總有機(jī)碳分析儀測定植物總有機(jī)碳含量的方法

李朝英++鄭路

摘要：為了摸索TOC（總有機(jī)碳）分析儀測定植物TOC含量的方法、保證植物碳素研究獲得準(zhǔn)確可靠數(shù)據(jù)提供參考，對不同進(jìn)樣量和不同類型植物樣品TC（總碳）、IC（無機(jī)碳）含量的測定結(jié)果進(jìn)行分析探討。結(jié)果表明，不同進(jìn)樣量測定的TC含量存在不同差異，進(jìn)樣量在45～55 mg，TC含量的精密度與準(zhǔn)確性較高。植物的IC含量為0，TC=TOC。TC含量在1.89～29.12 mg，TC的回歸方程為YTC=133.7X+77.431（r2=0.999），回收率為101.24%；IC的回歸方程為YIC=108.5X+56.307（r2=0.999 5），回收率為99.24%。以上述方法測定植物TOC的方法準(zhǔn)確高效，適用于不同類型、不同含量的植物樣品的TOC測定。

關(guān)鍵詞：總有機(jī)碳（TOC）分析儀；植物；TOC；碳素研究；進(jìn)樣量；回收率

中圖分類號： Q94-334文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）09-0155-03

植被為大氣CO2重要的碳匯，其碳匯功能對碳收支平衡起著不可替代的作用[1-2]，目前，植被碳儲量成為氣候變化科學(xué)研究領(lǐng)域和國際社會關(guān)注的熱點(diǎn)[3-4]。植被作為陸地生態(tài)系統(tǒng)一大碳庫，其積累和分解變化直接影響全球的碳平衡，其研究成為國內(nèi)外學(xué)術(shù)熱點(diǎn)。植物有機(jī)碳含量是研究植被碳儲量的關(guān)鍵因素之一[5]。目前國內(nèi)實(shí)驗(yàn)室測定有機(jī)碳的常規(guī)化學(xué)方法是重鉻酸鉀外加熱法[6-8]，這種方法不僅對環(huán)境有污染，還常受加熱條件難控制、人為操作誤差大等因素干擾而產(chǎn)生一定偏差[9-11]。TOC（總有機(jī)碳）分析儀法自動化程度高，誤差小，檢測準(zhǔn)確穩(wěn)定[12]。在國內(nèi)，TOC分析儀多用于測定水體介質(zhì)有機(jī)物總量等[13-15]；在在固體碳素測定運(yùn)用方面，可見TOC分析儀測定土壤、污泥碳素的報(bào)道[16-17]，未見植物碳素測定方法的報(bào)道。植物與土壤的結(jié)構(gòu)特性有差異，兩者以TOC分析儀測定TOC含量的方法是否因此而有不同的問題無從參考。因此，試驗(yàn)采用TOC分析儀測定喬木、灌木、草本植物的TC（總碳）、IC（無機(jī)碳的含量），以TC-IC含量得到TOC含量，討論進(jìn)樣量、樣品粒度對TC、IC含量測定的影響，檢驗(yàn)測定方法的精密度及準(zhǔn)確性，以期建立TOC分析儀測定植物TOC的可靠方法，為植物碳素研究提供有力支持。

1材料與方法

1.1試劑與儀器

25%磷酸，優(yōu)級純葡萄糖、碳酸氫鈉。電子分析天平（BSA124S-CW，賽多利斯科學(xué)儀器公司）；TOC分析儀（Japan SHIMADZU TOC-L SSM5000A）；精密鼓風(fēng)干燥箱（BPG-9240A，上海一恒科技有限公司）；植物粉碎機(jī)（DWF-90，河北省黃驊縣科研儀器廠）

1.2樣品與試劑處理

2014年8—9月于中國林業(yè)科學(xué)研究院熱帶林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心伏波實(shí)驗(yàn)場采集格木（Erythrophleum fordii）的枝、混合草葉2個植物樣品；在夏石大山采集馬尾松（Pinus massoniana）、米老排（Mytilaria laosensis）的葉、枝、皮、干、根，林下灌木的葉、枝、根，林下草本的葉、根，林下的凋落物，共計(jì)19個樣品。植物樣品在干燥箱中65 ℃烘干后粉碎過60目篩，檢測前植物樣品在烘箱中以65 ℃烘至恒質(zhì)量后在干燥器中冷卻存放。TC標(biāo)準(zhǔn)物葡萄糖105 ℃烘2 h后放入干燥器中冷卻存放。IC標(biāo)準(zhǔn)物碳酸氫鈉270 ℃烘3 h后放入干燥器中冷卻存放。

