氫氧化鈉熔融法測定土壤全磷的優(yōu)化

李小涵，董昭蕓，惠曉麗，彭蘭芳，左瑜平，劉金山，王朝輝

（西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西北植物營養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室，陜西 楊凌712100）

磷是植物生長發(fā)育必需的營養(yǎng)元素，對提高作物產(chǎn)量和降低病蟲害有重要作用。土壤肥力研究中，通常采用全磷作為評價土壤磷庫大小的指標[1]。在礦物風化和土壤發(fā)育過程中，磷能被釋放出來并被植物吸收，也會被土壤礦質(zhì)或有機物重新吸附固定，以不溶解或緩慢溶解的形式沉積。通常情況下，土壤中只有一小部分磷以水溶的有效態(tài)存在，而90%的磷以吸附或固定的形態(tài)存在。吸附態(tài)的磷主要是磷酸鹽礦物和腐殖質(zhì)磷，以及鈣、鐵和鋁的磷酸鹽，或由膠體氧化物和硅酸鹽礦物固定的磷酸鹽[2]。了解和掌握土壤全磷狀況，可為土壤分類、土地資源開發(fā)利用、土壤改良和合理施肥等提供科學(xué)依據(jù)。因此，精準、快捷地測定土壤全磷具有重要的意義。

土壤全磷測定過程中的消解方法主要有酸溶和堿熔。單獨使用硝酸、高氯酸[3]或硫酸[4]消解土壤均不能完全提取所有形態(tài)的磷，只有將幾種酸混合或添加氫氟酸[5]才能確保破壞包裹磷礦物的硅酸鹽[6]。相對于酸溶，堿熔法可精確地測定土壤中所有形態(tài)的磷[7]。由于碳酸鈉熔點高（850 ℃），消解需在900～920 ℃條件下才能完成[8-9]，因而較少使用。氫氧化鈉是一種非常有效的黏土礦物和硅酸鹽分解劑[10]，且有較低的熔點，因能同時完成土壤全磷及全鉀的測定[9]而被廣泛應(yīng)用[10]。然而，現(xiàn)有的實驗方法論著中對于氫氧化鈉熔融法的描述，尤其是關(guān)于熔融溫度、溶解酸度及溶解液中磷測試方法的表述都過于簡單，同時對不同儀器測試結(jié)果的比較尚無報道。針對這些問題，本研究采集我國不同地區(qū)的田間土樣，深入研究了氫氧化鈉熔融測定土壤全磷溶解的步驟和條件，對比了比色法與光譜法測試結(jié)果的差異，以期為優(yōu)化土壤全磷測定方法，提高測試精準度，保護與提升耕地質(zhì)量提供支撐。

1 材料與方法

1.1 土壤樣品采集與理化性質(zhì)分析

土樣采自我國7個省區(qū)農(nóng)田0～20 cm的表層土壤（表1），土壤樣品風干后過20 目和100 目篩用于各種指標的測定。土壤質(zhì)地采用吸管法（HJ 1068—2019）測定，pH 值采用電位法測定，有機質(zhì)采用重鉻酸鉀（濃硫酸）氧化-外加熱法測定，速效氮（硝態(tài)氮+銨態(tài)氮）采用1 mol·L-1KCl浸提-流動分析儀測定，速效磷采用0.5 mol·L-1NaHCO3溶液浸提-鉬銻抗比色法測定，速效鉀采用1 mol·L-1NH4OAc 提取-火焰光度法測定。

表1 7種土壤的基本理化性狀Table 1 Basic physical and chemical properties of seven soils sampled

