苏北滨海土壤无机碳含量的测定方法比较

卢伟伟，胡嘉欣，陈思桦，陈玮铃，冯思宇

(南京林业大学生物与环境学院，南方现代林业协同创新中心，江苏 南京 210037)

土壤无机碳(SIC)的储量及转化过程对土壤碳累积和大气CO2含量的调节起着重要作用[1-2]，精准测定SIC含量是深入研究其时空动态、形成过程以及固碳潜势的基础。目前，SIC的测定方法主要包括直接法和间接法。直接法包含气量法、CO2吸收法、气压法、连续流压电法、烧失量法、碳酸仪法等[3-6]。间接法指的是通过土壤总碳与有机碳的差值计算无机碳含量[7-8]。气量法通过土壤与酸反应产生CO2的体积来计算SIC含量[9-10]，由于土壤中可能存在需要长时间反应才能分解的碳酸盐或能与酸反应产生其他气体的硫化物，因此可能对实际的SIC含量产生低估或高估[10]。CO2吸收法通过滴定吸收了CO2的氢氧化钠溶液而计算SIC含量。如果土壤其他非含碳成分产生的酸性气体被氢氧化钠溶液吸收，CO2吸收法则会对测定结果产生高估。随着精密仪器的研发以及对土壤有机碳(SOC)和SIC含量的同时关注，使用元素分析仪通过干燃烧法间接测定SIC含量的研究也逐渐增多，但精确性不一[7，9-10]。

我国东部沿海湿地土壤的无机碳含量范围约为10.0～20.0 g/kg[11-13]，固体碳酸盐的存在形式包括方解石(CaCO3)和白云岩[CaMg(CO3)2][14-15]。土壤无机碳的类型和含量是选择SIC测定方法的重要因素[16]。国内外学者对有关地区SIC含量测定方法进行了比较[7,9-10，17-18]，然而，很少有研究针对我国滨海地区SIC含量的测定方法进行比较。在盐分高、pH高的苏北滨海地区[19]，生长迅速和适应性强的杨树(Populusspp.)成为主要树种之一[20]；
20世纪70年代互花米草(Spartinaalterniflora)被引入，已在江苏地区形成全国最大的互花米草湿地[21]。本研究以苏北滨海地区杨树人工林和互花米草湿地土壤为对象，评估气量法、CO2吸收法和利用元素分析仪的间接法等3种方法测定SIC含量的准确性，为该地区SIC含量测定方法的选择提供参考。

1.1 研究区域及样品采集

研究地位于江苏省东台林场(120°49′E,32°52′N)及其以东的滨海湿地，地处亚热带与暖温带过渡区，东邻黄海，海洋性季风气候明显，四季分明，雨热同季，常年平均气温为15.0 ℃，无霜期220 d，降水量为1 061.2 mm，日照时间为2 130.5 h。人工栽植的乔木树种主要包括欧洲大叶杨(P.candicans)、水杉(Metasequoiaglyptostroboides)和银杏(Ginkgobiloba)等。林场内的土壤为脱盐草甸土，滨海湿地的土壤为滨海盐土，盐分组成较单一。两种土壤的pH均在8.0以上。

2019年9月下旬，分别在东台林场及其东部的沿海区域选取20 m×20 m的杨树人工林和滨海湿地作为样地。杨树人工林的杨树品种为‘I-69’杨(P.deltoidescv.I-69)，栽种时间为1993年(林龄26 a)，滨海湿地的植被类型为互花米草。在每个样地分别挖取3个土壤剖面，按照0～10、≥10～20、≥20～40、≥40～60、≥60～80和≥80～100 cm深度分层采集土壤样品。因湿地土壤过于黏重，仅采集了0～10、≥10～20、≥20～40和≥40～60 cm的样品。在野外将同一样地相同层次的土壤混合为1个样品，采用四分法将部分土壤样品带回实验室。在实验室内首先去除土壤中肉眼可见的植物根系、石块等杂物，然后将土壤自然风干、混合均匀，用于土壤无机碳(SIC)含量的测定。

1.2 土壤无机碳含量及回收率测定

分别采用气量法、CO2吸收法和间接法测定以上土壤样品。每个土壤样品测定5个平行。气量法采用鲍士旦[22]的方法。CO2吸收法采用Bundy等[23]的方法。间接法则通过土壤总碳(TC)和SOC的差值计算SIC。TC采用元素分析仪(PE 2400 Ⅱ CHNS/O，珀金埃尔默，美国)测定，SOC采用重铬酸钾氧化-滴定法测定[24]。

