APP下载

总有机碳分析仪测定植物总有机碳含量的方法

2017-07-15李朝英郑路

江苏农业科学 2017年9期
关键词:碳素样量精密度

李朝英++郑路

摘要:为了摸索TOC(总有机碳)分析仪测定植物TOC含量的方法、保证植物碳素研究获得准确可靠数据提供参考,对不同进样量和不同类型植物样品TC(总碳)、IC(无机碳)含量的测定结果进行分析探讨。结果表明,不同进样量测定的TC含量存在不同差异,进样量在45~55 mg,TC含量的精密度与准确性较高。植物的IC含量为0,TC=TOC。TC含量在1.89~29.12 mg,TC的回归方程为YTC=133.7X+77.431(r2=0.999),回收率为101.24%;IC的回归方程为YIC=108.5X+56.307(r2=0.999 5),回收率为99.24%。以上述方法测定植物TOC的方法准确高效,适用于不同类型、不同含量的植物样品的TOC测定。

关键词:总有机碳(TOC)分析仪;植物;TOC;碳素研究;进样量;回收率

中图分类号: Q94-334文献标志码: A

文章编号:1002-1302(2017)09-0155-03

植被为大气CO2重要的碳汇,其碳汇功能对碳收支平衡起着不可替代的作用[1-2],目前,植被碳储量成为气候变化科学研究领域和国际社会关注的热点[3-4]。植被作为陆地生态系统一大碳库,其积累和分解变化直接影响全球的碳平衡,其研究成为国内外学术热点。植物有机碳含量是研究植被碳储量的关键因素之一[5]。目前国内实验室测定有机碳的常规化学方法是重铬酸钾外加热法[6-8],这种方法不仅对环境有污染,还常受加热条件难控制、人为操作误差大等因素干扰而产生一定偏差[9-11]。TOC(总有机碳)分析仪法自动化程度高,误差小,检测准确稳定[12]。在国内,TOC分析仪多用于测定水体介质有机物总量等[13-15];在在固体碳素测定运用方面,可见TOC分析仪测定土壤、污泥碳素的报道[16-17],未见植物碳素测定方法的报道。植物与土壤的结构特性有差异,两者以TOC分析仪测定TOC含量的方法是否因此而有不同的问题无从参考。因此,试验采用TOC分析仪测定乔木、灌木、草本植物的TC(总碳)、IC(无机碳的含量),以TC-IC含量得到TOC含量,讨论进样量、样品粒度对TC、IC含量测定的影響,检验测定方法的精密度及准确性,以期建立TOC分析仪测定植物TOC的可靠方法,为植物碳素研究提供有力支持。

1材料与方法

1.1试剂与仪器

25%磷酸,优级纯葡萄糖、碳酸氢钠。电子分析天平(BSA124S-CW,赛多利斯科学仪器公司);TOC分析仪(Japan SHIMADZU TOC-L SSM5000A);精密鼓风干燥箱(BPG-9240A,上海一恒科技有限公司);植物粉碎机(DWF-90,河北省黄骅县科研仪器厂)

1.2样品与试剂处理

2014年8—9月于中国林业科学研究院热带林业实验中心伏波实验场采集格木(Erythrophleum fordii)的枝、混合草叶2个植物样品;在夏石大山采集马尾松(Pinus massoniana)、米老排(Mytilaria laosensis)的叶、枝、皮、干、根,林下灌木的叶、枝、根,林下草本的叶、根,林下的凋落物,共计19个样品。植物样品在干燥箱中65 ℃烘干后粉碎过60目筛,检测前植物样品在烘箱中以65 ℃烘至恒质量后在干燥器中冷却存放。TC标准物葡萄糖105 ℃烘2 h后放入干燥器中冷却存放。IC标准物碳酸氢钠270 ℃烘3 h后放入干燥器中冷却存放。

1.3试验原理

样品分别放入高温燃烧腔和低温反应腔中,高温燃烧腔的样品经900 ℃燃烧,所含有机碳及无机碳氧化生成CO2;低温反应腔中的样品加入磷酸后,在200 ℃条件下促进无机碳酸盐分解生成CO2。以上2种情况所产生的CO2分别导入非分散式红外线分析仪(NDIR)光谱定量检测出TC、IC,由差减式TC-IC得出TOC含量[18-20]。

