土壤颗粒粒径及进样量对TOC含量测定精度的影响

李朝英，郑 路，2*

(1中国林业科学研究院热带林业实验中心，凭祥 532600；2广西友谊关森林生态系统国家定位观测研究站，凭祥 532600)

土壤有机碳(TOC)含量不仅与土壤肥力直接相关，而且与土壤结构、通气性、pH等物理性质有密切相关性。因此，土壤TOC含量是土壤研究必需检测的项目[1-3]。土壤TOC含量的测定方法有重铬酸钾外加热法和TOC分析仪法。重铬酸钾外加热法常常由于样品氧化不均或人为误差等影响检测结果的准确性。TOC分析仪为新兴现代精密仪器，自动化程度高，检测准确，是测定TOC含量的优选[4-6]。但是目前很多研究仍选择重铬酸钾外加热法测定TOC含量，这是因为重铬酸钾外加热法所用待测样颗粒过60—100目筛处理(粒径<0.25mm)均可，一次可消煮几十个样品，检测效率高[7-9]。近年来，重铬酸钾外加热法的改进研究取得了一些进展，原有油浴加热被消解仪加热、沸水浴加热等方法取代，加热稳定均匀，氧化反应更易控制，提高了检测的准确性[10-12]。而TOC分析仪检测一个样品至少需要10min，且为了保证检测准确，待测样颗粒需过100—200目筛处理(粒径<0.149mm)，或进样量小于50mg[13-15]，使得待测样品处理费力费时，固体样品进样量过低，存在样品缺少代表性的可能，影响了TOC分析仪检测的效率与准确性。目前，TOC分析仪测定粒径>0.149mm的待测样颗粒TOC含量的报道较少，改进后的重铬酸钾外加热法与TOC分析仪法的测定结果比较研究也不多。为此，本试验研究过10目筛(粒径<2mm)、40目筛(粒径<0.5mm)、60目筛(粒径<0.25mm)、100目筛(粒径<0.149mm)的不同粒径土壤颗粒样品对测定TOC含量的影响，以期为TOC分析仪法测定土壤TOC含量建立新的检测条件，提高检测效率，更好地发挥TOC分析仪的优势。同时，对TOC分析仪与改进后重铬酸钾外加热法-沸水浴测定结果进行比较分析，研究两种检测方法的差异及相关性，为科学选择土壤TOC含量测定方法提供依据。

1 材料与方法

1.1 试剂、仪器和样品

1.1.1 试剂

25%磷酸、葡萄糖(优级纯)、碳酸氢钠(优级纯)、0.8molL重铬酸钾溶液、0.2molL硫酸亚铁、98%浓硫酸、邻菲啰啉指示剂、pH 4.01标准缓冲液、pH 6.87标准缓冲液。

1.1.2 仪器

电子分析天平(BSA124S-CW，赛多利斯科学仪器公司)；TOC分析仪(Japan SHIMADZU TOC-L SSM5000A)；精密鼓风干燥箱(BPG-9240A，上海一恒科技有限公司)；水浴锅(HSW28，上海一恒科技有限公司)；pH计(PHS-3C，上海雷磁仪器有限公司)。

1.1.3 样品来源及处理与保存

试验于2016年6月进行，2个土壤样品采集于中国林科院热带林业实验中心白云实验场人工林2个样点0—10cm剖面层；30个土壤样品采集于中国林科院热带林业实验中心夏石大山人工林6个样点，每个样点在剖面0—10cm、10—20cm、20—30cm、30—50cm、50—100cm五个层次取样。土样自然风干后，将样品中的植物残体、石砾挑拣干净，研磨过10目筛，混合均匀，分成4份。其中1份土样过10目筛后直接装袋，另3份分别研磨至全部过40目筛、60目筛、100目筛，4份土样分别密封存放于有标识的聚丙烯塑料袋中。

总碳(TC)标准物(葡萄糖)在105℃下烘2h后放入干燥器中冷却存放。无机碳(IC)标准物(碳酸氢钠)在270℃下烘3h后放入干燥器中冷却存放。

1.2 试验原理及方法

1.2.1 试验原理

样品在TOC分析仪中于900℃高温条件下催化燃烧，碳被完全氧化，生成CO2，非分散式红外线分析仪(NDIR)测得TC含量。样品加入磷酸后，在200℃低温反应炉中酸化分解反应，生成的CO2由NDIR测得IC含量。TC含量-IC含量=TOC含量[16-18]。

1.2.2 试验方法

1.2.2.1 称取2mg、6mg、18mg、54mg葡萄糖，放入样品舟中，推入900℃燃烧腔中分别测定TC含量，建立TC标准曲线；称取5mg、20mg、40mg、80mg碳酸氢钠，分别加入25%磷酸0.3mL，推入200℃反应腔中测定IC含量，建立IC标准曲线。

