王堯, 田衎, 封躍鵬, 王偉

(生態(tài)環(huán)境部環(huán)境發(fā)展中心環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)樣品研究所， 國(guó)家環(huán)境保護(hù)污染物計(jì)量和標(biāo)準(zhǔn)樣品研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029)

土壤中總有機(jī)碳(TOC)是指土壤中與有機(jī)質(zhì)相關(guān)的碳元素總稱(chēng)，是土壤理化性質(zhì)重要指標(biāo)之一，主要用于指示土壤中有機(jī)質(zhì)含量。研究發(fā)現(xiàn)，土壤中有機(jī)碳不僅在全球碳平衡中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，其含量與土壤全氮、陽(yáng)離子交換量、pH值等土壤理化性質(zhì)之間也具有相關(guān)性，而且還對(duì)有機(jī)污染物特別是多環(huán)芳烴(PAHs)在土壤中的遷移和吸附有重要影響[1-5]。土壤中總有機(jī)碳被認(rèn)為是既能定量又能定性反映土壤信息的綜合性參數(shù)，因此被廣泛應(yīng)用于土壤狀況的測(cè)定與評(píng)估[3,6]。而土壤中總有機(jī)碳標(biāo)準(zhǔn)樣品作為配套土壤中總有機(jī)碳測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)方法的實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)，可有效保證土壤總有機(jī)碳監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量，對(duì)于客觀評(píng)價(jià)土壤健康水平、優(yōu)化土壤質(zhì)量管理等工作具有重要意義[7-8]。

表1列出了國(guó)內(nèi)外主要的土壤中有機(jī)碳標(biāo)準(zhǔn)樣品研究機(jī)構(gòu)，以及所開(kāi)發(fā)樣品的主要信息。國(guó)外對(duì)土壤中有機(jī)碳的研究始于20世紀(jì)60年代。為滿(mǎn)足對(duì)土壤有機(jī)碳存量等相關(guān)研究的需要，歐盟標(biāo)準(zhǔn)樣品和測(cè)量研究所(IRMM)、美國(guó)RTC公司等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)樣品研究機(jī)構(gòu)分別針對(duì)黏土、砂土等不同質(zhì)地的土壤，陸續(xù)開(kāi)發(fā)出指標(biāo)為總碳(TC)或總有機(jī)碳(TOC)的土壤標(biāo)準(zhǔn)樣品。這些國(guó)外土壤標(biāo)準(zhǔn)樣品中總有機(jī)碳的含量范圍介于4.00～60.0mg/g之間(表1)。多年來(lái)中國(guó)學(xué)者在土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量、存在形態(tài)、空間分布特征等領(lǐng)域的研究取得了十分豐碩的成果，但對(duì)土壤中有機(jī)碳標(biāo)準(zhǔn)樣品的研究方面關(guān)注程度較為有限[9-13]。中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所(IGGE)研制的土壤中元素成分分析標(biāo)準(zhǔn)樣品提供了土壤中總碳及有機(jī)碳的量值信息，可用于土壤肥力或土壤營(yíng)養(yǎng)成分的評(píng)價(jià)等工作，但中國(guó)一直未曾推出專(zhuān)門(mén)用于土壤中有機(jī)碳分析檢測(cè)的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)樣品。2021年初，國(guó)家地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試中心(NRCG)發(fā)布了土壤碳形態(tài)系列標(biāo)準(zhǔn)樣品(GBW07974～GBW07977)，量值指標(biāo)包括總碳、有機(jī)碳以及重組有機(jī)碳。而上述中國(guó)土壤樣品進(jìn)行量值評(píng)定時(shí)，主要是使用傳統(tǒng)的重鉻酸鉀容量法作為測(cè)定土壤中有機(jī)碳的分析方法，暫未采用當(dāng)前國(guó)際上使用較多的燃燒氧化-非分散紅外法。

