CN114577663B - 一种分离和定量分析河滩土壤中生物可利用有机碎屑的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种分离和定量分析河滩土壤中生物可利用有机碎屑的方法。该方法主要是将从河岸滩地区域采集的土壤样品与水混合，搅动使有机碎屑悬浮，将上悬浮液依次过不同孔径的滤网获得有机碎屑；将有机碎屑投入密度为1.4g/mL的硅胶悬浮液中，静置分层，将上悬浊液用孔径0.15mm的滤网过滤，将下层混合物过滤得到密度>1.4g/mL的有机碎屑；将滤网上的有机碎屑再投入密度为1.2g/mL的硅胶悬浮液中，静置分层，将上悬浊液用孔径为0.15mm的滤网过滤，将下层混合物过滤后得到密度大于1.2g/mL且小于等于1.4g/mL的有机碎屑，滤网上的有机碎屑即为密度≤1.2g/mL的有机碎屑。本发明可实现对河滩土壤中生物可利用有机碎屑的分离提取、密度界定以及不同密度生物可利用有机碎屑的定量分析。

Description

一种分离和定量分析河滩土壤中生物可利用有机碎屑的方法
技术领域
本发明属于河流生态系统对洪水过程的响应研究领域，涉及分离和定量分析河滩土壤中的有机物质的方法。
背景技术
洪水过程是一种天然的水文现象，河流中修筑的水利工程改变了天然洪水过程。越来越多的报道显示洪水作为一种天然的水文情势，在生态系统中发挥着重要的作用。洪水过程将河流生态系统与陆地生态系统进行连接，使两个原本互相独立的系统在洪水作用下进行暂时的物质、信息以及能量交换，该交换过程对于两个系统都是十分必要的。对于河流系统来说，借由洪水过程将陆地上的物质带入河流中，增加了水体的营养度，为河流生态系统的正常发展提供了河流本身无法产生的能量。
河岸滩地区域是陆地生态系统中生态活动最为密集的区域之一，受到河流与陆地的双重影响。在洪水过程中河岸滩地区域对于河流能量贡献最高，在非洪水时期受到降雨径流的作用，河岸滩地区域仍持续向河流贡献物质。河岸滩地区域通常在平原地区形成，而江河流域大部分都位于平原地区，使得河岸滩地区域对河流生态系统产生了举足轻重的作用。因此，对河滩土壤进行研究，对于了解河流生态系统与陆地生态系统的相互影响十分必要。
目前对于河滩土壤的研究集中在微塑料方面。针对微塑料，现有的分离方法主要有筛选法、密度分离法、人为挑选和红外光谱法，其中红外光谱法具有准确性高的特点，密度分离法具有快速经济的特点。但由于河滩土壤成分不同于微塑料，其中的有机碎屑多为复杂的混合物，红外光谱法无法使用。而普通的无机溶液与有机碎屑难亲和同时溶液的酸碱性对有机碎屑本身有腐蚀影响，因此采用一般溶液密度分层也较为困难。通常，生物可直接利用的有机碎屑尺寸在0.15～0.3mm之间。而大颗粒的有机碎屑无法被河流生态系统中的动物直接利用，需要经过河流生态系统的二次反应才能参与到物质循环中。正是由于河滩土壤中有机碎屑的分离困难，目前的研究多集中在水体营养有机碎屑物方面，河岸滩地区域的物质研究多采用生物表征与生物样本捕捞解剖的手段，对于河滩本身产生的生物可利用有机碎屑的研究未见报道。因此，研究出经济有效的方式分离河滩土壤中的有机碎屑，并以此为基础进一步定量分析河滩与河流的物质交换情况，对了解陆地生态系统与河流生态系统之间的相互作用关系具有重要意义，还能为水利枢纽的泄水调度提供理论支持。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种分离和定量分析河滩土壤中生物可利用有机碎屑的方法，以实现对河滩土壤中生物可利用有机碎屑的分离提取、密度界定以及不同密度生物可利用有机碎屑的定量分析。
