差減法測定土壤中生物炭含量

馬洪超　吳媛媛　馬增輝

摘要 關(guān)于生物炭測定目前沒有統(tǒng)一、完善的方法。針對這一問題，本文以差減法測定生物炭含量已知的土壤，通過對比分析測定結(jié)果確定差減法的可行性。結(jié)果表明，生物炭稱樣量與氧化量之間呈現(xiàn)一次線性相關(guān)關(guān)系；差減法測定的土壤中生物炭含量略低于土壤中生物炭的添加量；差減法測得的生物炭含量與生物炭添加量的差值<0.5%，在誤差范圍內(nèi)。由此可見，差減法測定生物炭含量的方法是可行的。這為土壤中生物炭含量的測定提供依據(jù)，同時(shí)也進(jìn)一步推進(jìn)了生物炭的科學(xué)研究。

關(guān)鍵詞 土壤；生物炭；有機(jī)碳；含量測定；差減法；重鉻酸鉀法

中圖分類號 S157 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號 1007-5739（2017）15-0173-03

Abstract There′s no unified and perfect method for measuring biochar at present. In order to solve this problem，the soil samples with known biochar content were measured by minusing method. The results showed that there was a linear relationship between sample quantity and oxidation quantity of biochar. The value of biochar content measured by minusing method was lower than biochar addition amount. The difference between the value of biochar content measured by minusing method and biochar addition amount was within 0.5%，which was in margin of error. Therefore，the minusing method for biochar content is feasible. This is a theoretical support for measurement of soil biochar content，and also can boost the study of biochar science research.

Key words soil；biochar；organic carbon；content measurement；minusing method；potassium dichromate method

生物炭概念自20世紀(jì)末出現(xiàn)至今，其相關(guān)研究已受到廣泛的關(guān)注，特別是近年來氣候變化、環(huán)境污染、能源短缺、糧食危機(jī)和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展受限等宏觀背景下，生物炭的潛在應(yīng)用價(jià)值和應(yīng)用空間進(jìn)一步拓寬[1-2]。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中主要圍繞生物炭在土壤、作物、環(huán)境系統(tǒng)中的作用與機(jī)理問題開展研究，并初步證實(shí)了生物炭在改善土壤結(jié)構(gòu)與理化性質(zhì)、提高作物產(chǎn)量、治理環(huán)境污染、增加“農(nóng)業(yè)碳匯”以及減少溫室氣體排放等方面具有重要作用[3-6]。生物炭主要對土壤pH值、CEC、土壤養(yǎng)分等土壤化學(xué)性質(zhì)有重要影響[7-9]，由自身肥力因素以及對作物肥料吸收的促進(jìn)作用改善植物的生長發(fā)育、提高作物產(chǎn)量，從而對作物和環(huán)境系統(tǒng)產(chǎn)生影響。

目前國際上土壤生物炭的分離和測定方法主要采用熱化學(xué)氧化法和化學(xué)氧化法，具體有HF+K2CrO7、HCl-HF+K2CrO7、HCl-HF+TFA+375 ℃和HCl+375 ℃等研究方法，但不同的提取和測定方法導(dǎo)致生物炭含量測定的數(shù)值差異顯著，不具有可比性[10]。從所測定土壤生物炭含量來看大體趨勢為HCl-HF+K2CrO7>HF+K2CrO7>HCl-HF+TFA+375 ℃（HCl+375 ℃），化學(xué)氧化方法測定的值明顯高于熱氧化方法，并且其測定時(shí)，溫度控制、氧化時(shí)間都存在一定的誤差。由此可見，生物炭含量測定方法尚未統(tǒng)一，這對科學(xué)研究生物炭的影響效應(yīng)產(chǎn)生了阻滯。

