唐偉祥，孟凡喬，張 煜，趙自超

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不同土壤有機(jī)碳測(cè)定方法的比較①

唐偉祥，孟凡喬*，張 煜，趙自超

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193)

對(duì)土壤碳的準(zhǔn)確定量是研究土壤肥力和農(nóng)業(yè)固碳的前提。本文選擇我國(guó)不同有機(jī)碳和無(wú)機(jī)碳含量的8個(gè)代表性土壤/沉積物樣品，比較濕氧化法、酸洗法和間接法三類方法對(duì)有機(jī)碳含量的測(cè)定效果。研究結(jié)果表明：對(duì)有機(jī)碳含量為3.4 ~ 11.5 g/kg的土壤和沉積物樣品，濕氧化法有較低的平均相對(duì)誤差(0.32% ~ 4.72%)和變異系數(shù)(0.40% ~ 1.22%)，間接法的平均相對(duì)誤差(5.16% ~ 20.46%)和變異系數(shù)(0.60% ~ 7.00%)都較高，而酸洗法介于這兩個(gè)方法之間。說(shuō)明在保持穩(wěn)定準(zhǔn)確的加熱溫度情況下，濕氧化法對(duì)土壤/沉積物有機(jī)碳含量的測(cè)定比較穩(wěn)定和準(zhǔn)確，且操作簡(jiǎn)單。對(duì)大部分樣品，由于酸對(duì)土壤無(wú)機(jī)碳難以充分溶解，造成酸洗法和間接法的有機(jī)碳測(cè)定值偏高，且變異系數(shù)較大。

土壤；沉積物；有機(jī)碳；酸洗；濕氧化法；間接法

土壤(包括沖洪沉積物)有機(jī)碳(soil organic carbon, SOC)是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最重要和活躍的碳庫(kù)[1]，其周轉(zhuǎn)時(shí)間比土壤無(wú)機(jī)碳(soil inorganic carbon, SIC)庫(kù)短，對(duì)于全球碳循環(huán)、土地生產(chǎn)力和土壤質(zhì)量都具有重要意義[2-4]。要認(rèn)識(shí)土壤碳循環(huán)，分析自然因素和人類活動(dòng)對(duì)土壤有機(jī)碳和無(wú)機(jī)碳的影響規(guī)律及特征，就必須準(zhǔn)確定量土壤碳庫(kù)的組成和數(shù)量。在氣候、地質(zhì)等因素的長(zhǎng)期作用下，我國(guó)北方地區(qū)土壤中普遍偏堿性，土壤中存在一定量的無(wú)機(jī)碳[5]，如果采用燃燒法等對(duì)土壤有機(jī)碳進(jìn)行定量，就必須去除無(wú)機(jī)碳，或者分別測(cè)定全碳和無(wú)機(jī)碳，其差值為有機(jī)碳[6-7]。

測(cè)定土壤有機(jī)碳的主要方法有燃燒法和容量法[8]。根據(jù)是否有外部加熱，可以將最為常用的重鉻酸鉀容量法分為外熱源法(也稱為外加熱法，本文稱濕氧化法)或稀釋熱法，這兩類方法都不能完全氧化土壤或沉積物中的有機(jī)碳，因此都需要使用氧化校正系數(shù)來(lái)校正土壤有機(jī)碳的最終結(jié)果[9-10]。重鉻酸鉀容量法相對(duì)簡(jiǎn)單快捷[11]，但會(huì)受到氧化溫度以及測(cè)定樣品中亞鐵離子、氯離子、錳化合物等的影響[12]。由于被認(rèn)為能徹底氧化土壤中的有機(jī)碳，燃燒法被許多學(xué)者認(rèn)為是一種測(cè)定土壤有機(jī)碳更準(zhǔn)確的方法，通常被當(dāng)作測(cè)定土壤或沉積物中有機(jī)碳的參考方法或者標(biāo)準(zhǔn)方法[13-15]。本研究選擇當(dāng)前應(yīng)用比較廣泛的濕氧化法、酸洗法(將樣品中無(wú)機(jī)碳用酸去除后，用燃燒法定量有機(jī)碳)[16]以及間接法(用燃燒法和壓力計(jì)法分別定量樣品中的全碳和無(wú)機(jī)碳，差值即為樣品的有機(jī)碳)[17]等三類方法，對(duì)我國(guó)不同含量有機(jī)碳和無(wú)機(jī)碳的代表性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)土壤／沉積物進(jìn)行測(cè)定，分析三類方法的準(zhǔn)確度和精密度，評(píng)估各類方法對(duì)于不同土壤的適應(yīng)性。

