應(yīng)用高頻紅外碳硫儀測(cè)定農(nóng)用地土壤樣品中有機(jī)質(zhì)含量

殷陶剛， 竇向麗， 張旺強(qiáng)， 和振云

(國(guó)土資源部蘭州礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測(cè)中心， 甘肅 蘭州 730050)

土壤中的有機(jī)質(zhì)含量不僅代表土壤碳儲(chǔ)量，也是土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力和肥力的重要指標(biāo)之一，在全球碳循環(huán)過(guò)程中發(fā)揮著重要作用[1-3]。有機(jī)質(zhì)是農(nóng)用地土壤肥力的主要來(lái)源，了解農(nóng)用地土壤有機(jī)質(zhì)含量，是進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理、實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、保證農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的基本條件[4-5]。近年來(lái)隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)農(nóng)村發(fā)展環(huán)境的變化，農(nóng)用地土壤環(huán)境污染問(wèn)題越來(lái)越受到關(guān)注[6-7]，在環(huán)境監(jiān)測(cè)分析中，農(nóng)用地土壤有機(jī)質(zhì)成為關(guān)注的焦點(diǎn)[8]。因此，準(zhǔn)確、高效地測(cè)定土壤中的有機(jī)質(zhì)，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)具有現(xiàn)實(shí)意義。

根據(jù)測(cè)定原理的不同，實(shí)驗(yàn)室測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)的方法主要分為兩類：一類為燃燒法，包括干燒法及灼燒法；第二類為化學(xué)氧化法，包括濕燒法、重鉻酸鉀容量法及比色法[9-10]。目前，常用測(cè)定方法有重鉻酸鉀容量法、燒失量法及儀器法[10]。重鉻酸鉀容量法是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法，適用于測(cè)定有機(jī)質(zhì)含量在15%以下的土壤，測(cè)定結(jié)果較為準(zhǔn)確，但操作過(guò)程繁瑣，測(cè)試效率低[11]。對(duì)于灼燒法，國(guó)內(nèi)外的報(bào)道不多，這是由于土壤樣品經(jīng)灼燒后所失去的質(zhì)量不僅包括有機(jī)質(zhì)的含量，還包括黏土礦物結(jié)構(gòu)水、碳酸鹽、硫化物等的失重，使得灼燒法測(cè)定的有機(jī)質(zhì)含量往往偏高[12-13]，導(dǎo)致其應(yīng)用受到限制。

隨著分析測(cè)試技術(shù)的進(jìn)步，高頻紅外碳硫儀已應(yīng)用于土壤有機(jī)質(zhì)含量的測(cè)定，該法避免了傳統(tǒng)方法中的試樣液體轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)，有效提高了檢測(cè)效率并降低了測(cè)定成本，為實(shí)驗(yàn)室快速測(cè)定大批量土壤樣品有機(jī)質(zhì)含量提供了可能[14-17]。但由于農(nóng)用地土壤樣品都是低電磁性物質(zhì)，在燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的電磁感應(yīng)渦流不足以滿足樣品中碳的釋放需求；同時(shí)，農(nóng)用地土壤樣品中大量存在的還原性物質(zhì)也不利于碳的充分氧化，導(dǎo)致精密度較差，準(zhǔn)確度難以保證，使得該法未能成為實(shí)驗(yàn)室測(cè)定農(nóng)用地土壤樣品有機(jī)質(zhì)含量的主要方法[15]。本文針對(duì)高頻紅外碳硫儀分析方法中存在的問(wèn)題，通過(guò)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化了樣品稱樣量、助溶劑鐵和鎢的添加次序和添加量等測(cè)定條件，用國(guó)家一級(jí)土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)來(lái)驗(yàn)證該方法的檢出限、精密度及重現(xiàn)性，并將該方法應(yīng)用于測(cè)定甘肅省農(nóng)用地土壤樣品，測(cè)定結(jié)果與重鉻酸鉀容量法進(jìn)行比較，驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器和主要試劑

HCS-KR220型高頻紅外碳硫儀(德陽(yáng)市科瑞儀器設(shè)備廠)，儀器主要工作參數(shù)：供壓電壓220V±5%，50Hz±5%；輸出功率>5kW；輸入電流20A；高頻振蕩頻率18MHz。

