謝彥海,陳翰博,高玉蓉,陸扣萍,王海龍
(1.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 食品科學(xué)與工程學(xué)院,廣東 佛山 528225;2.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院,廣東 佛山 528000;3.浙江農(nóng)林大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院/碳中和學(xué)院,浙江 杭州 311300)
生物炭還田是實(shí)現(xiàn)農(nóng)田土壤固碳的有效措施。生物炭施入土壤后,大部分芳香性碳在土壤中極為穩(wěn)定,但仍有少部分不穩(wěn)定碳如脂肪族碳、氧化態(tài)碳會(huì)迅速礦化[1]。目前生物炭的穩(wěn)定碳匯貢獻(xiàn)尚未得到有效核定,對(duì)農(nóng)田土壤中生物炭的定量方法研究仍處于起步階段。在大田土壤中,通過測(cè)定生物炭在土壤中的殘留量可直觀地反映其固碳效果,對(duì)研究其穩(wěn)定性、空間遷移規(guī)律和對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的影響具有重要意義。廣義上,生物炭屬于黑炭類物質(zhì)的一種,因此本文基于土壤中黑炭的定量方法,綜述了現(xiàn)有的適用于生物炭的4 大類定量方法,包括熱氧化法、化學(xué)氧化法、苯多羧酸分子標(biāo)記法和光學(xué)法,如圖1 所示,并比較了各種定量方法的優(yōu)缺點(diǎn),旨在為研究者快速準(zhǔn)確地選擇生物炭定量方法提供一定的技術(shù)參考。
圖1 土壤生物炭定量方法
如圖2 所示,熱氧化法主要包括燒失法、熱重-差示掃描量熱法、化學(xué)熱氧化法和加氫熱解法。該類方法利用生物炭與非生物炭有機(jī)碳、無機(jī)碳在熱穩(wěn)定性方面的差異進(jìn)行定量[2-3]。主要有兩種形式:一是將包含生物炭在內(nèi)的所有碳質(zhì)材料熱氧化,通過損失重量來推測(cè)生物炭在土壤中的含量。二是把所有非生物炭的有機(jī)碳熱氧化,而使大部分生物炭得以保留,最后進(jìn)行碳元素分析[4]。
圖2 熱氧化法
燒失法最初用于測(cè)試土壤有機(jī)質(zhì),KOIDE 等[5]將其改進(jìn)用于土壤生物炭定量,該方法使用帶有控溫系統(tǒng)的馬弗爐加熱純生物炭、純土壤和生物炭及土壤混合物,將3 類樣品中的所有有機(jī)和無機(jī)碳全部熱氧化,通過氧化前后的質(zhì)量損失來估算生物炭含量(純生物炭燒失量=生物炭及土壤混合燒失量-純土壤燒失量)[5-6],純生物炭與純土壤燒失量可以在生物炭施入土壤前分別測(cè)得,或施入后從土壤中分離兩者進(jìn)行測(cè)試[7]。熱重-差示掃描量熱法通過識(shí)別熱氧化過程中各類物質(zhì)在質(zhì)量和熱流量上的差異來區(qū)分土壤中不同組分。其中,熱重分析儀可記錄各溫度段下的不同組分的質(zhì)量損失[3],而差示掃描量熱儀能夠識(shí)別加熱時(shí)生物炭產(chǎn)生的特殊放熱峰,且峰的相對(duì)高度即熱流量與樣品中的生物炭含量呈顯著線性正相關(guān)關(guān)系[8],結(jié)合熱重特征和放熱峰曲線可以較為精確地區(qū)分生物炭和土壤有機(jī)碳,并推導(dǎo)出其含量[9-10]?;瘜W(xué)熱氧化法實(shí)質(zhì)是化學(xué)氧化法與熱氧化法的聯(lián)用,但以熱氧化為主,其中Chemical Thermal Oxidation-375 是第1 個(gè)廣泛應(yīng)用于土壤中黑炭量化的化學(xué)熱氧化法[11],CTO-375 一般在285~375℃有氧條件下進(jìn)行2~24 h 的熱氧化處理以除去土壤中非生物炭的有機(jī)碳,隨后采用鹽酸等弱酸原位去除土壤無機(jī)礦物,最終殘余物被收集用于全碳分析[12]。加氫熱解法是在高壓氫氣環(huán)境下,輔以硫化鉬催化劑進(jìn)行慢速熱解,將不穩(wěn)定有機(jī)碳完全分解,并使用元素分析儀對(duì)最后殘留物進(jìn)行總碳定量[13]。
