土壤碳赋存形态及分析方法研究进展_陈宗定.pdf

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2019 年 3 月 March 2019 岩矿测试 ROCK AND MINERAL ANALYSIS Vol. 38,No. 2 233 -244 收稿日期 2017 -09 -27; 修回日期 2018 -06 -19; 接受日期 2018 -06 -22 基金项目 中国地质科学院基本科研业务费项目 YYWF201622 ; 国家重点研发计划项目 2016YFF0201103 作者简介 陈宗定, 硕士, 主要从事地质矿产标准化研究。E - mail ding_5424126. com。 陈宗定,许春雪,安子怡, 等. 土壤碳赋存形态及分析方法研究进展[ J] . 岩矿测试, 2019, 38 2 233 -244. CHEN Zong - ding,XU Chun - xue,AN Zi - yi,et al. Research Progress on Fraction and Analysis s of Soil Carbon[ J] . Rock and Mineral Analysis, 2019, 38 2 233 -244.【DOI 10. 15898/j. cnki. 11 -2131/td. 201709270148】 土壤碳赋存形态及分析方法研究进展 陈宗定,许春雪,安子怡,王亚平,孙德忠,王苏明 国家地质实验测试中心,北京 100037 摘要 研究土壤碳的赋存形态不仅利于了解碳的迁移转化规律, 而且可以为土壤固碳提供科学依据。目前 对各形态碳 尤其是有机碳中的慢性及惰性组分 缺乏系统的分析研究。基于此, 本文综述了土壤中碳的主 要赋存形态, 各形态碳的组成、 分布及作用, 土壤碳的分析、 分离方法。土壤无机碳储量约占全球总碳库的 38, 赋存形态以碳酸盐为主。土壤有机碳主要分为活性碳库 周转期0. 1 ~4. 5 年 、 慢性碳库 周转期 5 ~ 50 年 和惰性碳库 周转期 50 ~3000 年 。其中可溶性有机碳、 易氧化有机碳和微生物量碳属于活性有机碳 库这一范畴, 可以较为灵敏地反映土壤理化性质的微小变化; 轻组有机碳和颗粒有机碳属于慢性有机碳库, 可作为土壤有机质周转变化的重要指标; 重组有机碳和矿物结合态有机碳属于惰性有机碳库, 是土壤有机碳 固持的重要机制之一。目前土壤中碳酸盐测定方法主要为气量法和滴定法; 有机碳分析方法包括容量法、 比 色法和重量法。本文提出, 今后应加强对无机碳及有机碳中的惰性组分研究, 同时对土壤有机碳各组分概念 及测定方法进行统一, 并开展不同地域、 不同土壤类型、 不同浓度的土壤碳形态标准物质研制工作。 关键词 土壤碳; 赋存形态; 分布特征; 分析方法; 分离方法; 标准物质 要点 1 总结了土壤中无机碳和有机碳的主要赋存形态和各形态碳的组成、 分布及作用。 2 评述了目前国内外土壤中不同形态碳的分析、 分离方法。 3 提出应统一土壤中不同形态碳的概念和分析方法, 加强相关标准物质研制。 中图分类号 S151. 93; O613. 71文献标识码 A 土壤是一个巨大的碳库, 在全球碳循环中发挥 着至关重要的作用。表层土壤 1m 深度内碳储量大 约有 2500Pg 有机碳和无机碳分别为 1550Pg 和 950Pg, 1Pg 109t ,仅 次 于 海 洋 圈 碳 储 量 38000Pg [1 -2 ]。土壤碳储量的微小变化会影响整 个生态系统 一方面, 土壤碳的排放会使大气中温室 气体 含 量 升 高,进 而 影 响 到 全 球 气 候 变 化。 Baldock[3 ]指出, 土壤 2m 厚度范围内每增加 5 ~ 15有机碳将会降低大气中16 ~30的 CO2。另 一方面, 土壤碳是衡量土壤质量的重要指标, 其含量 直接影响土壤肥力及生态功能, 从而决定森林及农 作物的生长 [4 ], 因此受到了广泛关注。 由于土壤碳库组成的复杂性及其对各种影响因 素 如土地利用变化、 自然与人为干扰等 变化响应 的多样性, 国内外对土壤碳库的动态过程认识仍有 很大不足。