第三章土壤有机质的测定doc.docx

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第三章土壤有机质的测定doc

土壤有机质是土壤中各种营养元素特别是氮、磷的重要来源。

它还含有刺激植物生长的胡敏酸类等物质。

由于它具有胶体特性，能吸附较多的阳离子，因而使土壤具有保肥力和缓冲性。

它还能使土壤疏松和形成结构，从而可改善土壤的物理性状。

它也是土壤微生物必不可少的碳源和能源。

因此，除低洼地土壤外，一般来说，土壤有机质含量的多少，是土壤肥力高低的一个重要指标。

本章介绍了有机质的形态、含量与分布，土壤有机质测定各种方法的方法原理、适用范围、试剂的配制、操作步骤、结果计算、方法要点等内容。

3.1.1土壤有机质含量及其在肥力上的意义

土壤有机质是土壤中各种营养元素特别是氮、磷的重要来源。

它还含有刺激植物生长的胡敏酸类等物质。

由于它具有胶体特性，能吸附较多的阳离子，因而使土壤具有保肥力和缓冲性。

它还能使土壤疏松和形成结构，从而可改善土壤的物理性状。

它也是土壤微生物必不可少的碳源和能源。

因此，除低洼地土壤外，一般来说，土壤有机质含量的多少，是土壤肥力高低的一个重要指标。

华北地区不同肥力等级的土壤有机质含量约为：

高肥力地＞15.0g·kg-1，中等肥力地10～14g·kg-1，低肥力地5.0-10.0g·kg-1，薄砂地＜5.0g·kg-1。

南方水稻土肥力高低与有机质含量也有密切关系。

据浙江省农业科学院土壤肥料研究所水稻高产土壤研究组报道：

浙江省高产水稻土的有机质含量大部分多在23.6～48g·kg-1，均较其邻近的一般田高。

上海郊区高产水稻土的有机质含量也在25.0～40g·kg-1范围之内。

我国东北地区雨水充足，有利于植物生长，而气温较低有利土壤有机质的积累，因此东北的黑土有机质含量高达40～50g·kg-1以上。

由此向西北，雨水减少，植物生长量逐渐减少，土壤有机质含量亦逐渐减少，如栗钙土为20～30g·kg-1，棕钙土为20g·kg-1左右，灰钙土只有10～20g·kg-1。

向南雨水多、温度高，虽然植物生长茂盛，但土壤中有机质的分解作用增强，黄壤和红壤有机质含量一般为20～30g·kg-1。

对耕种土壤来讲，人为的耕作活动则起着更重要的影响，因此在同一地区耕种土壤有机质含量比未耕种土壤要低得多。

影响土壤有机质含量的另一重要因素是土壤质地，砂土有机质含量低于粘土。

土壤有机质的组成很复杂，包括三类物质：

1.分解很少，仍保持原来形态学特徵的动植物残体。

2.动植物残体的半分解产物及微生物代谢产物。

3.有机质的分解和合成而形成的较稳定的高分子化合物——腐殖酸类物质。

分析测定土壤有机质含量，实际包括了上述全部2、3两类及第1类的一部分有机物质，以此来说明土壤肥力特性是合适的。

因为从土壤肥力角度来看，上述有机质三个组成部分，在土壤理化性质和肥力特性上，都起重要作用。

但是在土壤形成过程中，研究土壤腐殖质中碳氮比的变化时则需严格剔除未分解的有机物质。

表3-1 耕地土壤有全氮与土壤有机质含量*的比值

省（区）

有机质

（g·kg-1）

全氮

（g·kg-1）

全氮/有机质

（%）

河北

山西

河南

安徽

福建

新疆

广东

12.2

10.7

12.2

14.0

15.9

13.9

14.9

0.74

0.68

0.70

0.86

0.79

0.79

0.80

6.07

6.34

5.74

6.14

4.97

5.68

5.27

*为全省（区）统计的平均值。

摘自《中国土壤》1998，中国农业出版社，P875

全国各地的大量资料分析结果表明［2］（表3－1），土壤有机质含量与土壤总氮量之间呈正相关。

例如浙江省对水稻土255个样品统计分析，其相关系数r=0.943，达极显著水平（图3－1）。

例如吉林省东部山区的通化对115个旱地土壤样品进行的回归分析，其回归方程为:

