有機(jī)肥料總氮含量的測(cè)定方法研究

王卓，郭全恩，展宗冰，曹詩瑜

摘要：氮作為有機(jī)肥料養(yǎng)分的重要來源，其含量是評(píng)價(jià)有機(jī)肥料質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)。為了給有機(jī)肥料總氮含量的測(cè)定提供快速且精確的測(cè)定方法。選擇了6個(gè)有機(jī)肥料樣品，用H2SO4-H2O2消煮，分別用連續(xù)流動(dòng)注射分析儀和半自動(dòng)凱氏定氮儀測(cè)定消煮液中的全氮含量，以探討不同方法快速而精確地測(cè)定有機(jī)肥料總氮含量的可行性。結(jié)果表明，利用連續(xù)流動(dòng)注射分析儀和半自動(dòng)凱氏定氮儀測(cè)定方法的結(jié)果間沒有顯著性差異，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均在5%以下，且連續(xù)流動(dòng)注射分析儀加標(biāo)回收率為97.5%～102.0%。同時(shí)由于連續(xù)流動(dòng)注射分析儀測(cè)定有機(jī)肥料總氮具有快速準(zhǔn)確、試劑用量少的優(yōu)點(diǎn)，適合大批量有機(jī)肥料總氮的測(cè)定分析。

關(guān)鍵詞：連續(xù)流動(dòng)注射分析儀；半自動(dòng)凱氏定氮儀；有機(jī)肥料；總氮；含量；測(cè)定；比較

中圖分類號(hào)：S14-33? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2097-2172（2023）04-0360-05

doi：10.3969/j.issn.2097-2172.2023.04.015

Study on Different Methods for Determining the Total

Nitrogen Content in Organic Fertilizers

WANG Zhuo 1， GUO Quanen 1， ZHAN Zongbing 2， CAO Shiyu 1

（1. Institute of Soil Fertilizer and Water Saving， Gansu Academy of Agricultural Sciences， Lanzhou Gansu 730070， China;

2. Gansu Academy of Agricultural Sciences， Lanzhou Gansu 730070， China）

Abstract： As an important source of organic fertilizer nutrients， nitrogen content is an important index for evaluating the quality of organic fertilizers. In this paper， the purpose is to explore the feasibility of determining the total nitrogen content of organic fertilizers by continuous flow injection analyzer， 6 organic fertilizer samples were selected and digested with H2SO4-H2O2， the contents of total nitrogen in the digests were determined by continuous flow analyzer and semi-automatic kjeldahl nitrogen determination apparatus， respectively. The result showed that no significant difference between the continuous flow analyzer and the semi-automatic kjeldahl nitrogen determination apparatus was detected， relative standard deviation numbers were less than 5%， and the standard recovery rate of the continuous flow analyzer was 97.5% to 102.0%. The flow injection analyzer has the advantages of rapid determination of total nitrogen in organic fertilizer and less reagent consumption， which is suitable for the analysis of total nitrogen in large quantities of organic fertilizer.

Key words： Continuous flow injection analyzer; Semi-automatic kjeldahl nitrogen determination apparatus; Organic fertilizer; Total nitrogen; Content; Determination; Comparison

有機(jī)肥料是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要肥料之一，其來源途徑多樣、組成復(fù)雜、功能全面，既能供給作物營養(yǎng)，又能補(bǔ)充土壤有機(jī)質(zhì)，改良土壤，提高土壤總體肥力水平［1 ］。有機(jī)肥料包括人糞尿、廄肥、堆肥、綠肥、餅肥、沼液肥等。這些肥料主要是動(dòng)物糞尿和植物殘?bào)w等堆積發(fā)酵而成，成分比較復(fù)雜，含有植物所需的各種營養(yǎng)元素和豐富的有機(jī)質(zhì)。有機(jī)肥料不僅能改善土壤結(jié)構(gòu)，增進(jìn)土壤微生物的活動(dòng)，促進(jìn)作物生長(zhǎng)，而且對(duì)減少環(huán)境污染具有不可低估的作用。氮元素含量作為有機(jī)肥料養(yǎng)分的重要來源，研究如何快速精確測(cè)定有機(jī)肥料總氮含量具有十分重要的意義［2 ］。測(cè)定有機(jī)肥料中的含氮量不僅可以計(jì)算肥料的用量，而且能說明有機(jī)肥料在積制過程中養(yǎng)分的變化規(guī)律［3? ］。

