03章 土壤有机质的测定.doc

第三章 土壤有机质的测定主要内容： 概述 土壤有机质的测定要求： 了解土壤有机质含量在肥力上的意义 掌握土壤有机质含量的计算方法 了解干烧法、湿烧法测定土壤有机质的方法 掌握重铬酸钾容量法（外加热法）测定土壤有机质的原理、操作步骤及注意事项 了解比色法测定土壤有机质的方法 了解灼烧法测定土壤有机质的方法 3-1 概述土壤有机质是土壤固相的组成分之一，尽管土壤有机质仅占土壤重量的很小一部分，但在土壤肥力、环境保护和农业可持续发展方面却具有十分重要的作用和意义。侯光炯教授：土壤是一个活的“有机体”，其中矿物质骨骼，有机质肌肉，孔隙血管，水分血液。土壤有机质含量变异性大（30%)，通常将表层有机质含量20%的土壤称为有机质土壤，将表层有机质含量粗蛋白质半纤维素纤维素脂肪、蜡质等木质素。2. 腐殖化作用腐殖化是一系列极其复杂的过程的总称，主要是由微生物为主导的生物和生物化学过程以及一些纯化学反应的过程，其整个作用过程目前尚未定论。腐殖化作用（腐殖质形成过程）土壤中的有机质在微生物作用下形成具有复杂结构、高分子的腐殖质的过程。腐殖化系数（腐殖质形成速率）单位重量新鲜有机质加入土壤后在微生物作用下所能形成腐殖质的重量。3. 影响土壤有机质转化的因素（1）内在因素：残体的物理状态：新鲜多汁残体干枯残体，幼嫩组织残体老化组织残体，粉碎残体未粉碎残体残体的物质组成：残体中易分解化合物成分越多，越易于矿质化，但不利于腐殖化。残体的C/N比：据研究，微生物每同化1份 N 构成微生物机体，约需24份 C（C/N=24/1）。当植物残体的C/N25/1时，微生物降解植物残体过程中释放的C素充足，而N素不能满足微生物同化机体的需要，则要么出现微生物繁殖和植物残体的分解作用受到抑制，要么出现微生物与植物争夺土壤中的N素而导致土壤速效N的下降。激发效应：土壤中加入新鲜有机物质会促进土壤原有有机质的降解正激发效应；（2）外在（环境）因素：土壤含水量和通气性：土壤含水量适当，通气良好，微生物活动旺盛，有利于有机质的降解。土壤温度：土壤微生物活动最适宜的温度为25-30，0-30 范围内，有机质的分解随温度的升高而加快。土壤pH：微生物最适宜的土壤pH：细菌为6.5-7.5, 放线菌偏碱性，真菌为3-6，土壤pH过低（8.5)均不利于微生物活动和有机质的降解。土壤质地：砂质土有利于土壤有机质的分解，粘质土则有利于土壤有机质的积累和腐殖质的形成。其它因素：土壤盐分浓度0.2%、重金属和芳香族化合物含量过高，微生物活动受抑制，有机质分解也必然受影响。4. 土壤有机质的平衡与调控（1）土壤有机质平衡设土壤原有机质含量为A，原有机质矿化率为X%，单位时间（每年）施入土壤的有机质为D，其腐殖化率为Y%，激发效应忽略不计，则土壤有机质平衡式：土壤有机质量=A+DY%-AX% =A（1-X%）+ DY%土壤有机质量-A=DY%-AX%OM=DY%-AX%OM0，土壤有机质增加，增加型。OM=0，土壤有机质保持平衡，平衡型。OM0，土壤有机质降低，消耗型。作业1：有耕地2000亩，原有机质含量为1.5%，假设这片耕地只能靠冬种紫云英养地，当前每年冬种紫云英面积仅占耕地总面积的1/3，紫云英亩产量为1500kg，含水量为 85%，土壤原有机质矿化率为3%，紫云英的腐殖化率为0.3，每亩土壤干土重为 15万kg，激发效应忽略不计。请通过计算：说明该耕地土壤的有机质处于何种平衡状态？若要求土壤有机质维持平衡，应怎么办？