杜馬斯燃燒法和凱氏定氮法在土壤全氮檢測中的比較研究

秦 琳，黃世群，仲伶俐，周 虹，趙 珊，向 冰，雷紹榮

（四川省農(nóng)業(yè)科學院分析測試中心，四川 成都 610066）

氮素是作物生長的重要營養(yǎng)元素之一，在生命體乃至整個生態(tài)系統(tǒng)都起著重要作用［1-2］。土壤中氮素總量反映著土壤氮循環(huán)的狀況，是衡量土壤基礎肥力、評價土壤資源的一項重要指標［3］。土壤中氮素分為有機氮和無機氮，其中絕大部分為有機結(jié)合形態(tài)的氮，無機形態(tài)的氮一般僅占全氮的1%～5%［4］。土壤中全氮量的檢測是土壤分析的常規(guī)項目，掌握合理方法準確測定出土壤中全氮的含量，對合理施用氮肥具有重要意義。

土壤中全氮的分析方法主要有凱氏定氮法、紅外光譜技術和杜馬斯燃燒法［5］。其中，凱氏定氮法是測定土壤中全氮的標準方法［6-8］，原理是試樣土壤在加催化劑的條件下用濃硫酸高溫消煮，將土壤中的有機氮轉(zhuǎn)化為NH4+與硫酸結(jié)合為硫酸銨，通過氫氧化鈉強堿蒸餾出NH3，最后用標準酸溶液滴定NH3量來確定全氮含量。但其測得的氮并不包括NO2--N 和NO3--N，因一般土壤中NO2--N 和NO3--N 含量不超過全氮量的1%，故忽略不計。如遇含有顯著數(shù)量NO2--N 和NO3--N 的土壤，需要將樣品中的NO2--N 氧化為NO3--N，再用還原劑將NO3--N 還原為NH4+-N［9］。使用凱氏定氮法時，由于消煮時間過長，操作過程繁瑣危險，且需要大量化學試劑（如濃硫酸、氫氧化鈉溶液和硼酸溶液等），不僅加大了檢測成本，且嚴重污染環(huán)境，對實驗員健康存在潛在危害［10-11］。相比之下，杜馬斯燃燒法具有環(huán)保、高效的優(yōu)勢，已被歐美、日本等發(fā)達國家在多個行業(yè)采用［12-13］，其測定原理是試樣在純氧（≥99.99%）環(huán)境中高溫燃燒，燃燒過程中產(chǎn)生混合氣體，其中的碳、硫等干擾氣體和鹽類被吸收管吸收，氮氧化物被全部還原成氮氣，形成的氮氣氣流通過熱導檢測器（TCD）進行檢測得出試樣中的全氮含量［14］。與凱氏定氮法相比，杜馬斯燃燒法測得的氮轉(zhuǎn)化效率更高，全氮更完全［5］。

目前，國內(nèi)外學者利用杜馬斯燃燒法測定土壤中全氮含量的文獻已有不少［15-19］。王忻昱等［15］采用凱氏定氮法和杜馬斯燃燒法分別對農(nóng)田、茶園、林地和草地土壤樣品的全氮含量進行測定，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩種方法的檢測結(jié)果無明顯差異，且相對標準偏差均小于5%。張薇等［16］采用凱氏定氮法和杜馬斯燃燒法對10 種土壤有效態(tài)成分分析標準物質(zhì)的全氮含量進行檢測，結(jié)果表明對于硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮含量較低的樣品，兩種方法均可采用；杜馬斯燃燒法更適用于大批量樣品的檢測；低氮含量的樣品采用凱氏定氮法測定結(jié)果更加準確。Dhaliwal 等［19］采用改進的凱氏定氮法（水楊酸-硫代硫酸銨-硫酸來消煮土壤樣品）測定土壤的全氮含量（包含NO2--N 和NO3--N），但測定結(jié)果仍低于杜馬斯燃燒法的測定結(jié)果。國內(nèi)現(xiàn)行的測定土壤全氮含量的標準方法多采用的是凱氏定氮法［6-7，20］，僅在LY/T 1228-2015 森林土壤氮的測定中采用了元素分析儀法（杜馬斯燃燒法）?？梢?，杜馬斯燃燒法還沒有完全取代凱氏定氮法成為測定土壤全氮含量的標準方法，其測定結(jié)果與凱氏定氮法存在哪些差異，是急需探索的。

