CN103940980A - 一种用于测量土壤有机碳含量的装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于测量土壤有机碳含量的装置：一真空泵，通过波纹管连接液氮冷阱；两高真空三通接头，其中一个用于连接液氮冷阱和CO₂收集管，另一个用于连接挤压管和水捕集阱；挤压管上设有螺旋式阀门；水捕集阱通过CO₂冷阱连接CO₂收集管；CO₂冷阱顶部设有两个螺旋式阀门；由上述装置构成真空系统。本发明还公开了利用上述装置测量土壤有机碳含量的方法。本发明具有操作方便、成本低、分析速度快、可批量进行等特点。

Description

一种用于测量土壤有机碳含量的装置和方法

技术领域

本发明属于环境科学研究领域，具体地涉及一种用于测量土壤有机碳含量的装置。

本发明还涉及一种利用上述装置测量土壤有机碳含量的方法。

背景技术

土壤有机质是土壤固相基质的重要组成部分，尽管它从重量上看仅占土壤很小的一部分，但是它与土壤肥力、土壤固碳、土壤环境解毒功能以及农业可持续发展等方面均存在密切关系。首先，土壤有机质含有十分丰富的微生物和植物所需的营养元素，是植物和微生物生命活动的能源，对土壤的基本理化性质有着深刻影响；其次，土壤有机质中很大一部分是腐殖物质，其具有十分活跃的氧化还原能力，这会显著影响重金属、农药等各种无机与有机污染物在土壤环境中的行为；再次，土壤有机碳库被认为是影响全球碳循环的主要因素，它是陆地生态中最大的碳库，其微弱的变化都将导致生态系统以及大气CO₂浓度发生显著改变，从而影响气候变化。由此可见，研究土壤有机质在诸多学科领域中都有着十分重要意义，而深刻认识土壤有机质的功能一个必不可少的环节就是需要对土壤有机碳含量进行监测。目前测定土壤有机碳含量的方法主要有很多，其中较为经典的是重铬酸钾外加热法与总有机碳分析仪法。

重铬酸钾外加热法是利用过量的重铬酸钾作为氧化剂来氧化土壤有机碳，而剩余的重铬酸钾用标准硫酸亚铁溶液进行滴定，通过重铬酸钾的消耗量来计算土壤有机碳含量。重铬酸钾外加热法操作较为繁琐，耗时长，污染较大，回收率也较低。

总有机碳分析仪法是采用高温电炉灼烧和气相色谱装置相结合来自动分析总有机碳的含量，该方法具有较高的稳定性和回收率，是目前测量土壤有机碳含量最为精确的方法，但由于很多科研工作者受到仪器的限制，该方法未能被广泛采用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于测量土壤有机碳含量的装置。

本发明的又一目的在于提供一种利用上述装置测量土壤有机碳含量的方法。

为实现上述目的，本发明提供的用于测量土壤有机碳含量的装置，包括：

一真空泵(A)，通过波纹管(M)连接液氮冷阱(L)；

第一高真空三通接头(C1)和第二高真空三通接头(C2)，第一高真空三通接头(C1)的一个接头与第二高真空三通接头(C2)的一个接头通过玻璃管(K1)相连，第一高真空三通接头(C1)的另二个接口分别连接液氮冷阱(L)和CO₂收集管(H)，第二高真空三通接头(C2)的另二个接口分别连接挤压管(B)和水捕集阱(E)；挤压管(B)上设有螺旋式阀门(J1)；

水捕集阱(E)通过CO₂冷阱(G)连接CO₂收集管(H)；CO₂冷阱(G)顶部设有两个螺旋式阀门(J2、J3)；

由上述装置构成真空系统。

所述的装置，其中，第一高真空三通接头(C1)与液氮冷阱(L)和CO₂收集管(H)之间分别安装有第一高真空阀门(D1)和第三高真空阀门(D3)；第二高真空三通接头(C2)与水捕集阱(E)之间安装有第二高真空阀门(D2)。

