全 文 ：文章编号 :100028551 (2009) 032492205
EA2IRMS 法测定不同类型土壤有机碳
稳定性同位素组成
祁　彪　丁玲玲　崔杰华　王颜红
(中国科学院沈阳应用生态研究所 ,辽宁 沈阳　110016)
摘　要 :利用元素分析仪2稳定同位素比例质谱仪 ( EA2IRMS) 分析系统 ,以国际标准物质 Urea 为基准 ,标
定了高纯钢瓶 CO2 参考气 ,其δ13 C vsPDB值为 ( - 291523 ±01181) ‰。通过试验对比检验了 EA2IRMS 分析
系统的稳定性、线性 ,测定δ13 C值的样品分析精度 ,建立了测定土壤中有机碳稳定性同位素的分析方
法。其离子强度在 110～710V 之间具有良好的线性 ,在 115～510V 内的线性优于总体线性 ;样品分析精
度优于 0115 ‰;样品含碳量大于 5μg 即可满足测定δ13 C的分析要求。应用此方法实测了 18 份不同类型
土壤的有机碳稳定同位素组成 ,获得其13 C天然丰度平均值为 11082 % ;不同类型的土壤有机碳稳定同位
素组成存在较大的差异。
关键词 :元素分析仪2稳定同位素比例质谱仪 ( EA2IRMS) ;土壤有机碳 ;碳稳定同位素
MEASUREMENT OF ORGANIC CARBON STABLE ISOTOPE COMPOSITION OF
DIFFERENT SOIL TYPES BY EA2IRMS SYSTEM
QI Biao 　DINGLing2ling 　CUI Jie2hua 　WANG Yan2hong
( Institute of Applied Ecology , Chinese Academy of Sciences , Shenyang ,Liaoning 　110016)
Abstract :Element analyzer2isotope ratio mass spectrometers ( EA2IRMS) is a rapid and precise method for measuring stable
carbon isotope. Pure CO2 reference gas was calibrated via international standard 2Urea , and theδ13 C vsPDB value of pure CO2
is ( - 291523 ±01181) ‰. Stability and linearity of the EA2IRMS system , precision ofδ13 C measurement for samples were
tested through experimental comparison. Moreover , determination method of organic carbon stable isotope in soil was based on
the system. The EA2IRMS system had well linearity when ion intensity ranged from 110 to 710V , and it excelled the total
linearity when the ion intensity was from 115 to 510V , and the accurate result ofδ13 C for sample analysis could be obtained
with precision of 0115 ‰. If carbon content in sample is more than 5μg , the requirement for analyzing accurate result ofδ13 C
could be achieved. The organic carbon stable isotope was measured in 18 different types soil samples , the average natural
abundance of 13 C was 11082 % , and the organic carbon stable isotope composition was significantly different among different
type soils.
Key words :elementary analyzer2stable isotope ratio mass spectrometers ( EA2IRMS) ; soil organic carbon ; carbon isotope
收稿日期 :2008211202 　接受日期 :2008212210
基金项目 :中科院重要方向项目 ( KSCX22YW2N2035) ,财政补助专项 绿色农业科学研究与示范 (2007210)
作者简介 :祁彪 (19772) ,男 ,甘肃张掖人 ,硕士 ,工程师 ,主要从事稳定性碳、氮同位素分析技术及其应用研究。Tel :024288087753 ; E2mail :qibiao2005
@1261com
