球磨儀塑料管法用于土壤有機碳測定可行性探討*

劉慧

沈陽農業大學土地與環境學院 沈陽 110161

0 引言

土壤有機碳是通過微生物作用所形成的腐殖質、動植物殘體和微生物體的合稱。土壤有機碳作為土壤養分轉化和質量演變的核心，代表著土壤肥力的大小，影響著土壤理化性質和土壤微生物活性，是評估土壤質量高低的重要指標[1-2]。

土壤有機碳傳統測定方法為重鉻酸鉀容量法—外加熱法。但該方法只能氧化約90%的有機碳[3]，且實驗步驟煩瑣，誤差較大，不適用于批量樣品的測定。元素分析儀法以其方便、快捷、精準的優勢被廣泛應用于土壤有機碳測定。

球磨儀是近年來實驗室研磨儀器中的新寵，相比較傳統常規的研磨設備，其工作效率高且穩定，研磨效果良好，可對多種類型的樣品進行研磨，可以實現樣品的均質化和混合化。用聚四氟乙烯或聚丙烯塑料管和多孔深孔板配套，一次可同時、快速研磨多個樣品。而且粉碎后的樣品不用轉移直接儲存在塑料管內，可減少樣品的損失和交叉污染。然而，由于塑料管成分中碳含量很高，對樣品有機碳測定值產生影響。Isaac-Renton 等[4]在測定樹木纖維素δ13C 時，前處理采用聚丙烯（PP）塑料管粉碎樣品。結果顯示，撞擊出來的塑料粉末顆粒的碳同位素信號會干擾到樣品的δ13C。李蕾等[5]對比了聚四氟乙烯（PTFE）塑料管研磨法和不銹鋼管研磨法處理C4 植物糙隱子草δ13C 的測定結果。PTFE 塑料顆粒的混入，導致單個葉片δ13C 測定誤差高達8‰。現有文獻大多數是研究植物樣品塑料管研磨對碳同位素δ 值的影響，對土壤樣品有機碳含量的影響還未見報道。塑料管研磨法是否可以用于土壤樣品的前處理？如果采用此方法對結果的影響有多大？本實驗用4 種塑料管處理土壤樣品，以瓷研缽作對照來分析塑料管對土壤樣品有機碳含量的影響。研究結果可為塑料管研磨法在土壤樣品前處理上的應用提供依據。

1 材料與方法

1.1 實驗設計

本實驗共設置4 個不同處理：1）4 種塑料管在未清洗的情況下對土壤有機碳含量的影響；2）塑料管清洗后對土壤有機碳含量的影響；3）塑料管不同清洗方式對土壤有機碳含量的影響；4）塑料管不同研磨時間對土壤有機碳含量的影響。4 種塑料管體積均為2 mL，用元素分析儀（Elementer Vario，EL cube）測定土壤樣品有機碳含量。清洗方法為超聲波清洗儀（KH-500DE）清洗，清洗功率80%，溫度25 ℃，超聲時間10 min。清洗溶劑為超純水、無水乙醇、丙酮，每個處理清洗3 次，然后放入烘箱中60℃烘干備用。研磨時間設定為2，3，4，5，6，7，8 min，研磨儀為GRINDER GT200，每個處理重復3 次。

1.2 樣品采集和處理

土壤樣品采自棕壤長期輪作施肥定位實驗站0～20 cm 表層土，放置室內通風陰涼處風干，然后除去植物殘體如根、莖、葉、蟲體和石塊等雜物，用木棍和瓷研缽研細，全部過2.0 mm 孔徑篩。然后用四分法取樣過0.25 mm 孔徑篩后保存備用。再將處理過的樣品分為兩組，一組用瓷研缽繼續研磨過0.125 mm 孔徑篩，一組裝進塑料管，裝入土樣約為1 mL。每個塑料管里裝一個鋯珠，研磨時間為3 min，研磨儀和研磨配件如圖1所示。

圖1 研磨儀和研磨配件

1.3 元素分析

研磨后的土壤樣品稱量30～40 mg，包入錫杯，壓實后用元素分析儀測定樣品有機碳含量。為了檢驗儀器的準確性并矯正系統漂移，在測量過程中每20 個樣品插入一個土壤標準樣品。

1.4 數據處理

數據計算、圖表繪制采用Microsoft Excel 2016 和SPSS22.0 軟件，所用數據均為3 次測定值的平均值。

2 結果與分析

2.1 未清洗塑料管對土壤有機碳含量的影響

圖2 顯示，4 種塑料管在未清洗情況下有機碳含量大小順序為D ＞C ＞B ＞A ＞CK，相比CK 分別高出15.6%、8.15%、5.52%、1.33%；和CK 相比較研磨管A 差異不顯著，B 和C 差異顯著，研磨管D 差異極顯著。4 種研磨管在未清洗的情況下對有機碳含量測定值均產生影響。其中A 影響最小，D影響最大。

圖2 不同塑料管有機碳含量

2.2 清洗塑料管對土壤有機碳含量的影響

用超純水對4 種塑料管進行超聲波清洗，然后測定土壤有機碳含量，測定結果和未清洗塑料管進行比較，計算相對百分含量，結果如圖3所示。A、B、C、D 塑料管清洗和未清洗差異均未達到顯著水平，A 管差異最小，為99.8%；D 管差異最大，為97.9%。因此，研磨管清洗雖然可以降低有機碳含量的影響，但未達到顯著效果。

圖3 塑料管清洗和未清洗有機碳相對百分含量

2.3 塑料管不同清洗方式對土壤有機碳含量的影響

超純水清洗不能消除研磨管對碳含量的影響，那么其他溶劑清洗效果會不會好于超純水？由圖4可知，4 種塑料管用3 種溶劑清洗后A 管沒有差異，B、D、C 管酒精（無水乙醇）和丙酮均低于超純水，降低幅度在0.01%～2.09%之間，4 種塑料管酒精和丙酮之間均無顯著差異。和CK 相比較酒精和丙酮清洗后4 種塑料管有機碳含量均高于CK，增加幅度在1.17%～11.05%之間。原因可能為研磨管內殘存的塑料微粒較少，酒精和丙酮清洗可以降低樣品碳含量，效果要優于超純水，但同樣不能消除塑料管對測定結果的影響。

圖4 塑料管清洗和未清洗有機碳相對百分含量

2.4 塑料管不同研磨時間對土壤有機碳含量的影響

球磨儀的研磨時間根據樣品具體類型、球料比、出料粒度和實驗要求而確定。用塑料管處理樣品，除了要考慮上述要求外，也應考慮塑料管本身會不會隨著研磨時間的增加而釋放的塑料顆粒也增加這一因素，實驗結果如圖5所示。A 管隨著研磨時間的延長，有機碳含量沒有明顯變化；B、C、D 管基本是隨著研磨時間的增加有機碳含量逐漸增加，最大值比最小值高3.42%、5.46%、5.80%。原因可能為隨著研磨時間的延長，不同塑料管撞擊產生的塑料顆粒量不同，硬度較大的聚四氟乙烯管抗撞擊能力更強，產生的塑料顆粒更少。

圖5 不同研磨時間有機碳含量

3 結束語

利用球磨儀塑料管研磨法處理土壤樣品會影響土壤有機碳測定的準確度，硬度較大的聚四氟乙烯塑料管影響不顯著，在要求精度不高的實驗教學中可以應用。一些塑料管幾乎不含氮、氧、硫這三種元素，所以在測定這幾個元素時可以使用相關塑料管處理土壤樣品。