土壤有机质所用的重铬酸钾-硫酸溶液使用过量,并将其用量减半使用后取得了较好的研究成果。目前研究多关注土壤有机质的测定与空间变异特征及其影响因素等方面，少有综合考虑不同灼烧温度、不同灼烧时间、不同土壤深度以及不同化学试剂使用量的确定等，对有机质含量测定结果的影响，并进行对比分析的研究成果。现以取自云南昭通一高植被覆盖度斜坡的分层林下土壤为研究对象，采用灼烧法(burning method，BM)和重铬酸钾容量法(potassium dichromate volumetric method，PDVM)对土壤有机质含量进行测定，探究不同灼烧温度和不同灼烧时间对测定结果的影响，并与重铬酸钾容量法的测定结果进行线性拟合分析，对不同情况下土壤有机质含量测定方法选择进行评述，以期为土壤有机质含量测定分析方法的选择提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 取样点概况及取样

供测土样取自云南省昭通市昭阳区盘河乡头寨沟，取样点位于103°51′58″E、27°33′28″N，海拔2 300 m(图1)。在该地选择一处植被披覆的斜坡进行采样[图2(a)、图2(b)]，清除表面植被后从地表向下挖掘出一段100 cm×100 cm的垂直切面区域。从表层土开始每间隔20 cm采集1个土样，如表1所示，共采集5层[图2(a)，分别定义为A～E层]。去除土壤中的石砾、树根等较大的杂质，将各层土样混合均匀，混匀后用四分法收集土样[7]，每层土样收集5 kg左右带回实验室。

表1 供试土样基本特征

图1 取样点地理位置

土样带回后过2 mm筛处理，大部分放入烘箱中经105 ℃烘干除去吸湿水，制备灼烧法试验样品，烘干时需将土样摊成薄层(保证土壤受热均匀)。少部分在自然条件下风干10 d左右。风干过程中应经常翻动土样，使土壤中含有的还原性物质得到充分氧化，消除还原性物质对实验结果的影响。将风干后的土壤过0.149 mm筛，放入烧杯中用保鲜膜密封保存[图2(c)]。

1.2 实验方法

1.2.1 重铬酸钾容量法

根据《森林土壤有机质的测定及碳氮比的计算》(LY/T 1237—1999)[17]，称取0.4 g土样、0.1 g硫酸银粉末置于大试管底部，用吸量管注入5 mL 0.8 mol/L的重铬酸钾法标准溶液，最后用移液管加入5 mL浓硫酸溶液，旋转摇匀。将试管插入铁丝架中，放入180 ℃的油浴锅中加热20 min。将冷却后的溶液移入锥形瓶中，用邻菲啰啉指示剂，0.2 mol/L FeSO4溶液进行滴定，到溶液变为棕红色且摇晃后不再变色为终点，如图2(d)所示，记录下FeSO4用量，根据此用量计算有机质含量。需注意的是，消煮冷却后发现溶液颜色为绿色，说明重铬酸钾法用量不足，需适当减少土样量，重新进行实验。

1.2.2 灼烧法

灼烧法采用的主要设备是SX-4-10型箱式电阻炉控制箱，其实验原理是通过测定灼烧前后土壤重量的差值来计算烧失量(loss on ignition，LOI)。因烧失量与土壤中的碳含量具有很好的相关性，在一定程度上可以代表土壤中有机质的含量，故用该数值乘以1.724(碳换算成有机质的经验系数)，近似地表示有机质的含量[14,18-19]。首先将洗净的坩埚放入马弗炉中，用105 ℃的温度灼烧30 min，后取出放入干燥室待冷却后称其质量。后将经105 ℃烘干后的每份土样称取5 g左右于坩埚中，将坩埚放入电阻炉控制箱[如图2(e)所示]，从350 ℃开始灼烧，每隔2 h后把坩埚取出置于干燥箱冷却，待常温后再称重，得到灼烧前后土样的重量差。为研究不同灼烧温度和灼烧时间对测定结果的影响，采用4个温度(350、450、550、650 ℃)，6个灼烧时间(2、4、6、8、10、12 h)分别进行灼烧，即每隔2 h测量一次土壤的灼烧减重，每个温度灼烧12 h。每层土样重复三组试验，结果取平均值[12]。