AL104型電子天平(美國(guó)梅特勒-托利多儀器有限公司)，BPG-9140A型精密鼓風(fēng)干燥箱(上海一恒科學(xué)儀器有限公司)，KSW型馬弗爐(滬南電爐烘箱廠)，W201型恒溫油浴鍋(常州市凱航儀器有限公司)，25mL滴定管、移液管等。

純鎢助溶劑(德陽(yáng)市科瑞儀器設(shè)備廠)：碳含量小于0.001%；純鐵助溶劑(德陽(yáng)市科瑞儀器設(shè)備廠)：碳含量小于0.0005%。

0.40mol/L重鉻酸鉀-硫酸溶液：此溶液很穩(wěn)定，可長(zhǎng)期保存；0.20mol/L硫酸亞鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液：此溶液每次使用前需進(jìn)行標(biāo)定；鄰菲啰啉指示劑：此試劑易變質(zhì)，于棕色瓶中密閉保存；濃鹽酸；粉末狀硫酸銀、粉末狀二氧化硅等。以上試劑均為分析純。

1.2 實(shí)驗(yàn)樣品

土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：GBW07401(有機(jī)質(zhì)認(rèn)定值3.10%±0.28%)、GBW07404(有機(jī)質(zhì)認(rèn)定值1.07%±0.14%)、GBW07425(有機(jī)質(zhì)認(rèn)定值1.84%±0.10%)。這些標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)均由中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所研制。

農(nóng)用地土壤樣品：均來(lái)自本課題組承擔(dān)的甘肅省農(nóng)用地土壤污染狀況詳查項(xiàng)目，樣品采自甘肅省內(nèi)不同地區(qū)的農(nóng)用地。采集的土壤樣品經(jīng)風(fēng)干、磨細(xì)，過(guò)0.25mm篩后儲(chǔ)存，備用[18]。

1.3 測(cè)定方法

1.3.1高頻紅外碳硫儀

該方法主要原理：將土壤樣品置于高頻感應(yīng)電爐中，在無(wú)CO2的氧氣流中燃燒，土壤中有機(jī)碳高溫氧化成CO2，利用CO2在4.26μm處具有很強(qiáng)的特征吸收這一特性[10,19]，通過(guò)測(cè)量氣體吸收光強(qiáng)分析CO2含量，間接測(cè)定土壤中的有機(jī)碳含量，并換算成土壤有機(jī)質(zhì)含量。

操作步驟：準(zhǔn)確稱取0.05g樣品(精確到0.0001g)于準(zhǔn)備好的陶瓷坩堝中，滴加50%的鹽酸使樣品充分反應(yīng)至無(wú)氣泡冒出(除去碳酸鹽的干擾)，再將充分反應(yīng)后的樣品放入105℃干燥箱內(nèi)干燥2h以上(除去多余的鹽酸)[16,19]，冷卻后移入干燥器中待測(cè)。啟動(dòng)高頻紅外碳硫儀，開(kāi)機(jī)后預(yù)熱30min，完成儀器檢漏，設(shè)定儀器參數(shù)。待儀器穩(wěn)定后，在已經(jīng)過(guò)前處理的樣品中加入0.40g純鐵屑、1.50g純鎢粒作為助熔劑，搖晃混合均勻后置于燃燒室進(jìn)行測(cè)定。

有機(jī)質(zhì)含量計(jì)算：按公式“有機(jī)質(zhì)含量=有機(jī)碳含量×1.724”計(jì)算有機(jī)質(zhì)含量，式中：1.724為由有機(jī)碳換算為有機(jī)質(zhì)的系數(shù)。

1.3.2重鉻酸鉀容量法

此為方法對(duì)比實(shí)驗(yàn)。重鉻酸鉀容量法參照土壤農(nóng)化常規(guī)方法[20]、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《土壤有機(jī)質(zhì)測(cè)定法》(GB 9834—1988)和農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《土壤檢測(cè) 第6部分：土壤有機(jī)質(zhì)的測(cè)定》(NY/T 1121.6—2006)。