有機(jī)肥料中全氮的測(cè)定一般采用凱氏消煮，消煮液可用常量蒸餾或半微量蒸餾滴定，也可以采用擴(kuò)散法和比色法，以及氨電極來測(cè)定其中全氮含量［4 ］。目前農(nóng)業(yè)農(nóng)村部標(biāo)準(zhǔn)NY/T525 — 2021規(guī)定的有機(jī)肥料總氮檢測(cè)方法是用硫酸-過氧化氫消煮，用硼酸溶液吸收，以標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定來計(jì)算樣品中總氮的含量［5 ］。而連續(xù)流動(dòng)注射分析儀則是利用次氯酸-水楊酸比色法原理測(cè)定液體樣品中氨［6 - 7 ］，將復(fù)雜的手工操作簡(jiǎn)化成儀器的自動(dòng)化檢測(cè)，連續(xù)測(cè)試批量樣品，分析速度快，廣泛應(yīng)用于土壤、肥料、水環(huán)境、煙草等行業(yè)［6， 8 - 10 ］。我們采用H2SO4-H2O2消煮樣品，用半自動(dòng)凱氏定氮儀和連續(xù)流動(dòng)注射儀測(cè)定有機(jī)肥料量中的總氮含量，分析比較2種方法的測(cè)定結(jié)果，并通過加標(biāo)回收試驗(yàn)，確定2種方法的回收率，并對(duì)比2種方法的準(zhǔn)確度及精密度，旨在為有機(jī)肥料總氮含量的測(cè)定提供可選擇的快速且精確的方法。

1? ?材料和方法

1.1? ?供試材料

1.1.1? ? 供試肥料? ? 為動(dòng)物糞便堆積發(fā)酵而成的腐熟肥，由甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與節(jié)水農(nóng)業(yè)研究所提供，對(duì)其自然風(fēng)干后過1 mm篩備用。

1.1.2? ? 供試設(shè)備及試劑? ? 供試儀器和設(shè)備為半自動(dòng)凱氏定氮儀［儀器型號(hào)：KDY-9820，回收率（100±1）%］［11 ］、50 mL酸式滴定管、連續(xù)流動(dòng)注射分析儀（儀器型號(hào)san++，精度值：R > 0.999 1，RSD%優(yōu)于1.0%）［6 ］。供試試劑為濃硫酸（ρ=1.84 g/mL）、30%過氧化氫溶液、40%氫氧化鈉溶液、2%硼酸、溴甲酚綠、甲基紅、緩沖溶液［酒石酸鉀鈉33 g、檸檬酸三鈉24 g、蒸餾水1 000 mL、Brij35（30%）3 mL］、水楊酸鈉溶液（氫氧化鈉25 g、水楊酸鈉80 g、蒸餾水1 000 mL）、硝普鈉溶液（硝普鈉1 g、蒸餾水1 000 mL）、二氯異氰尿酸鈉溶液（二氯異氰尿酸鈉2 g、蒸餾水1 000 mL）、取樣器沖洗液（4%硫酸溶液）、1 000 mg/L N標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液（氯化氨3.819 0 g、蒸餾水1 000 mL）、100 mg/L N標(biāo)準(zhǔn)使用溶液（移取10 mL N標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液至100 mL容量瓶中，用蒸餾水稀釋至容器標(biāo)線）。