若要求土壤有机质含量达2.00%，又该怎么办？（）土壤有机质调控调控土壤有机质的矿化速率通过调节土壤湿度和通气状况、土壤酸碱度和有机质的C/N比，控制土壤微生物的活动，进而调控土壤有机质的分解速率。提高土壤有机质含量粮肥轮作：稻紫云英、稻豆科作物等轮作。广辟肥源，增施有机肥：施用粪肥、厩肥、饼肥、有机固废物、塘泥、氨化稻秆等。提倡施用有机无机复混肥：施用专用有机无机复混肥。推广施用生物有机肥料：“超大”生物有机肥。三、土壤有机质的作用1. 有机质在土壤肥力上的作用（1）提供土壤微生物活动所需的碳素和能量每亩施用干物质含量为20%的绿肥1500kg，可向土壤输入能量1.2-1.5106千卡，相当于200-250kg的无烟煤。（2）提供植物生长所需的矿质养分我国土壤中80%以上的N、20-76%的P以有机态存在，随着土壤有机质的矿化而逐渐释放，此外，有机质还含有植物生长所需的其它矿质元素。（3）促进土壤养分的有效化有机质分解过程中产生的有机酸，通过酸溶作用可促进矿物的风化和养分释放，通过络合作用可增加矿质养分的有效性。（4）提高土壤的保肥供肥性和酸碱缓冲性腐殖质的CEC是粘土矿物的20-30倍，在矿质土壤中腐殖质对阳离子代换量的贡献占20-90%，故增加土壤腐殖质可显著提高土壤的保肥供肥性（尤其是我国南方土壤和砂质土）。腐殖酸是含有许多酸性功能团的弱酸，可通过酸基解离和胺基质子化提高土壤的酸碱缓冲性。（5）改善土壤的物理性状腐殖质在土壤团聚体形成及其稳定性方面具有重要的作用，可促进良好结构体（团粒）的形成，从而改善土壤的通气性、透水性、蓄水性及耕性腐殖质是一种亲水胶体，增加腐殖质含量可提高土壤的保水性。腐殖质是一种暗褐色物质，增加腐殖质含量可加深土壤颜色，促进土壤对太阳辐射能的吸收，从而改善土壤的热特性。（6）其它作用腐殖酸是一类生理活性物质，可加速种子发芽、增强根系活力，促进作物生长发育，此外，也可刺激微生物活动、提高土壤酶活性，促进土壤养分的转化。2. 有机质在生态环境上的作用（1）有机质与重金属离子的作用土壤有机质对重金属离子的络合作用对土壤和水体中重金属离子的固定和迁移具有极其重要且复杂的影响，络合作用的结果既可提高某些重金属离子的活性和移动性，也可降低某些重金属离子的活性和移动性。腐殖质通过氧化还原作用，可改变重金属的形态，从而降低其毒性：Cr6+还原为Cr3+，V5+ （钒）还原为V4+ ，Hg2+还原为Hg ，U6+ （铀）还原为U4+ 。（2）土壤有机质对农药等有机污染物的固定作用土壤有机质对农药等有机污染物具有强烈的亲和力，从而影响有机污染物在土壤中的生物活性、残留、降解、迁移和蒸发等（如富啡酸可促进农药从土壤向地下水迁移）。腐殖质作为还原剂而改变农药的结构，使其毒性降低或消失。（3）土壤有机质对全球碳平衡的影响土壤有机质是全球碳平衡过程中非常重要的碳库，据估计全球土壤有机质总碳量为14-151017 g ，约为陆地生物总碳量（5.6 1017 g)的2.5-3倍。（4）土壤有机质对环境富营养化的影响通过提高土壤保肥性能，减少养分流失，防止富营养化。一、土壤有机质含量及其在肥力上的意义1. 土壤有机质（OM）在肥力上的意义（1）土壤有机质是各种营养元素特别是氮、磷的重要来源；（2）土壤有机质中所含的胡敏酸类物质，能刺激植物生长（3）土壤有机质具有较大的交换性能，使土壤具有一定的保肥能力和缓冲能力；（4）土壤有机质具有一定的胶结能力，从而促进了良好土壤结构的形成，对改善土壤的物理性状有重要意义；（5）土壤有机质是土壤微生物活动的碳源和能源。