本試驗將采用傳統(tǒng)的凱氏定氮法和杜馬斯燃燒法對不同梯度全氮含量的土壤樣品（全氮含量梯度為0%～0.06%、0.06%～0.1%、0.1%～0.2%、0.2% ～0.3%、0.3% ～0.4%和0.4% ～0.5%） 進行檢測，比較兩種方法在測定結(jié)果的精密度、準確度及相關性和檢測成本方面的差異性，探討杜馬斯燃燒法用于土壤全氮檢測的可行性，以期為準確快速測定土壤全氮含量提供方法參考和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與制備

供試土壤樣品為6 組不同梯度全氮含量的土壤樣品（全氮含量梯度為0%～0.06%、0.06%～0.1%、0.1% ～0.2%、0.2% ～0.3%、0.3% ～0.4%和0.4%～0.5%），每個梯度10 個樣品，由農(nóng)業(yè)農(nóng)村部食品質(zhì)量監(jiān)督檢驗測試中心（成都）提供；供試土壤有效態(tài)成分分析標準物質(zhì)由國家標準物質(zhì)研究中心研制，共4 份，分別為華北平原土壤（GBW07427）、四川盆地土壤（GBW07428）、新疆灰鈣土（GBW07459）和陜西黃綿土（GBW07460）。

所有的供試樣品需經(jīng)風干，挑去石塊、塊莖等雜物，過2 mm 篩后進一步研磨，使其全部通過0.149 mm 篩后裝入廣口瓶備用。供試土壤標準物質(zhì)均置于65 ℃干燥箱內(nèi)干燥24 h，待測。

1.2 儀器與試劑

1.2.1 儀器

rapid MAX N EXCEED 型元素分析儀（德國Elementar 公司）；FOSS2400 全自動凱氏定氮儀、消化爐（瑞典FOSS 公司）；AUY 220 電子天平（日本島津公司，精度為0.1 mg）。

1.2.2 試劑與氣體

濃硫酸；催化劑（K2SO4∶CuSO4·5H2O= 10∶1）；10 g·L-1硼酸溶液；400 g·L-1氫氧化鈉溶液；0.05 mol·L-1鹽酸標準滴定溶液（按照GB/T 601-2016《化學試劑 標準滴定溶液的制備》規(guī)定配制并標定）；0.1%甲基紅乙醇溶液；0.1%溴甲酚綠乙醇溶液；氧化銅和Pt 催化劑；ESA-REGAINER；氧化鋁；五氧化二磷；氧氣（純度≥99.99%）；氦氣（純度≥99.99%）；標準品：硫酸銨（N：21.21%，純度≥99.99%，天津市光復精細化工研究所生產(chǎn)）；天冬氨酸［N：10.52%，純度≥98%，SIGMA 公司生產(chǎn)］。

1.3 測定方法

1.3.1 凱氏定氮法

稱取待測樣品約1 g（準確至0.000 1 g）于消化管中，加入5 g 催化劑（K2SO4∶CuSO4·5H2O=10∶1）和濃硫酸10 mL，搖勻，在消化爐上420℃消化約1 h，待消煮液呈亮綠色并澄清透明后，取下放冷，緩慢加入約20 mL 水。待液體冷卻后，置于FOSS2400 全自動凱氏定氮儀上進行加堿蒸餾3.5 min，將試樣中的氨通過冷凝由硼酸溶液直接吸收，并用鹽酸標準溶液滴定硼酸吸收液，記錄鹽酸滴定體積，計算樣品中全氮含量。每個樣品做3 次重復測定，同時做5 份空白測定。稱取硫酸銨標準品20.0、30.0、40.0、50.0 和60.0 mg，進行蒸餾滴定，得標準曲線。

1.3.2 杜馬斯燃燒法

采用rapid MAX N EXCEED 型元素分析儀進行測定。稱取待測樣品約1 g（準確至0.000 1 g）于坩堝中，置于自動進樣盤內(nèi)，在燃燒爐溫度達900 ℃以上、次級燃燒管溫度達900 ℃以上、還原管溫度達600 ℃以上、氧氣（純度≥99.99%）壓力達0.25 MPa、氦氣（純度≥99.99%）壓力達0.38 MPa，儀器自動進樣檢測，加氧時間為120 s，加氧流速為300 mL·min-1。每個樣品做3 次重復測定，同時做5 份空白測定。稱取天冬氨酸標準物質(zhì)50.0、100.0、150.0、200.0 和250.0 mg，上機檢測，得標準曲線。

