去除土壤中颗粒有机物的静电分离方法

摘要

从土壤样品中去除近期沉积且未完全分解的植物材料，可减少临时性季节输入对土壤有机碳测定的影响。利用颗粒物对静电表面的吸附作用，可快速去除大量颗粒有机质。

摘要

土壤有机碳的估算依赖于土壤处理方法，包括去除未分解的植物材料。若未能充分分离根系和植物材料，可能导致碳含量测量结果出现较大变异。目前去除植物材料的方法通常仅限于移除最大、最明显的植物残体。本文描述了一种利用静电吸引去除土壤样品中植物材料的方法。将带静电的表面靠近干燥土壤时，会自然吸引未分解和部分分解的植物颗粒，同时附带少量矿物颗粒和团聚体土壤。将土壤样品均匀铺展在平坦表面或土壤筛上，用聚苯乙烯泡沫、尼龙或棉布摩擦塑料或玻璃培养皿使其带静电，然后将带电的培养皿反复在土壤表面移动。随后刷净培养皿并重新充电。重新铺展土壤并重复该操作，最终可使收集到的颗粒物逐渐减少。该过程去除的土壤质量约占样品总量的1%至5%，而所去除的有机碳比例约为土壤质量去除比例的2至3倍。与其他颗粒物去除方法类似，该方法的终点具有主观性，并非所有游离颗粒物均被完全去除。整个过程耗时约5分钟，且无需像密度浮选法那样使用化学试剂。静电吸引法能够稳定地去除碳浓度和碳氮比高于平均水平的物质，其中大部分材料在显微镜下可被直观识别为植物或动物来源残体。

引言

准确估算土壤有机碳（SOC）对于评估农业管理或环境变化所导致的土壤变化具有重要意义。颗粒有机质（POM）在土壤的生态和物理过程中具有重要作用，但其存留时间通常较短，且受多种因素影响而发生变化，包括季节、水分状况、通气性、样品采集方法、近期土壤管理措施、植被生命周期等¹。这些随时间不稳定的碳源可能干扰对稳定且真正封存的土壤有机碳长期变化趋势的准确估算²。

尽管颗粒有机质（POM）具有明确的定义，且普遍存在并具有重要性，但它难以从土壤中分离，也不易进行准确定量测定。颗粒有机质的测定方法通常包括利用液体浮选法（轻组分，密度通常为1.4–2.2 g cm^-3），或按粒径大小进行分离（例如 > 53–250 µm 或 > 250 µm），或结合上述两种方法^3,4,5。基于粒径和基于密度的分离技术均可能影响POM测定的定量结果和化学特征⁴。对采用常规方法进行粒径分级后的土壤进行仔细的肉眼观察，常可发现细长的根系结构或叶片、茎秆碎片等已通过筛网。已有研究表明，仅通过手工方式去除这些结构即可显著降低总土壤有机碳（SOC）的测定值^2,6，但该方法明显依赖于操作人员的细致程度和视觉敏锐度。利用高密度液体浮选法将土壤样品中的轻组分分离出POM⁷，并不能完全回收所有POM，且在浮选过程中过度振荡反而会减少从样品中回收的轻组分含量⁸。此外，浮选法步骤繁多，并使土壤暴露于化学溶液中，可能导致其化学特性改变，或使某些可能具有研究价值的组分发生溶解或损失⁴。

为避免或补充使用高密度水溶液，已采用其他方法去除POM。Kirkby等人⁶比较了两种浮选法与干筛/风选法在轻组分分离中的应用⁹。风选操作是通过向一层薄土样中通入微弱气流，从而轻柔地将轻组分从重组分中吹离。在碳、氮、磷和硫含量方面，干筛/风选法的表现与两种浮选方法相似；然而，作者指出，干筛/风选法获得了"更洁净"的土壤⁶。此外，还曾利用静电吸引法从土壤中分离POM^10,11，该方法通过在土壤上方移动带静电的表面，使有机颗粒被选择性吸附而实现分离。静电吸引法成功回收了被称为粗有机颗粒的POM，其从干燥、过筛（> 0.315 mm）土壤中分离的结果具有良好的统计重复性，与其他基于粒径和密度分级的方法相当¹⁰。

本文展示了如何利用静电吸引去除大小从可见到微观的颗粒有机质（POM）。与其他已报道的方法不同，细粒土壤的静电吸引作用同时会去除少量矿物成分及团聚体土壤，其外观与残留土壤相似。根据我们目前的研究结果，可以合理假设：去除少量非POM土壤对后续分析不会产生显著影响；然而，若通过静电方法去除的土壤占整个土样比例较大时，应针对特定土壤验证该假设。本文提供的方法和示例均在半干旱环境下的粉砂质壤土黄土上进行。