表1 國(guó)內(nèi)外主要土壤標(biāo)準(zhǔn)樣品中涉及總有機(jī)碳的信息

本文在梳理土壤中有機(jī)碳檢測(cè)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的基礎(chǔ)上，選擇近些年逐漸流行的燃燒氧化-非分散紅外法，以中國(guó)有機(jī)碳含量較高的農(nóng)用地土壤為原材料，研制了土壤中總有機(jī)碳標(biāo)準(zhǔn)樣品，并對(duì)樣品量值及不確定度評(píng)定方法等進(jìn)行了研究和討論，為同類(lèi)指標(biāo)環(huán)境基體標(biāo)準(zhǔn)樣品的研制提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 分析儀器

總有機(jī)碳分析儀(Aurora 1030C + 1030S，美國(guó)OI Analytical公司)；X射線(xiàn)熒光光譜儀(Axios PW4400，荷蘭Malvern Panalytical公司)；精密電子天平(AE240，瑞士Mettler Toledo公司)。

1.2 樣品和主要試劑

葡萄糖基準(zhǔn)試劑(CAS:50-99-7，美國(guó)Sigma-Aldrich公司)；土壤TOC質(zhì)量控制樣品[SQC014-100G，(5210±2280)mg/kg，美國(guó)Sigma-Aldrich公司]；土壤成分分析標(biāo)準(zhǔn)樣品(GBW07430，0.97%±0.12%)；鹽酸(MOS級(jí)，北京化學(xué)試劑研究所)。

1.3 候選物的采集與制備

考慮到土地功能、管理模式等人為因素對(duì)土壤中有機(jī)碳的巨大影響，選擇受人為活動(dòng)影響較少的農(nóng)用地土壤作為土壤標(biāo)準(zhǔn)樣品的候選物[14-16]。鑒于中國(guó)土壤標(biāo)準(zhǔn)樣品中有機(jī)碳含量普遍偏低，在對(duì)中國(guó)土壤資源分布調(diào)研的基礎(chǔ)上，確定以腐植質(zhì)層深厚且鈣積層較深的黑鈣土為研究目標(biāo)，并選定因山地氣溫低導(dǎo)致腐植質(zhì)積累偏高的新疆地區(qū)為樣品采集地。在新疆維吾爾自治區(qū)某牧場(chǎng)采集pH值為8.4的土壤原料樣品，采樣深度為0～20cm，共采集土壤樣品約100kg。

除掉土壤中雜物等非土壤部分，在80℃低溫條件下烘干樣品，使樣品水分含量低于1%。用陶瓷球磨機(jī)研磨樣品，研磨后的樣品過(guò)100目(150μm)不銹鋼篩[17]，樣品粒度能夠滿(mǎn)足《土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 166—2004)對(duì)制樣粒度的要求。收集篩下樣品轉(zhuǎn)移至混勻機(jī)中混勻8h，并采用X射線(xiàn)熒光光譜法(XRF)對(duì)混勻后樣品進(jìn)行均勻性初檢。通過(guò)均勻性初檢的土壤樣品分裝于40mL棕色玻璃瓶中，每瓶樣品質(zhì)量為30g，共計(jì)分裝成品900瓶。以放射線(xiàn)60Co輻照滅菌，使土壤樣品的菌落總數(shù)低于10CFU/g[18]。樣品于室溫下避光儲(chǔ)存。

1.4 樣品分析測(cè)試

1.4.1儀器分析條件

檢測(cè)模式為固體-總碳(Solids-TC)，樣品注射量0.200mL，系統(tǒng)壓力20psi，排空時(shí)間15s，反應(yīng)時(shí)間4min，檢測(cè)時(shí)間3min，反應(yīng)溫度900℃，檢測(cè)溫度680℃，樣品杯預(yù)處理時(shí)間1.5min，測(cè)量方式為標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)法。

