凱氏定氮儀快速測定山區(qū)農(nóng)用地土壤全氮含量

趙娜娜 , 王帥飛 , 劉楠華 , 李影影 , 施婭穎 ， 申扎根

(1.河南省有色金屬地質(zhì)勘查總院 , 河南 鄭州 450052 ; 2.河南省有色金屬深部找礦勘查技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 , 河南 鄭州 450052 ; 3.河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局 中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所 綠色土地工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 , 河南 鄭州 450052)

0 前言

植物生長所吸收的氮中有30%～60%來自土壤，可見土壤中的氮含量對作物營養(yǎng)的重要作用[1]。山區(qū)地形復(fù)雜，在農(nóng)用地中，常常采用全氮含量作為土壤氮素豐缺指標(biāo)[2]。為了了解土壤氮素含量并使土壤保持肥力，定期測定農(nóng)用地土壤氮素含量是十分必要的。測定土壤中元素的方法很多，傳統(tǒng)的測定土壤樣品中全氮的含量是采用經(jīng)典的凱氏定氮法。凱氏定氮法是國家標(biāo)準(zhǔn)方法，雖然不需要復(fù)雜的儀器設(shè)備，但存在步驟多、操作復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)結(jié)果受操作環(huán)節(jié)和人為因素影響大，分析效率低等問題，已不能滿足快速批量測試的要求[1]。而全自動(dòng)凱氏定氮儀具有智能化程序控制，樣品在加速劑的參與下，加入濃硫酸進(jìn)行消解時(shí)，各種含氮有機(jī)化合物，經(jīng)過復(fù)雜的高溫分解反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮，堿化后蒸餾出來的氨用硼酸吸收，以酸標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定，計(jì)算土壤的含氮量,可自動(dòng)打印輸出結(jié)果，全程無需人為干預(yù)，從而大大提高了工作效率[3-4]。筆者對消解過程和堿蒸餾過程進(jìn)行條件優(yōu)化，改善了加速劑用量和稱樣樣品包裹方式，目的是可以大批量高效測定含氮量不高的山區(qū)農(nóng)用地土壤中全氮含量。

1 儀器與試劑

儀器：海能K1160全自動(dòng)定氮儀、石墨消解儀、天平(感量0.1 mg)。

試劑：氫氧化鈉溶液400 g/L；硼酸溶液20 g/L；鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液0.010 0 mol/L；混合加速劑[m(硫酸鉀)∶m(硫酸銅)=10∶1]；甲基紅-溴甲酚綠指示劑[0.1 g甲基紅+0.5 g溴甲酚綠/(500 g乙醇)]；硼酸-指示劑混合液[1 mL甲基紅-溴甲酚綠指示劑/(100 mL硼酸溶液)]。實(shí)驗(yàn)中用到的試劑，均為優(yōu)級純或分析純；實(shí)驗(yàn)用水為無氨蒸餾水。

土壤標(biāo)準(zhǔn)參考樣GBW07401a、GBW07402a、GBW07403a、GBW07405a、GBW07407a，均為地礦部物化探研究所研制。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 取樣

實(shí)驗(yàn)樣品均來自地球化學(xué)調(diào)查樣品洛陽伊川、郟縣“兩綠一特”試驗(yàn)地、信陽羅山等農(nóng)用地土壤。將土壤樣品進(jìn)行烘干、研磨、過篩(0.25 mm)、標(biāo)記和裝袋密封處理。準(zhǔn)確稱取土壤樣品1.000 0 g左右，用無氮稱量紙完全包裹折疊后，小心放入消解管底部，分別加入硫酸銅-硫酸鉀加速劑2 g和濃硫酸5 mL，蓋上彎頸漏斗。

2.2 消解

將樣品置于石墨消解儀上消解，直至消解管內(nèi)溶液為顏色較淺的藍(lán)綠色或灰白色。消解完畢后，取下消解管冷卻至室溫，置于全自動(dòng)定氮儀上待蒸餾。每批次隨同做兩個(gè)試劑空白試驗(yàn)。

2.3 條件設(shè)置

工作條件和實(shí)驗(yàn)條件：20 mL硼酸-指示劑混合液，30 mL水和25 mL氫氧化鈉溶液，蒸汽流量100%，自動(dòng)滴定并計(jì)算結(jié)果，打印測試結(jié)果。

3 結(jié)果與分析

3.1 儀器條件優(yōu)化

3.1.1土壤樣品消解最佳溫度

實(shí)驗(yàn)采用全自動(dòng)凱氏定氮儀配套的石墨消解儀，保溫性能好且溫度可控。將消解管輕放在石墨消解儀上進(jìn)行消解。消解過程中，加入的2.0 g催化劑和5 mL濃硫酸足夠讓土壤樣品反應(yīng)充分[4]。本實(shí)驗(yàn)消解過程采用直線升溫模式，選取4個(gè)不同土壤標(biāo)準(zhǔn)樣品及2個(gè)農(nóng)用地采樣土壤樣品，分別設(shè)定4個(gè)不同溫度的爐溫梯度350、400、420、450 ℃，消解保持時(shí)間為80 min進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，從而選出最佳消解爐溫溫度。

實(shí)驗(yàn)測定結(jié)果見表1(n=5)。從測試結(jié)果數(shù)據(jù)來看，在350～420 ℃，隨著消解爐溫的不斷升高，數(shù)據(jù)值也在明顯升高，但當(dāng)消解爐溫上升至450 ℃時(shí)，測定值反而呈現(xiàn)下降態(tài)勢。