1.2 實驗方法

1.2.1 土壤全磷待測溶液制備

用萬分之一天平分別稱取7 種土壤（0.250 0±0.000 9）g，放入鎳坩堝，5次重復(fù)。攤平土面加入3～5滴無水乙醇潤濕，稱2.00 g氫氧化鈉覆于土面，將坩堝放入馬弗爐，溫度升到400 ℃保持30 min，隨后升至設(shè)置溫度（見1.2.2），繼續(xù)保持15 min。冷卻取出，加入10 mL 去離子水靜置過夜后移至50 mL 容量瓶，再用25 mL 去離子水清洗坩堝無損轉(zhuǎn)移，加入一定體積酸（見1.2.3）后，反復(fù)搖晃容量瓶直至樣品全部熔解并無氣泡后用水定容。搖勻后定量濾紙過濾，濾液收集備用。此時，待測溶液中H+濃度均為0.1 mol·L-1。

1.2.2 堿熔溫度

設(shè)置4 種熔融溫度，分別為450、550、650 ℃和750 ℃。7 種土樣，每種土樣各稱20 份，每5 份為一個熔融溫度。

1.2.3 溶解酸的類型與用量

酸的種類有3 種，分別為濃硫酸、濃硝酸和濃鹽酸。7 種土樣，每種土樣各稱15 份，相同溫度下熔融后，每5 份加入同一種酸，濃硫酸1.53 mL、濃硝酸3.43 mL、濃鹽酸4.72 mL。

1.2.4 顯色溶液酸度設(shè)置

設(shè)置10 種顯色溶液H+濃度，通過顯色試劑酸度調(diào)節(jié)，最終使顯色液酸度分別為0.24、0.30、0.36、0.42、0.47、0.53、0.59、0.65、0.70、0.76 mol·L-1。

1.2.5 待測液的制備

制備好的土壤溶液一分為二：一份直接上流動分析儀測定，標準溶液磷濃度分別為0、1、2、3、4、5、6、8、10 mg·L-1；另外一份用超純水稀釋10 倍以降低基體干擾，用電感耦合等離子體光譜儀測定，標準溶液磷濃度分別為0、0.1、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mg·L-1。

1.3 儀器及工作條件

電感耦合等離子體光譜儀（ICP-OES，德國，ARCOS）：CCD檢測器，焦距0.75 m，光譜范圍為130～770 nm，其具體工作條件見表2。

表2 ICP-OES工作條件Table 2 Working conditions of the ICP-OES

流動分析儀（AA3，德國，SEAL）：顯色波長660 nm，進樣速率為每小時50個樣，進樣∶清洗=5∶1。

1.4 統(tǒng)計分析

采用Excel 2010 和SPSS Statistics 19.0 對試驗數(shù)據(jù)進行處理和統(tǒng)計分析，采用Excel 2010和R 4.2.1的ggplot2 繪圖包繪制圖片，采用Adobe Illustrator 2020進行圖片組合與調(diào)整，用Duncan 法對不同處理的數(shù)據(jù)進行差異顯著性檢驗（n=5，P＜0.05 表示處理間差異顯著）。

2 結(jié)果與討論

2.1 熔融溫度優(yōu)化

將7 種土壤分別在450、550、650 ℃和750 ℃條件下于馬弗爐中堿熔。結(jié)果（圖1）顯示，450 ℃堿熔的土壤測得的土壤全磷含量最高，較750 ℃堿熔土壤測得的全磷結(jié)果顯著高出10.62%～20.90%?？梢?，并非溫度越高熔解的效果越好，采用450 ℃熔融土壤即可。

圖1 不同熔融溫度條件下測定的土壤全磷含量Figure 1 Soil total phosphorus contents measured at different melting temperatures

熔融的目的是充分而有效地分解土壤礦物，確保要測定的物質(zhì)完全釋放出來。在氫氧化鈉熔融土壤全磷時，較早的方法是將樣品放在本生燈上熔解10 min[11]，隨著馬弗爐的應(yīng)用，溫度的概念逐漸顯現(xiàn)，《土壤 總磷的測定 堿熔-鉬銻抗分光光度法》（HJ 632—2011）中要求加熱溫度升溫到640 ℃并保持15 min，《土壤全磷測定法》（NY/T 88—1988）則是規(guī)定逐段加熱至720 ℃并保持15 min。為了避免熔解不完全，目前普遍采用馬弗爐升溫至720 ℃熔融。