1.2? ?樣品消煮

按照NY/T525—2021標(biāo)準(zhǔn)，稱取0.500 0 g干燥樣品，送入消煮管中。用少量水潤洗樣品，加入5 mL濃硫酸，搖動(dòng)使硫酸與樣品混勻，瓶口加1個(gè)彎頸小漏斗，靜置過夜。 第2天用可控溫消煮爐加熱，溫度升至210 ℃，保持40 min；升至280 ℃，保持40 min；繼續(xù)升至300 ℃瓶?jī)?nèi)硫酸開始冒白煙后 15 min取下消煮管，稍冷卻。滴加 30% 過氧化氫溶液10～15滴， 不斷搖動(dòng)消煮管， 繼續(xù)加熱10 min， 取下消煮管，稍冷卻。滴加 30% 過氧化氫溶液5～10滴，分次加入，直至溶液呈無色或淡黃色清液，繼續(xù)加熱10 min，除盡多余的過氧化氫。消煮完畢后冷卻，用UP水定容到100 mL。

1.3? ?半自動(dòng)凱氏定氮儀蒸餾滴定測(cè)定總氮

1.3.1? ? 蒸餾滴定操作? ? 吸取定容后的消煮液10.0 mL注入定氮儀消化管，將消化管正確放置在蒸餾架上，加入40%氫氧化鈉溶液15 mL，蒸餾時(shí)長(zhǎng)5 min，在加入2%硼酸-指示劑混合溶液15 mL的三角瓶中收集餾出液。儀器開始蒸餾，蒸餾結(jié)束后取下三角瓶，用0.01 mol/L硫酸標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至餾出液由藍(lán)綠色至剛變?yōu)樽霞t色，記錄所用酸標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積［5 ］。

1.3.2? ? 計(jì)算公式

N=■×100%

式中 ，N為有機(jī)肥料的總氮含量；V1為樣品測(cè)定值消耗標(biāo)準(zhǔn)酸的體積數(shù)（mL） ；V0為空白試驗(yàn)所消耗標(biāo)準(zhǔn)酸的體積數(shù)（mL ）；c為標(biāo)準(zhǔn)酸（H+）的濃度（mol/L ）；14為氮原子的原子質(zhì)量（g/mol）；D為分取倍數(shù)；100為消化液定容體積（mL ）；m為樣品質(zhì)量 （g） ；x0為風(fēng)干試樣含水量的數(shù)值［5 ］。

1.4? ?連續(xù)流動(dòng)注射儀測(cè)定有機(jī)肥料量中的總氮

1.4.1? ? 參數(shù)設(shè)置? ? 樣品時(shí)間40 s，沖洗時(shí)間40 s，空氣時(shí)間1 s。系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)間需要20 min。儀器默認(rèn)設(shè)置基線和漂移校正，自動(dòng)基線參比為 5%；比色濾光片波長(zhǎng)660 nm， 燈強(qiáng)度大于1 000 mV。

1.4.2? ? 標(biāo)準(zhǔn)曲線制作? ? 分別精密吸取0.1、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mL 1 000 mg/L N標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液于100 mL取樣器沖洗液中，然后搖勻，分別測(cè)定其氮濃度，以等量蒸餾水為空白試樣，以氮實(shí)測(cè)濃度為縱坐標(biāo)，氮理論濃度為橫坐標(biāo)，繪制氮標(biāo)準(zhǔn)曲線。

按照參數(shù)設(shè)置對(duì)儀器進(jìn)行設(shè)置，測(cè)得真實(shí)值與N標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度之間進(jìn)行線性回歸，方程為y=1.004x-0.001 6，相關(guān)系數(shù)R2=0.999 2，在0～10 mg/L范圍內(nèi)具有良好的線性關(guān)系。其標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖1。

