土壤中元素碳的測(cè)定與研究

1、周斌等：土壤中元素碳的測(cè)定與研究 135土壤中元素碳的測(cè)定與研究周 斌，沈承德，易惟熙，孫彥敏中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所，廣東 廣州 510640摘要：采用化學(xué)方法測(cè)定土壤中元素碳的含量。取黃土樣品做本方法的平行性實(shí)驗(yàn)，平行性良好。取不同粒度周口店土樣做對(duì)比實(shí)驗(yàn)，粒徑小于710 mm的原始樣元素碳回收最高。同時(shí)對(duì)元素碳的來源、測(cè)定方法、研究意義進(jìn)行了初步探討。關(guān)健詞：元素碳；測(cè)定方法；土壤中圖分類號(hào)：P595 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-181X（2002）02-0133-03土壤的結(jié)構(gòu)特征、粒度、化學(xué)成分等包含了大量氣候環(huán)境信息?？茖W(xué)家們已從中提取了顆粒粒度分布、磁化率、植物硅酸體

2、、孢粉及碳氧同位素與10Be等多種氣候環(huán)境指標(biāo)1。而在環(huán)境研究領(lǐng)域，科學(xué)家更著重土壤相以及土壤中的各種污染如重金屬污染等的研究。重金屬污染及其在大氣-土壤-水中的遷移是極其復(fù)雜的，與其中的強(qiáng)吸附性的物質(zhì)如元素碳有很大的關(guān)系。有關(guān)土壤中元素碳的研究在我國剛剛起步2，3，其含量的分析測(cè)定還比較少見，目前國際上也尚無公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)方法。本文著重從元素碳的來源、測(cè)定方法、研究意義等幾方面進(jìn)行初步探討。1 元素碳的來源元素碳是指燃燒中產(chǎn)生的富C貧OH-S-N的化合物的總稱，包括碳屑、煙怠、絲碳、微晶石墨和碳黑等含碳微粒4。其來源有二，一是本地源：生物質(zhì)燃燒如森林大火、草原大火和農(nóng)田作物棄置物焚燒后直接留下的

3、碳顆粒物質(zhì)。二是外地源：工業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸過程中的化石燃料燃燒如煤和石油的燃燒，以及生物質(zhì)燃燒后微米級(jí)、次微米級(jí)顆粒，漂浮于大氣中，經(jīng)長距離傳輸后，降塵沉積在土壤中；已沉降的碳粒通過機(jī)械搬運(yùn)如流水沖刷、風(fēng)揚(yáng)起后再沉降?？傊?，有生物量燃燒就有元素碳的產(chǎn)生和積累5，6。2 研究方法20世紀(jì)70年代以來，科學(xué)家們采用各種方法對(duì)元素碳進(jìn)行定量分析712。最近，Bird等人4發(fā)展了一種化學(xué)方法，不但能從沉積物中定量分離元素碳，而且能對(duì)同一份樣品進(jìn)行碳同位素測(cè)定，從而使得元素碳研究既可用于定量恢復(fù)生物量燃燒的強(qiáng)度和頻率，還可為燃燒物質(zhì)來源提供可靠信息。2.1 樣品采集黃土樣品：研磨至200目，按約2 g、

4、2.5 g、3 g、3.5 g 4個(gè)等級(jí)各取3個(gè)樣，分兩批進(jìn)行平行實(shí)驗(yàn)。周口店樣品：按不同粒度取樣，做對(duì)比實(shí)驗(yàn)。2.2 化學(xué)流程樣品烘干，往其中加足量10%的HCl，去除碳酸鹽；加濃HF去除硅酸鹽；加0.1 M K2Cr2O7/2MH2SO4溶液去除有機(jī)碳，最后的殘留物即為元素碳。把殘留物裝入樣品管，于800 高溫下通過催化劑（Cu2+）催化，在氧化爐中灼燒，定量轉(zhuǎn)化為CO2，冷阱收集純化后的CO2通過微壓力計(jì)測(cè)定氣體壓力，進(jìn)而計(jì)算元素碳含量。本文方法測(cè)定結(jié)果給出總元素碳含量。3 結(jié)果與討論3.1 氧化時(shí)間在樣品的前處理過程中，氧化一步很關(guān)鍵，氧化時(shí)間的選擇直接關(guān)系到結(jié)果的準(zhǔn)確性。氧化時(shí)間過短