1.4.2檢測(cè)樣品的制備

在鏤空底石英樣品杯中填充少量石英棉，準(zhǔn)確稱(chēng)取干燥后的待測(cè)土壤樣品0.1g(精確到0.0001g)于石英樣品杯中，緩慢滴加50%的鹽酸約300μL，覆蓋樣品杯內(nèi)全部樣品。石英樣品杯放入烘箱中120℃烘干2h，去除總無(wú)機(jī)碳(TIC)。樣品妥善放置，待測(cè)。

2 結(jié)果與討論

2.1 測(cè)量方法的選擇

土壤中總碳(TC)由總無(wú)機(jī)碳(TIC)和總有機(jī)碳(TOC)組成。土壤中總有機(jī)碳的測(cè)定原理是通過(guò)氧化的方式，將土壤中各種類(lèi)型的有機(jī)碳(OC)轉(zhuǎn)化為可以定量測(cè)定的化合物，利用碳元素之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系計(jì)算樣品中有機(jī)碳含量。近年來(lái)，關(guān)于土壤有機(jī)碳測(cè)定方法的研究較多，按照測(cè)定過(guò)程來(lái)看，可分為土壤有機(jī)碳的氧化和氧化產(chǎn)物的測(cè)定兩個(gè)步驟。幾種常見(jiàn)的土壤中總有機(jī)碳的測(cè)定方法歸納于圖1。

圖1 土壤中總有機(jī)碳的測(cè)定方法Fig.1 Analytical methods of TOC in soil

根據(jù)土壤有機(jī)碳氧化方式的不同，可將氧化方法大致分為以下兩種類(lèi)型：一是使用強(qiáng)氧化劑作為氧化手段的化學(xué)氧化法，即濕法氧化法；二是使用干式燃燒作為氧化手段的高溫氧化法，即燃燒法[3,6,10,19]。濕法氧化法是指在土壤樣品中加入過(guò)量的氧化劑，將樣品中的有機(jī)碳全部氧化為二氧化碳，然后對(duì)氧化產(chǎn)物進(jìn)行測(cè)定，進(jìn)而換算出有機(jī)碳的含量。常用的濕法氧化法有重鉻酸鹽氧化法、過(guò)硫酸鹽氧化法、過(guò)氧化物氧化法等[20-23]。燃燒法是將土壤樣品置于燃燒爐中，使樣品在高溫下(通常超過(guò)900℃)的氧氣流中燃燒，將樣品中的碳元素全部氧化為二氧化碳。燃燒法既可先測(cè)定樣品中總碳以及總無(wú)機(jī)碳，然后通過(guò)差減法間接計(jì)算出總有機(jī)碳含量；也可通過(guò)測(cè)定加酸并烘干去除總無(wú)機(jī)碳后的樣品，直接獲得樣品中的總有機(jī)碳含量[21-22]。

對(duì)樣品氧化后的產(chǎn)物(如：重鉻酸根、二氧化碳等)進(jìn)行測(cè)定，可采用滴定法、比色法、重量法、容量法、光度法、氣相色譜法等多種不同技術(shù)[21-23]。手動(dòng)滴定法是通過(guò)滴定過(guò)量的重鉻酸根，然后換算出結(jié)果。比色法是測(cè)定溶液中反應(yīng)產(chǎn)生的三價(jià)鉻的吸光度，再間接確定指標(biāo)含量。重量法是根據(jù)吸附裝置在吸收二氧化碳后其質(zhì)量發(fā)生的變化，從而換算出結(jié)果。容量法是通過(guò)滴定吸收二氧化碳后過(guò)量的氫氧化鋇，進(jìn)一步計(jì)算出有機(jī)碳含量。光度法是采用非色散紅外(NDIR)檢測(cè)器測(cè)定反應(yīng)生成的二氧化碳的量，進(jìn)而計(jì)算碳的含量。氣相色譜法是使用配有熱導(dǎo)檢測(cè)器(TCD)的氣相色譜儀測(cè)定二氧化碳的量，或?qū)⒍趸嫁D(zhuǎn)化為甲烷后再用氫火焰離子化檢測(cè)器(FID)進(jìn)行測(cè)定[3,6,21-22]。

