土壤中元素碳的测定与研究

1、土壤中元素碳的测定与研究周 斌，沈承德，易惟熙，孙彦敏中国科学院广州地球化学研究所，广东 广州 510640摘要：采用化学方法测定土壤中元素碳的含量。取黄土样品做本方法的平行性实验，平行性良好。取不同粒度周口店土样做对比实验，粒径小于710 mm的原始样元素碳回收最高。同时对元素碳的来源、测定方法、研究意义进行了初步探讨。关健词：元素碳；测定方法；土壤中图分类号：P595 文献标识码：A 文章编号：1008-181X（2002）02-0133-03土壤的结构特征、粒度、化学成分等包含了大量气候环境信息。科学家们已从中提取了颗粒粒度分布、磁化率、植物硅酸体、孢粉及碳氧同位素与10Be等多种气候环

2、境指标1。而在环境研究领域，科学家更着重土壤相以及土壤中的各种污染如重金属污染等的研究。重金属污染及其在大气-土壤-水中的迁移是极其复杂的，与其中的强吸附性的物质如元素碳有很大的关系。有关土壤中元素碳的研究在我国刚刚起步2，3，其含量的分析测定还比较少见，目前国际上也尚无公认的标准方法。本文着重从元素碳的来源、测定方法、研究意义等几方面进行初步探讨。1 元素碳的来源元素碳是指燃烧中产生的富C贫OH-S-N的化合物的总称，包括碳屑、烟怠、丝碳、微晶石墨和碳黑等含碳微粒4。其来源有二，一是本地源：生物质燃烧如森林大火、草原大火和农田作物弃置物焚烧后直接留下的碳颗粒物质。二是外地源：工业生产、交通运

3、输过程中的化石燃料燃烧如煤和石油的燃烧，以及生物质燃烧后微米级、次微米级颗粒，漂浮于大气中，经长距离传输后，降尘沉积在土壤中；已沉降的碳粒通过机械搬运如流水冲刷、风扬起后再沉降。总之，有生物量燃烧就有元素碳的产生和积累5，6。2 研究方法20世纪70年代以来，科学家们采用各种方法对元素碳进行定量分析712。最近，Bird等人4发展了一种化学方法，不但能从沉积物中定量分离元素碳，而且能对同一份样品进行碳同位素测定，从而使得元素碳研究既可用于定量恢复生物量燃烧的强度和频率，还可为燃烧物质来源提供可靠信息。2.1 样品采集黄土样品：研磨至200目，按约2 g、2.5 g、3 g、3.5 g 4个等级

4、各取3个样，分两批进行平行实验。周口店样品：按不同粒度取样，做对比实验。2.2 化学流程样品烘干，往其中加足量10%的HCl，去除碳酸盐；加浓HF去除硅酸盐；加0.1 M K2Cr2O7/2MH2SO4溶液去除有机碳，最后的残留物即为元素碳。把残留物装入样品管，于800 高温下通过催化剂（Cu2+）催化，在氧化炉中灼烧，定量转化为CO2，冷阱收集纯化后的CO2通过微压力计测定气体压力，进而计算元素碳含量。本文方法测定结果给出总元素碳含量。3 结果与讨论3.1 氧化时间在样品的前处理过程中，氧化一步很关键，氧化时间的选择直接关系到结果的准确性。氧化时间过短，其中所含有机碳杂质，不能被完全去除；氧

5、化时间过长，则可能损耗部分元素碳，影响实验结果。研究表明120 h是比较理想的氧化时间长度；经过120 h的氧化，既可除去绝大部分有机碳，又能保证元素碳基本上不受损耗13。3.2 平行实验结果平行实验包括同组个体平行，上下组平行性比较实验。通过平行实验，可以检验实验流程可靠程度，同时还可获取不同取样量对平行性的影响。平行实验结果示于表1及图1。表1 黄土样品元素碳测定平行实验样品号1234567891011样品量/g1.797751.979701.983702.354252.445402.887503.032403.264203.283403.545203.56100元素碳含量/%0.0095

6、10.009660.009940.009730.008710.007190.009060.009800.009490.007120.01275 图2 不同粒度的周口店土壤样品元素测定结果 1：原始样中较细部分 2：全样 3：原始样中较粗部分 4：60目样品 5：120目样品 6：200目样品从表1及图1可以看出：（1）11个样品元素碳测定的平行结果的相对偏差为3.59%。（2）实验结果以及实验过程的观察表明取样量以33.3 g较好。样品量过多，如10号样，化学处理后残留物过多，装入样品管时，过于紧密集中，燃烧不完全，元素碳测定结果偏低；11号样，有可能是残留物多，其中一些有机碳杂质被包裹，难于

