Rock-Eval熱分解法及其在土壤有機(jī)碳研究中的應(yīng)用

張延，高燕,2，張旸,2，Gregorich Edward，李秀軍，陳學(xué)文，張士秀，梁愛(ài)珍

(1.中國(guó)科學(xué)院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所 黑土區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130102；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.加拿大農(nóng)業(yè)與農(nóng)業(yè)食品部渥太華研究中心，渥太華 K1A 0C6)

0 引 言

土壤有機(jī)碳在全球碳循環(huán)和農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中起著重要角色[1]，其動(dòng)態(tài)變化對(duì)大氣CO2濃度[2]及土壤肥力具有顯著的影響[3]。土壤有機(jī)碳發(fā)揮自身基礎(chǔ)作用(提供養(yǎng)分)、物理作用(改善土壤結(jié)構(gòu))、化學(xué)作用(發(fā)揮水肥協(xié)同效應(yīng))、生物作用(提高生物活性)和環(huán)境作用(減少環(huán)境污染)的強(qiáng)弱，歸根結(jié)底取決于其是否具備長(zhǎng)期儲(chǔ)存能力。土壤有機(jī)碳的最早研究集中于有機(jī)碳動(dòng)態(tài)變化和總碳庫(kù)儲(chǔ)量估算[4-5]，隨著研究的不斷深入，發(fā)現(xiàn)不同土壤有機(jī)碳組分的儲(chǔ)存能力、穩(wěn)定性及周轉(zhuǎn)時(shí)間均存在差異[6]，單純闡述總有機(jī)碳變化難以全面揭示土壤有機(jī)碳的周轉(zhuǎn)與變化機(jī)制[7]。因此，近年來(lái)土壤有機(jī)碳的相關(guān)研究更注重于不同組分的動(dòng)態(tài)變化[8-10]。大量研究開(kāi)始聚焦于土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性方面[11]。根據(jù)不同土壤有機(jī)碳組分的周轉(zhuǎn)時(shí)間將其劃分為活性及穩(wěn)定性碳庫(kù)，活性碳庫(kù)主要為植物生長(zhǎng)和微生物代謝提供營(yíng)養(yǎng)元素運(yùn)輸和能量的供應(yīng)，而穩(wěn)定性碳庫(kù)則是減緩大氣CO2濃度上升和加強(qiáng)土壤固碳的重要途徑[12]?；钚约胺€(wěn)定性碳組分可通過(guò)不同提取方法(物理、化學(xué)及生物)進(jìn)行表征，如可溶性碳、微生物量碳、可礦化碳(培養(yǎng)實(shí)驗(yàn))、易氧化有機(jī)碳、顆粒態(tài)有機(jī)碳等均屬于活性碳庫(kù)。礦物結(jié)合碳、微團(tuán)聚體結(jié)合碳、腐殖質(zhì)以及酸水解不可溶有機(jī)碳等則屬于穩(wěn)定性碳庫(kù)。

通過(guò)密度、粒徑等物理方法獲取的活性碳組分費(fèi)用較低、耗時(shí)較長(zhǎng)，若提取過(guò)程采用密度分組方法則會(huì)提高成本；利用鹽酸或硫酸水解(化學(xué)方法)提取的活性碳組分及穩(wěn)定性碳組分能否準(zhǔn)確表征微生物對(duì)土壤有機(jī)碳利用的難易程度依然存在爭(zhēng)議[13-14]；借助室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)(生物分組方法)得到可礦化碳組分可有效表征活性碳庫(kù)，但實(shí)驗(yàn)耗時(shí)較長(zhǎng)。綜上所述，目前關(guān)于土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性測(cè)定方法中主要存在兩方面問(wèn)題：(1)多個(gè)指標(biāo)均可表征土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性，導(dǎo)致評(píng)價(jià)體系不統(tǒng)一，研究結(jié)論缺乏可比性[15]；(2)活性及穩(wěn)定性組分測(cè)定方法存在耗時(shí)長(zhǎng)、費(fèi)用高或操作過(guò)程繁瑣的弊端。因此，上述方法限制了大尺度范圍內(nèi)土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性的監(jiān)測(cè)，目前急需一種成本低、效率高且可信度高的土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性測(cè)定方法來(lái)彌補(bǔ)現(xiàn)有不足[16]。

1 土壤有機(jī)碳研究的熱分解技術(shù)及優(yōu)缺點(diǎn)