为了测定SIC的回收率，首先去除土壤中的无机碳，然后加入已知量的碳酸盐(即设定各级无机碳含量)，分别使用气量法、CO2吸收法和间接法进行测定。具体方法如下：称取10 g土壤于锥形瓶中，加入2 mol/L HCl(根据碳酸钙含量适量添加)，充分搅拌直至无气泡产生，静置24 h后倾倒上层HCl溶液，将土壤转移至离心管，加入去离子水清洗、离心、倾倒上清液，用pH试纸检测土壤溶液pH，接近中性时取出土样，风干。称取2 g处理后土壤样品，每份土壤分别加入0、0.04、0.08、0.12、0.16、0.20、0.24 g干燥的分析纯CaCO3，充分混匀。使用SIC的测定值和真实值的比值计算回收率(R)，R=[m(SIC)/m(CaCO3)×0.12]×100%。式中：m(SIC)指实际测定的SIC含量，g/kg；
m(CaCO3)指土壤所添加的CaCO3的量，g/kg；
0.12为CaCO3中碳的质量分数。

1.3 数据分析

利用单因素方差分析方法(One-way ANOVA)分析不同测定方法的SIC含量的差异显著性，利用LSD方法进行多重比较。显著性水平设为0.05。利用SPSS 22.0进行数据统计，使用Origin 2018软件和R Studio 1.3.1093软件绘制图形。

2.1 3种测定方法结果的比较

经分析可知(表1)，采用气量法、CO2吸收法和间接法测得的杨树人工林和互花米草湿地样地土层内SIC含量分别为4.25～9.93、6.18～11.50和5.50～12.60 g/kg(表1)。气量法的测定结果最低，平均为8.11 g/kg,CO2吸收法和间接法的测定结果相近且均高于气量法，平均值分别为9.58和9.54 g/kg(表1)。可见，3种测定方法实测值存在显著差异(表1)，说明它们测定SIC的回收率不同。需要指出的是，间接法中通过重铬酸钾氧化法测定的杨树人工林和互花米草湿地不同深度的SOC含量的平均值分别为3.52和3.49 g/kg。

表1 不同方法测定杨树人工林和互花米草湿地各土层土壤无机碳及有机碳、总碳含量比较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 单位：g/kg

2.2 3种方法测定SIC的回收率

当SIC含量为2.35 g/kg时，CO2吸收法分别高估杨树人工林和互花米草湿地SIC含量25.80%和13.30%(表2)。除土壤SIC含量为2.35 g/kg以外，气量法和CO2吸收法测定SIC的回收率都接近100%，两种方法没有明显差异(表2)。随着SIC含量的增加，间接法的回收率逐渐提高，杨树人工林的SIC回收率由16.30%提高到85.80%，互花米草湿地的SIC回收率由56.30%提高到93.53%(表2)。整体来看，气量法、CO2吸收法和间接法的平均回收率分别为96.9%、105.0%和71.5%。需要指出的是，间接法中通过重铬酸钾氧化法测定的SOC含量随无机碳含量设定值的增加而降低(理论上讲应该不变)，而且普遍高于相应的未酸洗土壤的SOC含量(除互花米草湿地10.90和12.90 g/kg梯度外，表1和表2)。气量法、CO2吸收法和间接法通过回收率校正得到的SIC含量仍然存在显著差异(表1)，平均值分别为8.35、9.67和12.70 g/kg，表明3种方法的回收率存在低估或高估。

表2 不同方法测定杨树人工林和互花米草湿地土壤的无机碳及有机碳、总碳含量及回收率比较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种方法测定SIC的精确性

气量法、CO2吸收法和间接法测定的精确性见图1。由图1可知，土壤平行样品的SIC含量的变异系数分别为1.19%～4.99%、0.52%～3.34%和1.51%～6.79%，平均值分别为2.44%、1.36%和3.25%，这表明CO2吸收法的精确度最高，其次为气量法，间接法的精确度最低。对于杨树人工林土壤，3种方法在0～10 cm深度土壤的测定结果的变异系数都是最大(图1A)，而对于互花米草湿地土壤，气量法与间接法在0～10 cm深度土壤的测定结果的变异系数则是最小(图1B)。通过进一步分析发现，3种方法测定SIC的变异系数呈现随SIC含量增大而减少的趋势。

图1 不同方法测定杨树人工林(A)和互花米草湿地(B)苏北滨海不同土层土壤的无机碳含量的变异系数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)