1 材料與方法

1.1 供試材料

本研究采用的8種土壤/沉積物為國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局批準(zhǔn)，編號(hào)為GSS-3、GSS-7、GSS-9、GSS-14、GSS-21、GSS-25、GSS-26和GSS-28的樣品，總碳、有機(jī)碳和無(wú)機(jī)碳含量范圍分別為5.5 ~ 19、3.4 ~ 11.5和0.3 ~ 13.7 g/kg，基本覆蓋了我國(guó)從南方的酸性土壤到北方的中性和堿性土壤。

1.2 測(cè)定方法

本研究中，土壤/沉積物有機(jī)碳的測(cè)定采用3種方法，分別為：①采用磷酸浴加熱、重鉻酸鉀氧化的Walkley-Black濕氧化法，簡(jiǎn)稱“濕氧化法”[10]；②用酸去除無(wú)機(jī)碳，元素分析儀法燃燒測(cè)定土壤/沉積物的有機(jī)碳含量，簡(jiǎn)稱“酸洗法”[9]；③用壓力計(jì)法測(cè)定土壤無(wú)機(jī)碳，元素分析儀法燃燒測(cè)定土壤/沉積物的總碳，然后差減得到土壤有機(jī)碳含量，簡(jiǎn)稱“差減法”[17]。

濕氧化法的具體步驟為：準(zhǔn)確稱取待測(cè)樣品0.1 ~ 1.0 g (精確到0.000 1 g)到硬質(zhì)試管底部。為了確保有機(jī)碳能被氧化完全，根據(jù)樣品有機(jī)質(zhì)含量選擇稱樣量：若有機(jī)質(zhì)含量≤20 g/kg，則稱樣量為0.5 ~ 1.0 g；若有機(jī)質(zhì)含量≥50 g/kg，則稱樣量為0.1 g；有機(jī)質(zhì)含量為20 ~ 50 g/kg，稱樣量為0.1 ~ 0.5 g。往試管內(nèi)準(zhǔn)確加入5.00 ml的0.8 mol/L K2Cr2O7溶液，再加入5 ml濃硫酸(分析純)，充分浸潤(rùn)樣品。在試管上加蓋小漏斗，放入約170 ℃的磷酸溶液中消煮，溫度控制在164 ~ 170 ℃范圍。試管內(nèi)液體沸騰或有較大氣泡發(fā)生時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，保持沸騰5 min?？諝庵蟹胖美鋮s至室溫，將試管內(nèi)容物倒入150 ml三角瓶中，溶液總體積控制在60 ~ 70 ml。加入鄰菲羅啉指示劑3 ~4滴，用約0.2 mol/L FeSO4標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定，混合液顏色由灰色突變?yōu)楹旨t色時(shí)，即為滴定終點(diǎn)。同時(shí)作空白土樣的測(cè)定[10]。

酸洗法：稱取待測(cè)樣品2 ~ 3 g(1)放入50 ml離心管。本研究中，對(duì)于8種不同標(biāo)準(zhǔn)樣品，稱樣質(zhì)量統(tǒng)一為2 g(精確到0.000 1 g)。往離心管中準(zhǔn)確加入20 ml 0.5 mol/L的HCl溶液，搖勻后放入振蕩器，200 r/min震蕩30 min，靜置12 h。將上清液倒掉，加入去離子水，充分?jǐn)嚢杈鶆虿㈧o止一段時(shí)間后，放入離心機(jī)中以3 000 r/min離心3 min，將上清液倒掉，再加入去離子水，洗至上清液的pH為6 ~ 7。之后，用去離子水將土樣轉(zhuǎn)移至鋁盒中，60 ℃烘干，烘干后記錄土樣質(zhì)量(精確至0.000 1 g，2)，則樣品酸洗后重量損失的矯正系數(shù)為2/1。酸洗后樣品磨細(xì)過(guò)篩(0.15 mm)，烘干至恒重后，用元素分析儀(Vario Pyro Cube，德國(guó)Elementar公司)測(cè)定有機(jī)碳含量[9]。