y=0.0062+0.573x  r=0.939**

图3－1水稻土耕层有机质含量x（g·kg-1）和全氮含量y（g·kg-1）的关系

土壤全氮总量与土壤有机质含量的比值，随着土壤所处的环境因素和利用状况而变化。

如表3－2所示，安徽省位于南北过渡带，成土母质复杂，土壤类型众多，而各类土壤开垦利用情况不同，全氮含量与有机质含量的比值（%）有一定差别。

从高地的山地草甸土的4.05%至低洼地的砂姜黑土的7.05%，但总体上看二者的回归相关性仍显著，y=0.0364+0.0371x,r=0.9916**（n=15），决定系数r2=0.9833，说明土壤全氮的变异有98.33%可由土壤有机质变异所引起。

表3-2 土壤有机质含量与土壤全氮（g·kg-1）（安 徽）

土壤类型

有 机 质

全   氟

全氮量有机质量

样品数   土壤变幅     平均值

样品数   土壤变幅   平均值

（％）

红壤

黄壤

黄棕壤

棕壤（酸性）

黄褐土

砂浆黑土

石灰（岩）土

紫色土

山地草甸土

潮   土

粗骨土

石质土

水稻土

4684   15．2~44．2   28．6

232   12．3~61．0     53．1

1646   12．5～85．0   18．6

186  28．4~104．1    37．9

4036   9．5~20．2    13．3

9446   9．0~13．2    12．6

893   30．3~47．8    33．7

1174   13．5~22．8   18．8

15                    99．2

6425   4．2~24．8    14．0

1504   27．3~44．0    29．6

212   34．2~63．8    48．6

31857   14．2~33．7   21.7

 4673   0．88~2．0   1．34

 232   2．04~2．8    2．36

 1646   0．75~3．88   0．84

 186  4．69~10．3    1．66

 4265   1．26~6．0   0．84

 9458   0．59~0．94   0．89

 882   1．72~2．59    1．86

 1179   0．97~1．23   0．99

 15                   4．02

6390    0．28~1．46  0．93

1426   1．24~1．69   1．45

 207   1．64~2．72   2．19

31455   0．90~2．32   1．31

4．69

4．44

4．52

4．38

6．32

7．05

5．52

5．27

4．05

6．64

4．90

4．51

6．04

摘自《中国土壤》1996年，中国农业出版社，P876。

 总的看来，土壤有机质一般约含氮5%左右，故可以从有机质测定结果来估计土壤全氮的近似值。

土壤全氮量（g·kg-1）=土壤有机质（g·kg-1）×0.05（或0.06）

　3.1.2土壤有机碳不同测定方法的比较和选用　

关于土壤有机碳的测定，有关文献中介绍很多，根据目的要求和实验室条件可选用不同方法。

经典测定的方法有干烧法（高温电炉灼烧）或湿烧法（重铬酸钾氧化），放出的CO2，一般用苏打石灰吸收称重，或用标准氢氧化钡溶液吸收，再用标准酸滴定。

用上述方法测定土壤有机碳时，也包括土壤中各元素态碳及无机碳酸盐。

因此，在测定石灰性土壤有机碳时，必须先除去CaCO3。

除去CaCO3的方法，可以在测定前用亚硫酸处理去除之，或另外测定无机碳和总碳的含量，从全碳结果中减去无机碳。

干烧法和湿烧法测定CO2的方法均能使土壤有机碳全部分解，不受还原物质的影响，可获得准确的结果，可以作为标准方法校核时用。

由于测定时须要一些特殊的仪器设备，而且很费时间，所以一般实验室都不用此法。

近年来高温电炉灼烧和气相色谱装置相结合制成碳氮自动分析仪，已应用于土壤分析中，但由于仪器的限制，所以未能被广泛采用。

目前，各国在土壤有机质研究领域中使用得比较普遍的是容量分析法。

虽然各种容量法所用的氧化剂及其浓度或具体条件稍有差异，但其基本原理是相同的，使用最普遍的方法是在过量的硫酸存在下，用氧化剂重铬酸钾（或铬酸）氧化有机碳，剩余的氧化剂用标准硫酸亚铁溶液回滴，从消耗的氧化剂量来计算有机碳量。