通讯作者 :王颜红 (19632) ,女 ,辽宁沈阳人 ,研究员 ,主要从事农产品安全与环境质量监控技术研究。Tel :024283970388 ; E2mail :wangyh @iae. ac. cn　　土壤有机碳作为土壤的重要组成部分 ,在生态系统中具有十分重要的作用。13 C 分析技术常被用于评估土壤有机碳库的周转时间和大小[1～3 ] ,在该领域得 到日益广泛的应用[4～9 ] ;并在地质、环境、生物、农业以及生 态 系 统 等 各 领 域 也 有 着 越 来 越 广 泛 的应用[10 ] 。　　
294　 核 农 学 报　2009 ,23 (3) :492～496Journal of Nuclear Agricultural Sciences
近年来 ,随着元素分析仪2同位素比例质谱仪 ( EA2
IRMS)联用技术的兴起和发展 ,13 C 分析技术也得到了
快速发展 ,同时在土壤研究中的应用也进一步扩大。
EA2IRMS 联用技术是将 EA 和 IRMS 通过连续流 ConFlo
接口相连 ,样品经 EA 燃烧 ,氧化还原成可供质谱测定
的气体 ,并经色谱分离 ,由载气 ( He) 带入质谱仪进行
同位素比值测定[10～14 ] 。土壤有机碳稳定性同位素组
成的测定是研究碳素循环和评估土壤有机碳库的重要
手段。对于13 C 的分析 ,与传统的多循环分析系统、通
用分析系统以及密闭安瓶法[11 ] 相比 , EA2MS 法简化了
繁琐的前处理手续 ,大大降低了人为造成的试验误差 ,
具有快速、高效、便捷的优点[10 ] 。然而 ,对于土壤有机
碳稳定同位素的分析和测定 ,目前还缺乏较为详细且
系统的报道。本试验旨在利用 EA2IRMS 系统联用技
术 ,建立测定土壤有机碳稳定性同位素组成的一般性
试验方法与条件 ,分析和讨论系统的稳定性和线性 ,并
针对性地对采自不同地理区域的 18 份不同类型土壤
样品有机碳δ13 C进行了测定。
1 　仪器与试剂
稳定同位素比例质谱仪 ( IRMS) 为 DELTAplus XP
型 ,元素分析仪 ( EA) 为 Flash EA 1112 型 , EA2IRMS 连
续流接口为 ConFlo Ⅲ, 以上仪器配置均为 Thermo
Finnigan公司产品 ; ME5 型百万分之一天平 ,为德国
Sartorious 公司产品。氧化铬、镀银氧化钴、高纯还原
铜、氧化铜、高氯酸镁、石英棉、锡杯也为 Thermo
Finnigan 公司产品 ,试剂纯度均为光谱纯级。高纯氦浓
度为 991999 % ,高纯 CO2 浓度为 991995 % ,高纯氧浓度
为 991999 %。
2 　试验方法
211 　同位素质谱条件试验
IRMS真空度为 7 ×10 - 7 kPa ,加速电压 310kV ; EA
氧化柱用 Cr2O3ΠCo3O4 作为氧化剂填料 ,高纯 CuΠCuO
为还原柱填料 ;Carrier2He 载气流量 90～100mlΠmin ,氧
喷条件 175mlΠmin ;Conflo Ⅲ2He 载气压力 80kPa。
21111 　工作标准高纯 CO2 的标定 　以国际标准物质
Urea(δ13 C vsPDB = - 451380 ‰) 作为参考标准 ,将 Urea
质谱峰的δ13 C定义为 - 451380 ‰,对钢瓶气高纯 CO2
连续测定 10 次进行标定 ,获得高纯 CO2δ13 C的测定值
为 ( - 291523 ±01181) ‰,测定结果见表 1。
表 1 　工作标准高纯 CO2 中δ13 C值的标定结果
Table 1 　Calibrated results ofδ13 C in pure CO2
gas of worked standard
CO2 峰组数
CO2 peak number
离子强度
ion intensity(V)
δ13C
( ‰)
1 3165 - 291494
2 3170 - 291749
3 3166 - 291266
4 3142 - 291558
5 3157 - 291397
6 3154 - 291301
7 3127 - 291546
8 3133 - 291627
9 3136 - 291458
10 3149 - 291829
平均值 average 3150 ±0115 - 291523 ±01181
21112 　仪器稳定性的测定　将钢瓶高纯 CO2 的δ13 C定
值为 - 291523 ‰,并以钢瓶高纯 CO2 同时作为标准参考
气和样气 ,重复进行标准 OnΠOff 检测 ,以检验 EA2IRMS
系统的测量稳定性 ,测定结果见表 2。计算其δ13 C测定
值的标准差小于 0103 ‰,达到仪器稳定性指标 0105 ‰的
要求 ,因此 ,EA2IRMS系统仪器的测量稳定性可靠。
表 2 　EA2IRMS系统仪器的测量稳定性
Table 2 　Stability of EA2IRMS system instrument
组 数
number
1 2 3
离子强度
ion intensity
(V)
δ13C
( ‰)
离子强度
ion intensity
(V)
δ13C
( ‰)
离子强度
ion intensity
(V)
δ13C
( ‰)
1 21654 - 291492 41061 - 291479 61379 - 291475
2 21641 - 291523 41046 - 291523 61364 - 291523
3 21629 - 291490 41051 - 291515 61368 - 291488
4 21658 - 291505 41053 - 291525 61348 - 291454
5 21671 - 291472 41049 - 291507 61352 - 291498
