土壤顆粒粒徑及進樣量對TOC含量測定精度的影響

李朝英，鄭 路，2*

(1中國林業(yè)科學研究院熱帶林業(yè)實驗中心，憑祥 532600；2廣西友誼關森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，憑祥 532600)

土壤有機碳(TOC)含量不僅與土壤肥力直接相關，而且與土壤結(jié)構(gòu)、通氣性、pH等物理性質(zhì)有密切相關性。因此，土壤TOC含量是土壤研究必需檢測的項目[1-3]。土壤TOC含量的測定方法有重鉻酸鉀外加熱法和TOC分析儀法。重鉻酸鉀外加熱法常常由于樣品氧化不均或人為誤差等影響檢測結(jié)果的準確性。TOC分析儀為新興現(xiàn)代精密儀器，自動化程度高，檢測準確，是測定TOC含量的優(yōu)選[4-6]。但是目前很多研究仍選擇重鉻酸鉀外加熱法測定TOC含量，這是因為重鉻酸鉀外加熱法所用待測樣顆粒過60—100目篩處理(粒徑<0.25mm)均可，一次可消煮幾十個樣品，檢測效率高[7-9]。近年來，重鉻酸鉀外加熱法的改進研究取得了一些進展，原有油浴加熱被消解儀加熱、沸水浴加熱等方法取代，加熱穩(wěn)定均勻，氧化反應更易控制，提高了檢測的準確性[10-12]。而TOC分析儀檢測一個樣品至少需要10min，且為了保證檢測準確，待測樣顆粒需過100—200目篩處理(粒徑<0.149mm)，或進樣量小于50mg[13-15]，使得待測樣品處理費力費時，固體樣品進樣量過低，存在樣品缺少代表性的可能，影響了TOC分析儀檢測的效率與準確性。目前，TOC分析儀測定粒徑>0.149mm的待測樣顆粒TOC含量的報道較少，改進后的重鉻酸鉀外加熱法與TOC分析儀法的測定結(jié)果比較研究也不多。為此，本試驗研究過10目篩(粒徑<2mm)、40目篩(粒徑<0.5mm)、60目篩(粒徑<0.25mm)、100目篩(粒徑<0.149mm)的不同粒徑土壤顆粒樣品對測定TOC含量的影響，以期為TOC分析儀法測定土壤TOC含量建立新的檢測條件，提高檢測效率，更好地發(fā)揮TOC分析儀的優(yōu)勢。同時，對TOC分析儀與改進后重鉻酸鉀外加熱法-沸水浴測定結(jié)果進行比較分析，研究兩種檢測方法的差異及相關性，為科學選擇土壤TOC含量測定方法提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試劑、儀器和樣品

1.1.1 試劑

25%磷酸、葡萄糖(優(yōu)級純)、碳酸氫鈉(優(yōu)級純)、0.8molL重鉻酸鉀溶液、0.2molL硫酸亞鐵、98%濃硫酸、鄰菲啰啉指示劑、pH 4.01標準緩沖液、pH 6.87標準緩沖液。

1.1.2 儀器

電子分析天平(BSA124S-CW，賽多利斯科學儀器公司)；TOC分析儀(Japan SHIMADZU TOC-L SSM5000A)；精密鼓風干燥箱(BPG-9240A，上海一恒科技有限公司)；水浴鍋(HSW28，上海一恒科技有限公司)；pH計(PHS-3C，上海雷磁儀器有限公司)。

1.1.3 樣品來源及處理與保存

試驗于2016年6月進行，2個土壤樣品采集于中國林科院熱帶林業(yè)實驗中心白云實驗場人工林2個樣點0—10cm剖面層；30個土壤樣品采集于中國林科院熱帶林業(yè)實驗中心夏石大山人工林6個樣點，每個樣點在剖面0—10cm、10—20cm、20—30cm、30—50cm、50—100cm五個層次取樣。土樣自然風干后，將樣品中的植物殘體、石礫挑揀干凈，研磨過10目篩，混合均勻，分成4份。其中1份土樣過10目篩后直接裝袋，另3份分別研磨至全部過40目篩、60目篩、100目篩，4份土樣分別密封存放于有標識的聚丙烯塑料袋中。

