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【技術(shù)應(yīng)用】LIBS系統(tǒng)用于土壤沙漠化中的碳氮快檢及C/N比變化規(guī)律的研究

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更新時間：2022-11-02 10:45:22瀏覽次數(shù)：122次

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土壤沙漠化破壞土地資源，使可利用土地減少、質(zhì)量下降，造成農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)減產(chǎn)甚至絕收，對生物多樣性構(gòu)成嚴(yán)重威脅。現(xiàn)已成為危及我國廣大干旱和半干旱地區(qū)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素。

我國北方地區(qū)，尤其是內(nèi)蒙古自治區(qū)是沙塵暴向南運(yùn)動的必經(jīng)之地。從當(dāng)?shù)刂脖坏耐嘶闆r看，中度、重度退化的草地占50%以上。沙質(zhì)、石質(zhì)土壤占50%以上，潛在的沙漠化土壤面積占有相當(dāng)大的比例，而且情況有越來越嚴(yán)重的趨勢。本文重點(diǎn)研究土壤不同沙漠化階段與沙漠化過程中的土壤碳、氮含量變化和土壤質(zhì)地有何關(guān)系以及C/N比的變化規(guī)律等。

試驗(yàn)地境內(nèi)土壤為栗鈣土，也有少部分灰褐土、黑鈣土和風(fēng)沙土。實(shí)驗(yàn)前從0-20cm處的土壤取75個樣點(diǎn)混合封裝，風(fēng)干后過篩處理，最后烘干。使用臺式壓片機(jī)將土壤樣品壓片，壓力20噸，保壓時間4分鐘。利用激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）技術(shù)快速測量碳和氮的含量。

激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）技術(shù)是一種新興的元素檢測和分析技術(shù)。當(dāng)激光作用于樣品表面時，在極短的時間內(nèi)誘導(dǎo)產(chǎn)生含有樣品物質(zhì)信息的等離子體。通過對等離子體發(fā)出的光譜進(jìn)行收集分析，建立光譜與元素一一對應(yīng)的關(guān)系。由此可以檢測出元素周期表中的大部分元素，檢測限可達(dá)ppm級。通過標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)定標(biāo)后可以進(jìn)一步得到元素的含量信息。該技術(shù)測量速度快，無需前處理，無污染。

碳元素的檢測

氮元素的檢測

將全部土壤樣品分為5類，再與地上的群落類型相對應(yīng)，把這5個階段視為沙漠化潛在階段、輕度階段、中度階段、重度階段和極度階段。通過實(shí)驗(yàn)可以看出，不同類型間有著明顯的差異。采用方差分析、相關(guān)分析，對所取得樣地?cái)?shù)據(jù)、土壤碳、氮含量以及土壤顆粒組成進(jìn)行分析，可以得到土壤沙漠化過程中的碳氮衰減規(guī)律。

從左下表中可以看出，三個因素間是正相關(guān)關(guān)系，而且氮元素與粘粒含量間得相關(guān)系數(shù)分別大于碳氮含量間的相關(guān)系數(shù)和碳含量與粘粒含量間的相關(guān)系數(shù)，可見三者間雖然有著同增同減性，但是氮與粘粒含量間的關(guān)系要密切于碳氮間的關(guān)系。因此，土壤中的粘粒含量的顯著減少將導(dǎo)致土壤氮的明顯衰減。

土壤沙漠化過程的每一個階段變化都體現(xiàn)在土壤碳氮含量和粘粒含量有規(guī)律的變化上，反映在土壤碳氮含量的減少、質(zhì)地變粗。從右上表中可以看出3個因素在5個類型間的差異極為明顯，表明土壤全碳、全氮以及粘粒含量在5個類型中差異顯著。

土壤中的C/N比是一個重要的指標(biāo)，如果C/N比值很大，則在其礦化作用的最初階段，微生物的同化量會超過礦化作用所提供的有效氮含量，可能使植物缺氮的現(xiàn)象更為嚴(yán)重。如果C/N比值很小，則在其礦化作用之初就能供應(yīng)給植物所需的有效氮含量，因此C/N比對植物的生長至關(guān)重要。

土壤沙漠化不同階段的C/N比呈現(xiàn)增加的趨勢，按階段順序?yàn)椋?.11 -> 13.96 -> 12.36 -> 19.96 -> 28.17，在相同的氮含量條件下，C/N比小則更能有效地為植物提供養(yǎng)分，隨著沙漠化進(jìn)程，土壤碳氮含量顯著下降，而C/N比不斷上升，說明在土壤質(zhì)地變粗地過程中，氮含量的減少比碳含量的減少更顯著，也可能使植物缺氮的現(xiàn)象更為嚴(yán)重。

土壤沙漠化過程每一階段有其對應(yīng)的群落類型，階段的變化體現(xiàn)在土壤碳氮和粘粒含量的有規(guī)律變化，反映出土壤碳氮含量減少，質(zhì)地變粗。氮含量與粘粒含量間的相關(guān)系數(shù)0.901分別大于碳氮含量間的相關(guān)系數(shù)0.627和碳含量與粘粒含量間的相關(guān)系數(shù)0.642。因此，土壤中粘粒含量的顯著減少，土壤中氮元素的衰減要明顯大于碳元素。在總氮含量已很少的情況下，加重了氮含量的缺乏，加劇了土壤的貧瘠，沙漠化的不同階段的C/N比呈現(xiàn)增加的趨勢。

碳氮元素的快速檢測我們采用EcoChem 激光光譜元素分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）技術(shù)。激光能量200mJ@1064nm，能量輸出0-99%可調(diào)；重現(xiàn)率20Hz；光斑大小20-200μm連續(xù)可調(diào)；檢測器譜寬190-1040nm；三維全自動工作臺；樣品室可通入氦氣或氬氣。

本文研究了土壤碳氮元素的光譜特性，快檢方法，土壤不同沙漠化階段與沙漠化過程中的土壤碳氮元素含量變化以及C/N比的變化規(guī)律等。激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)作為一種新興的、快速的、微損的化學(xué)分析技術(shù)，具有目前傳統(tǒng)儀器不具備的更多功能，隨著這一技術(shù)的發(fā)展，它必將在元素分析領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。