球磨仪塑料管法用于土壤有机碳测定可行性探讨*

刘慧

沈阳农业大学土地与环境学院 沈阳 110161

0 引言

土壤有机碳是通过微生物作用所形成的腐殖质、动植物残体和微生物体的合称。土壤有机碳作为土壤养分转化和质量演变的核心，代表着土壤肥力的大小，影响着土壤理化性质和土壤微生物活性，是评估土壤质量高低的重要指标[1-2]。

土壤有机碳传统测定方法为重铬酸钾容量法—外加热法。但该方法只能氧化约90%的有机碳[3]，且实验步骤烦琐，误差较大，不适用于批量样品的测定。元素分析仪法以其方便、快捷、精准的优势被广泛应用于土壤有机碳测定。

球磨仪是近年来实验室研磨仪器中的新宠，相比较传统常规的研磨设备，其工作效率高且稳定，研磨效果良好，可对多种类型的样品进行研磨，可以实现样品的均质化和混合化。用聚四氟乙烯或聚丙烯塑料管和多孔深孔板配套，一次可同时、快速研磨多个样品。而且粉碎后的样品不用转移直接储存在塑料管内，可减少样品的损失和交叉污染。然而，由于塑料管成分中碳含量很高，对样品有机碳测定值产生影响。Isaac-Renton 等[4]在测定树木纤维素δ13C 时，前处理采用聚丙烯（PP）塑料管粉碎样品。结果显示，撞击出来的塑料粉末颗粒的碳同位素信号会干扰到样品的δ13C。李蕾等[5]对比了聚四氟乙烯（PTFE）塑料管研磨法和不锈钢管研磨法处理C4 植物糙隐子草δ13C 的测定结果。PTFE 塑料颗粒的混入，导致单个叶片δ13C 测定误差高达8‰。现有文献大多数是研究植物样品塑料管研磨对碳同位素δ 值的影响，对土壤样品有机碳含量的影响还未见报道。塑料管研磨法是否可以用于土壤样品的前处理？如果采用此方法对结果的影响有多大？本实验用4 种塑料管处理土壤样品，以瓷研钵作对照来分析塑料管对土壤样品有机碳含量的影响。研究结果可为塑料管研磨法在土壤样品前处理上的应用提供依据。

1 材料与方法

1.1 实验设计

本实验共设置4 个不同处理：1）4 种塑料管在未清洗的情况下对土壤有机碳含量的影响；2）塑料管清洗后对土壤有机碳含量的影响；3）塑料管不同清洗方式对土壤有机碳含量的影响；4）塑料管不同研磨时间对土壤有机碳含量的影响。4 种塑料管体积均为2 mL，用元素分析仪（Elementer Vario，EL cube）测定土壤样品有机碳含量。清洗方法为超声波清洗仪（KH-500DE）清洗，清洗功率80%，温度25 ℃，超声时间10 min。清洗溶剂为超纯水、无水乙醇、丙酮，每个处理清洗3 次，然后放入烘箱中60℃烘干备用。研磨时间设定为2，3，4，5，6，7，8 min，研磨仪为GRINDER GT200，每个处理重复3 次。

1.2 样品采集和处理

土壤样品采自棕壤长期轮作施肥定位实验站0～20 cm 表层土，放置室内通风阴凉处风干，然后除去植物残体如根、茎、叶、虫体和石块等杂物，用木棍和瓷研钵研细，全部过2.0 mm 孔径筛。然后用四分法取样过0.25 mm 孔径筛后保存备用。再将处理过的样品分为两组，一组用瓷研钵继续研磨过0.125 mm 孔径筛，一组装进塑料管，装入土样约为1 mL。每个塑料管里装一个锆珠，研磨时间为3 min，研磨仪和研磨配件如图1所示。

图1 研磨仪和研磨配件

1.3 元素分析

研磨后的土壤样品称量30～40 mg，包入锡杯，压实后用元素分析仪测定样品有机碳含量。为了检验仪器的准确性并矫正系统漂移，在测量过程中每20 个样品插入一个土壤标准样品。

1.4 数据处理

数据计算、图表绘制采用Microsoft Excel 2016 和SPSS22.0 软件，所用数据均为3 次测定值的平均值。

2 结果与分析

2.1 未清洗塑料管对土壤有机碳含量的影响

图2 显示，4 种塑料管在未清洗情况下有机碳含量大小顺序为D ＞C ＞B ＞A ＞CK，相比CK 分别高出15.6%、8.15%、5.52%、1.33%；和CK 相比较研磨管A 差异不显著，B 和C 差异显著，研磨管D 差异极显著。4 种研磨管在未清洗的情况下对有机碳含量测定值均产生影响。其中A 影响最小，D影响最大。

图2 不同塑料管有机碳含量

2.2 清洗塑料管对土壤有机碳含量的影响

用超纯水对4 种塑料管进行超声波清洗，然后测定土壤有机碳含量，测定结果和未清洗塑料管进行比较，计算相对百分含量，结果如图3所示。A、B、C、D 塑料管清洗和未清洗差异均未达到显著水平，A 管差异最小，为99.8%；D 管差异最大，为97.9%。因此，研磨管清洗虽然可以降低有机碳含量的影响，但未达到显著效果。

图3 塑料管清洗和未清洗有机碳相对百分含量

2.3 塑料管不同清洗方式对土壤有机碳含量的影响

超纯水清洗不能消除研磨管对碳含量的影响，那么其他溶剂清洗效果会不会好于超纯水？由图4可知，4 种塑料管用3 种溶剂清洗后A 管没有差异，B、D、C 管酒精（无水乙醇）和丙酮均低于超纯水，降低幅度在0.01%～2.09%之间，4 种塑料管酒精和丙酮之间均无显著差异。和CK 相比较酒精和丙酮清洗后4 种塑料管有机碳含量均高于CK，增加幅度在1.17%～11.05%之间。原因可能为研磨管内残存的塑料微粒较少，酒精和丙酮清洗可以降低样品碳含量，效果要优于超纯水，但同样不能消除塑料管对测定结果的影响。

图4 塑料管清洗和未清洗有机碳相对百分含量

2.4 塑料管不同研磨时间对土壤有机碳含量的影响

球磨仪的研磨时间根据样品具体类型、球料比、出料粒度和实验要求而确定。用塑料管处理样品，除了要考虑上述要求外，也应考虑塑料管本身会不会随着研磨时间的增加而释放的塑料颗粒也增加这一因素，实验结果如图5所示。A 管随着研磨时间的延长，有机碳含量没有明显变化；B、C、D 管基本是随着研磨时间的增加有机碳含量逐渐增加，最大值比最小值高3.42%、5.46%、5.80%。原因可能为随着研磨时间的延长，不同塑料管撞击产生的塑料颗粒量不同，硬度较大的聚四氟乙烯管抗撞击能力更强，产生的塑料颗粒更少。

图5 不同研磨时间有机碳含量

3 结束语

利用球磨仪塑料管研磨法处理土壤样品会影响土壤有机碳测定的准确度，硬度较大的聚四氟乙烯塑料管影响不显著，在要求精度不高的实验教学中可以应用。一些塑料管几乎不含氮、氧、硫这三种元素，所以在测定这几个元素时可以使用相关塑料管处理土壤样品。