目前，測(cè)定土壤中有機(jī)碳含量最常用方法是重鉻酸鉀-外加熱氧化法(濕法氧化)和總有機(jī)碳分析儀法(高溫燃燒氧化法)，兩種氧化方法各有優(yōu)缺點(diǎn)、適用范圍及局限性[3,10,24]。重鉻酸鉀-外加熱氧化法為測(cè)定土壤有機(jī)碳的傳統(tǒng)方法，國(guó)際上采用該技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)方法為重鉻酸鉀氧化比色法《Soil quality—Determination of organic carbon by sulfochromic oxidation》(ISO 14235—1998)，中國(guó)常用的標(biāo)準(zhǔn)方法為《區(qū)域地球化學(xué)樣品分析方法 第27部分：有機(jī)碳量測(cè)定 重鉻酸鉀容量法》(DZ/T 0279.27—2016)。上述方法對(duì)于儀器設(shè)備要求少，成本較低，靈敏度高，不受土壤中碳酸鹽的影響，用于堿性土壤的測(cè)定具有一定優(yōu)勢(shì)[3,25-26]。但是，重鉻酸鉀-外加熱氧化法存在氧化不完全的缺點(diǎn)，在測(cè)定高含量氯離子、亞鐵離子、錳化合物的土壤時(shí)，測(cè)定結(jié)果會(huì)受到影響[27]。而且，該方法在實(shí)驗(yàn)中會(huì)消耗大量硫酸和重鉻酸鉀，產(chǎn)生大量廢液，對(duì)環(huán)境不夠友好[28-29]。相比之下，采用高溫燃燒氧化法的有機(jī)碳分析儀具有更好的穩(wěn)定性，對(duì)土壤中以各種形式存在的碳元素的氧化更徹底，實(shí)驗(yàn)測(cè)定結(jié)果的回收率較高，樣品前處理工作量小，且不對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染。雖然燃燒氧化-非分散紅外法的儀器昂貴且維護(hù)費(fèi)用較高，但綜合考慮其優(yōu)勢(shì)，以該方法檢測(cè)土壤中有機(jī)碳的實(shí)驗(yàn)室越來(lái)越多[24,28-29]。采用燃燒法的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)方法為《Soil quality—Determination of organic and total carbon after dry combustion (elementary analysis)》(ISO 10694—1995)和《Total organic carbon (TOC) in soil》(USEPA SW-846 Test Method 9060A)。中國(guó)的同類(lèi)方法為《土壤有機(jī)碳的測(cè)定 燃燒氧化-非分散紅外法》(HJ 695—2014)。多篇文獻(xiàn)曾報(bào)道關(guān)于燃燒氧化-非分散紅外法與重鉻酸鉀容量法測(cè)定結(jié)果之間關(guān)系的研究，并對(duì)兩種方法的特點(diǎn)進(jìn)行了探討，兩種檢測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)匯總于表2[3,17,25-26]。

表2 土壤中總有機(jī)碳測(cè)定常用方法的比較

鑒于中國(guó)尚未開(kāi)發(fā)以燃燒氧化-非分散紅外法用于定值的標(biāo)準(zhǔn)樣品，且儀器法通常具有更好的穩(wěn)定性，本研究采用燃燒氧化-非分散紅外法(即總有機(jī)碳分析儀法)作為土壤中總有機(jī)碳標(biāo)準(zhǔn)樣品均勻性檢驗(yàn)、穩(wěn)定性檢驗(yàn)等分析測(cè)定的方法，采用重鉻酸鉀容量法和燃燒氧化-非分散紅外法兩種方法共同進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)樣品中總有機(jī)碳的協(xié)作定值。

2.2 均勻性檢驗(yàn)

