陳 森，陳 穎，趙九強，張春雷

(1.南京大建環(huán)境科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司，南京 210044；2.河海大學設計研究院有限公司，南京 210098； 3.河海大學 環(huán)境學院，南京 210098)

前 言

土壤有機質(zhì)(Soil Organic Matter，簡稱SOM)是指土中碳、氮、氫、氧為主，還有少量硫、磷和金屬元素組成的有機化合物，其主要源于動植物及微生物殘體，經(jīng)由復雜的微生物和土壤物理化學轉化過程，以不均勻混合物狀態(tài)穩(wěn)定存在于土壤中[1]。

土中有機質(zhì)的測定方法有很多，大致可以分為三類：(1)利用有機質(zhì)在高溫氧化時能生成H2O和CO2特性的灼燒失重法(又稱燒失量法，Loss On Ignition，簡稱LOI)；(2)利用有機質(zhì)中生色基團的顏色深淺來判斷有機質(zhì)含量的比色法；(3)通過測定土壤中有機碳含量(Soil Organic Carbon，簡稱SOC)的方法來判斷土壤有機質(zhì)的含量。其中，比色法由于受到土壤類型的影響較大，無法準確判斷土壤有機質(zhì)的真實含量而未能被廣泛采用[2]；通過測定土壤中有機碳的含量，再乘以經(jīng)驗系數(shù)1.724來測定土壤有機質(zhì)含量是目前應用的較為普遍、結果也較為精確的土壤有機質(zhì)含量測定方法(常規(guī)測定方法)，土壤有機碳含量的測定方法有很多，主要有重量法、比色法和容量法等[2]。比色法和容量法則是用已知的K2Cr2O7為氧化劑，消化反應試樣中的有機質(zhì)，再對剩余的K2Cr2O7進行測定或比色，得出氧化劑的消耗量再計算試樣的有機碳含量。其中在農(nóng)業(yè)和林業(yè)行業(yè)標準中應用最多的是重鉻酸鹽容量法，頒布的標準方法有NY/T 1121.6-2006《土壤檢測第6部分：土壤有機質(zhì)的測定》[3]、LY/T 1237-1999《森林土壤有機質(zhì)的測定及碳氮比的計算》[4]、GB 9834-1988《土壤有機質(zhì)測定法》[5]等. 環(huán)保行業(yè)使用重鉻酸鹽分光光度法，頒布的標準方法為HJ 615-2011《土壤有機碳的測定重鉻酸鉀氧化-分光光度法》[6]。常規(guī)測定方法相對來說較為繁瑣，需要在有條件的實驗室中才能進行。在工程應用中，燒失量法由于其簡便性、經(jīng)濟性、勞動量少等優(yōu)點被廣泛應用[7]，并被證明在一定的溫度下測得的土壤燒失量與其有機碳含量有著顯著的相關性[8]，燒失量法對于測定土壤中的有機質(zhì)含量一般比較粗略(偏高)，但其具有方法簡單和不需要換算的優(yōu)點。目前國內(nèi)各行業(yè)對于燒失量法的規(guī)定尚不統(tǒng)一，灼燒溫度分別有550℃、600℃、700℃、950℃等。土中的粘土礦物在200～350℃一般會發(fā)生分解反應而失去結晶水[9]，而且部分物質(zhì)在400～600℃左右還會發(fā)生分解反應，當加熱到600～800℃時，土中的碳酸鹽則會開始發(fā)生分解反應[10]，所以一般也有用400～600℃的灼燒溫度測得的燒失量用于估測土壤中的有機碳，再加熱到800～1 000℃灼燒后得到的燒失量用于估測土壤中的非有機碳。目前，關于灼燒失重法頒布的標準方法有環(huán)保行業(yè)的HJ761-2015(固體廢物-有機質(zhì)的測定：灼燒減量法)[11]、公路行業(yè)的JTGE40-2007(公路土工試驗規(guī)程：燒失量試驗)[12]、城建行業(yè)的CJ/T221-2005(城市污水處理廠污泥檢驗方法：有機物含量的測定)[13]等。

本文通過測定同一類型土壤的燒失量和有機質(zhì)含量，并對結果進行對比，對兩種方法測量的結果進行相關性分析，為土壤燒失量和有機質(zhì)含量的換算提供參考和依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 取樣