这种方法，土壤中的碳酸盐无干扰作用，而且方法操作简便、快速、适用于大量样品的分析。

采用这一方法进行测定时，有的直接利用浓硫酸和重铬酸钾（2∶1）溶液迅速混和时所产生的热（温度在120℃左右）来氧化有机碳，称为稀释热法（水合热法）。

也有用外加热（170-180℃）来促进有机质的氧化，前者操作方便，但对有机质的氧化程度较低，只有77%，而且受室温变化的影响较大，而后者操作较麻烦，但有机碳的氧化较完全，可达90-95%，不受室温变化的影响。

此外还可用比色法测定土壤有机质所还原的重铬酸钾的量来计算，即利用土壤溶液中重铬酸钾被还原后产生的绿色铬离子（Cr3+）或剩余的重铬酸钾橙色的变化，作为土壤有机碳的速测法。

以上方法主要是通过测定氧化剂的消耗量来计算出土壤有机碳的含量，所以土壤中存在氯化物、亚铁及二氧化锰，它们在铬酸溶液中能发生氧化还原反应，导致有机碳的不正确结果。

土壤中Fe2+或Cl-的存在将导致正误差，而活性的MnO2存在将产生负误差。

但大多数土壤中活性的氧化锰的量是很少的，因为仅新鲜沉淀的MnO2，将参加氧化还原反应，即使锰含量较高的土壤，存在的MnO2中很少部分能与Cr2O72-发生氧化还原作用，所以，对绝大多数土壤中MnO2的干扰，不致产生严重的误差。

测定土壤有机质含量除上述方法外，还可用直接灼烧法，即在350-400℃下灼烧。

从灼烧后失去的重量计算有机质含量。

灼烧失重，包括有机质和化合水的重量，因此本法主要适用于砂性土壤。

3.1.3有机碳的校正系数

经典的干烧法或湿烧法，均为彻底氧化的方法，因为土壤中所有的有机碳均氧化为CO2，而不需要一个校正系数。

而上述外加热重铬酸盐法，不能完全氧化土壤中的有机化合物，需要用一个校正系数去校正未反应的有机碳，Schollenberger法的校正系数为1.15。

Tyurin（1931）法的校正系数不加Ag2SO4时为1.1，加Ag2SO4时为1.04。

表3－3不同研究者用WalkleyandBlack方法测定了一些表土，有机碳未回收的校正系数

参考文献

研究土壤的数目

有机碳回收率（%）

平均校正系数

范围

平均数

DremnerandJenkinson（1960a）

Kalembasa&Jenkinson（1973）

Orphanos（1973）

Richteretal（1973）

Nelson&Sommers（1975）

15

22

12

12

10

57-92

46-80

69-79

79-87

44-88

84

77

75

83

79

1.19

1.30

1.33

1.20

1.27

摘自MethodsofSoilAnalysispart2,1982,p.567

从表3－3可以看出，WalkleyandBlack的稀释热法（水合热法）有机碳回收率有很大变化（44～92%），所以适合于各种土壤校正系数变化范围为1.09～2.27。