氫氧化鈉熔點為325 ℃，隨著爐溫增加，氫氧化鈉逐漸熔解、沸騰。在升溫過程中先要在420 ℃預(yù)熱15 min，然后再升溫至720 ℃[12]，目的是通過逐步升溫緩慢脫水，避免迅速高溫激烈脫水造成樣品濺跳[9]。然而在操作過程中發(fā)現(xiàn)，即使先持續(xù)30 min，再溫度升到550、650 ℃也無法完全脫水，只有在溫度升到750 ℃時，堿熔的土壤表面才表現(xiàn)為淡綠色、脫水完全。Carter認為，當溫度高于400 ℃時會引起磷揮發(fā)損失[13]，且隨著溫度增加，損失逐漸加大。這可能是本研究中發(fā)現(xiàn)750 ℃堿熔時測得的土壤全磷含量最低的原因。因此，用氫氧化鈉熔融土壤時，溫度達到450 ℃即可。馬弗爐雖然升溫快，但降溫慢、所用時間長。在450 ℃的較低溫度下達到同樣的熔融效果可提高實驗效率，解決大批量樣品快速熔融的問題。

2.2 溶解熔融土壤的酸類型優(yōu)化

本研究選用硫酸、鹽酸和硝酸溶解熔融樣品，并分別用流動分析儀（比色法）和ICP-OES（光譜法）進行測定。結(jié)果顯示：比色法測定時，1～6號土壤硫酸溶解的堿熔樣品全磷含量顯著高于鹽酸和硝酸溶解的土壤全磷含量（圖2a），7號土壤三者差異不顯著；光譜法測定結(jié)果則是1～6號土壤的鹽酸溶解樣品全磷含量高于硝酸溶解的樣品，并與硫酸溶解的結(jié)果接近（圖2b），且1、3、5號土壤鹽酸與硝酸溶解樣品的全磷含量差異達到顯著水平，7 號土壤鹽酸與硝酸溶解樣品的全磷含量無顯著差異，但均顯著高于硫酸溶解樣品。

圖2 3種酸溶解的土壤樣品用不同儀器測定的全磷含量Figure 2 Soil total phosphorus contents measured with different instruments for samples melted with three melting acids

氫氧化鈉熔融土壤樣品時，OH-取代了土壤固定或吸附的磷酸根，使其變得可溶解[14]。因此，氫氧化鈉熔融的樣品，需要加入一定濃度的酸進行溶解[9，13]，以使被堿破壞的土壤固定或吸附的磷全部釋放出來，并使大部分硅酸脫水、沉淀，經(jīng)過濾后降低測試干擾[9]，再進行比色測定。若能用硝酸或鹽酸進行溶解，不僅能拓寬測定儀器的選擇范圍，還能完成除磷、鉀元素外其他多種元素的同時測定，提高測試效率。但關(guān)于溶解熔融土壤所用酸的類型，勞家檉[9]認為只能用硫酸，不能用其他酸處理，且鮑士旦[12]也僅提到了硫酸。

本研究表明，溶解熔融土壤所用酸的類型應(yīng)因儀器不同而異，用比色法測定溶解液中的磷時采用硫酸效果好，用光譜法測定溶解液中的磷時鹽酸效果好?？梢姡犷惒煌?，溶液的黏度、比重及表面張力各異。鹽酸有較小的黏度、比重及表面張力，有利于待測溶液的霧化、降低霧滴粒徑、提高氣溶膠的傳輸速度并使溶劑蒸發(fā)，最終促進待測成分形成等離子體進行測定，因此光譜法測定時用鹽酸效果好。另外，鹽酸具有較強的揮發(fā)性，會造成顯色液酸度不穩(wěn)定；而硫酸不揮發(fā)，因此在顯色過程中相對穩(wěn)定。