2 結(jié)果與討論

2.1 稱樣量的選擇

由于土壤樣品的電磁感應(yīng)低,稱樣量對(duì)樣品能否充分燃燒、降低基體干擾等產(chǎn)生影響。所以稱樣量會(huì)影響測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確度與精密度[21-23]。采用土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW07425進(jìn)行試驗(yàn)。分別稱取0.01、0.03、0.05、0.07、0.09g土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)于瓷坩堝中，每個(gè)稱樣量稱取11份,按照1.3.1節(jié)方法進(jìn)行測(cè)定與計(jì)算。制作不同稱樣量下，有機(jī)質(zhì)含量與測(cè)定次數(shù)關(guān)系圖，分析稱樣量對(duì)測(cè)定結(jié)果準(zhǔn)確度與精密度的影響。

圖1 樣品稱樣量對(duì)有機(jī)質(zhì)含量測(cè)定的影響Fig.1 Effect of the sample amount on the determination of organic matter content

從圖1可以看出，當(dāng)稱樣量較小(0.01～0.03g)時(shí)，有機(jī)質(zhì)測(cè)定均值偏高，且各次測(cè)定值之間波動(dòng)較大，準(zhǔn)確度和精密度都較差；當(dāng)稱樣量為0.50g時(shí)，有機(jī)質(zhì)測(cè)定均值與認(rèn)定值最接近，且各次測(cè)定值之間波動(dòng)小，精密度最高；稱樣量繼續(xù)增加至0.07～0.09g時(shí)，有機(jī)質(zhì)測(cè)定均值和精密度的變化不明顯，與0.05g的結(jié)果接近。這可能是因?yàn)榉Q樣量過(guò)少會(huì)增大稱量誤差，使結(jié)果偏高；且稱樣量較小時(shí)，樣品釋放的CO2量本身就很少，加之測(cè)定過(guò)程中產(chǎn)生的粉塵對(duì)CO2的吸附差異，造成各次測(cè)定結(jié)果的波動(dòng)較大，精密度較差。隨著稱樣量的繼續(xù)增加，稱樣誤差和粉塵對(duì)CO2的吸附等因素的影響越來(lái)越小，有機(jī)質(zhì)測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確度和精密度越來(lái)越高。但稱樣量過(guò)大可能會(huì)導(dǎo)致樣品噴濺或燃燒不充分，使有機(jī)質(zhì)測(cè)定值略有降低[21]。

根據(jù)上述分析，當(dāng)稱樣量為0.05g時(shí)，稱樣誤差、測(cè)定過(guò)程中產(chǎn)生的粉塵、噴濺或燃燒不充分等因素對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響最小，精密度、準(zhǔn)確度好，所以選擇稱樣量為0.05g。

表1 鐵和鎢添加量對(duì)有機(jī)質(zhì)含量測(cè)定的影響

2.2 助熔劑的選擇

2.2.1助熔劑種類與添加次序

助熔劑的選擇直接影響土壤樣品的燃燒過(guò)程，關(guān)系到樣品中的碳能否完全釋放出來(lái)[23-25]。本實(shí)驗(yàn)從助熔劑的種類、添加次序、添加量等方面進(jìn)行試驗(yàn)。采用紅外碳硫儀測(cè)定土壤、礦石、水系沉積物等樣品中的碳含量時(shí)，助熔劑通常為純鐵屑、鎢粒、錫粒[24-25]。純鐵具有高電磁感應(yīng)能力，能產(chǎn)生較大的渦電流，釋放較多的熱量,從而提高爐溫，使樣品燃燒完全；鎢的熔點(diǎn)高，可提高樣品的熱容量，使純鐵平穩(wěn)地氧化燃燒，不產(chǎn)生飛濺，三氧化鎢的生成有利于二氧化碳的釋放；錫的熔點(diǎn)較低，能降低熔渣的凝固點(diǎn)，提高熔渣流動(dòng)性，有利于二氧化碳的釋放，缺點(diǎn)是易產(chǎn)生的粉塵影響碳的測(cè)定。一般在測(cè)定土壤樣品中的碳時(shí)，使用純鐵屑和鎢粒作為助熔劑，不建議使用錫粒[15-16]。