化學(xué)氧化法利用土壤中各組分的不同化學(xué)穩(wěn)定性,使用化學(xué)氧化劑去除土壤中的非生物炭組分[2],如圖3 所示,主要包括3 個(gè)步驟:無機(jī)礦物去除、有機(jī)碳氧化和碳元素測(cè)定。根據(jù)使用氧化試劑的不同,化學(xué)氧化法還可分為:重鉻酸鉀法、過氧化氫法、硝酸法和次氯酸鈉法。
圖3 化學(xué)氧化法
重鉻酸鉀法由LIM、CACHIER[14]和SONG 等[15]最先用于檢測(cè)土壤和沉積物中的黑炭,其與測(cè)定傳統(tǒng)土壤有機(jī)質(zhì)的重鉻酸鉀外加熱法不同的是,該方法在去除礦質(zhì)后,使用更低濃度的重鉻酸鉀-硫酸混合溶液和更溫和的加熱條件,僅將非生物炭有機(jī)碳氧化,最后對(duì)干燥的氧化殘余物進(jìn)行碳元素分析或13C 核磁共振測(cè)定[15-17]。過氧化氫是去除土壤有機(jī)碳的有效氧化劑,也常用于生物炭穩(wěn)定性測(cè)試,但在生物炭定量中難以去除芳香縮合度較高的干擾物質(zhì)[18-19]。硝酸法由KURTH 等[20]提出后經(jīng)MAESTRINI and MIESEL[21]改進(jìn)完善,其采用弱硝酸氧化土壤中的非生物炭有機(jī)碳,但未得到廣泛應(yīng)用。次氯酸鈉法使用次氯酸鈉與醋酸混合溶液氧化有機(jī)碳,用超純水洗去鹽分,最后通過元素分析或13C 核磁共振測(cè)定生物炭含量[22]。
苯多羧酸(Benzene Poly-Carboxylic Acids,BPCAs)分子標(biāo)記法最初由GLASER 等[23]開發(fā),用于土壤與沉積物中黑炭的量化,該技術(shù)已得到廣泛使用并逐步改進(jìn)完善[24-25]。該方法利用硝酸在高溫高壓條件下將含生物炭土壤中所有有機(jī)碳消解,隨著生物炭稠環(huán)芳烴的裂解,與不同個(gè)數(shù)的羧酸基團(tuán)結(jié)合氧化形成BPCAs 分子,BPCAs 分子的特殊結(jié)構(gòu)可作為量化生物炭的分子標(biāo)記物[23-24]。與越多的羧基結(jié)合,苯多羧酸分子結(jié)構(gòu)越復(fù)雜,芳香縮合度越高,則其標(biāo)記的可靠性也相應(yīng)提升。
如圖4 所示,根據(jù)最終檢測(cè)方式的不同,分子標(biāo)記法可分為氣相色譜法、液相色譜法和元素分析法3 種。氣相色譜法主要包括5 個(gè)步驟:酸消解、氧化、凈化、衍生化以及氣相色譜儀與火焰離子化檢測(cè)器連用(Gas chromatography-Flame ionization detector)測(cè)定BPCAs 含量[23,26-27]。生物炭并不能被完全氧化為BPCAs 分子,尤其是制備溫度較高(>800℃)的生物炭,因此BPCAs 總量需乘以轉(zhuǎn)換系數(shù)2.27 得到生物炭含量[12]。在氣相色譜法的基礎(chǔ)上,DITTMAR[28]開發(fā)了一種利用高效液相色譜儀與二極管陣列檢測(cè)器相結(jié)合(High-performance Liquid Chromatography-diode Array Detection)的分析技術(shù),該技術(shù)多被用于海洋中溶解性黑炭的定量。