土壤烧失量与有机质含量的关系研究

陈 森，陈 颖，赵九强，张春雷

(1.南京大建环境科技产业发展有限公司，南京 210044；2.河海大学设计研究院有限公司，南京 210098； 3.河海大学 环境学院，南京 210098)

前 言

土壤有机质(Soil Organic Matter，简称SOM)是指土中碳、氮、氢、氧为主，还有少量硫、磷和金属元素组成的有机化合物，其主要源于动植物及微生物残体，经由复杂的微生物和土壤物理化学转化过程，以不均匀混合物状态稳定存在于土壤中[1]。

土中有机质的测定方法有很多，大致可以分为三类：(1)利用有机质在高温氧化时能生成H2O和CO2特性的灼烧失重法(又称烧失量法，Loss On Ignition，简称LOI)；(2)利用有机质中生色基团的颜色深浅来判断有机质含量的比色法；(3)通过测定土壤中有机碳含量(Soil Organic Carbon，简称SOC)的方法来判断土壤有机质的含量。其中，比色法由于受到土壤类型的影响较大，无法准确判断土壤有机质的真实含量而未能被广泛采用[2]；通过测定土壤中有机碳的含量，再乘以经验系数1.724来测定土壤有机质含量是目前应用的较为普遍、结果也较为精确的土壤有机质含量测定方法(常规测定方法)，土壤有机碳含量的测定方法有很多，主要有重量法、比色法和容量法等[2]。比色法和容量法则是用已知的K2Cr2O7为氧化剂，消化反应试样中的有机质，再对剩余的K2Cr2O7进行测定或比色，得出氧化剂的消耗量再计算试样的有机碳含量。其中在农业和林业行业标准中应用最多的是重铬酸盐容量法，颁布的标准方法有NY/T 1121.6-2006《土壤检测第6部分：土壤有机质的测定》[3]、LY/T 1237-1999《森林土壤有机质的测定及碳氮比的计算》[4]、GB 9834-1988《土壤有机质测定法》[5]等. 环保行业使用重铬酸盐分光光度法，颁布的标准方法为HJ 615-2011《土壤有机碳的测定重铬酸钾氧化-分光光度法》[6]。常规测定方法相对来说较为繁琐，需要在有条件的实验室中才能进行。在工程应用中，烧失量法由于其简便性、经济性、劳动量少等优点被广泛应用[7]，并被证明在一定的温度下测得的土壤烧失量与其有机碳含量有着显著的相关性[8]，烧失量法对于测定土壤中的有机质含量一般比较粗略(偏高)，但其具有方法简单和不需要换算的优点。目前国内各行业对于烧失量法的规定尚不统一，灼烧温度分别有550℃、600℃、700℃、950℃等。土中的粘土矿物在200～350℃一般会发生分解反应而失去结晶水[9]，而且部分物质在400～600℃左右还会发生分解反应，当加热到600～800℃时，土中的碳酸盐则会开始发生分解反应[10]，所以一般也有用400～600℃的灼烧温度测得的烧失量用于估测土壤中的有机碳，再加热到800～1 000℃灼烧后得到的烧失量用于估测土壤中的非有机碳。目前，关于灼烧失重法颁布的标准方法有环保行业的HJ761-2015(固体废物-有机质的测定：灼烧减量法)[11]、公路行业的JTGE40-2007(公路土工试验规程：烧失量试验)[12]、城建行业的CJ/T221-2005(城市污水处理厂污泥检验方法：有机物含量的测定)[13]等。

本文通过测定同一类型土壤的烧失量和有机质含量，并对结果进行对比，对两种方法测量的结果进行相关性分析，为土壤烧失量和有机质含量的换算提供参考和依据。

1 材料与方法

1.1 取样

本次试验样品取自河北省涿州市白沟河附近，分别用土钻和沉积物柱状取样器对河滩上的泥沙和河沟中的底泥取柱状样，再将柱状样混合，形成一个点位处的柱状混合样。

1.2 实验方法

1.2.1 烧失量法

1.2.1.1 参照标准

烧失量法参照标准《固体废物 有机质的测定：灼烧减量法》(HJ761-2015)[11]。

1.2.1.2 试验原理和方法

将土样或沉积物在105℃干燥箱中烘干至恒重，同时将坩埚置于600℃马弗炉中灼烧至恒重。再将烘干后的试样放置在坩埚中，记下烘干样品的质量m和坩埚+烘干样品的质量m0；在600℃马弗炉中将试样灼烧3h左右至恒重，记下坩埚+烘干样品灼烧后的质量m1，计算烘干样品在灼烧过程中损失的质量占原烘干样品质量的百分比，即为有机质含量。

1.2.1.3 试验结果及计算公式

试样中有机质含量w，按照以下公式计算。

(1)

式中：w-干基中有机质含量，%；m0-坩埚和烘干样品的质量，g；m1-坩埚和烘干样品灼烧后的质量，g；m-烘干样品的质量，g；100-单位折算倍数。

1.2.2 常规方法

1.2.2.1 参照标准

有机碳的测定方法参照标准《土壤 有机碳的测定：重铬酸钾氧化-分光光度法》(HJ615-2011)[13]

1.2.2.2 试验原理及方法

使用一定浓度梯度的葡萄糖标准溶液作为测定有机碳含量的标准溶液，向其中加入硫酸汞、重铬酸钾溶液和硫酸，在135℃恒温加热器中加热消解30min，再对反应后的溶液的吸光度进行测定，根据结果绘制标准曲线，再在同样的条件下，将葡萄糖标准溶液替换为待测试样进行消解反应，对试样反应后的溶液进行吸光度测定，根据吸光度结果在标准曲线上找到对应的有机碳含量。