1.2.2.2 分别精密称取过10目、40目、60目、100目筛的土壤样品，称量量为150—175mg。样品放入样品舟中，推入900℃燃烧腔中测定TC含量；将样品放入样品舟中，加入25%磷酸0.3mL，推入200℃反应腔中测定IC含量。每个进样量重复测TC和IC含量3次。未称取样品的空白同上操作，重复3次。

1.2.2.3 分别精密称取1.2.2.2优选粒径的土壤样1、样2，称量量分别为(75±25)mg、(125±25)mg、(175±25)mg、(225±25)mg、(275±25)mg、(325±25)mg，测定TC含量和IC含量。每个进样量重复3次。空白同上操作，重复3次。

1.2.2.4 土壤样1按1.2.2.3所确定的称量范围称取，分别加葡萄糖1.4mg(含碳0.5mg)、4.1mg(含碳1.5mg)，重复3次。土壤样1按1.2.2.3所确定的称量范围称取，分别加碳酸氢钠3.5mg(含碳0.5mg)、7.0mg(含碳1mg)，重复3次。空白同上操作，重复3次。

1.2.2.5 按1.2.2.3所确定的称量范围称取32个样品，分3份，1份以TOC分析仪测定TC含量，1份测定IC含量；1份以重铬酸钾外加热法测定TOC含量，称取的样品放入150mL三角瓶中，加入0.8molL重铬酸钾溶液5mL、浓硫酸5mL，摇匀后放到已预热100℃的水浴锅内加热30min，取出后在三角瓶中加入10mL水，冷却后加入3滴邻菲啰啉，用0.2molL硫酸亚铁滴定至棕红色，记录硫酸亚铁溶液所用体积以计算TOC含量。上述试验重复3次。空白同上操作，重复3次。

1.2.2.6 称取32个过10目筛的土壤样品颗粒各5g，加去离子水12.5mL，放于振荡机中以180 Hz振荡60min后，静置30min，以pH计测定土样pH。

1.3 数据分析

使用Excel 2003进行统计和图表绘制，采用SPSS 19.0软件进行单因素分析。

2 结果与分析

2.1 样品颗粒粒径对测定结果的影响

由表1可见，过10目、40目筛颗粒的TC含量随着颗粒粒径减小呈升高趋势，过60目、100目筛颗粒的TC含量趋于一致。方差分析表明，过10目、40目筛颗粒TC含量与过60目、100目筛颗粒TC含量有显著差异，过60目与过100目筛颗粒的TC含量无显著差异。过10目筛颗粒的TC含量CV(变异系数)大于7%，精密度欠佳。过40目筛颗粒的TC含量CV大于2.5%，过60目、100目筛颗粒的TC含量CV均小于2%，精密度良好。可见，过10目、40目筛颗粒所测结果的精密度低于过60目、100目筛颗粒，颗粒粒径大于0.25mm，测定结果的精密度呈下降趋势。过10目、40目、60目、100目筛颗粒的IC含量均为0。

表1 不同粒径土壤颗粒的TC含量 (n=3)

注：TC含量=均值+SD，同列不同字母表示差异显著(P<0.05)，下同

表2 不同进样量的TC含量(n=3)

2.2 测定土壤TC、IC含量的进样量选择

由表2可见，两个土壤样品在进样量(75±25) mg、(125±25) mg的TC含量随进样量增加呈升高趋势，进样量(175±25) mg、(225±25) mg、(270±25) mg的TC含量趋于稳定，进样量(325±25) mg的TC含量略有下降趋势。方差分析表明，两个样品不同进样量的TC含量无显著差异。进样量(75±25) mg、(125±25) mg、(325±25mg)所测TC含量的变异系数(CV)均大于3%；进样量(175±25) mg、(225±25)mg、(275±25) mg所测TC含量的CV小于2.5%，精密度良好。可见，过60目筛土壤颗粒进样量小于150mg或大于300 mg的测定结果精密度呈下降趋势。两个土壤样品不同进样量的IC=0，与2.1所述一致。

2.3 标准曲线及检出限

以峰面积为Y轴，绝对碳含量(μg)为X轴，得到TC标准曲线Y=0.1342X-124.04，相关系数r2=0.9992，线性范围为0.728—19.656mg，检测峰正常。以峰面积为Y轴，绝对碳含量(μg)为X轴，得到IC标准曲线Y=0.1027X-76.65，相关系数r2=0.9997，线性范围为0.715—11.44mg。

2.4 方法的精密度、准确度

由表3可见，样品1的TC加标回收率在98.02%—100.46%，RSD小于2%；IC加标回收率在99.00%—101.66%，RSD小于2%，说明本试验方法的精密度与准确性较高。

表3 样品加标回收率(n=3)

2.5 两种检测方法的测定结果比较

由表4可见，32个土壤样品的pH在4—6，属于酸性土壤，IC含量均为0，TOC分析仪所测TC含量=TOC含量。

表4 2种检测方法测定TOC含量的比较(n=3)