为实现上述目的，本发明提出以下技术方案。
本发明提供的分离和定量分析河滩土壤中生物可利用有机碎屑的方法，包括以下步骤：
(1)选定河岸滩地区域作为目标采样区域，在目标采样区域选定非岩石土质区，使用环刀采样，每一相同点位采集至少3个平行样；
(2)将采集的各样品自然干燥，挑除各样品中包括石块、树枝以及塑料在内的杂质，然后将各样品轻柔碾磨至样品中不出现土壤团；
(3)取步骤(2)碾磨后的某一样品置于容器中与水混合，搅动上清液使有机碎屑悬浮与沉积的泥沙分离，然后将容器中的上悬浮液依次过孔径为0.3mm和0.15mm的滤网，收集两个滤网中的有机碎屑；
(4)①将步骤(3)收集的有机碎屑投入密度为1.4g/mL的硅胶悬浮液中，充分静置，将上悬浊液倾倒至孔径为0.15mm的滤网上过滤；将倾倒后剩下的混合物过滤，得到密度大于1.4g/mL的有机碎屑；
②将步骤①滤网上的有机碎屑投入密度为1.2g/mL的硅胶悬浮液中，充分静置，将上悬浊液倾倒至孔径为0.15mm的滤网上过滤；将倾倒后剩下的混合物过滤，得到密度大于1.2g/mL且小于等于1.4g/mL的有机碎屑；滤网上的有机碎屑即为密度小于等于1.2g/mL的有机碎屑；
(5)分别将步骤(4)分离得到的处于不同密度区间的有机碎屑清洗、烘干、称重，得到样品在密度大于1.4g/mL、密度大于1.2g/mL且小于等于1.4g/mL、密度小于等于1.2g/mL这三个密度区间的有机碎屑的质量，以及各密度区间的有机碎屑在各样品中的占比；
(6)对其余样品重复操作步骤(3)～(5)，得到各样品在密度大于1.4g/mL、密度大于1.2g/mL且小于等于1.4g/mL、密度小于等于1.2g/mL这三个密度区间的有机碎屑的质量，以及各密度区间的有机碎屑在各样品中的占比。
上述方法的步骤(1)中，由于碎石河滩中的生物生产力较弱，并且环刀在碎石区域使用无法采集到足够的有效样品，为减少不同点位之间的系统误差，目标采样区域的选取尽量避免碎石河滩。为了充分了河岸滩地区域的生物可利用有机碎屑的密度、密度分布及含量等情况，步骤(1)可在目标采样区域分多点进行采样。
上述方法的步骤(2)中，将采集的各样品平铺置于通风处自然干燥。
上述方法的步骤(2)中，在样品碾磨过程中应轻柔研磨以免破坏有机碎屑，例如，可采用碾磨钵轻柔碾磨样品，并可在碾磨过程中摇晃碾磨钵使样品混合。该步骤研磨的作用是初步让有机碎屑与土壤分离。将各样品碾磨至样品中不出现土壤团，其中的土壤团是指小块或小颗粒土壤聚集在一起形成的尺寸大于1cm的土壤团聚物质。
上述方法的步骤(3)中，在搅动上清液使有机碎屑悬浮时，应注意搅动力度、速度和频率以避免破坏有机碎屑，可选择依靠手动搅动的方式使有机碎屑悬浮，手动搅动能更好地根据有机碎屑悬浮情况控制搅动强度、速度和频率，例如可以采用手腕进行搅动。该步骤搅动至大部分泥沙沉积，小部分轻质泥沙和尽量多的有机碎屑悬浮即可。进一步地，对于同一样品，该步骤的操作可重复几次尽可能收集全土壤中的有机碎屑，例如可重复该步骤的操作1～3次。
上述方法的步骤(3)中，容器中碾磨后的样品与水的比例关系，与采用的容器的形状有关，水的用量应完全淹没样品且水面应高出容器底部沉积的泥沙至少25cm。
上述方法的步骤(3)中，在进行将容器中的上悬浮液依次过孔径为0.3mm和0.15mm的滤网这一操作时，滤网的放置方式为0.3mm孔径的滤网在上，0.15mm孔径的滤网在下的堆叠方式。含有机碎屑的上悬浮液从0.3mm孔径的滤网顶部进入，上悬浮液中含有的少量轻质泥沙的粒径通常小于0.15mm，通过滤网过滤可实现分离。
