Rock-Eval热分解法及其在土壤有机碳研究中的应用

张延，高燕,2，张旸,2，Gregorich Edward，李秀军，陈学文，张士秀，梁爱珍

(1.中国科学院 东北地理与农业生态研究所 黑土区农业生态重点实验室，吉林 长春 130102；2.中国科学院大学，北京 100049；3.加拿大农业与农业食品部渥太华研究中心，渥太华 K1A 0C6)

0 引 言

土壤有机碳在全球碳循环和农业生态系统中起着重要角色[1]，其动态变化对大气CO2浓度[2]及土壤肥力具有显著的影响[3]。土壤有机碳发挥自身基础作用(提供养分)、物理作用(改善土壤结构)、化学作用(发挥水肥协同效应)、生物作用(提高生物活性)和环境作用(减少环境污染)的强弱，归根结底取决于其是否具备长期储存能力。土壤有机碳的最早研究集中于有机碳动态变化和总碳库储量估算[4-5]，随着研究的不断深入，发现不同土壤有机碳组分的储存能力、稳定性及周转时间均存在差异[6]，单纯阐述总有机碳变化难以全面揭示土壤有机碳的周转与变化机制[7]。因此，近年来土壤有机碳的相关研究更注重于不同组分的动态变化[8-10]。大量研究开始聚焦于土壤有机碳稳定性方面[11]。根据不同土壤有机碳组分的周转时间将其划分为活性及稳定性碳库，活性碳库主要为植物生长和微生物代谢提供营养元素运输和能量的供应，而稳定性碳库则是减缓大气CO2浓度上升和加强土壤固碳的重要途径[12]。活性及稳定性碳组分可通过不同提取方法(物理、化学及生物)进行表征，如可溶性碳、微生物量碳、可矿化碳(培养实验)、易氧化有机碳、颗粒态有机碳等均属于活性碳库。矿物结合碳、微团聚体结合碳、腐殖质以及酸水解不可溶有机碳等则属于稳定性碳库。

通过密度、粒径等物理方法获取的活性碳组分费用较低、耗时较长，若提取过程采用密度分组方法则会提高成本；利用盐酸或硫酸水解(化学方法)提取的活性碳组分及稳定性碳组分能否准确表征微生物对土壤有机碳利用的难易程度依然存在争议[13-14]；借助室内培养实验(生物分组方法)得到可矿化碳组分可有效表征活性碳库，但实验耗时较长。综上所述，目前关于土壤有机碳稳定性测定方法中主要存在两方面问题：(1)多个指标均可表征土壤有机碳稳定性，导致评价体系不统一，研究结论缺乏可比性[15]；(2)活性及稳定性组分测定方法存在耗时长、费用高或操作过程繁琐的弊端。因此，上述方法限制了大尺度范围内土壤有机碳稳定性的监测，目前急需一种成本低、效率高且可信度高的土壤有机碳稳定性测定方法来弥补现有不足[16]。

1 土壤有机碳研究的热分解技术及优缺点

热分解方法是一种通过温度升高过程中探测有机碳组分变化来表征土壤有机碳稳定性的技术[17-18]。研究显示，在热分解过程中土壤有机碳化学键断裂释放的能量，可模拟土壤微生物在降解土壤有机碳时需要的能量[19-20]，进而有效表征土壤有机碳的稳定性。