熱分解方法是一種通過(guò)溫度升高過(guò)程中探測(cè)有機(jī)碳組分變化來(lái)表征土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性的技術(shù)[17-18]。研究顯示，在熱分解過(guò)程中土壤有機(jī)碳化學(xué)鍵斷裂釋放的能量，可模擬土壤微生物在降解土壤有機(jī)碳時(shí)需要的能量[19-20]，進(jìn)而有效表征土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性。

當(dāng)前，土壤有機(jī)碳研究中應(yīng)用范圍較廣的熱分解方法主要有熱裂解氣相-質(zhì)譜聯(lián)用測(cè)定技術(shù)(Py-GC/MS)、熱重分析技術(shù)(Thermogravimetry)、差示掃描量熱分析技術(shù)(Differential Scanning Calorimetry)[21]以及Rock-Eval(RE)熱分解技術(shù)[22-23]。Py-GC/MS技術(shù)主要根據(jù)熱分解過(guò)程中釋放的大量以植物為主要來(lái)源的聚合物(木質(zhì)素、蠟和生物聚酯等)[24]，可以有效獲得復(fù)雜有機(jī)混合物的結(jié)構(gòu)信息[25]。該方法最早被應(yīng)用于黑炭的研究中，常與固體交叉極化魔角自旋13C核磁共振技術(shù)(13C-NMR)聯(lián)用，提供互補(bǔ)信息以反映土壤有機(jī)碳化學(xué)結(jié)構(gòu)[26]。然而，該技術(shù)的弊端在于高溫加熱下仍存在未分解的有機(jī)碳組分，因此，Py-GC/MS技術(shù)難以全面表征土壤有機(jī)碳的化學(xué)結(jié)構(gòu)。熱重分析技術(shù)則是以氧氣(20%)和氮?dú)?80%)混合為介質(zhì)(20 mL·min-1)，在加熱過(guò)程中測(cè)定物質(zhì)質(zhì)量及其相應(yīng)溫度，用以定量計(jì)算物質(zhì)成分，其原理與灼燒法類(lèi)似[27]。差示掃描量熱分析技術(shù)是在控制溫度的條件下，以氦氣為載氣，根據(jù)土壤樣品發(fā)生物理或化學(xué)變化時(shí)的能量改變(吸收或釋放)得到其差示掃描量熱分析曲線，并根據(jù)吸(放)熱峰出現(xiàn)的溫度、峰高和峰面積定量表征熱焓的動(dòng)態(tài)變化及相關(guān)特征[28]。熱重分析和差示掃描量熱技術(shù)分別反映樣品在熱反應(yīng)過(guò)程中的質(zhì)量和能量變化，可以定量計(jì)算土壤有機(jī)碳的組成成分。但二者均是在有氧條件下獲取的土壤有機(jī)碳相關(guān)信息，其中含氧化合物有可能是加熱過(guò)程中產(chǎn)生的新物質(zhì)，并不存在于原位土壤中，降低了結(jié)果的可信度。相比較而言，RE熱分解技術(shù)分為兩個(gè)階段，其中熱解階段在非氧氣條件下利用升溫進(jìn)行土壤有機(jī)碳各組分測(cè)定，更好的模擬微生物在分解土壤有機(jī)碳時(shí)所需的能量[29]，較為準(zhǔn)確地表征土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性[16]。由此近年來(lái)，RE熱分解技術(shù)在國(guó)際上被較為廣泛地應(yīng)用在土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性的測(cè)定中[30-31]，但由于對(duì)該技術(shù)認(rèn)知有限，目前在國(guó)內(nèi)土壤學(xué)研究領(lǐng)域還未得到廣泛應(yīng)用。因此，本文著重于介紹RE技術(shù)的測(cè)定方法及相關(guān)指標(biāo)，借助相關(guān)文獻(xiàn)分析軟件全面梳理該技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用情況，以期助推該方法在土壤學(xué)研究中的應(yīng)用。

