土壤是陆地生态系统最大的碳库,土壤中碳固定已成为降低温室气体浓度、减缓全球温室效应的重要方式。土壤碳库动态及其驱动机制是陆地生态系统碳循环与全球变化研究的热点问题之一。土壤碳库由有机碳库和无机碳库两大部分组成。据估计:全球土壤0~100cm层无机碳储量约为695~748Pg(1Pg=1015g),而0~300cm层土壤有机碳储量为2344Pg。土壤无机碳主要指土壤原生和次生的碳酸盐矿物态碳,是干旱、半干旱地区土壤碳库的主要形式。土壤有机碳是指土壤有机质中碳,按其分解程度不同,土壤有机质分为:粗有机质,包括分解很少但仍保持原形态特征的植物残体;半分解有机质包括正分解的植物残体(如纤维素等)及微生物生命活动的产物;第三类为腐殖质,主要指与原来有机质性质发生较大变化,复合成为特殊性质的有机物质。
测定土壤碳的方法主要有干烧法(高温灼烧)或湿烧法(化学试剂氧化),测定样品放出的CO2。测定土壤碳包括有机碳、元素态碳及无机碳酸盐。对于石灰性土壤,测定前用酸处理去除碳酸盐,从总碳结果中减去无机碳可获得土壤有机碳。化学试剂氧化法,如:在油浴温度180℃的条件下,用一定浓度的重铬酸钾-硫酸溶液氧化土壤碳,剩余的重铬酸钾用硫酸亚铁滴定,由所消耗的重铬酸钾量计算土壤碳含量,主要用于测定土壤有机碳。高温燃烧法即干法氧化,将土壤样品置于燃烧炉中,通入氧气流,高温燃烧,使其转化为CO2,测定CO2含量,计算得到土壤总碳含量。采用高温燃烧法保证了土壤样品中碳氧化完全,碳无损失,回收率高,前处理工作量少,在土壤碳测定方面具有明显的优点,被认为是准确测定土壤碳的标准方法。
目前采用高温燃烧法测定土壤总碳的仪器设备有元素分析仪和总碳分析仪,两种仪器操作简便、快速,适用于大量样品的测定分析。元素分析仪可同时定量测定C、N、S元素,采用催化燃烧氧化法,在石英燃烧管中填充氧化钨等催化剂,以氦气作为载气,土壤样品在高温和高浓度的氧、氦气流中氧化分解,生成混合气体由氦气带入各吸附系统,使用热导检测仪对相应气体进行检测,氮氧化物经过还原铜全部转化为N2直接进入热导检测系统进行检测,碳和硫分别转化为CO2和SO2,通过被特殊的装置吸附或解吸附柱彼此分离而被热导检测系统自动测定。总碳分析仪固体进样模块测定土壤总碳采用的是直接燃烧法,称量土壤固体样品放入陶瓷舟中,然后将陶瓷舟置于样品炉中,不添加催化剂,直接高温燃烧,温度可高达1300℃,高温使样品分解释放CO2,利用高精度非散射性红外检测器(NDIR)收集信号检测CO2。元素分析仪催化燃烧和总碳分析仪固体进样直接燃烧法均可测定土壤总碳含量,但两种方法的测定结果可比性如何?是否存在差异?还少见报道。
本文选择黑土和潮土两种不同类型土壤,采用德国的元素分析仪和德国的总碳分析仪固体进样模块,分别通过催化氧化和直接燃烧方法测定土壤总碳含量,揭示两种方法测定结果的可比性及其差异显著性,为采用仪器方法测定土壤C含量及土壤C库量变化的可靠性提供技术依据。
1、材料与方法
1.1土壤样品
土壤样品分别采自黑龙江省哈尔滨市民主乡(黑土)和山东省聊城市高唐县(潮土)。样品采样深度为0~20cm,风干后过0.15mm筛。黑土和潮土pH值(水土比5∶1)分别是7.26和8.04。
1.2催化氧化法
1.2.1仪器
利用中国农业科学院农业资源与农业区划研究所公共实验室元素分析仪(型号:varioPYROcube),电子天平(型号:XP6,可读性0.001mg)。
1.2.2操作步骤与分析条件
准确称取约25mg(精确至0.001mg)土壤样品于锡箔杯中,紧密包裹后放入自动进样盘中进样。仪器工作条件:石英燃烧管中催化剂为纯度99.9%WO3,加热温度为1120℃,加氧时间为90s,还原管中还原剂为纯度99.9%Cu丝,加热温度850℃,He气压力0.4MPa和O2气压力0.2MPa。气体纯度:He≥99.996%,O2≥99.995%。
校准曲线的制作:分别称取0.109、0.408、0.846、1.186、1.583、2.146mg磺胺嘧啶(C含量418.1mg/g)标准物,放于锡箔杯中,紧密包裹后放入仪器自动进样盘中进样。测定条件同上,标准物磺胺嘧啶的C量与仪器测定的积分面积间进行线性相关,制作校准曲线如图1所示,相关系数为0.99999。
1.3直接燃烧法
1.3.1仪器
