總有機碳分析儀測定植物總有機碳含量的方法

李朝英++鄭路

摘要：為了摸索TOC（總有機碳）分析儀測定植物TOC含量的方法、保證植物碳素研究獲得準確可靠數據提供參考，對不同進樣量和不同類型植物樣品TC（總碳）、IC（無機碳）含量的測定結果進行分析探討。結果表明，不同進樣量測定的TC含量存在不同差異，進樣量在45～55 mg，TC含量的精密度與準確性較高。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的方法準確高效，適用于不同類型、不同含量的植物樣品的TOC測定。

關鍵詞：總有機碳（TOC）分析儀；植物；TOC；碳素研究；進樣量；回收率

中圖分類號： Q94-334文獻標志碼： 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研究領域和國際社會關注的熱點[3-4]。植被作為陸地生態系統一大碳庫，其積累和分解變化直接影響全球的碳平衡，其研究成為國內外學術熱點。植物有機碳含量是研究植被碳儲量的關鍵因素之一[5]。目前國內實驗室測定有機碳的常規化學方法是重鉻酸鉀外加熱法[6-8]，這種方法不僅對環境有污染，還常受加熱條件難控制、人為操作誤差大等因素干擾而產生一定偏差[9-11]。TOC（總有機碳）分析儀法自動化程度高，誤差小，檢測準確穩定[12]。在國內，TOC分析儀多用于測定水體介質有機物總量等[13-15]；在在固體碳素測定運用方面，可見TOC分析儀測定土壤、污泥碳素的報道[16-17]，未見植物碳素測定方法的報道。植物與土壤的結構特性有差異，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，試驗采用TOC分析儀測定喬木、灌木、草本植物的TC（總碳）、IC（無機碳的含量），以TC-IC含量得到TOC含量，討論進樣量、樣品粒度對TC、IC含量測定的影響，檢驗測定方法的精密度及準確性，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，優級純葡萄糖、碳酸氫鈉。電子分析天平（BSA124S-CW，賽多利斯科學儀器公司）；TOC分析儀（Japan SHIMADZU TOC-L SSM5000A）；精密鼓風干燥箱（BPG-9240A，上海一恒科技有限公司）；植物粉碎機（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月于中國林業科學研究院熱帶林業實驗中心伏波實驗場采集格木（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 ℃烘至恒質量后在干燥器中冷卻存放。TC標準物葡萄糖105 ℃烘2 h后放入干燥器中冷卻存放。IC標準物碳酸氫鈉270 ℃烘3 h后放入干燥器中冷卻存放。

1.3試驗原理

樣品分別放入高溫燃燒腔和低溫反應腔中，高溫燃燒腔的樣品經900 ℃燃燒，所含有機碳及無機碳氧化生成CO2；低溫反應腔中的樣品加入磷酸后，在200 ℃條件下促進無機碳酸鹽分解生成CO2。以上2種情況所產生的CO2分別導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試驗方法

1.4.1進樣量的選擇

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3次。

1.4.2標準曲線建立

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

1.4.3回收率試驗

根據“1.3”部分2種選擇的進樣量，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實際樣品測定

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

1.5數據分析

經Excel軟件進行數據處理，采用SPSS 19.0軟件進行數據統計分析。

2結果與分析

2.1不同進樣量的TC含量測定

由圖1可知，植物1的進樣量在25～45 mg時TC含量呈增長趨勢，進樣量在45～55 mg時TC含量趨于平穩，進樣量大于55 mg時TC含量出現明顯升降。植物2的進樣量在 25～45 mg 時TC含量呈增長趨勢，進樣量在45～75 mg 時TC含量趨于平穩，進樣量大于75 mg時TC含量呈繼續增長趨勢。

由表1可知，植物1進樣量為25～55 mg、植物2進樣量為25～75 mg時，檢測峰正常；植物1進樣量為65～95 mg、植物2進樣量為85～95.0 mg時，檢測峰異常，峰頂呈平頂。TC的量（mg）=進樣量（mg）×樣品TC含量（g/kg）/1 000 計算，植物1進樣量65 mg的TC的量為30.35 mg，植物2進樣量85 mg的TC的量為32.95 mg。可見樣品進樣量偏大，TC量大于30 mg時的檢測峰異常，這是因為待測氣體濃度高出檢測器量程[21]。所以植物1可選用進樣量范圍為25～55 mg，植物2可選用進樣量范圍為25～75 mg。由表1還可知，植物1、植物2進樣量小于45 mg的TC含量偏小，且CV隨著進樣量增加有降低趨勢；植物1進樣量為45～55 mg，植物2進樣量在45～75 mg范圍內的TC含量的CV小于1%，說明植物1進樣量為45～55 mg時，植物2進樣量在45～75 mg時的精密度高于進樣量小于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進樣量在45～55 mg之間，植物2進樣量在45～75 mg之間，樣品代表性強，檢測結果趨于穩定，精密度高，是適宜進樣量。植物2的TC含量低于的植物1的，植物2適用的進樣量范圍大于植物1，但進樣量在45～55 mg范圍，同時適用植物1、植物2。

2.2不同進樣量的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進樣量有一定的代表性，所以本試驗建議測定IC含量可采用的進樣量為45～55 mg。