当前，土壤有机碳研究中应用范围较广的热分解方法主要有热裂解气相-质谱联用测定技术(Py-GC/MS)、热重分析技术(Thermogravimetry)、差示扫描量热分析技术(Differential Scanning Calorimetry)[21]以及Rock-Eval(RE)热分解技术[22-23]。Py-GC/MS技术主要根据热分解过程中释放的大量以植物为主要来源的聚合物(木质素、蜡和生物聚酯等)[24]，可以有效获得复杂有机混合物的结构信息[25]。该方法最早被应用于黑炭的研究中，常与固体交叉极化魔角自旋13C核磁共振技术(13C-NMR)联用，提供互补信息以反映土壤有机碳化学结构[26]。然而，该技术的弊端在于高温加热下仍存在未分解的有机碳组分，因此，Py-GC/MS技术难以全面表征土壤有机碳的化学结构。热重分析技术则是以氧气(20%)和氮气(80%)混合为介质(20 mL·min-1)，在加热过程中测定物质质量及其相应温度，用以定量计算物质成分，其原理与灼烧法类似[27]。差示扫描量热分析技术是在控制温度的条件下，以氦气为载气，根据土壤样品发生物理或化学变化时的能量改变(吸收或释放)得到其差示扫描量热分析曲线，并根据吸(放)热峰出现的温度、峰高和峰面积定量表征热焓的动态变化及相关特征[28]。热重分析和差示扫描量热技术分别反映样品在热反应过程中的质量和能量变化，可以定量计算土壤有机碳的组成成分。但二者均是在有氧条件下获取的土壤有机碳相关信息，其中含氧化合物有可能是加热过程中产生的新物质，并不存在于原位土壤中，降低了结果的可信度。相比较而言，RE热分解技术分为两个阶段，其中热解阶段在非氧气条件下利用升温进行土壤有机碳各组分测定，更好的模拟微生物在分解土壤有机碳时所需的能量[29]，较为准确地表征土壤有机碳稳定性[16]。由此近年来，RE热分解技术在国际上被较为广泛地应用在土壤有机碳稳定性的测定中[30-31]，但由于对该技术认知有限，目前在国内土壤学研究领域还未得到广泛应用。因此，本文着重于介绍RE技术的测定方法及相关指标，借助相关文献分析软件全面梳理该技术的发展现状及应用情况，以期助推该方法在土壤学研究中的应用。

2 Rock-Eval热分解技术测定方法

称取风干土壤样品70 mg，磨碎后过250 mm筛后，直接放入相关仪器用于RE热分解方法的测定。测定过程主要分为两个阶段：热解阶段和和燃烧阶段。(a)热解阶段：将土壤样品放置于升温速率为25 ℃·min-1的加热装置(纯氮气环境)，利用火焰离子化检测器(Flame ionization detector，FID)探测该阶段有机分子挥发释放的烃类化合物(Hydrocarbon，HC)，初始恒温阶段(300 ℃)产生的HC为S1组分(图1)，S2组分为300～650 ℃间释放的HC[32]。与此同时，通过红外探测器(Infrared detector，IR)测量该阶段(500 ℃以下，包括恒温阶段)含氧官能团所产生的CO和CO2气体，即为S3组分。(b)燃烧阶段：将经过热解阶段后的样品冷却并移至燃烧炉(纯氧环境)，从300 ℃加热至850 ℃并进行燃烧。使用IR检测器测定燃烧过程中约至700 ℃时释放的CO和CO2气体，定义为S4组分，其余碳酸盐矿物(方解石或白云石)在约700 ℃的较高温度下分解，该温度在氧化阶段检测到并测量为S5，一般S5组分在土壤有机碳的测定中不参与讨论。RE方法具体流程图参见图1。

图1 Rock-Eval 热分解法流程图[29]Fig.1 Flow diagram showing soil sample analyzed in Rock-Eval pyrolysis[29]

3 Rock-Eval 热分解技术参数计算

TOC为各组分释放的C的总量(HC、CO、CO2)，根据不同阶段的释放碳量及其相应的温度，可表征土壤有机碳活性及稳定性组分。其中，T50_HC_PYR(℃)代表在热解阶段(S2)释放的富氢化合物达到该部分总富氢化合物释放值50%时的温度，可表征土壤有机碳的活性碳库组分[33]，其平均存留时间在20年左右[16]。T50_CO2_OX(℃)代表在氧化阶段(S4)释放的CO2达到该部分总释放值50%时的温度，用来表征稳定性碳库，其平均存留时间在50～100年[20]。除表征土壤活性及惰性碳库外，其他指标也可表征土壤有机碳相关特征。其中，TMAX(℃)代表在热解阶段(S2)释放的富氢化合物达到峰值时对应的温度，TMAX的大小与土壤有机碳的类型有关[34]，反映了有机分子或C矿物键的C键能量，可作为指示土壤有机碳成熟度的指标[35]。HI表示在土壤有机碳中富氢化合物的相对含量[mg(HC)·g-1TOC]，计算方法如下(1)：