總碳(TC)標準物(葡萄糖)在105℃下烘2h后放入干燥器中冷卻存放。無機碳(IC)標準物(碳酸氫鈉)在270℃下烘3h后放入干燥器中冷卻存放。

1.2 試驗原理及方法

1.2.1 試驗原理

樣品在TOC分析儀中于900℃高溫條件下催化燃燒，碳被完全氧化，生成CO2，非分散式紅外線分析儀(NDIR)測得TC含量。樣品加入磷酸后，在200℃低溫反應爐中酸化分解反應，生成的CO2由NDIR測得IC含量。TC含量-IC含量=TOC含量[16-18]。

1.2.2 試驗方法

1.2.2.1 稱取2mg、6mg、18mg、54mg葡萄糖，放入樣品舟中，推入900℃燃燒腔中分別測定TC含量，建立TC標準曲線；稱取5mg、20mg、40mg、80mg碳酸氫鈉，分別加入25%磷酸0.3mL，推入200℃反應腔中測定IC含量，建立IC標準曲線。

1.2.2.2 分別精密稱取過10目、40目、60目、100目篩的土壤樣品，稱量量為150—175mg。樣品放入樣品舟中，推入900℃燃燒腔中測定TC含量；將樣品放入樣品舟中，加入25%磷酸0.3mL，推入200℃反應腔中測定IC含量。每個進樣量重復測TC和IC含量3次。未稱取樣品的空白同上操作，重復3次。

1.2.2.3 分別精密稱取1.2.2.2優(yōu)選粒徑的土壤樣1、樣2，稱量量分別為(75±25)mg、(125±25)mg、(175±25)mg、(225±25)mg、(275±25)mg、(325±25)mg，測定TC含量和IC含量。每個進樣量重復3次?？瞻淄喜僮鳎貜?次。

1.2.2.4 土壤樣1按1.2.2.3所確定的稱量范圍稱取，分別加葡萄糖1.4mg(含碳0.5mg)、4.1mg(含碳1.5mg)，重復3次。土壤樣1按1.2.2.3所確定的稱量范圍稱取，分別加碳酸氫鈉3.5mg(含碳0.5mg)、7.0mg(含碳1mg)，重復3次。空白同上操作，重復3次。

1.2.2.5 按1.2.2.3所確定的稱量范圍稱取32個樣品，分3份，1份以TOC分析儀測定TC含量，1份測定IC含量；1份以重鉻酸鉀外加熱法測定TOC含量，稱取的樣品放入150mL三角瓶中，加入0.8molL重鉻酸鉀溶液5mL、濃硫酸5mL，搖勻后放到已預熱100℃的水浴鍋內(nèi)加熱30min，取出后在三角瓶中加入10mL水，冷卻后加入3滴鄰菲啰啉，用0.2molL硫酸亞鐵滴定至棕紅色，記錄硫酸亞鐵溶液所用體積以計算TOC含量。上述試驗重復3次?？瞻淄喜僮?，重復3次。

1.2.2.6 稱取32個過10目篩的土壤樣品顆粒各5g，加去離子水12.5mL，放于振蕩機中以180 Hz振蕩60min后，靜置30min，以pH計測定土樣pH。

1.3 數(shù)據(jù)分析

使用Excel 2003進行統(tǒng)計和圖表繪制，采用SPSS 19.0軟件進行單因素分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 樣品顆粒粒徑對測定結(jié)果的影響