1.3試驗(yàn)原理

樣品分別放入高溫燃燒腔和低溫反應(yīng)腔中，高溫燃燒腔的樣品經(jīng)900 ℃燃燒，所含有機(jī)碳及無機(jī)碳氧化生成CO2；低溫反應(yīng)腔中的樣品加入磷酸后，在200 ℃條件下促進(jìn)無機(jī)碳酸鹽分解生成CO2。以上2種情況所產(chǎn)生的CO2分別導(dǎo)入非分散式紅外線分析儀（NDIR）光譜定量檢測出TC、IC，由差減式TC-IC得出TOC含量[18-20]。

1.4試驗(yàn)方法

1.4.1進(jìn)樣量的選擇

分別稱取過0.25 mm篩的植物樣品格木葉（植物樣1）、混合草葉（植物樣2）25.0、35.0、45.0、55.0、65.0、75.0、85.0、95.0 mg，分別測定TC、IC，重復(fù)3次。

1.4.2標(biāo)準(zhǔn)曲線建立

稱取葡萄糖5、25、65、75、80、90 mg，分別測TC含量，建立TC含量標(biāo)準(zhǔn)曲線。稱取碳酸氫鈉5、45、85、125、165、205、245 mg，分別測定IC含量，建立IC含量標(biāo)準(zhǔn)曲線。

1.4.3回收率試驗(yàn)

根據(jù)“1.3”部分2種選擇的進(jìn)樣量，稱取植物樣品格木葉（植物樣1）12份，3份加葡萄糖2.7 mg（含TC 1 mg），3份加13.7 mg（含TC 5 mg）測定TC。3份加碳酸氫鈉6.99 mg（含IC 1 mg），3份加碳酸氫鈉34.9 mg（含IC 5 mg）測定IC含量。

1.4.4實(shí)際樣品測定

“1.2”節(jié)所述夏石大山的19個植物樣品按“1.4.1”確定的進(jìn)樣量分別測定TC、IC含量，并求TOC含量，每個樣品重復(fù)3次。

1.5數(shù)據(jù)分析

經(jīng)Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，采用SPSS 19.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

2結(jié)果與分析

2.1不同進(jìn)樣量的TC含量測定

由圖1可知，植物1的進(jìn)樣量在25～45 mg時TC含量呈增長趨勢，進(jìn)樣量在45～55 mg時TC含量趨于平穩(wěn)，進(jìn)樣量大于55 mg時TC含量出現(xiàn)明顯升降。植物2的進(jìn)樣量在 25～45 mg 時TC含量呈增長趨勢，進(jìn)樣量在45～75 mg 時TC含量趨于平穩(wěn)，進(jìn)樣量大于75 mg時TC含量呈繼續(xù)增長趨勢。

由表1可知，植物1進(jìn)樣量為25～55 mg、植物2進(jìn)樣量為25～75 mg時，檢測峰正常；植物1進(jìn)樣量為65～95 mg、植物2進(jìn)樣量為85～95.0 mg時，檢測峰異常，峰頂呈平頂。TC的量（mg）=進(jìn)樣量（mg）×樣品TC含量（g/kg）/1 000 計(jì)算，植物1進(jìn)樣量65 mg的TC的量為30.35 mg，植物2進(jìn)樣量85 mg的TC的量為32.95 mg?？梢姌悠愤M(jìn)樣量偏大，TC量大于30 mg時的檢測峰異常，這是因?yàn)榇郎y氣體濃度高出檢測器量程[21]。所以植物1可選用進(jìn)樣量范圍為25～55 mg，植物2可選用進(jìn)樣量范圍為25～75 mg。由表1還可知，植物1、植物2進(jìn)樣量小于45 mg的TC含量偏小，且CV隨著進(jìn)樣量增加有降低趨勢；植物1進(jìn)樣量為45～55 mg，植物2進(jìn)樣量在45～75 mg范圍內(nèi)的TC含量的CV小于1%，說明植物1進(jìn)樣量為45～55 mg時，植物2進(jìn)樣量在45～75 mg時的精密度高于進(jìn)樣量小于45 mg時。

綜上可知，植物樣品的TC量大于30 mg時，則超出檢測器量程。植物1進(jìn)樣量在45～55 mg之間，植物2進(jìn)樣量在45～75 mg之間，樣品代表性強(qiáng)，檢測結(jié)果趨于穩(wěn)定，精密度高，是適宜進(jìn)樣量。植物2的TC含量低于的植物1的，植物2適用的進(jìn)樣量范圍大于植物1，但進(jìn)樣量在45～55 mg范圍，同時適用植物1、植物2。

2.2不同進(jìn)樣量的IC含量測定

由表2可知，植物1、植物2以25、35、45、55、65、75、85、95 mg進(jìn)樣量加入25%磷酸0.5 mL，測得IC含量均為0，說明植物1、植物2不含含碳酸鹽，TC含量=TOC含量。由于45～55 mg進(jìn)樣量有一定的代表性，所以本試驗(yàn)建議測定IC含量可采用的進(jìn)樣量為45～55 mg。

