蘇北濱海土壤無機碳含量的測定方法比較

盧偉偉，胡嘉欣，陳思樺，陳瑋鈴，馮思宇

(南京林業大學生物與環境學院，南方現代林業協同創新中心，江蘇 南京 210037)

土壤無機碳(SIC)的儲量及轉化過程對土壤碳累積和大氣CO2含量的調節起著重要作用[1-2]，精準測定SIC含量是深入研究其時空動態、形成過程以及固碳潛勢的基礎。目前，SIC的測定方法主要包括直接法和間接法。直接法包含氣量法、CO2吸收法、氣壓法、連續流壓電法、燒失量法、碳酸儀法等[3-6]。間接法指的是通過土壤總碳與有機碳的差值計算無機碳含量[7-8]。氣量法通過土壤與酸反應產生CO2的體積來計算SIC含量[9-10]，由于土壤中可能存在需要長時間反應才能分解的碳酸鹽或能與酸反應產生其他氣體的硫化物，因此可能對實際的SIC含量產生低估或高估[10]。CO2吸收法通過滴定吸收了CO2的氫氧化鈉溶液而計算SIC含量。如果土壤其他非含碳成分產生的酸性氣體被氫氧化鈉溶液吸收，CO2吸收法則會對測定結果產生高估。隨著精密儀器的研發以及對土壤有機碳(SOC)和SIC含量的同時關注，使用元素分析儀通過干燃燒法間接測定SIC含量的研究也逐漸增多，但精確性不一[7，9-10]。

我國東部沿海濕地土壤的無機碳含量范圍約為10.0～20.0 g/kg[11-13]，固體碳酸鹽的存在形式包括方解石(CaCO3)和白云巖[CaMg(CO3)2][14-15]。土壤無機碳的類型和含量是選擇SIC測定方法的重要因素[16]。國內外學者對有關地區SIC含量測定方法進行了比較[7,9-10，17-18]，然而，很少有研究針對我國濱海地區SIC含量的測定方法進行比較。在鹽分高、pH高的蘇北濱海地區[19]，生長迅速和適應性強的楊樹(Populusspp.)成為主要樹種之一[20]；20世紀70年代互花米草(Spartinaalterniflora)被引入，已在江蘇地區形成全國最大的互花米草濕地[21]。本研究以蘇北濱海地區楊樹人工林和互花米草濕地土壤為對象，評估氣量法、CO2吸收法和利用元素分析儀的間接法等3種方法測定SIC含量的準確性，為該地區SIC含量測定方法的選擇提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區域及樣品采集

研究地位于江蘇省東臺林場(120°49′E,32°52′N)及其以東的濱海濕地，地處亞熱帶與暖溫帶過渡區，東鄰黃海，海洋性季風氣候明顯，四季分明，雨熱同季，常年平均氣溫為15.0 ℃，無霜期220 d，降水量為1 061.2 mm，日照時間為2 130.5 h。人工栽植的喬木樹種主要包括歐洲大葉楊(P.candicans)、水杉(Metasequoiaglyptostroboides)和銀杏(Ginkgobiloba)等。林場內的土壤為脫鹽草甸土，濱海濕地的土壤為濱海鹽土，鹽分組成較單一。兩種土壤的pH均在8.0以上。

2019年9月下旬，分別在東臺林場及其東部的沿海區域選取20 m×20 m的楊樹人工林和濱海濕地作為樣地。楊樹人工林的楊樹品種為‘I-69’楊(P.deltoidescv.I-69)，栽種時間為1993年(林齡26 a)，濱海濕地的植被類型為互花米草。在每個樣地分別挖取3個土壤剖面，按照0～10、≥10～20、≥20～40、≥40～60、≥60～80和≥80～100 cm深度分層采集土壤樣品。因濕地土壤過于黏重，僅采集了0～10、≥10～20、≥20～40和≥40～60 cm的樣品。在野外將同一樣地相同層次的土壤混合為1個樣品，采用四分法將部分土壤樣品帶回實驗室。在實驗室內首先去除土壤中肉眼可見的植物根系、石塊等雜物，然后將土壤自然風干、混合均勻，用于土壤無機碳(SIC)含量的測定。

