总有机碳分析仪测定植物总有机碳含量的方法

2017-07-15李朝英郑路

江苏农业科学 2017年9期

李朝英++郑路

摘要：为了摸索TOC（总有机碳）分析仪测定植物TOC含量的方法、保证植物碳素研究获得准确可靠数据提供参考，对不同进样量和不同类型植物样品TC（总碳）、IC（无机碳）含量的测定结果进行分析探讨。结果表明，不同进样量测定的TC含量存在不同差异，进样量在45～55 mg，TC含量的精密度与准确性较高。植物的IC含量为0，TC=TOC。TC含量在1.89～29.12 mg，TC的回归方程为YTC=133.7X+77.431（r2=0.999），回收率为101.24%；IC的回归方程为YIC=108.5X+56.307（r2=0.999 5），回收率为99.24%。以上述方法测定植物TOC的方法准确高效，适用于不同类型、不同含量的植物样品的TOC测定。

关键词：总有机碳（TOC）分析仪；植物；TOC；碳素研究；进样量；回收率

中图分类号： Q94-334文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2017）09-0155-03

植被为大气CO2重要的碳汇，其碳汇功能对碳收支平衡起着不可替代的作用[1-2]，目前，植被碳储量成为气候变化科学研究领域和国际社会关注的热点[3-4]。植被作为陆地生态系统一大碳库，其积累和分解变化直接影响全球的碳平衡，其研究成为国内外学术热点。植物有机碳含量是研究植被碳储量的关键因素之一[5]。目前国内实验室测定有机碳的常规化学方法是重铬酸钾外加热法[6-8]，这种方法不仅对环境有污染，还常受加热条件难控制、人为操作误差大等因素干扰而产生一定偏差[9-11]。TOC（总有机碳）分析仪法自动化程度高，误差小，检测准确稳定[12]。在国内，TOC分析仪多用于测定水体介质有机物总量等[13-15]；在在固体碳素测定运用方面，可见TOC分析仪测定土壤、污泥碳素的报道[16-17]，未见植物碳素测定方法的报道。植物与土壤的结构特性有差异，两者以TOC分析仪测定TOC含量的方法是否因此而有不同的问题无从参考。因此，试验采用TOC分析仪测定乔木、灌木、草本植物的TC（总碳）、IC（无机碳的含量），以TC-IC含量得到TOC含量，讨论进样量、样品粒度对TC、IC含量测定的影響，检验测定方法的精密度及准确性，以期建立TOC分析仪测定植物TOC的可靠方法，为植物碳素研究提供有力支持。

1材料与方法

1.1试剂与仪器

25%磷酸，优级纯葡萄糖、碳酸氢钠。电子分析天平（BSA124S-CW，赛多利斯科学仪器公司）；TOC分析仪（Japan SHIMADZU TOC-L SSM5000A）；精密鼓风干燥箱（BPG-9240A，上海一恒科技有限公司）；植物粉碎机（DWF-90，河北省黄骅县科研仪器厂）

1.2样品与试剂处理

2014年8—9月于中国林业科学研究院热带林业实验中心伏波实验场采集格木（Erythrophleum fordii）的枝、混合草叶2个植物样品；在夏石大山采集马尾松（Pinus massoniana）、米老排（Mytilaria laosensis）的叶、枝、皮、干、根，林下灌木的叶、枝、根，林下草本的叶、根，林下的凋落物，共计19个样品。植物样品在干燥箱中65 ℃烘干后粉碎过60目筛，检测前植物样品在烘箱中以65 ℃烘至恒质量后在干燥器中冷却存放。TC标准物葡萄糖105 ℃烘2 h后放入干燥器中冷却存放。IC标准物碳酸氢钠270 ℃烘3 h后放入干燥器中冷却存放。

1.3试验原理

样品分别放入高温燃烧腔和低温反应腔中，高温燃烧腔的样品经900 ℃燃烧，所含有机碳及无机碳氧化生成CO2；低温反应腔中的样品加入磷酸后，在200 ℃条件下促进无机碳酸盐分解生成CO2。以上2种情况所产生的CO2分别导入非分散式红外线分析仪（NDIR）光谱定量检测出TC、IC，由差减式TC-IC得出TOC含量[18-20]。

1.4试验方法

1.4.1进样量的选择

分别称取过0.25 mm筛的植物样品格木叶（植物样1）、混合草叶（植物样2）25.0、35.0、45.0、55.0、65.0、75.0、85.0、95.0 mg，分别测定TC、IC，重复3次。

