有機(jī)質(zhì)分析儀檢測土壤中有機(jī)質(zhì)的方法研究

楊茜唐友云郭立君陳實(shí)李海露李微艷吳小丹

(1.湖南省土壤肥料研究所/農(nóng)業(yè)部長江中游平原農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410125；2.湖南產(chǎn)商品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院，湖南 長沙 410000)

土壤有機(jī)質(zhì)是指土壤中含碳的有機(jī)化合物，主要包括土壤中的各種動物、植物殘體，微生物及其分解和合成的各種有機(jī)物。土壤有機(jī)質(zhì)是土壤固相部分的重要組成部分，為土壤微生物活動提供能源，也為植物生長提供所需要的各種營養(yǎng)元素[1]。土壤有機(jī)質(zhì)是評價土壤內(nèi)部性能和肥力的一個重要指標(biāo)，其含量的高低影響著作物的生長狀況和產(chǎn)量[2]。土壤有機(jī)質(zhì)已成為土壤理化分析檢測的重要指標(biāo)之一[3]?，F(xiàn)行土壤有機(jī)質(zhì)的檢測標(biāo)準(zhǔn)使用的是油浴法[4]或沙浴法[5]，油浴法采用的是170～180℃油浴加熱，管內(nèi)溶液沸騰后計(jì)時5±0.5min。實(shí)驗(yàn)室通常使用石蠟油，加熱過程味道刺鼻，造成實(shí)驗(yàn)室空氣污染，溫度波動幅度大不易調(diào)控，消煮管外壁附著油污難以清洗，高溫油浴存在安全隱患。以上標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布使用最長已達(dá)30多年，難以滿足國內(nèi)越來越多農(nóng)田監(jiān)測項(xiàng)目針對實(shí)驗(yàn)室大批量檢測土壤有機(jī)質(zhì)安全、精準(zhǔn)、高效、環(huán)保的要求。國內(nèi)已有部分學(xué)者采用多孔消解器或智能樣品處理器進(jìn)行土壤樣品前處理檢測有機(jī)質(zhì)得到較為滿意的結(jié)果[6，7]。石墨爐消煮-容量法作為一種新型的土壤有機(jī)質(zhì)測定方法，用石墨爐消煮替代了油浴加熱，具有可控性好，穩(wěn)定性高，操作安全、簡便，減少環(huán)境污染的優(yōu)點(diǎn)[8，9]。但現(xiàn)有文獻(xiàn)關(guān)于此方法的使用標(biāo)準(zhǔn)尚未統(tǒng)一[10，11]。本研究采用以石墨爐消煮-容量法為原理研制的全自動土壤有機(jī)質(zhì)分析儀，采用不同時間和溫度處理，得出最適的檢測方法。為實(shí)驗(yàn)室批量檢測提供新思路。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 試驗(yàn)樣品

國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：GBW(E)070335(ASA-14黑龍江黑土)，GBW(E)070336(ASA-15安徽潮土)，GBW(E)070339(ASA-18吉林棕壤)，GBW(E)070341(ASA-20陜西黃綿土)；有機(jī)質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值范圍分別為46±3g·kg-1、12.8±0.8g·kg-1、33±2g·kg-1、3.5±0.5g·kg-1，由農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測所、津標(biāo)(天津)計(jì)量檢測有限公司生產(chǎn)。常規(guī)土樣取自長沙市郊區(qū)農(nóng)田土壤。

1.1.2 藥品試劑

1.1.2.1 0.4mol·L-1重鉻酸鉀-硫酸溶液

稱取40.0g重鉻酸鉀(分析純)溶于600～800mL水中，用濾紙過濾到1L量筒內(nèi)，用水洗滌濾紙，并加水至1L，將此溶液轉(zhuǎn)移入3L大燒杯中。另取1L密度為1.84的濃硫酸，分批慢慢倒入重鉻酸鉀水溶液中，不斷攪動。待溶液冷后存于試劑瓶中備用。

1.1.2.2 0.2mol·L-1重鉻酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液

準(zhǔn)確稱取130℃烘2～3h的重鉻酸鉀(分析純)9.807g，用少量水溶解，無損移入1000mL容量瓶中，加水定容。

1.1.2.3 鄰菲啰啉(C12HgN2·H2O)指示劑

稱取鄰菲啰啉1.49g溶于含有1.00g六水合硫酸亞鐵銨的100mL水溶液中。此指示劑易變質(zhì)，應(yīng)密閉保存于棕色瓶中。

1.1.2.4 0.2mol·L-1硫酸亞鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液

稱取55.6g硫酸亞鐵(分析純)溶解于600～800mL水中，加濃硫酸(分析純)20mL攪拌均勻，靜置片刻后用濾紙過濾到1L容量瓶中，用水洗滌濾紙并加水至1L。此溶液易被空氣氧化而致濃度下降，每次使用時應(yīng)標(biāo)定其準(zhǔn)確濃度。