1)3种方法的准确度比较。已有国内外学者针对干旱和半干旱地区的盐碱土[6-7,16,25]、喀斯特石灰岩地区的土壤[26]、湖泊沉积物[17]、海洋沉积物[27]等的无机碳含量测定方法进行了探讨，但是针对滨海地区盐碱土SIC测定方法比较的研究还很少。本研究比较了苏北滨海地区盐碱土SIC含量的测定方法。理论上讲，经过回收率的校正，气量法、CO2吸收法和间接法得到的SIC平均含量应该不存在显著差异。但是，研究结果显示，间接法校正后的SIC含量最高，CO2吸收法次之，气量法的结果最低，表明3种方法的回收率存在低估或高估。早期的研究表明，在保证装置与试验过程严谨的情况下气量法测定结果的准确度高，与真实值非常接近[28-29]。不少研究者报道了气量法和干燃烧法测定的SIC结果有很强烈的相关性[9-10,25,30]。尽管两种方法都能用于SIC的测定，但是与干燃烧法相比气量法略低估SIC含量[9-10]。本研究中气量法的回收率为93.4%～99.7%，平均为96.9%，稍低于100%。但是，Kassim[16]利用气量法研究了伊拉克的土壤SIC，回收率为100%～108%，稍高于100%。气量法测定SIC含量的干扰因素可能使回收率偏高或偏低。当土壤中存在需要很长时间才能去除的耐酸碳酸盐(如白云石、磁铁矿、菱铁矿)时，气量法可能低估SIC[30]，而如果土壤中存在硫化物则可以反应生成H2S，高估SIC含量[31]。本研究中气量法回收率略低于100%可能是因为反应的时间不够长，部分碳酸盐分解不彻底而导致。CO2吸收法最早由Bundy等[23]于1972年提出，他们使用该方法测定了以CaCO3或白云石形式添加到非钙质疏松土壤中的无机碳的回收率，结果非常接近100%(99%～100%)。之后，王莲莲等[7]比较了测定SIC的几种方法的准确性，他们利用CO2吸收法得出的SIC回收率范围为96%～100%。本研究得出的回收率为97.2%～105.0%(除SIC含量为2.35 g/kg外)，最高值稍高于以上两个研究。当SIC含量为2.35 g/kg时，CO2吸收法的回收率高达125.80%。这可能是因为SIC含量低时，CO2吸收法受到了土壤中非含碳的碱性物质的干扰，如硫化物，增加了悬挂在三角瓶内部的NaOH溶液以及最后滴定过量NaOH溶液的HCl的消耗，从而高估SIC含量。

测定SIC含量的间接法主要包含两种方法：第1种方法是利用元素分析仪或固体总有机碳分析仪测定的酸处理和未处理土壤的总碳(TC)含量，通过两者的差值计算SIC含量[7,9-10]；
第2种方法是通过元素分析仪测定的TC与重铬酸钾氧化法测定的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]没有直接研究干燃烧法的回收率，而是通过与设定的参考方法的相关分析来判定方法的准确性。王莲莲等[7]采用添加外源CaCO3的方法研究了间接法测定SIC的回收率，结果为56.3%～89.6%，平均值为71.2%。虽然笔者使用的间接法与王莲莲等[7]的不同，但本研究的间接法的平均回收率(71.5%)与其结果相近，明显低于100%。彭洪翠等[26]使用间接法和笔者所使用的间接法相同，他们测定了稻田和林地土壤加入CaCO3的量为115～607 g/kg时以间接法的回收率为98.5%～102.7%。综上所述，本研究中间接法的回收率被低估。间接法的回收率实验中，测定TC和SOC使用的土壤都是酸处理后又添加一定量的CaCO3的土壤。笔者发现，酸洗后不添加外源CaCO3的土壤样品的TC均低于未酸洗土壤的有机碳含量，表明酸洗损失了SOC含量。前人的研究也得出相同的结论[10,27,30]，这是因为部分SOC能够被酸所溶解。以往研究发现，重铬酸钾氧化法可能高估SOC含量较低的盐碱土的SOC[9,18,32]。本研究同样发现，重铬酸钾氧化法高估了经酸浸泡处理再添加外源CaCO3的土壤的有机碳含量。这可能与氧化校正系数的大小有关，其受多种因素的影响，如Fe2+、Cl-、锰氧化物等无机物[18]以及实验所控制的加热温度等，所用的经验值1.08不一定适用于所研究的土壤。因此，尽管酸洗能够损失土壤SOC，但酸洗土壤添加CaCO3后使用重铬酸钾氧化法则会高估SOC，且测定方法高估的程度大于酸洗损失的程度，从而导致间接法的回收率被低估，尤其是添加CaCO3的量较少时。

2)3种方法的精确度比较。相比其他两种方法，CO2吸收法测定SIC的变异最小，这可能是因为土壤和酸的接触时间更长。影响气量法精确度的因素主要是反应接触面积、时间长短[33]以及气压变化敏感度[4]。Fonnesbeck等[33]的研究表明，当土壤样品粒径<0.25 mm时气量法的测定结果之间的变异性最小，且6 h反应时间比2 h反应时间结果的重复性更好。Sherrod等[4]对比了使用20 mL与100 mL反应瓶进行气量法测定的试验结果，发现当SIC含量较低时使用20 mL反应瓶时气量装置内的压强更大，对气压变化更敏感，测定结果误差降低。今后可以考虑实验中调整反应时长、土样粒径大小以及反应瓶容积以提高该方法的精确度。间接法的变异系数范围最大，精确度最低。这主要是因为影响间接法测定结果的因素较多，包括元素分析仪的稳定性和SOC测定的准确性。但是，本研究中间接法的精确度仍在前人研究结果范围之内[34]。

综上所述，通过土壤样品的实际测定和回收率试验，本研究发现气量法、CO2吸收法和间接法均能用于苏北滨海土壤无机碳含量的测定，但是CO2吸收法和间接法的测定结果高于气量法。间接法的回收率被明显低估，这主要与重铬酸钾氧化法高估SOC含量有关。土壤平行样品的测定结果表明，CO2吸收法的精确度最高，其次为气量法，间接法的精确度最低。

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