石墨消解儀–凱氏定氮法測(cè)定土壤中全氮量

劉宗超，蔡興，文田耀，趙春梅，孫文軍，朱靜

（1. 河南省地礦局第一地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院，河南洛陽 471000； 2. 鄭州工程技術(shù)學(xué)院化工食品學(xué)院，鄭州 450044）

我國(guó)越來越重視對(duì)耕地的保護(hù)，相繼采取了一系列高標(biāo)準(zhǔn)基本農(nóng)田建設(shè)措施，其中一項(xiàng)便是土壤肥力的評(píng)價(jià)。土壤全氮含量是衡量耕地肥力的重要指標(biāo)，土壤含氮量的多少，直接影響農(nóng)作物的生長(zhǎng)狀況[1-2]。土壤全氮含量的測(cè)定目前有多種方法[3]，如凱氏定氮法、杜馬斯燃燒法和紅外光譜法[4]等。

石墨爐消解-凱氏定氮法是目前較常用的土壤全氮分析方法，其基本分析流程是：利用石墨爐消解儀消解土壤樣品，將有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為無機(jī)鹽硫酸銨，然后使用凱氏定氮儀，在堿性條件下，以水蒸氣加熱使硫酸銨分解出氨氣分子，利用酸堿滴定的方法測(cè)出全氮含量[4]。我國(guó)國(guó)土遼闊，不同區(qū)域土壤含氮量有差別，在凱氏定氮過程中，需要根據(jù)不同地區(qū)土壤全氮實(shí)際含量?jī)?yōu)化分析程序，提高分析效率。筆者通過對(duì)催化劑種類、濃硫酸使用量、消解時(shí)間的探索，建立了一種適合低全氮[5]含量耕地土壤大批量快速分析的方法，滿足國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求[6-9]，使科研、教學(xué)和生產(chǎn)實(shí)踐活動(dòng)更加經(jīng)濟(jì)、環(huán)保和高效。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

在土壤樣品中加入催化劑、濃硫酸和少量水，在加熱條件下，土壤中含氮有機(jī)物經(jīng)過分解、碳化、氧化還原等反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o機(jī)鹽硫酸銨。進(jìn)一步在堿性條件下，通過蒸汽加熱蒸餾使硫酸銨分解產(chǎn)生氨氣分子，用含有酸堿指示劑的硼酸溶液吸收后，在以鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定，根據(jù)消耗鹽酸的量確定土壤中全氮含量。

1.2 主要儀器與試劑

凱氏定氮儀：K1305 型，氮質(zhì)量測(cè)定范圍為0.1～240 mg，上海晟聲自動(dòng)化分析儀器有限公司。

石墨爐消化儀：S20 A型，上海晟聲自動(dòng)化分析儀器有限公司。

電子天平：AL104 型，感量為0.1 mg，梅特勒-托利多科技(中國(guó))有限公司。

酸式滴定管：50 mL，天津玻璃儀器廠。濃硫酸、鹽酸：均為分析純，北京化工廠。硫酸鉀(K2SO4)、硫酸銅(CuSO4)：均為分析純，天津風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司。

硒粉(Se)、二氧化鈦(TiO2)：均為分析純，阿法埃莎(中國(guó))化學(xué)有限公司。

氫氧化鈉(NaOH)、硼酸：均為分析純，天津風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司。

甲基紅、溴甲酚綠：均為分析純，天津科密歐化學(xué)試劑有限公司。

無水乙醇：分析純，天津科密歐化學(xué)試劑有限公司。

混合催化劑：(1)K2SO4-CuSO4-TiO2(質(zhì)量比為100∶3∶3)；(2)K2SO4-CuSO4-Se(質(zhì)量比為100∶10∶1)；(3)K2SO4-CuSO4(質(zhì)量比為10∶1)，按比例磨碎混勻。

氫氧化鈉溶液：400 g/L。

鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液：濃度分別為0.0211 mol/L 和0.0108 mol/L。移取適量濃鹽酸，加入水稀釋定容，用無水碳酸鈉標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)標(biāo)定。

甲基紅-溴甲酚綠混合指示劑：溴甲酚綠與甲基紅質(zhì)量比為5∶1，溶解于95%乙醇溶液中。

硼酸指示劑：稱取10 g硼酸加入1 L水，每升硼酸溶液加入5 mL甲基紅-溴甲酚綠混合指示劑。

無水碳酸鈉標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：純度(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為99.96%，不確定度為0.05%，標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)編號(hào)為GBW 060315，上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)編號(hào)分別為GBW 07401、GBW 07403、GBW 07404、GBW 07408，其中全氮量標(biāo)準(zhǔn)值分別為(1.870±0.067)、(1.000±0.062)、(0.640±0.050)、(0.370±0.050) g/kg，中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所。