近年來有相關(guān)研究采用差減法測定生物炭[10-13]，該方法是利用重鉻酸鉀外加熱法測定的總有機(jī)碳量與易氧化的碳量差值計(jì)算土壤生物炭含量。但差減法中重鉻酸鉀外加熱法測定總有機(jī)碳時(shí)，其氧化程度受到試驗(yàn)溫度、氧化時(shí)間的限制而有所差別，所以用差減法測定生物炭含量是否可行，還有待于進(jìn)一步驗(yàn)證。本文以差減法測定土壤中生物炭的含量，對數(shù)據(jù)相關(guān)性和差異性進(jìn)行了分析，驗(yàn)證差減法測定生物炭含量的可行性，為生物炭改良土壤性狀提供理論支撐，同時(shí)也進(jìn)一步推進(jìn)了生物炭的科學(xué)研究。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)概況

本研究在黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，以陜西省安塞縣農(nóng)耕地表層黃綿土為供試土壤，以陜西省億鑫生物能源科技開發(fā)有限公司提供的鋸末生物炭為供試生物炭材料。圖1從左到右依次為土壤、生物炭、土壤和生物炭的混合物。將生物炭材料篩分為1～2 mm、0.25～1.00 mm和<0.25 mm 3個(gè)粒級，然后將各粒級生物炭分別以0、1%、3%、5%和7%的添加量與已知質(zhì)量的供試土壤均勻混合，共計(jì)15個(gè)處理，0添加量處理作為空白用以矯正測定生物炭含量。之后將15個(gè)處理分別過2 mm篩，取過篩后的各土樣均約50 g，進(jìn)一步磨細(xì)過0.15 mm塑料篩，作為總有機(jī)碳和生物炭的測定供試樣品。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 易氧化的有機(jī)碳量測定。各稱2份約0.5 g左右過0.15 mm篩后的供試樣品，分別置于硬質(zhì)試管中，加入0.1 mol/L重鉻酸鉀與2.0 mol/L硫酸混合液25.0 mL，在55 ℃水浴中加熱60 h，用標(biāo)準(zhǔn)硫酸亞鐵滴定法測定殘余的重鉻酸量，測定易氧化的有機(jī)碳量，剩余部分就是樣品中生物炭的量。endprint

1.2.2 有機(jī)碳總量測定。另外稱取2份過0.15 mm篩的土樣用常規(guī)重鉻酸鉀外加熱法測定有機(jī)碳總量。

1.2.3 生物炭總量測定。生物炭中可氧化的碳量即為有機(jī)碳總量與易氧化有機(jī)碳量的差值，然后用標(biāo)準(zhǔn)曲線反推出生物炭的總量。

1.2.4 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制。分別稱取生物炭0.002、0.004、0.006、0.008、0.010、0.012、0.014 g，應(yīng)用差減法測算出生物炭中可氧化的碳質(zhì)量（BC），然后分別以生物炭中可氧化的碳質(zhì)量和生物炭稱樣量為縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

后期數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2016、SPSS 16.0及Sigmaplot 10.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和作圖，分析數(shù)值相關(guān)性和差異性。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

生物炭含量測定的標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖2所示，生物炭可氧化量與樣品質(zhì)量之間呈現(xiàn)一次線性關(guān)系，即Y=0.479X-8.103×10-5，相關(guān)系數(shù)R2=0.983，達(dá)到顯著相關(guān)。隨著生物炭質(zhì)量的增大，樣品中可氧化碳含量按比例增大。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，差減法測定生物炭中可氧化的碳占生物炭總質(zhì)量的40%～50%，其余是生物炭中難氧化的碳，也是不易在土壤中發(fā)生轉(zhuǎn)化的生物炭，這部分的生物炭不會(huì)對改良土壤理化性質(zhì)產(chǎn)生作用[14]。

2.2 不同生物炭添加量測定結(jié)果對比分析

將<0.25 mm粒級的生物炭以0、1%、3%、5%和7%的添加量加入土壤，以差減法測定土壤中生物炭含量，用以評價(jià)不同生物炭添加量條件下差減法測定土壤中生物炭含量方法的可行性，結(jié)果見表1。可以看出，在測定土壤中生物炭含量時(shí)，稱樣量是隨著生物炭添加量（即樣品中生物炭含量）的增加而減少，這是因?yàn)殡S著生物炭的增加，土壤中的碳量增大，試驗(yàn)過程中會(huì)導(dǎo)致FeSO4的用量增加，而導(dǎo)致試驗(yàn)材料的浪費(fèi)。因此，測定前須做預(yù)試驗(yàn)，初步確定稱樣量范圍，使測定結(jié)果更為準(zhǔn)確。