其省略了氣相色譜法耗時(shí)的衍生化和各種清洗過程,降低了人工處理帶來的誤差,被證明是一種更準(zhǔn)確、更快速的生物炭定量方法[27,29],近年來該方法也被用于土壤中黑炭的定量[30-31]。盡管氣相色譜法和液相色譜法的回收率相對(duì)較高、變異系數(shù)較小,但該類方法需昂貴且專業(yè)的儀器和耗時(shí)繁瑣的操作步驟,不適于常規(guī)分析大量土壤樣品。因此,KOSCHKE 等[32]和LLORENTE 等[33]提出了一種改進(jìn)的快速元素分析法,即在硝酸氧化和酸洗后,直接使用元素分析儀測(cè)量殘留物的碳含量,并乘以轉(zhuǎn)換系數(shù),其中氧化前后樣品的質(zhì)量對(duì)于定量至關(guān)重要。
圖4 苯多羧酸分子標(biāo)記法
光學(xué)技術(shù)常用于生物炭形態(tài)的表征,基于生物炭與土壤各組分間不同的光學(xué)性質(zhì),如光譜特征、吸光性和透光性等,也能估算生物炭在土壤中所占比例。光學(xué)法主要包括中紅外光譜法、13C 核磁共振法、顯微鏡法和熱光學(xué)反射法/透射法。
中紅外光譜法已被廣泛用于測(cè)定土壤有機(jī)碳和其他土壤特性的表征[34],該方法通過檢測(cè)芳香鍵并結(jié)合偏最小二乘回歸(Partial Least Squares Regression)的多元數(shù)據(jù)分析技術(shù)來預(yù)測(cè)生物炭含量,然而這多適用于半定量研究[4,35-36]。固態(tài)13C 核磁共振技術(shù)可在分子尺度上識(shí)別不同碳源官能團(tuán)的相對(duì)比例,核磁共振信號(hào)的峰值強(qiáng)度與各種碳源的化學(xué)位移呈正相關(guān)關(guān)系,因此可以提供有關(guān)生物炭芳香結(jié)構(gòu)的定量信息[37],但核磁共振多與化學(xué)氧化法相結(jié)合[22,38]。顯微鏡法應(yīng)用于土壤樣品中生物炭顆粒的計(jì)數(shù)和分布估算,需根據(jù)其粒度選擇適宜的顯微鏡,如光學(xué)、掃描電子或透射電子顯微鏡,并借助網(wǎng)格計(jì)數(shù)托盤進(jìn)行觀察,最后通過相對(duì)面積推斷生物炭在土壤中的分布情況[39-40]。熱光學(xué)反射法/透射法通過監(jiān)測(cè)加熱過程中濾光片上樣品的反射率或透射率,獲得土壤有機(jī)碳和生物炭的吸光特性,最初被廣泛用于大氣氣溶膠中碳含量的測(cè)定[41],HAN 等[42]將其應(yīng)用于土壤或沉積物中生物炭的測(cè)定,該方法先在純氦氣氛圍下持續(xù)升溫將非生物炭有機(jī)碳熱解,剩余穩(wěn)定的黑炭組分在2%氧氣與98%氦氣氛圍中,550℃、700℃和800℃溫度下也被分解,最后均被還原為甲烷并通過火焰離子檢測(cè)器測(cè)定,同時(shí)獲得所有碳組分裂解時(shí)的反射率和透射率。
土壤中干擾定量的物質(zhì)主要包括傳統(tǒng)的土壤有機(jī)質(zhì)如動(dòng)植物殘?bào)w及其降解產(chǎn)物腐殖質(zhì)、非生物炭耐火性有機(jī)物和土壤礦物等[43-44]。這些含碳物質(zhì)、無機(jī)礦物的成因雖與熱解碳不同,但具有相似的結(jié)構(gòu)和特性,例如高含碳量、高芳香性、低明度等[45],這類物質(zhì)的存在會(huì)造成生物炭含量的高估。同時(shí),在排除干擾物質(zhì)的過程中,過度氧化可能也會(huì)造成生物炭損失而引起低估。