6 21664 - 291499 41052 - 291489 61349 - 291526
7 21647 - 291456 41047 - 291464 61376 - 291504
8 21652 - 291475 41054 - 291448 61360 - 291468
平均值
average
- - 291489 - - 291494 - - 291492
标准差
standard
deviation
- 01021 - 01028 - 01026
21113 　仪器线性测定 　按照 IRMS 的要求 ,仪器线性
指标表示为δ13 C vswst 值与离子强度的回归直线斜率
的绝对值 ,δ13 C vswst值为参考气 CO2 的δ13 C测定值相
对于工作标准 CO2 标准定值的δ值 (即其二者间的差
值) ,仪器线性指标要求其斜率绝对值 S < 0106 ‰/ V
(离子强度) 。S 越小表明参考气 CO2 的δ13 C越趋近于
标准标定值。工作参考标准 CO2 的δ 13 C定值为
394　3 期 EA2IRMS法测定不同类型土壤有机碳稳定性同位素组成
- 291523 ‰,调节工作参考气流量 ,测定 10 组不同流
量的标准 CO2 气体 , 获得不同离子流强度下的δ
13 Cvswst值 (相对于工作标准 CO2 的δ值) ,拟合其二者间
的回归直线 (见图 1) 。当离子流强度在 110～710V 时 (图 12A) ,总体线性 S = 01041 ‰/ V ,符合 IRMS 仪器线性指标 (0106 ‰/ V) ;以 115～510V 作为线性范围 (图 12B) ,S = 01027 ‰/ V ,优于总体线性。
图 1 　EA2IRMS系统仪器的线性范围测定结果
Fig. 1 　Linear range of EA - IRMS system instrument
A :110～710V 线性 ; B :115～510V 线性
A :110～710V linearity ; B :115～510V linearity
212 　土壤样品测定
21211 　工作条件 　EA 系统氧化柱温度为 1020 ℃,还
原柱温度 640 ℃;色谱分离柱采用 Steel2SS 型 ,柱长 2m
(6mm ×5mm) ,分离柱温度为 40 ℃。CO2 参考气压力
所产生的离子流强度在 115～510V 之间。
δ13 C值的表达式如下 :
δ13 C( ‰) = [ ( RsampleΠRstan dard ) - 1 ] ×1000
　　式中 : Rsample为样品中13 C和12 C 的丰度比 ; Rstandard为
国际标准样物质 PDB 中13 C和12 C的丰度比。
21212 　样品精度测试 　工作参考标准 CO2 的δ13 C定
值为 - 291523 ‰,分别以 Urea 标准和某植物样 SN201
多次重复测定 ,结果见表 3。Urea 和 SN201 样稳定性碳
同位素测定的精密度均在 ±0120 ‰以内 ,符合仪器测
定要求 ; 与标准品参考值比较 ,其相对误差为 [ -
45138 ‰ - ( - 45137 ‰) ]/ ( - 45138 ‰) ×100 % =
0102 % ,测定准确度可靠。
21213 　样品线性测定 　工作参考标准 CO2 的δ13 C定
值为 - 291523 ‰,以 EA2IRMS 系统测定不同称样量
Urea 标准品的δ13 C值 ,观察其同位素比值的变化 ,并
与 Urea 参考标准值比较 ,结果见表 4。由表 4 看出 ,当
称样量 ≥25μg 时 ,其δ13 C测定值在参考标准值要求范
围内 ,且称样量与离子强度之间具有良好的线性相关
性 ;以 Urea 含碳量 20 %计算其满足分析要求的碳含
量 ,结果表明 ,当样品中含碳量大于 5μg ,即可满足分
析要求。
表 3 　尿素和某植物样品 SN - 01δ13 C值的测定精度
Table 3 　Precision ofδ13 C determination in Urea
and a plant sample SN201
测定次数
measurement times
尿素δ13CvsPDB
δ13CvsPDB in urea ( ‰)
植物样 SN - 01δ13CvsPDB
δ13CvsPDB in
plant sample SN201 ( ‰)
1 - 451504 - 241412
2 - 451315 - 241167
3 - 451462 - 241296
4 - 451552 - 241354
5 - 451296 - 241204
6 - 451265 - 241488
7 - 451226 - 241396
8 - 451376 - 241522
平均值 average - 45137 ±0112 - 24135 ±0112
参考标准值
reference value
- 45138 ±0117 -
注 :试验测定值准确度和精密度以 mean ±SD 格式表示 ,标准参考值为
国际原子能机构 ( IAEA)公布值。
Note :Accuracy and precision of observed value for experiment find expression in
mean ±SD , standard reference value was publicized by international atomic
energy agency.