差減法為間接方法，即利用土壤/沉積物的總碳和無(wú)機(jī)碳含量的差值求得有機(jī)碳含量，其中樣品總碳是利用元素分析儀進(jìn)行直接測(cè)定，不需酸洗處理[17]。樣品無(wú)機(jī)碳的測(cè)定通過(guò)壓力計(jì)法[18]。所選8種標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的無(wú)機(jī)碳含量范圍較寬(0.3 ~ 13.7 g/kg)。實(shí)驗(yàn)選用20 ml血清瓶。每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣品的稱樣量都為1 g(精確到0.000 1 g)，稱量后放入20 ml血清瓶。移取溶解3% FeCl2的6 mol/L鹽酸溶液2 ml于進(jìn)樣瓶中。用鑷子將進(jìn)樣瓶轉(zhuǎn)移進(jìn)血清瓶中，確保沒(méi)有酸溢出或沾在小瓶外面，立即用橡膠塞蓋住瓶口，同時(shí)蓋上鋁蓋，利用手動(dòng)壓蓋器按壓鋁蓋密封。搖動(dòng)瓶子，使鹽酸溶液與所有的土壤或沉積物樣品充分反應(yīng)，靜置2 h。利用壓力傳感器測(cè)定血清瓶中CO2的壓力值。先記錄儀表上的“基線”壓力值，然后用注射針刺穿橡膠塞，一旦刺穿橡膠塞就確保針頭保持不動(dòng)，記錄3 ~ 5 s后儀表上的讀數(shù)。每批樣品同時(shí)進(jìn)行空白樣品(石英砂)的測(cè)定。以校正的CO2壓力值為縱坐標(biāo)，無(wú)機(jī)碳濃度為橫坐標(biāo)，制作標(biāo)準(zhǔn)曲線。稱取1 g(精確到0.000 1 g)待測(cè)土壤/沉積物樣品(對(duì)于無(wú)機(jī)碳含量較高的樣品，測(cè)定時(shí)有可能會(huì)超出所用壓力碳酸計(jì)的量程，可以適當(dāng)?shù)販p少稱樣量，同時(shí)加入石英砂確?？傎|(zhì)量為1 g)，放入20 ml 的血清瓶中，用上述相同的步驟測(cè)定校正壓力值，然后根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線求出樣品中的無(wú)機(jī)碳濃度。

1.3 結(jié)果計(jì)算與統(tǒng)計(jì)分析

測(cè)定結(jié)果的回收率計(jì)算公式：

相對(duì)誤差的計(jì)算公式：

本研究利用Microsoft Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算和作圖。利用SPSS Statistics 17.0進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)分析和線性回歸分析。利用單樣本檢驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)?zāi)撤椒y(cè)定標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值之間是否有顯著差異，利用配對(duì)樣本檢驗(yàn)分析兩種方法測(cè)定同一標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)時(shí)測(cè)定結(jié)果之間是否有顯著差異，顯著性水平都取0.05。

2 結(jié)果

2.1 三種方法測(cè)定的有機(jī)碳含量

從表1可以看出，3種方法的有機(jī)碳平均回收率分別為101.1%、105.1% 和109.2%。濕氧化法、酸洗法和間接法3種方法的平均變異系數(shù)分別為0.82%、2.65% 和2.78%。對(duì)于所有樣品，濕氧化法的平均相對(duì)誤差、平均變異系數(shù)都小于另外兩種方法(GSS-14除外，濕氧化法的變異系數(shù)等于間接法)，回收率也最接近100%，說(shuō)明該方法的準(zhǔn)確度和精確度最好，其次是酸洗法，最差的是間接法。對(duì)于GSS-3、GSS-7、GSS-9、GSS-14和GSS-28這5個(gè)有機(jī)碳占總碳比例較高(>57%)的樣品，間接法的測(cè)定結(jié)果顯著高于酸洗法，酸洗法也有高于濕氧化法的趨勢(shì)(GSS-9和GSS-28除外)，間接法的誤差都比較大。對(duì)于GSS-21、GSS-25和GSS-26這3個(gè)有機(jī)碳占總碳比例較低(<50%)的樣品，酸洗法和間接法之間沒(méi)有顯著差異，測(cè)定結(jié)果也都高于濕氧化法。

表1 三種方法測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)有機(jī)碳含量

注：有機(jī)碳含量為5個(gè)重復(fù)的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差；同列數(shù)據(jù)小寫(xiě)字母不同表示同種標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)不同測(cè)定方法間顯著差異(< 0.05)。