5、，其中所含有機(jī)碳雜質(zhì)，不能被完全去除；氧化時(shí)間過長，則可能損耗部分元素碳，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。研究表明120 h是比較理想的氧化時(shí)間長度；經(jīng)過120 h的氧化，既可除去絕大部分有機(jī)碳，又能保證元素碳基本上不受損耗13。3.2 平行實(shí)驗(yàn)結(jié)果平行實(shí)驗(yàn)包括同組個(gè)體平行，上下組平行性比較實(shí)驗(yàn)。通過平行實(shí)驗(yàn)，可以檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)流程可靠程度，同時(shí)還可獲取不同取樣量對(duì)平行性的影響。平行實(shí)驗(yàn)結(jié)果示于表1及圖1。表1 黃土樣品元素碳測(cè)定平行實(shí)驗(yàn)樣品號(hào)1234567891011樣品量/g1.797751.979701.983702.354252.445402.887503.032403.264203.283403.54520

6、3.56100元素碳含量/%0.009510.009660.009940.009730.008710.007190.009060.009800.009490.007120.01275 圖2 不同粒度的周口店土壤樣品元素測(cè)定結(jié)果 1：原始樣中較細(xì)部分 2：全樣 3：原始樣中較粗部分 4：60目樣品 5：120目樣品 6：200目樣品從表1及圖1可以看出：（1）11個(gè)樣品元素碳測(cè)定的平行結(jié)果的相對(duì)偏差為3.59%。（2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及實(shí)驗(yàn)過程的觀察表明取樣量以33.3 g較好。樣品量過多，如10號(hào)樣，化學(xué)處理后殘留物過多，裝入樣品管時(shí)，過于緊密集中，燃燒不完全，元素碳測(cè)定結(jié)果偏低；11號(hào)樣，有可能是

7、殘留物多，其中一些有機(jī)碳雜質(zhì)被包裹，難于被完全氧化，從而導(dǎo)致結(jié)果偏高。樣品量過低也不好，殘留物過少，不利于轉(zhuǎn)移。（3）元素碳吸附性強(qiáng)，為了提高回收率，HF反應(yīng)后，洗凈并立即轉(zhuǎn)移至玻璃離心管中。3.3 樣品粒度與元素碳含量測(cè)定表2 周口店土樣元素碳測(cè)定粒度試驗(yàn)樣品編號(hào)123456粒度原始樣細(xì)粒（710 mm）60目120目200目元素碳濃度/%0.04710.003590.002830.002410.001040.00207樣品的粒度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否有影響，尚無定論。過去的研究者憑經(jīng)驗(yàn)或認(rèn)為有影響，或認(rèn)為沒有影響，Bird等人4認(rèn)為所有沉積物樣品須過63 mm篩；另外有些研究者則認(rèn)為粒度對(duì)結(jié)果無影

8、響。本工作開展了不同粒度樣品元素碳濃度測(cè)定的對(duì)比研究，結(jié)果示于表2及圖2。由圖2、表2以及與表1對(duì)比可見：（1）周口店土樣元素碳值大大小于黃土樣中的元素碳值。（2）粒度不同，元素碳濃度的測(cè)定值也不同，樣品粒度對(duì)測(cè)定結(jié)果確有影響。（3）樣品粒度越小，元素碳濃度測(cè)定值隨粒度變化曲線的斜率則越小，最后趨于穩(wěn)定值。粒度對(duì)濃度的影響可能起因于元素碳的強(qiáng)吸附性，粒徑越小，吸附能力越強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)過程中損失量越大。1、2、3號(hào)樣的粒度濃度關(guān)系似乎與（2）的結(jié)論相違背。其解釋是：原始樣粗粒部分即3號(hào)樣中石英顆粒等物質(zhì)所占比例大，故元素碳濃度低。同理，2號(hào)樣低于過篩后的1號(hào)樣（ 710 mm）。1、3號(hào)樣平均值與2號(hào)