1.4.2标准曲线建立

称取葡萄糖5、25、65、75、80、90 mg，分别测TC含量，建立TC含量标准曲线。称取碳酸氢钠5、45、85、125、165、205、245 mg，分别测定IC含量，建立IC含量标准曲线。

1.4.3回收率试验

根据“1.3”部分2种选择的进样量，称取植物样品格木叶（植物样1）12份，3份加葡萄糖2.7 mg（含TC 1 mg），3份加13.7 mg（含TC 5 mg）测定TC。3份加碳酸氢钠6.99 mg（含IC 1 mg），3份加碳酸氢钠34.9 mg（含IC 5 mg）测定IC含量。

1.4.4实际样品测定

“1.2”节所述夏石大山的19个植物样品按“1.4.1”确定的进样量分别测定TC、IC含量，并求TOC含量，每个样品重复3次。

1.5数据分析

经Excel软件进行数据处理，采用SPSS 19.0软件进行数据统计分析。

2结果与分析

2.1不同进样量的TC含量测定

由图1可知，植物1的进样量在25～45 mg时TC含量呈增长趋势，进样量在45～55 mg时TC含量趋于平稳，进样量大于55 mg时TC含量出现明显升降。植物2的进样量在 25～45 mg 时TC含量呈增长趋势，进样量在45～75 mg 时TC含量趋于平稳，进样量大于75 mg时TC含量呈继续增长趋势。

由表1可知，植物1进样量为25～55 mg、植物2进样量为25～75 mg时，检测峰正常；植物1进样量为65～95 mg、植物2进样量为85～95.0 mg时，检测峰异常，峰顶呈平顶。TC的量（mg）=进样量（mg）×样品TC含量（g/kg）/1 000 计算，植物1进样量65 mg的TC的量为30.35 mg，植物2进样量85 mg的TC的量为32.95 mg。可见样品进样量偏大，TC量大于30 mg时的检测峰异常，这是因为待测气体浓度高出检测器量程[21]。所以植物1可选用进样量范围为25～55 mg，植物2可选用进样量范围为25～75 mg。由表1还可知，植物1、植物2进样量小于45 mg的TC含量偏小，且CV随着进样量增加有降低趋势；植物1进样量为45～55 mg，植物2进样量在45～75 mg范围内的TC含量的CV小于1%，说明植物1进样量为45～55 mg时，植物2进样量在45～75 mg时的精密度高于进样量小于45 mg时。

综上可知，植物样品的TC量大于30 mg时，则超出检测器量程。植物1进样量在45～55 mg之间，植物2进样量在45～75 mg之间，样品代表性强，检测结果趋于稳定，精密度高，是适宜进样量。植物2的TC含量低于的植物1的，植物2适用的进样量范围大于植物1，但进样量在45～55 mg范围，同时适用植物1、植物2。

2.2不同进样量的IC含量测定

由表2可知，植物1、植物2以25、35、45、55、65、75、85、95 mg进样量加入25%磷酸0.5 mL，测得IC含量均为0，说明植物1、植物2不含含碳酸盐，TC含量=TOC含量。由于45～55 mg进样量有一定的代表性，所以本试验建议测定IC含量可采用的进样量为45～55 mg。

2.3标准曲线及线性范围

由图2可知，以绝对碳含量（mg）为X轴，峰面积为Y轴，得到TC标准曲线Y=0.135 2X-132.53，相關系数r2=0999 8。葡萄糖取5～80 mg时，TC量为1.82～29.12 mg，检测峰正常，回归方程Y2=133.7X+77.43（r2=0.999），线性良好；葡萄糖取5～90 mg时，TC量为1.82～32.76 mg，回归方程Y1=128.7X+127.7（r2=0.995），线性欠佳。其中，葡萄糖为90 mg，TC量为32.76 mg，检测峰异常。由图3可知，以绝对碳含量为X轴，峰面积为Y轴，碳酸氢钠取5～205 mg 时，IC量为0.715～29.315 mg，检测峰正常，回归方程Y2=108.5X+56.30（r2=0.999），线性良好；碳酸氢钠取5～245 mg、IC量为0.715-32.76 mg，回归方程Y1=105.5X+87.15（r2=0.998），线性降低。碳酸氢钠245 mg、IC量为 32.76 mg 时，检测峰异常。综上可知，TC量在1.82～29.12 mg、IC量在0.715～29.315 mg时，碳含量（mg）和峰面积线性良好，检测准确性高。

2.4方法的精密度与准确度

由表3可知，TC的回收率为98.07%～99.23%，RSD小于3%。IC的回收率为98.54%～99.23%，RSD小于3%。说明检测方法具良好的精密度与准确度。