土壤中碳的赋存形态与其复杂的动态过 程密切相关, 因此, 对土壤碳库中不同碳形态的研究 和分析是明确土壤碳库变化和调控机理的关键, 是 研究陆地生态系统碳循环及全球碳平衡的基础。目 前, 测定无机碳 碳酸钙 的经典方法主要有气量 法、 滴定法等, 测定有机碳的方法有重铬酸钾氧化 - 容量法、 干烧法、 湿烧重量法等, 但关于仪器分析方 法的报道较少。此外, 土壤有机碳是非常复杂的混 合物, 针对有机碳不同组分分析方法的研究在我国 较为少见。本文综述了土壤中碳主要赋存形态, 对 土壤中不同形态碳的分离和分析方法进行了评述。 332 ChaoXing 1土壤碳赋存形态 1. 1无机碳 土壤中无机碳包括 CO2 吸附的 CO2和溶解的 CO2 、 碳酸 H2CO3 、 重碳酸盐 HCO - 3 、 碳酸盐 CO2 - 3 及固态的碳酸钙 主要为方解石 [4 ]。依据 来源不同, 土壤无机碳可划分为成岩性无机碳和成 土性无机碳 [5 ], 后者是无机碳库的主要组成部分, 由大气中 CO2溶解、 沉淀而成, 在全球碳循环中意义 重大。由于无机碳性质相对稳定, 早期对其研究较 少, 从 21 世纪初开始关注其储量及转化。目前对于 无机碳库评估差异较大, 从全球范围来看, 在0 ~1m 土壤 层 中, 土 壤 无 机 碳 库 为 695 ~ 745Pg[6 ]到 1738Pg[7 ], 其中我国无机碳库为 45 ~234. 2Pg[7 -8 ], 主要以碳酸盐如 CaCO3、 CaMg CO3 2等的形式分布 于沙漠、 半干旱地区及石灰岩沉积区 以西北和华 北地区为主 [5 ]。在占据我国国土面积 47 的干 旱/半干旱地区, 土壤无机碳库储量是有机碳库的 2 ~10 倍, 且随着土壤深度的增加而逐渐增大 [9 ]。 Tan 等 [10 ]研究了我国黄土高原碳库, 计算出在表层 1m 处土壤无机碳储量为 10. 20Pg, 占我国土壤无机 碳库的 18. 4 左右, 总体上是一个有效碳汇。Li 等 [11 ]根据我国土壤调查及中国科学院提供的相关 数据, 估算出我国 1m 深的土壤以碳酸盐形式储存 的无机碳为 77. 9Pg, 是土壤无机碳库的主要存在 形式。 土壤无机碳主要受土地利用方式、 气候和大气 中的养分影响 [5 ]。Wu 等[8 ]通过对南方水稻土土壤 调查数据的研究, 指出农业用地活动 耕种水稻、 灌 溉等 造成 0 ~ 1m 土层无机碳储量下降了 1. 6Pg。 Wang 等 [5 ]研究表明, 在干旱地区, 长期施肥增加了 农田土壤中的有机碳, 从而使无机碳含量升高, 即在 干旱/半干旱地区, 无机碳与有机碳含量呈正相关 性 [12 ], 土壤有机碳 SOC 通过沉淀作用可转化为无 机碳, 即 SOC→CO2→HCO - 3 aq→CaCO3 s 。 土壤无机碳储量约占全球总碳库的 38[6 ] , 在 陆地生态系统中仅次于有机碳库, 但由于无机碳较 有机碳更为稳定, 对碳循环贡献相对较小, 往往被人 们所忽视。而近年来的研究表明 [6, 13 ], 土壤无机碳 尤其是 CaCO3含量 不仅影响土壤 pH 值、 土壤供 肥能力及土壤环境质量 [14 -15 ], 而且对于缓解土壤重 金属污染有一定作用 [16 -17 ]。此外, 通过盐/碱土吸 附的碳高达 62 ~ 622g/ m2y 并以无机碳的形式 存在于土壤中, 表明土壤无机碳库是一个有效碳汇, 在土壤 - 大气碳循环中发挥着重要作用 [13 ]。 今后的研究一方面应加强典型地区 干旱、 半 干旱地区 无机碳库分析、 统计, 并加深采样深度, 另一方面考虑对成岩性无机碳和成土性无机碳分别 进行定量分析, 探究二者在碳循环中的作用, 为缓解 气候变化采取及时、 有效的措施奠定基础。 1. 2有机碳 土壤有机碳主要来源于死亡的生物残体以及牲 畜粪肥、 绿肥等有机物料。全球表层 1m 土壤有机 碳储量为 1200 ~1600Pg[5 ], 其中我国土壤有机碳储 量约为 50 ~185. 