在涉及熱氧化的方法中,部分動(dòng)植物殘?bào)w等有機(jī)質(zhì)在升溫過程中炭化,形成新的炭化產(chǎn)物是造成生物炭含量高估的因素之一[2,22]。木質(zhì)纖維素、半纖維素等植物分解底物結(jié)構(gòu)復(fù)雜,具有疏水性和芳香性[46],降解過程緩慢,是土壤中相對(duì)穩(wěn)定的有機(jī)碳。腐殖物質(zhì)占據(jù)土壤有機(jī)質(zhì)80%以上,包括富里酸、胡敏酸和胡敏素,這些腐殖質(zhì)包含大量芳香成分[47-49]。若去除不完全,易被視為生物炭組分。
自然界中的非生物炭耐火性有機(jī)物包括類黑素、頁(yè)巖(干酪根)和煤炭等。類黑素是美拉德反應(yīng)形成的一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜、耐降解的高分子聚合物,由碳水化合物與氨基化合物如氨基酸、蛋白質(zhì)等在加熱條件下通過縮合作用形成[45]。類黑素與天然有機(jī)質(zhì)具有相似的化學(xué)成分,極易在有機(jī)質(zhì)加熱過程中形成,具有較高的芳香度,易被視為生物炭組分,對(duì)涉及熱氧化的定量方法影響較大。頁(yè)巖是一種在世界范圍內(nèi)廣泛分布的沉積巖,其中碳質(zhì)頁(yè)巖、黑頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)含量較高,在經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的風(fēng)化、搬運(yùn)作用后成為土壤的一部分[50],頁(yè)巖中的干酪根是其有機(jī)碳的主要成分,是一種分散在沉積巖中的難溶性大分子有機(jī)質(zhì),與礦物緊密結(jié)合,具有良好的生物化學(xué)穩(wěn)定性和一定的芳香性,與生物炭等黑炭類物質(zhì)有類似的特性[45,47,51]。煤炭天然存在于較深的地層和少數(shù)地表土壤中[52],與干酪根類似,包含的地質(zhì)成因有機(jī)碳也具有高碳含量、芳香性結(jié)構(gòu)、高芳香縮合度等特點(diǎn),在顏色、H/C、O/C 以及NMR 圖譜等方面,煤炭,尤其是煙煤和褐煤,與富含黑炭的材料非常相似[45,47]。在許多臨近工業(yè)生產(chǎn)、煤礦開采復(fù)墾的農(nóng)田土壤環(huán)境中,土壤中可能存在的煤炭顆粒會(huì)影響生物炭的定量。對(duì)于靠近城市道路的農(nóng)田土壤,煤焦瀝青路面磨損后形成的瀝青和煤焦油顆粒容易被風(fēng)、地表徑流等帶入土中,也會(huì)引起生物炭估量的偏差[53]。
多數(shù)定量方法對(duì)土壤無機(jī)礦物都較為敏感,尤其是土壤碳酸鹽和硅酸鹽[54-55]。碳酸鹽是碳酸根與金屬離子結(jié)合的鹽類,是土壤無機(jī)碳的主要成分,土壤中的碳酸鹽會(huì)被錯(cuò)誤地識(shí)別為生物炭,與碳酸根結(jié)合的金屬離子如Ca2+、Mg2+、Fe2+也會(huì)給定量帶來一定誤差。土壤有機(jī)質(zhì)易與硅氧四面體結(jié)合形成包裹有機(jī)物的有機(jī)-礦物復(fù)合體,在這種礦物的保護(hù)下,硅酸鹽礦物夾層中包裹的有機(jī)物抗氧化性能增強(qiáng),這不利于土壤有機(jī)碳的去除[56-57]。
如表1 所示,熱氧化法、化學(xué)氧化法、苯多羧酸分子標(biāo)記法、光學(xué)法這4 大類定量方法優(yōu)缺點(diǎn)各異,可根據(jù)生物炭性質(zhì)、具體環(huán)境介質(zhì)特點(diǎn)和現(xiàn)有試驗(yàn)條件進(jìn)行選擇或聯(lián)用。
表1 不同定量方法優(yōu)缺點(diǎn)