该方法可能不适用于所有类型的土壤，但其优势在于能够快速高效地去除过小而无法通过人工或气流方式清除的颗粒有机质。处理速度对于减轻操作疲劳、确保实验一致性以及促进更多重复实验以提高结论的准确性具有重要意义。此外，能够去除极细小颗粒物对于避免偏向于颗粒尺寸较大而非较小的土壤样本至关重要。

方案

1. 土壤准备

1. 采集所需深度的土壤样品，在40 °C下彻底干燥土壤，或按照实验室特定的标准操作规程进行干燥。
2. 使用适当孔径的土壤筛对土壤进行过筛，以获得约10–25 g的筛后土壤。许多研究采用1 mm或2 mm孔径的筛子。所需土壤量取决于后续分析所需的样品质量，并会影响静电去除步骤需要重复的次数。
3. 将土壤置于洁净、干燥的金属或玻璃平底盘中，盘的尺寸应足够大以使土壤能够铺成薄层（直径至少20 cm）。轻轻水平摇动盘子，使土壤均匀分布，尽可能形成薄层。

2. 给静电表面充电

1. 用一只手握住一个直径为100 mm的玻璃或聚苯乙烯培养皿的皿盖或皿底，用一块干净的尼龙布、棉布或聚苯乙烯泡沫在其外表面用力擦拭数次。应在远离样品的区域进行表面充电操作，以防止织物碎片进入样品中。
2. 检查培养皿表面，确保其清洁。

3. 去除颗粒有机物

1. 将带电表面降低至距土壤上方0.5 cm至2 cm处，并水平移动以尽可能多地收集颗粒物质。可通过视觉和听觉观察到颗粒向表面的吸附现象。
2. 当培养皿不再吸附额外颗粒时，将培养皿移离样品。

4. 清洁静电表面

1. 将带电表面置于收集皿上方，使用细毛刷将静电吸附的材料从培养皿表面转移到收集皿中。骆驼毛刷效果较好。

5. 重复操作直至颗粒物的产量下降

1. 重复步骤 2 至 4，直至被吸附的有机质颗粒数量减少。通过水平晃动土壤盘重新分布土壤样品，使新的物质暴露于表面，并继续进行静电收集。
   注意：终点是任意的，取决于研究人员的判断。在土壤暴露于带电表面后，可通过目视检查带电表面，判断是否仍有大量有机颗粒从土壤中被去除。最终产物为颗粒物含量降低的土壤，以及含有少量静电去除土壤的富集的颗粒态有机质（POM）。

结果

本文所示结果基于对美国西北部农业区域粉砂壤土的分析（表1）。土壤样品采集深度为0–20 cm或0–30 cm，于40 °C下烘干，过2 mm筛，并采用经尼龙布摩擦带电的聚苯乙烯表面进行处理。

通过静电方法从样品中去除的土壤量有所变化，约占总土壤质量的1%至6%（表2）。在所有情况下，被去除的样品总碳（C）比例均高于被去除的土壤质量比例。此外，静电去除的土壤组分中的碳浓度和碳氮（C:N）比始终高于剩余土壤。这些因素表明，该方法减少了未完全分解的有机物质的含量。

环境条件以及用于产生带电表面的材料组合会影响实验结果（表3）。在湿度较高的实验室环境中，由于表面电荷较低，静电去除法的效果预计会较差。所有材料在静电处理过程中应尽可能保持干燥。...

讨论

静电吸附法在去除粉砂质壤土中的颗粒态有机质（POM）方面效果显著。本文所述方法与Kaiser等¹⁰所采用的玻璃/棉花组合法略有不同。我们对除最细土壤组分外的所有组分进行了处理，并选用聚苯乙烯而非玻璃材料，原因是聚苯乙烯与尼龙之间的摩擦电差异为100 nC/J，而玻璃与棉花之间的摩擦电差异仅为20 nC/J¹²。根据近期实践经验，玻璃和聚苯乙烯泡沫材料均被证明有效且使用方便。在某些地区，储存区域和工作场所的相对湿度可能在一年中的特定季节成为影响因素。本文所述方法是在相对湿度持续较低（20%至30%）的工作环境中进行的。温度预计不会在不受湿度影响的情况下独立改变静电吸附效果。

根据我们对本研究所用土壤的经验，<53 µm 的土壤颗粒可在使用静电分离法前通过筛分去除。在进行静电分离前去除细土组分，似乎有助于提高颗粒物对带电表面的吸附效果。此外，我们的土壤在细土组分中似乎不含大量颗粒物，这一点由其较低的碳氮比（C:N）所表明。静电分离法无法有效去除该土壤组分中存在的有机颗粒物（

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
毛刷，骆驼毛制
培养皿，玻璃或塑料材质
聚苯乙烯泡沫、棉布或尼龙布
土壤
土壤筛