本发明的技术方案中，之所以用不同的硅胶悬浊液将样品中的有机碎屑按照密度的差异分三个密度区间分开收集，是因为通过河滩生物样品解剖发现，生物可直接利用的有机碎屑物质密度在1.2～1.4g/mL之间，多为草本碎屑和小型昆虫以及微生物代谢团。步骤(4)选用的硅胶悬浮液具有化学惰性，且其粘度合适，可在不破坏有机碎屑的基础上实现不同密度有机碎屑的分开收集。
上述方法的步骤(4)中，静置的时间至少应使步骤(3)收集的不同密度的有机碎屑在硅胶悬浮液中分开形成悬浮层和沉积层，静置时间通常为20～60min。
上述方法的步骤(4)中，硅胶悬浮液的用量至少应使步骤(3)收集的不同密度的有机碎屑在硅胶悬浮液中分开形成便于倾倒分开的悬浮层和沉积层，硅胶悬浮液的用量与步骤(3)收集的有机碎屑的量有关，有机碎屑的量越多，硅胶悬浮液的用量就越多。通常，为实现明显的碎屑分层硅胶悬浮液的液面高度至少应达到7cm。
上述方法的步骤(5)中的烘干操作的温度不超过60℃。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明的方法能够对河滩土壤中有机碎屑物质进行分离提取和不同密度的界定，实现河滩土壤中生物可利用有机碎屑的提取和定量分析，可用于进一步研究河滩与河流的物质交换情况，有助于了解陆地生态系统与河流生态系统之间的相互作用关系，为水利枢纽泄水调度提供理论和技术支持。
2.本发明的方法是一种快速、准确、经济的分离河滩土壤有机碎屑的方法，操作简单可重复性高，对环境的影响小，可广泛使用，对河流生态系统管理有重要的作用。
3.本发明的方法的整个过程基本不会破坏有机碎屑的结构，以不会影响有机碎屑的性质，在分离提取后可进一步进行有机碎屑的定性分析，从而定性分析河滩与河流的物质交换情况。
附图说明
图1是河岸滩地在河道中所处位置的示意图。
图2是实施例1的操作流程示意图。
图3是网筛布置示意图。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明所述分离和定量分析河滩土壤中生物可利用有机碎屑的方法进行完整、详细的描述，所描述的实施例仅是本发明的部分实施方式，而不是全部的实施方式。以下实施例是为了帮助本领域技术人员更全面地理解本发明的技术方案，不作为对本发明技术方案的限制。
实施例1
本实施例对雅砻江河岸滩地区域表层10cm土壤中的生物可利用有机碎屑进行分离和定量分析。使用到的设备和器材包括水桶、环刀、烧杯、玻璃漏斗、定量滤纸、孔径为0.15mm的漏勺、密度为1.2g/L的硅胶悬浊液、密度为1.4g/L的硅胶悬浊液，孔径为0.3mm的网筛、孔径为0.15mm的网筛、电热烘干机、电子天平。硅胶悬浮液是将纳米二氧化硅均匀分散在去离子水中形成的。
该方法的操作流程示意图如图2所示，具体操作步骤如下：
(1)选定河岸滩地区域作为目标采样区域，河岸滩地区域在河道中所处位置的示意图如图1所示，在目标采样区域选定非岩石土质区并选取3个点位，使用环刀采样，每一相同点位采集3个平行样，一共采集9个样品。由于碎石河滩中的生物生产力较弱，并且环刀在碎石区域使用无法采集到足够的有效样品，为减少不同点位之间的系统误差，目标采样区域的选取避免碎石河滩。为了充分了河岸滩地区域的生物可利用有机碎屑的密度、密度分布及含量等情况，可在目标采样区域分多点进行采样。
(2)将采集的各样品分别平铺在牛皮纸上，放置在通风处自然干燥一周，挑除样品中的括石块、树枝、塑料等杂质，然后用碾磨钵轻柔碾磨样品，研磨力度不应过大以避免破坏有机碎屑，碾磨过程中摇晃碾磨钵使样品混合，将各样品碾磨至样品中不出现土壤团即可。所述土壤团是指小块或小颗粒土壤聚集在一起形成的尺寸大于1cm的土壤团聚物质。该步骤研磨的作用是初步让有机碎屑与土壤分离。
