土壤中的硝態(tài)氮檢測試紙的制備及應(yīng)用

于專妮，王強

(1.中國海洋大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，山東青島 266100;2.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)化學(xué)與藥學(xué)院，山東青島 266109)

土壤是作物氮素營養(yǎng)的主要來源，土壤中的氮素包括無機態(tài)氮和有機態(tài)氮兩大類。其中有機態(tài)氮幾乎難以被作物直接吸收利用，而含量不到5%的無機態(tài)氮(主要是銨態(tài)氮和硝酸鹽)中的硝態(tài)氮是旱地植物可直接吸收的氮素［1-4］，因此土壤的現(xiàn)實肥力取決于硝態(tài)氮的含量。如何快速、簡便的測定硝態(tài)氮一直制約著農(nóng)業(yè)的合理用肥。

當(dāng)前，大多實驗是通過氯化鉀或硫酸鈣對土壤進行離子交換，得到無機態(tài)氮;然后采用氨基苯磺酸比色法［5］、離子色譜法［6］、極譜法［7］、鎘柱法［8］等手段進行分析檢測。這些測試方法精準度很高，但昂貴的儀器和繁瑣的樣品前處理步驟限制了土壤的常規(guī)快速測定［9］。而試紙法既不依靠儀器，也不需要繁瑣的操作，僅僅通過比對色階譜圖就可以直接得到土壤硝態(tài)氮的含量，實現(xiàn)了快速、便捷、廉價測定的預(yù)期目的。

實驗擬自制淀粉碘化鉀試紙，通過確定還原模擬土壤中的硝態(tài)氮的反應(yīng)條件，制作出標準色階譜圖;以紫外可見分光光度法為佐證手段，驗證土壤中硝態(tài)氮含量測量的準確性。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

亞硝酸鈉、可溶性淀粉、碘化鉀、硫酸鎘、鋅粉、磷酸二氫鉀、硝酸鉀、氯化銨均為分析純;定性濾紙;定量濾紙;層析濾紙。

SHB-Ⅲ循環(huán)水式真空泵;DYG-9038A干燥烘箱;754型紫外分光可見光度計。

1.2 土樣采集及硝態(tài)氮的浸提

實驗采集青島農(nóng)業(yè)大學(xué)種植蔬菜園的土壤，采用梅花點取樣法，取土的深度控制在20 cm以內(nèi)，把土樣混合均勻。90℃烘干24 h，研磨。取5 g實驗土壤，加入25 mL濃度0.5 mol/L的硫酸鈣、適量活性炭，攪拌、靜置，抽濾，濾液是硝態(tài)氮的待測液［10-11］。

1.3 實驗原理

1.4 碘化鉀淀粉試紙的制備

1 000 mL燒杯中加入250 mL蒸餾水，加熱至沸騰。把事先用少量水溶解的淀粉水溶液倒入沸水中，繼續(xù)加熱2～3 min至溶液變清為止。冷卻后，依次加入碘化鉀、無水碳酸鈉和去離子水250 mL［13］。將濾紙剪成 1.5 cm × 6.0 cm 的長紙條，放入溶液中浸潤30 min，鋪放在真空干燥箱中干燥。干燥后的試紙避免被空氣中氧氣氧化，應(yīng)保存在棕色瓶中備用。

1.5 亞硝酸根標準色卡制備

按照濃度梯度，用移液管分別準確移取1 000 μg/mL亞硝酸鈉 0.00，0.10，0.20，0.30，0.50，1.00，5.00，10.00，50.00 mL 于 100 mL 容量瓶中，用去離子水定容。準確移取5 mL的亞硝酸鈉的標準溶液于燒杯中，分別滴加3 mol/L硫酸溶液1滴，攪拌均勻后，用膠頭滴管依次滴加到碘化鉀試紙上，試紙不可浸潤到溶液中，以免引起碘離子的擴散;室溫條件5 min后觀察并拍照記錄試紙顏色深淺。

1.6 混合標準溶液配制及顯色反應(yīng)

準確稱取磷酸二氫鉀 0.439 07 g、硝酸鉀0.722 06 g、氯化銨 0.382 02 g、硫酸鉀 1.324 79 g于250 mL的燒杯中，用少量去離子水溶解，然后定容于1 000 mL容量瓶中，即得含有硝態(tài)氮100 μg/mL的混合標準溶液，以模擬自然界土壤的基本組成。加入稍過量的鋅粉和催化量的硫酸鎘，20 min抽濾，所得濾液按照1.5節(jié)進行測試。

1.7 樣品測定

1.7.1 硝態(tài)氮處理 實驗采用鋅粉還原的方法，把高價態(tài)的氮還原為亞硝酸根，進行半定量測定。

1.7.2 比色 用膠頭滴管或玻璃棒蘸取少量待測液于制備的試紙上，顯色后與比色卡目測對比，對試樣進行不低于3次的讀數(shù)，取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 試紙的選擇

實驗分別用層析濾紙、定性濾紙和定量濾紙做成淀粉碘化鉀試紙。試紙完全干燥后，在室溫條件下，用不同濃度的亞硝酸鈉含量溶液進行顯色實驗，觀察并記錄試紙顏色變化快慢以及顏色深淺的差距。結(jié)果顯示，定量濾紙顯色較為明顯，本實驗選定量濾紙為試紙材料。