由表1可見，過10目、40目篩顆粒的TC含量隨著顆粒粒徑減小呈升高趨勢，過60目、100目篩顆粒的TC含量趨于一致。方差分析表明，過10目、40目篩顆粒TC含量與過60目、100目篩顆粒TC含量有顯著差異，過60目與過100目篩顆粒的TC含量無顯著差異。過10目篩顆粒的TC含量CV(變異系數(shù))大于7%，精密度欠佳。過40目篩顆粒的TC含量CV大于2.5%，過60目、100目篩顆粒的TC含量CV均小于2%，精密度良好?？梢?，過10目、40目篩顆粒所測結(jié)果的精密度低于過60目、100目篩顆粒，顆粒粒徑大于0.25mm，測定結(jié)果的精密度呈下降趨勢。過10目、40目、60目、100目篩顆粒的IC含量均為0。

表1 不同粒徑土壤顆粒的TC含量 (n=3)

注：TC含量=均值+SD，同列不同字母表示差異顯著(P<0.05)，下同

表2 不同進樣量的TC含量(n=3)

2.2 測定土壤TC、IC含量的進樣量選擇

由表2可見，兩個土壤樣品在進樣量(75±25) mg、(125±25) mg的TC含量隨進樣量增加呈升高趨勢，進樣量(175±25) mg、(225±25) mg、(270±25) mg的TC含量趨于穩(wěn)定，進樣量(325±25) mg的TC含量略有下降趨勢。方差分析表明，兩個樣品不同進樣量的TC含量無顯著差異。進樣量(75±25) mg、(125±25) mg、(325±25mg)所測TC含量的變異系數(shù)(CV)均大于3%；進樣量(175±25) mg、(225±25)mg、(275±25) mg所測TC含量的CV小于2.5%，精密度良好?？梢?，過60目篩土壤顆粒進樣量小于150mg或大于300 mg的測定結(jié)果精密度呈下降趨勢。兩個土壤樣品不同進樣量的IC=0，與2.1所述一致。

2.3 標準曲線及檢出限

以峰面積為Y軸，絕對碳含量(μg)為X軸，得到TC標準曲線Y=0.1342X-124.04，相關系數(shù)r2=0.9992，線性范圍為0.728—19.656mg，檢測峰正常。以峰面積為Y軸，絕對碳含量(μg)為X軸，得到IC標準曲線Y=0.1027X-76.65，相關系數(shù)r2=0.9997，線性范圍為0.715—11.44mg。

2.4 方法的精密度、準確度

由表3可見，樣品1的TC加標回收率在98.02%—100.46%，RSD小于2%；IC加標回收率在99.00%—101.66%，RSD小于2%，說明本試驗方法的精密度與準確性較高。

表3 樣品加標回收率(n=3)

2.5 兩種檢測方法的測定結(jié)果比較

由表4可見，32個土壤樣品的pH在4—6，屬于酸性土壤，IC含量均為0，TOC分析儀所測TC含量=TOC含量。

表4 2種檢測方法測定TOC含量的比較(n=3)

方差分析表明，TOC分析儀法和重鉻酸鉀外加熱法-沸水浴測定的TOC含量無顯著差異。32個樣品的TOC含量在5—34mgg。TOC分析儀測得TOC含量CV在0.79%—2.44%；重鉻酸鉀外加熱法測得TOC含量CV在2.22%—4.97%?？梢?，TOC分析儀所測結(jié)果精密度高于重鉻酸鉀外加熱法。

兩種方法測定32個樣品的TOC含量的相對相差在0.04%—13.9%，平均相對相差為4.24%。TOC含量>15mgg的13個樣品中，12個的相對相差小于4.24%，1個的相對相差為4.39%；TOC含量5—15mgg的19個樣品中9個的相對相差大于4.24%。這說明對于TOC含量>15mgg的樣品，兩種方法的測定結(jié)果有良好一致性；對TOC含量5—15mgg的樣品，重鉻酸鉀外加熱法-沸水浴測定結(jié)果與TOC分析儀法的差異增大。

由圖1可見，TOC分析儀法和重鉻酸鉀外加熱法所測TOC含量線性回歸擬合方程為：y=1.03344x-0.7054，R2=0.9973，兩種方法相關性較好，分析結(jié)果趨于一致。

圖1 2種方法測定結(jié)果的線性回歸擬合圖Fig.1 Linear regression fitting diagram of two methods for measuring results