表1 不同消解爐溫溫度下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：爐溫在420 ℃時(shí)測定值與標(biāo)準(zhǔn)值的偏差在不確定度范圍內(nèi)，可以說明最佳測定爐溫溫度為420 ℃。

3.1.2堿液加入量的探討優(yōu)化

加入濃度400 g/L NaOH堿液，加入后消解管內(nèi)溶液顏色會(huì)變?yōu)闇啙岷谏aOH加入量如果太大，容易消耗試劑用量；加入量如果太小，會(huì)導(dǎo)致無法完全中和加入的濃硫酸，最后實(shí)驗(yàn)測得數(shù)據(jù)就會(huì)存在誤差。當(dāng)前普遍認(rèn)為堿液加入量約為加入濃硫酸量的4倍為宜，因此NaOH溶液加入量為20～25 mL比較合理，本實(shí)驗(yàn)考慮堿液輸入管管道滯留誤差，故均采用25 mL堿液加入量[5]。

3.1.3土壤樣品蒸餾時(shí)間優(yōu)化

在NaOH加入量充足的前提下，蒸餾時(shí)間長短決定了氮是否能夠完全蒸出和批量生產(chǎn)時(shí)間的長短。本實(shí)驗(yàn)分別采用不同蒸餾時(shí)間120、180、240、300 s做比對試驗(yàn)，從而選出土壤樣品最佳蒸餾時(shí)間。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 不同蒸餾時(shí)間的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

結(jié)果表明：蒸餾時(shí)間為120 s時(shí)結(jié)果偏低，表明氮未能完全蒸出，180、240、300 s時(shí)結(jié)果相近，都在標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的不確定度范圍內(nèi)，故確定蒸餾適宜時(shí)間為180 s，以此確定縮短批量生產(chǎn)檢測的最佳蒸餾時(shí)間。

3.2 方法性能評價(jià)

3.2.1準(zhǔn)確度實(shí)驗(yàn)

在優(yōu)化條件下測定系列標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)樣品，看其結(jié)果及準(zhǔn)確度如何。選擇2種標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW07401a和GBW07405a，在消解溫度420 ℃，蒸餾時(shí)間為180 s的優(yōu)化條件下進(jìn)行測試，分別測定7次，計(jì)算測定結(jié)果見表3，結(jié)果均在不確定度范圍內(nèi)，證明優(yōu)化條件下結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

表3 準(zhǔn)確度測定數(shù)據(jù)

3.2.2精密度實(shí)驗(yàn)

在優(yōu)化條件下對標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW07402a、GBW07403a、GBW07405a和GBW07407a均進(jìn)行7次測定，以測量方法的精密度。7組數(shù)據(jù)結(jié)果分析見表4。標(biāo)準(zhǔn)偏差和相對標(biāo)準(zhǔn)偏差，可以看出實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)平行性良好，符合精密度標(biāo)準(zhǔn)要求。并且具有操作簡單、安全性高、節(jié)省人力等優(yōu)點(diǎn)。

表4 精密度測試數(shù)據(jù)

3.2.3與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對比優(yōu)勢

通過本實(shí)驗(yàn)條件優(yōu)化后，對比國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T 1121.24—2012《土壤檢測第24部分：土壤全氮的測定自動(dòng)定氮儀法》標(biāo)準(zhǔn)。本實(shí)驗(yàn)具有的優(yōu)勢：①用無氮稱量紙將土壤樣品全包裹輕放入消解管底部，可以有效避免土壤樣品留滯在消解管的管壁，有效減少誤差，也不會(huì)拖延大批量樣品測試效率。②標(biāo)準(zhǔn)上采用混合加速劑[m(硫酸鉀)∶m(五水合硫酸銅)∶m(硒粉)=100∶10∶1]，硫酸鉀起提高硫酸溶液沸點(diǎn)的作用，五水合硫酸銅起催化劑作用，加速有機(jī)氮的轉(zhuǎn)化，硒粉是一種高效催化劑，用量不宜過多，否則會(huì)引起氮素?fù)p失[6-7]。本實(shí)驗(yàn)的消解過程中未加入1 g硒粉加速劑，僅采用硫酸鉀-五水合硫酸銅加速劑進(jìn)行試驗(yàn)，測試結(jié)果顯示對氮的測定值、準(zhǔn)確度及精密度不影響。對于該農(nóng)用地大批量土壤全氮含量檢測來講，既提高了檢測效率，又節(jié)約了試劑，節(jié)省了資金。

4 結(jié)語

全自動(dòng)凱氏定氮儀簡化了土壤中氮含量測定的步驟，縮短了分析檢測時(shí)間，整個(gè)測定的過程僅需要約6 min，提高了工作效率。山區(qū)農(nóng)用地土壤中含氮量一般為0.1%～0.5%。通過對山區(qū)農(nóng)用地土壤中氮含量條件的優(yōu)化，消解爐溫溫度控制在420 ℃、蒸餾時(shí)間調(diào)整為180 s，減少使用方法標(biāo)準(zhǔn)上1 g硒粉加速劑，采用全包裹稱樣。綜合來看，實(shí)驗(yàn)條件優(yōu)化后的方法，可有效提高檢測效率，節(jié)約試劑和資金，可以采用本方法大批量快速測定農(nóng)用地土壤氮的含量,為科學(xué)合理施肥提供技術(shù)支持。