2.2 亞硝酸根標準色卡的制備

制作淀粉碘化鉀試紙時，按照濃度梯度為0.015 0，0.030 0，0.060 0，0.300 0 mol/L，準確稱取碘化鉀?？疾齑郎y離子濃度按照梯度變化時，試紙顏色的規(guī)律性變化，結(jié)果見表1。

表1 碘化鉀含量對顯色的影響Table 1 The quantity of KI on chromogenic

由表1可知，當(dāng)亞硝酸根濃度低至1 μg/mL時，試紙顯示出肉眼可以直接觀察到的淺藍色;隨著待測離子濃度的繼續(xù)增加，顏色由淺藍增至黑藍色;KI含量為0.06 mol/L時，試紙顏色隨亞硝酸根濃度同步的特性。因此，效果最佳的碘化鉀含量為0.06 mol/L，并以此得到待測亞硝酸濃度從1～100 μg/mL變化時，對應(yīng)的色階譜圖(見圖 1)，實現(xiàn)了待測離子濃度與顏色同步變化的實驗?zāi)康摹?/p>

圖1 亞硝酸根濃度改變對應(yīng)試紙顏色的變化Fig.1 The color development with the quantity of N

2.3 模擬土壤浸提液的還原及顯色反應(yīng)

2.3.1 氯化鈉用量對硝酸鹽還原的影響 根據(jù)方程(1)，實驗發(fā)現(xiàn)，鋅粉在還原硝酸鹽的過程中需要一定的離子強度。為了不改變土壤的基本組成，加速還原反應(yīng)，實驗選用強電解質(zhì)氯化鈉來增強溶液離子強度。以試紙顯色深淺為評價標準，實驗發(fā)現(xiàn)，隨著氯化鈉用量的增加，硝酸鹽的還原率呈現(xiàn)上升的趨勢，試紙顯色明顯加深。當(dāng)氯化鈉的質(zhì)量濃度超過10 g/L時，反應(yīng)時間20 min，試紙顯色沒有較為明顯的變化，實驗選定強電解質(zhì)氯化鈉的濃度為10 g/L。

2.3.2 pH對還原的影響 根據(jù)方程(1)、(2)，整個反應(yīng)的進行均需要在酸性條件下進行。實驗發(fā)現(xiàn)，溶液的pH控制在3～10，還原得以穩(wěn)定進行;當(dāng)pH ＜2和pH ＞12時，由于存在鋅和強酸、強堿反應(yīng)的競爭，硝酸根得不到有效地還原。

圖2 混合液中硝態(tài)氮濃度改變對應(yīng)試紙顏色的變化Fig.2 The color development with the nitrate in solution

實驗確定了混合標準溶液中氯化鈉的濃度為10 g/L、反應(yīng)pH=3～10，反應(yīng)時間20 min的條件下，隨著模擬土壤浸提液中的硝態(tài)氮濃度由1～100 μg/mL變化時，試紙上呈現(xiàn)出藍色不斷加深的趨勢;與圖1比對來看，其它共存離子對試紙顯色幾乎沒有影響，滿足了測試的基本要求。

實驗采用Photoshop軟件根據(jù)顏色梯度，對比試紙顏色制作的標準色階譜圖，標出的硝態(tài)氮濃度是以1 kg土壤作為考察標準。考慮到肉眼對顏色的敏感程度的差異，實驗制備的標準色階譜圖可以測量硝態(tài)氮含量范圍從5～400 mg/kg。

圖3 標準色階譜圖Fig.3 The standard color spectrum

2.4 土壤中硝態(tài)氮的測定及驗證實驗

2.4.1 待測土壤的測量 土壤樣品取自蔬菜試驗田;按照實驗步驟1.2節(jié)和1.6節(jié)對土壤中的硝態(tài)氮進行處理，采用自制的試紙顯色后，與圖2色階譜圖進行比對，可以直觀的看出所測土壤提取液中硝態(tài)氮的濃度為5 μg/mL左右;與圖3標準色階譜圖對比可以更直觀的看出土壤中硝態(tài)氮含量為25 mg/kg。

圖4 土壤中硝態(tài)氮的測定Fig.4 The detecting nitrate in soil

2.4.2 驗證實驗 參照文獻［14-15］，對同一份土壤浸提液測量硝態(tài)氮含量測定，結(jié)果為27.4 mg/kg，高于試紙法的25 mg/kg。這可能是由于鋅粉還原不完全或肉眼對顏色的敏感程度存在差異造成的;但從半定量測試的角度來說，所測量結(jié)果與試紙測量數(shù)據(jù)近乎一樣，滿足了室外進行土壤硝態(tài)氮測定的要求。

3 結(jié)論

制備出能夠測量土壤硝態(tài)氮的淀粉碘化鉀試紙和標準色階譜圖。測量范圍為5～500 mg/kg(若濃度較大，可對溶液稀釋后測量)，滿足了對土壤硝態(tài)氮含量的要求。與其它測量方法相比，試紙法憑其受外界干擾因素小、方便攜帶、價格低廉等優(yōu)點，滿足了在室外進行土壤硝態(tài)氮含量的測定的實際要求。但試紙測量存在靈敏度低和準確度不高等缺陷，本實驗所制的試紙對硝態(tài)氮含量低于5 mg/kg的土壤，顯色不明顯;另外本試紙自身穩(wěn)定性差，必須防止被氧化。因此，研發(fā)精準度更高的試紙已成為檢測技術(shù)的當(dāng)務(wù)之急。

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