7Pg[6 ], 主要分布于热带雨林、 热带 草原、 极地或冻土区 以东北和东南为主 , 随着纬 度、 经度及山地的海拔差异而发生变化, 重要贡献土 类是东北的暗棕壤和沼泽土以及南方的水稻土 [6 ]。 土壤类型是影响有机碳含量的重要因素, 根据前人 研究 [18 ]计算得到我国几种典型土壤 100cm 深度和 20cm 深度土壤有机碳含量 如图 1 所示 土壤 容重按照我国土壤平均容重 1. 30g/cm3计算 。 图 1我国几种典型土壤 100cm 深度和 20cm 深度的 有机碳含量 Fig. 1Organic carbon content of the several kinds of typical soils in China 由图 1 可知, 有机碳主要分布于土壤表层, 其含 量随着土层加深而降低 [8 ]。此外, 土地利用类型对 土壤有机碳含量影响很大。Wang 等 [19 ]对几种土地 利用类型进行了考察, 指出有机碳密度高低顺序为 森林 > 草地 > 沙漠灌木 > 沙漠。Syswerda 等 [20 ]也 认为森林土壤更利于有机碳的积累, 从森林变为耕 地并经过长期耕作后, 其有机碳至少损失20, 表明 森林土壤是一个十分重要的有机碳碳库。土壤是陆 地生态系统中最大的有机碳库, 不仅影响着土壤中 养分的储存与供应, 而且在全球碳循环中起着至关 432 第 2 期 岩矿测试 http ∥www. ykcs. ac. cn 2019 年 ChaoXing 重要的作用 [21 -22 ]。自 1850 年以来, 森林砍伐及草 地耕地化导致有机碳含量大大下降, 从而增加了大 气中 35的 CO2释放量[23 ]。 由此可见, 土壤有机碳库在陆地生态系统中有 着重要的地位和作用, 而对有机碳组分的探究是研 究有机碳库的基础。目前, 土壤有机碳库分组方法 有很多, 其中稳定性分组法对土地利用变化有积极 响应, 与土壤管理密切相关, 得到了广泛应用。该方 法将土壤有机碳库分为活性碳库 周转期 0. 1 ~4. 5 年 、 慢性碳库 周转期 5 ~50 年 和惰性碳库 周转 期 50 ~3000 年 [24 -26 ]。 1. 2. 1活性有机碳 土壤中不稳定、 易分解、 易氧化、 易矿化、 移动较 快, 对地表植物和土壤微生物有显著影响的有机碳 定义为土壤活性有机碳 [27 -28 ]。由于其特殊的化学 组成和周转时间较短, 往往可以较为灵敏地指示土 壤质量及土地利用变化 [29 ]。土壤活性有机碳是植 物营养的主要来源, 在未完全分解之前, 临时对土壤 结构有稳定作用。可溶性有机碳 DOC 、 易氧化有 机碳 LOC 和微生物量碳 SMBC 均属于活性有机 碳这一范畴 [30 ]。 Jandl 等 [ 31 ]提出, 土壤可溶性有机碳是指能溶解 于水, 并且能通过 0. 45μm 滤膜的含碳有机物, 包括 简单有机分子, 如碳水化合物、 简单氨基酸和小分子 蛋白质等, 它们极易被土壤微生物所分解, 是土壤微 生物直接利用的土壤碳源, 其对有毒金属和有机污染 物传输、 水和养分循环及土壤有机碳的有效性等都具 有重要的影响, 而且也是土壤微生物的重要能源 [ 32 ]。 农田自然湿度土壤中, 可溶性有机碳占总有机碳的 0.1 ~0.4[ 32 ], 含量一般在200 mg/kg 土 范围。 土壤易氧化有机碳是指容易受到植物、 微生物 的影响并具有一定溶解性, 在土壤中移动较快、 不稳 定、 易氧化分解的土壤碳素 [28 ], 一般广泛存在于农 田和草原中。易氧化有机碳的周转时间短, 与土壤 养分的供应、 土壤微生物活动和作物生长密切相关, 是植物营养素的主要来源。Biederbeck 等 [33 ]研究指 出, 土壤有机碳的短暂波动主要来源于易氧化部分 的变化, 因此, 土壤易氧化有机碳可作为土壤碳库稳 定性的指示因子。 土壤微生物量碳是指土壤中体积小于5 ~10 μm 3活的细菌、 真菌、 藻类和土壤微动物体内所含的 碳 [34 ], 一般占土壤有机碳的 0. 