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。2. 土壤有机质含量我国耕地土壤有机质含量不高，为百分数量级，0.x % x %，一般为1 % 2 % （10 20 g kg-1）。影响土壤有机质含量的因素错综复杂。土壤有机质的消长，主要取决于生物积累和分解作用的相对强弱，主要受气候、植被、土壤质地、耕作制度等因素的影响，特别是水热条件对土壤有机质有显著的影响。（1） 自然因素对土壤有机质含量的影响我国东北地区雨水充足，植物生长旺盛，而气温低，有利于土壤有机质的积累，如，东北的黑土有机质含量高达40 50 g kg-1；由此向西北，雨水减少，植物生长量逐渐减少，土壤有机质的含量也逐渐减少，如，栗钙土为20 30 g kg-1，棕钙土为20 g kg-1，灰钙土为10 20 g kg-1；向南雨水多、温度高，虽然植物生长茂盛，土壤有机质的分解作用增强，如，黄壤和红壤有机质含量一般为2030 gkg-1。（2）土壤质地 砂土有机质含量比粘土低。（3）人为活动 在同一地区，耕种土壤有机质含量比未耕种土壤要低得多。土壤有机质含量与土壤全氮量之间有一定的相关性。从教材PP.26表3-1和PP.27表3-2可以看出，土壤有机质含量与土壤总氮量之间呈正相关关系，相关系数r都在0.9以上，回归相关性达显著水平。所以，可从有机质的测定结果来估计土壤的全氮量。土壤有机质一般含氮5 %左右。土壤全氮量 (g kg-1) = 土壤有机质 (g kg-1) 0.05 0.06. 土壤腐殖物质及其性质一、土壤腐殖物质的组分及其分离土壤腐殖物质的组分土壤腐殖物质的分离（1）腐殖物质与土壤矿物质紧密结合而形成有机无机复合体，不易分离。（2）腐殖物质与非腐殖物质紧密结合，难于分离。（3）任何提取溶剂均会引起土壤腐殖物质某种程度的变性。二、土壤腐殖物质的结构土壤腐殖物质的结构特征腐殖酸是高分子聚合物，其分子结构十分复杂，目前对其结构的认识还很不清楚。腐殖酸结构=芳香族结构+脂肪族侧链三、土壤腐殖物质的性质腐殖酸的物理性质分子量高分子化合物，数均分子量=6752550。形状非晶质，因溶液pH、浓度而呈线状球状。直径大小-1微米。比表面远大于粘土矿物，高达2000平方米/克。带电性两性胶体，通常带负电荷。吸水性亲水胶体，具强大的吸水能力，最大吸水量可超过其本身重量的500%颜色黄色黑色腐殖酸的化学性质元素组成土壤腐殖酸的主要元素组成：C、H、O、N、S、P等。土壤腐殖酸的其它元素组成：Ca、Mg、Fe、Si等。含C量=5566.8%（58%） 含N量=1.36%（5.6%）含O量=3238%（35%） 含H量=3.17.0%(6.0%)平均C:N=10:112:1平均C:N:P:S=100:10:1:1120:10:1:1功能基团含氧酸性功能基团：羧基（R-COOH）、酚羟基（酚-OH）中性功能基团：醇羟基（R-CH2-OH）、醚基（R- CH2-O-CH2-R）、酮基（R-C=O（-R）、醛基（R-C=O（-H）和酯基（R-C=O（-OR）。碱性功能基团：胺基（R-CH2-NH2）和酰胺基（R-C=O（-NH-R）。阳离子代换量（CEC）以单位重量计算，CEC=500-1200cmol/kg,以单位体积计算，CEC=40-80cmol/L。