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【技术应用】LIBS系统用于土壤沙漠化中的碳氮快检及C/N比变化规律的研究

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土壤沙漠化破坏土地资源,使可利用土地减少、质量下降,造成农牧业生产减产甚至绝收,对生物多样性构成严重威胁。现已成为危及我国广大干旱和半干旱地区社会经济发展的重要因素。

 我国北方地区,尤其是内蒙古自治区是沙尘暴向南运动的必经之地。从当地植被的退化情况看,中度、重度退化的草地占50%以上。沙质、石质土壤占50%以上,潜在的沙漠化土壤面积占有相当大的比例,而且情况有越来越严重的趋势。本文重点研究土壤不同沙漠化阶段与沙漠化过程中的土壤碳、氮含量变化和土壤质地有何关系以及C/N比的变化规律等。

 试验地境内土壤为栗钙土,也有少部分灰褐土、黑钙土和风沙土。实验前从0-20cm处的土壤取75个样点混合封装,风干后过筛处理,最后烘干。使用台式压片机将土壤样品压片,压力20吨,保压时间4分钟。利用激光诱导击穿光谱(LIBS)技术快速测量碳和氮的含量。

 激光诱导击穿光谱(LIBS)技术是一种新兴的元素检测和分析技术。当激光作用于样品表面时,在极短的时间内诱导产生含有样品物质信息的等离子体。通过对等离子体发出的光谱进行收集分析,建立光谱与元素一一对应的关系。由此可以检测出元素周期表中的大部分元素,检测限可达ppm级。通过标准物质定标后可以进一步得到元素的含量信息。该技术测量速度快,无需前处理,无污染。

碳元素的检测

氮元素的检测

将全部土壤样品分为5类,再与地上的群落类型相对应,把这5个阶段视为沙漠化潜在阶段、轻度阶段、中度阶段、重度阶段和极度阶段。通过实验可以看出,不同类型间有着明显的差异。采用方差分析、相关分析,对所取得样地数据、土壤碳、氮含量以及土壤颗粒组成进行分析,可以得到土壤沙漠化过程中的碳氮衰减规律。

 从左下表中可以看出,三个因素间是正相关关系,而且氮元素与粘粒含量间得相关系数分别大于碳氮含量间的相关系数和碳含量与粘粒含量间的相关系数,可见三者间虽然有着同增同减性,但是氮与粘粒含量间的关系要密切于碳氮间的关系。因此,土壤中的粘粒含量的显著减少将导致土壤氮的明显衰减。

 土壤沙漠化过程的每一个阶段变化都体现在土壤碳氮含量和粘粒含量有规律的变化上,反映在土壤碳氮含量的减少、质地变粗。从右上表中可以看出3个因素在5个类型间的差异极为明显,表明土壤全碳、全氮以及粘粒含量在5个类型中差异显著。

 土壤中的C/N比是一个重要的指标,如果C/N比值很大,则在其矿化作用的最初阶段,微生物的同化量会超过矿化作用所提供的有效氮含量,可能使植物缺氮的现象更为严重。如果C/N比值很小,则在其矿化作用之初就能供应给植物所需的有效氮含量,因此C/N比对植物的生长至关重要。

 土壤沙漠化不同阶段的C/N比呈现增加的趋势,按阶段顺序为:8.11 -> 13.96 -> 12.36 -> 19.96 -> 28.17,在相同的氮含量条件下,C/N比小则更能有效地为植物提供养分,随着沙漠化进程,土壤碳氮含量显著下降,而C/N比不断上升,说明在土壤质地变粗地过程中,氮含量的减少比碳含量的减少更显著,也可能使植物缺氮的现象更为严重。

 土壤沙漠化过程每一阶段有其对应的群落类型,阶段的变化体现在土壤碳氮和粘粒含量的有规律变化,反映出土壤碳氮含量减少,质地变粗。氮含量与粘粒含量间的相关系数0.901分别大于碳氮含量间的相关系数0.627和碳含量与粘粒含量间的相关系数0.642。因此,土壤中粘粒含量的显著减少,土壤中氮元素的衰减要明显大于碳元素。在总氮含量已很少的情况下,加重了氮含量的缺乏,加剧了土壤的贫瘠,沙漠化的不同阶段的C/N比呈现增加的趋势。

 碳氮元素的快速检测我们采用EcoChem 激光光谱元素分析系统,该系统采用激光诱导击穿光谱(LIBS)技术。激光能量200mJ@1064nm,能量输出0-100%可调;重现率20Hz;光斑大小20-200μm连续可调;检测器谱宽190-1040nm;三维全自动工作台;样品室可通入氦气或氩气。


    本文研究了土壤碳氮元素的光谱特性,快检方法,土壤不同沙漠化阶段与沙漠化过程中的土壤碳氮元素含量变化以及C/N比的变化规律等。激光诱导击穿光谱技术作为一种新兴的、快速的、微损的化学分析技术,具有目前传统仪器不具备的更多功能,随着这一技术的发展,它必将在元素分析领域发挥越来越重要的作用。

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