7、被完全氧化，从而导致结果偏高。样品量过低也不好，残留物过少，不利于转移。（3）元素碳吸附性强，为了提高回收率，HF反应后，洗净并立即转移至玻璃离心管中。3.3 样品粒度与元素碳含量测定表2 周口店土样元素碳测定粒度试验样品编号123456粒度原始样细粒（<710 mm）全样原始样粗粒（>710 mm）60目120目200目元素碳浓度/%0.04710.003590.002830.002410.001040.00207样品的粒度对实验结果是否有影响，尚无定论。过去的研究者凭经验或认为有影响，或认为没有影响，Bird等人4认为所有沉积物样品须过63 mm筛；另外有些研究者则认为粒度对结

8、果无影响。本工作开展了不同粒度样品元素碳浓度测定的对比研究，结果示于表2及图2。由图2、表2以及与表1对比可见：（1）周口店土样元素碳值大大小于黄土样中的元素碳值。（2）粒度不同，元素碳浓度的测定值也不同，样品粒度对测定结果确有影响。（3）样品粒度越小，元素碳浓度测定值随粒度变化曲线的斜率则越小，最后趋于稳定值。粒度对浓度的影响可能起因于元素碳的强吸附性，粒径越小，吸附能力越强，实验过程中损失量越大。1、2、3号样的粒度浓度关系似乎与（2）的结论相违背。其解释是：原始样粗粒部分即3号样中石英颗粒等物质所占比例大，故元素碳浓度低。同理，2号样低于过筛后的1号样（< 710 mm）。1、3号

9、样平均值与2号测量值相近的事实可说明数据可靠，解释合理。基于上述根据实验结果，我们认为类似1号样粒度的原始样，即筛去大颗粒石英，碳酸盐等物质后的原始样（过710 mm筛），最适宜于元素碳提取实验。4 土壤中元素碳含量测定的意义土壤元素碳的测定方法适用于任何沉积物及大气降尘中元素碳分析。大气环境工作者很重视空气中不溶碳质气溶胶的元素碳的测定和研究。大气元素碳颗粒属于PM2.5，又称可吸入颗粒。可吸入颗粒物指标已替代空气质量日报中悬浮物指标。目前可吸入颗粒物已经成为我国城市大气中的首要污染物，其浓度大小直接影响人类健康14。PM2.5比表面积大，吸附能力强，具易分散性，对于酸雨、光氧化烟雾的形成起

10、重要的催化作用。大气元素碳等颗粒物质影响地球的能量吸收，产生阳伞效应。生物量燃烧实验（BIBEX）是全球变化研究中的国际全球大气计划（IGAC）所关注的两项研究之一，其主要目标是确定燃烧物质对区域和全球大气化学、气候变化等方面的影响。冰芯中元素碳蕴涵了古大气信息6；中国黄土高原的黄土古土壤序列同样包含了全球变化的信息，风成黄土中元素碳记录与冰芯中元素碳可对比研究，为古气候环境研究提供了另一高分辨率指标。土壤元素碳测定研究，对解决现代环境问题也有指导性意义。燃烧污染物主要来自森林火灾、农业燃烧物、工业生产中化石燃料燃烧、交通运输中汽车的尾气排放等等。元素碳13C数值是燃烧物料的重要指示剂，因此土

11、壤元素碳的萃取与研究可为合理治理环境污染提供依据。我国土壤环境污染问题亟待重视和解决。有关陆地生态系统重金属污染物循环迁移累积规律的研究已成为环境科学领域的热点问题。影响土壤生态系统重金属累积的外源因子很多，其中大气沉降是一重要方面，其贡献率在各种外源输入因子中排在首位，大气沉降对土壤重金属累积的影响已引起各国的普遍重视3。元素碳是大气沉降重要物质之一，且具强吸附性，能吸附大量重金属、有机有毒物等。因此研究元素碳对于土壤中重金属、有机有毒物等在大气土壤中的迁移有重大意义。参考文献：1 WILLIAMS M A J, DUNCKERLEY D L, DECKER P DE, et al. 第四纪

12、环境M. 刘东生等译. 北京: 科学出版社, 1997: 232-239.2 杨英，沈承德，易憔熙，等. 21 ka以来渭南黄土剖面的元素碳记录J. 科学通报，2001, 6(8): 688-690.3 张乃明. 大气沉降对土壤重金属累积的影响J. 土壤与环境, 2001, 10(2): 91-93.4 MICHAEL I BIRD, DARREN R GROCKE. Determination of the abundance and carbon isotope composition of elemental carbon in sedimentsJ. Geochica et Cosmo

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17、an-minGuangzhou 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 franular