二、土壤有机碳不同测定方法的比较和选用关于实验室测定土壤有机质含量的方法很多，一般采用测定土壤有机碳含量然后再乘以一个换算系数的办法。测定土壤有机碳的方法有两类：1. 将土样中有机碳高温氧化后，测定释放出的CO2的量（1）原理：干烧法(高温电炉灼烧) 碱石灰吸收重量变化（称重）样品 放出CO2测定CO2体积（TOC仪）湿烧法(K2Cr2O7氧化) 标准Ba(OH)2溶液吸收标准酸吸收采用这两种方法测定土壤有机碳时，也包括了土壤中的无机碳。因此，直接采用这两种方法的前提条件是：土壤无机碳含量可以忽略不计。对于石灰性土壤，测定土壤有机碳时，必须先除去CaCO3（测定前加亚硫酸）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。（2）干烧法和湿烧法的优、缺点：优点：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。缺点：测定时需要用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，而是采用容量分析法。碳氮自动分析仪结合了高温电炉灼烧和气相色谱装置，价格较昂贵。2. 用氧化剂在一定温度下氧化后，测定消耗氧化剂的量，再换算成有机碳的量。（1）基本原理：在过量的硫酸（H2SO4）存在下，用氧化剂重铬酸钾（K2Cr2O7）氧化有机碳，剩余的氧化剂用标准硫酸亚铁(FeSO4)溶液回滴，从消耗的氧化剂的量来计算有机碳量。化学方程式：3 C + 2 Cr2O72- + 16 H+ 3 CO2 + 4 Cr3+ + 8 H2O6 Fe2+ + Cr2O72- + 14 H+ 2 Cr3+ + 6 Fe3+ + 7 H2O（2）容量法的优、缺点：优点：不受碳酸盐的干扰；操作简便、快捷，适用于大量样品分析，使通用的常规方法。缺点：有机质氧化程度相对较低；且受室温变化的影响较大；土壤中氧化性、还原性物质对反应有干扰，如，Cl-、Fe2+、MnO2等，在铬酸溶液中能发生氧化还原反应，导致有机碳分析结果的不正确。当土壤中存在较多的Cl-或Fe2+时，会导致正误差，化学方程式：6 Fe2+ + Cr2O72- + 14 H+ 2 Cr3+ + 6 Fe3+ + 7 H2O6 Cl- + Cr2O72- + 14 H+ 2 Cr3+ + 3 Cl2 + 7 H2O由于活性MnO2的氧化作用，也氧化了部分碳，所以会产生负误差。（3）容量法根据具体操作的不同，又分为两种方法： 重铬酸钾稀释热法（水合热法）：原理：利用浓H2SO4与K2Cr2O7（2 : 1）溶液迅速混合时所产生的热（温度在120左右）来氧化有机碳，过量的K2Cr2O7用标准FeSO4溶液回滴，从消耗的K2Cr2O7的量来计算有机碳量。优点：操作方便缺点：有机质氧化程度较低，只有77 %；且受室温变化的影响较大；土壤中氧化还原性物质如，Cl-、Fe2+、Mn2+、S2-、MnO2等，对反应有干扰。 重铬酸钾外加热法：原理：在外加热条件下（油浴170 180，沸腾5分钟），用一定浓度的K2Cr2O7H2SO4溶液氧化有机碳，过量的K2Cr2O7用标准FeSO4溶液回滴，从消耗的K2Cr2O7的量来计算有机碳量。优点：有机质氧化较完全，可达90 95 %；且不受室温变化的影响。是标准方法（GB9864-88）。缺点：操作较麻烦；土壤中氧化还原性物质如，Cl-、Fe2+、Mn2+、S2-、MnO2等，对反应有干扰3.