均勻性用來(lái)描述標(biāo)準(zhǔn)樣品的空間分布特征，是表征樣品量值指標(biāo)一致性的重要參數(shù)。影響土壤樣品均勻性的主要因素有：加工制備過(guò)程的混勻程度、研磨后粒徑的均勻程度，以及分裝過(guò)程中的潛在影響因素等。由于土壤樣品為粉末顆粒，相比液體樣品其流動(dòng)性和分散性較差，因此對(duì)樣品開(kāi)展均勻性檢驗(yàn)顯得十分重要。

根據(jù)《標(biāo)準(zhǔn)樣品工作導(dǎo)則(3) 標(biāo)準(zhǔn)樣品定值的一般原則和統(tǒng)計(jì)方法》(GB/T 15000.3—2008)中的方法，采用分層隨機(jī)抽樣法，在土壤樣品分裝過(guò)程中的前、中、后期隨機(jī)抽取10瓶樣品，以燃燒氧化-非分散紅外法檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)樣品中總有機(jī)碳指標(biāo)的均勻性，每瓶樣品平行測(cè)定2次。土壤中總有機(jī)碳標(biāo)準(zhǔn)樣品均勻性檢驗(yàn)數(shù)據(jù)詳見(jiàn)表3。由表中結(jié)果可見(jiàn)，樣品均勻性實(shí)驗(yàn)的總均值為23.2mg/g，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為1.4%。以單因素方差分析法對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和評(píng)價(jià)[30]。統(tǒng)計(jì)量F的計(jì)算公式如下：

表3 土壤中總有機(jī)碳標(biāo)準(zhǔn)樣品的均勻性檢驗(yàn)結(jié)果

(1)

式(1)中：MSb為瓶間均方；MSw為瓶?jī)?nèi)均方；SSb為瓶間平方和；vb為瓶間自由度；SSw為瓶?jī)?nèi)平方和；vw為瓶?jī)?nèi)自由度。

F統(tǒng)計(jì)量=0.38

2.3 穩(wěn)定性檢驗(yàn)

穩(wěn)定性是指在規(guī)定的時(shí)間間隔和環(huán)境條件下，標(biāo)準(zhǔn)樣品的特性量值保持在規(guī)定范圍內(nèi)的性質(zhì)[31]。在18個(gè)月穩(wěn)定性檢驗(yàn)期間，按照前密后疏的原則進(jìn)行6次抽樣及檢測(cè)。每次隨機(jī)抽取室溫避光保存的土壤標(biāo)準(zhǔn)樣品3瓶，采用燃燒氧化-非分散紅外法進(jìn)行測(cè)定。每瓶樣品平行測(cè)定2次，以3瓶樣品測(cè)定值的總平均值作為該時(shí)間點(diǎn)穩(wěn)定性檢驗(yàn)的檢測(cè)值。土壤中總有機(jī)碳標(biāo)準(zhǔn)樣品穩(wěn)定性檢驗(yàn)的研究結(jié)果詳見(jiàn)表4。由結(jié)果計(jì)算出樣品穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)測(cè)定的總有機(jī)碳總均值為23.4mg/g。

表4 土壤中總有機(jī)碳標(biāo)準(zhǔn)樣品的穩(wěn)定性檢驗(yàn)結(jié)果

檢測(cè)數(shù)據(jù)采用《標(biāo)準(zhǔn)樣品工作導(dǎo)則(3) 標(biāo)準(zhǔn)樣品 定值的一般原則和統(tǒng)計(jì)方法》(GB/T 15000.3—2008)推薦的一元線(xiàn)性擬合模型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，即假定特性量值變化與儲(chǔ)存時(shí)間之間存在線(xiàn)性關(guān)系，通過(guò)考察斜率(b1)的顯著性來(lái)評(píng)價(jià)樣品的穩(wěn)定性[32]。斜率b1的計(jì)算公式如下：