所述的装置，其中，水捕集阱(E)的填充物为无水高氯酸锰(O)，水捕集阱的两端填充有石英棉(N1、N2)。

所述的装置，其中，CO₂收集管(H)上设有压力计(I)。

本发明提供的利用上述装置测量土壤有机碳含量的方法：

1)将土壤样品与氧化铜装于氧化管中，并加入银丝以去除样品在氧化过程中产生的硫化物气体；

2)将氧化管套入真空系统中进行抽真空，待系统真空度达到极限后，烧封氧化管并于800-900℃下反应，样品被氧化生成CO₂、水蒸气与不可冷凝的气态氧化物；

3)将氧化后的氧化管放入挤压管中，将挤压管套入真空系统中，待系统真空度达到极限后，破碎氧化管使得土壤样品生成的混合气体经过水捕集阱，以除去水蒸气，余下气体则继续通过CO₂冷阱，使CO₂被冷凝而不可冷凝的杂气则被真空泵抽出；

4)通过加热使步骤3的CO₂释放并引入已知体积的CO₂收集管中，通过CO₂收集管上的压力计读数测量CO₂的生成量，并计算出土壤有机碳含量。

所述的方法，其中，步骤1的土壤样品用0.5mol L^-1HCl进行预处理，去除土壤中的碳酸盐，避免无机碳对测定土壤有机碳含量的影响。

所述的方法，其中，步骤1的氧化铜为线状氧化铜，在使用氧化铜之前，首先需要对其进行过100目筛，以除去细颗粒状的氧化铜，将过筛后的线状氧化铜放在900℃条件进行预热2小时，以除去氧化铜表面的有机物。

所述的方法，其中，步骤3的CO₂冷阱温度为-185℃，通过将CO₂冷阱浸入纯液氮得以实现。

所述的方法，其中，步骤4中将CO₂引入CO₂收集管的方法是通过将CO₂收集管浸入纯液氮得以实现。

所述的方法，其中，步骤4中压力计所测定出的CO₂压力P，根据公式PV＝nRT计算出CO₂的生成摩尔数n，土壤有机碳含量的计算用公式TOC(％)＝12n/w×100表示，该公式中的w为土壤样品重量，单位为g。

本发明具有步骤简单、操作方便、成本低、分析速度快、可批量进行等优点，为科研工作者基于土壤有机碳含量来探讨资源与环境领域等问题提供重要的方法支撑。

附图说明

图1是本发明的装置示意图。

图2是挤压管示意图。

图3是水捕集阱示意图。

图4是本发明所测量出的土壤有机碳含量的结果(横坐标)与总有机碳分析仪法所测量的结果(纵坐标)之间的线性相关性图。

附图中主要组件符号说明：

A是真空泵，B是挤压管，C1是第一高真空三通接头，C2是第二高真空三通接头，D1是第一高真空阀门，D2是第二高真空阀门，D3是第三高真空阀门，E是水捕集阱，F是高真空二通接头，G是CO₂冷阱，H是CO₂收集管，I是压力计，J1、J2与J3是螺旋式阀门，K1与K2是玻璃管，L是液氮冷阱，M是波纹管，N1与N2是石英棉，O是无水高氯酸锰。

具体实施方式

本发明的用于测量土壤有机碳含量的装置如图1所示，是一构成封闭回路的真空系统。具体地：

一真空泵A，可采用旋片式真空泵，用于维持制样系统的真空度，系统真空度的极限可达到<2.0Pa，通过波纹管M连接液氮冷阱L，该液氮冷阱L浸入纯液氮，主要是用于冷凝系统中的杂气，同时可防止真空泵A返油。该液氮冷阱L通过第一高真空阀门D1连接至第一高真空三通接头C1中的一个接口，第一高真空三通接头C1的第二个接口与第二高真空三通接头C2的一个接口相连，第一高真空三通接头C1的另一个接口通过第三高真空阀门D3与CO₂收集管H连接；第二高真空三通接头C2的另二个接口分别连接挤压管B和水捕集阱E；第二高真空三通接头C2与水捕集阱E之间设有第二高真空阀门D2，水捕集阱E是为了冷凝水蒸气纯化CO₂。水捕集阱E通过高真空二通接头F与CO₂冷阱G的一端连接，CO₂冷阱G浸入纯液氮，使其温度达到-185℃，以冷凝CO₂气体，同时将剩余的杂气抽走，达到纯化CO₂的目的。CO₂冷阱G的另一端连接用于收集纯化后CO₂的CO₂收集管H，CO₂收集管H是连接在一高真空四通接头上，该高真空四通接头的另三个接口分别连接CO₂冷阱G、第三高真空阀门D3与压力计I，该压力计I用于测量CO₂压力。CO₂冷阱G顶部设有两个螺旋式阀门J2与J3，挤压管B上设有螺旋式阀门J1(如图2所示)。水捕集阱E的结构图如图3所示，其中的填充物为无水高氯酸锰O，两端填充有石英棉N1与N2。

