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土壤有机质不同测定方法的对比

作者:未知

  摘 要:有机质是土壤的重要组成部分,是作物养分管理中的重要因素之一,土壤有机质含量的测定也是指导合理施肥的重要依据之一。不同有机质检测方法测定的结果也不盡相同,本文通过分析3种不同原理有机质检测方法的优缺点,为有机质测定方法的比较和测定结果在农业生产实践中的应用提供建议。
  关键词:有机质;灼烧法;化学氧化法;光谱法
  中图分类号:S-3
  文献标识码:A
  DOI:10.19754/j.nyyjs.20190930007
  有机质是土壤固相组成的主要成分之一,虽然有机质含量仅占土壤重量很小一部分(我国土壤有机质含量一般在0.2%~7.5%,大多数土壤有机质含量仅为0.5%~2.5%)[1],但是土壤有机质与土壤的物理、化学以及生物学特性存在千丝万缕的关系,是土壤的重要组成部分。土壤有机质含量能有效评价土壤的肥力状况,对于指导合理施肥有重要的作用,同时对于保护土壤环境和农业的可持续发展也有重要的意义。本文通过实验室不同有机质测定方法之间的对比,希望能为有机质检测方法选择和结果应用提供参考依据。
  1 有机质测定方法
  土壤有机质的测定方法较多,常用的方法有干烧法、湿烧法,容量分析法(比如:重铬酸钾容量法(外加热法)和稀释热法(水合热法))、比色法、直接灼烧法等,容量分析法是常规实验室使用较普遍的方法之一[2]。根据土壤有机质测定原理不同,检测方法主要分为灼烧法和化学氧化法2种。其中灼烧法是通过高温条件,使有机质分解出CO2,通过灼烧前后样品质量的变化或CO2的分解量推算有机质含量的一种方法。化学氧化法是通过氧化土壤有机碳所消耗氧化剂的量来确定有机质含量的一种方法。实验室常用的重铬酸钾氧化-外加热(容量法)、碱溶比色法等属于化学氧化法[3]。灼烧法和化学氧化法,是直接进行有机碳含量的测定方法,相对于而言光谱法则是一种根据有机质的光谱特征间接测定有机质含量的方法。因此,根据检测的原理,本文主要针对TOC分析法,重铬酸钾氧化-外加热法(容量法)以及土壤光谱法三种方法进行对比和分析。
  1.1 灼烧法-TOC分析法
  灼烧法是通过碳氮自动分析仪并结合高温电炉等前处理设备进行有机质检测的方法,常用的检测设备包括总有机碳(TOC)分析仪、High TOC II分析仪、CNS元素分析仪等[4],其仪器原理基本相似,是将有机碳通过高温(350~1000℃)氧化碳成为CO2,通过灼烧前后的质量差或者通过测量释放出CO2量,推算有机质的含量。灼烧法操作相对简便,可以直接进行原始土样检测,无需复杂的前处理,检测效率较高,适合实验室批量样品的测定[5]。
  TOC分析法,是通过添加盐酸除去土壤样品中无机碳对测量结果的影响,直到反应完全,样品不再起泡,将烘干的样品放入TOC分析仪中,在高温条件下,通过触媒的催化作用,将有机碳完全氧化成为CO2,在净化混合气体之后,提纯CO2气体,然后通过红外检测器检测确定样品中有机碳的含量[5]。虽然TOC分析仪测定具有操作简单、分析时间短、样品消耗少等优点,但是样品预处理过程中残留的酸会严重影响设备的使用寿命,而且TOC分析仪价格偏高,因此该方法未得到有效的推广和普及[6]。
  1.2 化学氧化法重铬酸钾氧化-外加热法(容量法)
  化学氧化法在酸性环境中通过不同的氧化剂氧化土壤中的有机碳,根据氧化剂的消耗量来测算有机质的含量,这种检测方法能够消除碳酸盐对测定结果的影响,操作相对简便,结果准确度也较高。重铬酸盐氧化法、过硫酸盐氧化法、臭氧氧化法和微波消解法等均采用了化学氧化法的原理。常规实验室常用的方法是重铬酸钾氧化-外加热法(容量法):在高温条件下,用过量的重铬酸钾-硫酸溶液氧化土壤中有机碳,并用硫酸亚铁标准溶液回滴过量的重铬酸钾,通过氧化过程中消耗重铬酸钾的量推算有机碳含量[6],结合转化系数计算有机质的含量。为了能够有效地消解土壤中的有机碳,通过稀释加热或者外加热的方式进行加热,其中外加热法氧化温度较高(170~180℃),实验室一般采用油浴加热,有机碳的氧化率可达90%~95%(相对于干烧法),本测定方法计算有机质含量需要辅助校正系数1.1,由于消解程度不同,不同质地的土壤检测结果存在一定的差异。