(2)

斜率的標(biāo)準(zhǔn)偏差s(b1)的計(jì)算公式如下：

(3)

采用以上公式計(jì)算，b1和s(b1)的結(jié)果分別為0.039和0.016。經(jīng)查表t(0.95,n-2)=2.78，斜率|b1|小于t(1-α,n-2)×s(b1)，表明在18個(gè)月的檢測(cè)期內(nèi)，在室溫避光條件下，樣品中有機(jī)碳含量隨時(shí)間沒(méi)有發(fā)生明顯變化，即標(biāo)準(zhǔn)樣品的穩(wěn)定性良好。

2.4 定值分析與不確定度評(píng)定

2.4.1定值方法

采用多家實(shí)驗(yàn)室協(xié)作定值的方式進(jìn)行共同測(cè)定[18,33-34]。邀請(qǐng)了中國(guó)在土壤樣品檢測(cè)方面能力較強(qiáng)的11家實(shí)驗(yàn)室，分別為：生態(tài)環(huán)境部環(huán)境發(fā)展中心環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)樣品研究所、天津市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心、國(guó)家地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試中心、廣西壯族自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)測(cè)試研究中心、陜西省地質(zhì)礦產(chǎn)實(shí)驗(yàn)研究所有限公司、河南省巖石礦物測(cè)試中心、沈陽(yáng)礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測(cè)中心、長(zhǎng)春礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測(cè)中心、成都礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測(cè)中心、武漢礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測(cè)中心、中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所。分別向參加協(xié)作定值的每家實(shí)驗(yàn)室提供土壤樣品6瓶，每家實(shí)驗(yàn)室反饋6個(gè)獨(dú)立數(shù)據(jù)結(jié)果。參加定值的11家協(xié)作實(shí)驗(yàn)室共采用了2種分析方法：采用燃燒氧化-非分散紅外法的實(shí)驗(yàn)室為5家，采用重鉻酸鉀容量法的實(shí)驗(yàn)室為7家，其中1家實(shí)驗(yàn)室同時(shí)采用了以上兩種測(cè)量方法。各家實(shí)驗(yàn)室所采用的分析方法及測(cè)定結(jié)果匯總于表5。

表5 協(xié)作實(shí)驗(yàn)室所用分析方法和測(cè)定數(shù)據(jù)

2.4.2數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)處理

在全部測(cè)定數(shù)據(jù)中，每家協(xié)作實(shí)驗(yàn)室提供的每個(gè)測(cè)定結(jié)果均滿(mǎn)足溯源性要求。采用燃燒氧化-非分散紅外法的5組數(shù)據(jù)的總均值為23.7mg/g，均值標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.9mg/g；而采用重鉻酸鉀容量法的7組數(shù)據(jù)的總均值為26.2mg/g，均值標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.9mg/g。上述兩種方法檢測(cè)結(jié)果的不確定度分量之間具有一致性，并且對(duì)樣品特性值不確定度的貢獻(xiàn)程度均較小。國(guó)內(nèi)外多個(gè)課題組就燃燒氧化-非分散紅外法與重鉻酸鉀容量法測(cè)定結(jié)果之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，所獲得的結(jié)論是，在一定的含量范圍內(nèi)，上述兩種方法的測(cè)定結(jié)果之間具有相關(guān)性[3,25-26]?？紤]到對(duì)于環(huán)境基體樣品，單一分析方法可能存在基體影響或基體干擾的風(fēng)險(xiǎn)，兩種方法測(cè)定結(jié)果的中位值將是更加穩(wěn)健的統(tǒng)計(jì)量，用于評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)樣品的特性量值會(huì)更合適。

