一種用于測量土壤有機(jī)碳含量的裝置和方法
【專利摘要】一種用于測量土壤有機(jī)碳含量的裝置：一真空泵，通過波紋管連接液氮冷阱；兩高真空三通接頭，其中一個用于連接液氮冷阱和CO2收集管，另一個用于連接擠壓管和水捕集阱；擠壓管上設(shè)有螺旋式閥門；水捕集阱通過CO2冷阱連接CO2收集管；CO2冷阱頂部設(shè)有兩個螺旋式閥門；由上述裝置構(gòu)成真空系統(tǒng)。本發(fā)明還公開了利用上述裝置測量土壤有機(jī)碳含量的方法。本發(fā)明具有操作方便、成本低、分析速度快、可批量進(jìn)行等特點。
【專利說明】一種用于測量土壤有機(jī)碳含量的裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于環(huán)境科學(xué)研究領(lǐng)域，具體地涉及一種用于測量土壤有機(jī)碳含量的裝置。
[0002]本發(fā)明還涉及一種利用上述裝置測量土壤有機(jī)碳含量的方法。
【背景技術(shù)】
[0003]土壤有機(jī)質(zhì)是土壤固相基質(zhì)的重要組成部分，盡管它從重量上看僅占土壤很小的一部分，但是它與土壤肥力、土壤固碳、土壤環(huán)境解毒功能以及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展等方面均存在密切關(guān)系。首先，土壤有機(jī)質(zhì)含有十分豐富的微生物和植物所需的營養(yǎng)元素，是植物和微生物生命活動的能源，對土壤的基本理化性質(zhì)有著深刻影響；其次，土壤有機(jī)質(zhì)中很大一部分是腐殖物質(zhì)，其具有十分活躍的氧化還原能力，這會顯著影響重金屬、農(nóng)藥等各種無機(jī)與有機(jī)污染物在土壤環(huán)境中的行為；再次，土壤有機(jī)碳庫被認(rèn)為是影響全球碳循環(huán)的主要因素，它是陸地生態(tài)中最大的碳庫，其微弱的變化都將導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)以及大氣CO2濃度發(fā)生顯著改變，從而影響氣候變化。由此可見，研究土壤有機(jī)質(zhì)在諸多學(xué)科領(lǐng)域中都有著十分重要意義，而深刻認(rèn)識土壤有機(jī)質(zhì)的功能一個必不可少的環(huán)節(jié)就是需要對土壤有機(jī)碳含量進(jìn)行監(jiān)測。目前測定土壤有機(jī)碳含量的方法主要有很多，其中較為經(jīng)典的是重鉻酸鉀外加熱法與總有機(jī)碳分析儀法。
[0004]重鉻酸鉀外加熱法是利用過量的重鉻酸鉀作為氧化劑來氧化土壤有機(jī)碳,而剩余的重鉻酸鉀用標(biāo)準(zhǔn)硫酸亞鐵溶液進(jìn)行滴定，通過重鉻酸鉀的消耗量來計算土壤有機(jī)碳含量。重鉻酸鉀外加熱法操作較為繁瑣，耗時長，污染較大，回收率也較低。
[0005]總有機(jī)碳分析儀法是采用高溫電爐灼燒和氣相色譜裝置相結(jié)合來自動分析總有機(jī)碳的含量，該方法具有較高的穩(wěn)定性和回收率，是目前測量土壤有機(jī)碳含量最為精確的方法，但由于很多科研工作者受到儀器的限制，該方法未能被廣泛采用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種用于測量土壤有機(jī)碳含量的裝置。
[0007]本發(fā)明的又一目的在于提供一種利用上述裝置測量土壤有機(jī)碳含量的方法。
[0008]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的用于測量土壤有機(jī)碳含量的裝置，包括:
[0009]一真空泵(A)，通過波紋管(M)連接液氮冷阱(L)；