2.3 磷的比色過程中顯色液酸度的優(yōu)化

實驗設(shè)置0.24～0.76 mol·L-110 個顯色溶液酸度進行比色測定，結(jié)果顯示，同一土壤在不同顯色液酸度條件下，獲得的結(jié)果各有差異（圖3）。1 號土樣的顯色液酸度在0.53～0.59 mol·L-1，2 號土樣在0.42～0.59 mol·L-1，3 號土樣在0.47～0.65 mol·L-1，4 號土樣在0.42～0.59 mol·L-1，5 號土樣在0.36～0.65 mol·L-1，6號土樣在0.42～0.65 mol·L-1，7 號土樣在0.42～0.65 mol·L-1范圍內(nèi)時，各酸度之間測定結(jié)果穩(wěn)定且差異不顯著。7種土樣的結(jié)果顯示，顯色液在0.53 mol·L-1和0.59 mol·L-1時，測定的全磷含量差異均不顯著。熔融后的7 種土壤樣品用硫酸溶解時，在不同酸度下比色測定的結(jié)果與鹽酸溶解光譜測定結(jié)果進行比較顯示（圖3）：當顯色液酸度為0.53 mol·L-1和0.59 mol·L-1時，1～6 號土壤比色法測定的結(jié)果均與光譜法測定結(jié)果無顯著差異，不同酸度下7 號土壤比色法測定的結(jié)果均顯著高于光譜法測定結(jié)果，酸度在0.53 mol·L-1和0.59 mol·L-1時，兩方法測定的差異也明顯小于其他酸度，這可能與7 號土壤全磷含量較高有關(guān)。對高磷含量的土壤采用比色法測定時，應(yīng)適當減少稱樣量。

圖3 顯色液酸度與土壤全磷含量測定結(jié)果的關(guān)系Figure 3 Relationship between soil total phosphorus contents and the colorimetric solution acidity

在鉬銻抗比色法中，待測溶液中的磷酸鹽和鉬酸鹽經(jīng)硫酸酸化，形成藍色的12-磷鉬酸[15]，可用于含磷量較低的土壤樣品測定[16]。酒石酸銻鉀[17]的存在可加速顯色反應(yīng)，產(chǎn)生的銻（Ⅴ）隨后被抗壞血酸還原[18]。因此，溶液中酸的濃度是鉬銻抗顯色的限定因素。關(guān)于顯色液的酸度，Going 等[15]推薦酸度為0.11～0.99 mol·L-1，鮑士旦[12]推薦為0.35～0.55 mol·L-1，勞家檉[9]認為0.45～0.65 mol·L-1較為合適，Drummond 等[19]認為最佳顏色形成酸度為0.09～0.44 mol·L-1。本研究中，顯色溶液酸度越高生成的藍色越淺，且同一待測液測得的磷含量會顯著降低（圖3），顯色液酸度為0.24～0.42 mol·L-1時，7 種土壤的全磷比色法的測定結(jié)果顯著高于ICP-OES 測定結(jié)果，顯色酸度在0.53、0.59 mol·L-1時，1～6號土壤樣品測得的磷含量與ICPOES測定結(jié)果差異不顯著，在0.65、0.70 mol·L-1時，又呈現(xiàn)出高于ICP-OES 測定結(jié)果的趨勢。兩種測定方法比較的結(jié)果說明，比色法測定土壤全磷適合的溶液酸度為0.53～0.59 mol·L-1。

3 結(jié)論

（1）氫氧化鈉熔融土壤測定全磷，熔解溫度在450 ℃為宜，過高的溫度不僅影響熔解效率，還會造成全磷損失，導(dǎo)致結(jié)果偏低。

（2）溶解堿熔樣品的酸的類型選擇因待測液中磷的測定方法而異。在采用比色法測定全磷時，應(yīng)選擇硫酸溶解；用光譜法測定全磷時，鹽酸溶解的樣品效果好。

（3）用比色法測定全磷時，顯色液酸度對結(jié)果存在顯著影響。0.53～0.59 mol·L-1的顯色液酸度適合不同pH土壤的全磷含量測定。