方差分析表明，TOC分析仪法和重铬酸钾外加热法-沸水浴测定的TOC含量无显著差异。32个样品的TOC含量在5—34mgg。TOC分析仪测得TOC含量CV在0.79%—2.44%；重铬酸钾外加热法测得TOC含量CV在2.22%—4.97%。可见，TOC分析仪所测结果精密度高于重铬酸钾外加热法。

两种方法测定32个样品的TOC含量的相对相差在0.04%—13.9%，平均相对相差为4.24%。TOC含量>15mgg的13个样品中，12个的相对相差小于4.24%，1个的相对相差为4.39%；TOC含量5—15mgg的19个样品中9个的相对相差大于4.24%。这说明对于TOC含量>15mgg的样品，两种方法的测定结果有良好一致性；对TOC含量5—15mgg的样品，重铬酸钾外加热法-沸水浴测定结果与TOC分析仪法的差异增大。

由图1可见，TOC分析仪法和重铬酸钾外加热法所测TOC含量线性回归拟合方程为：y=1.03344x-0.7054，R2=0.9973，两种方法相关性较好，分析结果趋于一致。

图1 2种方法测定结果的线性回归拟合图Fig.1 Linear regression fitting diagram of two methods for measuring results

3 结论与讨论

诸多研究提出IC组分主要为碳酸盐或碳酸氢盐类物质，pH<6.5的酸性土壤中的IC难以稳定存在[19-21]。本试验的土壤样品pH在4.13—5.29，属典型的酸性土壤，IC=0，TC=TOC，与上述研究结果一致。由此，有研究对非酸性土壤人为加酸酸化，消除土壤中的IC，测得TC即得TOC，减少IC的检测环节，有利于排除干扰，降低误差，检测快捷准确，且便于分析其他因素对测定结果的影响[22-23]。

样品能否被充分燃烧，是TOC分析仪测定精度的关键影响因素。本试验中，过10目、40目筛颗粒的测定结果偏低，精密度欠佳。过60目筛颗粒所测结果与过100目筛颗粒一致，精密度及准确性良好，说明过40目筛颗粒粒径偏大，不易燃烧充分，过60目筛颗粒能保证燃烧完全。过60目筛颗粒进样量低于150mg或大于300mg，测定精度呈下降趋势，进样量在175—275mg，精密度与准确性高，说明进样量少于150mg，样品缺乏代表性，进样量高于300mg，燃烧不充分。进样量在175—275mg，样品有代表性，燃烧完全，对TOC检测影响较小，适用于TOC分析仪检测。这与以往研究所述的小粒径与低进样量有所不同。这是因为以往研究中小粒径颗粒间的空隙小，不利TOC分析仪中氧气助燃作用的发挥，选择低进样量才能保证燃烧充分。过60目筛颗粒间空隙大，氧气更易于促进一定量的颗粒燃烧充分，保证TOC分析仪的测定精度。本试验TOC含量线性范围在0.728—19.656mg，实测32个样品的TOC含量在5—34mgg，按进样量175—275mg计算，TOC含量在0.875—9.35mg，均在线性范围。土壤TOC含量多在5—50mgg，取以往研究所述低进样量进行检测，低含量样品的TOC可能会低于线性范围下限，易受基线波动等因素干扰，影响测定精度。

TOC分析仪法和重铬酸钾外加热法-沸水浴所测结果趋于一致，两者相关性良好。TOC分析仪对样品燃烧氧化充分，TOC高、中、低含量样品的测定结果的精密度及准确性高。样品TOC含量>15mgg，重铬酸钾外加热法-沸水浴与TOC分析仪法的测定结果一致；样品TOC含量在5—15mgg，重铬酸钾外加热法-沸水浴的准确性低于TOC分析仪法。这是因为重铬酸钾外加热法-沸水浴较原方法有一定提高，加热较均匀，克服了氧化不均的情况，但加试剂与滴定操作中所存在的人为偏差，以及加热过程氧化剂损失等问题仍然难以避免，故影响测定结果的准确性，尤其是TOC低含量样品，误差表现明显[24]。因此，重铬酸钾外加热法-沸水浴需要改进，才能进一步降低误差，提高准确性。

综上，酸性土壤IC=0，TC=TOC，可避免IC的检测环节。本试验首次提出过60目筛的土壤颗粒以进样量175—275mg用于TOC分析仪检测分析的方法是可行的。样品处理简捷省力，避免了检测误差，检测准确高效，为实验室运用TOC分析仪测定土壤有机碳提供了既可靠又实用的新方法。本试验表明，TOC分析仪法与重铬酸钾外加热法-沸水浴的测定精度不同，对TOC含量不同的样品有着不同的适用性，实验室根据不同需求进行选择。本研究为实验室选择土壤TOC含量测定方法提供了新的参考指导。