对各类土壤合适平均校正系数的变化范围为1.19～1.33。

因此，应用1.3校正系数（有机碳平均回收率为77%）在一定范围土壤上看来是最合适的，但应用于各类土壤将会带来误差。

3.1.4有机质含量的计算

土壤中有机质含量可以用土壤中一般的有机碳比例（即换算因数）乘以有机碳百分数而求得。

其换算因数随土壤有机质的含C率而定。

各地土壤的有机质组成不同，含碳量亦不一致，因此根据含C量计算有机质含量时，如果都用同一换算因数，势必造成一些误差。

VanBemmelen因数为1.724，是假定土壤有机质含碳58%计算的。

然而许多研究指出，对许多土壤此因数太低，因此低估了有机质的含量。

Broadbent（1953）概括了许多早期工作，确定换算因数为1.9和2.5，将分别适用于表土和底土。

其它工作者发现（Ponomareva&Platnikova,1967），1.9-2.0的换算因数对于表层矿物土壤是令人满意的。

尽管这样，我国目前仍沿用“VanBemmelen因数”1.724。

在国外常用有机碳而不用有机质含量表示。

3.2.1重铬酸钾容量法——外加热法

3.2.1.1方法原理在外加热的条件下（油浴温度为180℃，沸腾5分钟），用一定浓度的重铬酸钾—硫酸溶液氧化土壤有机质（碳），剩余的重铬酸钾用硫酸亚铁来滴定，从所消耗的重铬酸钾量，计算有机碳的含量。

本方法测得的结果，与干烧法对比，只能氧化90%的有机碳，因此将测得的有机碳剩上校正系数1.1，以计算有机碳量。

在氧化和滴定过程中的化学反应如下：

2K2Cr2O7+8H2SO4+3C→2K2SO4+2Cr2（SO4）3+3CO2+8H2O

K2Cr2O7+6FeSO4+7H2SO4→K2SO4+Cr2（SO4）3+3Fe2（SO4）3+7H2O

在1mol·L-1H2SO4溶液中用Fe2+滴定Cr2O72-时，其滴定曲线的突跃范围为1.22－0.85V。

表3－4滴定过程中使用的氧化还原指示剂有下列四种

指示剂名称

E0

本身变色

氧化—还原

Fe2+滴定Cr2O72时的变色

氧化—还原

特 点

二苯胺

二苯胺磺酸钠

2-羧基代二苯胺

邻啡罗啉

0.76V

0.85V

1.08V

1.11V

深蓝→无色

红紫→无色

紫红→无色

淡蓝→红色

深蓝→绿

红紫→蓝紫→绿

棕红→紫→绿

橙→灰绿→淡绿→砖红

须加H3PO4；近终点须强烈摇动，较难掌握

须加H3PO4；终点稍难掌握

　不必加H3PO4；终点易于掌握

不加H3PO4；终点易于掌握

从表3－4中，可以看出每种氧化还原指示剂都有自己的标准电位（E0），邻啡罗啉（E0=1.11V），2-羧基代二苯胺（E0=1.08V），以上两种氧化还原指示剂的标准电位（E0），正落在滴定曲线突跃范围之内，因此，不需加磷酸而终点容易掌握，可得到准确的结果。

例如：

以邻啡罗啉亚铁溶液（邻二氮啡亚铁）为指示剂，三个邻啡罗啉（C12H8H2）分子与一个亚铁离子络合，形成红色的邻啡罗啉亚铁络合物，遇强氧化剂，则变为淡蓝色的正铁络合物，其反应如下：