总碳分析仪采用总碳分析仪固体进样模块(型号:MultiN/C3100,固体测量模块HT1300)。电子天平(型号:XP205,可读性0.01mg)1.3.2操作步骤与分析条件称取土样约100mg(精确到0.01mg),置于仪器样品陶瓷舟中,放进水平燃烧炉体中燃烧,炉体温度1150℃,积分时间定为180s,燃烧释放的CO2由仪器内部非散射性红外检测器检测,与仪器连接的计算机直接显示出根据CO2含量而计算得到的土壤总碳结果。仪器分析流量计约为1.7L/min,氧气流量计约为2L/min,O2纯度≥99.999%。
校准曲线的制作:称取10.72、20.06、30.69、40.85、50.67mg标准物CaCO3(C含量120mg/g),放入样品陶瓷舟中,推入燃烧炉开始测量,添加标准CaCO3的C含量与积分面积之间进行线性相关,制作校准曲线如图2所示,相关系数为0.99995。
1.4统计分析
每个样品重复测定5次,土壤样品中碳含量用总碳元素的质量分数(以干基为基础)表示。5次测量值Xi的算术平均值为样品土壤碳的估计值,即测量结果。两种方法测定数据平均值间差异显著性采用Excel软件中分析工具库t检验,进行成对双样本均值分析。
标准偏差用贝塞尔公式计算,即:
2、结果与分析
2.1两种方法测定土壤总碳结果的比较
表1列出了两种方法对土壤总碳的测定结果的比较。催化氧化法和直接燃烧法测定的供试黑土总碳含量平均值分别为15.10g/kg和15.38g/kg,t检验的双尾P值为0.45,两种方法的测定结果无明显差异(表2)。
催化氧化法测定的潮土总碳含量为15.07g/kg,直接燃烧法测定潮土总碳含量15.76g/kg,t检验的双尾P值为0.02,两种方法的测定结果差异明显(表3),但直接燃烧法测定结果比催化氧化法测定结果只高出4.6%,两种方法的测定结果相差在10%以内。
本文选择的元素分析仪属于催化氧化法测定土壤总碳,在催化剂(WO3)作用下,燃烧炉温度高达1120℃,土壤样品紧裹在锡箔中可将燃烧温度提高到1800℃,高温下燃烧土壤碳氧化生成的CO2利用热导检测器检测,而总碳分析仪固体进样模块是将土壤样品于1200℃高温下直接燃烧氧化生成CO2,利用非散射性红外检测器检测CO2,CO2对于波长为红外光吸收存在吸收带,利用红外波段的吸收检测CO2含量。两种仪器测定过程和检测器明显不同,但测定结果在黑土没表现出明显差异,而潮土结果差异明显,总碳分析仪的测定结果稍高些,这可能与燃烧温度和潮土中碳酸盐含量较高有关。Wright和Bailey比较了LecoCN-2000分析仪两种燃烧温度(1040℃和1300℃)下土壤碳测定结果,发现1300℃下土壤碳测定结果相对准确,低于1040℃,样品中碳酸盐降解减少,而1300℃时碳酸盐的回收率达98%。
2.2两种方法测定结果的精密度和不确定度在相同测量条件下,每种方法对同一土壤总碳含量进行5次测量。催化氧化法和直接燃烧法测定黑土总碳含量相对偏差分别为0.49%和4.62%,潮土总碳含量相对偏差分别为0.88%和2.59%。相对偏差均小于5%,说明两种方法测定的土壤总碳精密度较高,仪器稳定性较好。与催化氧化法相比,直接燃烧法5次测定结果的相对偏差稍偏大。
测量重复性带来的不确定属于A类标准不确定度。催化氧化法测定的黑土和潮土总碳含量A类标准不确定度分别为0.03和0.06,直接燃烧法测定的黑土和潮土总碳含量A类标准不确定度分别为0.32和0.18。与催化氧化法相比,直接燃烧法测定结果的标准不确定度稍大。
元素分析仪测定时,土壤样品放在锡箔杯中,紧密包裹后放入自动进样盘中进样,氧化过程中使用催化剂和载气,增加了测试成本,但元素分析仪精密度和灵敏度较高,选择CNS模块,可一次进样,不仅可测定C、N和S3个元素含量,还可与质谱仪联用,同时测定土壤中13C、15N、34S等稳定性同位素丰度与比值。总碳分析仪固体高温进样模式测定土壤总碳,可直接将固体土壤样品放入特制的陶瓷舟中,然后推入高温燃烧炉中,只需一次性转化,测定流程简单,成本相对较低,但靠人为推动样品陶瓷舟进入炉体,每次推入速度、力度和深度可能会有所差异,增加测定结果的误差。
3、结论
利用催化氧化法和直接燃烧法测定黑土和潮土总碳含量,5次重复样品测试结果表明:催化氧化法和直接燃烧法测定黑土总碳含量分别为(15.10±0.03)g/kg和(15.38±0.32)g/kg,潮土总碳含量分别为(15.07±0.06)g/kg和(15.76±0.18)g/kg,t检验:两种方法黑土测定结果无明显差异,而潮土的测定结果差异明显。两种仪器土壤总碳测定结果精密度均较高,稳定性较好,相对偏差均小于5%。根据样品测试要求和测试成本,可以选择不同的方法测定土壤碳含量。