FOSS Kjeltec 8400全自動(dòng)凱式定氮儀測(cè)定土壤全氮方法探討

高 飛，陳素賢，杜曉玉，周 欣，王 熹

（北京市耕地建設(shè)保護(hù)中心，北京 100101）

氮是植物生長(zhǎng)的必要營(yíng)養(yǎng)元素之一，土壤全氮含量的高低，反映了土壤的潛在供氮水平。因此，全氮分析是土壤檢測(cè)的重要指標(biāo)。在土壤科學(xué)、植物科學(xué)等領(lǐng)域?qū)ν寥罓I(yíng)養(yǎng)供應(yīng)、植物營(yíng)養(yǎng)吸收等的研究均需測(cè)定土壤全氮含量。測(cè)定土壤全氮的經(jīng)典方法是采用半微量開(kāi)氏法。該方法原理是用濃硫酸消煮土壤樣品，使有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為氨，并與硫酸結(jié)合成硫酸銨，向消煮液中加入過(guò)量氫氧化鈉后蒸餾，將銨鹽轉(zhuǎn)化成氨，隨水餾出后用過(guò)量硼酸溶液吸收，然后以標(biāo)準(zhǔn)酸滴定，計(jì)算出土樣中全氮含量。該方法雖然所需儀器設(shè)備簡(jiǎn)單，但操作復(fù)雜，且結(jié)果受環(huán)境和人為因素影響較大，分析效率較低?；诮?jīng)典的半微量開(kāi)氏法設(shè)計(jì)的FOSS Kjeltec 8400型全自動(dòng)凱式定氮法，可實(shí)現(xiàn)樣品消煮、蒸餾、滴定等過(guò)程全自動(dòng)化控制。FOSS Kjeltec 8400型全自動(dòng)凱氏定氮儀應(yīng)用高精度顏色傳感器和智能化程序控制判斷滴定終點(diǎn)，可自動(dòng)完成加水、加酸、加堿、蒸餾、滴定、滴定杯清洗、消化管排空等步驟。在檢測(cè)過(guò)程中無(wú)需人為干預(yù)，避免了蒸餾、滴定過(guò)程中的人為誤差，整個(gè)過(guò)程只需幾分鐘，大大提高了工作效率。FOSS Kjeltec 8400型全自動(dòng)凱氏定氮儀法在測(cè)定土壤全氮過(guò)程中，主要有3個(gè)過(guò)程：消化分解過(guò)程、堿解蒸餾過(guò)程和標(biāo)準(zhǔn)酸滴定過(guò)程。筆者通過(guò)測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)土樣和耕層土樣中的全氮，進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，分析了2種方法的精密度和準(zhǔn)確度，旨為采用FOSS Kjeltec 8400全自動(dòng)定氮儀測(cè)定土壤全氮含量提供數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)樣品

土壤樣品：采自北京市各區(qū)縣耕層土壤，樣品數(shù)量為10個(gè)，采樣深度為0~20 cm。采集的土壤樣品平鋪于樣品盤(pán)，去除殘根、石塊等雜物，室溫（25℃左右）條件下自然風(fēng)干。風(fēng)干后的土壤樣品平鋪在制樣板上，剔除雜物，用木棍碾壓、研磨，過(guò)0.25 mm篩，用于土壤全氮測(cè)定。

標(biāo)準(zhǔn)土樣：選取廣州廣電計(jì)量檢測(cè)股份有限公司研制的農(nóng)用地土壤有效態(tài)成分參比物質(zhì)（編號(hào)為SAS-1、SAS-2、SAS-3）。

1.2 主要儀器與試劑

全自動(dòng)凱氏定氮儀：Kjeltec 8400型，瑞士FOSS公司；凱氏定氮管：250mL，瑞士FOSS公司；電子天平：ME104型，感量為0.000 1 g，瑞士梅特勒公司；電熱消解儀：DigiBlock EHD 20型，北京萊伯泰科有限公司。試驗(yàn)所用試劑均為分析純。試驗(yàn)用水為去離子水。