3 ~ 7, 其变化可 直接或间接地反映土壤耕作制度和土壤肥力变化, 并可反映土壤污染程度 [35 ]。此外, 微生物量碳与土 壤有机碳的比值可用于检测有机碳的动态变化, 并 可指示土壤碳的平衡、 积累和消耗。 尽管活性有机碳在土壤有机碳库中所占比例不 大 通常不到 5 , 但它可以较为灵敏地反映土壤 理化性质的微小变化, 因此一直是土壤结构及有机 碳稳定性的研究热点 [36 -37 ]。土壤活性有机碳能显 著影响土壤化学物质的溶解、 吸收、 迁移乃至生物毒 性等行为, 在微生物的生长代谢、 土壤有机质分解以 及土壤中污染物的迁移等过程有着重要作用 [38 ]。 此外, 土壤活性有机碳与总有机碳量相比, 能够更好 地指示土壤质量, 反映土壤有机碳的有效性。 1. 2. 2慢性有机碳 慢性有机碳指介于“活性” 和“惰性” 库间具有 中等周转时间的土壤有机碳, 包括微生物和微型动 物残体以及碎屑物质。其中轻组有机碳和颗粒有机 碳均属于这一范畴 [28, 39 ]。 轻组有机碳是指土粒密度小于 1. 6 ~2. 0g/cm3 组分中的有机碳, 是介于新鲜有机质和腐植质之间 的中间碳库, 包括植物残体及其腐解产物、 菌丝体和 孢子等, 占土壤有机碳总量的 15 ~ 32, 主要分 布于农田及森林土壤中 [40 ]。轻组有机碳一方面是 土壤有机质周转和作物有效养分的暂时储存库; 另 一方面是微生物的重要碳和能量来源, 极易被土壤 微生物利用, 参与土壤碳氮循环 [41 ]。已有研究表 明, 土壤微生物量氮、 土壤矿化氮和碳均与土壤中轻 组有机质含量呈显著正相关, 表明轻组有机质具有 较高的生物活性。 颗粒有机碳是指采用颗粒大小分组法分出的土 壤有机质组分, 是与砂粒 53 ~2000μm 结合的有机 碳部分, 由相对粗大的非腐植质化的不同分解阶段 植物残体和微生物分解产物组成, 具有比重小、 C/N 值高、 易被微生物分解等特点 [42 ]。Cregorich 等[43 ] 研究表明在农业用地土壤中, 颗粒有机碳约占总有 机碳的 22, 广泛存在于农田、 森林及草原土壤中。 土壤颗粒有机碳不仅可以胶结和稳定团聚体, 而且 对土地利用和土壤经营措施的变化响应非常迅速且 具有选择性, 因此可作为土壤有机质周转变化的重 要指标 [44 ]。 1. 2. 3惰性有机碳 惰性有机碳是指周转时间为 50 ~ 3000a, 比较 稳定, 对土壤利用的短期变化几乎没有响应的有机 碳 [45 ]。其中重组有机碳和矿物结合态有机碳属于 这一范畴。 研究表明, 重组有机碳是土粒密度大于1.8~2.0g/cm3 532 第 2 期陈宗定, 等 土壤碳赋存形态及分析方法研究进展第 38 卷 ChaoXing 的有机碳组分, 主要成分是腐植质, 其含量占总有机 碳的60以上 [ 46 ], 是土壤有机碳的重要构成部分。 重组有机碳以芳香族物质为主体 主要是腐植质 , 存 在于有机 -无机复合体中, 其结构稳定复杂, 很难被 微生物所利用, 具有固碳作用, 在一定程度上反映了 土壤保持有机碳的能力, 因此提高这部分碳库含量对 缓解大气 CO2浓度上升具有重要意义[ 47 ]。 矿物结合态有机碳多是腐植化的有机质, 同时 受土壤黏粒和粉粒保护, 因此相对稳定, 并且与团聚 体结合碳之间关系密切, 从而影响土壤有机碳的动 态变化。土壤矿物结合态有机碳是土壤有机碳固持 的重要机制之一。 相比于土壤中的活性有机碳, 目前对惰性有机碳 研究较少, 而作为土壤有机碳的重要组成部分, 对这一 形态碳进行深入、 细致的分析研究显得很有必要。 2土壤碳分析方法 2. 1无机碳分析方法 土壤中的无机碳主要以碳酸盐形式存在, 其含 量分析受到了较为广泛的关注 [47 -50 ]。土壤中碳酸 盐主要是难溶的方解石 CaCO3 和白云石 CaCO3 MgCO3 , 目前传统应用的分析方法有原子吸收光 谱法、 连续流压电检测法、 气压法等, 但这些方法操 作过程繁琐, 精确度低 [47 -48 ]。相比之下, 气量法和 滴定法 容量分析法 的应用更为普遍, 也是目前测 定土壤碳酸盐的标准方法 LY/T 12501999 。 