1.4试验方法

1.4.1进样量的选择

分别称取过0.25 mm筛的植物样品格木叶(植物样1)、混合草叶(植物样2)25.0、35.0、45.0、55.0、65.0、75.0、85.0、95.0 mg,分别测定TC、IC,重复3次。

1.4.2标准曲线建立

称取葡萄糖5、25、65、75、80、90 mg,分别测TC含量,建立TC含量标准曲线。称取碳酸氢钠5、45、85、125、165、205、245 mg,分别测定IC含量,建立IC含量标准曲线。

1.4.3回收率试验

根据“1.3”部分2种选择的进样量,称取植物样品格木叶(植物样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)测定TC。3份加碳酸氢钠6.99 mg(含IC 1 mg),3份加碳酸氢钠34.9 mg(含IC 5 mg)测定IC含量。

1.4.4实际样品测定

“1.2”节所述夏石大山的19个植物样品按“1.4.1”确定的进样量分别测定TC、IC含量,并求TOC含量,每个样品重复3次。

1.5数据分析

经Excel软件进行数据处理,采用SPSS 19.0软件进行数据统计分析。

2结果与分析

2.1不同进样量的TC含量测定

由图1可知,植物1的进样量在25~45 mg时TC含量呈增长趋势,进样量在45~55 mg时TC含量趋于平稳,进样量大于55 mg时TC含量出现明显升降。植物2的进样量在 25~45 mg 时TC含量呈增长趋势,进样量在45~75 mg 时TC含量趋于平稳,进样量大于75 mg时TC含量呈继续增长趋势。

由表1可知,植物1进样量为25~55 mg、植物2进样量为25~75 mg时,检测峰正常;植物1进样量为65~95 mg、植物2进样量为85~95.0 mg时,检测峰异常,峰顶呈平顶。TC的量(mg)=进样量(mg)×样品TC含量(g/kg)/1 000 计算,植物1进样量65 mg的TC的量为30.35 mg,植物2进样量85 mg的TC的量为32.95 mg。可见样品进样量偏大,TC量大于30 mg时的检测峰异常,这是因为待测气体浓度高出检测器量程[21]。所以植物1可选用进样量范围为25~55 mg,植物2可选用进样量范围为25~75 mg。由表1还可知,植物1、植物2进样量小于45 mg的TC含量偏小,且CV随着进样量增加有降低趋势;植物1进样量为45~55 mg,植物2进样量在45~75 mg范围内的TC含量的CV小于1%,说明植物1进样量为45~55 mg时,植物2进样量在45~75 mg时的精密度高于进样量小于45 mg时。

综上可知,植物样品的TC量大于30 mg时,则超出检测器量程。植物1进样量在45~55 mg之间,植物2进样量在45~75 mg之间,样品代表性强,检测结果趋于稳定,精密度高,是适宜进样量。植物2的TC含量低于的植物1的,植物2适用的进样量范围大于植物1,但进样量在45~55 mg范围,同时适用植物1、植物2。

2.2不同进样量的IC含量测定

由表2可知,植物1、植物2以25、35、45、55、65、75、85、95 mg进样量加入25%磷酸0.5 mL,测得IC含量均为0,说明植物1、植物2不含含碳酸盐,TC含量=TOC含量。由于45~55 mg进样量有一定的代表性,所以本试验建议测定IC含量可采用的进样量为45~55 mg。