從表1可以看出，在測得的生物炭含量中，樣品重復(fù)之間相對相差<5%，說明人為試驗(yàn)操作誤差在允許范圍之內(nèi)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠。生物炭含量的均值數(shù)據(jù)顯示，各個(gè)生物炭含量的均值與生物炭添加量之間的絕對差值<0.5%，說明差減法測定含量與生物炭添加量之間的誤差在可接受范圍內(nèi)。由此可知，差減法測定土壤中生物炭含量可行。

2.3 生物炭粒級對測定土壤中生物炭含量的影響

生物炭添加量為3%時(shí)1～2 mm、0.25～1.00 mm、<0.25 mm粒級的生物炭分別加入土壤，以差減法測定土壤中生物炭含量，用以評價(jià)差減法測定土壤中多種粒級條件下生物炭的可行性。

從表2可以看出，在測得的生物炭含量中，樣品重復(fù)之間相對相差<0.5%，說明人為試驗(yàn)操作誤差在允許范圍內(nèi)。生物炭含量的均值數(shù)據(jù)分別為2.91%、2.90%、2.86%，都集中在2.90%左右，與生物炭含量真實(shí)值3%之間的差值<0.5%。這是因?yàn)樯锾孔陨淼慕Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳統(tǒng)的重鉻酸鉀氧化法并不能把生物炭中的可氧化性碳全部氧化，導(dǎo)致其測定值略低。不同粒級下生物炭含量相差不超過0.05%，由此可知，生物炭粒級對生物炭含量的測定影響不顯著。

3 結(jié)論與討論

生物炭在土壤中有十分重要的功能，其測定方法多樣且各有缺陷。本文研究結(jié)果顯示以差減法測定土壤中生物炭含量的方法可行。其中，生物炭樣品稱樣量與可氧化量之間呈現(xiàn)一次線性相關(guān)關(guān)系，隨著生物炭稱樣量的增加，生物炭可氧化碳量按比例增大；應(yīng)用差減法測定的土壤中生物炭含量略低于土壤中生物炭的添加量，這是由生物炭的結(jié)構(gòu)和重鉻酸鉀的氧化性決定的；差減法測得的土壤中生物炭含量與生物炭真實(shí)含量的差值<0.5%，在誤差范圍內(nèi)。所以，差減法測定生物炭含量的方法是可行的。

綜上所述，在測定土壤生物炭含量時(shí)，通過對測定值與真實(shí)值的對比分析，差減法測定土壤中生物炭含量是可行的。周桂玉通過比較4種試驗(yàn)方法測得數(shù)據(jù)的相關(guān)性、回收率和BC/SOC，認(rèn)為不同的提取方法得到的結(jié)果差異很大，其中差減法用于測定土壤中生物炭含量是可行的[10]；張履勤等[11]應(yīng)用差減法研究土地利用方式對紅壤和黃壤中BC的影響，結(jié)果表明BC/SOC的比例為8%～26%；章明奎等[12]應(yīng)用差減法研究了亞熱帶林地土壤中BC的數(shù)量，結(jié)果表明林地土壤中普遍存在BC，枯枝落葉層、表土層和亞表層BC質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.27～67.63、0.83～22.42、0.27～8.72 g/kg，分別占有機(jī)碳總量的0.12%～13.14%、1.87%～21.40%和3.31%～27.13%；戴 婷等[13]用差減法研究了土地利用方式、施肥方式和地理位置等對浙北平原農(nóng)業(yè)土壤中BC分布特征的影響，結(jié)果表明浙北平原農(nóng)業(yè)土壤中表土BC含量在1.69～15.22 g/kg之間，占土壤有機(jī)碳總量的11.3%～53.2%之間。

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