氫氧化鈉溶液[c(NaOH)=10 mol·L]：稱(chēng)取400 g氫氧化鈉，溶解于少量水中，移入1 L容量瓶中，加水至刻度，搖勻。

硫酸標(biāo)準(zhǔn)溶液[c(1/2 HSO)=0.02 mol·L]：吸取15.0 mL硫酸慢慢注入到400 mL水中，混勻，冷卻后轉(zhuǎn)移入1 L容量瓶中，用水稀釋至刻度，混勻，即得硫酸標(biāo)準(zhǔn)溶液[c(1/2 HSO)=1.0 mol·L]。吸取硫酸標(biāo)準(zhǔn)溶液[c(1/2 HSO)=1.0 mol·L]20.0 mL，用1 L容量瓶稀釋至刻度，即得硫酸標(biāo)準(zhǔn)溶液[c(1/2 HSO)=0.02 mol·L]。

硫酸標(biāo)準(zhǔn)溶液標(biāo)定：準(zhǔn)確稱(chēng)取已在250℃干燥4 h的基準(zhǔn)無(wú)水碳酸鈉，置于250 mL錐形瓶中，加50 mL水溶解，再加2滴甲基紅指示劑，用硫酸溶液滴定至紅色剛出現(xiàn)，小心煮沸至紅色褪去，冷卻至室溫；繼續(xù)滴定、煮沸、冷卻，直至剛出現(xiàn)的微紅色再加熱時(shí)不褪色為止。以滴定用去硫酸溶液實(shí)際體積計(jì)算出硫酸標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液濃度。

混合指示劑：稱(chēng)取0.5 g溴甲基綠和0.1 g甲基紅溶解于100 mL的95%乙醇中。

硼酸-指示劑混合溶液：硼酸質(zhì)量濃度為10 g·L。將10g硼酸溶于950 mL蒸餾水中，加入20 mL的混合指示劑，充分混合后，滴加氫氧化鈉溶液[c(NaOH)=0.1 mol·L]，直至溶液呈紫紅色（pH值為4.5），稀釋定容1 L。

1.3 樣品處理

準(zhǔn)確稱(chēng)取1.000 0 g土壤樣品于干燥的消煮管底部，每個(gè)樣品3次重復(fù)。消煮管中加入2 g催化劑（KSO∶CuSO∶Se=100∶10∶1）和5 mL濃硫酸，混勻。將消煮管置于已設(shè)定好溫度的電熱消解儀上。在150℃下加熱10 min，350℃下加熱10 min，420℃下加熱60 min，直至消煮液變?yōu)榛野咨蛏詭ЬG色的澄清溶液。待消煮液冷卻后，分別進(jìn)行半微量開(kāi)氏法測(cè)定和Kjeltec 8400全自動(dòng)凱氏定氮儀法蒸餾滴定。

1.4 半微量開(kāi)氏法測(cè)定方法

按國(guó)標(biāo)NY/T 53-1987《土壤全氮測(cè)定法》進(jìn)行測(cè)定。在消煮液冷卻后，用30 mL去離子水定量全部轉(zhuǎn)入蒸餾器內(nèi)。在150 mL錐形瓶中，加入5 mL硼酸-指示劑混合液，放在冷凝管末端，管口置于硼酸液面上3~4 cm處。向蒸餾室內(nèi)緩慢加入20 mL濃度為10 mol·L的氫氧化鈉溶液，通入蒸汽蒸餾，待餾出液體積約50 mL時(shí)，停止蒸餾，用硫酸標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定餾出液至顏色由藍(lán)綠色剛變?yōu)榧t紫色，記錄所用標(biāo)準(zhǔn)酸體積（mL）。設(shè)置2個(gè)空白。

1.5 Kjeltec 8400全自動(dòng)凱氏定氮儀測(cè)定方法

1.5.1 儀器工作條件 配置滴定儀，設(shè)置工作參數(shù)為：加水20 mL、氫氧化鈉溶液25 mL、硼酸-指示劑混合溶液25 mL，在滴定劑桶中加入已標(biāo)定的0.02 mol·L的硫酸標(biāo)準(zhǔn)溶液。

1.5.2 操作步驟 使用Kjeltec 8400全自動(dòng)凱氏定氮儀進(jìn)行蒸餾測(cè)定。打開(kāi)全自動(dòng)凱氏定氮儀和酸滴定儀，接好冷凝進(jìn)水管和氫氧化鈉溶液進(jìn)水管。按啟動(dòng)開(kāi)關(guān)鍵后，開(kāi)始進(jìn)行蒸餾滴定，設(shè)置2個(gè)空白，儀器測(cè)定的2次空白值相差＜0.05 mL開(kāi)始樣品測(cè)定。