2.3標準曲線及線性范圍

由圖2可知，以絕對碳含量（mg）為X軸，峰面積為Y軸，得到TC標準曲線Y=0.135 2X-132.53，相關系數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，檢測準確性高。

2.4方法的精密度與準確度

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”節所述進樣量測定，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。本試驗提出的進樣量適用于多類型植物。從表4可知，不同樹種的TOC含量經比較表現如下規律針葉樹>闊葉樹>灌木>草本>凋落物。

3結論

植物樣品進樣量在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，測定結果精密度與準確性良好，能滿足檢測需求。植物光合作用過程將大量的CO2轉化為有機碳，植物從土壤吸收極其微量的無機碳參與生長代謝。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，線性良好。由TC的量（mg）=進樣量×樣品TC含量（g/kg）計算，TC（TOC）含量580 g/kg植物樣品進樣量50 mg時的TC量為29 mg，在線性范圍內，而植物TOC含量通常高達 550 g/kg[22]，所以50 mg+5 mg 的進樣量適用于植物TOC含量的測定，且沒有超出線性范圍。

不同樹種TOC含量大小所呈現的規律為針葉樹>闊葉樹>灌木>草本>凋落物，與有關研究結果[22-23]一致。本試驗提出的TOC分析儀測定植物TOC含量的方法準確可靠，為實驗室日常檢測分析植物碳素提供指導參考。

4討論

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

參考文獻：

[1]沈彪，黨坤良，武朋輝，等. 秦嶺中段南坡油松林生態系統碳密度[J]. 生態學報，2015，35（6）：1798-1806.

[2]齊光，王慶禮，王新闖，等. 大興安嶺林區興安落葉松人工林植被碳貯量[J]. 應用生態學報，2011，22（2）：273-279.

[3]黃松殿，吳慶標，廖克波，等. 觀光木人工林生態系統碳儲量及其分布格局[J]. 生態學雜志，2011，30（11）：2400-2404.

[4]王效科，馮宗煒，歐陽志云. 中國森林生態系統的植物碳儲量和碳密度研究[J]. 應用生態學報，2001，12（1）：13-16.

[5]劉華，雷瑞德. 我國森林生態系統碳儲量和碳平衡的研究方法及進展[J]. 西北植物學報，2005，25（4）：835-843.

[6]張全軍，于秀波，錢建鑫，等. 鄱陽湖南磯濕地優勢植物群落及土壤有機質和營養元素分布特征[J]. 生態學報，2012，32（12）：3656-3669.

[7]郭泉水，康義，趙玉娟，等. 三峽庫區消落帶氮磷鉀、pH值和有機質變化[J]. 林業科學，2012（3）：7-10.

[8]鮑士旦. 土壤農化分析[M]. 3版.北京：中國農業出版社，2000.

[9]龐獎勵，張健，黃春長. High TOCⅡ分析儀快速測定土壤和黃土樣品中的有機碳[J]. 分析儀器，2003（1）：34-37.

[10]劉鳳枝. 農業環境監測實用手冊[M]. 北京：中國標準出版社，2001.

[11]郝冠軍，黃懿珍，趙曉藝，等. 重鉻酸鉀外加熱法測定土壤有機質的不確定度評定[J]. 上海農業學報，2011，27（3）：103-109.

[12]李小涵，李富翠，王朝輝. 影響TOC有機碳分析儀測定土壤碳含量的因素[J]. 分析儀器，2011（5）：8-12.

[13]王戎，彭輝，路神通，等. 總有機碳測定儀TOC-5000A與Aurora 1030W性能的比較[J]. 中國環境監測，2008，24（6）：52-56.

[14]徐濤，高玉成，葉振忠，等. 水質TOC分析儀器的現狀及其檢測技術的新進展[J]. 儀器儀表學報，2002（增刊3）：224-227.

[15]施銀桃，夏東升，李海燕，等. 總有機碳的測定及其在染料廢水監測中的應用[J]. 中國環境監測，2003，4（19）：39-42.

[16]余天，邱忠平，付春霞，等. 填埋垃圾中TOC含量的測定方法優化[J]. 環境工程學報，2012，6（9）：3313-3317.

[17]盧寶光，陳婷婷. 城市污水廠脫水污泥中TOC含量的測定[J]. 中國給水排，2006，22（2）：87-89.

[18]王秀萍. 總有機碳分析儀及其常見故障的排除[J]. 實驗技術與管理，2008，25（8）：80-82.

[19]楊丹，潘建明. 總有機碳分析技術的研究現狀及進展[J]. 浙江師范大學學報（自然科學版），2008，31（4）：441-444.

[20]湯曉，黃緒光. 用TOC分析儀測定復混肥料中有機質的含量[J]. 高師理科學刊，2006，26（2）：57-59.

[21]許文. 儀器檢出限和方法檢出限[J]. 地質實驗室，1993，9（4）：244-248.

[22]鄧帷婕，包維楷，辜彬，等. 陸生高等植物碳含量及其特點[J]. 生態學雜志，2007，26（3）：307-313.

[23]涂潔，劉琪璟. 亞熱帶紅壤丘陵區濕地松人工林生態系統碳素貯量與分布研究[J]. 江西農業大學學報，2007，29（1）：48-54.