2 Rock-Eval熱分解技術(shù)測(cè)定方法

稱(chēng)取風(fēng)干土壤樣品70 mg，磨碎后過(guò)250 mm篩后，直接放入相關(guān)儀器用于RE熱分解方法的測(cè)定。測(cè)定過(guò)程主要分為兩個(gè)階段：熱解階段和和燃燒階段。(a)熱解階段：將土壤樣品放置于升溫速率為25 ℃·min-1的加熱裝置(純氮?dú)猸h(huán)境)，利用火焰離子化檢測(cè)器(Flame ionization detector，F(xiàn)ID)探測(cè)該階段有機(jī)分子揮發(fā)釋放的烴類(lèi)化合物(Hydrocarbon，HC)，初始恒溫階段(300 ℃)產(chǎn)生的HC為S1組分(圖1)，S2組分為300～650 ℃間釋放的HC[32]。與此同時(shí)，通過(guò)紅外探測(cè)器(Infrared detector，IR)測(cè)量該階段(500 ℃以下，包括恒溫階段)含氧官能團(tuán)所產(chǎn)生的CO和CO2氣體，即為S3組分。(b)燃燒階段：將經(jīng)過(guò)熱解階段后的樣品冷卻并移至燃燒爐(純氧環(huán)境)，從300 ℃加熱至850 ℃并進(jìn)行燃燒。使用IR檢測(cè)器測(cè)定燃燒過(guò)程中約至700 ℃時(shí)釋放的CO和CO2氣體，定義為S4組分，其余碳酸鹽礦物(方解石或白云石)在約700 ℃的較高溫度下分解，該溫度在氧化階段檢測(cè)到并測(cè)量為S5，一般S5組分在土壤有機(jī)碳的測(cè)定中不參與討論。RE方法具體流程圖參見(jiàn)圖1。

圖1 Rock-Eval 熱分解法流程圖[29]Fig.1 Flow diagram showing soil sample analyzed in Rock-Eval pyrolysis[29]

3 Rock-Eval 熱分解技術(shù)參數(shù)計(jì)算

TOC為各組分釋放的C的總量(HC、CO、CO2)，根據(jù)不同階段的釋放碳量及其相應(yīng)的溫度，可表征土壤有機(jī)碳活性及穩(wěn)定性組分。其中，T50_HC_PYR(℃)代表在熱解階段(S2)釋放的富氫化合物達(dá)到該部分總富氫化合物釋放值50%時(shí)的溫度，可表征土壤有機(jī)碳的活性碳庫(kù)組分[33]，其平均存留時(shí)間在20年左右[16]。T50_CO2_OX(℃)代表在氧化階段(S4)釋放的CO2達(dá)到該部分總釋放值50%時(shí)的溫度，用來(lái)表征穩(wěn)定性碳庫(kù)，其平均存留時(shí)間在50～100年[20]。除表征土壤活性及惰性碳庫(kù)外，其他指標(biāo)也可表征土壤有機(jī)碳相關(guān)特征。其中，TMAX(℃)代表在熱解階段(S2)釋放的富氫化合物達(dá)到峰值時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度，TMAX的大小與土壤有機(jī)碳的類(lèi)型有關(guān)[34]，反映了有機(jī)分子或C礦物鍵的C鍵能量，可作為指示土壤有機(jī)碳成熟度的指標(biāo)[35]。HI表示在土壤有機(jī)碳中富氫化合物的相對(duì)含量[mg(HC)·g-1TOC]，計(jì)算方法如下(1)：

HI=S2/TOC

(1)

HI主要表示在土壤有機(jī)碳中富氫化合物的相對(duì)含量[16]，例如烷基碳(脂質(zhì))及含氧烷基碳(纖維素)等化合物[36]。根據(jù)已有的研究表明，HI值在不同的土地利用類(lèi)型中存在差異，森林土壤[36]、草地[23]以及農(nóng)田[37]的閾值分別為270～450 mg·kg-1、170～320 mg·kg-1和100～160 mg·kg-1。在相同土地利用類(lèi)型中，不同的土壤質(zhì)地其HI值也有所不同，表現(xiàn)為粘粒少或者砂粒多的土壤中HI值較高[23]。OICO表示在土壤有機(jī)碳在S3階段釋放的CO相對(duì)含量[mg(CO)·g-1TOC]，OICO2表示在土壤有機(jī)碳在S3階段釋放的CO2相對(duì)含量[mg(CO2)·g-1TOC]，OIRE6表示在土壤有機(jī)碳在S3階段釋放的O2相對(duì)含量[mg(O2)·g-1TOC]，分別按照以下公式(2、3、4)計(jì)算，該指標(biāo)描述了土壤有機(jī)碳的相對(duì)氧化狀態(tài)，隨著土層深度的增加而升高[38]。

OICO=S3CO/TOC

(2)

OICO2=S3CO2/TOC

(3)

OIRE6=(OICO×16/28)+(OICO2×32/44)

(4)