2.2 樣品有機(jī)碳含量的標(biāo)準(zhǔn)值與測(cè)定值的關(guān)系

3種方法有機(jī)碳含量的標(biāo)準(zhǔn)值與測(cè)定值都具有顯著的線性回歸關(guān)系(< 0.05)(圖1)。濕氧化法的測(cè)定結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值(圖1中的實(shí)黑線)最接近，決定系數(shù)最高(0.998)，但在有機(jī)碳含量較高(> 10 g/kg)時(shí)，大約有+2.5% 的高估。酸洗法比濕氧化法差，但比間接法好，回歸關(guān)系的決定系數(shù)為0.970，在低濃度有機(jī)碳含量(< 9 g/kg)時(shí)，有高估現(xiàn)象(+3.5% ~ +12.4%)；而在高濃度有機(jī)碳含量(> 9 g/kg)時(shí)，有可能出現(xiàn)低估現(xiàn)象(–7.8%)，如GSS-9。無(wú)論有機(jī)碳含量低還是高，間接法都會(huì)嚴(yán)重高估(除了GSS-21)，約為+5.4% ~ +20.5%，其回歸關(guān)系的決定系數(shù)為0.981。

圖1 三種方法樣品有機(jī)碳含量測(cè)定值與標(biāo)準(zhǔn)值的回歸關(guān)系

3 討論

濕氧化法是一種經(jīng)典的土壤和沉積物有機(jī)碳含量測(cè)定方法[7]，但有些學(xué)者認(rèn)為這種方法不能定量測(cè)定有機(jī)碳[6]，主要易受雜質(zhì)干擾、惰性碳很難被氧化、碳損失以及土壤有機(jī)碳氧化還原度的不確定等影響[19]。近年來(lái)，甚至被認(rèn)為和元素分析儀等方法相比不夠先進(jìn)[12]。該方法的溫度要求控制在 170 ~ 180℃[20]，本研究中采用的外加熱方式為磷酸浴加熱，控制在164 ~ 170℃范圍，結(jié)果表明相對(duì)誤差都較小，準(zhǔn)確度、精密度也較高。此外，土壤或沉積物樣品中的氯或可溶性的亞鐵類物質(zhì)(如FeO)含量相對(duì)較高時(shí)，在測(cè)定過(guò)程中會(huì)消耗部分K2Cr2O7，導(dǎo)致濕氧化法的結(jié)果偏高，而一些錳的高價(jià)氧化物(如MnO2)在酸性條件下會(huì)與部分有機(jī)碳發(fā)生反應(yīng)，使得樣品消耗的K2Cr2O7減少，導(dǎo)致濕氧化法的結(jié)果偏低[19]。從表2中可以看出，8個(gè)樣品的氯含量為0.041 ~ 0.152 g/kg，對(duì)結(jié)果的影響可忽略不計(jì)。錳的含量雖然比氯高，但也還是比較小，對(duì)結(jié)果的影響可忽略不計(jì)。由于8個(gè)樣品在制備過(guò)程中，都進(jìn)行了烘干處理，可能使得樣品中的亞鐵類物質(zhì)部分被氧化，最終FeO含量為5.0 ~ 14.0 g/kg。假設(shè)剩余的FeO在有機(jī)碳測(cè)定過(guò)程中與K2Cr2O7完全反應(yīng)，由于土壤/沉積物樣品的取樣量大多數(shù)為1 g，則最多會(huì)消耗3.25×10–5mol的K2Cr2O7，因此對(duì)于取樣量為1 g左右的樣品，其中的FeO對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響可以忽略不計(jì)。對(duì)于GSS-21，其FeO為11.0 g/kg，測(cè)定時(shí)取樣量為1.68 g左右，則樣品中的FeO最多消耗4.29×10-5mol的K2Cr2O7，對(duì)結(jié)果的影響也較小。因此，上述3類雜質(zhì)在濕氧化法中都可以忽略，使得濕氧化法結(jié)果比較準(zhǔn)確。

表2 八個(gè)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的FeO、Cl和Mn含量(g/kg)

相對(duì)于濕氧化法，酸洗法直接測(cè)定樣品中的有機(jī)碳，理論上應(yīng)該更為準(zhǔn)確[21]。但本試驗(yàn)的結(jié)果表明，酸洗法存在著偏大的系統(tǒng)誤差，回歸關(guān)系的決定系數(shù)只有0.970，在有機(jī)碳濃度過(guò)低和過(guò)高的情形下，測(cè)定結(jié)果分別存在過(guò)高和過(guò)低估計(jì)的情況，其他研究中存在同樣情況[9]?？赡艿脑虬ǎ孩贌o(wú)機(jī)碳酸洗不完全；②酸化所用酸帶入了外來(lái)碳[23]；③在酸洗過(guò)程中部分有機(jī)碳丟失[24]。對(duì)于GSS-21和GSS-25，無(wú)機(jī)碳含量分別為13.7和13.2 g/kg，無(wú)機(jī)碳酸洗可能不完全，酸洗后樣品中未去除的無(wú)機(jī)碳使得最終的測(cè)定結(jié)果被高估[22]。本研究中酸洗大約2 ~ 4次，酸洗過(guò)程中損失了較多的酸溶性有機(jī)碳，使得樣品損失的質(zhì)量較多[25]，對(duì)于GSS-9，5個(gè)平行樣的質(zhì)量損失為11.6% ~ 13.1%，平均質(zhì)量損失達(dá)到了12.4%，從而導(dǎo)致了酸洗后樣品質(zhì)量(2)偏小，并使最終的測(cè)定結(jié)果被低估。