土壤樣品：河南省豫北地區(qū)耕地。

實(shí)驗(yàn)用水為一級(jí)水。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

1.3.1 樣品處理

土壤樣品經(jīng)過自然晾干、研磨、混勻、過0.149 mm篩后裝袋編號(hào)，置于樣品庫中備用。

稱取1.000 0 g 土壤樣品，置于100 mL 消化管中，加入3.000 0 g 催化劑，用水沖洗消化管內(nèi)壁，使樣品完全落入消化管底部，用移液槍移取5.0 mL濃硫酸并加入到消化管中，搖勻。將消化管放入石墨爐消解裝置中，進(jìn)行梯度加熱升溫：在240 ℃下加熱15 min(加熱除水時(shí)間)，在300 ℃下加熱15 min(平衡時(shí)間)，在340 ℃下加熱40 min(消解時(shí)間)。至消化管中的消解液變?yōu)榘咨虻G色，取下消解管，冷卻至室溫。

1.3.2 鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液標(biāo)定

稱取0.030 0 g 無水碳酸鈉基準(zhǔn)物質(zhì)(于300 ℃加熱干燥至恒重)，溶于20 mL 水中，加入2～3 滴甲基紅-溴甲酚綠混合指示劑，用鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至溶液由藍(lán)色變?yōu)榧t色，30 s 內(nèi)不變色。記錄所消耗的鹽酸溶液的體積，同時(shí)做一空白對(duì)照組。計(jì)算鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液的物質(zhì)的量濃度。

1.3.3 土壤樣品測(cè)定

開啟凱氏定氮儀，先用空白蒸餾水蒸煮洗滌儀器3 次，換上消解完成的土壤樣品，設(shè)定蒸煮時(shí)間，設(shè)定加入氫氧化鈉溶液、蒸餾水的體積。用加有硼酸指示劑的接收瓶收集蒸餾出來的氨氣，至瓶?jī)?nèi)溶液顏色由藍(lán)綠色變?yōu)榘导t色。再用鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定所蒸餾出的氨氣，至瓶?jī)?nèi)溶液顏色由暗紅色變?yōu)樗{(lán)綠色，同時(shí)做空白試驗(yàn)，根據(jù)鹽酸消耗體積計(jì)算出土壤樣品氮的含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，g/kg)。

2 結(jié)果與討論

2.1 催化劑的選擇

在凱氏定氮法測(cè)定土壤全氮過程中，催化劑的加入可以加速土壤消解進(jìn)程，提高大批量土壤樣品測(cè)試效率。目前經(jīng)常使用的催化劑有三種，分別為K2SO4-CuSO4-TiO2(質(zhì)量比為100∶3∶3)、K2SO4-CuSO4-Se (質(zhì)量比為100∶10∶1)、K2SO4-CuSO4(質(zhì)量比為10∶1)[10]，筆者試驗(yàn)中將三種催化體系分別命名為催化劑A、催化劑B、催化劑C。稱取1.000 0 g 4 種土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，分別加入三種催化劑，其它實(shí)驗(yàn)條件相同，各測(cè)定三次。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在土壤全氮含量相對(duì)低(不大于0.64 g/kg)情況下，三種催化劑的作用相當(dāng)，所測(cè)得土壤全氮含量一致；當(dāng)土壤全氮含量相對(duì)高(大于0.64 g/kg)時(shí)，催化劑B 的催化效果更好，所測(cè)得土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的全氮含量較準(zhǔn)確。相關(guān)測(cè)定結(jié)果見表1和圖1。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[10]，用二氧化鈦?zhàn)鳛榇呋瘎┙M分，所測(cè)得全氮含量穩(wěn)定性差，所用較少，故選擇催化劑B進(jìn)行其它條件探索試驗(yàn)。