1.2.2.3 试验结果及计算公式

试样中有机碳含量(以干重计，质量分数，%)，按照公式(2)、(3)进行计算。

(2)

(3)

式中：m1-试样中干物质的重量，g；m-试样取样量，g；wdm-土壤中的干物质含量(质量分数)，%；woc-土壤样品中有机碳的含量(以干重计，质量分数)，%；A-试样消解液的吸光度；A0-空白试验的吸光度；a-校准曲线的截距；b-校准曲线的斜率。

2 结果与分析

2.1 白沟河试样结果分析

对白沟河布点取样，分别用烧失量法和常规方法测定其有机质含量，具体测定结果如下表所示。

表 白沟河试样有机质含量测定结果Tab. Results of determination of organic matter content in samples of Baigou River (%)

由检测结果可以看到，白沟河河滩的泥沙中有机质含量较低(均在5%以下)，河沟中底泥的有机质含量较高(8%～12%)，且所有试样中用烧失量法测得的有机质含量均大于常规方法测得的有机质含量，与理论预期相符。

为了进一步分析烧失量法与常规方法测得的有机质含量的相关性，如图1所示，将两种方法进行相关性对比分析，得到的线性关系为y=0.5024x-0.6455，相关系数为0.9274，相关性较好。根据上述分析结果可知，烧失量虽然偏高，但其结果可以在一定程度上反应土壤或沉积物中真实的有机质含量。

图1 白沟河试样两种试验方法对比分析图Fig.1 Comparison and analysis diagram of two test methods of Baigouhe sample

2.2 归纳总结试验结果与分析

对于烧失量法和常规方法两种方法的对比分析，一些学者也做过相关研究，总结前人的试样结果，与本次白沟河试验检测结果一起对比分析，增加试样分析数量与种类，进一步分析两种方法的相关性。

如图2所示，根据钱宝[14]、彭丹[15]等人的对比试验结果，将其与本试验的结果进行整合，对两种方法进行相关性分析，得到的线性关系为y=0.8216x-2.1098，相关系数为0.8714，相关性较好。

图2 归纳总结前人试验结果对比分析Fig.2 Summary and comparative analysis of previous reported results

根据Wright(2008)等[16]的研究结果显示，烧失量法估测土壤有机碳含量时，在不同的含量范围区间中，其呈现的线性相关性显著不同。将现有的有机质含量按照烧失量0～5%、5%～10%和大于10%分为三个区间，分别进行对比分析，如图3所示，y1=0.4468x-0.5065为0～5%区间的拟合线性关系，相关系数为0.5852，相关性较差；y2=0.7903x-3.759为5%～10%区间的拟合线性关系，相关系数为0.2975，相关性较差；y3=0.9946x-4.9648为大于10%区间的拟合线性关系，相关系数为0.8944，相关性较好。根据上述相关性分析可知，烧失量法和常规方法测的有机质含量在小于10%时相关性较差，而当有机质含量大于10%时，两种方法的线性关系较好，且从线性拟合关系可以看出，烧失量比有机碳测的有机质含量在数值上相差约5%。

图3 烧失量法与常规方法测定的 有机质含量在不同区间内的相关性Fig.3 The correlation between the organic matter content measured by the loss-on-ignition method and the conventional method in different intervals

2.3 讨论

根据本试验及归纳总结前人试验分析结果来看，在土壤或沉积物的烧失量>10%时，烧失量与有机质(有机碳)含量相关性较好，这与一些学者的研究结果相符[17-18]。但同时，土壤或沉积物的烧失量又受到多种因素的影响，如碳酸盐含量[19]、土壤或沉积物类型[20]、研究区域的气候[21-22]、土壤深度[23]、灼烧温度甚至马弗炉中的位置[24]等。这主要是因为土壤和沉积物在灼烧过程中，不仅会使自身的有机质分解，还会促使粘土矿物结晶水、部分碳酸盐的分解，且随着灼烧温度的不断升高，土中含有的硫酸盐、钙镁氯化物等物质也会发生分解反应。综上所述，笔者建议在采用烧失量法测定土壤和沉积物中有机质含量时，测定对象为有机质含量高(>10%)、碳酸盐和粘土矿物等含量较少的土。

3 结 论

本文通过测定土壤烧失量和有机质含量，并对其结果进行对比分析，得到以下结论：

3.1 烧失量与土壤中的有机质含量具有一定的相关性，但是随着有机质含量范围的扩大，这种相关性和拟合线性关系也会不断发生变化，尚难以找到一种可以涵盖所有有机质含量范围的两种含量之间的关系。将有机质含量的范围分为0～5%、5%～10%和大于10%三种区间后再对两种方法进行相关性分析发现，有机质含量<10%时两种方法的相关性较差，有机质含量>10%时两种方法的相关性较好，且在数值上相差约5%。

3.2 由于土壤和沉积物的烧失量受到多种因素的影响，因此，在工程应用中利用烧失量法估测土壤和沉积物中的有机碳或有机质含量时，应当注意其适用条件和换算关系，通过本试验研究，当测定对象为有机质含量高(>10%)、碳酸盐和粘土矿物等含量较少的土时，采用烧失量法估测土壤有机质含量换算的结果可信度较高。