其它方法 比色法 原理是：通过K2Cr2O7被还原前后土壤溶液中绿色的铬离子（Cr3+）的变化或剩余的K2Cr2O7的橙色的变化来计算所还原的K2Cr2O7的量，进而求得有机碳量。这种方法可用来作为土壤有机碳的速测法。 直接灼烧法 在350 400下灼烧土壤样品，从灼烧后失去的重量来计算土壤有机质的含量。灼烧失去的重量，包括有机质和化合水的重量。直接灼烧法主要适用于砂性土壤。三、有机碳的校正系数1. （经典的）干烧法和湿烧法：由于土壤中所有的有机碳都氧化成了CO2，所以不需要校正。2. 容量法：由于不能完全氧化土壤中的有机碳，所以需要进行氧化率校正。（1）外加热容量法：与干烧法相比，只能氧化90 %左右的有机碳，不同研究者报道的结果相差不大，校正系数变化范围为1.04 1.15，多采用1.1。（2）水合热容量法：不同研究者报道的结果相差较大，研究发现不同土壤的校正系数变化范围为1.07 2.27，一般采用1.3这一平均结果作为校正系数，即有机碳的氧化率按77 %计算。四、有机质含量的计算土壤有机质含量的计算方法是：根据土壤有机碳的含量，再乘以一个换算系数。换算系数决定于土壤有机质的含碳率。一般认为有机质中含碳58 %，所以换算系数为1.724，也就是1/0.58。土壤有机质 = 土壤有机碳 1.724由于不同土壤的有机质组成不同，含碳量也不同，所以，按同以换算系数来计算会引起一些误差。国外主张使用土壤有机碳含量，而不必计算土壤有机质的含量。 3-2 土壤有机质的测定一、重铬酸钾容量法外加热法1. 方法原理在外加热条件下（油浴170 180，沸腾5分钟），用一定浓度的过量的K2Cr2O7H2SO4溶液氧化土壤有机质（碳），过量的K2Cr2O7用标准FeSO4溶液来滴定，从所消耗的K2Cr2O7的量来计算有机碳的含量。由于只能氧化90 %的有机碳，所以需要进行氧化率校正，也就是，要将测得的有机碳的含量乘以校正系数1.1。在氧化和滴定过程中的化学反应：2K2Cr2O7 + 8H2SO4 + 3C 2Cr2(SO4)3 + 2K2SO4 + 3CO2 + 8H2OK2Cr2O7 + 6FeSO4 + 7H2SO4 Cr2(SO4)3 + 3Fe2(SO4)3 + K2SO4 + 7H2O反应中各试剂的作用：K2Cr2O7氧化剂，氧化土壤有机碳（定量加入）浓H2SO4不起氧化作用，只是打断了有机质的共价键，且可以作为升温剂FeSO4滴定剩下的氧化剂K2Cr2O7氧化还原指示剂在1 mol L-1 H2SO4溶液中，用Fe2+滴定Cr2O72-时，滴定曲线的突跃范围为1.22 0.85 V。滴定过程使用的氧化还原指示剂有4种，课本PP.30表3-4中，E0指每种氧化还原指示剂自己的标准电位，邻啡罗啉1.11 V，2-羧基代二苯胺1.08 V，正好落在滴定曲线的突跃范围内，终点容易掌握。邻啡罗啉与亚铁离子络合形成红色络合物，遇强氧化剂变成淡蓝色的正铁络合物：(C12H8N2)3Fe3+ + e (C12H8N2)3Fe2+淡蓝色红色滴定开始时为橙色（K2Cr2O7的颜色）滴定过程中渐渐变成绿色（Cr3+的颜色）快到终点时变成灰绿色（Fe2+与邻啡罗啉络合物的淡蓝色与Cr3+的绿色的混合色）标准FeSO4溶液稍过量（半滴）时变成砖红色（终点的颜色，Fe2+与邻啡罗啉络合物的颜色）。邻啡罗啉作指示剂存在一个问题：指示剂很容易被悬浮的土粒吸附，使终点颜色变化不清楚，可在滴定前用快速滤纸过滤。2-羧基代二苯胺作指示剂时，反应中溶液的颜色变化：棕红紫色绿色。