1.4.3? ? 計(jì)算公式

N=■×100%

式中，N為有機(jī)肥料的總氮含量；C為標(biāo)準(zhǔn)曲線上查得樣品濃度（mg/L）；C0為標(biāo)準(zhǔn)曲線上查得空白試樣濃度（mg/L）；50為樣品定容體積（mL）；t為分取倍數(shù)；100為消化液定容體積（mL）；10-6為將mg換算成g；m為樣品質(zhì)量（g）；x0為風(fēng)干試樣含水量的數(shù)值。

1.5? ?統(tǒng)計(jì)分析

1.5.1? ? 回收率? ? 實(shí)驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)加入法，分別稱取0.500 0 g干燥有機(jī)肥料樣品， 送入消煮管中， 在其中1份加入已知氮濃度的 N標(biāo)準(zhǔn)液， 按照 1.2 設(shè)定條件進(jìn)行消煮。分別利用半自動(dòng)凱氏定氮儀和連續(xù)流動(dòng)注射分析儀測(cè)消煮液氮濃度， 得到樣品氮濃度和檢測(cè)氮濃度， 計(jì)算儀器測(cè)定的氮回收率。

氮回收率=■×100%

1.5.2? ? 重復(fù)性實(shí)驗(yàn)? ? 在相同測(cè)量條件下， 利用半自動(dòng)凱氏定氮儀和連續(xù)流動(dòng)注射分析儀對(duì) 4個(gè)有機(jī)肥料樣品消煮液中全氮含量分別進(jìn)行6次重復(fù)測(cè)量，計(jì)算相對(duì)偏差和標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)偏差。

1.5.3? ? 實(shí)際樣品數(shù)據(jù)? ? 差異顯著性檢驗(yàn)用半自動(dòng)凱氏定氮儀和連續(xù)流動(dòng)注射分析儀測(cè)定6個(gè)有機(jī)肥料樣品消煮液測(cè)定總氮濃度，利用Excel 軟件進(jìn)行成對(duì)雙樣本均值分析及t檢驗(yàn)。

2? ?結(jié)果與分析

2.1? ?回收率實(shí)驗(yàn)

在3個(gè)已知濃度的樣品中分別加入3、4、5 mL濃度為100 mg/L的N標(biāo)準(zhǔn)溶液，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)加入回收實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，半自動(dòng)凱氏定氮儀測(cè)定3個(gè)樣品回收率分別為103.3%、102.5%、104.0%，流動(dòng)注射分析儀測(cè)定3個(gè)樣品回收率分別為100.0%、97.5%、102.0%，回收率結(jié)果滿意（表1）。

2.2? ?重復(fù)性實(shí)驗(yàn)

用半自動(dòng)凱氏定氮儀和連續(xù)流動(dòng)注射分析儀對(duì)4個(gè)有機(jī)肥料料樣品進(jìn)行6次重復(fù)測(cè)定，并計(jì)算相對(duì)偏差和標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)偏差［12 - 13 ］。結(jié)果（表2）表明，半自動(dòng)凱氏定氮儀測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)偏差值為0.011～0.024，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.83%～4.28%，連續(xù)流動(dòng)注射分析儀測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)偏差值為0.012～0.017，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.16%～4.71%。由此可見，半自動(dòng)凱氏定氮儀和連續(xù)流動(dòng)注射分析儀對(duì)4個(gè)有機(jī)肥料料樣品測(cè)定結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于5%，均在合理范圍內(nèi)。

2.3? ?2種方法的差異顯著性實(shí)驗(yàn)

采用半自動(dòng)凱氏定氮儀和連續(xù)流動(dòng)注射分析儀對(duì)6個(gè)有機(jī)肥料樣品進(jìn)行總氮含量的測(cè)定結(jié)果見圖2。半自動(dòng)凱氏定氮儀測(cè)定數(shù)據(jù)為0.25%～1.56%，流動(dòng)注射分析儀測(cè)定數(shù)據(jù)為0.25%～1.50%，平均值分別為0.48%和0.46%。