1.1.2.5 硫酸亞鐵溶液的標(biāo)定

吸取0.2000mol·L-1重鉻酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液20.00mL于樣品杯中，放入1顆磁力攪拌粒，加濃硫酸3～5mL和鄰菲啰啉指示劑2～3滴，加水30mL，以硫酸亞鐵溶液滴定至終點(diǎn)，由分析儀根據(jù)硫酸亞鐵溶液消耗體積自動計(jì)算出硫酸亞鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度。

1.1.3 試驗(yàn)儀器

土壤有機(jī)質(zhì)分析儀TS-8200B型，上海儀樂智能儀器有限公司生產(chǎn)。

1.2 樣品測定

準(zhǔn)確稱取過0.25mm篩的風(fēng)干試樣0.30～0.50g(精確到0.0001，稱樣量根據(jù)有機(jī)質(zhì)范圍而定)于消解杯中。輸入時間和溫度后儀器開始運(yùn)行，自動加入10.0mL重鉻酸鉀-硫酸溶液，消煮完成后以鄰菲啰啉為指示劑，用0.2mol·L-1硫酸亞鐵溶液滴定剩余的重鉻酸鉀。溶液由棕紅色變紫色至藍(lán)綠色為終點(diǎn)，根據(jù)消耗的重鉻酸鉀的量計(jì)算有機(jī)質(zhì)含量。加液至最終得出有機(jī)質(zhì)含量全過程由土壤有機(jī)質(zhì)分析儀自動完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 時間選擇

測定的土壤選用國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW(E)070335(ASA-14黑龍江黑土)、GBW(E)070336(ASA-15安徽潮土)、GBW(E)070339(ASA-18吉林棕壤)、GBW(E)070341(ASA-20陜西黃綿土)這4種標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，涵蓋了有機(jī)質(zhì)濃度從低到高的范圍。參考行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定土壤有機(jī)質(zhì)測定的消解溫度170～180℃，本試驗(yàn)使用石墨爐加熱均勻，溫度不會產(chǎn)生較大波動，故選擇消煮溫度170℃。消煮時間(含開始至沸騰)參考油浴法時間設(shè)置為7min、8min、9min、10min，每個樣品測定6次，根據(jù)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值的對照，找出最佳消煮時間。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 不同時間處理下土壤有機(jī)質(zhì)測定結(jié)果

從表1、表2可以看出，所有平行處理的結(jié)果絕對相差符合實(shí)驗(yàn)室精密度測定要求，見表2。測試結(jié)果的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)0.4%～5.7%，相對誤差(RD)-7.2%～9.9%。消煮時間低于8min時，有機(jī)質(zhì)含量高的ASA-14與ASA-15氧化時間不夠，結(jié)果偏低，落在標(biāo)準(zhǔn)值范圍以外。在消煮時間10min時，ASA-20的測定結(jié)果相對誤差偏大。其它檢測結(jié)果均在標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)，隨時間的增加而增高。為了進(jìn)一步說明消煮時間對測定結(jié)果的影響，做了不同時間處理下的氧化率曲線圖，見圖1。消煮時間少于8min時，ASA-14、ASA-15、ASA-18的氧化率小于95%，氧化不完全，測定值偏低；當(dāng)消煮時間超過8min時，4種測試標(biāo)樣的氧化率均大于100%，測定值偏高。綜上分析，考慮檢測時間和成本，選擇8min為最佳消煮時間。

圖1 不同時間處理下土壤有機(jī)質(zhì)氧化率比較

表2 平行測定結(jié)果允許相差

2.2 溫度選擇

以油浴溫度為參考，設(shè)置消煮溫度分別為165℃、170℃、175℃、180℃，消煮時間8min，每個樣品測定6次，根據(jù)其與標(biāo)準(zhǔn)值的對照，找出最佳消煮溫度。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。