图2 林下土壤分层取样及室内试验

2 结果分析

2.1 土壤有机质含量随灼烧时间和灼烧温度的变化分析

针对不同层次土壤有机质含量(soil organic matter，SOM)的测定结果，分析土壤有机质含量随灼烧温度和灼烧时间的变化情况，结果如图3所示。从图3可以看出，在相同灼烧温度下，不同层次的土壤有机质含量随灼烧时间的变化趋势基本一样，且在350、450、550、650 ℃这4个不同的灼烧温度中，A层土壤测得的SOM均值始终高于其他土层测得的SOM均值，以灼烧温度为350 ℃为例[图3(a)]，在灼烧时间为2 h时，A～E层的SOM值分别为20.65%、12.35%、9.60%、7.90%、7.20%。且在灼烧时间2 h内测得的SOM值呈显著增加趋势，增幅明显，后随灼烧时间增加，SOM值增加趋势放缓，灼烧4 h以后，SOM值基本趋于稳定。在4个不同的灼烧温度下，不同层位的土壤灼烧2 h至灼烧12 h的SOM值最大增加幅度为26.2%，且2 h时的结果与其他时间相比，偏差值(此处为绝对偏差，是2 h测定值与6个时间平均值的差值)总是最大，以2 h、450 ℃为例，A～E层偏差值分别为-0.75%、-0.35%、-0.14%、-1.3%、-1.79%，表明灼烧2 h时的测定结果并不稳定，而当灼烧4 h以后，与8、10、12 h结果比较增幅基本在5%以内，误差较小，偏差值也较小，表明当温度为450 ℃，时间为4 h时适宜测定土壤有机质含量。从该变化情况可知，随着温度的增加，至550 ℃和650 ℃时，灼烧4 h后随着灼烧时间的增加对真实有机质含量测定有一定影响。结合已有成果[20-21]和本文的分析，当灼烧温度高于450 ℃，灼烧时间大于4 h得到的结果相比之前灼烧温度低于450 ℃、灼烧时间小于4 h得到的结果高一些是合理的，所以建议灼烧法测定土壤有机质含量时温度不宜超过450 ℃，时间可选择4 h。

AVG为4个温度下测定的SOM均值

不同层位的SOM随灼烧温度升高呈线性增加趋势，将灼烧温度(T)与SOM进行线性拟合发现，相关系数R2在0.77～0.98区间内，二者呈较好的正相关关系，不论不同层次土壤或不同灼烧时间，增加的趋势都基本一致，斜率在0.016～0.027区间内(图4)。但是，随着灼烧时间的增加，其增长速度趋于缓慢，以A层为例，从图4拟合直线斜率可看出，其斜率分别为0.022、0.020、0.019、0.019、0.018、0.017，呈线性方式递减，说明随着灼烧时间的增加，可灼烧可挥发性的物质在逐渐减少。其次还可发现，在任一灼烧温度下，不同层位的SOM呈直线递增且无相交，且A层的SOM远远高于其余深度土层(图4)，以450 ℃、4 h为例，A～E层测得的SOM分别为24.35%、16.4%、13.9%、10.25%、8.75%，SOM 均随土壤深度增加而降低，且表层土壤的SOM最高，土壤深度越深，SOM越低。

图4 同一灼烧时间条件下SOM随灼烧温度变化情况

在不同灼烧温度下，无论灼烧时间长或灼烧时间短，SOM结果都存在较大差异(图5)。随着灼烧温度升高，SOM也随之呈线性增加；在350～450 ℃区间段时，各时段曲线离散型较大，误差值偏高，特别是对D、E层而言，2 h灼烧时间得到的结果偏差值最大，再加上从图5(f)中的各灼烧温度所得结果平均值也可以看出，350 ℃所得误差值最大，说明用较低的灼烧温度和灼烧时间测定SOM是不合适的；在550～650 ℃区间段时，6组时段曲线离散型较小，趋于重合，且随温度增加后SOM呈缓慢上升趋势，即在450 ℃以后，随着灼烧时间增加，SOM增速放缓。在灼烧温度相同时，灼烧4 h与灼烧6、8、10、12 h的SOM变化相差不大，即灼烧时间大于4 h以后，灼烧时间对SOM的影响较小，各时段曲线都大致重叠在一起，以线性方式增长到一，定值后趋于平缓，呈现出SOM随灼烧温度升高和灼烧时间增长呈先增加后趋于稳定的趋势，与前述结论一致。