[0010]第一高真空三通接頭(Cl)和第二高真空三通接頭(C2)，第一高真空三通接頭(Cl)的一個接頭與第二高真空三通接頭(C2)的一個接頭通過玻璃管(Kl)相連，第一高真空三通接頭(Cl)的另二個接口分別連接液氮冷阱(L)和CO2收集管(H)，第二高真空三通接頭(C2)的另二個接口分別連接擠壓管(B)和水捕集阱(E);擠壓管(B)上設(shè)有螺旋式閥門(Jl);
[0011]水捕集阱(E)通過CO2冷阱(G)連接CO2收集管⑶；C02冷阱(G)頂部設(shè)有兩個螺旋式閥門(J2、J3)；[0012]由上述裝置構(gòu)成真空系統(tǒng)。
[0013]所述的裝置，其中，第一高真空三通接頭(Cl)與液氮冷阱(L)和CO2收集管(H)之間分別安裝有第一高真空閥門(Dl)和第三高真空閥門(D3);第二高真空三通接頭(C2)與水捕集阱(E)之間安裝有第二高真空閥門(D2)。
[0014]所述的裝置，其中，水捕集阱(E)的填充物為無水高氯酸錳(O)，水捕集阱的兩端填充有石英棉(N1、N2)。
[0015]所述的裝置，其中，CO2收集管⑶上設(shè)有壓力計⑴。
[0016]本發(fā)明提供的利用上述裝置測量土壤有機(jī)碳含量的方法:
[0017]I)將土壤樣品與氧化銅裝于氧化管中，并加入銀絲以去除樣品在氧化過程中產(chǎn)生的硫化物氣體；
[0018]2)將氧化管套入真空系統(tǒng)中進(jìn)行抽真空，待系統(tǒng)真空度達(dá)到極限后，燒封氧化管并于800-900°C下反應(yīng)，樣品被氧化生成CO2、水蒸氣與不可冷凝的氣態(tài)氧化物；
[0019]3)將氧化后的氧化管放入擠壓管中，將擠壓管套入真空系統(tǒng)中，待系統(tǒng)真空度達(dá)到極限后，破碎氧化管使得土壤樣品生成的混合氣體經(jīng)過水捕集阱，以除去水蒸氣，余下氣體則繼續(xù)通過CO2冷阱，使CO2被冷凝而不可冷凝的雜氣則被真空泵抽出；
[0020]4)通過加熱使步驟3的CO2釋放并引入已知體積的CO2收集管中，通過CO2收集管上的壓力計讀數(shù)測量CO2的生成量，并計算出土壤有機(jī)碳含量。
[0021 ] 所述的方法，其中，步驟I的土壤樣品用0.5mol T1HCl進(jìn)行預(yù)處理，去除土壤中的碳酸鹽，避免無機(jī)碳對測定土壤有機(jī)碳含量的影響。
[0022]所述的方法，其中，步驟I的氧化銅為線狀氧化銅，在使用氧化銅之前，首先需要對其進(jìn)行過100目篩，以除去細(xì)顆粒狀的氧化銅，將過篩后的線狀氧化銅放在900°C條件進(jìn)行預(yù)熱2小時，以除去氧化銅表面的有機(jī)物。
[0023]所述的方法，其中，步驟3的CO2冷阱溫度為_185°C，通過將CO2冷阱浸入純液氮得以實現(xiàn)。
[0024]所述的方法，其中，步驟4中將CO2引入CO2收集管的方法是通過將CO2收集管浸入純液氮得以實現(xiàn)。
[0025]所述的方法，其中，步驟4中壓力計所測定出的CO2壓力P，根據(jù)公式PV = nRT計算出CO2的生成摩爾數(shù)η, 土壤有機(jī)碳含量的計算用公式T0C(% ) = 12n/wX 100表示,該公式中的w為土壤樣品重量，單位為g。
[0026]本發(fā)明具有步驟簡單、操作方便、成本低、分析速度快、可批量進(jìn)行等優(yōu)點，為科研工作者基于土壤有機(jī)碳含量來探討資源與環(huán)境領(lǐng)域等問題提供重要的方法支撐。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1是本發(fā)明的裝置示意圖。
[0028]圖2是擠壓管示意圖。
[0029]圖3是水捕集阱示意圖。