表1 使用不同催化劑土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定結(jié)果g/kg

圖1 使用不同催化劑4種土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)全氮含量測(cè)定值

2.2 硫酸用量的選擇

土壤中含氮有機(jī)物催化作用下與濃硫酸反應(yīng)，最終形成硫酸銨，硫酸的使用量是含氮物質(zhì)是否轉(zhuǎn)化完全的關(guān)鍵。由于不同地區(qū)耕地土壤全氮含量不同，濃硫酸的用量也不同。若硫酸加入量過小，則土壤中含氮物質(zhì)不能完全轉(zhuǎn)化為硫酸銨；加入量過大，則后續(xù)自動(dòng)蒸餾需要加入堿液中和，這個(gè)過程會(huì)導(dǎo)致大量放熱，影響裝置氣密性，導(dǎo)致蒸發(fā)出的氨氣無法被完全吸收。在上述催化劑條件探索的基礎(chǔ)上，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[11-12]，選用混合實(shí)驗(yàn)的方法，分別準(zhǔn)確稱取1.000 0 g 的土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和土壤樣品，加入3.000 0 g催化劑B，通過改變濃硫酸的用量，測(cè)得土壤全氮含量，測(cè)定結(jié)果見表2、圖2。結(jié)果表明，當(dāng)濃硫酸的用量小于5 mL時(shí)，土壤消解后未完全轉(zhuǎn)化為硫酸銨，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果偏低，當(dāng)濃硫酸使用量逐漸增大時(shí)，測(cè)量結(jié)果逐漸增大后變低，這是由于過量硫酸未參與消解反應(yīng)形成硫酸銨，凱氏定氮儀蒸餾時(shí)需加入過量氫氧化鈉中和濃硫酸，酸堿中和反應(yīng)放熱導(dǎo)致部分氨氣溢出未被收集，使得測(cè)量結(jié)果偏低。

表2 不同濃硫酸用量時(shí)土壤樣品全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定結(jié)果 g/kg

2.3 消解時(shí)間的選擇

在凱氏定氮過程中，土壤樣品消解時(shí)間長(zhǎng)短影響大批量樣品的檢測(cè)效率[13]。為提高檢測(cè)效率，針對(duì)土壤樣品特點(diǎn)，采用混合實(shí)驗(yàn)的方法，探索土壤樣品消解最佳時(shí)間，不同消解時(shí)間對(duì)應(yīng)測(cè)定結(jié)果見圖3、表3。結(jié)果表明，當(dāng)消解時(shí)間小于40 min時(shí)，消解不完全，土壤中含氮成分未完全轉(zhuǎn)化為硫酸銨，導(dǎo)致測(cè)定結(jié)果不準(zhǔn)確；消解時(shí)間變長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致部分氮隨著蒸餾的水蒸氣溢出[14]，同樣導(dǎo)致結(jié)果偏低。消解時(shí)間設(shè)定在40 min時(shí)，所測(cè)得含量最準(zhǔn)確。

圖3 不同消解時(shí)間時(shí)土壤樣品全氮測(cè)定值

表3 不同消解時(shí)間對(duì)應(yīng)的土壤樣品全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定結(jié)果g/kg

2.4 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)測(cè)定結(jié)果

選用催化劑B 作為土壤消解催化劑，稱取1.000 0 g 4 種土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)各6 份，加入2 mL 蒸餾水沖洗消化管壁，加入5.0 mL 濃硫酸后搖勻，將消解時(shí)間設(shè)定為40 min，進(jìn)行消解。消解完全后蒸出氨氣，測(cè)定其氮含量，測(cè)定結(jié)果列于表4。結(jié)果表明，4種不同標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的氮含量測(cè)定值準(zhǔn)確，測(cè)量誤差為0.01～0.03 g/kg，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.24%～4.58%，準(zhǔn)確度和精密度均符合HJ 717—2014 和LY/T 1228—2015的規(guī)定[15-17]。

表4 土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)全氮量測(cè)定結(jié)果

3 結(jié)論

(1)土壤樣品消解時(shí)三種催化體系K2SO4-CuSO4-TiO2、K2SO4-CuSO4-Se、K2SO4-CuSO4均可使用，但應(yīng)根據(jù)土壤樣品具體情況選擇使用。TiO2不易保存且價(jià)格昂貴，不宜選用；硒粉屬于有毒物質(zhì)，一般土壤全氮含量較低時(shí)不宜選用，應(yīng)選用K2SO4-CuSO4作為催化劑，該催化劑環(huán)保、價(jià)廉，但需要多插入質(zhì)控樣進(jìn)行監(jiān)控；對(duì)于土壤含氮量較高的樣品，則宜選用K2SO4-CuSO4-Se。

(2)豫北地區(qū)耕地土壤全氮含量一般較低，稱取1.000 0 g 土壤樣品，加入5 mL 濃硫酸，消解時(shí)間設(shè)定在40 min較為合適，縮短了以往消解時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn)，可以滿足本地區(qū)大批量土壤樣品的高效分析，為準(zhǔn)確、科學(xué)地掌握本地區(qū)耕地土壤全氮情況提供了技術(shù)依據(jù)。