1.2 土壤無機碳含量及回收率測定

分別采用氣量法、CO2吸收法和間接法測定以上土壤樣品。每個土壤樣品測定5個平行。氣量法采用鮑士旦[22]的方法。CO2吸收法采用Bundy等[23]的方法。間接法則通過土壤總碳(TC)和SOC的差值計算SIC。TC采用元素分析儀(PE 2400 Ⅱ CHNS/O，珀金埃爾默，美國)測定，SOC采用重鉻酸鉀氧化-滴定法測定[24]。

為了測定SIC的回收率，首先去除土壤中的無機碳，然后加入已知量的碳酸鹽(即設定各級無機碳含量)，分別使用氣量法、CO2吸收法和間接法進行測定。具體方法如下：稱取10 g土壤于錐形瓶中，加入2 mol/L HCl(根據碳酸鈣含量適量添加)，充分攪拌直至無氣泡產生，靜置24 h后傾倒上層HCl溶液，將土壤轉移至離心管，加入去離子水清洗、離心、傾倒上清液，用pH試紙檢測土壤溶液pH，接近中性時取出土樣，風干。稱取2 g處理后土壤樣品，每份土壤分別加入0、0.04、0.08、0.12、0.16、0.20、0.24 g干燥的分析純CaCO3，充分混勻。使用SIC的測定值和真實值的比值計算回收率(R)，R=[m(SIC)/m(CaCO3)×0.12]×100%。式中：m(SIC)指實際測定的SIC含量，g/kg；m(CaCO3)指土壤所添加的CaCO3的量，g/kg；0.12為CaCO3中碳的質量分數。

1.3 數據分析

利用單因素方差分析方法(One-way ANOVA)分析不同測定方法的SIC含量的差異顯著性，利用LSD方法進行多重比較。顯著性水平設為0.05。利用SPSS 22.0進行數據統計，使用Origin 2018軟件和R Studio 1.3.1093軟件繪制圖形。

2 結果與分析

2.1 3種測定方法結果的比較

經分析可知(表1)，采用氣量法、CO2吸收法和間接法測得的楊樹人工林和互花米草濕地樣地土層內SIC含量分別為4.25～9.93、6.18～11.50和5.50～12.60 g/kg(表1)。氣量法的測定結果最低，平均為8.11 g/kg,CO2吸收法和間接法的測定結果相近且均高于氣量法，平均值分別為9.58和9.54 g/kg(表1)?？梢?，3種測定方法實測值存在顯著差異(表1)，說明它們測定SIC的回收率不同。需要指出的是，間接法中通過重鉻酸鉀氧化法測定的楊樹人工林和互花米草濕地不同深度的SOC含量的平均值分別為3.52和3.49 g/kg。

表1 不同方法測定楊樹人工林和互花米草濕地各土層土壤無機碳及有機碳、總碳含量比較Table 1 Carbon content as well as its corrected value according to the recovery rate measured by the calcimeter,CO2 absorption and indirect methods,respectively in soils of different depths from the poplar plantation and Spartina alterniflora wetland 單位：g/kg

2.2 3種方法測定SIC的回收率

當SIC含量為2.35 g/kg時，CO2吸收法分別高估楊樹人工林和互花米草濕地SIC含量25.80%和13.30%(表2)。除土壤SIC含量為2.35 g/kg以外，氣量法和CO2吸收法測定SIC的回收率都接近100%，兩種方法沒有明顯差異(表2)。隨著SIC含量的增加，間接法的回收率逐漸提高，楊樹人工林的SIC回收率由16.30%提高到85.80%，互花米草濕地的SIC回收率由56.30%提高到93.53%(表2)。整體來看，氣量法、CO2吸收法和間接法的平均回收率分別為96.9%、105.0%和71.5%。需要指出的是，間接法中通過重鉻酸鉀氧化法測定的SOC含量隨無機碳含量設定值的增加而降低(理論上講應該不變)，而且普遍高于相應的未酸洗土壤的SOC含量(除互花米草濕地10.90和12.90 g/kg梯度外，表1和表2)。氣量法、CO2吸收法和間接法通過回收率校正得到的SIC含量仍然存在顯著差異(表1)，平均值分別為8.35、9.67和12.70 g/kg，表明3種方法的回收率存在低估或高估。