HI=S2/TOC

(1)

HI主要表示在土壤有机碳中富氢化合物的相对含量[16]，例如烷基碳(脂质)及含氧烷基碳(纤维素)等化合物[36]。根据已有的研究表明，HI值在不同的土地利用类型中存在差异，森林土壤[36]、草地[23]以及农田[37]的阈值分别为270～450 mg·kg-1、170～320 mg·kg-1和100～160 mg·kg-1。在相同土地利用类型中，不同的土壤质地其HI值也有所不同，表现为粘粒少或者砂粒多的土壤中HI值较高[23]。OICO表示在土壤有机碳在S3阶段释放的CO相对含量[mg(CO)·g-1TOC]，OICO2表示在土壤有机碳在S3阶段释放的CO2相对含量[mg(CO2)·g-1TOC]，OIRE6表示在土壤有机碳在S3阶段释放的O2相对含量[mg(O2)·g-1TOC]，分别按照以下公式(2、3、4)计算，该指标描述了土壤有机碳的相对氧化状态，随着土层深度的增加而升高[38]。

OICO=S3CO/TOC

(2)

OICO2=S3CO2/TOC

(3)

OIRE6=(OICO×16/28)+(OICO2×32/44)

(4)

4 Rock-Eval热分解方法在土壤学和有机碳研究中的应用现状

基于中国知网和 ISI Web of Science数据库核心集进行数据采集，检索时间为2020年7月19日。中国知网以“rock eval”和“土壤”为主题，文献类型为“期刊”，无时间范围设定，经检索后无相关文献。在ISI Web of Science数据库核心集中以“rock eval”和“soil”为主题，文献类型为“Article”，无时间范围设定，经检索后共获取109篇文献(图2)，采用Citespace软件进行分析。相关文献可视化分析软件较多，除Citspace外还有HistCite和RefViz等[39]，但不同软件各有优势[40]，Citespace软件以其强大的文献共引分析而知名，对特定研究领域发展与应用的认知中发挥着重要作用，已被广泛应用于计算机科学、信息科学、医学等多个研究领域[41]。

图2 检索文献在不同年份的发表数量Fig.2 Numbers of published literatures in different years

本研究将检索得到的数据命名为可识别文件名download_rock-eval并导入Citespace ，时间段(TimeSlicing)设定为1994-2020年，时间跨度(YearPer Slice)为1年，节点类型(Node Types)依次选择国家(Country)、关键词(Keyword)、学科(Category)和被引杂志(Cited journal)，年被引频次排名(Top N)为50，其他参数保持默认。分别生成合作网络、共现网络、共被引图谱，图谱根据需要调整阈值(Threshold)并进行基本特征分析。

根据发表文章总量的统计图(图2)可知，RE方法在土壤领域的应用始于1994年，自2002年后开始发展，但发表文章数量并无激增情况，近5年发文数量较之前有明显上升。在已有发表的文献中，根据其学科共现网络图(图3a)显示，主要研究领域集中于土壤科学(Soil Science)、环境生态科学(Enviromental Sciences and Ecology)、农业(Agriculture)以及地理科学(Geosciences)方面。关键词共现网络较为复杂(图3b)，根据调整阈值提取了出现频次较高的关键词，分别为“土壤有机质(soil organic matter)”、“有机碳(organic carbon)”、“动态变化(dynamics)”等，表明现有研究侧重于对土壤有机碳可矿化性的探寻，即其稳定性的测定。在RE方法的应用国家中，法国(France)占有绝对主导地位(图3c)，其次为瑞士(Switzerland)、德国(Germany)、英国(England)、美国(USA)以及加拿大(Canada)等。已发表文献的被引期刊均为综合学科、土壤学、环境科学等领域学术水平较高的国际权威期刊(图3d)，例如《Nature》《Science》《Soil Biology and Biochemistry》《Geoderma》及《Science Total of Environment》等。