表3 不同溫度處理下土壤有機(jī)質(zhì)測定結(jié)果

從表3可以看出，消煮溫度低于170℃時，有機(jī)質(zhì)含量高的ASA-14氧化反應(yīng)不夠充分，結(jié)果落在了標(biāo)準(zhǔn)值范圍外。其它檢測結(jié)果均在標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)且隨溫度的升高而增高。所有平行處理的結(jié)果絕對相差符合實(shí)驗(yàn)室精密度測定要求。測試結(jié)果的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)0.4%～5.2%，相對誤差(RD)-7.0%～6.3%。同樣消煮溫度對測定結(jié)果也有影響，根據(jù)測定數(shù)據(jù)得到不同溫度處理下的氧化率曲線圖，見圖2。消煮溫度低于170℃時，ASA-14的氧化率小于95%，氧化不完全，測定值偏低；當(dāng)消煮溫度達(dá)到175℃時，ASA-14氧化率均大于100%，測定值偏高；當(dāng)消煮溫度達(dá)到180℃時，ASA-14、ASA-15、ASA-20氧化率均大于100%，測定值偏高。溫度過高會導(dǎo)致液體蒸發(fā)過快，反應(yīng)劇烈會產(chǎn)生有機(jī)質(zhì)損失，因此得出結(jié)論，消煮時間8min時，170℃為最佳消煮溫度。

圖2 不同溫度處理下土壤有機(jī)質(zhì)氧化率比較

2.3 檢出限及測定下限

參考《土壤分析技術(shù)規(guī)范》[12]第6章土壤有機(jī)質(zhì)的測定，采用《環(huán)境監(jiān)測分析方法標(biāo)準(zhǔn)修訂技術(shù)導(dǎo)則》HJ 168-2020的理論檢出限(MDL)和測定下限(4MDL)。根據(jù)樣品的稱樣量(M)以及使用儀器所產(chǎn)生的最小液滴體積(V)、滴定液的濃度(c)，計(jì)算方法的理論檢出限[13]。

計(jì)算公式：

MDL=c×V×0.003×1.724×1.10×1000/M

硫酸亞鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度為0.2000mol·L-1，使用的儀器所產(chǎn)生的最小液滴0.09mL，最大取樣量為0.5g。0.003為1/4碳原子的毫摩爾質(zhì)量，g；1.724為有機(jī)碳換算成有機(jī)質(zhì)的系數(shù)；1.10為氧化校正系數(shù)。

方法檢出限：0.2000×0.09×0.003×1.724×1.10/0.5×1000=0.20g·kg-1。測定下限為4倍MDL[14]：0.20×4=0.80g·kg-1。

2.4 方法對比實(shí)驗(yàn)

使用有機(jī)質(zhì)分析儀，將溫度和時間設(shè)置在170℃、8min條件下，與傳統(tǒng)油浴法進(jìn)行比較，結(jié)果見表4。所測樣品有機(jī)質(zhì)含量范圍3.48～45.7g·kg-1，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差范圍0.2%～2.8%，相對誤差范圍-0.4%～0.9%，檢測結(jié)果無顯著差異(P=0.219)，滿足化學(xué)分析方法驗(yàn)證確認(rèn)和內(nèi)部質(zhì)量控制(GB/T 32465-2015)[15]的要求。

表4 土壤有機(jī)質(zhì)檢測方法對比結(jié)果(N=6)

3 結(jié)論

試驗(yàn)結(jié)果表明，采用有機(jī)質(zhì)分析儀測定土壤有機(jī)質(zhì)含量的最佳條件為170℃、8min。

與傳統(tǒng)方法相比，土壤有機(jī)質(zhì)分析儀不僅能解決傳統(tǒng)油浴法易污染實(shí)驗(yàn)室空氣，溫度波動大，管壁附著難清洗，轉(zhuǎn)移過程易損失等缺點(diǎn)，而且整個加液、消煮、轉(zhuǎn)移、滴定、計(jì)算全過程自動化，避免了檢測過程中人為因素帶來的誤差，試驗(yàn)數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。使用有機(jī)質(zhì)分析儀能有效避免操作人員與重鉻酸鉀、硫酸等腐蝕性物質(zhì)的頻繁接觸，安全高效，降低實(shí)驗(yàn)風(fēng)險。儀器檢測過程中所耗試劑要少于傳統(tǒng)方法，大批量檢測時可以大大節(jié)省人力物力、降低檢測成本。該方法檢出限為0.20g·kg-1，測定下限0.80g·kg-1，檢測數(shù)據(jù)能達(dá)到相應(yīng)土壤評價要求[16]，適合實(shí)驗(yàn)室批量測定土壤樣品的有機(jī)質(zhì)。