2.4.3標(biāo)準(zhǔn)值的認(rèn)定和不確定度評(píng)估

經(jīng)過(guò)對(duì)全部測(cè)定結(jié)果的統(tǒng)計(jì)處理，最終以多家實(shí)驗(yàn)室協(xié)作測(cè)定統(tǒng)計(jì)結(jié)果的總均值作為土壤總有機(jī)碳標(biāo)準(zhǔn)樣品的標(biāo)準(zhǔn)值，該標(biāo)準(zhǔn)值為25.2mg/g。

本文土壤總有機(jī)碳標(biāo)準(zhǔn)樣品的不確定度(uCRM)由測(cè)定不確定度分量(uchar)、瓶間均勻性不確定度分量(ubb)和長(zhǎng)期穩(wěn)定性不確定度分量(ults)組成。

測(cè)定不確定度分量(uchar)計(jì)算方法如下：

(4)

式(4)中：s為總均值標(biāo)準(zhǔn)偏差；p為檢測(cè)數(shù)據(jù)的組數(shù)。

經(jīng)計(jì)算，測(cè)定不確定度(uchar)結(jié)果為0.52mg/g，相對(duì)測(cè)定不確定度為2.1%。

標(biāo)準(zhǔn)樣品瓶間均勻性不確定度(ubb)是表征土壤樣品均勻性的定量指標(biāo)。而檢測(cè)方法的重復(fù)性水平是評(píng)定瓶間均勻性不確定度的重要影響因素。當(dāng)樣品檢測(cè)方法的重復(fù)性很好時(shí)，能夠反映出瓶間很小的不均勻性，出現(xiàn)瓶間均方(MSb)明顯大于瓶?jī)?nèi)均方(MSw)的情況，可用瓶間均勻性標(biāo)準(zhǔn)偏差來(lái)評(píng)估樣品的瓶間均勻性不確定度，計(jì)算公式為：

(5)

當(dāng)樣品檢測(cè)方法的重復(fù)性欠佳時(shí)，出現(xiàn)瓶間均方(MSb)接近或小于瓶?jī)?nèi)均方(MSw)的情況，采用檢測(cè)方法的重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)偏差對(duì)瓶間均勻性標(biāo)準(zhǔn)偏差的貢獻(xiàn)來(lái)評(píng)估樣品的瓶間均勻性不確定度，計(jì)算公式為：

(6)

根據(jù)方差檢驗(yàn)結(jié)果，以公式(6)計(jì)算本標(biāo)準(zhǔn)樣品的瓶間均勻性不確定度(ubb)，其結(jié)果為0.36mg/g，相對(duì)瓶間均勻性不確定度為1.5%。

根據(jù)穩(wěn)定性統(tǒng)計(jì)結(jié)果，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)樣品的長(zhǎng)期穩(wěn)定性不確定度(ults)。對(duì)于沒(méi)有顯著穩(wěn)定性變化趨勢(shì)的標(biāo)準(zhǔn)樣品，其長(zhǎng)期穩(wěn)定性不確定度計(jì)算公式為:

ults=s(b1)×t

(7)

式(7)中：s(b1)為斜率的標(biāo)準(zhǔn)偏差；t為穩(wěn)定性檢驗(yàn)的總時(shí)間(月)。

土壤總有機(jī)碳標(biāo)準(zhǔn)樣品的穩(wěn)定性檢測(cè)共進(jìn)行了6次，總時(shí)間累計(jì)18個(gè)月，即n=6，且t=18。經(jīng)計(jì)算，長(zhǎng)期穩(wěn)定性不確定度(ults)為0.29mg/g，相對(duì)長(zhǎng)期穩(wěn)定性不確定度為1.2%。

土壤總有機(jī)碳標(biāo)準(zhǔn)樣品的不確定度(uCRM)的計(jì)算公式為：

(8)