根據(jù)以下公式計(jì)算土壤中全氮（N）含量，以質(zhì)量分?jǐn)?shù)w計(jì)，數(shù)值以百分?jǐn)?shù)（%）表示。

式中，為酸標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液濃度，單位為摩爾每升（mol·L）；為滴定試樣溶液所消耗的酸標(biāo)準(zhǔn)滴定液體積，單位為毫升（mL）；為滴定空白溶液所消耗的酸標(biāo)準(zhǔn)滴定液體積，單位為毫升（mL）；0.014為

N的摩爾質(zhì)量，單位為千克每摩爾（kg·mol）；m為

風(fēng)干試樣質(zhì)量，單位為克（g）；f為干試樣吸濕水含量，單位為百分率（%）。

1.6 統(tǒng)計(jì)分析

每個(gè)土壤樣品均重復(fù)測(cè)定3次，全氮含量以氮元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示。3次測(cè)量值X的算術(shù)平均值為土樣全氮的估計(jì)值，即測(cè)定結(jié)果。測(cè)定結(jié)果中的允許絕對(duì)偏差按照標(biāo)準(zhǔn)NY/T 1121.24—2012《土壤檢測(cè)第24部分：土壤全氮的測(cè)定自動(dòng)定氮儀法》執(zhí)行，標(biāo)準(zhǔn)偏差采用Excel中公式計(jì)算，RSD值為標(biāo)準(zhǔn)偏差與算術(shù)平均值的比值。采用SPSS軟件分析工具庫(kù)的配對(duì)樣品t檢驗(yàn)，進(jìn)行2種方法的差異性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 2種方法測(cè)定土樣全氮結(jié)果比較

2.1.1 2種方法測(cè)定耕層土壤全氮結(jié)果相關(guān)性分別用半微量開(kāi)氏法和FOSS Kjeltec 8400全自動(dòng)定氮儀法測(cè)定10份耕層土壤樣品，以半微量開(kāi)氏法測(cè)定結(jié)果為橫坐標(biāo)(x)、FOSS Kjeltec 8400全自動(dòng)定氮儀法測(cè)定結(jié)果為縱坐標(biāo)(y)進(jìn)行線(xiàn)性回歸。由圖1可知，線(xiàn)性回歸方程為=0.990 9+0.000 9，相關(guān)系數(shù)為0.999 8，表明2種方法測(cè)定結(jié)果之間呈極顯著相關(guān)。

圖1 半微量開(kāi)氏法和FOSS Kjeltec 8400全自動(dòng)定氮儀法耕層土樣全氮測(cè)定結(jié)果相關(guān)性

表1為半微量開(kāi)氏法和FOSS Kjeltec 8400全自動(dòng)定氮儀法測(cè)定10份耕層土壤樣品中全氮含量的t檢驗(yàn)結(jié)果。由表1可知，2種分析方法測(cè)定平均值分別為0.162 8%，0.162 2%；t檢驗(yàn)結(jié)果表明，雙尾檢驗(yàn)＞0.05，表明2種方法測(cè)定結(jié)果沒(méi)有明顯差異。

2.1.2 2種方法測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)土樣全氮結(jié)果相關(guān)性分別用半微量開(kāi)氏法和FOSS Kjeltec 8400全自動(dòng)定氮儀法測(cè)定3份標(biāo)準(zhǔn)土壤樣品，以半微量開(kāi)氏法測(cè)定結(jié)果為橫坐標(biāo)(x)、FOSS Kjeltec 8400全自動(dòng)定氮儀法測(cè)定結(jié)果為縱坐標(biāo)(y)進(jìn)行線(xiàn)性回歸。由圖2可知，線(xiàn)性回歸方程為=0.992 8+0.000 3，相關(guān)系數(shù)為0.999 7，表明2種方法測(cè)定結(jié)果之間呈極顯著相關(guān)。

表1 配對(duì)樣品t檢驗(yàn)

圖2 半微量開(kāi)氏法和FOSS Kjeltec 8400全自動(dòng)定氮儀法標(biāo)準(zhǔn)土樣全氮測(cè)定結(jié)果相關(guān)性