注：节点的大小代表出现频次的高低；节点越大出现频次越高；节点间连线粗细代表二者间共现或者共被引强度高低。Note:The size of nodes represents the frequency of occurrence.The larger the node,the higher the frequency of occurrence.The thickness of the line between nodes represents the intensity of co-occurrence or co-citation between them.图3 (a)学科共现网络、(b)关键词共现网络、(c)国家合作网络、(d)被引杂志共被引图谱特征Fig.3 The spectral feature of(a) Category co-occurring,(b) Keyword co-occurring,(c) Country cooperation and (d) Cited journal co-citation

5 RE方法在土壤有机碳领域的应用进展

利用RE方法对来自不同纬度、不同生态系统及不同土层的约100个土壤样品进行测定，结果证明该方法可以为进一步认知土壤有机碳的形成提供重要信息[23]。同时RE方法可以与其他土壤有机碳测定技术相结合，已有文献报道表明，红外光谱[42]、13C核磁共振技术[43]、土壤物理分组[36]以及通过化学氧化剂测定土壤有机碳组分的方法[31]与RE方法获得的土壤有机碳组分可建立较好的关系或互相印证。已有研究利用RE与红外光谱联合测定了温带沼泽地区的土壤有机质，指出黑碳是大分子土壤有机碳结构中的重要组成[42]。将RE与核磁共振方法对土壤有机碳进行了测定，详细阐述了RE各个组分与土壤有机碳各官能团的关系，并进一步证明了RE在土壤有机碳测定中的有效性[43]。同时，RE测定结果与培养实验中土壤可矿化碳的数据进行了对比分析[29]，结果表明RE与稳定性存在显著相关关系，但是由于土地类型的差异对土壤有机碳组分存在影响，因此该结果仍需要在更多不同类型土壤中进行验证[44]。综合来看，RE方法具有以下两点优势：一是该方法中样品不需要前处理，可以保证土壤有机碳信息的可靠性；二是该方法在热解阶段通过升温导致化学键断裂的过程，可以较好地模拟微生物产生酶进而利用土壤有机碳的过程。今后的研究中我们可以利用RE方法来代替传统矿化培养实验来表征土壤稳定性，从而节省大量时间，为我国较大区域进行土壤有机碳稳定性研究提供了便捷手段。

6 展 望

目前，土壤学研究中大尺度、高精度的土壤样品中有机碳的原位测定方法鲜有报道，亟待加强[11]。关于土壤有机碳稳定性表征系统中，现有测定方法不统一，导致研究结果间缺乏可比性。而RE热分解方法作为土壤学领域兴起的研究方法，其表征土壤有机碳生物稳定性的有效性已经在国际上被证明，相关成果均发表于国际高水平期刊上。与传统的室内矿化实验以及物理化学提取碳库方法相比，该方法具有不破坏土壤样品、操作易行、耗时较少以及后期结果易于处理等优点，也可以避免培养实验中的测定误差，更有利于在不同土壤类型及土壤质地中进行对比。现今，由于国内对该技术的认知限制，并无RE方法在土壤有机碳稳定性研究方面的应用。建议在土壤有机碳稳定性研究，尤其是未来大尺度土壤有机碳监测中采用RE方法进行测定，并建立不同土地利用方式、气候类型以及不同土壤质地间土壤有机碳稳定性的相关数据库，形成比较网络及研究体系，完善我国土壤有机碳监测系统。