[（C12H8H2）3Fe]3++e→ [（C12H8H2）3Fe]2+ 

                 ←   

淡蓝色             红色  

滴定开始时以重铬酸钾的橙色为主，滴定过程中渐现Cr3+的绿色，快到终点变为灰绿色，如标准亚铁溶液过量半滴，即变成砖红色，表示终点已到。

但用邻啡罗啉的一个问题是指示剂往往被某些悬浮土粒吸附，到终点时颜色变化不清楚，所以常常在滴定前将悬浊液在玻璃滤器上过滤。

从表3－4中也可以看出，二苯胺、二苯胺磺酸钠指示剂变色的氧化还原标准电位（E0）分别为0.76V、0.85V。

指示剂变色在重铬酸钾与亚铁滴定曲线突跃范围之外。

因此使终点后移，为此，在实际测定过程中加入NaF或H3PO4络合F3+，其反应如下：

Fe3++2PO3-→Fe（PO4）3-；Fe3++6F-→[FeF6]3-

加入磷酸等不仅可消除Fe3+的颜色而且能使Fe3+/Fe2+体系的电位大大降低，从而使滴定曲线的突跃电位加宽，使二苯胺等指示剂的变色电位进入突跃范围之内。

根据以上各种氧化还原指示剂的性质及滴定终点掌握的难易，推荐应用2-羧基代二苯胺。

价格便宜，性能稳定，值得推荐采用[3，4]。

3.2.1.2主要仪器油浴消化装置；包括油浴锅和铁丝笼；可调温电炉；秒表；自动控温调节器

3.2.1.3试剂

（1）      0.8000mol·L-1（1/6K2Cr2O7）标准溶液：

称取经130℃烘干的重铬酸钾（K2Cr2O7，GB642－77，分析纯）39.2245g溶于水中，定容于1000ml容量瓶中。

（2） H2SO4：

浓硫酸（H2SO4，GB625-77，分析纯）。

（3）0.2mol·L-1FeSO4溶液：

称取硫酸亚铁（FeSO4·7H2O,GB664-77，化学纯）56.0g溶于水中，加浓硫酸5ml，稀释至1L。

（4）指示剂

①    邻菲罗啉指示剂：

称取邻菲罗啉（GB1293－77，分析纯）1.485g与FeSO4·7H2O 0.695g，溶于100ml水中。

②2-羧基代二苯胺（O-phenylanthranilicacid,又名邻苯氨基苯甲酸，C13H11O2N）指示剂：

称取0.25g试剂于小研钵中研细，然后倒入100ml小烧杯中，加入0.1mol·L-1NaOH溶液12ml，并用少量水将研钵中残留的试剂冲洗入100ml烧杯中，将烧杯放在水浴上加热使其溶解，冷却后稀释定容到250ml，放置澄清或过滤，用其清液。

（5） Ag2SO4：

硫酸银（Ag2SO4，HG3－945-76，分析纯），研成粉末。

（6） SiO2：

二氧化硅（SiO2,Q/HG22－562－76，分析纯），粉末状。

3.2.1.4操作步骤

称取通过0.149mm（100目）筛孔的风干土样0.1-1g（精确到0.0001g）（注1），放入一干燥的硬质试管中（注2，3），用移液管准确加入0.8000mol·L-1（1/6K2Cr2O7）标准溶液5ml（如果土壤中含有氯化物需先加Ag2SO40.1g），用注射器加入浓H2SO45ml，充分摇匀（注4），管口盖上弯颈小漏斗，以冷凝蒸出之水汽。

将8～10个试管放入自动控温的铝块管座中（试管内的液温控制在约170℃），［或将8-10个试管盛于铁丝笼中（每笼中均有1～2个空白试管），放入温度为185～190℃的石蜡油浴锅（注5，6）中，要求放入后油浴锅温度下降至170～180℃左右，以后必须控制电炉，使油浴锅内温度始终维持在170～180℃］，待试管内液体沸腾发生气泡时开始计时（注7），煮沸5分钟（注8），取出试管（用油浴法，稍冷，擦净试管外部油液）。

冷却后，将试管内容物倾入250ml三角瓶中，用水洗净试管内部及小漏斗，这三角瓶内溶液总体积应在60-70ml，保持混合液中1/2H2SO4）浓度为2～3mol·L-1，然后加入2-羧基代二苯胺指示剂12～15滴，此时溶液呈棕红色。