采用Excel 軟件中分析工具庫 t-檢驗(yàn)， 進(jìn)行成對(duì)雙樣本均值分析（表3），連續(xù)流動(dòng)注射分析儀和半自動(dòng)凱氏定氮儀測(cè)定的有機(jī)肥料全氮均值分別為0.80%和0.82%，t檢驗(yàn)的雙尾P值為0.160（P > 0.05），表明2種方法的測(cè)定結(jié)果無顯著性差異。

3? ?討論與結(jié)論

通過對(duì)連續(xù)流動(dòng)注射分析儀和半自動(dòng)凱氏定氮儀測(cè)定有機(jī)肥料全氮方法比較，表明使用連續(xù)流動(dòng)注射分析儀測(cè)定有機(jī)肥料總氮含量的結(jié)果線性穩(wěn)定，準(zhǔn)確度和精密度均可以滿足分析要求，檢驗(yàn)結(jié)果與行標(biāo)凱氏定氮儀的方法無顯著差異。

凱氏定氮儀測(cè)定有機(jī)肥料中的總氮含量是行標(biāo)方法［5 ］，被廣泛使用。半自動(dòng)凱氏定氮儀對(duì)試劑要求不高，每個(gè)樣品需要15 mL氫氧化鈉、15 mL硼酸溶液，總體試劑用量大。使用半自動(dòng)凱氏定氮儀測(cè)定有機(jī)肥料總氮時(shí)每個(gè)樣品在定氮儀上蒸餾時(shí)間需要5 min，加之人工加樣和滴定的時(shí)間，1個(gè)樣品的測(cè)定時(shí)間最少需要7 min，且由于人工滴定操作容易產(chǎn)生誤差，按8 h/d的工作時(shí)間計(jì)，1 d最多測(cè)定70個(gè)樣品，這還不包括藥品的配制、溶液的標(biāo)定、儀器的清洗時(shí)間。

連續(xù)流動(dòng)注射分析儀測(cè)定有機(jī)肥料總氮1個(gè)樣品需要測(cè)定的時(shí)間為81 s，按8 h/d的工作時(shí)間計(jì)，1 d最多測(cè)定356個(gè)樣品，在工作效率方面優(yōu)于半自動(dòng)凱氏定氮儀法。連續(xù)流動(dòng)注射分析儀的測(cè)定通過預(yù)設(shè)儀器程序操作，減少人為操作的誤差。雖然連續(xù)流動(dòng)注射分析儀對(duì)試劑要求較高，但試劑用量較半自動(dòng)凱氏定氮儀法少。由于連續(xù)流動(dòng)注射分析儀測(cè)定氮的總量時(shí)采用水楊酸比色法，pH直接影響到測(cè)定結(jié)果，故測(cè)定中酸度的控制很重要。

連續(xù)流動(dòng)注射分析儀和凱氏定氮法測(cè)定有機(jī)肥料總氮結(jié)果無顯著差異，且相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均在5%以下。同時(shí)進(jìn)行的回收實(shí)驗(yàn)表明，連續(xù)流動(dòng)注射分析儀加標(biāo)回收率為97.5%～102.0%，表明測(cè)定的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性高。由于連續(xù)流動(dòng)注射分析技術(shù)具有適應(yīng)性廣泛、靈敏度高、檢測(cè)限低，裝置小型、簡(jiǎn)單、操作可靠，自動(dòng)化程度高、分析速度快、分析效率高，試樣和試劑消耗量少等眾多優(yōu)點(diǎn)，目前已在環(huán)境分析、工業(yè)、醫(yī)藥、食品、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。因此認(rèn)為，連續(xù)流動(dòng)注射分析儀測(cè)定有機(jī)肥料總氮具有快速準(zhǔn)確、試劑用量少的優(yōu)點(diǎn)，非常適合大批量有機(jī)肥料總氮含量的測(cè)定分析，適宜現(xiàn)代農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的要求。

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