唐偉祥，孟凡喬，張 煜，趙自超

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不同土壤有機碳測定方法的比較①

唐偉祥，孟凡喬*，張 煜，趙自超

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

對土壤碳的準(zhǔn)確定量是研究土壤肥力和農(nóng)業(yè)固碳的前提。本文選擇我國不同有機碳和無機碳含量的8個代表性土壤/沉積物樣品，比較濕氧化法、酸洗法和間接法三類方法對有機碳含量的測定效果。研究結(jié)果表明：對有機碳含量為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誤差(0.32% ~ 4.72%)和變異系數(shù)(0.40% ~ 1.22%)，間接法的平均相對誤差(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方法之間。說明在保持穩(wěn)定準(zhǔn)確的加熱溫度情況下，濕氧化法對土壤/沉積物有機碳含量的測定比較穩(wěn)定和準(zhǔn)確，且操作簡單。對大部分樣品，由于酸對土壤無機碳難以充分溶解，造成酸洗法和間接法的有機碳測定值偏高，且變異系數(shù)較大。

土壤；沉積物；有機碳；酸洗；濕氧化法；間接法

土壤(包括沖洪沉積物)有機碳(soil organic carbon, SOC)是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最重要和活躍的碳庫[1]，其周轉(zhuǎn)時間比土壤無機碳(soil inorganic carbon, SIC)庫短，對于全球碳循環(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)識土壤碳循環(huán)，分析自然因素和人類活動對土壤有機碳和無機碳的影響規(guī)律及特征，就必須準(zhǔn)確定量土壤碳庫的組成和數(shù)量。在氣候、地質(zhì)等因素的長期作用下，我國北方地區(qū)土壤中普遍偏堿性，土壤中存在一定量的無機碳[5]，如果采用燃燒法等對土壤有機碳進(jìn)行定量，就必須去除無機碳，或者分別測定全碳和無機碳，其差值為有機碳[6-7]。

測定土壤有機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碳，因此都需要使用氧化校正系數(shù)來校正土壤有機碳的最終結(jié)果[9-10]。重鉻酸鉀容量法相對簡單快捷[11]，但會受到氧化溫度以及測定樣品中亞鐵離子、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碳，燃燒法被許多學(xué)者認(rèn)為是一種測定土壤有機碳更準(zhǔn)確的方法，通常被當(dāng)作測定土壤或沉積物中有機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(將樣品中無機碳用酸去除后，用燃燒法定量有機碳)[16]以及間接法(用燃燒法和壓力計法分別定量樣品中的全碳和無機碳，差值即為樣品的有機碳)[17]等三類方法，對我國不同含量有機碳和無機碳的代表性國家標(biāo)準(zhǔn)土壤／沉積物進(jìn)行測定，分析三類方法的準(zhǔn)確度和精密度，評估各類方法對于不同土壤的適應(yīng)性。

1 材料與方法

1.1 供試材料

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

1.2 測定方法

本研究中，土壤/沉積物有機碳的測定采用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，簡稱“濕氧化法”[10]；②用酸去除無機碳，元素分析儀法燃燒測定土壤/沉積物的有機碳含量，簡稱“酸洗法”[9]；③用壓力計法測定土壤無機碳，元素分析儀法燃燒測定土壤/沉積物的總碳，然后差減得到土壤有機碳含量，簡稱“差減法”[17]。

濕氧化法的具體步驟為：準(zhǔn)確稱取待測樣品0.1 ~ 1.0 g (精確到0.000 1 g)到硬質(zhì)試管底部。為了確保有機碳能被氧化完全，根據(jù)樣品有機質(zhì)含量選擇稱樣量：若有機質(zhì)含量≤20 g/kg，則稱樣量為0.5 ~ 1.0 g；若有機質(zhì)含量≥50 g/kg，則稱樣量為0.1 g；有機質(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)生時開始計時，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，即為滴定終點。同時作空白土樣的測定[10]。

酸洗法：稱取待測樣品2 ~ 3 g(1)放入50 ml離心管。本研究中，對于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止一段時間后，放入離心機中以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)過篩(0.15 mm)，烘干至恒重后，用元素分析儀(Vario Pyro Cube，德國Elementar公司)測定有機碳含量[9]。

差減法為間接方法，即利用土壤/沉積物的總碳和無機碳含量的差值求得有機碳含量，其中樣品總碳是利用元素分析儀進(jìn)行直接測定，不需酸洗處理[17]。樣品無機碳的測定通過壓力計法[18]。所選8種標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的無機碳含量范圍較寬(0.3 ~ 13.7 g/kg)。實驗選用20 ml血清瓶。每個標(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，確保沒有酸溢出或沾在小瓶外面，立即用橡膠塞蓋住瓶口，同時蓋上鋁蓋，利用手動壓蓋器按壓鋁蓋密封。搖動瓶子，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，記錄3 ~ 5 s后儀表上的讀數(shù)。每批樣品同時進(jìn)行空白樣品(石英砂)的測定。以校正的CO2壓力值為縱坐標(biāo)，無機碳濃度為橫坐標(biāo)，制作標(biāo)準(zhǔn)曲線。稱取1 g(精確到0.000 1 g)待測土壤/沉積物樣品(對于無機碳含量較高的樣品，測定時有可能會超出所用壓力碳酸計的量程，可以適當(dāng)?shù)販p少稱樣量，同時加入石英砂確保總質(zhì)量為1 g)，放入20 ml 的血清瓶中，用上述相同的步驟測定校正壓力值，然后根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線求出樣品中的無機碳濃度。