本文土壤總有機(jī)碳標(biāo)準(zhǔn)樣品的不確定度(uCRM)為0.7mg/g，相對(duì)不確定度為2.8%。不確定度采用擴(kuò)展不確定度(UCRM)表示，取包含因子k=2，并按照“只進(jìn)不舍”原則對(duì)結(jié)果進(jìn)行保留[18,35]。則樣品的擴(kuò)展不確定度(UCRM)為1.4mg/g，相對(duì)擴(kuò)展不確定度為5.6%。即土壤總有機(jī)碳標(biāo)準(zhǔn)樣品的標(biāo)準(zhǔn)值和擴(kuò)展不確定度為(25.2±1.4)mg/g。

2.4.4標(biāo)準(zhǔn)值的溯源性

為保證樣品標(biāo)準(zhǔn)值的質(zhì)量，盡可能減小誤差，本標(biāo)準(zhǔn)樣品的研制主要采取了以下6項(xiàng)具體措施保證溯源性。①制作標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)的試劑均由基準(zhǔn)試劑配制，可溯源至SI測(cè)量國(guó)際單位。②用于樣品分析檢測(cè)的方法均為國(guó)家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)分析方法，且經(jīng)實(shí)踐證明是成熟、準(zhǔn)確、可靠的方法，方法的準(zhǔn)確度、精密度及檢出限均滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)樣品分析要求。③實(shí)驗(yàn)所用計(jì)量器具、天平、測(cè)量?jī)x器等均通過(guò)國(guó)家計(jì)量部門(mén)檢定或校準(zhǔn)，量值準(zhǔn)確可靠，并可溯源至國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。④分析過(guò)程中，確保分析試劑的純度，每次分析時(shí)均進(jìn)行空白試驗(yàn)，扣減空白并進(jìn)行背景校正。⑤參加本項(xiàng)目協(xié)作定值的實(shí)驗(yàn)室通過(guò)國(guó)家級(jí)計(jì)量認(rèn)證認(rèn)可，具備參與標(biāo)準(zhǔn)樣品定值的能力、經(jīng)驗(yàn)及質(zhì)量保證體系。⑥各實(shí)驗(yàn)室均采用國(guó)家有證標(biāo)準(zhǔn)樣品對(duì)測(cè)定全過(guò)程進(jìn)行質(zhì)量控制，確保分析結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

3 結(jié)論

采集新疆農(nóng)用地環(huán)境土壤作為原材料，經(jīng)除雜、干燥、研磨混勻、分裝滅菌等加工步驟，制備成土壤中總有機(jī)碳標(biāo)準(zhǔn)樣品。采用燃燒氧化-非分散紅外法分析測(cè)試并對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，在最小取樣量為0.1g時(shí)，該標(biāo)準(zhǔn)樣品中總有機(jī)碳均勻性良好，在室溫避光條件下的穩(wěn)定性良好。組織多家具備能力和資質(zhì)的實(shí)驗(yàn)室以燃燒氧化-非分散紅外法和重鉻酸鉀容量法兩種方法進(jìn)行協(xié)作測(cè)定，在對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行量值評(píng)定后，確定了土壤中總有機(jī)碳標(biāo)準(zhǔn)樣品的標(biāo)準(zhǔn)值和不確定度為(25.2±1.4)mg/g。該標(biāo)準(zhǔn)樣品的研制程序完全符合GB/T 15000系列和HJ 173—2017等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求。

研制的土壤中總有機(jī)碳標(biāo)準(zhǔn)樣品為采用燃燒氧化-非分散紅外法進(jìn)行分析的標(biāo)準(zhǔn)樣品。該樣品中有機(jī)碳含量水平和不確定度范圍等技術(shù)指標(biāo)，能夠滿(mǎn)足中國(guó)土壤生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)工作質(zhì)量的要求，進(jìn)一步完善了中國(guó)土壤環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)樣品體系，可廣泛應(yīng)用于土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)和土壤有機(jī)碳相關(guān)研究的質(zhì)量控制、土壤有機(jī)碳分析儀的校準(zhǔn)、土壤有機(jī)碳檢測(cè)方法的評(píng)價(jià)，以及相關(guān)檢測(cè)能力的考核等方面的工作。