本发明的挤压管B的接口通过连接一个9mm转6mm的高真空转换接头可用于连接测量时用的氧化管。

本发明的装置在测量土壤有机碳含量时主要是两个过程，一是对待测土壤样品进行抽真空，使得样品的氧化过程在真空状态下进行，二是对土壤样品氧化产生的CO₂进行纯化。

第一个过程步骤如下：

首先称取土壤样品和稍过量的氧化铜于氧化管中，并放入1～2根小银丝以去除样品在氧化过程中产生的硫化物气体等，然后在离还原管口端约2cm处放上石英棉，以防止粉末状的土壤被真空泵抽出而污染真空系统，随后将氧化管套入装置中，当真空度达到真空极限时,用火焰枪烧封，最后将处于真空状态下的氧化管放在900℃的微波马弗炉中灼烧3小时，使土壤有机质被充分氧化，生成CO₂、水蒸气与一些不可冷凝的气态氧化物杂质。

第二个过程步骤如下：

首先将氧化后的氧化管放入挤压管中，再将挤压管套入装置中进行抽真空，当真空度达到极限时，破碎氧化管，让氧化管中生成的混合气体经过水捕集阱，以冷凝混合气体中的水蒸气，然后让余下的气体通过CO₂冷阱，使CO₂被冷凝，而其余的气体则被真空泵抽走；经过上述两步纯化过程的CO₂被加热引入压力计部分，通过压力计读数测量其压力P。

土壤有机碳含量的估算首先是将P代入公式PV＝nRT计算得出CO₂的生成摩尔数n，然后将n和土壤样品重量w(g)代入公式TOC(％)＝12n/w×100即可计算得出土壤有机碳含量。

下面通过具体实施例对本发明做进一步说明。

本发明对20个土壤样品的有机碳含量进行测定，并将其测定结果与总有机碳分析仪法的测定结果进行对比，验证本发明的可靠性。

本发明具体的技术方案包括：土壤碳酸盐的预处理、土壤有机碳的氧化、CO₂的纯化与测量。

土壤碳酸盐的预处理包括如下步骤：

(1)将采回的土壤样品置于低温(<40℃)烘箱中进行烘干；

(2)用玻璃瓶将土壤样品进行机械压碎，并过2mm筛子；

(3)用镊子挑除肉眼可见的植物残体等杂质；

(4)称取约5g土壤样品于50ml的离心管中，加入0.5mol L^-1HCl溶液，混匀并浸泡约24小时，期间不断混匀并排除产生的CO₂气体；

(5)离心去除上清液，并用去离子水冲洗5次以上至中性；

(6)将冲洗好的样品置于60℃的烘箱中烘干；

(7)用玛瑙研钵将烘干好的样品研磨至100目以上。

土壤有机碳的氧化包括如下步骤：

(1)称取一定质量的土壤样品与足够量的氧化铜于氧化管中，并加入1～2根小银丝；

(2)将称氧化管套入装置中进行抽真空，待系统真空度达到极限后，烧封氧化管并放在900℃条件下反应3个小时。

CO₂的纯化与测量包括如下步骤：

(1)将氧化后的氧化管放入挤压管中，然后再将挤压管套入装置中，待系统真空度达到极限后，破碎氧化管使得土壤样品生成的混合气体经过水捕集阱，余下气体则继续通过CO₂冷阱，使CO₂被冷凝而不可冷凝的杂气则被真空泵抽出；