1.3 結(jié)果計算與統(tǒng)計分析

測定結(jié)果的回收率計算公式：

相對誤差的計算公式：

本研究利用Microsoft Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)計算和作圖。利用SPSS Statistics 17.0進(jìn)行顯著性檢驗分析和線性回歸分析。利用單樣本檢驗來檢驗?zāi)撤椒y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，利用配對樣本檢驗分析兩種方法測定同一標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)時測定結(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 三種方法測定的有機碳含量

從表1可以看出，3種方法的有機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%。對于所有樣品，濕氧化法的平均相對誤差、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。對于GSS-3、GSS-7、GSS-9、GSS-14和GSS-28這5個有機碳占總碳比例較高(>57%)的樣品，間接法的測定結(jié)果顯著高于酸洗法，酸洗法也有高于濕氧化法的趨勢(GSS-9和GSS-28除外)，間接法的誤差都比較大。對于GSS-21、GSS-25和GSS-26這3個有機碳占總碳比例較低(<50%)的樣品，酸洗法和間接法之間沒有顯著差異，測定結(jié)果也都高于濕氧化法。

表1 三種方法測定的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)有機碳含量

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

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

3種方法有機碳含量的標(biāo)準(zhǔn)值與測定值都具有顯著的線性回歸關(guān)系(< 0.05)(圖1)。濕氧化法的測定結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值(圖1中的實黑線)最接近，決定系數(shù)最高(0.998)，但在有機碳含量較高(> 10 g/kg)時，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，在低濃度有機碳含量(< 9 g/kg)時，有高估現(xiàn)象(+3.5% ~ +12.4%)；而在高濃度有機碳含量(> 9 g/kg)時，有可能出現(xiàn)低估現(xiàn)象(–7.8%)，如GSS-9。無論有機碳含量低還是高，間接法都會嚴(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 三種方法樣品有機碳含量測定值與標(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碳含量測定方法[7]，但有些學(xué)者認(rèn)為這種方法不能定量測定有機碳[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碳氧化還原度的不確定等影響[19]。近年來，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)含量相對較高時，在測定過程中會消耗部分K2Cr2O7，導(dǎo)致濕氧化法的結(jié)果偏高，而一些錳的高價氧化物(如MnO2)在酸性條件下會與部分有機碳發(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個樣品的氯含量為0.041 ~ 0.152 g/kg，對結(jié)果的影響可忽略不計。錳的含量雖然比氯高，但也還是比較小，對結(jié)果的影響可忽略不計。由于8個樣品在制備過程中，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在有機碳測定過程中與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，則最多會消耗3.25×10–5mol的K2Cr2O7，因此對于取樣量為1 g左右的樣品，其中的FeO對測定結(jié)果的影響可以忽略不計。對于GSS-21，其FeO為11.0 g/kg，測定時取樣量為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 八個標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的FeO、Cl和Mn含量(g/kg)

相對于濕氧化法，酸洗法直接測定樣品中的有機碳，理論上應(yīng)該更為準(zhǔn)確[21]。但本試驗的結(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，在有機碳濃度過低和過高的情形下，測定結(jié)果分別存在過高和過低估計的情況，其他研究中存在同樣情況[9]?？赡艿脑虬ǎ孩贌o機碳酸洗不完全；②酸化所用酸帶入了外來碳[23]；③在酸洗過程中部分有機碳丟失[24]。對于GSS-21和GSS-25，無機碳含量分別為13.7和13.2 g/kg，無機碳酸洗可能不完全，酸洗后樣品中未去除的無機碳使得最終的測定結(jié)果被高估[22]。本研究中酸洗大約2 ~ 4次，酸洗過程中損失了較多的酸溶性有機碳，使得樣品損失的質(zhì)量較多[25]，對于GSS-9，5個平行樣的質(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：每個土壤/沉積物樣品都要分別測定全碳和無機碳含量兩個指標(biāo)，而在樣品的稱量、包裝、轉(zhuǎn)移以及分析過程中，全碳和無機碳的測定過程都會引入誤差，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]，但壓力計法可能存在無機碳反應(yīng)不完全的情況，造成無機碳結(jié)果偏低[27]，全碳和無機碳的差值即有機碳含量偏高，這從偏高+5.4% ~ +20.5% 的測定結(jié)果可以得到驗證(表1)。因此，如果要利用間接法，應(yīng)該確保無機碳得到充分反應(yīng)和測定，一方面無機碳結(jié)果準(zhǔn)確，另一方面有機碳結(jié)果才會更為可信。

4 結(jié)論

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

國家自然科學(xué)基金項目(31370527，31261140367)資助。

(mengfq@cau.edu.cn)

唐偉祥(1993—)，男，福建漳州人，本科生，主要研究方向為土壤碳氮循環(huán)。E-mail: cyztwx@outlook.com

10.13758/j.cnki.tr.2018.03.016

S151.9

A