表2 不同方法測定楊樹人工林和互花米草濕地土壤的無機碳及有機碳、總碳含量及回收率比較Table 2 Recovery rate of the inorganic carbon measured by the calcimeter,CO2 absorption and indirect methods,respectively in soils from the poplar plantation and Spartina alterniflora wetland

2.3 3種方法測定SIC的精確性

氣量法、CO2吸收法和間接法測定的精確性見圖1。由圖1可知，土壤平行樣品的SIC含量的變異系數分別為1.19%～4.99%、0.52%～3.34%和1.51%～6.79%，平均值分別為2.44%、1.36%和3.25%，這表明CO2吸收法的精確度最高，其次為氣量法，間接法的精確度最低。對于楊樹人工林土壤，3種方法在0～10 cm深度土壤的測定結果的變異系數都是最大(圖1A)，而對于互花米草濕地土壤，氣量法與間接法在0～10 cm深度土壤的測定結果的變異系數則是最小(圖1B)。通過進一步分析發現，3種方法測定SIC的變異系數呈現隨SIC含量增大而減少的趨勢。

圖1 不同方法測定楊樹人工林(A)和互花米草濕地(B)蘇北濱海不同土層土壤的無機碳含量的變異系數Fig.1 Coefficient of variation of inorganic carbon content measured by the calcimeter,CO2 absorption and indirect methods,respectively in different depths from the poplar plantation (A) and Spartina alterniflora wetland (B)

3 討 論

1)3種方法的準確度比較。已有國內外學者針對干旱和半干旱地區的鹽堿土[6-7,16,25]、喀斯特石灰巖地區的土壤[26]、湖泊沉積物[17]、海洋沉積物[27]等的無機碳含量測定方法進行了探討，但是針對濱海地區鹽堿土SIC測定方法比較的研究還很少。本研究比較了蘇北濱海地區鹽堿土SIC含量的測定方法。理論上講，經過回收率的校正，氣量法、CO2吸收法和間接法得到的SIC平均含量應該不存在顯著差異。但是，研究結果顯示，間接法校正后的SIC含量最高，CO2吸收法次之，氣量法的結果最低，表明3種方法的回收率存在低估或高估。早期的研究表明，在保證裝置與試驗過程嚴謹的情況下氣量法測定結果的準確度高，與真實值非常接近[28-29]。不少研究者報道了氣量法和干燃燒法測定的SIC結果有很強烈的相關性[9-10,25,30]。盡管兩種方法都能用于SIC的測定，但是與干燃燒法相比氣量法略低估SIC含量[9-10]。本研究中氣量法的回收率為93.4%～99.7%，平均為96.9%，稍低于100%。但是，Kassim[16]利用氣量法研究了伊拉克的土壤SIC，回收率為100%～108%，稍高于100%。氣量法測定SIC含量的干擾因素可能使回收率偏高或偏低。當土壤中存在需要很長時間才能去除的耐酸碳酸鹽(如白云石、磁鐵礦、菱鐵礦)時，氣量法可能低估SIC[30]，而如果土壤中存在硫化物則可以反應生成H2S，高估SIC含量[31]。本研究中氣量法回收率略低于100%可能是因為反應的時間不夠長，部分碳酸鹽分解不徹底而導致。CO2吸收法最早由Bundy等[23]于1972年提出，他們使用該方法測定了以CaCO3或白云石形式添加到非鈣質疏松土壤中的無機碳的回收率，結果非常接近100%(99%～100%)。之后，王蓮蓮等[7]比較了測定SIC的幾種方法的準確性，他們利用CO2吸收法得出的SIC回收率范圍為96%～100%。本研究得出的回收率為97.2%～105.0%(除SIC含量為2.35 g/kg外)，最高值稍高于以上兩個研究。當SIC含量為2.35 g/kg時，CO2吸收法的回收率高達125.80%。這可能是因為SIC含量低時，CO2吸收法受到了土壤中非含碳的堿性物質的干擾，如硫化物，增加了懸掛在三角瓶內部的NaOH溶液以及最后滴定過量NaOH溶液的HCl的消耗，從而高估SIC含量。