1.4 統(tǒng)計分析

采用DPS 7.05 統(tǒng)計軟件對數(shù)據(jù)進行方差分析和多重比較，采用Excel 2007 軟件進行線性回歸分析，P＜0.05 認為統(tǒng)計學檢驗有顯著性差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 杜馬斯燃燒法與凱氏定氮法的精密度及質(zhì)量控制比較

凱氏定氮法測定土壤全氮含量時，稱取不同質(zhì)量硫酸銨標準品，以稱樣量為橫坐標、總氮含量為縱坐標建立標準曲線?？偟糠秶鸀?.11 ～12.5 mg，標準曲線（圖1）為y=0.210 4x-0.072，R2=0.999 8。采用杜馬斯燃燒法時，稱取天冬氨酸標準物質(zhì)，以總氮含量為橫坐標，峰面積為縱坐標建立標準曲線?？偟糠秶鸀? ～25 mg，標準曲線（圖2）為y=2 638.9x+299.3，R2=1。由此可見，兩種方法測定標準品時，方法穩(wěn)定，且回收率較高。

分別用凱氏定氮法和杜馬斯燃燒法測定了4 份土壤有效態(tài)成分分析標準物質(zhì)的全氮含量，每個樣品重復測定6 次，結(jié)果見表1。可看出，兩種方法測定結(jié)果都接近于真實值。比較兩種方法的相對標準偏差（RSD）和相對誤差（RE）值，可確定杜馬斯燃燒法精密度更高，且準確度更好。

圖1 凱氏定氮法含氮量標準曲線

圖2 杜馬斯燃燒法含氮量標準曲線

2.2 杜馬斯燃燒法與凱氏定氮法測定土壤全氮含量結(jié)果分析

分別用凱氏定氮法和杜馬斯燃燒法測定6 組不同梯度全氮含量的土壤樣品（全氮含量分別為0% ～0.06%、0.06% ～0.1%、0.1% ～0.2%、0.2% ～0.3%、0.3% ～0.4%和0.4% ～0.5%），每個梯度10 個樣品，結(jié)果見表2。6 組不同梯度全氮含量的土壤樣品，兩種方法的測定值之比（D/K）的范圍分別為0.692 ～0.965、0.940 ～1.104、0.993 ～1.079、0.995 ～1.058、1.008 ～1.057 和1.000 ～1.092。對于含氮量范圍為0%～0.06%的樣品，兩種方法的測定值間差異較大，凱氏定氮法的測定結(jié)果均高于杜馬斯燃燒法；含氮量范圍為0.06%～0.3%的樣品，兩種方法的測定結(jié)果表現(xiàn)出一致性；含氮量0.3 %～0.5 %的樣品，兩種方法間差異較大，杜馬斯燃燒法的測定結(jié)果均高于凱氏定氮法。對兩組數(shù)據(jù)進行單因素方差分析，可以看出含氮量范圍為0%～0.06%、0.3%～0.4%和0.4%～0.5%的30 個樣品中，有21 個樣品兩種方法的測定結(jié)果間存在顯著性差異。可見，不同含氮量的土壤樣品應選擇合適的方法才能保證其測定的準確度。對于低氮含量（0%～0.06%）的土壤樣品，凱氏定氮法測定結(jié)果準確度更高，主要是因為含氮量極低的土壤中，其NO2--N 和NO3--N 含量一般也較低，半微量的凱氏法更加適用，與張薇等［16］的研究結(jié)果一致；其次，杜馬斯燃燒法測得的含氮量是通過換算樣品在燃燒后形成的氮氣氣流量的峰面積得出，當樣品含氮量極低時，通過計算峰面積的積分值來換算含氮量，準確度會降低。而對于含氮量（0.3% ～0.4%和0.4% ～0.5%）較高的土壤樣品，杜馬斯燃燒法的測定結(jié)果更加準確，主要是因為其測得的全氮包括了NO2--N 和NO3--N，全氮更完全，因而測定結(jié)果高于凱氏定氮法。

表1 凱氏定氮法和杜馬斯燃燒法測定4 份土壤有效態(tài)成分分析標準物質(zhì)的全氮含量（n=6） （%）

表2 凱氏定氮法和杜馬斯燃燒法測定土壤全氮含量

續(xù)表

由圖3 可看出，當含氮量范圍為0%～0.06%時，杜馬斯燃燒法測定結(jié)果的變異系數(shù)為0.00%～9.96%；當含氮量大于0.06%時，其變異系數(shù)均小于5%，且大多數(shù)樣品測定值的變異系數(shù)比凱氏定氮法測定的低。而用凱氏定氮法對6 組不同梯度含氮量的土壤樣品進行檢測，其變異系數(shù)均小于5%。相比較而言，當土壤樣品含氮量大于0.06%時，選用杜馬斯燃燒法進行全氮含量檢測更為合適。