本次試驗樣品取自河北省涿州市白溝河附近，分別用土鉆和沉積物柱狀取樣器對河灘上的泥沙和河溝中的底泥取柱狀樣，再將柱狀樣混合，形成一個點位處的柱狀混合樣。

1.2 實驗方法

1.2.1 燒失量法

1.2.1.1 參照標準

燒失量法參照標準《固體廢物 有機質(zhì)的測定：灼燒減量法》(HJ761-2015)[11]。

1.2.1.2 試驗原理和方法

將土樣或沉積物在105℃干燥箱中烘干至恒重，同時將坩堝置于600℃馬弗爐中灼燒至恒重。再將烘干后的試樣放置在坩堝中，記下烘干樣品的質(zhì)量m和坩堝+烘干樣品的質(zhì)量m0；在600℃馬弗爐中將試樣灼燒3h左右至恒重，記下坩堝+烘干樣品灼燒后的質(zhì)量m1，計算烘干樣品在灼燒過程中損失的質(zhì)量占原烘干樣品質(zhì)量的百分比，即為有機質(zhì)含量。

1.2.1.3 試驗結果及計算公式

試樣中有機質(zhì)含量w，按照以下公式計算。

(1)

式中：w-干基中有機質(zhì)含量，%；m0-坩堝和烘干樣品的質(zhì)量，g；m1-坩堝和烘干樣品灼燒后的質(zhì)量，g；m-烘干樣品的質(zhì)量，g；100-單位折算倍數(shù)。

1.2.2 常規(guī)方法

1.2.2.1 參照標準

有機碳的測定方法參照標準《土壤 有機碳的測定：重鉻酸鉀氧化-分光光度法》(HJ615-2011)[13]

1.2.2.2 試驗原理及方法

使用一定濃度梯度的葡萄糖標準溶液作為測定有機碳含量的標準溶液，向其中加入硫酸汞、重鉻酸鉀溶液和硫酸，在135℃恒溫加熱器中加熱消解30min，再對反應后的溶液的吸光度進行測定，根據(jù)結果繪制標準曲線，再在同樣的條件下，將葡萄糖標準溶液替換為待測試樣進行消解反應，對試樣反應后的溶液進行吸光度測定，根據(jù)吸光度結果在標準曲線上找到對應的有機碳含量。

1.2.2.3 試驗結果及計算公式

試樣中有機碳含量(以干重計，質(zhì)量分數(shù)，%)，按照公式(2)、(3)進行計算。

(2)

(3)

式中：m1-試樣中干物質(zhì)的重量，g；m-試樣取樣量，g；wdm-土壤中的干物質(zhì)含量(質(zhì)量分數(shù))，%；woc-土壤樣品中有機碳的含量(以干重計，質(zhì)量分數(shù))，%；A-試樣消解液的吸光度；A0-空白試驗的吸光度；a-校準曲線的截距；b-校準曲線的斜率。

2 結果與分析

2.1 白溝河試樣結果分析

對白溝河布點取樣，分別用燒失量法和常規(guī)方法測定其有機質(zhì)含量，具體測定結果如下表所示。

表 白溝河試樣有機質(zhì)含量測定結果Tab. Results of determination of organic matter content in samples of Baigou River (%)

由檢測結果可以看到，白溝河河灘的泥沙中有機質(zhì)含量較低(均在5%以下)，河溝中底泥的有機質(zhì)含量較高(8%～12%)，且所有試樣中用燒失量法測得的有機質(zhì)含量均大于常規(guī)方法測得的有機質(zhì)含量，與理論預期相符。

為了進一步分析燒失量法與常規(guī)方法測得的有機質(zhì)含量的相關性，如圖1所示，將兩種方法進行相關性對比分析，得到的線性關系為y=0.5024x-0.6455，相關系數(shù)為0.9274，相關性較好。根據(jù)上述分析結果可知，燒失量雖然偏高，但其結果可以在一定程度上反應土壤或沉積物中真實的有機質(zhì)含量。

圖1 白溝河試樣兩種試驗方法對比分析圖Fig.1 Comparison and analysis diagram of two test methods of Baigouhe sample