3 結(jié)論與討論

諸多研究提出IC組分主要為碳酸鹽或碳酸氫鹽類物質(zhì)，pH<6.5的酸性土壤中的IC難以穩(wěn)定存在[19-21]。本試驗的土壤樣品pH在4.13—5.29，屬典型的酸性土壤，IC=0，TC=TOC，與上述研究結(jié)果一致。由此，有研究對非酸性土壤人為加酸酸化，消除土壤中的IC，測得TC即得TOC，減少IC的檢測環(huán)節(jié)，有利于排除干擾，降低誤差，檢測快捷準確，且便于分析其他因素對測定結(jié)果的影響[22-23]。

樣品能否被充分燃燒，是TOC分析儀測定精度的關鍵影響因素。本試驗中，過10目、40目篩顆粒的測定結(jié)果偏低，精密度欠佳。過60目篩顆粒所測結(jié)果與過100目篩顆粒一致，精密度及準確性良好，說明過40目篩顆粒粒徑偏大，不易燃燒充分，過60目篩顆粒能保證燃燒完全。過60目篩顆粒進樣量低于150mg或大于300mg，測定精度呈下降趨勢，進樣量在175—275mg，精密度與準確性高，說明進樣量少于150mg，樣品缺乏代表性，進樣量高于300mg，燃燒不充分。進樣量在175—275mg，樣品有代表性，燃燒完全，對TOC檢測影響較小，適用于TOC分析儀檢測。這與以往研究所述的小粒徑與低進樣量有所不同。這是因為以往研究中小粒徑顆粒間的空隙小，不利TOC分析儀中氧氣助燃作用的發(fā)揮，選擇低進樣量才能保證燃燒充分。過60目篩顆粒間空隙大，氧氣更易于促進一定量的顆粒燃燒充分，保證TOC分析儀的測定精度。本試驗TOC含量線性范圍在0.728—19.656mg，實測32個樣品的TOC含量在5—34mgg，按進樣量175—275mg計算，TOC含量在0.875—9.35mg，均在線性范圍。土壤TOC含量多在5—50mgg，取以往研究所述低進樣量進行檢測，低含量樣品的TOC可能會低于線性范圍下限，易受基線波動等因素干擾，影響測定精度。

TOC分析儀法和重鉻酸鉀外加熱法-沸水浴所測結(jié)果趨于一致，兩者相關性良好。TOC分析儀對樣品燃燒氧化充分，TOC高、中、低含量樣品的測定結(jié)果的精密度及準確性高。樣品TOC含量>15mgg，重鉻酸鉀外加熱法-沸水浴與TOC分析儀法的測定結(jié)果一致；樣品TOC含量在5—15mgg，重鉻酸鉀外加熱法-沸水浴的準確性低于TOC分析儀法。這是因為重鉻酸鉀外加熱法-沸水浴較原方法有一定提高，加熱較均勻，克服了氧化不均的情況，但加試劑與滴定操作中所存在的人為偏差，以及加熱過程氧化劑損失等問題仍然難以避免，故影響測定結(jié)果的準確性，尤其是TOC低含量樣品，誤差表現(xiàn)明顯[24]。因此，重鉻酸鉀外加熱法-沸水浴需要改進，才能進一步降低誤差，提高準確性。

綜上，酸性土壤IC=0，TC=TOC，可避免IC的檢測環(huán)節(jié)。本試驗首次提出過60目篩的土壤顆粒以進樣量175—275mg用于TOC分析儀檢測分析的方法是可行的。樣品處理簡捷省力，避免了檢測誤差，檢測準確高效，為實驗室運用TOC分析儀測定土壤有機碳提供了既可靠又實用的新方法。本試驗表明，TOC分析儀法與重鉻酸鉀外加熱法-沸水浴的測定精度不同，對TOC含量不同的樣品有著不同的適用性，實驗室根據(jù)不同需求進行選擇。本研究為實驗室選擇土壤TOC含量測定方法提供了新的參考指導。