表2為半微量開(kāi)氏法和FOSS Kjeltec 8400全自動(dòng)定氮儀法測(cè)定3份標(biāo)準(zhǔn)土壤樣品中全氮含量的t檢驗(yàn)結(jié)果。由表2可知，2種分析方法測(cè)定平均值分別為0.100 4%，0.100 0%；t檢驗(yàn)結(jié)果表明，雙尾檢驗(yàn)＞0.05，表明2種方法測(cè)定結(jié)果沒(méi)有明顯差異。

表2 配對(duì)樣品t檢驗(yàn)

2.2 精密度試驗(yàn)

表3和表4分別為半微量開(kāi)氏法和FOSS Kjeltec 8400全自動(dòng)定氮儀法測(cè)定耕層土樣全氮的結(jié)果。結(jié)果顯示，半微量開(kāi)氏法和FOSS Kjeltec 8400全自動(dòng)定氮儀法測(cè)定的耕層土樣全氮含量的標(biāo)準(zhǔn)偏差分別在0.001 0%~0.003 2%，0.001 2%~0.002 1%之間。每個(gè)樣品平行間的誤差均在誤差允許范圍內(nèi)，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）均小于5%，說(shuō)明2種方法測(cè)定的土壤全氮精密度較高，穩(wěn)定性較好。與半微量開(kāi)氏法相比，F(xiàn)OSS Kjeltec 8400全自動(dòng)定氮儀法測(cè)定結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差較小。

表3 半微量開(kāi)氏法測(cè)定土壤全氮結(jié)果精密度 %

表4 FOSS Kjeltec 8400全自動(dòng)定氮儀法測(cè)定土壤全氮結(jié)果精密度 %

2.3 準(zhǔn)確度試驗(yàn)

分別用半微量開(kāi)氏法和FOSS Kjeltec 8400全自動(dòng)定氮儀法測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)土樣SAS-1、SAS-2、SAS-3中的全氮含量，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)土樣平行測(cè)定3次，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表5和表6。2種方法測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)土樣全氮含量均在參比物質(zhì)量值范圍內(nèi)，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于5%，說(shuō)明2種方法的準(zhǔn)確度較好。與半微量開(kāi)氏法相比，F(xiàn)OSS Kjeltec 8400全自動(dòng)定氮儀法測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)土樣全氮含量均值更接近參比物質(zhì)量值，且相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差較小。

表5 半微量開(kāi)氏法測(cè)定土壤全氮結(jié)果準(zhǔn)確度 %

表6 FOSS Kjeltec 8400全自動(dòng)定氮儀法測(cè)定土壤全氮結(jié)果準(zhǔn)確度 %

3 結(jié)論與討論

半微量開(kāi)氏法是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法，由于制定時(shí)間較早，操作過(guò)程復(fù)雜，在滴定過(guò)程中，需要接觸強(qiáng)酸強(qiáng)堿，具有一定的危險(xiǎn)性。人工滴定時(shí)耗費(fèi)人力，且對(duì)終點(diǎn)的判定存在人為誤差。FOSS Kjeltec 8400全自動(dòng)定氮儀測(cè)定過(guò)程中，強(qiáng)酸強(qiáng)堿試劑均在封閉室內(nèi)自動(dòng)加入，降低了危險(xiǎn)性，而且可以提高氨氣吸收的水平，基本不受溫度、壓力等方面的影響，進(jìn)而提高了試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。高精度顏色傳感器使滴定終點(diǎn)更準(zhǔn)確，減少了人為操作誤差。與半微量開(kāi)氏法相比，F(xiàn)OSS Kjeltec 8400全自動(dòng)定氮儀測(cè)定操作簡(jiǎn)便，且具有較高的精確度和準(zhǔn)確度。

應(yīng)用半微量開(kāi)氏法和FOSS Kjeltec 8400全自動(dòng)定氮儀法測(cè)定土樣中全氮含量，2種方法的測(cè)定結(jié)果之間無(wú)明顯差異，且精確度和準(zhǔn)確度都較高，穩(wěn)定性較好，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于5%。2種方法相比，F(xiàn)OSS Kjeltec 8400全自動(dòng)定氮儀具有較高安全性，而且操作簡(jiǎn)便，能夠降低勞動(dòng)強(qiáng)度，減少操作風(fēng)險(xiǎn)和人為誤差，適合大批量土壤樣品全氮的測(cè)定。