2.3标准曲线及线性范围

由图2可知,以绝对碳含量(mg)为X轴,峰面积为Y轴,得到TC标准曲线Y=0.135 2X-132.53,相關系数r2=0999 8。葡萄糖取5~80 mg时,TC量为1.82~29.12 mg,检测峰正常,回归方程Y2=133.7X+77.43(r2=0.999),线性良好;葡萄糖取5~90 mg时,TC量为1.82~32.76 mg,回归方程Y1=128.7X+127.7(r2=0.995),线性欠佳。其中,葡萄糖为90 mg,TC量为32.76 mg,检测峰异常。由图3可知,以绝对碳含量为X轴,峰面积为Y轴,碳酸氢钠取5~205 mg 时,IC量为0.715~29.315 mg,检测峰正常,回归方程Y2=108.5X+56.30(r2=0.999),线性良好;碳酸氢钠取5~245 mg、IC量为0.715-32.76 mg,回归方程Y1=105.5X+87.15(r2=0.998),线性降低。碳酸氢钠245 mg、IC量为 32.76 mg 时,检测峰异常。综上可知,TC量在1.82~29.12 mg、IC量在0.715~29.315 mg时,碳含量(mg)和峰面积线性良好,检测准确性高。

2.4方法的精密度与准确度

由表3可知,TC的回收率为98.07%~99.23%,RSD小于3%。IC的回收率为98.54%~99.23%,RSD小于3%。说明检测方法具良好的精密度与准确度。

2.5不同类型植物样品的检测

由表4可知,19个植物样品的TC含量为117.2~523.67 g/kg,包含了高、中、低TC含量样品。19个植物样品包含了乔木、灌木、草植物的叶、枝、皮、干、根器官样品及凋落物样品。19个植物样品测定TC的检测峰正常,CV均小于3%,精密度良好;19个植物样的IC均为0,说明19个不同类型植物样均未检出碳酸盐,所以植物TC含量=TOC含量,这与“2.1”所述一致。

采取“2.2”节所述进样量测定,19个样品均未超出线性范围,其中TC含量最高的马尾松叶的TC量为28.80 mg。本试验提出的进样量适用于多类型植物。从表4可知,不同树种的TOC含量经比较表现如下规律针叶树>阔叶树>灌木>草本>凋落物。

3结论

植物样品进样量在45~55 mg(即50 mg+5 mg)之间,可克服样品不均匀等干扰,有一定的代表性,测定结果精密度与准确性良好,能满足检测需求。植物光合作用过程将大量的CO2转化为有机碳,植物从土壤吸收极其微量的无机碳参与生长代谢。所以植物样品IC为0,TC含量=TOC含量。本试验采用针叶、阔叶、灌木、草本的不同器官及凋落物等多类样品所测得TOC含量在117.20~523.67 g/kg, 包含TOC含量高、中、低样品,TOC含量在1.82~29.12 mg范围内,线性良好。由TC的量(mg)=进样量×样品TC含量(g/kg)计算,TC(TOC)含量580 g/kg植物样品进样量50 mg时的TC量为29 mg,在线性范围内,而植物TOC含量通常高达 550 g/kg[22],所以50 mg+5 mg 的进样量适用于植物TOC含量的测定,且没有超出线性范围。

不同树种TOC含量大小所呈现的规律为针叶树>阔叶树>灌木>草本>凋落物,与有关研究结果[22-23]一致。本试验提出的TOC分析仪测定植物TOC含量的方法准确可靠,为实验室日常检测分析植物碳素提供指导参考。

4讨论

植物TOC含量多在200~550 g/kg之间[22],进样量大,则可能出现待测气体浓度易超出仪器检测量程的问题。因此,植物TOC含量的适宜进样量为50 mg+5 mg,远小于测定土壤、污泥TOC含量所用的100~250 mg进样量[9,16-17]。土壤的TOC含量低,多在50 g/kg以下,进样量小,峰面积小,易受基线波动影响,进样量达到一定量才有利于避免检测干扰,保证检测稳定。可见,植物与土壤2类样品碳素含量差异较大,进样量的选择也不同。

参考文献:

[1]沈彪,党坤良,武朋辉,等. 秦岭中段南坡油松林生态系统碳密度[J]. 生态学报,2015,35(6):1798-1806.

[2]齐光,王庆礼,王新闯,等. 大兴安岭林区兴安落叶松人工林植被碳贮量[J]. 应用生态学报,2011,22(2):273-279.

[3]黄松殿,吴庆标,廖克波,等. 观光木人工林生态系统碳储量及其分布格局[J]. 生态学杂志,2011,30(11):2400-2404.