(3)取步骤(2)碾磨后的某一样品100g置于3L的水桶中，加入蒸馏水至水深度为30cm，然后用手腕手动搅动水桶中的上清液，根据有机碎屑的悬浮情况控制搅动强度、速度和频率，以避免破坏有机碎屑，使大部分泥沙沉积，小部分轻质泥沙和尽量多的有机碎屑悬浮。然后如图3所示，按照孔径0.3mm的网筛在上，孔径0.15mm网筛在下的堆叠方式放置两种孔径的网筛，将水桶中的上悬浮液从0.3mm网筛顶部倾倒，使上悬浮液依次通过孔径0.3mm网筛和孔径0.15mm网筛，上悬浮液中被搅动悬浮的泥沙为轻质泥沙，其粒径通常小于0.15mm，通过网筛过滤可实现分离。倾倒完后用孔径0.15mm的漏勺收集两个网筛中的有机碎屑。
为尽可能多地收集到该样品中的有机碎屑，重复该步骤的操作3次。
(4)通过对河滩生物样品解剖发现，生物可直接利用的有机碎屑物质密度在1.2～1.4g/mL之间，多为草本碎屑和小型昆虫以及微生物代谢团，因此选用密度为1.4g/mL和1.2g/mL的硅胶悬浊液将样品中的有机碎屑按照密度的差异分三个密度区间分开收集。选用硅胶悬浮液是利用其有化学惰性和合适的粘度，以在不破坏有机碎屑的基础上实现不同密度有机碎屑的分开收集。
①用500mL烧杯盛装密度为1.4g/mL的硅胶悬浮液，硅胶悬浮液在烧杯中的液面高度为7cm，将步骤(3)收集的有机碎屑投入密度为1.4g/mL的硅胶悬浮液中，静置30min后，将上悬浊液倾倒至0.15mm孔径的漏勺中过滤；将倾倒后剩下的混合物过滤，得到密度大于1.4g/mL的有机碎屑；
②用500mL烧杯盛装密度为1.2g/mL的硅胶悬浮液，硅胶悬浮液在烧杯中的液面高度为7cm，将步骤①漏勺上收集到的有机碎屑投入密度为1.2g/mL的硅胶悬浮液中，静置30min后，将上悬浊液倾倒至0.15mm孔径的漏勺中过滤；将倾倒后剩下的混合物过滤，得到密度大于1.2g/mL且小于等于1.4g/mL的有机碎屑；漏勺中的有机碎屑即为密度小于等于1.2g/mL的有机碎屑。
(5)分别将步骤(4)分离得到的处于不同密度区间的有机碎屑分别用去离子水清洗，并用玻璃漏斗和定量滤纸过滤，在电热烘干机中于60℃烘干15min，称重，得到样品在密度大于1.4g/mL(重密度层)、密度大于1.2g/mL且小于等于1.4g/mL(中密度层)、密度小于等于1.2g/mL(轻密度层)这三个密度区间的有机碎屑的质量。
(6)对其余8个样品重复步骤(3)～(5)的操作，得到各样品在密度大于1.4g/mL、密度大于1.2g/mL且小于等于1.4g/mL、密度小于等于1.2g/mL这三个密度区间的有机碎屑的质量。
本实施例中，从雅砻江河岸滩地区域采集的各样品中分离的处于不同密度区间的有机碎屑的质量如表1所示，以表1中的数据为基础，可以计算出从各样品中分离的处于以上各密度区间的有机碎屑在各样品中的占比，以及从各样品中分离的处于以上各密度区间的有机碎屑在分离出的所有有机碎屑中的占比。
表1
Figure BDA0003536658690000061
从表1可以看出，本发明的方法成功分离提取了河岸滩地区域土壤中的生物可利用有机碎屑，并定量分析了密度大于1.4g/mL、密度大于1.2g/mL且小于等于1.4g/mL、密度小于等于1.2g/mL这三个密度区间的有机碎屑的质量分布。

Claims (10)

1.一种分离和定量分析河滩土壤中生物可利用有机碎屑的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)选定河岸滩地区域作为目标采样区域，在目标采样区域选定非岩石土质区，使用环刀采样，每一相同点位采集至少3个平行样；