气量法的主要步骤是在土壤中加入一定量的 酸, 产生的 CO2用气体装置收集并测量体积, 从而计 算出土壤中碳酸盐含量。该方法适用于除碳酸镁土 以外的各类土壤碳酸盐含量测定, 但操作较为繁琐, 且受温度、 压力影响较大, 通过建立标准曲线并根据 标准曲线回归方程计算土壤中碳酸盐的方法可以大 大改善。王莲莲等 [49 ]采用气量法和 CO 2吸收法 用 过量 NaOH 吸收土壤与盐酸反应产生的 CO2, 再测 定剩余 NaOH 的量 测定土壤中的碳酸盐, 结果表明 气量法测定比较快速且易于操作, 适合大批量样品 测定; CO2吸收法相对稳定, 但用时较长 约 30h , 且操作比气量法复杂, 适于对精度要求高的测定。 滴定法包括中和滴定法和电位滴定法, 即向土 壤样品中加入过量的标准酸, 与碳酸盐充分反应后, 过量的酸再用碱标准溶液回滴, 通过酸的消耗量计 算得到碳酸盐含量。杜森等 [50 ]提出碳酸根和碳酸 氢根均可采用双指示剂 酚酞和甲基橙 中和法和 电位滴定法测得, 但对于质地黏重、 碱度较高的土壤 浸出液, 采用双指示剂中和法的终点很难确定, 可采 用电位滴定法。彭红翠等 [51 ]采用中和滴定法和间 接法 土壤总碳与有机碳进行差减 测定稻田和林 地土壤中碳酸盐, 结果表明中和滴定法测得土壤的 CaCO3含量, 其准确度和重复性相对较差, 这主要是 由于标准酸中氢离子与土壤胶体上的金属阳离子发 生交换作用, 并使矿物酸解, 从而消耗酸所致, 因此 所消耗的酸量不能真实代表土壤中碳酸盐的含量, 相比之下, 采用间接法测定土壤中的碳酸盐准确度 更高。 分析仪器方面, 韩文娟 [52 ]采用碳酸仪 M1 - 0853 型, 荷兰 测定土壤中 CaCO3的含量, 该仪器主 要基于是气量法原理, 具有操作简单、 用时少等优 点。考虑到与酸反应会存在反应不完全、 废液污染 等问题, Bisutti 等 [53 ]提出了一种新型的同时测定土 壤有机碳和无机碳方法 单次运行双次升温燃烧 法 SRDTC , 该方法采用有机碳分析仪与红外气体 分析仪联合, 分别在 515℃ 和 925℃ 下将样品燃烧, 通过测定不同温度范围下产生的 CO2来得出土壤中 有机碳和无机碳含量, 具有测定速度快、 成本低、 高 效、 环保等优点。在此基础上, Apesteguia 等 [54 ]提出 了 “梯度燃烧法” ramped combustion , 采用热分析 仪和 CO2/H2O 气体分析仪联用, 将燃烧温度设定为 850℃测定样品中的无机碳, 并排除了水蒸汽干扰, 测得无机碳与气量法基本一致 r20. 97 。 几种主要测定土壤无机碳的方法及简要流程总 结如图 2 所示。 综上, 目前测定土壤中碳酸盐的经典方法有气 量法和滴定法。其中, 前者可采用土样与参比物在 同温同压下平行操作测定, 从而直接计算结果, 使测 定过程更为简化, 结果精度提高。后者不需要专用 装置, 且适用范围广, 但精度稍差, 常被用作速测法。 此外 , “梯度燃烧法” 可同时测定土壤中有机碳和无 机碳, 操作简便、 测试结果准确度高, 具有较好的应 用前景。 2. 2有机碳分析方法 对于土壤中的总有机碳, 经典分析方法主要有 容量法、 比色法和重量法, 重量法又可为湿烧法和干 烧法。其中, 土壤有机碳分析标准方法有 ①重铬酸 钾 - 容量法 DZ/T 0279. 272016 , 该方法有机碳 测定范围为 0. 2 ~ 20, 是目前应用最为普遍的 土壤有机碳测定标准方法; ②重铬酸钾氧化 - 分光 光度法 HJ 6152011 , 其简单、 快速且具有较好准 确性, 但易受土壤组成 氯、 铁、 氧化锰等 影响 [50 ], 632 第 2 期 岩矿测试 http ∥www. ykcs. ac. cn 2019 年 ChaoXing 图 2土壤无机碳分析方法及流程 Fig. 2Analytical s and flow of inorganic carbon in soil 该标准不适用于氯离子 Cl - 含量大于2. 