為了減小測(cè)定結(jié)果的波動(dòng)性，提高精密度，減少試劑空白，經(jīng)試驗(yàn)表明，依次加入標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)、純鐵屑、鎢粒，再將三者搖晃混合均勻的添加次序效果較好。

2.2.2助熔劑鐵和鎢的添加量

采用土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW07425進(jìn)行試驗(yàn)來(lái)確定助熔劑鐵和鎢的添加量。當(dāng)稱樣量為0.05g、固定鎢添加量為1.5g的條件下，進(jìn)行鐵添加量試驗(yàn)；固定鐵添加量為0.4g的條件下，進(jìn)行鎢添加量試驗(yàn)。由測(cè)定結(jié)果(表1)可知，當(dāng)鐵添加量較少時(shí)，有機(jī)質(zhì)測(cè)定平均值較小，RSD較大，結(jié)果不穩(wěn)定；隨著鐵添加量的增大，有機(jī)質(zhì)測(cè)定的平均值逐漸增大，RSD減小，精密度較高；當(dāng)鐵添加量大于0.40g時(shí)，有機(jī)質(zhì)測(cè)定的平均值在1.88%左右波動(dòng)，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。這說(shuō)明當(dāng)鐵添加量為0.40g時(shí)，助熔劑鐵的量足夠使樣品充分燃燒，樣品中的有機(jī)碳已完全釋放[24-25]。

由表1可知，當(dāng)鎢添加量為0.50g時(shí)，有機(jī)質(zhì)測(cè)定的平均值略低于其他添加量的平均值，這說(shuō)明樣品中的碳還未完全釋放；當(dāng)鎢添加量大于1.50g時(shí)，有機(jī)質(zhì)測(cè)定的平均值在1.89%左右波動(dòng)，RSD較小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。這說(shuō)明當(dāng)鎢添加量為1.50g時(shí)，助熔劑鎢的量足夠使樣品充分燃燒，樣品中的有機(jī)碳已完全釋放[24-25]。

根據(jù)上述分析，當(dāng)鐵、鎢的添加量分別為0.40g和1.50g時(shí)，樣品能充分燃燒，有機(jī)碳完全釋放，測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確度、精密度最高，所以本實(shí)驗(yàn)選擇助熔劑鐵添加量為0.40g，鎢添加量為1.50g。

2.3 分析方法評(píng)價(jià)

2.3.1方法檢出限

取準(zhǔn)備好的陶瓷坩堝，加入已于550℃馬弗爐中灼燒5h去除有機(jī)質(zhì)的土壤樣品[19]，按照1.3.1節(jié)的分析方法連續(xù)測(cè)定平行樣品11次，按照3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算方法檢出限。由表2分析結(jié)果可知，高頻紅外碳硫儀分析方法的檢出限為0.003%，低于農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T 1121.6—2006方法的檢出限，表明該方法檢出限滿足農(nóng)用地土壤樣品的分析質(zhì)量要求。

表2 高頻紅外碳硫儀分析方法的檢出限

表3 兩種方法測(cè)定有機(jī)質(zhì)含量的準(zhǔn)確度和精密度對(duì)比

2.3.2方法準(zhǔn)確度和精密度

采用土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW07401、GBW07404、GBW07425進(jìn)行試驗(yàn)，由2名分析人員在不同時(shí)間采用高頻紅外碳硫儀進(jìn)行測(cè)定，每件樣品每次測(cè)定平行7份，并將該方法測(cè)定結(jié)果與重鉻酸鉀法進(jìn)行對(duì)比。