  1.3 土壤光谱法
  土壤的光谱反射特性是土壤基本性质之一,与土壤的物化性质密切相关[7]。不同土壤形态发射的特征曲线也有所不同,这种特性为研究土壤性状提供了新的途径和指标[8]。土壤有机质光谱测定法是一种间接有机质的检测方法,该方法是根据土壤自身的光谱特点,通过有机质在特定光谱带中反射率的变化估测有机质含量。土壤光谱分析具有分析速度快,能够实现样品的在线检测和无损检测。赵锁劳[9]等在2002年首次尝试了运用光谱法对我国黄土区有机质含量进行分析评价,石朴杰[10]等通过以河南永城矿区复垦农田为例,对土壤有机质的实测含量与光谱测定结果进行线性分析,建立了多种有机质含量和高光谱估测模型,为土壤有机质含量的特征光谱测定奠定了基础。
  2 有机质测定方法优缺点比较
  综上对常用有机质测定方法的分析,不同的有机质检测方法由于检测原理和分析设备的不同,存在着各自的优缺点。
  2.1 灼烧法
  灼烧法操作简单,适合大量样品的快速测定。目前,TOC分析仪测定土壤有机碳含量的方法已经被普遍接受,可以相对快速地完成实验室批量样品的测定。就TOC分析法本身而言,有机碳测量值与有机质含量之间的转化系数为经验系数,对于不同质地的土壤而言,其检测结果存在差异。
  2.2 化学氧化法
  化学氧化法可以通过容量法和比色法来测定有机质含量,不需要高端的预处理和检测设备。重铬酸钾氧化—外加热法(容量法)被广泛用作实验室中土壤有机质含量的检测。但是该方法必须对待测土样进行风干处理,样品的前处理工作量较大。水稻土等处于长期淹水状态的土壤,由于还原性物质较多,重铬酸钾用量较多,会间接导致测定结果虚高。如果土壤有机质含量超过150g/kg,在样品称样量较少的情况下,测定结果会出现偏差。   2.3 土壤光谱法
  光谱法操作简單、方便,适合快速估测土壤有机质含量。但是光谱测定过程中,测定标准不统一,由于土壤光谱形成是多种因素作用的结果,不同的土壤类型其光谱特征有所不同,诸如样品处理不一致等因素可能导致结果差异,而且光谱仪设备价格昂贵,限制了其使用范围。但是利用光谱法检测相近地块有机质含量,可以满足省时、省力和高效的要求。
  3 结论与展望
  常规的方法测定有机质,通过现场采样,实验室化学分析,耗时、费力、效率低,但是具有一定的通用性,尤其是重铬酸钾氧化法广泛应用于生产实践和科研、教学等领域。相比而言,光谱法在测定土壤有机质具有更多的优势,尤其是结合了遥感技术,光谱测定有机质含量将显示出巨大的应用前景。然而由于土壤光谱的复杂性和土壤光谱测定的标准不统一,测定设备昂贵等因素的限制,光谱的测定方法未能得到广泛的推广和应用。
  参考文献
  [1] 刘焕龙.肥料配方师[M].北京:中国农业大学出版社,2013:11-24.
  [2]张新明,徐新超.植物养分资源化学分析及其应用[M].北京:中国农业出版社,2018:10-25.
  [3]刘征捷.土壤有机质良种测定方法对比分析[J].农业经济与科技,2016,27(12):42-45.
  [4]李志鹏,潘根兴,李恋卿,等.水稻土和湿地土壤有机碳测定的CNS元素分析法与湿消化容量法之比较[J].土壤,2008,40(4):580-585.
  [5]吴才武,夏建新,段峥嵘,等.土壤有机质测定方法评述与展望[J].土壤,2015,47(3):453-460.
  [6] 陈碧珊,陈诗敏,何炽鹏.雷州半岛红树林湿地表层沉积物颗粒度分布特征[J].现代地质,2019(01):198-205.
  [7]徐彬彬.土壤光谱反射特性研究及其应用[J].土壤学进展,1987,15(1):1-7.
  [8]戴昌达.中国主要土壤光谱反射特性分类与数据处理的初步研究[C].北京:科学出版社,1981:315-323.
  [9]赵锁劳,彭玉魁.我国黄土去土壤水分、有机质和总氮的近红外光谱分析[J].分析化学,2002(8):978-980.
  [10]石朴杰,王世东,张合兵,等.基于高光谱的复垦农田土壤有机质含量估测[J].土壤,2018,50(3):558-565.
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