0 104 mg/kg 的盐渍化土壤或盐碱化土壤的测定; ③湿烧 重量法 DZ 4887 , 适用于岩石、 现代沉积物、 现 代生物、 土壤等各类样品中有机碳含量的测量, 该方 法虽然比较准确, 但操作程序繁长。此外, 还有燃烧 氧化 - 非分散红外法 HJ 6952014 、 燃烧氧化 - 滴定法 HJ 6582013 、 干烧法 BS EN 15936 2012, NF X31 -0402013 等。 目前关于土壤中有机碳的分析方法研究较多。 土 壤 分 析 技 术 规 范指 出,采 用 油 浴 加 热 180 ~190℃ 重铬酸钾氧化 - 容量法测定土壤有 机碳时, 与干烧法对比只能氧化 90 的有机碳, 因 此需将测得的有机碳乘以校正系数 1. 1[50 ], Kimble 等 [55 ]则认为该校正系数取决于土壤类型、 采样深度 等。此外, 该方法中 Cl - 和 Fe2 的存在会对测定结 果造成干扰, 可分别通过加入 Ag2SO4和空气氧化的 方法缓解 [56 ]。杨剑虹等[57 ]指出, 采用干烧法和湿 烧法 经典方法 测定有机碳, 区别在于干烧法为土 壤样品酸化脱除无机碳后与 O2高温下 950℃ 灼 烧, 湿 烧 法 是 将 土 壤 样 品 置 于 溶 液 中 加 热 180 ~190℃ 氧化分解, 二者产生的 CO2通过 KOH 重量法 和Ba OH 2溶液 容量法 吸收得到, 其优 点在于氧化完全, 回收率可达 100; 缺点在于测定 速度慢、 操作较繁琐等。该方法适用于样品量少、 对 测定结果准确度要求较高的样品, 不适于大批量样 品分析。Bisutti 等 [56 ]指出, 在没有无机碳存在的情 况下, 干烧法是测定土壤有机碳最准确的方法, 可作 为标准来校正其他方法。Apesteguia 等 [54 ]认为, 虽 然干烧法测定有机碳较为准确, 但并不适于测定无 机碳含量较高的石灰土, 这是由于用于样品预处理 的酸 通常为盐酸、 磷酸、 亚硫酸 可能与碳酸盐反 应不完全, 或者溶解脱除部分土壤中的有机碳, 影响 测定结果。Ramnarine 等 [58 ]提出可以通过盐酸熏蒸 法来降低或消除酸液处理过程中有机碳的损失。此 外, 烧失量法也可用于测定土壤或沉积物中的有机 碳, 该方法通过称量灰化前后样品质量计算得出有 机质含量, 燃烧温度 375 ~ 800℃ 视样品而定 [56 ], 土壤中由碳酸盐释放的 CO2和水分蒸发带来的质量 损失忽略不计。 几种经典测定土壤有机碳的方法及流程总结如 图 3 所示。 分析仪器方面, 常规仪器包括元素分析仪 C、 H、 O、 N、 S 联合测定仪 , 高频红外碳硫分析仪, 总有 机碳分析仪等, 但测定前均需进行预处理脱除无机 碳, 这几种方法本身具有较高的精密度, 且方便快 捷, 但用样量小, 取样误差大, 土壤中无机碳对测定 有干扰。在该类分析方法中, 样品预处理过程是关 键, 前期需针对不同土壤性质 有机、 无机碳比例 等 开展酸化条件 酸的选择、 加热温度、 处理时间 等 研究。Apesteguia 等 [54 ]在 Bisutti 等[53 ]研究基础 上提出了“梯度燃烧法” , 可实现有机碳的直接测 定, 且用于测定高含量无机碳土壤中的有机碳较 “湿法氧化法” 更为准确可靠。此外, 激光诱导击穿 光谱 LIBS 分析速度快, 测定结果与干烧法基本一 致 r20. 96 , 具有较高的精密度 4 ~5 和准 确度 3 ~14 , 适用于大批量土壤样品分析 [59 ]。 综上, 目前测定土壤有机碳的经典方法可归纳 为两大类 一类是将土壤有机碳高温氧化后, 测定释 放出的 CO2量, 如干烧法、 湿烧法等; 另一类是利用 氧化剂在一定温度下氧化后测定消耗氧化剂的量, 再根据反应式换算有机碳量, 如重铬酸钾氧化 - 容 量法等。就目前而言, 第二类方法快速、 简便且不需 732 第 2 期陈宗定, 等 土壤碳赋存形态及分析方法研究进展第 38 卷 ChaoXing 图 3土壤有机碳分析方法及流程 Fig. 3Analytical s and flow of organic carbon in soil 特殊设备和操作, 是应用较为普遍的分析方法。