基于热分析技术的土壤有机质含量和稳定性分析

摘要

土壤有机质(soil organic matter,SOM)含量及其稳定性是评价土壤质量的重要指标.传统的化学氧化技术测定SOM时可能氧化不完全,费时费力,容易污染实验室环境;干烧法(例如,元素分析法)分析成本高,而且化学氧化法和干烧法都难以提供SOM稳定性的信息.该文探讨应用热分析技术测定SOM含量及热稳定性的可行性.土壤样品采自位于湖南省宁乡县的稻田施肥长期定位试验,采用湿筛法将耕层土壤样品分为＞2、＞0.25～2、＞0.05～0.25以及≤0.05 mm 4个粒级团聚体,利用热重分析(thermogravimetry,TG)和差示扫描量热分析(differential scanning calorimetry,DSC)技术测定土体及团聚体中SOM含量和稳定性.结果表明:1)土壤中存在2类热稳定性不同的SOM:一类为热易分解型,分解温度为200～350℃;另一类为热稳定性型,分解温度为350～550℃;2)热分析技术测定的土体和团聚体中SOM质量分数范围为4％～8％,而元素分析仪得到的SOM质量分数范围约为3％～6％,热分析法结果比元素分析法的结果平均高估2.10百分点,但二者存在显著线性相关(r=0.88,P=0).因此,可以利用该系数(2.10％)将热分析技术测定的SOM含量校正为元素分析法测定的结果;3)SOM的热稳定性可以用热易分解SOM占总SOM的比例(Exo 1/Exot)和SOM分解一半时的温度(TG-T)来表征,Exo1/Exot和TG-T50呈良好的负相关(r=-0.95,P=0),但Exo1/Exot对SOM的热稳定性更加敏感,因此用Exo1/Exot表征SOM的热稳定性可能更为合理;4)Exo1/Exot与碳水化合物、烷烃类、芳香族的傅立叶转换红外线光谱吸光度以及土壤基础呼吸和微生物代谢熵qCO2呈显著正相关,说明SOM的热稳定性与化学稳定性、生物稳定性存在良好的一致性;5)长期有机肥和化肥配施显著提高了土体及各粒级团聚体的SOM含量,秸秆还田也具有较好的效果,但单施化肥无明显效果;＞0.25～2 mm粒级的团聚体是贮藏SOM的优势粒级,其次为＞2和≤0.05 mm的团聚体;6)对于同一粒级团聚体或土体,与单施化肥和不施肥相比,有机肥配施化肥和秸秆还田下的SOM热稳定性有降低趋势;尽管SOM热稳定性在各粒级团聚体和土体中存在一定差异,但是各施肥处理中没有一致规律.利用热分析技术测定SOM含量和热稳定性具有可行性,可以应用于研究农田管理措施对SOM含量和稳定性的影响和综合评价土壤质量.