圖3 杜馬斯燃燒法和凱氏定氮法測定土壤全氮含量的變異系數(shù)

2.3 兩種方法的相關性分析

在對杜馬斯燃燒法與凱氏定氮法測定土壤樣品的全氮含量進行比較之后，對兩種方法測定結(jié)果的相關性進行分析。如圖4、5 所示，含氮量范圍為0%～0.06%的樣品，兩種方法的測定值之比（D/K）為0.692 ～0.965，且杜馬斯燃燒法測定結(jié)果的變異系數(shù)為0.00%～9.96%，測定結(jié)果不穩(wěn)定，兩種方法的測定值間存在顯著的線性相關，但R2僅為0.904 9。含氮量大于0.06%的土壤樣品，兩種方法的測定結(jié)果間存在顯著的線性相關（R2=0.997 9）。

圖4 杜馬斯燃燒法和凱氏定氮法測定土壤全氮含量的相關關系（含氮量為0%～0.06%）

圖5 杜馬斯燃燒法和凱氏定氮法測定土壤全氮含量的相關關系（含氮量為0.06%～0.5%）

2.4 兩種方法的檢測成本對比

檢測成本是除精密度和準確度之外，評價一項檢測方法可行性的重要指標。因此，本文對兩種方法的檢測成本做了對比，分別對本試驗中所有樣品和標準品所需的試劑、時間、人力成本和儀器成本，以及排廢情況等進行比較（表3）。兩種方法的土壤樣品測定次數(shù)為60×3=180，標準品測定次數(shù)為4×6=24；凱氏定氮法的硫酸銨測定次數(shù)為5，杜馬斯燃燒法的天冬氨酸測定次數(shù)為5；空白測定次數(shù)為5。

表3 杜馬斯燃燒法和凱氏定氮法的檢測成本比較

杜馬斯燃燒法檢測前僅需根據(jù)需要填充ESA REGAINER 和更換干燥劑后，稱樣就可上機檢測，且試劑耗材不用配制；而凱氏定氮法檢測前需要配制大量化學試劑，需要消煮樣品，且消煮過程繁瑣費時，蒸餾滴定時使用的酸堿對試驗人員和環(huán)境都有較大危害。由表3 可看出，完成本試驗中所有樣品的檢測，杜馬斯燃燒法僅需22.3 h，且1 名實驗員就可完成；而凱氏定氮法需45.7 h，需2 名實驗員，時間、人力和耗電量都約是杜馬斯燃燒法的兩倍。雖然杜馬斯燃燒法儀器成本和試劑成本高于凱氏定氮法，但基于降低時間、人工成本和環(huán)保的角度來說，杜馬斯燃燒法更具有優(yōu)越性。

3 結(jié)論

杜馬斯燃燒法和凱氏定氮法測定土壤有效態(tài)成分分析標準物質(zhì)的全氮含量，兩種方法測定結(jié)果都接近于真實值。比較兩種方法的RSD 和RE 值，可確定杜馬斯燃燒法精密度更高，且準確度更好；對于含氮量范圍為0%～0.06%的樣品，兩種方法的測定值之比（D/K）為0.692 ～0.965，且杜馬斯燃燒法測定結(jié)果的變異系數(shù)為0.00%～9.96%，測定結(jié)果不穩(wěn)定，兩種方法的測定值間存在顯著的線性相關，但R2僅為 0.904 9；而含氮量大于0.06%的樣品，兩種方法的測定結(jié)果表現(xiàn)出一致性，其測定值之比（D/K）為0.940 ～1.104，變異系數(shù)均小于5%，測定結(jié)果間存在顯著的線性相關（R2=0.997 9）。在檢測成本方面，完成本試驗中所有樣品的檢測，杜馬斯燃燒法所需時間和人力都約是凱氏定氮法的1/2，上機檢測前，免去了消煮、配制試劑等諸多繁瑣程序。在環(huán)境保護方面，杜馬斯燃燒法不使用強酸強堿，不污染環(huán)境，不危害人體健康，是一種環(huán)保、高效檢測方法。綜上所述，對于含氮量范圍為0%～0.06%的土壤樣品，凱氏定氮法的測定結(jié)果更接近于真實值，而對于含氮量大于0.06%的土壤樣品，杜馬斯燃燒法更加適用。