[0030]圖4是本發(fā)明所測量出的土壤有機(jī)碳含量的結(jié)果(橫坐標(biāo))與總有機(jī)碳分析儀法所測量的結(jié)果(縱坐標(biāo))之間的線性相關(guān)性圖。
[0031]附圖中主要組件符號說明:[0032]A是真空泵，B是擠壓管，Cl是第一高真空三通接頭，C2是第二高真空三通接頭，Dl是第一高真空閥門，D2是第二高真空閥門，D3是第三高真空閥門，E是水捕集阱，F(xiàn)是高真空二通接頭，G是CO2冷阱，H是CO2收集管，I是壓力計，JU J2與J3是螺旋式閥門，Kl與K2是玻璃管，L是液氮冷阱，M是波紋管，NI與N2是石英棉，O是無水高氯酸錳。
【具體實施方式】
[0033]本發(fā)明的用于測量土壤有機(jī)碳含量的裝置如圖1所示，是一構(gòu)成封閉回路的真空系統(tǒng)。具體地:
[0034]一真空泵A，可采用旋片式真空泵，用于維持制樣系統(tǒng)的真空度，系統(tǒng)真空度的極限可達(dá)到〈2.0Pa,通過波紋管M連接液氮冷阱L，該液氮冷阱L浸入純液氮，主要是用于冷凝系統(tǒng)中的雜氣，同時可防止真空泵A返油。該液氮冷阱L通過第一高真空閥門Dl連接至第一高真空三通接頭Cl中的一個接口，第一高真空三通接頭Cl的第二個接口與第二高真空三通接頭C2的一個接口相連，第一高真空三通接頭Cl的另一個接口通過第三高真空閥門D3與CO2收集管H連接；第二高真空三通接頭C2的另二個接口分別連接擠壓管B和水捕集阱E ;第二高真空三通接頭C2與水捕集阱E之間設(shè)有第二高真空閥門D2，水捕集阱E是為了冷凝水蒸氣純化C02。水捕集阱E通過高真空二通接頭F與CO2冷阱G的一端連接，CO2冷阱G浸入純液氮，使其溫度達(dá)到_185°C，以冷凝CO2氣體，同時將剩余的雜氣抽走，達(dá)到純化CO2的目的。CO2冷阱G的另一端連接用于收集純化后CO2的CO2收集管H，CO2收集管H是連接在一高真空四通接頭上，該高真空四通接頭的另三個接口分別連接CO2冷阱G、第三高真空閥門D3與壓力計I，該壓力計I用于測量CO2壓力。CO2冷阱G頂部設(shè)有兩個螺旋式閥門J2與J3，擠壓管B上設(shè)有螺旋式閥門Jl (如圖2所示)。水捕集阱E的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，其中的填充物為無水高氯酸錳0，兩端填充有石英棉NI與N2。
[0035]本發(fā)明的擠壓管B的接口通過連接一個9mm轉(zhuǎn)6mm的高真空轉(zhuǎn)換接頭可用于連接測量時用的氧化管。
[0036]本發(fā)明的裝置在測量土壤有機(jī)碳含量時主要是兩個過程，一是對待測土壤樣品進(jìn)行抽真空，使得樣品的氧化過程在真空狀態(tài)下進(jìn)行，二是對土壤樣品氧化產(chǎn)生的CO2進(jìn)行純化。
[0037]第一個過程步驟如下:
[0038]首先稱取土壤樣品和稍過量的氧化銅于氧化管中，并放入I?2根小銀絲以去除樣品在氧化過程中產(chǎn)生的硫化物氣體等，然后在離還原管口端約2cm處放上石英棉，以防止粉末狀的土壤被真空泵抽出而污染真空系統(tǒng)，隨后將氧化管套入裝置中，當(dāng)真空度達(dá)到真空極限時，用火焰槍燒封，最后將處于真空狀態(tài)下的氧化管放在900°C的微波馬弗爐中灼燒3小時，使土壤有機(jī)質(zhì)被充分氧化，生成CO2、水蒸氣與一些不可冷凝的氣態(tài)氧化物雜質(zhì)。
[0039]第二個過程步驟如下:
[0040]首先將氧化后的氧化管放入擠壓管中，再將擠壓管套入裝置中進(jìn)行抽真空，當(dāng)真空度達(dá)到極限時，破碎氧化管，讓氧化管中生成的混合氣體經(jīng)過水捕集阱，以冷凝混合氣體中的水蒸氣，然后讓余下的氣體通過CO2冷阱，使CO2被冷凝，而其余的氣體則被真空泵抽走；經(jīng)過上述兩步純化過程的CO2被加熱引入壓力計部分，通過壓力計讀數(shù)測量其壓力P。[0041]土壤有機(jī)碳含量的估算首先是將P代入公式PV = nRT計算得出CO2的生成摩爾數(shù)n，然后將η和土壤樣品重量w(g)代入公式T0C(% ) = 12n/wX100即可計算得出土壤有機(jī)碳含量。