燒失法對(duì)儀器和試劑等試驗(yàn)條件要求最低,僅需馬弗爐和電子天平,操作步驟簡(jiǎn)單,測(cè)試回收率的斜率接近1(0.960)[5-6]。但燒失法的局限性是需獲得純土壤和純生物炭樣品的燒失率,這意味著要分離土壤和一定數(shù)量的生物炭,這在耕作后的農(nóng)田土壤中難以實(shí)現(xiàn),雖有研究表明生物炭的燒失率并不會(huì)隨著其在土壤中的老化而發(fā)生改變[5],但在不同土壤環(huán)境、氣候條件、甚至更長(zhǎng)的自然老化時(shí)間下,不同原材料和熱解條件制備的生物炭的燒失率能否維持不變有待進(jìn)一步驗(yàn)證。最后,必須確保燒失法的熱解溫度足以熱降解所有生物炭,這與生物炭自身熱穩(wěn)定性相關(guān)。熱重-差示量熱掃描法土樣需求量少,具有快速、操作簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn),但在熱解過程中,部分物質(zhì)會(huì)轉(zhuǎn)化為氣體逸出,回收率一般較低于實(shí)際值,需輔以校正系數(shù)[9];其次,不同物質(zhì)放熱峰信號(hào)的重疊也會(huì)影響定量[8]。加氫熱解雖然解決了熱氧化法中有機(jī)質(zhì)碳化這一問題,大約87.8%的黑炭能夠在加氫熱解中得以保留[60],但復(fù)雜的加氫熱解裝置阻礙了其推廣應(yīng)用?;瘜W(xué)熱氧化法操作過程簡(jiǎn)單,受外界影響小,平均回收率在26~86%之間,但多適用于高芳香縮合度的生物炭,如在熱氧化過程中沒有充足的氧氣,極易形成新炭化的有機(jī)質(zhì)干擾定量,此外,該方法可能會(huì)過度氧化低溫制備的生物炭[2,61-62]?;瘜W(xué)氧化法對(duì)實(shí)驗(yàn)條件要求較低,受環(huán)境干擾物質(zhì)影響小,測(cè)定工具簡(jiǎn)單,成本較低,回收率能達(dá)約82%[38],但多次提取轉(zhuǎn)移和清洗過程可能會(huì)損失生物炭顆粒而導(dǎo)致低估。此外,化學(xué)氧化法周期過長(zhǎng),操作耗時(shí),當(dāng)測(cè)試大量土壤樣品時(shí)工作量較大。經(jīng)研究證實(shí),重鉻酸鉀與硫酸混合溶液和其他氧化劑相比,對(duì)生物炭的消耗最小,同時(shí)能氧化大部分非生物炭有機(jī)碳[47]。盡管如此,生物炭也并不能完全耐受重鉻酸鉀的氧化,大概有80%的生物炭能夠在氧化中得以保存[20,63],為了避免過度氧化,試劑濃度、氧化溫度和氧化時(shí)間還能根據(jù)生物炭自身穩(wěn)定性進(jìn)行調(diào)整。相比于其他方法,苯多羧酸(BPCAs)分子標(biāo)記法有著更高的回收率,可達(dá)90%以上[23-24],同時(shí)能夠提供生物炭芳香縮合度等特征信息[64]。其中液相色譜法比氣相色譜法穩(wěn)定性更好,相對(duì)于氣相色譜法(變異系數(shù)16~23%),液相色譜法有著更小的變異系數(shù)(<5%)和更高的BPCAs 分子產(chǎn)量。然而,該方法步驟復(fù)雜、預(yù)處理繁瑣,需要特殊設(shè)備和精密儀器。此外,其他干擾物質(zhì)如腐殖酸、干酪根和煤炭等也可能在氧化中形成小部分BPCAs 分子而導(dǎo)致高估[65],元素分析法雖然便捷,但并未得到廣泛應(yīng)用,仍需大量研究支撐其可行性。顯微鏡法可直觀地觀察到生物炭的形態(tài)(粒度、表面特征和顆粒分布),但網(wǎng)格計(jì)數(shù)對(duì)于定量大面積土壤中生物炭的分布十分局限,量化結(jié)果變異性較大。熱光學(xué)反射法/透射法是變異性最小的定量方法[62],但此方法難以區(qū)分土壤中生物炭和類黑素、煤炭物質(zhì),且樣品的明亮度和均勻性也會(huì)對(duì)該方法造成干擾。中紅外光譜法結(jié)合偏最小二乘回歸分析具有經(jīng)濟(jì)快速、不破壞土壤樣品的優(yōu)點(diǎn),但需要大量的數(shù)據(jù)支撐。核磁共振法一般與化學(xué)氧化法聯(lián)用,成本較高且無法單獨(dú)區(qū)分生物炭成分。