图5 相同土层位置SOM随灼烧时间和灼烧温度变化图

2.2 重铬酸钾容量法与灼烧法之间的比较

重铬酸钾容量法是化学法的一种，是测定有机质的标准方法，与受灼烧温度、灼烧时间以及炉内样品位置等因素影响的灼烧法相比，实验误差小，测定结果较准确。就重铬酸钾容量法测定结果分析，A层SOM最高，达到21.85%，B层～E层分别为19.60%、8.19%、4.08%、3.97%，可以看出，越往下的土层，土壤有机质含量越低。而采用灼烧法时，以灼烧温度为450 ℃灼烧时间为4 h的测定结果进行分析，A层～E层测得的土壤有机质含量分别为24.38%、16.31%、13.91%、11.75%、10.80%。可见重铬酸钾容量法与灼烧法的测定结果均呈现SOM随土层深度增加而降低的分布规律，即A层SOM值最高，土层深度越深，SOM值越低，这与董莉丽等[22]的研究结果一致。对于不同土层，越靠近上层的土壤有机质含量越高，在一定范围内两种方法测得的土壤有机质含量差别较小，温度和时间对实验结果的影响越小。

如图6所示，将重铬酸钾容量法和4个灼烧温度下得到的结果进行线性拟合发现，二者相关系数分别为0.71、0.73、0.74、0.76，有一定相关性，但相关性不高，如重铬酸钾容量法与灼烧法中温度为650 ℃测定的结果相关性较差，相关系数为0.71。其原因主要是两种方法测得的SOM随土壤深度的变化是基本一致的，但在相同层位上两种方法测得的SOM大小却有所偏差。同时，由于灼烧法烧失物质存在不确定性，影响因素较多，一般灼烧法测得的SOM均高于重铬酸钾容量法。所以，若对测定结果准确度要求较高时，建议优先采用重铬酸钾容量法；若确定有机质含量较高、样品量大且需快速测定时，可使用灼烧法，灼烧温度为450 ℃，灼烧时间为4 h。

图6 重铬酸钾容量法与灼烧法测定结果之间的关系

3 讨论

综上所述，A层土壤的SOM值始终高于其他土层，且A层～E层的土壤有机质含量均呈现随土层深度增加而降低的分布规律，这与董莉丽等[22]对汉康陵封土土壤有机质含量测定的结果大体一致，土壤有机质含量随土层深度增加而减少。结合取样点土壤剖面[图2(a)]的宏观特征进行原因讨论分析，取样点植被覆盖度较高且植被类型多样，土壤表层10 cm范围内多为呈错落状叠瓦结构[23]的枯枝落叶层及腐殖质层，土壤轻组有机质[24](可分解的植物残体)富集，50 cm范围之内分布有根系带，整个剖面残坡积特征明显，100 cm范围内偶有夹杂玄武岩碎砾。A层为根系-有机质富集带以及枯枝落叶覆盖层，各种生物残体及微生物分解物腐化堆积，与下层土壤界面分层明显，因此有机质多富集于此层，土壤有机质含量较高。有机质与植被根系和动物活动及腐殖质层、微生物群落相伴而生，随着植被根系影响程度随土壤深度减弱以及表层丰富有机质向更深层次土壤输送的限制，SOM降低也正常。此外，灼烧4 h后随着灼烧温度和灼烧时间的增加对有机质含量测定存在影响，其原因是因为对在105 ℃条件下烘干的样品进行350～450 ℃的灼烧时，该时间段主要完成的是绝大部分有机质的灼烧，包括各种破碎植物体、动物残骸、微生物及其分解合成的有机物质，而在550 ℃和650 ℃这样的较高温度灼烧条件下，不仅完成了样品有机质的灼烧，还包括部分碳酸盐、结构水、矿物质等的灼烧，导致结果偏大，对土壤有机质的测定造成影响。