[4]王效科,冯宗炜,欧阳志云. 中国森林生态系统的植物碳储量和碳密度研究[J]. 应用生态学报,2001,12(1):13-16.

[5]刘华,雷瑞德. 我国森林生态系统碳储量和碳平衡的研究方法及进展[J]. 西北植物学报,2005,25(4):835-843.

[6]张全军,于秀波,钱建鑫,等. 鄱阳湖南矶湿地优势植物群落及土壤有机质和营养元素分布特征[J]. 生态学报,2012,32(12):3656-3669.

[7]郭泉水,康义,赵玉娟,等. 三峡库区消落带氮磷钾、pH值和有机质变化[J]. 林业科学,2012(3):7-10.

[8]鲍士旦. 土壤农化分析[M]. 3版.北京:中国农业出版社,2000.

[9]庞奖励,张健,黄春长. High TOCⅡ分析仪快速测定土壤和黄土样品中的有机碳[J]. 分析仪器,2003(1):34-37.

[10]刘凤枝. 农业环境监测实用手册[M]. 北京:中国标准出版社,2001.

[11]郝冠军,黄懿珍,赵晓艺,等. 重铬酸钾外加热法测定土壤有机质的不确定度评定[J]. 上海农业学报,2011,27(3):103-109.

[12]李小涵,李富翠,王朝辉. 影响TOC有机碳分析仪测定土壤碳含量的因素[J]. 分析仪器,2011(5):8-12.

[13]王戎,彭辉,路神通,等. 总有机碳测定仪TOC-5000A与Aurora 1030W性能的比较[J]. 中国环境监测,2008,24(6):52-56.

[14]徐涛,高玉成,叶振忠,等. 水质TOC分析仪器的现状及其检测技术的新进展[J]. 仪器仪表学报,2002(增刊3):224-227.

[15]施银桃,夏东升,李海燕,等. 总有机碳的测定及其在染料废水监测中的应用[J]. 中国环境监测,2003,4(19):39-42.

[16]余天,邱忠平,付春霞,等. 填埋垃圾中TOC含量的測定方法优化[J]. 环境工程学报,2012,6(9):3313-3317.

[17]卢宝光,陈婷婷. 城市污水厂脱水污泥中TOC含量的测定[J]. 中国给水排,2006,22(2):87-89.

[18]王秀萍. 总有机碳分析仪及其常见故障的排除[J]. 实验技术与管理,2008,25(8):80-82.

[19]杨丹,潘建明. 总有机碳分析技术的研究现状及进展[J]. 浙江师范大学学报(自然科学版),2008,31(4):441-444.

[20]汤晓,黄绪光. 用TOC分析仪测定复混肥料中有机质的含量[J]. 高师理科学刊,2006,26(2):57-59.

[21]许文. 仪器检出限和方法检出限[J]. 地质实验室,1993,9(4):244-248.

[22]邓帷婕,包维楷,辜彬,等. 陆生高等植物碳含量及其特点[J]. 生态学杂志,2007,26(3):307-313.

[23]涂洁,刘琪璟. 亚热带红壤丘陵区湿地松人工林生态系统碳素贮量与分布研究[J]. 江西农业大学学报,2007,29(1):48-54.

猜你喜欢

碳素样量精密度
元素分析仪测定牧草样品适宜称样量的确定
页岩油气勘探中热解分析与总有机碳预测
化肥检验中称样量与检测结果的误差分析
Phosphatidylinositol-3,4,5-trisphosphate dependent Rac exchange factor 1 is a diagnostic and prognostic biomarker for hepatocellular carcinoma
焊接参数对Q235A碳素结构钢焊接接头晶间组织的影响分析
副波长对免疫比浊法检测尿微量清蛋白精密度的影响
碳素工具钢T8表面脱碳规律研究
邯郸源泰碳素科技有限公司
海水U、Th长寿命核素的高精密度MC-ICP-MS测定方法
2014年全国452家实验室全血铜、锌、钙、镁、铁检验项目实验室内不精密度分析