2.5不同类型植物样品的检测

由表4可知，19个植物样品的TC含量为117.2～523.67 g/kg，包含了高、中、低TC含量样品。19个植物样品包含了乔木、灌木、草植物的叶、枝、皮、干、根器官样品及凋落物样品。19个植物样品测定TC的检测峰正常，CV均小于3%，精密度良好；19个植物样的IC均为0，说明19个不同类型植物样均未检出碳酸盐，所以植物TC含量=TOC含量，这与“2.1”所述一致。

采取“2.2”节所述进样量测定，19个样品均未超出线性范围，其中TC含量最高的马尾松叶的TC量为28.80 mg。本试验提出的进样量适用于多类型植物。从表4可知，不同树种的TOC含量经比较表现如下规律针叶树>阔叶树>灌木>草本>凋落物。

3结论

植物样品进样量在45～55 mg（即50 mg+5 mg）之间，可克服样品不均匀等干扰，有一定的代表性，测定结果精密度与准确性良好，能满足检测需求。植物光合作用过程将大量的CO2转化为有机碳，植物从土壤吸收极其微量的无机碳参与生长代谢。所以植物样品IC为0，TC含量=TOC含量。本试验采用针叶、阔叶、灌木、草本的不同器官及凋落物等多类样品所测得TOC含量在117.20～523.67 g/kg，包含TOC含量高、中、低样品，TOC含量在1.82～29.12 mg范围内，线性良好。由TC的量（mg）=进样量×样品TC含量（g/kg）计算，TC（TOC）含量580 g/kg植物样品进样量50 mg时的TC量为29 mg，在线性范围内，而植物TOC含量通常高达 550 g/kg[22]，所以50 mg+5 mg 的进样量适用于植物TOC含量的测定，且没有超出线性范围。

不同树种TOC含量大小所呈现的规律为针叶树>阔叶树>灌木>草本>凋落物，与有关研究结果[22-23]一致。本试验提出的TOC分析仪测定植物TOC含量的方法准确可靠，为实验室日常检测分析植物碳素提供指导参考。

4讨论

植物TOC含量多在200～550 g/kg之间[22]，进样量大，则可能出现待测气体浓度易超出仪器检测量程的问题。因此，植物TOC含量的适宜进样量为50 mg+5 mg，远小于测定土壤、污泥TOC含量所用的100～250 mg进样量[9，16-17]。土壤的TOC含量低，多在50 g/kg以下，进样量小，峰面积小，易受基线波动影响，进样量达到一定量才有利于避免检测干扰，保证检测稳定。可见，植物与土壤2类样品碳素含量差异较大，进样量的选择也不同。

参考文献：

[1]沈彪，党坤良，武朋辉，等. 秦岭中段南坡油松林生态系统碳密度[J]. 生态学报，2015，35（6）：1798-1806.

[2]齐光，王庆礼，王新闯，等. 大兴安岭林区兴安落叶松人工林植被碳贮量[J]. 应用生态学报，2011，22（2）：273-279.

[3]黄松殿，吴庆标，廖克波，等. 观光木人工林生态系统碳储量及其分布格局[J]. 生态学杂志，2011，30（11）：2400-2404.

[4]王效科，冯宗炜，欧阳志云. 中国森林生态系统的植物碳储量和碳密度研究[J]. 应用生态学报，2001，12（1）：13-16.

[5]刘华，雷瑞德. 我国森林生态系统碳储量和碳平衡的研究方法及进展[J]. 西北植物学报，2005，25（4）：835-843.

[6]张全军，于秀波，钱建鑫，等. 鄱阳湖南矶湿地优势植物群落及土壤有机质和营养元素分布特征[J]. 生态学报，2012，32（12）：3656-3669.

[7]郭泉水，康义，赵玉娟，等. 三峡库区消落带氮磷钾、pH值和有机质变化[J]. 林业科学，2012（3）：7-10.

[8]鲍士旦. 土壤农化分析[M]. 3版.北京：中国农业出版社，2000.

[9]庞奖励，张健，黄春长. High TOCⅡ分析仪快速测定土壤和黄土样品中的有机碳[J]. 分析仪器，2003（1）：34-37.

[10]刘凤枝. 农业环境监测实用手册[M]. 北京：中国标准出版社，2001.

[11]郝冠军，黄懿珍，赵晓艺，等. 重铬酸钾外加热法测定土壤有机质的不确定度评定[J]. 上海农业学报，2011，27（3）：103-109.