(2)利用加热方法将经过步骤(1)纯化后的CO₂释放，并将其引入已知体积的CO₂收集管中，读取连接在CO₂收集管上的压力计读数，即为CO₂压力P。

土壤有机碳含量的估算首先是将P代入公式PV＝nRT计算得出CO₂的生成摩尔数n，然后将n和土壤样品重量w(g)代入公式TOC(％)＝12n/w×100即可计算得出土壤有机碳含量。

总有机碳分析仪法的步骤包括土壤碳酸盐的预处理和上机分析。

如图4所示，本发明所测量出的土壤有机碳含量的结果与总有机碳分析仪法所测量的结果具有很好的线性相关性，R²＝0.98，表明本发明是一种可靠的用于测量土壤有机碳含量的技术方法。

Claims (10)

1.一种用于测量土壤有机碳含量的装置，包括：

一真空泵(A)，通过波纹管(M)连接液氮冷阱(L)；

第一高真空三通接头(C1)和第二高真空三通接头(C2)，第一高真空三通接头(C1)的一个接头与第二高真空三通接头(C2)的一个接头通过玻璃管(K1)相连，第一高真空三通接头(C1)的另二个接口分别连接液氮冷阱(L)和CO₂收集管(H)，第二高真空三通接头(C2)的另二个接口分别连接挤压管(B)和水捕集阱(E)；挤压管(B)上设有螺旋式阀门(J1)；

水捕集阱(E)通过CO₂冷阱(G)连接CO₂收集管(H)；CO₂冷阱(G)顶部设有两个螺旋式阀门(J2、J3)；

由上述装置构成真空系统。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，第一高真空三通接头(C1)与液氮冷阱(L)和CO₂收集管(H)之间分别安装有第一高真空阀门(D1)和第三高真空阀门(D3)；第二高真空三通接头(C2)与水捕集阱(E)之间安装有第二高真空阀门(D2)。

3.根据权利要求1所述的装置，其中，水捕集阱(E)的填充物为无水高氯酸锰(O)，水捕集阱的两端填充有石英棉(N1、N2)。

4.根据权利要求1所述的装置，其中，CO₂收集管(H)上设有压力计(I)。

5.利用权利要求1所述装置测量土壤有机碳含量的方法：

1)将土壤样品与氧化铜装于氧化管中，并加入银丝以去除样品在氧化过程中产生的硫化物气体；

2)将氧化管套入真空系统中进行抽真空，待系统真空度达到极限后，烧封氧化管并于800-900℃下反应，样品被氧化生成CO₂、水蒸气与不可冷凝的气态氧化物；

3)将氧化后的氧化管放入挤压管中，将挤压管套入真空系统中，待系统真空度达到极限后，破碎氧化管使得土壤样品生成的混合气体经过水捕集阱，以除去水蒸气，余下气体则继续通过CO₂冷阱，使CO₂被冷凝而不可冷凝的杂气则被真空泵抽出；

4)通过加热使步骤3的CO₂释放并引入已知体积的CO₂收集管中，通过CO₂收集管上的压力计读数测量CO₂的生成量，并计算出土壤有机碳含量。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，步骤1的土壤样品用0.5molL^-1HCl进行预处理，去除土壤中的碳酸盐，避免无机碳对测定土壤有机碳含量的影响。

7.根据权利要求5所述的方法，其中，步骤1的氧化铜为线状氧化铜，在使用氧化铜之前，首先需要对其进行过100目筛，以除去细颗粒状的氧化铜，将过筛后的线状氧化铜放在900℃条件进行预热2小时，以除去氧化铜表面的有机物。

8.根据权利要求5所述的方法，其中，步骤3的CO₂冷阱温度为-185℃，通过将CO₂冷阱浸入纯液氮得以实现。

9.根据权利要求5所述的方法，其中，步骤4中将CO₂引入CO₂收集管的方法是通过将CO₂收集管浸入纯液氮得以实现。

10.根据权利要求5所述的方法，其中，步骤4中压力计所测定出的CO₂压力P，根据公式PV＝nRT计算出CO₂的生成摩尔数n，土壤有机碳含量的计算用公式TOC(％)＝12n/w×100表示，该公式中的w为土壤样品重量，单位为g。