4 Rock-Eval熱分解方法在土壤學(xué)和有機(jī)碳研究中的應(yīng)用現(xiàn)狀

基于中國(guó)知網(wǎng)和 ISI Web of Science數(shù)據(jù)庫(kù)核心集進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，檢索時(shí)間為2020年7月19日。中國(guó)知網(wǎng)以“rock eval”和“土壤”為主題，文獻(xiàn)類(lèi)型為“期刊”，無(wú)時(shí)間范圍設(shè)定，經(jīng)檢索后無(wú)相關(guān)文獻(xiàn)。在ISI Web of Science數(shù)據(jù)庫(kù)核心集中以“rock eval”和“soil”為主題，文獻(xiàn)類(lèi)型為“Article”，無(wú)時(shí)間范圍設(shè)定，經(jīng)檢索后共獲取109篇文獻(xiàn)(圖2)，采用Citespace軟件進(jìn)行分析。相關(guān)文獻(xiàn)可視化分析軟件較多，除Citspace外還有HistCite和RefViz等[39]，但不同軟件各有優(yōu)勢(shì)[40]，Citespace軟件以其強(qiáng)大的文獻(xiàn)共引分析而知名，對(duì)特定研究領(lǐng)域發(fā)展與應(yīng)用的認(rèn)知中發(fā)揮著重要作用，已被廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)科學(xué)、信息科學(xué)、醫(yī)學(xué)等多個(gè)研究領(lǐng)域[41]。

圖2 檢索文獻(xiàn)在不同年份的發(fā)表數(shù)量Fig.2 Numbers of published literatures in different years

本研究將檢索得到的數(shù)據(jù)命名為可識(shí)別文件名download_rock-eval并導(dǎo)入Citespace ，時(shí)間段(TimeSlicing)設(shè)定為1994-2020年，時(shí)間跨度(YearPer Slice)為1年，節(jié)點(diǎn)類(lèi)型(Node Types)依次選擇國(guó)家(Country)、關(guān)鍵詞(Keyword)、學(xué)科(Category)和被引雜志(Cited journal)，年被引頻次排名(Top N)為50，其他參數(shù)保持默認(rèn)。分別生成合作網(wǎng)絡(luò)、共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、共被引圖譜，圖譜根據(jù)需要調(diào)整閾值(Threshold)并進(jìn)行基本特征分析。

根據(jù)發(fā)表文章總量的統(tǒng)計(jì)圖(圖2)可知，RE方法在土壤領(lǐng)域的應(yīng)用始于1994年，自2002年后開(kāi)始發(fā)展，但發(fā)表文章數(shù)量并無(wú)激增情況，近5年發(fā)文數(shù)量較之前有明顯上升。在已有發(fā)表的文獻(xiàn)中，根據(jù)其學(xué)科共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)圖(圖3a)顯示，主要研究領(lǐng)域集中于土壤科學(xué)(Soil Science)、環(huán)境生態(tài)科學(xué)(Enviromental Sciences and Ecology)、農(nóng)業(yè)(Agriculture)以及地理科學(xué)(Geosciences)方面。關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)較為復(fù)雜(圖3b)，根據(jù)調(diào)整閾值提取了出現(xiàn)頻次較高的關(guān)鍵詞，分別為“土壤有機(jī)質(zhì)(soil organic matter)”、“有機(jī)碳(organic carbon)”、“動(dòng)態(tài)變化(dynamics)”等，表明現(xiàn)有研究側(cè)重于對(duì)土壤有機(jī)碳可礦化性的探尋，即其穩(wěn)定性的測(cè)定。在RE方法的應(yīng)用國(guó)家中，法國(guó)(France)占有絕對(duì)主導(dǎo)地位(圖3c)，其次為瑞士(Switzerland)、德國(guó)(Germany)、英國(guó)(England)、美國(guó)(USA)以及加拿大(Canada)等。已發(fā)表文獻(xiàn)的被引期刊均為綜合學(xué)科、土壤學(xué)、環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域?qū)W術(shù)水平較高的國(guó)際權(quán)威期刊(圖3d)，例如《Nature》《Science》《Soil Biology and Biochemistry》《Geoderma》及《Science Total of Environment》等。

注：節(jié)點(diǎn)的大小代表出現(xiàn)頻次的高低；節(jié)點(diǎn)越大出現(xiàn)頻次越高；節(jié)點(diǎn)間連線粗細(xì)代表二者間共現(xiàn)或者共被引強(qiáng)度高低。Note:The size of nodes represents the frequency of occurrence.The larger the node,the higher the frequency of occurrence.The thickness of the line between nodes represents the intensity of co-occurrence or co-citation between them.圖3 (a)學(xué)科共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、(b)關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、(c)國(guó)家合作網(wǎng)絡(luò)、(d)被引雜志共被引圖譜特征Fig.3 The spectral feature of(a) Category co-occurring,(b) Keyword co-occurring,(c) Country cooperation and (d) Cited journal co-citation

