土壤是陸地生態系統最大的碳庫,土壤中碳固定已成為降低溫室氣體濃度、減緩全球溫室效應的重要方式。土壤碳庫動態及其驅動機制是陸地生態系統碳循環與全球變化研究的熱點問題之一。土壤碳庫由有機碳庫和無機碳庫兩大部分組成。據估計:全球土壤0~100cm層無機碳儲量約為695~748Pg\\(1Pg=1015g\\),而0~300cm層土壤有機碳儲量為2344Pg。土壤無機碳主要指土壤原生和次生的碳酸鹽礦物態碳,是干旱、半干旱地區土壤碳庫的主要形式。土壤有機碳是指土壤有機質中碳,按其分解程度不同,土壤有機質分為:粗有機質,包括分解很少但仍保持原形態特征的植物殘體;半分解有機質包括正分解的植物殘體\\(如纖維素等\\)及微生物生命活動的產物;第三類為腐殖質,主要指與原來有機質性質發生較大變化,復合成為特殊性質的有機物質。
測定土壤碳的方法主要有干燒法\\(高溫灼燒\\)或濕燒法\\(化學試劑氧化\\),測定樣品放出的CO2。測定土壤碳包括有機碳、元素態碳及無機碳酸鹽。對于石灰性土壤,測定前用酸處理去除碳酸鹽,從總碳結果中減去無機碳可獲得土壤有機碳?;瘜W試劑氧化法,如:在油浴溫度180℃的條件下,用一定濃度的重鉻酸鉀-硫酸溶液氧化土壤碳,剩余的重鉻酸鉀用硫酸亞鐵滴定,由所消耗的重鉻酸鉀量計算土壤碳含量,主要用于測定土壤有機碳。高溫燃燒法即干法氧化,將土壤樣品置于燃燒爐中,通入氧氣流,高溫燃燒,使其轉化為CO2,測定CO2含量,計算得到土壤總碳含量。采用高溫燃燒法保證了土壤樣品中碳氧化完全,碳無損失,回收率高,前處理工作量少,在土壤碳測定方面具有明顯的優點,被認為是準確測定土壤碳的標準方法。
目前采用高溫燃燒法測定土壤總碳的儀器設備有元素分析儀和總碳分析儀,兩種儀器操作簡便、快速,適用于大量樣品的測定分析。元素分析儀可同時定量測定C、N、S元素,采用催化燃燒氧化法,在石英燃燒管中填充氧化鎢等催化劑,以氦氣作為載氣,土壤樣品在高溫和高濃度的氧、氦氣流中氧化分解,生成混合氣體由氦氣帶入各吸附系統,使用熱導檢測儀對相應氣體進行檢測,氮氧化物經過還原銅全部轉化為N2直接進入熱導檢測系統進行檢測,碳和硫分別轉化為CO2和SO2,通過被特殊的裝置吸附或解吸附柱彼此分離而被熱導檢測系統自動測定??偺挤治鰞x固體進樣模塊測定土壤總碳采用的是直接燃燒法,稱量土壤固體樣品放入陶瓷舟中,然后將陶瓷舟置于樣品爐中,不添加催化劑,直接高溫燃燒,溫度可高達1300℃,高溫使樣品分解釋放CO2,利用高精度非散射性紅外檢測器\\(NDIR\\)收集信號檢測CO2。元素分析儀催化燃燒和總碳分析儀固體進樣直接燃燒法均可測定土壤總碳含量,但兩種方法的測定結果可比性如何?是否存在差異?還少見報道。
本文選擇黑土和潮土兩種不同類型土壤,采用德國的元素分析儀和德國的總碳分析儀固體進樣模塊,分別通過催化氧化和直接燃燒方法測定土壤總碳含量,揭示兩種方法測定結果的可比性及其差異顯著性,為采用儀器方法測定土壤C含量及土壤C庫量變化的可靠性提供技術依據。
1、材料與方法
1.1土壤樣品
土壤樣品分別采自黑龍江省哈爾濱市民主鄉\\(黑土\\)和山東省聊城市高唐縣\\(潮土\\)。樣品采樣深度為0~20cm,風干后過0.15mm篩。黑土和潮土pH值\\(水土比5∶1\\)分別是7.26和8.04。
1.2催化氧化法
1.2.1儀器
利用中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所公共實驗室元素分析儀\\(型號:varioPYROcube\\),電子天平\\(型號:XP6,可讀性0.001mg\\)。
1.2.2操作步驟與分析條件
準確稱取約25mg\\(精確至0.001mg\\)土壤樣品于錫箔杯中,緊密包裹后放入自動進樣盤中進樣。儀器工作條件:石英燃燒管中催化劑為純度99.9%WO3,加熱溫度為1120℃,加氧時間為90s,還原管中還原劑為純度99.9%Cu絲,加熱溫度850℃,He氣壓力0.4MPa和O2氣壓力0.2MPa。氣體純度:He≥99.996%,O2≥99.995%。
校準曲線的制作:分別稱取0.109、0.408、0.846、1.186、1.583、2.146mg磺胺嘧啶\\(C含量418.1mg/g\\)標準物,放于錫箔杯中,緊密包裹后放入儀器自動進樣盤中進樣。測定條件同上,標準物磺胺嘧啶的C量與儀器測定的積分面積間進行線性相關,制作校準曲線如圖1所示,相關系數為0.99999。
1.3直接燃燒法
1.3.1儀器