測定SIC含量的間接法主要包含兩種方法：第1種方法是利用元素分析儀或固體總有機碳分析儀測定的酸處理和未處理土壤的總碳(TC)含量，通過兩者的差值計算SIC含量[7,9-10]；第2種方法是通過元素分析儀測定的TC與重鉻酸鉀氧化法測定的SOC的差值得出SIC[26]，是本研究中所采用的方法。Wang等[9]和Leogrande等[10]沒有直接研究干燃燒法的回收率，而是通過與設定的參考方法的相關分析來判定方法的準確性。王蓮蓮等[7]采用添加外源CaCO3的方法研究了間接法測定SIC的回收率，結果為56.3%～89.6%，平均值為71.2%。雖然筆者使用的間接法與王蓮蓮等[7]的不同，但本研究的間接法的平均回收率(71.5%)與其結果相近，明顯低于100%。彭洪翠等[26]使用間接法和筆者所使用的間接法相同，他們測定了稻田和林地土壤加入CaCO3的量為115～607 g/kg時以間接法的回收率為98.5%～102.7%。綜上所述，本研究中間接法的回收率被低估。間接法的回收率實驗中，測定TC和SOC使用的土壤都是酸處理后又添加一定量的CaCO3的土壤。筆者發現，酸洗后不添加外源CaCO3的土壤樣品的TC均低于未酸洗土壤的有機碳含量，表明酸洗損失了SOC含量。前人的研究也得出相同的結論[10,27,30]，這是因為部分SOC能夠被酸所溶解。以往研究發現，重鉻酸鉀氧化法可能高估SOC含量較低的鹽堿土的SOC[9,18,32]。本研究同樣發現，重鉻酸鉀氧化法高估了經酸浸泡處理再添加外源CaCO3的土壤的有機碳含量。這可能與氧化校正系數的大小有關，其受多種因素的影響，如Fe2+、Cl-、錳氧化物等無機物[18]以及實驗所控制的加熱溫度等，所用的經驗值1.08不一定適用于所研究的土壤。因此，盡管酸洗能夠損失土壤SOC，但酸洗土壤添加CaCO3后使用重鉻酸鉀氧化法則會高估SOC，且測定方法高估的程度大于酸洗損失的程度，從而導致間接法的回收率被低估，尤其是添加CaCO3的量較少時。

2)3種方法的精確度比較。相比其他兩種方法，CO2吸收法測定SIC的變異最小，這可能是因為土壤和酸的接觸時間更長。影響氣量法精確度的因素主要是反應接觸面積、時間長短[33]以及氣壓變化敏感度[4]。Fonnesbeck等[33]的研究表明，當土壤樣品粒徑<0.25 mm時氣量法的測定結果之間的變異性最小，且6 h反應時間比2 h反應時間結果的重復性更好。Sherrod等[4]對比了使用20 mL與100 mL反應瓶進行氣量法測定的試驗結果，發現當SIC含量較低時使用20 mL反應瓶時氣量裝置內的壓強更大，對氣壓變化更敏感，測定結果誤差降低。今后可以考慮實驗中調整反應時長、土樣粒徑大小以及反應瓶容積以提高該方法的精確度。間接法的變異系數范圍最大，精確度最低。這主要是因為影響間接法測定結果的因素較多，包括元素分析儀的穩定性和SOC測定的準確性。但是，本研究中間接法的精確度仍在前人研究結果范圍之內[34]。

綜上所述，通過土壤樣品的實際測定和回收率試驗，本研究發現氣量法、CO2吸收法和間接法均能用于蘇北濱海土壤無機碳含量的測定，但是CO2吸收法和間接法的測定結果高于氣量法。間接法的回收率被明顯低估，這主要與重鉻酸鉀氧化法高估SOC含量有關。土壤平行樣品的測定結果表明，CO2吸收法的精確度最高，其次為氣量法，間接法的精確度最低。