2.2 歸納總結試驗結果與分析

對于燒失量法和常規(guī)方法兩種方法的對比分析，一些學者也做過相關研究，總結前人的試樣結果，與本次白溝河試驗檢測結果一起對比分析，增加試樣分析數(shù)量與種類，進一步分析兩種方法的相關性。

如圖2所示，根據(jù)錢寶[14]、彭丹[15]等人的對比試驗結果，將其與本試驗的結果進行整合，對兩種方法進行相關性分析，得到的線性關系為y=0.8216x-2.1098，相關系數(shù)為0.8714，相關性較好。

圖2 歸納總結前人試驗結果對比分析Fig.2 Summary and comparative analysis of previous reported results

根據(jù)Wright(2008)等[16]的研究結果顯示，燒失量法估測土壤有機碳含量時，在不同的含量范圍區(qū)間中，其呈現(xiàn)的線性相關性顯著不同。將現(xiàn)有的有機質(zhì)含量按照燒失量0～5%、5%～10%和大于10%分為三個區(qū)間，分別進行對比分析，如圖3所示，y1=0.4468x-0.5065為0～5%區(qū)間的擬合線性關系，相關系數(shù)為0.5852，相關性較差；y2=0.7903x-3.759為5%～10%區(qū)間的擬合線性關系，相關系數(shù)為0.2975，相關性較差；y3=0.9946x-4.9648為大于10%區(qū)間的擬合線性關系，相關系數(shù)為0.8944，相關性較好。根據(jù)上述相關性分析可知，燒失量法和常規(guī)方法測的有機質(zhì)含量在小于10%時相關性較差，而當有機質(zhì)含量大于10%時，兩種方法的線性關系較好，且從線性擬合關系可以看出，燒失量比有機碳測的有機質(zhì)含量在數(shù)值上相差約5%。

圖3 燒失量法與常規(guī)方法測定的 有機質(zhì)含量在不同區(qū)間內(nèi)的相關性Fig.3 The correlation between the organic matter content measured by the loss-on-ignition method and the conventional method in different intervals

2.3 討論

根據(jù)本試驗及歸納總結前人試驗分析結果來看，在土壤或沉積物的燒失量>10%時，燒失量與有機質(zhì)(有機碳)含量相關性較好，這與一些學者的研究結果相符[17-18]。但同時，土壤或沉積物的燒失量又受到多種因素的影響，如碳酸鹽含量[19]、土壤或沉積物類型[20]、研究區(qū)域的氣候[21-22]、土壤深度[23]、灼燒溫度甚至馬弗爐中的位置[24]等。這主要是因為土壤和沉積物在灼燒過程中，不僅會使自身的有機質(zhì)分解，還會促使粘土礦物結晶水、部分碳酸鹽的分解，且隨著灼燒溫度的不斷升高，土中含有的硫酸鹽、鈣鎂氯化物等物質(zhì)也會發(fā)生分解反應。綜上所述，筆者建議在采用燒失量法測定土壤和沉積物中有機質(zhì)含量時，測定對象為有機質(zhì)含量高(>10%)、碳酸鹽和粘土礦物等含量較少的土。

3 結 論

本文通過測定土壤燒失量和有機質(zhì)含量，并對其結果進行對比分析，得到以下結論：

3.1 燒失量與土壤中的有機質(zhì)含量具有一定的相關性，但是隨著有機質(zhì)含量范圍的擴大，這種相關性和擬合線性關系也會不斷發(fā)生變化，尚難以找到一種可以涵蓋所有有機質(zhì)含量范圍的兩種含量之間的關系。將有機質(zhì)含量的范圍分為0～5%、5%～10%和大于10%三種區(qū)間后再對兩種方法進行相關性分析發(fā)現(xiàn)，有機質(zhì)含量<10%時兩種方法的相關性較差，有機質(zhì)含量>10%時兩種方法的相關性較好，且在數(shù)值上相差約5%。

3.2 由于土壤和沉積物的燒失量受到多種因素的影響，因此，在工程應用中利用燒失量法估測土壤和沉積物中的有機碳或有機質(zhì)含量時，應當注意其適用條件和換算關系，通過本試驗研究，當測定對象為有機質(zhì)含量高(>10%)、碳酸鹽和粘土礦物等含量較少的土時，采用燒失量法估測土壤有機質(zhì)含量換算的結果可信度較高。