此 外 , “梯度燃烧法” 具有较高的精密度和重现性, 使 用方便快捷, 更适用于无机碳含量较高的土壤样品 中有机碳分析。 2. 2. 1活性有机碳分析方法 土壤活性有机碳测量方法较多, 包括生物活性 测定法、 物理组分和化学氧化法等 [60 ], 其中 KMnO 4 氧化法被认为是简单易行且被广泛应用的土壤活性 有机碳测定方法 [61 -62 ]。该方法最早由 Loginow 等 [63 ]提出, 后由 Blair 等[64 ]进行修改完善, 并提出 了标准测试程序 以 333mmol/L KMnO4为氧化剂, 在中性条件下通过直接氧化来确定土壤中活性和非 活性 有 机 碳 部 分。Weil 等 [65 ] 认 为 333mmol/L KMnO4浓度太高, 会与土壤中部分其他形态有机碳 反应, 造成测定结果偏高, 此外该浓度接近 KMnO4 的溶解度 400mmol/L , 较难配制且不稳定, 故提出 在弱碱性 CaCl2 环境下采用 0. 02mol/L KMnO4溶 液来氧化活性有机碳, 在室内和野外均获得了较好 的结果 R2 0. 98 。可溶性有机碳可通过1mol/L 的 KCl 或 K2SO4提取, 然后振荡、 离心、 过滤得到。 微生物量碳测定方法包括 氯仿熏蒸培养法、 氯仿熏 蒸浸提法、 三磷酸腺苷法和精氨酸诱导氨化法等。 由于微生物的多样性, 各方法的适应范围不同。相 比之下, 溴仿熏蒸浸提法耗时短, 方法成熟, 适于大 批量样品的测定。该方法首先采用氯仿蒸汽熏蒸 24h, 然后用 K2SO4溶液浸提 0. 5h, 测定浸提液中有 机碳, 土壤微生物量碳则为经过熏蒸土壤样品与对 照样品浸提液中有机碳含量的差值。党亚爱等 [66 ] 采用该方法对黄土高原典型土壤中微生物量碳分布 特征进行研究, 结果表明土壤微生物量碳在 0 ~ 60cm 随土层深度加深明显下降, 60cm 以下基本稳 定, 与总有机碳分布相似。此外, Shahid 等 [67 ]在研 究施用有机肥的水稻土中土壤碳形态的变化及 Qi 等 [68 ]研究温度对不同活性有机碳影响中, 均采 用该方法分析了土壤微生物量有机碳。 2. 2. 2慢性有机碳分析方法 土壤慢性碳库中的轻组有机碳可通过 1. 7 ~ 1. 8g/cm3的重液振荡、 离心、 CaCl2淋洗等一系列操 作进行分离 [37 ], 再用化学法或仪器测定。其中重液 可采用钨酸钠或者碘化钠来制备 [69 -70 ], 相比之下, 碘化钠廉价易得, 且能够避免样品残留水带来的负 效应, 因此应用更为普遍。分散后的悬浊液在离心 机 3000r/min 离心 10min, 若悬浊液比较浑浊则加 大离心机转速或延长离心时间。颗粒有机碳通常采 用 Cambardella 等 [39 ]提出的方法 加入分散剂 六偏 磷酸钠 振荡、 过 53μm 筛分离并经烘干 60℃ 后 称重, 测定其所含有机碳。对于这一部分有机碳的 分离方法, 目前存在一些争议, 如分散剂的选择、 振 荡方法及土液比例等, 今后在这方面仍需进一步研 究和统一。 2. 2. 3惰性有机碳分析方法 惰性有机碳可通过酸水解法测定 [71 -72 ] 用 6mol/L盐酸消煮16h, 过180μm 筛, 然后采用重铬酸 钾容量法 外加热法 测定所得有机碳含量。对于 惰性碳库中的重组有机碳, 通常由重液振荡离心、 洗 涤测得, 但文献中关于重液选择、 重液密度确定、 振 荡/离心条件以及土液比例等不尽相同, 重液选择经 历了有机溶剂 溴仿 乙醇混合溶液 到无机溶剂 NaI 或 ZnBr2 , 溶剂密度从 1. 8 ~3. 0g/cm3较大变 动范围, 土液比例则从 25g 土/50mL 重液到5g土/ 25mL 重液不等 [52, 63 ]。目前我国常用的测定方法 中, 主要选择密度为 1. 7 ~1. 8g/cm3的 NaI 或 ZnBr2 为重液进行密度分组。