(2)将采集的各样品自然干燥，挑除各样品中包括石块、树枝以及塑料在内的杂质，然后将各样品轻柔碾磨至样品中不出现土壤团；
(3)取步骤(2)碾磨后的某一样品置于容器中与水混合，搅动上清液使有机碎屑悬浮与沉积的泥沙分离，然后将容器中的上悬浮液依次过孔径为0.3mm和0.15mm的滤网，收集两个滤网中的有机碎屑；
(4)①将步骤(3)收集的有机碎屑投入密度为1.4g/mL的硅胶悬浮液中，充分静置，将上悬浊液倾倒至孔径为0.15mm的滤网上过滤，将倾倒后剩下的混合物过滤，得到密度大于1.4g/mL的有机碎屑；
②将步骤①滤网上的有机碎屑投入密度为1.2g/mL的硅胶悬浮液中，充分静置，将上悬浊液倾倒至孔径为0.15mm的滤网上过滤，将倾倒后剩下的混合物过滤，得到密度大于1.2g/mL且小于等于1.4g/mL的有机碎屑；滤网上的有机碎屑即为密度小于等于1.2g/mL的有机碎屑；
(5)分别将步骤(4)分离得到的处于不同密度区间的有机碎屑清洗、烘干、称重，得到样品在密度大于1.4g/mL、密度大于1.2g/mL且小于等于1.4g/mL、密度小于等于1.2g/mL这三个密度区间的有机碎屑的质量，以及各密度区间的有机碎屑在各样品中的占比；
(6)对其余样品重复操作步骤(3)～(5)，得到各样品在密度大于1.4g/mL、密度大于1.2g/mL且小于等于1.4g/mL、密度小于等于1.2g/mL这三个密度区间的有机碎屑的质量，以及各密度区间的有机碎屑在各样品中的占比。
2.根据权利要求1所述分离和定量分析河滩土壤中生物可利用有机碎屑的方法，其特征在于，步骤(3)中水的用量应完全淹没样品且水面应高出容器底部沉积的泥沙至少25cm。
3.根据权利要求1所述分离和定量分析河滩土壤中生物可利用有机碎屑的方法，其特征在于，步骤(4)中静置时间为20～60min。
4.根据权利要求1所述分离和定量分析河滩土壤中生物可利用有机碎屑的方法，其特征在于，步骤(4)中硅胶悬浮液的液面高度至少为7cm。
5.根据权利要求1所述分离和定量分析河滩土壤中生物可利用有机碎屑的方法，其特征在于，步骤(3)在进行将容器中的上悬浮液依次过孔径为0.3mm和0.15mm的滤网这一操作时，滤网的放置方式为0.3mm孔径的滤网在上，0.15mm孔径的滤网在下的堆叠方式。
6.根据权利要求1至5中任一权利要求所述分离和定量分析河滩土壤中生物可利用有机碎屑的方法，其特征在于，步骤(1)目标采样区域的选取避开碎石河滩，并在目标采样区域分多点位进行采样。
7.根据权利要求1至5中任一权利要求所述分离和定量分析河滩土壤中生物可利用有机碎屑的方法，其特征在于，步骤(2)采用碾磨钵碾磨样品，碾磨时间以将各样品碾磨至样品中不出现尺寸大于1cm的土壤团为准。
8.根据权利要求1至5中任一权利要求所述分离和定量分析河滩土壤中生物可利用有机碎屑的方法，其特征在于，步骤(3)中采用手动搅动的方式使有机碎屑悬浮，搅动至大部分泥沙沉积，小部分轻质泥沙和尽量多的有机碎屑悬浮即可。
9.根据权利要求8所述分离和定量分析河滩土壤中生物可利用有机碎屑的方法，其特征在于，对于同一样品，重复步骤(3)的操作1～3次以收集全样品中的有机碎屑。
10.根据权利要求1至5中任一权利要求所述分离和定量分析河滩土壤中生物可利用有机碎屑的方法，其特征在于，步骤(2)将采集的各样品平铺置于通风处自然干燥，步骤(5)中的烘干操作的温度不超过60℃。
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