用标准的0.2mol·L-1硫酸亚铁滴定，滴定过程中不断摇动内容物，直至溶液的颜色由棕红经紫色变为暗绿（灰蓝绿色），即为滴定终点。

如用邻啡罗啉指示剂，加指示剂2－3滴，溶液的变色过程中由橙黄→蓝绿→砖红色即为终点。

记取FeSO4滴定ml数（V）。

每一批（即上述每铁丝笼或铝块中）样品测定的同时，进行2～3个空白试验，即取0.500g粉状二氧化硅代替土样，其他手续与试样测定相同。

记取FeSO4滴定mL数（V0），取其平均值。

3.2.1.5结果计算

土壤有机碳（g·kg-1）=（c×5/V0）×（V0-V）×10-3×3.0×1.1/（m×k）×1000

式中：

c——0.8000mol·L-1（1/6K2Cr2O7）标准溶液的浓度；

    5——重铬酸钾标准溶液加入的体积，mL；

    V0——空白滴定用去FeSO4体积，mL；

    V——样品滴定用去FeSO4体积，mL；

   3.0——1/4碳原子的摩尔质量，g·mol-1；

   10-3——将mL换算为L；

   1.1——氧化校正系数；

   m——风干土样质量，g；

   k——将风干土换算成烘干土的系数。

土壤有机质（g·kg-1）=土壤有机碳（g·kg-1×1.724）

式中：

1.724——土壤有机碳换成土壤有机质的平均换算系数。

3.2.1.6注释

（注1）含有机质高于50g·kg-1者，称土样0.1g，含有机质为20g～30g·kg-1者，称土样0.3g，少于20g·kg-1者，称0.5g以上。

由于称样量少，称样时应用减重法以减少称样误差。

（注2）土壤中氯化物的存在可使结果偏高，因为氯化物也能被重铬酸钾所氧化，因此盐土中有机质的测定必须防止氯化物的干扰，少量氯可加少量Ag2SO4，使氯根沉淀下来（生成AgCl）。

Ag2SO4的加入，不仅能沉淀氯化物，而且有促进有机质分解的作用。

据研究，当使用Ag2SO4时，校正系数为1.04，不使用Ag2SO4时校正系数为1.1。

Ag2SO4的用量不能太多，约加0.1g左右，否则生成Ag2Cr2O7沉淀，影响滴定。

在氯离子含量较高时，可用一个氯化物近似校正系数1/12来校正之，由于Cr2O72-与Cl-及C的反应是定量的：

Cr2O72-+6Cl-+14H+→2Cr3++3Cl2+7H2O

2Cr2O72-+3C+16H+→4Cr3++3CO2 +8H2O

由上二个反应式可知C/4Cl-=12/4×35.5≈1/12

土壤含碳量，g·kg-1=未经校正土壤含碳量，（g·kg-1）-土壤Cl含量（g·kg-1）/12此校正系数在Cl∶C比为5∶1以下时都是适用的。

（注3）对于水稻土、沼泽土和长期渍水的土壤，由于土壤中含有较多的Fe2+、Mn2+及其它一些还原性物质，它们也消耗K2Cr2O7，可使结果偏高，对这些样品必须在测定前充分风干。

一般可把样品磨细后，铺成薄薄一层，在室内通风处风干10天左右即可使全部Fe2+氧化。

长期沤水的水稻土，虽经几个月风干处理，样品中仍有亚铁反应，对这种土壤，最好采用铬酸磷酸湿烧——测定二氧化碳法（见3.2.3）。

（注4）这里为了减少0.4mol·L-1（1/6K2Cr2O7）-H2SO4溶液的粘滞性带来的操作误差，准确加入0.8000mol·L-1（1/6K2Cr2O7）-H2SO4水溶液5mL及浓H2SO45ml，以代替0.4mol·L-1（1/6K2Cr2O7）溶液10ml。

在测定石灰性土壤样品时，也必须慢慢加入K2Cr2O7-H2SO4溶液，以防止由于碳酸钙的分解而引起激烈发泡。

（注5）最好不采用植物油，因它也可被重铬酸钾氧化，而可能带来误差。

而矿物油或石腊对测定无影响。

油浴锅预热温度，当气温很低时应高一些（约200℃）。

铁丝笼应该有脚，使试管不与油浴锅底部接触。

（注6）用矿物油虽对测定无影响，但空气污染较为严重，最好采用铝块（有试管孔座的）加热自动控温的方法来代替油浴法。

（注7）必须在试管内溶液表面开始沸腾才开始计算时间。

掌握沸腾的标准尽量一致，然后继续消煮5分钟，消煮时间对分析结果有较大的影响，故应尽量记时准确。

（注8）消煮好的溶液颜色，一般应是黄色或黄中稍带绿色，如果以绿色为主，则说明重铬酸钾用量不足。

在滴定时消耗硫酸亚铁量小于空白用量的三分之一时，有氧化不完全的可能，应弃去重做。

3.2.2重铬酸钾容量法——稀释热法

3.2.2.1方法原理基本原理、主要步骤与重铬酸钾容量法（外加热法）相同，稀释热法（水合热法）是利用浓硫酸和重铬酸钾迅速混和时所产生的热来氧化有机质，以代替外加热法中的油浴加热，操作更加方