和濕氧化法、酸洗法比較，間接法的準(zhǔn)確度、精密度都比較低。主要原因在于：每個(gè)土壤/沉積物樣品都要分別測(cè)定全碳和無(wú)機(jī)碳含量?jī)蓚€(gè)指標(biāo)，而在樣品的稱量、包裝、轉(zhuǎn)移以及分析過(guò)程中，全碳和無(wú)機(jī)碳的測(cè)定過(guò)程都會(huì)引入誤差，因此其穩(wěn)定程度受到較大影響，這從較高的變異系數(shù)和相對(duì)誤差可以看出。理論上，燃燒法可以獲得較為充分和準(zhǔn)確的土壤/沉積物全碳含量[26]，但壓力計(jì)法可能存在無(wú)機(jī)碳反應(yīng)不完全的情況，造成無(wú)機(jī)碳結(jié)果偏低[27]，全碳和無(wú)機(jī)碳的差值即有機(jī)碳含量偏高，這從偏高+5.4% ~ +20.5% 的測(cè)定結(jié)果可以得到驗(yàn)證(表1)。因此，如果要利用間接法，應(yīng)該確保無(wú)機(jī)碳得到充分反應(yīng)和測(cè)定，一方面無(wú)機(jī)碳結(jié)果準(zhǔn)確，另一方面有機(jī)碳結(jié)果才會(huì)更為可信。

4 結(jié)論

對(duì)于不同含量有機(jī)碳和無(wú)機(jī)碳的土壤/沉積物樣品，與酸洗法和間接法比較，濕氧化法的有機(jī)碳測(cè)定結(jié)果有較低的相對(duì)誤差和變異系數(shù)，有較好的準(zhǔn)確度和精密度。受到壓力計(jì)法低估無(wú)機(jī)碳含量，以及需要分別測(cè)定全碳和無(wú)機(jī)碳兩個(gè)過(guò)程較多的誤差影響，間接法的相對(duì)誤差較高(除了GSS-21，其他樣品高估5.2% ~ 20.5%)，變異系數(shù)也較大。酸洗法的相對(duì)誤差和變異系數(shù)在前兩個(gè)方法之間，在土壤/沉積物樣品有機(jī)碳含量較低時(shí)，測(cè)定結(jié)果高估，而在樣品有機(jī)碳含量較高時(shí)，測(cè)定結(jié)果低估。

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Method Comparison for Determining Soil Organic Carbon

TANG Weixiang, MENG Fanqiao*, ZHANG Yu, ZHAO Zichao

(College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University, Beijing 100193, China)

Precise quantification of soil carbon is the prerequisite for the study of soil fertility and carbon sequestration in agriculture. This study selected eight representative soil/sediment samples with different contents of organic carbon (OC) and inorganic carbon (IC), and compared the accuracies of three analytical methods, i.e., wet oxidation method, dry combustion method with acid washing, and indirect method. The results showed that, for soil and sediment samples with OC contents of 3.4–11.5 g/kg, wet oxidation method had the lowest mean relative error (0.32%–4.72%) and the lowest coefficient of variation (0.40%–1.22%), while the indirect method had the highest mean relative error (5.16%–20.46%) and the highest coefficient of variation (0.60%–7.00%). These results indicated that if a stable and accurate heating temperature was maintained, the measured results of wet oxidation method, the simplest method, are stable and accurate. Due to a difficult dissolution of inorganic carbon in the dry combustion with acid washing, or difficult total combustion of inorganic carbon in the indirect method, these two methods had a positive error of organic carbon and the coefficient of variation was also higher for most samples.

Soil; Sediment; Organic carbon; Acid washing; Wet oxidation; Indirect method

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31370527，31261140367)資助。

(mengfq@cau.edu.cn)

唐偉祥(1993—)，男，福建漳州人，本科生，主要研究方向?yàn)橥寥捞嫉h(huán)。E-mail: cyztwx@outlook.com

10.13758/j.cnki.tr.2018.03.016

S151.9

A