土壤有机碳与无机碳含量及13C自然丰度的区分：加热预处理方法评估

《Journal of Arid Environments》：Analytical distinction between soil organic and inorganic carbon contents and 13C natural abundances: Evaluation of a heating pretreatment

　　

关于土壤健康、肥力和气候变化的研究主要聚焦于土壤有机碳（SOC），而忽略了在干旱环境中广泛存在的土壤无机碳（SIC）。对SOC和SIC及其天然¹³C同位素丰度的可靠分析至关重要，但仍存在问题。SOC和SIC通过应用预处理以去除其中一方来确定。酸化去除SIC是测定SOC的公认方法；SIC随后计算为总碳（TC）与SOC之差。通过加热土壤（550°C）去除SOC来测定SIC的方法则较少被探索。本研究比较了这两种方法及其¹³C含量，样本来自三大洲的160种土壤。加热对于富含SOC和SIC的土壤是可接受的，这些土壤以岩源SIC为主，计算与实测的SIC和¹³C-SIC值相似，表明两种方法均可使用。然而，对于低SIC（< 6 g kg^-1土壤）、高SOC/TC比值（> 0.6）以及含有部分成土SIC的土壤，两种方法均不完全令人满意。针对贫SIC土壤需要方法学上的发展；然而，由于SOC与SIC之间的相互作用挑战了它们的严格分离，需要进一步研究来定义和量化这些特定的相互作用。

土壤碳库的准确区分是碳循环研究的关键。土壤有机碳（SOC）影响土壤肥力，而土壤无机碳（SIC）在全球干旱半干旱地区广泛分布，占全球表层一米碳库存的30%~40%。传统研究多集中于SOC而忽略SIC，但近年来SIC在碳循环中的作用日益受到重视。可靠测定SOC和SIC及其天然¹³C同位素丰度（δ¹³C）对于理解碳动态至关重要。目前常用酸化预处理去除SIC来测定SOC，再通过总碳（TC）与SOC之差计算SIC；另一种方法是通过550°C加热去除SOC后直接测定SIC，但该方法研究较少。本研究旨在比较这两种预处理方法在估算SIC含量和δ¹³C-SIC方面的一致性，并检验土壤属性对方法准确性的影响。

研究人员选取了来自加拿大、匈牙利、法国、意大利和突尼斯的160个土壤样品，主要为农业土壤，覆盖不同质地、pH和碳含量范围。他们分别在各实验室采用酸化法和加热法测定SOC和SIC，并使用元素分析仪联用同位素比质谱仪（EA-IRMS）测定碳含量和δ¹³C。同时，通过差减法计算SIC_diff和δ¹³C-SIC_diff，并利用线性回归（式5）估算各土组的δ¹³C-SIC和δ¹³C-SOC。研究结果显示，对于富含SOC和SIC、以岩源SIC为主的土壤，加热法与差减法的结果接近，两种方法均可使用；但对于低SIC（<6 g kg^-1）、SOC/TC比值高（>0.6）以及含有成土SIC的土壤，两种方法均存在明显偏差。研究还发现，加热预处理可能导致SOC去除不完全或部分SIC分解，而酸化预处理也可能引起SOC的损失或残留碳酸盐，导致δ¹³C测量值出现伪影。因此，研究人员强调需要针对低SIC土壤发展更可靠的方法，并建议考虑SOC与SIC之间的相互作用，而非追求完全分离。

主要技术方法：研究采用三大洲（加拿大、匈牙利、法国、意大利、突尼斯）160个农业土壤样品，多数来自表层或亚表层。使用EA-IRMS测定TC含量及δ¹³C；通过酸化预处理（液体或蒸汽HCl）去除SIC后测定SOC及δ¹³C-SOC；通过550°C加热预处理去除SOC后测定SIC及δ¹³C-SIC；采用差减法计算SIC_diff和δ¹³C-SIC_diff；并利用线性回归（式5）估算土组的δ¹³C-SIC和δ¹³C-SOC。统计采用Spearman相关和线性回归分析。

**结果**：

**总土壤碳含量（TC和TC_sum）**：直接测定TC与计算值TC_sum总体一致（y=1.02x, R²=0.98），但加拿大实验室样本平均回收率仅78%，匈牙利实验室为115%，当SOC/TC>0.6且SIC低时离散显著。

**总土壤碳的¹³C丰度分布（δ¹³C和δ¹³C_sum）**：δ¹³C范围-27‰至-2‰，与SOC/TC显著相关。直接测定值与计算值（式4）吻合较好（y=1.03x-1.26, R²=0.90），但δ¹³C_sum总体更负，尤其低SIC土壤。

**SOC含量及δ¹³C分布**：SOC含量范围1.2–68.2 g kg^-1，δ¹³C-SOC中位数-27.4‰。在低SOC土壤（如Oltrepo、Roujan）中，酸化后出现异常低的δ¹³C-SOC值（-30至-35‰），提示酸化可能产生同位素分馏或残留效应。

**土壤无机碳含量（SIC_heat和SIC_diff）**：SIC_heat中位数19.4 g kg^-1；SIC_diff有16个负值，出现在低SIC或极高SOC样品中。二者回归接近1:1（R²=0.95），但SOC/TC>0.6时差异增大，部分样品SIC_heat