2. 主要仪器设备和试剂见教材。其中，特别要注意的是：0.8000 mol L-1 (1/6 K2Cr2O7)这种溶液浓度的表示方法，实际上就是指0.8000/6 mol L-1 K2Cr2O7。0.2 mol L-1 FeSO4标准溶液无需标定（因为本试验中的空白试验就相当于是在进行标定）。FeSO4标准溶液的标定方法：用1/6 K2Cr2O7基准溶液标定，注意因为硫酸亚铁溶液在空气中易被氧化，所以要每天标定，或者也可以采用新鲜配制的溶液。3. 操作步骤称样（100目或0.149mm）0.2000g放入干燥的硬质试管中加入10.0ml 0.4molL-1 (1/6K2Cr2O7)-H2SO4溶液（慢慢加，边加边摇，使土壤分散）试管口加一小漏斗（起冷凝作用）170 180油浴沸腾5分钟取出，冷却将试管内容物转移到250 ml三角瓶中（洗三角瓶至总体积60 70 ml）加邻啡罗啉指示剂2 3滴0.2 mol L-1 FeSO4标准溶液滴定（溶液的变色过程：橙黄蓝绿砖红）同时，用同样的方法做空白试验（不加土样，或用灼烧土或用石英砂代替；每批样品分析时，都要做23个空白）。4. 结果计算土壤有机质（%）= 土壤有机碳（%） 1.7245. 注意事项（1）土壤中氯化物的存在可使有机质测定结果偏高。因为Cl-也能被K2Cr2O7所氧化，所以必须注意防止氯化物的干扰。避免干扰的方法是：土壤中含有较少量的Cl-时，可加少量的Ag2SO4，生成AgCl沉淀，从而除去Cl-。加入Ag2SO4，不仅可以除去少量的Cl-，有效防止氯化物对有机质测定的干扰，而且，还可以促进有机质的分解。但Ag2SO4用量不能太多，否则生成Ag2Cr2O7沉淀，影响滴定。土壤中含有较多的Cl-时，尤其是对于盐土而言，需要测定土壤中的Cl-含量，并对土壤有机碳含量进行校正。或者，可改用湿烧法测定。（2）水稻土、沼泽土等土壤中含有较多的还原性物质如Fe2+、Mn2+等，它们也能被K2Cr2O7所氧化，使测定结果偏高。防止干扰的方法是：充分风干土壤，使还原物质氧化，或者，可改用湿烧法测定土壤有机质。（3）消煮温度和时间对分析结果的影响较大。因而，油浴温度要控制好，油浴锅预热温度在天气较冷时可稍高些；沸腾时间要准确记录，从溶液表面开始沸腾时开始计时，沸腾标准要尽可能一致。（4）油浴后的溶液颜色，一般应为黄色或黄中稍带绿色，如果以绿色为主，说明重铬酸钾用量不足，应增加其用量或减少称样量。（5）在滴定时消耗的FeSO4溶液的体积应大于空白用量的1/3，否则，可能氧化不完全，应弃去重做。二、重铬酸钾容量法稀释热法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似。稀释热法（水合热法）是利用浓H2SO4和K2Cr2O7迅速混合时所产生的热来氧化有机质，操作更加方便。由于产生的热，温度较低，对有机质氧化程度较低，只有77 %。2. 操作步骤称样（100目）0.5000g于500 ml的三角瓶中加入10.0 ml 1.0 mol L-1 (1/6 K2Cr2O7)混匀慢慢加入20 ml 浓H2SO4混匀放置30 min加水稀释到250 ml加邻啡罗啉指示剂3 4滴0.5 mol L-1 FeSO4标准溶液滴定（溶液的变色过程：橙黄蓝绿砖红）同时，用同样的方法做空白试验（不加土样）。3. 结果计算 土壤有机质（%）= 土壤有机碳（%） 1.724三、完全湿烧法