21214 　不同类型土壤中稳定性碳同位素测定 　在全
国范围不同地区 ,按照土壤类型的分布区域 ,分别从不
同地区采集具有代表性的不同类型土壤 ,制样 ,供 EA
- IRMS 系统测定δ13 C值。
494 核　农　学　报 23 卷
表 4 　Urea 标准样品线性范围的测定
Table 4 　The determination of linear range
forδ13 C of Urea
组数
number
称样量
sample
weight
(μg)
碳含量
carbon
content
(μg)
离子流强度
ion
intensity
(V)
δ13CvsPDB
( ‰)
尿素参考
标准值
Urea reference
value
1 20 4 01476 - 461322
2 25 5 01728 - 451528
3 50 10 11318 - 451310
4 80 16 11884 - 451542
5 100 20 21454 - 451546
- 45138 ±0117
6 140 28 31426 - 451425
7 180 36 41272 - 451287
8 200 40 41914 - 451384
9 250 50 61131 - 451297
10 300 60 71432 - 451311
3 　不同类型土壤样品中13 C 自然丰度的测定
本试验共采集了 18 份土壤样品 ,包括 11 种土壤
类型 (表 5) 。土样采样深度均为 5～25cm。土样风干
后清除其中的碎石、砂砾以及植物残体和根茎等 ,为更
好地反应 ,将土样适当粉碎 ;以 015molΠL 的盐酸浸泡
反应至少 6h ,除去土壤中的无机碳 ;去离子水冲洗至
中性 ,60 ℃下烘干 ,研磨并过 100 目筛 ,充分混匀。测
定前所有样品均在 60 ℃下烘 12h。
样品的称取量应保证其测定离子强度在仪器分析
要求的线性范围内。参考 18 份土样常量元素的测定
数据 ,其含碳量为 015 %～510 % ,按照前述样品中含碳
量需大于 5μg 的分析要求 ,则所需的最小样品称样量
应为 011～110mg ,为了保证样品测定时产生的离子强
度在线性范围的中位值 ,称样量应大于最小所需量。
因此 ,用百万分之一天平称取土样 215mg 左右 ,并以纯
净锡杯紧密包好 ,在同位素实验室 ,按照前述的测定程
序测定土样中有机碳的δ13 C值 ,测定结果见表 5。实
测的 18 份土壤样品 13 C 的天然丰度平均值为
11082 %。　　
表 5 　不同类型土壤中13 C自然丰度的测定结果
Table 5 　Natural abundance of 13 C in different types of soil
样品号
sample No.