由表3測(cè)定結(jié)果可知，傳統(tǒng)重鉻酸鉀容量法的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)小于4%，有機(jī)質(zhì)測(cè)定均值與認(rèn)定值的相對(duì)誤差小于5%；本方法高頻紅外碳硫儀的RSD小于4%，有機(jī)質(zhì)測(cè)定均值與認(rèn)定值的相對(duì)誤差小于3%；不同分析人員測(cè)定結(jié)果間沒(méi)有顯著差異，說(shuō)明本方法的重現(xiàn)性良好。而傳統(tǒng)方法存在以下不足[26-27]：測(cè)定過(guò)程易引起環(huán)境污染，會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生危害；土壤中存在的氯離子、亞鐵等還原性無(wú)機(jī)物會(huì)消耗重鉻酸鉀，導(dǎo)致測(cè)定值偏高；另外此法操作繁瑣，實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)掌握不好會(huì)產(chǎn)生誤差，對(duì)分析人員的技術(shù)要求很高，測(cè)定效率低，不利于大批量樣品的分析測(cè)定。通過(guò)比對(duì)分析可知，高頻紅外碳硫儀的精密度、準(zhǔn)確度及重現(xiàn)性能滿足土壤樣品的分析質(zhì)量要求，而且操作簡(jiǎn)單快捷、測(cè)試效率高，適合于大批量樣品的分析[15-17]。對(duì)于樣品前處理過(guò)程中殘留的酸，長(zhǎng)期腐蝕會(huì)影響儀器使用壽命的問(wèn)題，則有必要在日常做好儀器維護(hù)保養(yǎng)工作。

2.3.3本方法和重鉻酸鉀容量法測(cè)定農(nóng)用地土壤樣品的對(duì)比

由于實(shí)際樣品的真值是未知的，也就無(wú)法直接判斷高頻紅外碳硫儀分析方法的準(zhǔn)確度，因此，通過(guò)比較高頻紅外碳硫儀和重鉻酸鉀容量法的一致性和相關(guān)性來(lái)間接考察方法的準(zhǔn)確度。在實(shí)驗(yàn)室隨機(jī)選取甘肅省農(nóng)用地土壤污染詳查項(xiàng)目中的15件農(nóng)用地土壤樣品，采用上述兩種方法測(cè)定其中有機(jī)質(zhì)含量，每件樣品測(cè)定平行雙份，對(duì)比分析兩種方法測(cè)定結(jié)果的一致性。

由表4測(cè)定結(jié)果可知，高頻紅外碳硫儀與重鉻酸鉀容量法的測(cè)定值接近，絕對(duì)誤差范圍為-0.25%～0.28%。通過(guò)對(duì)表4數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合可知，兩種方法測(cè)定結(jié)果之間呈極顯著線性正相關(guān)，線性方程為y=0.9732x+0.0194 (R2=0.9736)，說(shuō)明兩種方法的一致性和相關(guān)性很好，間接表明高頻紅外碳硫儀用于測(cè)定農(nóng)用地土壤樣品的可靠性。當(dāng)樣品中含有石墨碳時(shí)，采用高頻紅外碳硫儀測(cè)試會(huì)導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)測(cè)定值偏高，但農(nóng)用地土壤樣品中通常不含石墨碳或含量很低[28-29]，可忽略其對(duì)有機(jī)質(zhì)測(cè)定的影響。

表4 兩種方法測(cè)定農(nóng)用地土壤樣品有機(jī)質(zhì)含量結(jié)果對(duì)比

3 結(jié)論

本研究結(jié)合我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)的需要，建立了應(yīng)用高頻紅外碳硫儀高效測(cè)定農(nóng)用地土壤有機(jī)質(zhì)含量的方法。依據(jù)樣品稱樣量，通過(guò)優(yōu)化助熔劑鐵、鎢的添加量，實(shí)驗(yàn)表明依次加入樣品、純鐵屑、鎢粒，再將三者搖晃混合均勻，這種實(shí)驗(yàn)操作順序的效果較好；通過(guò)國(guó)家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)驗(yàn)證，本方法滿足土壤樣品分析質(zhì)量要求，且不同人員測(cè)定結(jié)果無(wú)顯著差異，重現(xiàn)性好；本方法測(cè)定結(jié)果與重鉻酸鉀容量法一致，可靠性高。

建立的方法解決了農(nóng)用地土壤樣品電池感應(yīng)低和基體影響較大等問(wèn)題，適合于大批量土壤樣品的分析測(cè)定，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)具有一定的意義。