5 RE方法在土壤有機(jī)碳領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展

利用RE方法對(duì)來(lái)自不同緯度、不同生態(tài)系統(tǒng)及不同土層的約100個(gè)土壤樣品進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果證明該方法可以為進(jìn)一步認(rèn)知土壤有機(jī)碳的形成提供重要信息[23]。同時(shí)RE方法可以與其他土壤有機(jī)碳測(cè)定技術(shù)相結(jié)合，已有文獻(xiàn)報(bào)道表明，紅外光譜[42]、13C核磁共振技術(shù)[43]、土壤物理分組[36]以及通過(guò)化學(xué)氧化劑測(cè)定土壤有機(jī)碳組分的方法[31]與RE方法獲得的土壤有機(jī)碳組分可建立較好的關(guān)系或互相印證。已有研究利用RE與紅外光譜聯(lián)合測(cè)定了溫帶沼澤地區(qū)的土壤有機(jī)質(zhì)，指出黑碳是大分子土壤有機(jī)碳結(jié)構(gòu)中的重要組成[42]。將RE與核磁共振方法對(duì)土壤有機(jī)碳進(jìn)行了測(cè)定，詳細(xì)闡述了RE各個(gè)組分與土壤有機(jī)碳各官能團(tuán)的關(guān)系，并進(jìn)一步證明了RE在土壤有機(jī)碳測(cè)定中的有效性[43]。同時(shí)，RE測(cè)定結(jié)果與培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中土壤可礦化碳的數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析[29]，結(jié)果表明RE與穩(wěn)定性存在顯著相關(guān)關(guān)系，但是由于土地類(lèi)型的差異對(duì)土壤有機(jī)碳組分存在影響，因此該結(jié)果仍需要在更多不同類(lèi)型土壤中進(jìn)行驗(yàn)證[44]。綜合來(lái)看，RE方法具有以下兩點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：一是該方法中樣品不需要前處理，可以保證土壤有機(jī)碳信息的可靠性；二是該方法在熱解階段通過(guò)升溫導(dǎo)致化學(xué)鍵斷裂的過(guò)程，可以較好地模擬微生物產(chǎn)生酶進(jìn)而利用土壤有機(jī)碳的過(guò)程。今后的研究中我們可以利用RE方法來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)礦化培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)來(lái)表征土壤穩(wěn)定性，從而節(jié)省大量時(shí)間，為我國(guó)較大區(qū)域進(jìn)行土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性研究提供了便捷手段。

6 展 望

目前，土壤學(xué)研究中大尺度、高精度的土壤樣品中有機(jī)碳的原位測(cè)定方法鮮有報(bào)道，亟待加強(qiáng)[11]。關(guān)于土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性表征系統(tǒng)中，現(xiàn)有測(cè)定方法不統(tǒng)一，導(dǎo)致研究結(jié)果間缺乏可比性。而RE熱分解方法作為土壤學(xué)領(lǐng)域興起的研究方法，其表征土壤有機(jī)碳生物穩(wěn)定性的有效性已經(jīng)在國(guó)際上被證明，相關(guān)成果均發(fā)表于國(guó)際高水平期刊上。與傳統(tǒng)的室內(nèi)礦化實(shí)驗(yàn)以及物理化學(xué)提取碳庫(kù)方法相比，該方法具有不破壞土壤樣品、操作易行、耗時(shí)較少以及后期結(jié)果易于處理等優(yōu)點(diǎn)，也可以避免培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中的測(cè)定誤差，更有利于在不同土壤類(lèi)型及土壤質(zhì)地中進(jìn)行對(duì)比?，F(xiàn)今，由于國(guó)內(nèi)對(duì)該技術(shù)的認(rèn)知限制，并無(wú)RE方法在土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性研究方面的應(yīng)用。建議在土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性研究，尤其是未來(lái)大尺度土壤有機(jī)碳監(jiān)測(cè)中采用RE方法進(jìn)行測(cè)定，并建立不同土地利用方式、氣候類(lèi)型以及不同土壤質(zhì)地間土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性的相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)，形成比較網(wǎng)絡(luò)及研究體系，完善我國(guó)土壤有機(jī)碳監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。