總碳分析儀采用總碳分析儀固體進樣模塊\\(型號:MultiN/C3100,固體測量模塊HT1300\\)。電子天平\\(型號:XP205,可讀性0.01mg\\)1.3.2操作步驟與分析條件稱取土樣約100mg\\(精確到0.01mg\\),置于儀器樣品陶瓷舟中,放進水平燃燒爐體中燃燒,爐體溫度1150℃,積分時間定為180s,燃燒釋放的CO2由儀器內部非散射性紅外檢測器檢測,與儀器連接的計算機直接顯示出根據CO2含量而計算得到的土壤總碳結果。儀器分析流量計約為1.7L/min,氧氣流量計約為2L/min,O2純度≥99.999%。
校準曲線的制作:稱取10.72、20.06、30.69、40.85、50.67mg標準物CaCO3\\(C含量120mg/g\\),放入樣品陶瓷舟中,推入燃燒爐開始測量,添加標準CaCO3的C含量與積分面積之間進行線性相關,制作校準曲線如圖2所示,相關系數為0.99995。
1.4統計分析
每個樣品重復測定5次,土壤樣品中碳含量用總碳元素的質量分數\\(以干基為基礎\\)表示。5次測量值Xi的算術平均值為樣品土壤碳的估計值,即測量結果。兩種方法測定數據平均值間差異顯著性采用Excel軟件中分析工具庫t檢驗,進行成對雙樣本均值分析。
標準偏差用貝塞爾公式計算,即:
2、結果與分析
2.1兩種方法測定土壤總碳結果的比較
表1列出了兩種方法對土壤總碳的測定結果的比較。催化氧化法和直接燃燒法測定的供試黑土總碳含量平均值分別為15.10g/kg和15.38g/kg,t檢驗的雙尾P值為0.45,兩種方法的測定結果無明顯差異\\(表2\\)。
催化氧化法測定的潮土總碳含量為15.07g/kg,直接燃燒法測定潮土總碳含量15.76g/kg,t檢驗的雙尾P值為0.02,兩種方法的測定結果差異明顯\\(表3\\),但直接燃燒法測定結果比催化氧化法測定結果只高出4.6%,兩種方法的測定結果相差在10%以內。
本文選擇的元素分析儀屬于催化氧化法測定土壤總碳,在催化劑\\(WO3\\)作用下,燃燒爐溫度高達1120℃,土壤樣品緊裹在錫箔中可將燃燒溫度提高到1800℃,高溫下燃燒土壤碳氧化生成的CO2利用熱導檢測器檢測,而總碳分析儀固體進樣模塊是將土壤樣品于1200℃高溫下直接燃燒氧化生成CO2,利用非散射性紅外檢測器檢測CO2,CO2對于波長為紅外光吸收存在吸收帶,利用紅外波段的吸收檢測CO2含量。兩種儀器測定過程和檢測器明顯不同,但測定結果在黑土沒表現出明顯差異,而潮土結果差異明顯,總碳分析儀的測定結果稍高些,這可能與燃燒溫度和潮土中碳酸鹽含量較高有關。Wright和Bailey比較了LecoCN-2000分析儀兩種燃燒溫度\\(1040℃和1300℃\\)下土壤碳測定結果,發現1300℃下土壤碳測定結果相對準確,低于1040℃,樣品中碳酸鹽降解減少,而1300℃時碳酸鹽的回收率達98%。
2.2兩種方法測定結果的精密度和不確定度在相同測量條件下,每種方法對同一土壤總碳含量進行5次測量。催化氧化法和直接燃燒法測定黑土總碳含量相對偏差分別為0.49%和4.62%,潮土總碳含量相對偏差分別為0.88%和2.59%。相對偏差均小于5%,說明兩種方法測定的土壤總碳精密度較高,儀器穩定性較好。與催化氧化法相比,直接燃燒法5次測定結果的相對偏差稍偏大。
測量重復性帶來的不確定屬于A類標準不確定度。催化氧化法測定的黑土和潮土總碳含量A類標準不確定度分別為0.03和0.06,直接燃燒法測定的黑土和潮土總碳含量A類標準不確定度分別為0.32和0.18。與催化氧化法相比,直接燃燒法測定結果的標準不確定度稍大。
元素分析儀測定時,土壤樣品放在錫箔杯中,緊密包裹后放入自動進樣盤中進樣,氧化過程中使用催化劑和載氣,增加了測試成本,但元素分析儀精密度和靈敏度較高,選擇CNS模塊,可一次進樣,不僅可測定C、N和S3個元素含量,還可與質譜儀聯用,同時測定土壤中13C、15N、34S等穩定性同位素豐度與比值??偺挤治鰞x固體高溫進樣模式測定土壤總碳,可直接將固體土壤樣品放入特制的陶瓷舟中,然后推入高溫燃燒爐中,只需一次性轉化,測定流程簡單,成本相對較低,但靠人為推動樣品陶瓷舟進入爐體,每次推入速度、力度和深度可能會有所差異,增加測定結果的誤差。
3、結論
利用催化氧化法和直接燃燒法測定黑土和潮土總碳含量,5次重復樣品測試結果表明:催化氧化法和直接燃燒法測定黑土總碳含量分別為\\(15.10±0.03\\)g/kg和\\(15.38±0.32\\)g/kg,潮土總碳含量分別為\\(15.07±0.06\\)g/kg和\\(15.76±0.18\\)g/kg,t檢驗:兩種方法黑土測定結果無明顯差異,而潮土的測定結果差異明顯。兩種儀器土壤總碳測定結果精密度均較高,穩定性較好,相對偏差均小于5%。根據樣品測試要求和測試成本,可以選擇不同的方法測定土壤碳含量。