土壤类型
soil type
采样区域
sampling area
站位 geographic position
纬度 latitude 经度 longitude
δ13C
( ‰)
13C丰度
13C abundance ( %)
SA01 黑土 black soil 吉林省公主岭 Gongzhuling City , Jilin Province N43°39′2512″ E124°57′2717″ - 221052 11082
SA02 黑土 black soil 吉林省长春市 Changchun City , Jilin Province N43°48′4610″ E125°23′5116″ - 211509 11082
SA03 棕壤 brown soil 辽宁省开原县 Kaiyuan City , Liaoning Province N42°32′0512″ E124°10′2014″ - 231168 11080
SA04 棕壤 brown soil 辽宁省沈阳市 Shenyang City , Liaoning Province N41°31′0417″ E123°21′5316″ - 221320 11081
SA05 暗棕壤 dark brown soil 吉林省吉林市 Jilin City , Jilin Province N44°02′5219″ E126°05′5713″ - 251280 11078
SA06 暗棕壤 dark brown soil 吉林省吉林市 Jilin City , Jilin Province N44°02′4912″ E126°05′5019″ - 241744 11079
SA07 黄壤 yellow soil 贵州省安顺市 Anshun City , Guizhou Province N26°24′0218″ E106°20′5016″ - 191714 11084
SA08 黄壤 yellow soil 贵州省清镇市 Qingzhen City , Guizhou Province N26°32′4816″ E106°29′3117″ - 221525 11081
SA09 红壤 red soil 湖南省新化县 Xinhua County , Hunan Province N27°54′4315″ E111°32′1212″ - 251512 11078
SA10 红壤 red soil 江西省鹰潭市 Yingtan City , Jiangxi Province N27°45′2014″ E111°29′0618″ - 251112 11078
SA11 砖红壤 latosol 广东省雷州市 Leizhou City , Guangdong Province N20°55′1014″ E109°48′3419″ - 231845 11080
SA12 砖红壤 latosol 广东省徐闻县 Xuwen County , Guangdong Province N20°20′3814″ E110°13′0414″ - 211509 11082
SA13 赤红壤 latosolic red soil 广东省佛山市 Foshan City , Guangdong Province N23°12′0813″ E113°04′0110″ - 261068 11077
SA14 赤红壤 latosolic red soil 广东省广州市 Guangzhou City , Guangdong Province N23°07′5011″ E113°27′2315″ - 231675 11080
SA15 灰钙土 sierozem 宁夏省中卫市 Zhongwei City , Ningxia Province N37°19′515″ E105°12′399″ - 91386 11095
SA16 灰钙土 sierozem 宁夏省中卫市 Zhongwei City , Ningxia Province N37°24′329″ E105°27′013″ - 71467 11097
SA17 黄棕壤 yellow2brown soil 江苏省宜兴市 Yixing City , Jiangsu Province N31°25′1410″ E119°42′0414″ - 251924 11077
SA18 黄棕壤 yellow2brown soil 江苏省宜兴市 Yixing City , Jiangsu Province N31°24′3118″ E119°24′3917″ - 261498 11077
4 　结论
411 　EA2IRMS 分析系统 ,以国际标准物质 Urea 对高
纯钢瓶 CO2 参考气进行了标定 ,其测定值δ13 CvsPDB =
(
- 291523 ±01181) ‰。检验了 EA2IRMS 分析系统测 定δ13 C值的稳定性、线性范围和样品分析精度 ,其稳定性检验值达到 01018 % , 优于仪器稳定性指标0105 % ;离子强度在 110～710V 范围内线性良好 ,符合仪器线性指标 0106 ‰ΠV ,在 115～510V 内优于总体线性 ;样品分析精度优于 0115 ‰;样品中含碳量大于 5μg即可测定δ13 C值。建立了土壤有机碳稳定性同位素
的测定方法 , EA - IRMS 联用技术测定土壤有机碳稳
594　3 期 EA2IRMS法测定不同类型土壤有机碳稳定性同位素组成
定性同位素组成 ,是一种快速而准确的方法。
412 　在从北纬 20°20′到 44°02′、东经 105°12′到 126°05′
的跨度区域内 ,采集实测了 18 份不同类型土壤样中的
有机碳稳定同位素 ,获得其13 C的平均丰度为 11082 %。
研究表明 ,不同地理区域和不同类型的土壤有机碳稳
定同位素组成存在较大的差异 ;在实测的 9 种类型的
18 份土样中 ,其δ 13 C值变化范围为 - 261498 ‰～
- 71467 ‰;相同类型的土壤因分布区域不同 ,其有机
碳δ13 C值也存在一定的差异。
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