目前,生物炭已普遍用于土壤固碳、土壤改良等領(lǐng)域,但專門用于土壤生物炭的定量方法極少。從實(shí)際角度出發(fā),找到精確、便捷并適于常規(guī)分析的定量方法將有助于生物炭的應(yīng)用推廣,對(duì)更深入地研究生物炭與土壤系統(tǒng)的相互作用也具有重要意義。根據(jù)目前研究發(fā)展情況,提出以下看法和建議:
(1)在4 類方法中,屬于熱氧化法的燒失法和化學(xué)熱氧化法、化學(xué)氧化法中的重鉻酸鉀法以及BPCAs 分子標(biāo)記法中的元素分析法均具有可觀的回收率,無需精密的測(cè)定儀器,操作便捷,有較好的改進(jìn)前景,比較適于常規(guī)定量分析。而光學(xué)法回收率偏低,多用于半定量研究和表征,其中光譜技術(shù)常與其他方法聯(lián)用,可作為提高定量精度的輔助手段。針對(duì)燒失法,需經(jīng)過長(zhǎng)期的土壤定位試驗(yàn),確定新鮮生物炭與在土壤中經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間自然老化后的生物炭的燒失率是否有所不同;重鉻酸鉀法可通過調(diào)整試劑濃度、氧化時(shí)間和氧化溫度縮短過長(zhǎng)的試驗(yàn)周期;BPCAs 分子標(biāo)記法中改進(jìn)的元素分析法雖然簡(jiǎn)化了其繁瑣復(fù)雜的預(yù)處理,回收率與氣相色譜法相當(dāng),但仍需通過大量試驗(yàn)驗(yàn)證其準(zhǔn)確性。
(2)生物炭均勻施入土壤后,生物炭顆粒會(huì)在地表徑流的沖刷下滲、翻耕和風(fēng)力搬運(yùn)等外力作用下發(fā)生遷移,在土壤中形成空間異質(zhì)性。因此,無論選用任何一種定量方法,合理采集土壤樣品對(duì)定量的準(zhǔn)確性至關(guān)重要,必須進(jìn)行全面、均勻、具有代表性的土壤采樣。土壤中生物炭的量化實(shí)質(zhì)是有效區(qū)分生物炭與土壤中其他影響定量的干擾物質(zhì),包括傳統(tǒng)的土壤有機(jī)碳如動(dòng)植物殘?bào)w及其降解產(chǎn)物腐殖質(zhì)等、非生物炭耐火性有機(jī)物和土壤礦物。生物炭精確定量的難點(diǎn)即是將這些干擾物質(zhì)盡可能去除的前提下減少生物炭自身的損耗。
(3)雖然眾多研究者們已開發(fā)了多種土壤黑炭定量方法,并都具有較為可觀的回收率,但由于黑炭這一燃燒連續(xù)體在土壤中的形式復(fù)雜多樣,加之各類方法對(duì)檢測(cè)黑炭連續(xù)體各組分的側(cè)重有所不同,不同方法量化結(jié)果差異較大且難以相互比較,目前尚未有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)定量方法。土壤生物炭定量方法研究仍然處于起步階段,在篩選出合適的定量方法后,應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)的參考物質(zhì)對(duì)不同定量方法進(jìn)行測(cè)試,并設(shè)置統(tǒng)一的評(píng)價(jià)指標(biāo)如回收率、變異系數(shù)等進(jìn)行比較研究,這是未來生物炭量化方法研究的重點(diǎn)之一。
佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2024年1期