[0042]下面通過具體實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0043]本發(fā)明對20個土壤樣品的有機(jī)碳含量進(jìn)行測定，并將其測定結(jié)果與總有機(jī)碳分析儀法的測定結(jié)果進(jìn)行對比，驗證本發(fā)明的可靠性。
[0044]本發(fā)明具體的技術(shù)方案包括:土壤碳酸鹽的預(yù)處理、土壤有機(jī)碳的氧化、CO2的純
化與測量。
[0045]土壤碳酸鹽的預(yù)處理包括如下步驟:
[0046](I)將采回的土壤樣品置于低溫(<40°C )烘箱中進(jìn)行烘干；
[0047](2)用玻璃瓶將土壤樣品進(jìn)行機(jī)械壓碎，并過2_篩子；
[0048](3)用鑷子挑除肉眼可見的植物殘體等雜質(zhì)；
[0049](4)稱取約5g 土壤樣品于50ml的離心管中，加入0.5mol T1HCl溶液，混勻并浸泡約24小時，期間不斷混勻并排除產(chǎn)生的CO2氣體；
[0050](5)離心去除上清液，并用去離子水沖洗5次以上至中性；
[0051](6)將沖洗好的樣品置于60°C的烘箱中烘干；
[0052](7)用瑪瑙研缽將烘干好的樣品研磨至100目以上。
[0053]土壤有機(jī)碳的氧化包括如下步驟:
[0054](I)稱取一定質(zhì)量的土壤樣品與足夠量的氧化銅于氧化管中，并加入I?2根小銀絲；
[0055](2)將稱氧化管套入裝置中進(jìn)行抽真空，待系統(tǒng)真空度達(dá)到極限后，燒封氧化管并放在900°C條件下反應(yīng)3個小時。
[0056]CO2的純化與測量包括如下步驟:
[0057](I)將氧化后的氧化管放入擠壓管中，然后再將擠壓管套入裝置中，待系統(tǒng)真空度達(dá)到極限后，破碎氧化管使得土壤樣品生成的混合氣體經(jīng)過水捕集阱，余下氣體則繼續(xù)通過CO2冷阱，使CO2被冷凝而不可冷凝的雜氣則被真空泵抽出；
[0058](2)利用加熱方法將經(jīng)過步驟(I)純化后的CO2釋放，并將其引入已知體積的CO2收集管中，讀取連接在CO2收集管上的壓力計讀數(shù)，即為CO2壓力P。
[0059]土壤有機(jī)碳含量的估算首先是將P代入公式PV = nRT計算得出CO2的生成摩爾數(shù)n，然后將η和土壤樣品重量w(g)代入公式T0C(% ) = 12n/wX100即可計算得出土壤有機(jī)碳含量。
[0060]總有機(jī)碳分析儀法的步驟包括土壤碳酸鹽的預(yù)處理和上機(jī)分析。
[0061]如圖4所示，本發(fā)明所測量出的土壤有機(jī)碳含量的結(jié)果與總有機(jī)碳分析儀法所測量的結(jié)果具有很好的線性相關(guān)性，R2 = 0.98，表明本發(fā)明是一種可靠的用于測量土壤有機(jī)碳含量的技術(shù)方法。
【權(quán)利要求】