9、測(cè)量值相近的事實(shí)可說明數(shù)據(jù)可靠，解釋合理?；谏鲜龈鶕?jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們認(rèn)為類似1號(hào)樣粒度的原始樣，即篩去大顆粒石英，碳酸鹽等物質(zhì)后的原始樣（過710 mm篩），最適宜于元素碳提取實(shí)驗(yàn)。4 土壤中元素碳含量測(cè)定的意義土壤元素碳的測(cè)定方法適用于任何沉積物及大氣降塵中元素碳分析。大氣環(huán)境工作者很重視空氣中不溶碳質(zhì)氣溶膠的元素碳的測(cè)定和研究。大氣元素碳顆粒屬于PM2.5，又稱可吸入顆粒?？晌腩w粒物指標(biāo)已替代空氣質(zhì)量日?qǐng)?bào)中懸浮物指標(biāo)。目前可吸入顆粒物已經(jīng)成為我國城市大氣中的首要污染物，其濃度大小直接影響人類健康14。PM2.5比表面積大，吸附能力強(qiáng)，具易分散性，對(duì)于酸雨、光氧化煙霧的形成起重要的催化作用

10、。大氣元素碳等顆粒物質(zhì)影響地球的能量吸收，產(chǎn)生陽傘效應(yīng)。生物量燃燒實(shí)驗(yàn)（BIBEX）是全球變化研究中的國際全球大氣計(jì)劃（IGAC）所關(guān)注的兩項(xiàng)研究之一，其主要目標(biāo)是確定燃燒物質(zhì)對(duì)區(qū)域和全球大氣化學(xué)、氣候變化等方面的影響。冰芯中元素碳蘊(yùn)涵了古大氣信息6；中國黃土高原的黃土古土壤序列同樣包含了全球變化的信息，風(fēng)成黃土中元素碳記錄與冰芯中元素碳可對(duì)比研究，為古氣候環(huán)境研究提供了另一高分辨率指標(biāo)。土壤元素碳測(cè)定研究，對(duì)解決現(xiàn)代環(huán)境問題也有指導(dǎo)性意義。燃燒污染物主要來自森林火災(zāi)、農(nóng)業(yè)燃燒物、工業(yè)生產(chǎn)中化石燃料燃燒、交通運(yùn)輸中汽車的尾氣排放等等。元素碳13C數(shù)值是燃燒物料的重要指示劑，因此土壤元素碳的萃取

11、與研究可為合理治理環(huán)境污染提供依據(jù)。我國土壤環(huán)境污染問題亟待重視和解決。有關(guān)陸地生態(tài)系統(tǒng)重金屬污染物循環(huán)遷移累積規(guī)律的研究已成為環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題。影響土壤生態(tài)系統(tǒng)重金屬累積的外源因子很多，其中大氣沉降是一重要方面，其貢獻(xiàn)率在各種外源輸入因子中排在首位，大氣沉降對(duì)土壤重金屬累積的影響已引起各國的普遍重視3。元素碳是大氣沉降重要物質(zhì)之一，且具強(qiáng)吸附性，能吸附大量重金屬、有機(jī)有毒物等。因此研究元素碳對(duì)于土壤中重金屬、有機(jī)有毒物等在大氣土壤中的遷移有重大意義。參考文獻(xiàn)：1 WILLIAMS M A J, DUNCKERLEY D L, DECKER P DE, et al. 第四紀(jì)環(huán)境M. 劉東

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17、uangzhou Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences. Guangzhou 510640, ChinaAbstract: This paper determinated the content of elemental carbon in soil with chemical method. We did experiments about this methods parallelism adopting loess samples, and concluded that parallelism is good. We did contrastive experiments adopting Zhoukoudians samples of different fran