土壤是森林生态系统中林木赖以生存的物质基础[25]，在山区流域林下斜坡区，土壤中的有机质含量不仅决定土壤肥力，还影响着植被的生长与土壤的结构特征，间接影响着斜坡土壤水分的入渗和斜坡土壤的抗侵蚀性。在头寨植被披覆的斜坡区，地表覆盖的大量枯枝落叶层是土壤有机质的主要来源，在表层一定深度范围内存在有大量的植被根系，加之动物活动性较强，动植物分泌、微生物活动、枯枝落叶层腐化形成的有机质以及微生物分解产物是有机质的主要组成部分。该区较高的SOM，促进该地区植物的大量繁殖，而根系通道、动物通道等可以将有机质输送到土壤较深的部位，促进和影响着土壤物理特征的演变。将重铬酸钾容量法与灼烧法(450 ℃、4 h)测定的SOM结果分别与土样含水率w、天然密度ρ、干密度ρd和孔隙率n进行拟合后发现，随土壤深度增加，其含水率[图7(a)]值波动较大，SOM和含水率无明显关系可循，虽然土壤含水率受土壤有机质含量、取样时前期降雨、植被涵养水分功能等的影响，但明显的是，头寨植被披覆的斜坡区土壤含水率均较高，含水率均值为166.98%。同时，SOM与天然密度、干密度呈负相关，相关系数分别为0.85和0.73，且天然密度[图7(b)]和干密度[图7(c)]随土壤深度增加均表现为增大，而与孔隙率呈正相关关系，随土壤深度增加逐渐减小[图7(d)]，最大值、最小值分别为83.28%、59.24%，这三者与供试土样基本特征(表1)分布规律大体一致。

图7 重铬酸钾容量法与灼烧法(450 ℃、4 h)测定的SOM与土样基本参数之间的关系

土壤有机质含量的变化差异较大，与气候、植被、地形、土壤类型和耕作措施等因素密切相关，对于一般的土壤而言，SOM值多在0～5%，特殊的泥炭土可达20%，甚至30%以上[26]，可见，取样区的土壤具有泥炭土高有机质含量的性质。同时，对比刘杰等[27]、陈莉莉等[28]、吴江琪等[29]对林下土壤有机质及相关物理特征测定结果可知，头寨斜坡取样区土壤具有高孔隙度-低容重-高含水率的物理特征，而这种现象主要是由于高有机质含量造成，因为有机质可以增强颗粒黏结性和促进团粒结构形成，对土壤团聚体形成过程和稳定性方面有重要作用；此外，高有机质土壤土质松软、多孔且呈絮状，土壤透水透气性较好，同时腐殖质有巨大比表面积和亲水基团，能有效改善土壤有效持水量[26]。

4 结论

(1)灼烧法测定SOM受灼烧温度和灼烧时间影响较大，相同灼烧温度下，不同土层的SOM随灼烧时间的变化一致，灼烧2 h烧失量显著增加，后随灼烧时间增加，测得的SOM有微小增加但增幅不大，灼烧至4 h以后，SOM基本稳定不变；且灼烧温度过高会导致试验测定结果偏高，所以灼烧法测定有机质含量时温度不宜超过450 ℃，时间可选择4 h。

(2)灼烧法和重铬酸钾容量法测定结果表明A层土壤的SOM值始终高于其他土层，且SOM随土壤深度增加而减小，规律一致，但相同层位的结果却有所偏差，烧法烧失物质存在不确定性，所以，若对结果准确度要求较高时，建议优先采用重铬酸钾容量法；若确定有机质含量较高、样品量大且快速测定时，建议使用灼烧法。

(3)有机质对土壤结构特征有着明显影响，取样区土壤高有机质含量的性质，导致具有高孔隙度-低容重-高含水率的物理特征。