土液比例为 5g 土/25mL重 832 第 2 期 岩矿测试 http ∥www. ykcs. ac. cn 2019 年 ChaoXing 液时可达到较好的分离效果, 但若经过振荡离心后 上层液仍较为浑浊, 则考虑加大重液的比例。由于 重组有机碳占土壤有机碳的 60 以上, 是土壤有机 碳的重要组成部分, 因此对重组有机碳准确、 有效的 分离和分析显得尤为重要, 其分离方法有待于进一 步研究。 将上述土壤中各形态有机碳分析方法总结列于 表 1 中。 表 1土壤中不同形态有机碳分离/分析方法 Table 1s of separation and/or analysis of organic carbon fractions in soil 土壤有机碳组分 所属碳库分离/分析方法文献 可溶性有机碳活性库 K2SO4提取, 离心[ 73] 易氧化有机碳活性库 KMnO4氧化法[ 74] 微生物量碳活性库 氯仿熏蒸提纯/三磷酸腺苷法/ 精氨酸诱导氨化法 [ 75] 轻组有机碳慢性库 NaI 离心, CaCl2淋洗 [ 37, 76] 颗粒有机碳慢性库 NaPO3 6离散, 沉积 [ 39, 67] 重组有机碳惰性库 ZnBr2/NaI/溴仿 乙醇 混合液等振荡离心, 乙醇洗涤 [ 45] 矿物结合态 有机碳 惰性库 氢氟酸 盐酸 2 ∶ 1, V ∶ V 处理 [ 77] 3研究展望 土壤碳库总量的变化与其构成特征密切相关, 目前关于土壤中不同碳形态研究已取得一定成果。 本文一方面对土壤碳库进行了比较细致的划分, 另 一方面对碳酸盐、 有机碳分析方法进行了总结, 并提 出各个方法的优缺点及适用范围, 但有机碳库中不 同形态碳的分离分析方法往往较为复杂, 且各方法 之间缺乏比较, 从而缺乏准确性、 可靠性。综合已有 研究成果, 本文提出今后研究可从以下方面展开。 1 对于土壤碳库, 目前研究较多的是土壤总 碳、 总有机碳及有机碳中活性较高的碳 如可溶性 有机碳、 易氧化有机碳等 , 而对无机碳及有机碳中 惰性组分研究相对较少。研究表明, 土壤无机碳与 有机碳是可以相互作用、 相互转化的 无机碳库通过 影响土壤微生物活性、 土壤 pH、 有机质分解速率进 而影响有机碳库; 土壤有机碳库分解释放 CO2进入 土壤溶液转化为无机碳。有机碳中的活性碳、 慢性 碳、 惰性碳库同样也相互影响、 相互转化。因此, 今 后应从整体出发, 掌握土壤中各形态碳的组成、 分布 以及迁移转化规律。 2 土壤稳定性分组是近三十年发展起来的研 究范畴, 目前对于土壤有机碳各组分概念、 组成及测 定方法等不尽统一, 使得各研究结果之间缺乏可比 性, 而各研究内容间也很难相互解释和印证。因此, 土壤有机碳各组分概念及测定方法的标准化应成为 今后土壤有机碳研究工作的重点之一。 3 相比于传统分析方法 , “梯度燃烧法” 采用 热分析仪与红外气体分析仪联合, 可准确地同时测 定土壤中有机碳和无机碳, 具有较广阔的应用前景。 采用该方法进行分析时, 应针对不同土壤性质采用 不同升温程序, 严格区分有机碳和无机碳, 同时保证 氧化完全, 将测得结果与经典分析方法进行比对, 以 保证其准确可靠性。此外, 目前原位、 大规模测定土 壤总碳的方法有中子散射能谱 INS 、 γ 能谱、 中近 红外 光 谱 MIRS、 NIRS 和 激 光 诱 导 击 穿 光 谱 LIBS 等, 而对于大规模、 高精度的土壤样品中有 机碳、 无机碳的原位测定方法少有报道, 今后可加强 这一方向的研究, 为土壤碳库调查提供及时、 有效的 数据支撑。 4 为保证土壤碳形态分析数据的准确可靠, 需要加强相关标准物质研制工作。现有的土壤成分 分析标准物质中, 虽然包含了总碳和有机碳, 但有机 碳含量往往较低 1 以下 , 而且土壤类型较为单 一, 代表性不强。因此, 土壤碳形态标准物质, 尤其 是不同地域、 不同土壤类型、 不同浓度梯度的标准物 质研制十分必要。 4参考文献 [ 1]Mohamed A, Mohamed E, Abd - 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