2.3標(biāo)準(zhǔn)曲線及線性范圍

由圖2可知，以絕對碳含量（mg）為X軸，峰面積為Y軸，得到TC標(biāo)準(zhǔn)曲線Y=0.135 2X-132.53，相關(guān)系數(shù)r2=0999 8。葡萄糖取5～80 mg時，TC量為1.82～29.12 mg，檢測峰正常，回歸方程Y2=133.7X+77.43（r2=0.999），線性良好；葡萄糖取5～90 mg時，TC量為1.82～32.76 mg，回歸方程Y1=128.7X+127.7（r2=0.995），線性欠佳。其中，葡萄糖為90 mg，TC量為32.76 mg，檢測峰異常。由圖3可知，以絕對碳含量為X軸，峰面積為Y軸，碳酸氫鈉取5～205 mg 時，IC量為0.715～29.315 mg，檢測峰正常，回歸方程Y2=108.5X+56.30（r2=0.999），線性良好；碳酸氫鈉取5～245 mg、IC量為0.715-32.76 mg，回歸方程Y1=105.5X+87.15（r2=0.998），線性降低。碳酸氫鈉245 mg、IC量為 32.76 mg 時，檢測峰異常。綜上可知，TC量在1.82～29.12 mg、IC量在0.715～29.315 mg時，碳含量（mg）和峰面積線性良好，檢測準(zhǔn)確性高。

2.4方法的精密度與準(zhǔn)確度

由表3可知，TC的回收率為98.07%～99.23%，RSD小于3%。IC的回收率為98.54%～99.23%，RSD小于3%。說明檢測方法具良好的精密度與準(zhǔn)確度。

2.5不同類型植物樣品的檢測

由表4可知，19個植物樣品的TC含量為117.2～523.67 g/kg，包含了高、中、低TC含量樣品。19個植物樣品包含了喬木、灌木、草植物的葉、枝、皮、干、根器官樣品及凋落物樣品。19個植物樣品測定TC的檢測峰正常，CV均小于3%，精密度良好；19個植物樣的IC均為0，說明19個不同類型植物樣均未檢出碳酸鹽，所以植物TC含量=TOC含量，這與“2.1”所述一致。

采取“2.2”節(jié)所述進(jìn)樣量測定，19個樣品均未超出線性范圍，其中TC含量最高的馬尾松葉的TC量為28.80 mg。本試驗(yàn)提出的進(jìn)樣量適用于多類型植物。從表4可知，不同樹種的TOC含量經(jīng)比較表現(xiàn)如下規(guī)律針葉樹>闊葉樹>灌木>草本>凋落物。

3結(jié)論

植物樣品進(jìn)樣量在45～55 mg（即50 mg+5 mg）之間，可克服樣品不均勻等干擾，有一定的代表性，測定結(jié)果精密度與準(zhǔn)確性良好，能滿足檢測需求。植物光合作用過程將大量的CO2轉(zhuǎn)化為有機(jī)碳，植物從土壤吸收極其微量的無機(jī)碳參與生長代謝。所以植物樣品IC為0，TC含量=TOC含量。本試驗(yàn)采用針葉、闊葉、灌木、草本的不同器官及凋落物等多類樣品所測得TOC含量在117.20～523.67 g/kg， 包含TOC含量高、中、低樣品，TOC含量在1.82～29.12 mg范圍內(nèi)，線性良好。由TC的量（mg）=進(jìn)樣量×樣品TC含量（g/kg）計(jì)算，TC（TOC）含量580 g/kg植物樣品進(jìn)樣量50 mg時的TC量為29 mg，在線性范圍內(nèi)，而植物TOC含量通常高達(dá) 550 g/kg[22]，所以50 mg+5 mg 的進(jìn)樣量適用于植物TOC含量的測定，且沒有超出線性范圍。

不同樹種TOC含量大小所呈現(xiàn)的規(guī)律為針葉樹>闊葉樹>灌木>草本>凋落物，與有關(guān)研究結(jié)果[22-23]一致。本試驗(yàn)提出的TOC分析儀測定植物TOC含量的方法準(zhǔn)確可靠，為實(shí)驗(yàn)室日常檢測分析植物碳素提供指導(dǎo)參考。

4討論

植物TOC含量多在200～550 g/kg之間[22]，進(jìn)樣量大，則可能出現(xiàn)待測氣體濃度易超出儀器檢測量程的問題。因此，植物TOC含量的適宜進(jìn)樣量為50 mg+5 mg，遠(yuǎn)小于測定土壤、污泥TOC含量所用的100～250 mg進(jìn)樣量[9，16-17]。土壤的TOC含量低，多在50 g/kg以下，進(jìn)樣量小，峰面積小，易受基線波動影響，進(jìn)樣量達(dá)到一定量才有利于避免檢測干擾，保證檢測穩(wěn)定?？梢?，植物與土壤2類樣品碳素含量差異較大，進(jìn)樣量的選擇也不同。

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