1.一種用于測量土壤有機(jī)碳含量的裝置，包括: 一真空泵(A)，通過波紋管(M)連接液氮冷阱(L)； 第一高真空三通接頭(Cl)和第二高真空三通接頭(C2)，第一高真空三通接頭(Cl)的一個接頭與第二高真空三通接頭(C2)的一個接頭通過玻璃管(Kl)相連，第一高真空三通接頭(Cl)的另二個接口分別連接液氮冷阱(L)和CO2收集管(H)，第二高真空三通接頭(C2)的另二個接口分別連接擠壓管(B)和水捕集阱(E);擠壓管(B)上設(shè)有螺旋式閥門(Jl); 水捕集阱(E)通過CO2冷阱(G)連接CO2收集管(H) ；C02冷阱(G)頂部設(shè)有兩個螺旋式閥門(J2、J3)； 由上述裝置構(gòu)成真空系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，第一高真空三通接頭(Cl)與液氮冷阱(L)和CO2收集管(H)之間分別安裝有第一高真空閥門(Dl)和第三高真空閥門(D3);第二高真空三通接頭(C2)與水捕集阱(E)之間安裝有第二高真空閥門(D2)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，水捕集阱(E)的填充物為無水高氯酸錳(0)，水捕集阱的兩端填充有石英棉(N1、N2)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，CO2收集管(H)上設(shè)有壓力計(I)。
5.利用權(quán)利要求1所述裝置測量土壤有機(jī)碳含量的方法: 1)將土壤樣品與氧化銅裝于氧化管中，并加入銀絲以去除樣品在氧化過程中產(chǎn)生的硫化物氣體； 2)將氧化管套入真空系統(tǒng)中進(jìn)行抽真空，待系統(tǒng)真空度達(dá)到極限后，燒封氧化管并于800-900°C下反應(yīng)，樣品被氧化生成CO2、水蒸氣與不可冷凝的氣態(tài)氧化物； 3)將氧化后的氧化管放入擠壓管中，將擠壓管套入真空系統(tǒng)中，待系統(tǒng)真空度達(dá)到極限后，破碎氧化管使得土壤樣品生成的混合氣體經(jīng)過水捕集阱，以除去水蒸氣，余下氣體則繼續(xù)通過CO2冷阱，使CO2被冷凝而不可冷凝的雜氣則被真空泵抽出； 4)通過加熱使步驟3的CO2釋放并引入已知體積的CO2收集管中，通過CO2收集管上的壓力計讀數(shù)測量CO2的生成量，并計算出土壤有機(jī)碳含量。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，步驟I的土壤樣品用0.SmolL-1HCl進(jìn)行預(yù)處理，去除土壤中的碳酸鹽，避免無機(jī)碳對測定土壤有機(jī)碳含量的影響。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，步驟I的氧化銅為線狀氧化銅，在使用氧化銅之前，首先需要對其進(jìn)行過100目篩，以除去細(xì)顆粒狀的氧化銅，將過篩后的線狀氧化銅放在900°C條件進(jìn)行預(yù)熱2小時，以除去氧化銅表面的有機(jī)物。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，步驟3的CO2冷阱溫度為_185°C，通過將CO2冷阱浸入純液氮得以實現(xiàn)。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，步驟4中將CO2引入CO2收集管的方法是通過將CO2收集管浸入純液氮得以實現(xiàn)。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，步驟4中壓力計所測定出的CO2壓力P，根據(jù)公式PV = nRT計算出CO2的生成摩爾數(shù)n，土壤有機(jī)碳含量的計算用公式T0C(% ) = 12η/wX 100表示,該公式中的w為土壤樣品重量,單位為g。
【文檔編號】G01N1/34GK103940980SQ201410177165
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月29日
【發(fā)明者】檀文炳, 何小松, 席北斗, 高如泰, 袁英, 李晨辰 申請人:中國環(huán)境科學(xué)研究院